СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЗОНЫ ОБРАЗОВАНИЯ СОЕДИНЕНИЯ МЕТАЛЛОПОКРЫТИЯ С ОСНОВОЙ ПРИ ЭЛЕКТРОКОНТАКТНОЙ НАПЛАВКЕ Российский патент 2006 года по МПК B23K11/06 B23K31/12 

Изобретение относится к области восстановления изношенных деталей машин электроконтактной наплавкой проволокой и может быть использовано при выборе технологических режимов процесса.

Известен неразрушающий способ определения прочности сварного соединения металлопокрытия с основой при электроконтактной наплавке, при котором производят наплавку присадочной проволоки на образец, определяют относительное удлинение проволоки и по нему определяют прочность соединения /1/. Этот способ позволяет определить среднюю, интегральную характеристику прочности и не позволяет установить зону образования соединения в пределах образующейся при осадке присадочной проволоки контактной площадки с наплавляемой поверхностью.

Прототипом изобретения является способ определения зоны образования соединения при электроконтактной наплавке, при котором производят наплавку присадочной проволоки на образец, замеряют деформацию присадочной проволоки, определяют размеры контактной площадки, определяют зону образования соединения, исключая из площади контактной площадки те ее участки, где соединение не образуется /2/.

Недостатком известного способа является низкая точность определения зоны образования соединения.

В известном способе в качестве параметра деформации присадочной проволоки используют ее радиальную деформацию, которую невозможно достаточно точно замерить из-за того, что наплавку валиков металлопокрытия на образец производят по винтовой линии с наложением смежных валиков. Отрицательно влияет на точность измерений и то, что осадка проволоки в радиальном направлении неодинаковая в пределах формируемой площадки - больше в середине и меньше по краям. Обычно для увеличения точности измерений производят наплавку единичного валика металлопокрытия с большим шагом, исключающим перекрытие контактных площадок присадочного металла с основой по длине валика. Однако в этом случае режим наплавки резко отличается от реального, так как не учитывается шунтирование сварочного тока через ранее наплавленные смежные валики. Условия деформации присадочной проволоки также не совпадают с действительными. В прототипе при определении размеров контактной площадки покрытия с образцом величины осадки присадочной проволоки со стороны образца и со стороны наплавляющего ролика не определяют, произвольно считают их равными между собой. В действительности же осадка проволоки со стороны образца много больше, чем со стороны ролика, так как диаметр цилиндрического образца во много раз меньше диаметра ролика. По этим причинам размеры контактной площадки определяют неточно. В известном способе считают, что сварное соединение покрытия с образцом образуется по всей контактной площадке, за исключением ее начальной и конечной периферийных областей, которые из-за вращения образца находятся под тепловым и силовым воздействием со стороны наплавляющего ролика менее продолжительное время, чем средняя часть контактной площадки. Такое определение границ зоны образования сварного соединения в пределах контактной площадки является малообоснованным. В зависимости от режимов наплавки зона соединения металлопокрытия с основным металлом образца может занимать как незначительную часть контактной площадки, так и не образовываться вовсе.

Изобретение позволяет получить новый технический эффект - повысить точность определения зоны образования соединения в пределах контактной площадки между присадочным металлом и цилиндрической поверхностью образца.

Этот технический эффект достигается тем, что в качестве параметров деформации присадочной проволоки замеряют ширину наплавленного валика и суммарную осевую деформацию присадочной проволоки, по которой определяют относительную осевую деформацию проволоки, размеры контактной площадки между присадочным металлом и образцом определяют с учетом действительных значений осадки присадочной проволоки со стороны образца и со стороны ролика, а границу зоны образования сварного соединения в пределах контактной площадки определяют, как границу области относительного движения разогретого до пластического состояния присадочного металла по наплавляемой поверхности, для чего вычисляют действующие растягивающие напряжения в поперечных сечениях пластически деформированной присадочной проволоки и сравнивают их с условным пределом ползучести присадочного металла при данной температуре.

На фиг.1 показана схема формирования металлопокрытия при электроконтактной наплавке; на фиг.2 - контактная площадка между образцом и деформированной присадочной проволокой; на фиг.3 - развертка контактной площадки; на фиг.4 - зависимость прочности сварного соединения металлопокрытия с основой от относительной осевой деформации присадочной проволоки; на фиг.5 - графики распределения нормальных растягивающих напряжений по длине контактных площадок при различных режимах наплавки.

К вращающемуся цилиндрическому образцу 1 радиуса R₁ роликом 2 радиуса R₂ с усилием F прижимается проволока 3 диаметром d, которая при прохождении импульсов тока периодически разогревается и осаживается на величину t₁ со стороны образца 1 и на величину t₂ со стороны ролика 2, образуя контактную площадку 4 длиной L₁ и контактную площадку 5 длиной L₂ с образцом 1 и роликом 2 соответственно. Валик 6 металлопокрытия наносится на образец 1 по винтовой линии. Поперечное сечение 7 деформированной присадочной проволоки 3, положение которого определяется углами α₁ и α₂, имеет длину f. На контактной площадке 4 показан элемент 8. Зависимость безразмерной прочности сварного соединения σ/σ_мах металлопокрытия с основным металлом образца 1 от относительной осевой деформации ε_y присадочной проволоки 3 показана графиком 9. Зависимости растягивающих напряжений σ_У/σ_П в сечениях 7 от ординат у этих сечений 7, при различных режимах наплавки показаны графиками 10, 11, 12.

Сущность способа заключается в следующем. Производят наплавку по винтовой линии проволоки 3 на вращающийся цилиндрический образец 1. Через контакты "ролик 2 - проволока 3" и "проволока 3 - образец 1" периодически пропускают мощные импульсы тока, разогревающие присадочный металл проволоки 3 до температур, близких к температурам плавления, при которых характеристики упругости стали резко снижаются, а ее свойства приближаются к свойствам вязких жидкостей. Наиболее интенсивно деформируются более нагретые объемы присадочного металла проволоки 3, что ведет к выравниванию температуры в пределах сварных площадок. Полная осадка проволоки t₁ со стороны образца 1 больше осадки t₂ со стороны ролика 2, так как R₁≪R₂. В моменты осадки проволоки 3 часть ее присадочного металла выдавливается из-под ролика 2 в направлении, обратном направлению затягивания присадочной проволоки 3. Поэтому длина L_B наплавленного валика 6 оказывается значительно (на 20...50% в зависимости от режимов наплавки), больше длины L_ПР проволоки 3, затраченной на формирование этого валика 6.

Замеряют ширину 2b и длину L_B наплавленного валика 6 и по ней определяют относительную осевую деформацию присадочной проволоки 3

Существует взаимосвязь между прочностью сварного соединения σ/σ_max и относительной осевой деформацией ε_y присадочной проволоки 3. Такая зависимость для случая углеродистых материалов показана графиком 9 /1/. Эти зависимости являются интегральными (усредненными) характеристиками прочности сварного соединения.

Среднюю за цикл толщину δ металлопокрытия 6 при наплавке с шагом S определяют без ее непосредственного измерения

Определяют длины L₁ и L₂ контактных площадок 4 и 5 присадочного металла проволоки 3 соответственно с образцом 1 и роликом 2. По схеме формирования металлопокрытия 6 получают очевидные геометрические соотношения:

Кроме того, составляют уравнение равновесия равномерно разогретого до пластического состояния присадочного металла проволоки 3, заключенного между образцом 1 и роликом 2. Развертки площадок 4 и 5 контакта присадочного металла проволоки 3 с образцом 1 и роликом 2 близки по форме к полуэллипсам. Полуосями таких эллипсов являются половина b ширины наплавленного валика 6 и длины контактных дуг L₁ и L₂ соответственно.

Площадь выделенного элемента 8 на контактной площадке 4 равна

Перпендикулярно рассматриваемому элементу 8 действуют нормальные контактные напряжения, равные условному пределу ползучести присадочного металла при данной температуре в условиях электроконтактной наплавки. Элементарная сила dP, действующая на выделенный элемент 8 со стороны образца 1, равна

Суммы горизонтальных составляющих элементарных сил, действующих на присадочный металл проволоки 3 как со стороны образца 1, так и со стороны ролика 2, равны

Таким образом, получают дополнительное уравнение, связывающее между собой длины L₁ и L₂ контактных площадок 4 и 5

Решают совместно уравнения (3, 4, 5, 9) и находят длины L₁ и L₂ контактной площадки 4 и контактной площадки 5 соответственно. Тем самым определяют размеры контактных площадок 4 и 5 с учетом действительных значений осадок присадочной проволоки 3 со стороны образца 1 и ролика 2.

Вычисляют нормальные растягивающие напряжения в произвольном сечении 7 деформированной присадочной проволоки 3. Центральные углы α₁ и α₂, определяющие положение сечения 7, связаны между собой соотношением

На присадочный металл проволоки 3, расположенный выше проведенного сечения 7, со стороны образца 1 и со стороны ролика 2 действует растягивающая сила N_Y. Для ее определения проектируют элементарные силы dP давления на присадочный металл проволоки 3 со стороны образца 1 и ролика 2 на вертикальную ось y и суммируют вертикальные составляющие этих сил в пределах тех частей контактных площадок 4 и 5, которые расположены выше рассматриваемого сечения 7. Получают:

Площадь поперечного сечения 7 деформированного присадочного металла проволоки 3, заключенного между образцом 1 и роликом 2, определяют из геометрических соотношений:

Вычисляют нормальные растягивающие напряжения в сечении 7 присадочного металла

Далее определяют растягивающие напряжения σ_Y, проводя поперечные сечения 7 в различных частях контактной площадки 4, т.е. задаваясь значениями угла α₁, и строят графики 10, 11, 12 зависимостей отношений напряжений σ_Y к напряжениям σ_П от положений у сечений 7 в пределах контактных площадок 4. Считается, что при формировании соединения в твердой фазе, условием образования качественного соединения является течение присадочного металла проволоки 3 относительно образца 1, приводящее к выглаживанию микронеровностей металла на поверхности образца 1, разрушению и частичному растворению окисных и адсорбированных пленок, что, в свою очередь, создает условия для химического взаимодействия в отдельных точках контакта соединяемых поверхностей. Условие течения присадочного металла проволоки 3 по наплавляемой поверхности образца 1 записывается как σ_Y/σ_П≥1. Таким образом, для оценки размеров зоны образования соединения металлопокрытия 6 с основой образца 1 в пределах контактной площадки 4 из площади контактной площадки 4 исключают те ее периферийные участки, где σ_Y/σ_T<1 и на которых соединение не образуется, оставляя ту ее наиболее деформированную часть, где отношение действующих напряжений к условному пределу ползучести присадочного металла σ_Y/σ_П≥1.

Пример 1. Наплавляли цилиндрический образец из стали 45 ГОСТ 1051-88 диаметром 2R₁=50 мм наплавляющим роликом диаметром 2R₂=300 мм с применением пружинной проволоки 2 класса ГОСТ 9389-75 диаметром d=1,8 мм на следующем режиме: действующее значение тока наплавки I=4,2 кА, окружная скорость вращения образца υ=0,036 м/с, шаг наплавки S=3 мм/об, усилие на ролике F=1,5 кН. Продолжительности импульсов тока t_И=0,04 с и пауз между импульсами t_П=0,08 с регулировались тиристорным прерывателем, работающим на промышленной частоте. Исходная длина присадочной проволоки, затраченной на формирование валика металлопокрытия, была равна L_ПР=500 мм.

Замеряли ширину наплавленного валика 2b=3,3 мм, его длину L_B=576 мм. Определяли относительное удлинение присадочной проволоки (1) и толщину металлопокрытия (2):

По соотношениям (3, 4, 5, 9) определяли величины осадок присадочной проволоки, длины контактных площадок: t₁=0,91 мм, t₂=0,154 мм, L₁=9,554 мм, L₂=9,608 мм.

Производили многократные вычисления отношений напряжений σ_Y/σ_П по зависимостям (11, 12, 13) и построили график 10 распределения этих отношений напряжений по длине контактной площадки.

Пример 2. Увеличили ток наплавки до I=4,4 кА. Замеряли: 2b=3,3 мм, L_B=586 мм. Подсчитывали: ε=0,172, δ=0,724 мм, t₁=0,923 мм, t₂=0,153 мм, L₁=9,622 мм, L₂=9,586 мм. Построен график 11 на фиг.5.

Пример 3. Режим наплавки: I=7,2 кА, υ=0,0225 м/с, F=1,3 кА, S=3 мм/об, t_И=0,04 с, t_П=0,08 с. Определяли: 2b=3,5 мм, ε=0,458, δ=0,582 мм, t₁=1,040 мм, t₂=0,178 мм, L₁=10,216 мм, L₂=10,337 мм. Построили график 12 на фиг.5.

В соответствии с известной зависимостью 9 относительная осевая деформация присадочного металла ε=0,152 (пример 1) недостаточна для образования сварного соединения присадочного и основного металлов. Построенный график 9 также показывает отсутствие зоны образования соединения, так как по всей контактной площадке не выполняется критерий σ_Y/σ_П≥1.

Значению ε=0,172 (пример 2) соответствует, как видно из графика 9, минимальная, близкая к нулю прочность сварного соединения. Соединение образуется только в начале контактной площадки, в зоне наибольшей деформации присадочного металла. В указанном поперечном сечении контактной площадки, при y=0, действуют растягивающие напряжения, величина которых практически совпадает с условным пределом ползучести металла проволоки, что видно из графика 11.

Значению относительной осевой деформации присадочной проволоки ε_y=0,458 (пример 3), соответствует близкая к максимально возможной прочность сварного соединения. На графике 12 имеется значительная по размерам зона контактной площадки, растягивающие напряжения σ_Y в которой превышают максимально воспринимаемые присадочным металлом без разрушений напряжения σ_П - предел ползучести при данной температуре. Объяснение этому явлению может быть только одно: в этой зоне уже образовалось сварное соединение, воспринимающее излишнюю растягивающую нагрузку. Величина зоны образования соединения в примере 3 y=3,2 мм. В этой зоне контактной площадки происходит под значительным давлением относительное движение разогретого до пластического состояния присадочного металла по наплавляемой поверхности. Разрушение и удаление плотных окисных пленок и приводит к формированию прочного сварного соединения.

Фактически образование соединения начинается уже при напряжениях σ_Y, состаляющих 0,95...0,97 от напряжений σ_П, за счет пластической деформации микронеровностей металла основы. Поскольку в способе определяется отношение напряжений σ_У/σ_Т, то определения последних не требуется.

Источники информации

1. А.С. №641306 "Способ определения прочности сцепления покрытия из углеродистой проволоки с основой из углеродистой стали", Б.И. №1, 1979.

2. Клименко Ю.В. Электроконтактная наплавка. М.: Металлургия, 1978, с.109-111 (прототип).

Изобретение может быть использовано при выборе технологических режимов процесса восстановления изношенных деталей электроконтактной наплавкой. Производят наплавку присадочной проволоки на образец и замеряют деформацию присадочной проволоки. Зону формирования соединения определяют, исключая из площади контактной площадки те ее участки, где соединение не образуется. В качестве параметров деформации присадочной проволоки замеряют ширину наплавленного валика и суммарную осевую деформацию присадочной проволоки, по которой определяют относительную осевую деформацию проволоки. Размеры контактной площадки между присадочным металлом и образцом определяют с учетом действительных значений осадки присадочной проволоки со стороны образца и со стороны ролика. Границу зоны образования сварного соединения в пределах контактной площадки определяют с учетом действующих растягивающих напряжений в поперечных сечениях пластически деформированной присадочной проволоки, которые сравнивают с условным пределом ползучести присадочного металла при данной температуре. Способ обеспечивает повышение точности определения зоны соединения. 5 ил.

Способ определения зоны формирования соединения при электроконтактной наплавке, при котором производят наплавку присадочной проволоки на образец, замеряют деформацию присадочной проволоки, определяют размеры контактной площадки, определяют зону формирования соединения, исключая из площади контактной площадки те ее участки, где соединение не образуется, отличающийся тем, что в качестве параметров деформации присадочной проволоки замеряют ширину наплавленного валика и суммарную осевую деформацию присадочной проволоки, по которой определяют относительную осевую деформацию проволоки, размеры контактной площадки между присадочным металлом и образцом определяют с учетом действительных значений осадки присадочной проволоки со стороны образца и со стороны ролика, а границу зоны образования сварного соединения в пределах контактной площадки определяют как границу области относительного движения разогретого до пластического состояния присадочного металла по наплавляемой поверхности, для чего вычисляют действующие растягивающие напряжения в поперечных сечениях пластически деформированной присадочной проволоки и сравнивают их с условным пределом ползучести присадочного металла при данной температуре.