СПОСОБ ПЛАЗМЕННОЙ НАПЛАВКИ ВАЛОВ С ПОСТОЯННОЙ ШИРИНОЙ НАПЛАВОЧНОГО ВАЛИКА Российский патент 1997 года по МПК B23K9/04 B23K10/02 

Изобретение относится к механизированным способам плазменной наплавки по винтовой линии валов и других изделий типа тел вращения при их упрочнении или восстановлении. Целью изобретения является получение качественных покрытий, однородных по форме, составу, структуре и физико-механическим свойствам.

Плазменную наплавку валов принято вести при постоянной мощности дуги (Сидоров А. И. Восстановление деталей машин напылением и наплавкой. М. Машиностроение, 1987, с. 192).

В процессе обработки изделие нагревается и температуру поверхности вала по фронту модно представить в виде (Махненко В.И. Кравцов Т.Г. Тепловые процессы при механизированной наплавке деталей типа круговых цилиндров. Киев. Наукова думка, 1976, с. 159; Нефедов Б.Б. Расчет режимов плазменно-порошковой наплавки, ЦНИИТУВИД, М. 1992, с. 30):

где
T₀ начальная температура поверхности;
q эффективная тепловая мощность дуги;
V линейная скорость наплавки;
R радиус наплавляемого вала;
cρ удельная объемная теплоемкость наплавляемого изделия;
n, N число витков от начала наплавки (Зависимость описывает процесс в подвижной системе координат, с точкой отсчета в центре плазменной дуги);
функция распространения тепла по радиусу цилиндра (μ₁= 0;μ₂= 3,83; μ₃= 7,02 и т.д.);
- отношение шага наплавки Н к радиусу вала;
безразмерная продолжительность наплавки n витков (а коэффициент температуропроводности).

Температура поверхности T_Σ может изменяться от начальной T₀ до температуры предельного насыщения T_пр при N _→ ∞ (см. кривую T при J=const на прилагаемом чертеже). Наплавку валов диаметром больше 40-50 мм обычно ведут на восходящей ветви кривой теплонасыщения. При этом перепад температур может достигать нескольких сотен градусов. Соответственно изменению температуры по фронту дуги меняются условия формирования покрытия. Наплавочный валик расширяется (см. кривую В при J=const), одновременно увеличивается глубина проплавления материала основы и его перемещение с металлом покрытия. Все это приводит к неоднородности покрытия по форме, химическому составу, структуре и физико-механическим свойствам.

Сущность изобретения составляет способ механизированной плазменной наплавки валов и других деталей типа тел вращения, при котором в процессе обработки поддерживается постоянная ширина наплавочного валика и, соответственно, его форма за счет изменения мощности дуги по программе, расчитанной с учетом температуры изделия перед дугой.

На чертеже представлены параметры процессов плазменно-порошковой наплавки при постоянной мощности дуги (ток дуги J=const) и с управлением мощностью (током) дуги для сохранения постоянной ширины наплавочного валика (B= const).

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения.

При нанесении плазменно-порошковых покрытий на валы сплошного сечения с заданной шириной наплавочного валика В эффективная тепловая мощность дуги на первом витке наплавки может быть определена по выражению:
q₁= v[δHh+1,07•cρ•B²(T_пл-T_o)]
где δ толщина покрытия;
H шаг наплавки;
h удельная объемная энтельпия материала покрытия, включая скрытую теплоту плавления;
T_пл температура плавления материала изделия (в случае сварного соединения покрытия с основой).

Эффективная тепловая мощность при наплавке второго и последующих витков определяется последовательным решением выражения:

где q_n эффективная тепловая мощность при наплавке n-го витка.

Если перед нанесением покрытия вал нагревается плазменной дугой в сечении первого наплавочного валика, эффективная тепловая мощность первого и последующих витков определяется выражениями:

где N' количество витков предварительного нагрева в сечении первого наплавочного валика.

При наплавке плазменной дугой большого диаметра в расчетные выражения вносятся поправки, учитывающие пространственный характер теплового источника, а при наплавке покрытий большой протяженности с малой скоростью должна учитываться теплопередача в окружающую среду.

На прилагаемом чертеже показаны параметры процесса наплавки с регулированием мощности (тока) дуги в процессе обработки для поддержания стабильной ширины наплавочного валика в сравнении с наплавкой при постоянной мощности (тока) дуги на примере нанесения покрытия порошком нержавеющей стали ПР-Х18Н9 толщиной 1 мм на вал ⊘ 40 мм, с предварительным нагревом изделия в сечении первого наплавочного валика.

Управление мощностью дуги обеспечивает не только постоянную форму наплавочных валиков, но и приводит к существенному снижению тепловложений в изделие и увеличению термического КПД наплавки.

Использование: механизированная плазменная наплавка валов. Сущность изобретения: наплавку производят по винтовой линии. В процессе наплавки поддерживается постоянная форма наплавочного валика и его форма за счет изменения мощности дуги. Изменение мощности производится по предварительно расчитанной программе с учетом температуры изделия перед дугой. 1 ил.

Способ механизированной плазменной наплавки валов, при котором наплавку производят по винтовой линии, отличающийся тем, что мощность дуги изменяют по программе, рассчитанной с учетом тепловой мощности первого и последующих валиков в зависимости от температуры изделия по фронту наплавки, для поддержания постоянной формы наплавочного валика, при этом величину тепловой мощности первого и последующих валиков выбирают по формулам


где δ - толщина покрытия;
H шаг наплавки;
h удельная объемная энтальпия материала покрытия, включая скрытую теплоту плавления;
Т_п л температура плавления материала изделия;
Т_о начальная температура поверхности изделия;
v линейная скорость наплавки;
R радиус наплавляемого вала;
cρ - удельная объемная теплоемкость наплавляемого изделия;
n,N число витков от начала наплавки;
Φ(r=R₁,τ₁) - функция распространения тепла по радиусу цилиндра;
отношение шага наплавки к радиусу вала;
безразмерная продолжительность наплавки n витков;
а коэффициент температуропроводности.