CC BY
0
Машиностроение и машиноведение
ВЫБОР СПОСОБА ОЧИСТКИ ПОВЕРХНОСТИ НАПЛАВЛЕННОГО МЕТАЛЛА В ПРОЦЕССЕ АДДИТИВНОГО ПРОИЗВОДСТВА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ Лаврентьев Алексей Юрьевич, к.т.н., доцент (e-mail: lavr_ay@mail.ru) Какорин Даниил Дмитриевич, аспирант (e-mail: kakorin0000@gmail.com) Дожделев Алексей Михайлович, к.т.н., доцент (e-mail: cordar@yandex.ru)
Тверской государственный технический университет, г. Тверь, Россия
В статье проводится анализ известных способов очистки поверхности наплавленного металла от шлака, описывается сущность каждого из методов, приводятся их достоинства и недостатки. Рассматривается инновационный метод очистки наплаванного металла с помощью лазерного излучения. На основе проведенного анализа выполняется обоснование наиболее подходящего способа очистки наплавленного металла в процессе аддитивного производства металлических изделий.
Ключевые слова: шлак, шлаковые включения, дефекты, способы очистки, лазерная очистка, аддитивное производство.
Одним из наиболее эффективных способов аддитивного производства металлических изделий является послойная электродуговая наплавка проволочного материала [1]. Как и все известные способы аддитивного производства послойная электродуговая наплавка имеет свои преимущества и недостатки. Основной проблемой в процессе послойной электродуговой наплавки является необходимость зачистки поверхности каждого наплавленного валика от шлаковых образований и различных загрязнений.
Шлак образуется в результате взаимодействия капель расплавленного металла и сварочной ванны с защитной газовой атмосферой и представляет собой расплав различных солей и оксидов (рис 1). Шлак скапливается на поверхности сварочной ванны, поскольку имеет меньшие температуру плавления и удельный вес, по сравнению с жидким металлом. Количество шлаковых образований на поверхности наплавленного металла зависит от качества и состава защитного газа.
Провести наплавку без использования защитной газовой атмосферы возможно только в вакууме, что значительно увеличивает стоимость и трудоемкость выполняемых работ. Применение наплавки под слоем флюса для послойного построения металлических изделий не целесообразно, из-за чрезмерного образования шлака на поверхности наплавленного металла и увеличения времени выполнения зачистных работ. Поэтому электродуговая наплавка в среде защитных газов является наиболее оптимальным
вариантом для аддитивного производства металлических изделий, гарантирует стабильное качество наплавленного металла и минимальное количество шлаковых образований на поверхности наплавленного металла.
Рисунок 1 - Сварной шов а - общий вид; б - шлаковые образования
Использование защитной газовой атмосферы позволяет:
- защитить капли расплавленной электродной проволоки, металл сварочной ванны и зоны термического влияния от непосредственного взаимодействия с атмосферой воздуха;
- дополнительно способствовать раскислению металла сварочной ванны;
- поддерживать устойчивость процесса наплавки;
- снижать образование брызг расплавленного металла в процессе наплавки;
- обеспечивать формирование правильной геометрии наплавленного валика;
- оказывать положительное влияние на структуру и механические свойства наплавленного металла.
Выполнение процесса послойной электродуговой наплавки без предварительной зачистки поверхности наплавленных валиков от шлака приводит к возникновению дефектов в структуре наплавленного металла, таких как шлаковые включения, несплавления и трещины, а также значительно снижает механические свойства наплавленного металла [2].
Таким образом, актуальной задачей является выбор оптимального способа зачистки поверхности наплавленного металла в процессе послойной электродуговой наплавки.
Проанализировав известные способы очистки металла после сварки и наплавки, были выделены следующие группы: химическая, электрохимическая и механическая очистка.
Химической очистке, как правило, подвергаются металлические изделия, выполненные из нержавеющих сталей. Различают процессы химического травления и пассивации. При химическом травлении используются серная и соляная кислоты или щелочь. При этом процессе полностью удаляются цвета побежалости и различного рода включения с поверхности металла. Травление можно проводить как локально, нанося травители в виде пасты на отдельные участки сварного шва, так и методом полного погружения в раствор.
Пассивация металла предполагает воздействие на сварной шов концентрированными кислотами с целью создания защитной пленки в месте соединения. После пассивации у нержавеющей стали восстанавливаются антикоррозийные свойства и повышаются эксплуатационные показатели.
Химические способы очистки металла чаще всего применяются при серийном и массовом производстве ответственных изделий из нержавеющих сталей, обеспечивают качественную очистку поверхности металла и восстанавливают утерянные под воздействием температуры антикоррозионные свойства нержавеющей стали [3].
Несмотря на свою эффективность, химические способы очистки отличаются высокой вредностью процесса обработки металла, низкой производительностью, высокими требованиями к квалификации персонала, организации безопасности труда на производстве, нуждаются в необходимости постоянного контроля технологии, а также имеют ограниченную область применения.
Электрохимическая очистка металла позволяет воздействовать не только на наплавленный металл и металл шва, но и на металл околошовной зоны (рис. 2). Особенностью электрохимической очистки является то, что она проводится с использованием электрического тока и специального состава - электролита. Данный метод позволяет удалить цвета побежалости с поверхности металла, восстановить внешний вид сварного шва и создать на его поверхности пассивный слой, обеспечивающий антикоррозионные свойства стали.
Электрохимический способ очистки металла шва наиболее эффективен по сравнению с химическими способами очистки и отличается снижением трудоемкости процесса очистки, повышением производительности, а также высоким качеством очищенной поверхности металла.
Недостатками электрохимической очистки металла являются стоимость оборудования, необходимость в высококвалифицированном персонале, вредность производства и ограниченная область применения.
Механическая очистка является наиболее распространённым и универсальным методом очистки металла после сварки или наплавки. С помощью механических способов с поверхности наплавленного металла уда-
ляются шлак, окалина, брызги застывшего металла и оксидные пленки. Выполняется механическая очистка наплавленного металла с помощью специального портативного шлифовального станка, угловой шлифовальной машинки, оснащенной абразивным кругом или металлической насадкой, а также вручную при помощи металлических щеток различной формы и жесткости.
Основными отличиями механических способов очистки металла являются сочетание высокой эффективности и относительно низкой стоимости оборудования и инструмента, отсутствие необходимости в высококвалифицированном персонале, возможность контроля и механизации процесса очистки.
Недостатками способов механической очистки наплавленного металла является чрезмерное удаление поверхности наплавленного валика, отсутствие возможности автоматизации процесса и зачистки труднодоступных мест.
В настоящее время набирает популярность лазерная очистка сварных швов и наплавленного металла [5]. Сущность метода заключается в удалении инородных слоев материала с поверхности металла шва под действием лазерного излучения (рис. 3). При этом исходный материал не повергается температурному воздействию и сохраняет все свои первоначальные свойства. Изменяя мощность лазерного излучения, режимы очистки и скорость сканирования можно регулировать толщину удаляемого поверхностного слоя.
Способ лазерной очистки наплавленного металла превосходит по производительности все известные методы очистки, является точным и безопасным для работников методом очистки. Лазерная очистка металла может быть интегрирована в технологический процесс и являться полностью автоматизированной. В процессе эксплуатация не требуется использование дополнительных расходных материалов. Применяемое оборудование отличается высокой надежностью и долговечностью.
Рисунок 2 - Электрохимическая очистка сварного шва [4]
Рисунок 4 - Лазерная очистка сварного шва [6]
Недостатком способа лазерной очистки наплавленного металла является высокая относительно стоимость оборудования и необходимость обучения персонала.
Исходя из проведенного анализа известных способов очистки металла, наиболее предпочтительным для внедрения в процесс послойной электродуговой наплавки металлических изделий, для удаления шлака и других загрязнений с поверхности наплавленного металла, является лазерная обработка. Данный метод позволяет автоматизировать очистку наплавленного металла и может быть интегрирован в технологический процесс аддитивного производства. Отсутствие необходимости в приобретении дополнительных расходных материалов и длительный ресурс оборудования позволяет снизить затраты на процесс послойного наплавки металлических изделий.
Список литературы
1. Жаткин С.С., Никитин К.В., Деев В.Б., Панкратов С.С., Дунаев Д.А. Применение электродуговой наплавки для создания трехмерных объектов из стали // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. 2020. Т. 63. № 6. С. 443
2. ГОСТ 30242-97 Группа В05. Межгосударственный стандарт. Дефекты соединений при сварке металлов плавлением. Классификация, обозначения и определения. - Введен 2003. - 01.01. - М.: Издательство стандартов. - 2003.
3. Звягина Е. А., Толстых С. А., Тупикин Д. А. Применение различных способов очистки сварных соединений на АО «Промприбор», г. Ливны //Современные материалы, техника и технология. - 2021. - С. 124-127.
4. Официальный сайт Cip-system /Электронный ресурс //Режим доступа: https://cip-system .ru/stati/ochistka-i -passivaciya-svarnyh-shvov.
5. Артюкевич А. В. Разработка технологии лазерной очистки металлических поверхностей //Инновационные идеи молодых исследователей. - 2021. - С. 46-52.
6. Официальный сайт Pokkels /Электронный ресурс //Режим доступа: https://clean.pokkels.ru/.
Lavrentiev Alexey Yurievich, Cand. Tech. Sci., associate professor (e-mail: lavr_ay@mail.ru)
Tver State Technical University, Tver, Russia Kakorin Daniil Dmitrievich, graduate student (e-mail: kakorin0000@gmail.com) Tver State Technical University, Tver, Russia
Dozhdelev Alexey Mikhailovich, Cand. Tech. Sci., associate professor
(e-mail: cordar@yandex.ru)
Tver State Technical University, Tver, Russia
THE CHOICE OF A METHOD FOR CLEANING THE SURFACE OF THE DEPOSITED METAL IN THE PROCESS OF ADDITIVE MANUFACTURING OF METAL PRODUCTS
Abstract. The article analyzes the known methods of cleaning the surface of the deposited metal from slag, describes the essence of each of the methods, their advantages and disadvantages are given. An innovative method of cleaning the deposited metal using laser radiation is considered. On the basis of the analysis carried out, the justification of the most suitable method of cleaning the deposited metal in the process of additive manufacturing of metal products is carried out.
Keywords: slag, slag inclusions, defects, cleaning methods, laser cleaning, additive manufacturing.
ОБЗОР СПОСОБОВ МОНТАЖА ЭЛЕКТРОПРОВОДКИ НА ПРОИЗВОДСТВЕННОМ ОБОРУДОВАНИИ ДЛЯ АДДИТИВНОГО ПРОИЗВОДСТВА Лаврентьев Алексей Юрьевич, к.т.н., доцент (e-mail: lavr_ay@mail.ru) Какорин Даниил Дмитриевич, аспирант (e-mail: kakorin0000@gmail.com) Дожделев Алексей Михайлович, к.т.н., доцент (e-mail: cordar@yandex.ru)
Тверской государственный технический университет, г. Тверь, Россия
В статье приводится обзор способов прокладки кабелей электропроводки производственного оборудования, рассматриваются их достоинства и недостатки, область применения и особенности установки. В качестве итога выполняется обоснование наиболее подходящего способа прокладки электропроводки для установок портального типа различного назначения, включая 3D принтеры.
Ключевые слова: электропроводка, питание, управление, монтаж проводки, производственное оборудование, аддитивные технологии.
Эксплуатацию современного станочного оборудования невозможно представить без использования различных электронных компонентов и датчиков. Их применение обеспечивает бесперебойную работу оборудования, возможность организации его полной автоматизации, предупреждает об износе деталей, уберегает от возникновения аварийных ситуация и несчастных случаев, а также позволяет осуществлять дистанционную наладку и изменение рабочих параметров. Однако с увеличением дополнитель-
