СПОСОБ ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ НАПЛАВКИ ВЕРТИКАЛЬНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1996 года по МПК B23K9/04 

Изобретение относится к области наплавки, в частности дуговой, в защитных газах, плавящимся электродом, вертикальных плоских, цилиндрических, включая внутренние, поверхностей, и может найти применение для плакирования аппаратов нефтехимического производства, оборудования атомных электростанций, при ремонтном восстановлении исходной толщины стенок сосудов и аппаратов и поврежденного плакирующего слоя на вертикальных поверхностях.

Известен способ автоматической наплавки под флюсом вертикальных поверхностей, например, наплавки стенки ящичного калибра прокатного валка (Справочник по сварке. Том. 4. Под ред. И.А. Акулова. М. Машиностроение, 1971, с. 263 264, рис. 20). Для предупреждения стекания наплавленного металла рядом с наплавляемой поверхностью из асбестового шнура устраивают стенку, которая удерживает флюс, формирующий наплавляемый слой. Основными недостатками этого способа наплавки вертикальных поверхностей являются: большая трудоемкость устройства асбестовой стенки и необходимость периодической остановки процесса для увеличения высоты асбестовой стенки. Для получения химического состава на поверхности наплавленного слоя одинаково с электродной проволокой требуется наплавить 3 4 слоя, так как доля участия основного металла в первом наплавленном слое составляет 24 36%
Известен способ электрошлаковой наплавки вертикальных наружных цилиндрических поверхностей (Технология и оборудование сварки плавлением. Под общ. ред. Г.Д. Никифорова, 2 изд. перераб. и доп. М. Машиностроение, 1986, с. 224 225, рис. 16.4), при котором для обеспечения равномерности проплавления основного металла проволоку перемещают вдоль наплавляемой поверхности и водоохлаждаемого формирующего устройства. При наплавке на цилиндрическую поверхность этого достигают вращением детали или приданием электродам колебательного движения по окружности, эквидистантной наплавляемой поверхности. Эту схему используют при наплавке слоя толщиной не менее 16 20 мм.

Недостатком этого способа является необходимость размещения охлаждаемого формирующего устройства по всему периметру наплавляемой поверхности.

Наиболее близким к изобретению является способ электродуговой широкослойной наплавки вертикальных поверхностей, при котором плакирующий слой формируют наплавкой горизонтальных валиков, помещая дугу в паз, образованный наплавляемой поверхностью и вертикальной стенкой теплоотводящего устройства (кристаллизатора) [1]
Недостатком известного способа является значительная доля участия основного металла в наплавленном. Поэтому задачей предложенного способа является оптимизация расстояния оси электрода от наплавляемой поверхности, так как правильно выбранное расстояние оси от наплавляемой поверхности позволяет свести к минимуму долю участия основного металла в наплавленном.

Известно устройство для осуществления способа сварки с поперечной по отношению к электроду подачей защитного газа [2] содержащее кронштейн, на котором закреплены сварочная головка и расположенные по обе стороны от нее с возможностью вращения прижимные диски в виде цилиндрических корпусов, образующих полость для защитного газа. Это устройство применяют при сварке встык тонких листов с одновременным прижатием обеих кромок, но оно не даст необходимого результата при наплавке вертикальных поверхностей.

Технический эффект заключается в расширении технологических возможностей и повышении производительности процесса наплавки за счет оптимизации расстояния оси электродной проволоки от наплавляемой поверхности, изменения гидродинамики жидкого металла ванны путем образования щелевидного канала его движения, интенсификации направленного теплоотвода с поверхности валика, формирующего плакирующий слой и перераспределения тепловой мощности дуги.

Требуемый технический эффект достигается тем, что плакирующий слой формируют наплавкой горизонтальных валиков, при этом ось плавящегося электрода устанавливают параллельно наплавляемой вертикальной поверхности на расстоянии
S K_т(4,1 + 4,8•10^-4•q_п) (1)
где S расстояние оси плавящегося электрода от наплавляемой поверхности;
K_т технологический коэффициент;
q_п погонная энергия.

Затем дугу помещают в паз, образованный наплавляемой поверхностью и вертикальной охлаждаемой стенкой теплоотводящего устройства, при этом ширину паза определяют по формуле

где В_п ширина паза;
K коэффициент вариации ширины паза;
V_п скорость подачи электрода;
V_н скорость наплавки;
F_пр площадь сечения электродной проволоки.

Устройство для электродуговой наплавки вертикальных поверхностей содержит сварочный инструмент (токоподводящий мундштук), жестко соединенный с газоподводящим узлом, выполненным в виде теплоотводящей пластины, параллельной оси сварочного инструмента, с газоподводящим отверстием, выполненным в виде щели, расположенной по периметру пластины. Пластина установлена с возможностью регулирования расстояния между осью инструмента и его рабочей поверхностью.

Размещение дуги в вертикальном пазе и установка оси электродной проволоки параллельно наплавляемой поверхности позволило переместить активное пятно жидкой ванны с наплавляемой поверхности заготовки на наплавленный валик, составляющий плакирующий слой. Представленная схема расположения активного пятна жидкой ванны (перемещение его с наплавляемой поверхности заготовки на плакирующий слой) имеет принципиальное значение, так как при расположении на оптимальном расстоянии оси электрода от наплавляемой поверхности, открывается возможность свести участие основного металла в наплавленном к допустимому минимуму. Второй стенкой паза является вертикальная поверхность теплоотводящего устройства, через которую происходит интенсивный теплообмен плазмы дуги (достаточно большой длины), анодной и катодной областями, струей капель, жидкой ванны наплавленного металла. Физические основы взаимодействия плазмы и холодной стенки изложены в основах физики плазмы, например, Франк-Каменецкий Д. П. Плазма четвертое состояние вещества. М. Атомиздат, 1975, с. 9.

Предлагаемый способ электродуговой наплавки вертикальных поверхностей осуществляют в защитных газах (инертных, смесях инертных газов с активными и др. ), на закритических плотностях тока (более 120 А/мм²) в режиме струйного переноса электродного металла, дугой, помещенной в вертикальный паз, плавящимися электродами, преимущественного малого диаметра 0,8.2,0.

Отличительной особенностью предлагаемого способа наплавки является то, что в процессе наплавки в вертикальный паз образуется щелевидный канал течения жидкого металла ванны, гидравлический радиус которого существенно отличается (примерно в 2 раза) от гидравлического радиуса канала при наплавке свободноформирующихся валиков известными способами на адекватных режимах.

При движении жидкого металла в щелевидном канале его эквивалентный диаметр находят по формуле

где d эквивалентный диаметр;
F площадь сечения потока жидкого металла;
S смоченный периметр сечения канала (величина S не зависит от того, какая часть смоченного периметра участвует в теплообмене).

Гидравлический радиус щелевидного канала ρ составляет 1/4 часть эквивалентного диаметра d.

Критерий подобия (уравнение) Рейнольдса показывает, что поток жидкого металла в щелевидном канале быстрее переходит из вихревого движения в спокойное (ламинарное) в сравнении с каналами, имеющими форму поперечного сечения близкую к круглой, при наплавке свободноформирующихся валиков.

Число Рейнольдса находим по уравнению:

где R_e критерий подобия Рейнольдса;
V скорость движения жидкого металла в характерном сечении жидкой ванны;
r гидравлический радиус канала в характерном сечении жидкой ванны (принимают 1/4 диаметра канала);
n кинематическая вязкость жидкого металла.

При наплавке в вертикальный паз изменение отношения ширины валика к его высоте от 0,6 до 1,3 соответствует числам Рейнольдса R_e 14 21.

При наплавке свободноформирующихся валиков в нижнем положении на адекватных режимах, диаметр канала в первом приближении принимали равным ширине валика. В этом варианте наплавки число Рейнольдса равно R_e 29 32.

Сопоставление чисел Рейнольдса показывает, что при наплавке предлагаемым способом движение потока жидкого металла в щелевидном канале более спокойное. Этот фактор в сочетании с интенсифицированной направленной кристаллизацией наплавляемого валика определяет специфику условий формирования плакирующего слоя валиками с отношением ширины к высоте усиления в пределах 0,6. 1,3. Наплавку свободноформирующимися валиками с такой геометрией сечения не производят ввиду плохого формирования слоя, при этом оптимальным отношением ширины валика к его высоте является 1,4.2,5. Учитывая, что при наплавке вертикальных поверхностей предлагаемым способом шаг наплавки равен высоте валика, увеличение высоты наплавляемых валиков, соответственно, уменьшает общее время наплавки единицы площади поверхности заготовки, следовательно, увеличивается производительность процесса.

Специфика формирования плакирующего слоя высокими валиками на вертикальных поверхностях заключается в том, что поверхность плакирующего слоя формируется путем направленного охлаждения и кристаллизации боковой вертикальной поверхности наплавляемого валика. При этом скорости теплоотвода с обеих сторон валика, в первом приближении, можно считать равными, что предопределяет расположение термического центра (объем жидкого металла, кристаллизующийся в последнюю очередь) в глубине плакирующего слоя. Направленная кристаллизация жидкой ванны валика ориентирует оси дендритов первого порядка нормально к поверхности плакирующего слоя. После механической обработки полученная рабочая поверхность имеет мелкозернистую равноосную структуру, коррозионная стойкость которой приближается к стойкости конструкционного материала адекватного состава.

Заданную толщину наплавляемого слоя получают изменением отношения ширины валика к его высоте от 0,6 до 1,3 путем изменения ширины вертикального паза, диаметра электродной проволоки, отношения скорости подачи электрода к скорости наплавки.

Вблизи холодной стенки теплоотводящего устройства жидкотекучесть ванны резко падает. Процесс кристаллизации идет при установившемся зазоре d между боковой поверхностью валика и вертикальной стенкой теплоотводящего устройства. Зазор составляет в среднем 0,05.0,90 от установленной ширины вертикального паза.

С целью оптимизации доли участия основного металла в наплавленном (в пределах 1 2) ось электродной проволоки устанавливают от наплавляемой поверхности на расстоянии 0,4.0,7 от диаметра контура активного пятна жидкой ванны.

Диаметр контура активного пятна жидкой ванны находят по эмпирической зависимости от погонной энергии:
d_п 4,1 + 4,8•10^-4•q_п (5)
где d_п диаметр контура активного пятна жидкой ванны;
q_п погонная энергия.

Расстояние оси плавящегося электрода от наплавляемой поверхности S находят по формуле:
S K_т(4,1 + 4,8•10^-4•q_п) (6)
где S расстояние оси плавящего электрода от наплавляемой поверхности;
K_т технологический эффект 0,4 0,7;
q_п погонная энергия.

При наплавке проволокой диаметром 0,8 1,2 мм выбирают технологический коэффициент 0,4 0,5. При наплавке проволокой диаметром 1,6 2,0 мм коэффициент составляет 0,5 0,7.

Если расстояние S от оси электродной проволоки до наплавляемой поверхности будет меньше 0,4 от диаметра контура активного пятна d_п жидкой ванны валика, наплавленного на том же режиме в нижнем положении при его свободном формировании, то увеличивается глубина проплавления заготовки, что приводит к увеличению участия основного металла в наплавленном более 2% Если расстояние S от оси электродной проволоки до наплавляемой поверхности установить больше 0,7 от диаметра контура активного пятна d_п жидкой ванны валика, наплавленного на том же режиме в нижнем положении при его свободном формировании. Формирование плакирующего слоя осуществляется при частичном его сплавлении с наплавляемой заготовкой (на локальных участках), т. к. наплавляемая поверхность не получает необходимой энергии активации.

Ширина вертикального паза пропорциональна соотношению площади сечения электродной проволоки (диаметру электрода) F_пр(d_э) скорости подачи электрода V_п и скорости наплавки V_н, значения которых определяют объем подаваемого в вертикальный паз электродного металла в единицу времени на единицу его длины. Подкоренное выражение в формуле, определяющей ширину паза B_п

представляет собой площадь сечения валика наплавленного металла, F_н

(Волошкевич Г. З. Сварка вертикальных швов методом принудительного формирования. Юбилейный сборник, посвященный Е.О. Патону. Издательство АН Украинской ССР: Киев, 1951, с. 384).

Корень квадратный из расчетной площади сечения наплавленного металла F_н определяет размер ширины паза В_п. Коэффициент вариации K ширины паза B_п учитывает литейные свойства наплавляемого металла (жидкотекучесть, линейная усадка, температурный интервал кристаллизации, теплофизические свойства и др.)
K 0,9 1,2.

Для легированных сталей аустенитно-ферритного класса К 1.

На оптимальных режимах наплавки толщина плакирующего слоя составляет 0,80 0,95 от размера ширины паза В_п.

На фиг. 1 схема способа электродуговой наплавки плоской вертикальной поверхности и устройства для его осуществления.

На фиг. 2 вид А А на фиг. 1 теплоотводящее устройство со стороны наплавляемой поверхности.

На фиг. 3 схема способа наплавки и устройства для его осуществления в аксонометрии с разрезом по осям теплоотводящей стенки, четвертая часть которой удалена.

Устройство для осуществления предлагаемого способа электродуговой наплавки (фиг.1, 2 и 3) представляет собой водоохлаждаемую теплоотводящую стенку 1, которую устанавливают на кронштейне 2 и располагают эквидистантно наплавляемой поверхности 3 на расстоянии равном ширине вертикального паза В_п. В корпусе теплоотводящей стенки устроен канал 4, к которому через крышку 5 подают и отводят охлаждающую жидкость (фиг.1, 2 и 3). По периметру корпуса стенки 1 расположено сопло 6 с газовой линзой 7 для равномерной ламинарной подачи защитного газа.

Площадь теплоотводящей стенки регламентируется ее высотой Н и длиной L (фиг. 2), величину которых выбирают исходя из условия оптимального теплового режима наплавки и формирования ванны 9 наплавляемого валика 10 при условии минимального расхода защитного газа.

Способ осуществляют следующим образом. В соответствии с толщиной наплавляемого слоя 11 и параметрами валика выбирают диаметр электродной проволоки 12 и соответствующий ему и толщине слоя режим наплавки: ток наплавки (плотность тока), напряжение на дуге, скорость подачи электродной проволоки V_п, скорость наплавки V_н, вылет электрода l. Если на наплавляемой поверхности не предусмотрена предварительная проточка, равная толщине наплавляемого слоя, на нижнее основание заготовки 13 прихватывают ручной дуговой сваркой (электрод АНО-4, диаметр 4 мм, катет шва 4 5 мм, длина швов 20 мм, шаг 20 30 мм) технологическую полосу 14 (толщиной 4.6 мм, шириной около двух толщин плакирующего слоя), длина которой равна длине наплавляемой поверхности. Ширину выступа технологической полосы за пределы наплавляемой поверхности устанавливают равной толщине наплавляемого слоя е (фиг. 3).

По формуле (5) находят диаметр активного пятна 15 жидкой ванны и по формуле (6) находят расстояние оси 16 электродной п проволоки от наплавляемой поверхности 3. После этого определяют по формуле (7) ширину вертикального паза В_п и корректируют винтом 17 расстояние от оси электрода до теплоотводящей стенки. (Это расстояние находят вычитанием из ширины вертикального паза В_п размера S, формула (6)). Затем после подачи воды для охлаждения стенки 3 и подачи защитного газа через газовую линзу 7 сопла 6, возбуждают дугу и начинают процесс наплавки.

Пример 1.

Требуется наплавить плакирующий слой толщиной 7 мм. По предлагаемому способу наплавки плакирующий слой толщиной 7 мм формируется из валиков, ширина которых приближенно равна толщине наплавляемого слоя, что соответствует соотношению ширины наплавляемого валика и высоты его усиления равной 0,8.0,9 (фиг. 3). Этим геометрическим параметром наплавляемого валика соответствует следующий режим наплавки
d_э диаметр электрода 1,6 (04Х19Н11М3)
V_п скорость подачи электрода 648 м/ч
V_н скорость наплавки 16 м/ч
I_н ток наплавки 240 А
U_g напряжение на дуге 32 В
U_xx напряжение холостого хода 65 В (выпрямитель ВДУ 504)
Характеристика жесткая.

Расстояние оси электрода от наплавляемой поверхности при данном режиме наплавки находят по формуле (6), которая включает погонную энергию q_п и, соответственно, диаметр активного пятна жидкой ванны d_п
S 0,5(4,1 + 4,8•10^-4•240•32)= ≈ 4 мм
Находим ширину вертикального паза В_п.

Установочное расстояние оси электродной проволоки от теплоотводящей стенки находят вычитанием из ширины вертикального паза В_п расстояния S (B_п S), т. е. 9 4 5 мм.

Остальные параметры режима:
l вылет электрода, мм 18
Q расход газа л/мин 16,4
Учитывая, что в процессе наплавки между наплавляемым валиком и теплоотводящей стенкой образуется зазор δ (фиг. 1) 0,5.2,0 мм (0,05.0,20)В_п, найденное значение ширины паза является оптимальным, что и подтвердила контрольная наплавка плакирующего слоя.

Предлагаемый способ наплавки вертикальных поверхностей и устройство для его осуществления представляют собой ресурсосберегающую технологию, т.к. позволяют сократить число проходов для получения требуемого химсостава плакирующего слоя, с двух-трех до одного, следовательно, снизить общее (штучное) время наплавки заготовки, уменьшить расход электроэнергии и наплавочных материалов (защитный газ, электродная проволока).

Использование предлагаемого способа наплавки вертикальных поверхностей дает в сравнении с известными способами электродуговой наплавки следующий положительный эффект:
1. Возможность осуществлять контролируемое перераспределение тепловой мощности дуги между тремя объектами ее воздействия наплавляемая заготовка, ранее наплавленный металл, теплоотводящее устройство и позволяет:
а) значительно уменьшить (в 2,0.2,6 раза) тепловложение в наплавляемое изделие при достаточно высокой производительности процесса (a_н 22 Г/А ч), осуществляемого на закритических плотностях тока (более 120 А/мм²).

В результате чего, значительно уменьшается: остаточные деформации и напряжения, толщина диффузионной прослойки на границе сплавления основного и наплавленного металлов, время пребывания наплавленного металла в интервале опасных температур, и др.

б) снизить участие основного металла заготовки в наплавленном от практически допустимых значений (2,0.3,0) до нуля, при этом доля участия ранее наплавленного металла валика в последнем валике уменьшается, в среднем в 3 раза, до 7,0.12 т. е. до таких же значений, как и при наплавке лентой;
в) резко повысить эксплуатационные свойства (коррозионную стойкость) наплавленного металла за счет перемещения термического центра в глубину плакирующего слоя и соответствующей ориентации осей дендритов первого порядка по отношению к его рабочей поверхности;
2. Плавное изменение толщины наплавляемого слоя (соответствующим изменением ширины вертикального паза В_п) позволяет в достаточно широких пределах увеличить точность размеров плакирующего слоя, следовательно, уменьшить затраты на последующую обработку.

Использование: плакирование аппаратов и внутренних цилиндрических поверхностей оборудования атомных электростанций и нефтехимического производства. Сущность изобретения: электродуговую наплавку вертикальных поверхностей ведут с использованием кристаллизатора в виде вертикальной охлаждаемой стенки. Плавящийся электрод располагают параллельно наплавляемой вертикальной поверхности на расстоянии S = K_т(4,1 + 4,8 •10^-4•q_п, где К_т - коэффициент технологический, q_п - погонная энергия. При этом ширина паза, образованного наплавляемой поверхностью и вертикальной стенкой кристаллизатора , где F_пр - площадь сечения электродной проволоки, К - коэффициент вариации ширины паза, V_п - скорость подачи электрода, V_н - скорость наплавки. В устройстве газоподводящий узел выполнен в виде теплоотводящей пластины, параллельной оси сварочного инструмента, газоподающее отверстие выполнено в виде щели, расположенной по периметру пластины, а пластина установлена с возможностью pегулирования расстояния между рабочей поверхностью и осью инструмента. 3 ил.

1. Способ электродуговой наплавки вертикальных поверхностей, при котором плакирующий слой формируют наплавкой горизонтальных валиков, помещая дугу в паз, образованный наплавляемой поверхностью и вертикальной стенкой теплоотводящего устройства, отличающийся тем, что ось плавящегося электрода устанавливают параллельно наплавляемой вертикальной поверхности на расстоянии
S=K_т•(4,1+4,8•10^-4q_п),
где S расстояние оси плавящегося электрода от наплавляемой поверхности;
K_т технологический коэффициент;
q_п погонная энергия,
при этом ширину паза определяют по формуле

где B_п ширина паза; v_п скорость подачи электрода;
v_н скорость наплавки;
F_п р площадь сечения электродной проволоки. 2. Сварочное устройство для электродуговой наплавки, содержащее сварочный инструмент, жестко соединенный с газоподводящим узлом, имеющим отверстие для выхода газа, отличающееся тем, что газоподводящий узел выполнен в виде теплоотводящей пластины, параллельной оси сварочного инструмента, газоподающее отверстие выполнено в виде щели, расположенной по периметру пластины, причем пластина установлена с возможностью регулирования расстояния между осью инструмента и ее рабочей поверхностью.