СПОСОБ ВЫСОКОСКОРОСТНОЙ АРГОННО-ДУГОВОЙ НАПЛАВКИ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ Российский патент 2009 года по МПК B23K9/04 B23K9/173 

Изобретение относится к изготовлению и ремонту деталей машин, а именно к способам автоматической аргонно-дуговой наплавки поверхности деталей, и может быть использовано для восстановления изношенных поверхностей цилиндрических деталей, а также для придания поверхности детали особых физико-механических свойств при их изготовлении.

Большинство деталей двигателей внутреннего сгорания и трансмиссий современных сельскохозяйственных машин имеют износы в пределах 0,1…0,3 мм, их доля достигает до 64%. Для ремонта этих деталей применяются различные способы электродуговой наплавки, которые в реальных условиях производства не позволяют получить толщину наплавки менее 1 мм на сторону. При дальнейшей механической обработке до 80% наплавленного металла переводится в стружку. Для экономного расходования наплавленного металла с учетом последующей механической обработки необходимо наплавлять слой толщиной 0,3…0,6 мм.

Известен способ наплавки, например, в среде защитных газов неплавящимся электродом [Петров Г.Л., Тумарев А.С. Теория сварочных процессов. - М.: Высшая школа, 1977, стр.28, рис.1.13б], при котором зажигают дугу между неплавящимся электродом и деталью, а присадочную проволоку подают в дугу или сварочную ванну, образующуюся на детали.

Недостатком этого способа является то, что толщина наплавки составляет более 1 мм, кроме этого процесс обладает очень малой производительностью по площади поверхности, наплавляемой в единицу времени (около 20…30 мм²/c).

Известен способ электродуговой наплавки цилиндрических деталей [А.С. №599935. М. Кл.² В23К 9/04. Способ электродуговой наплавки. Опубл. в БИ, 1978, №12], при котором наплавляемая деталь вращается с повышенной скоростью 150…300 мм/с, а по касательной к поверхности автоматически подается электродная проволока. Непосредственно за зоной горения дуги к детали с небольшим усилием прижимается формирующий ролик, вращающийся от трения о деталь. Капли металла, образующиеся на конце электрода при горении дуги, сбрасываются на ролик, которым переносятся на поверхность детали и формируются роликом в тонкий слой. Способ дает повышенную производительность относительно аналогов, малую зону термического влияния на деталь (около 0,3 мм) и удовлетворяющую производство толщину наплавки - 0,5 мм.

Этот способ обладает следующими недостатками. Наплавляемые валики имеют подрез (резкий переход наплавляемого валика к поверхности детали), что приводит к образованию большого количества пор и раковин в зоне сплавления соседних валиков.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ [Пат. №2211123, МПК⁷ В23К 9/04, 9/167. Способ высокоскоростной аргонно-дуговой наплавки цилиндрических деталей. Бюл. №24, 2003], при котором поверхность вращающейся детали разогревают электрической дугой до состояния, близкого к плавлению, при этом в контакт с поверхностью детали приводят присадку, которую подают с постоянным осевым усилием в зону горения дуги, вращая присадку вокруг ее оси, а торцу присадки предварительно придают форму конуса с углом при вершине, равным 150…176°, присадку ориентируют продольной осью относительно оси вращения детали под углом 75…88°, совмещая образующую последней с образующей конуса присадки, и разогревают конец присадки до пластического состояния, а присадку вращают с условием совпадения вектора окружной скорости основания конуса по величине и направлению с вектором окружной скорости образующей детали, причем линию действия векторов окружных скоростей присадки и детали в точке их совпадения совмещают с плоскостью, перпендикулярной оси детали и проходящей через образующую вольфрамового электрода со стороны наплавляемого слоя.

Недостатком этого способа является то, что при малой толщине наплавки, высокой скорости и производительности гребнистость остается высокой.

Целью изобретения является повышение экономичности процесса наплавки путем обеспечения оптимальной толщины наплавки, уменьшения гребнистости наплавленного слоя при сохранении высокой производительности процесса и высокого качества слоя.

Как и в способе-прототипе, поверхность вращающейся с повышенной скоростью детали разогревают электрической дугой до состояния, близкого к плавлению, при этом в контакт с поверхностью детали приводят присадку, которую подают с постоянным осевым усилием в зону горения дуги, вращая присадку вокруг ее оси, а торцу присадки предварительно придают форму конуса с углом при вершине 150…176°, присадку ориентируют продольной осью относительно оси вращения детали под углом 75…88°, совмещая образующую последней с образующей конуса присадки, и разогревают конец присадки до пластического состояния, а присадку вращают с условием совпадения вектора окружной скорости основания конуса по величине и направлению с вектором окружной скорости образующей детали, причем линию действия векторов окружных скоростей присадки и детали в точке их совпадения совмещают с плоскостью, перпендикулярной оси детали и проходящей через образующую вольфрамового электрода со стороны наплавляемого слоя.

Согласно изобретению в заявляемом способе наплавки поставленная цель достигается тем, что проволоку подают со скоростью в 1,15…1,25 раза больше скорости ее плавления, электрод относительно оси вращения проволоки отклоняют в плоскости, перпендикулярной оси вращения, на 24…28° в сторону, противоположную вращению детали, а также на 16…18° по направлению наплавки, одновременно с включением продольной подачи увеличивают мощность дуги.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый способ высокоскоростной аргонно-дуговой наплавки цилиндрических деталей отличается наличием новых признаков:

- проволоку подают со скоростью в 1,15…1,25 раза больше скорости ее плавления,

- электрод относительно оси вращения проволоки отклоняется в плоскости, перпендикулярной оси вращения, на 24…28° в сторону, противоположной вращения детали, а также на 16…18° по направлению наплавки;

- одновременно с включением продольной подачи увеличивают мощность дуги.

При анализе патентной и технической литературы заявитель не обнаружил другого тождественного и эквивалентного заявляемому способу технического решения и, поэтому, полагает, что предлагаемое изобретение соответствует критерию охраноспособности «новизна». Кроме того, совокупность существенных признаков и достигаемый результат явным образом не следуют из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии решения критерию «изобретательский уровень».

Заявляемый способ высокоскоростной аргонно-дуговой наплавки цилиндрических деталей иллюстрируется фиг.1, 2, 3, 4.

Первым отличительным признаком изобретения является то, что скорость подачи проволоки больше скорости ее плавления. В технических требованиях на изготовление и восстановление деталей приводятся допускаемые значения овальности, конусности, прогиба на изношенных деталях, эти данные увеличиваются в несколько раз, а также, учитывая большую линейную скорость процесса, увеличение скорости подачи присадочной проволоки увеличивает быстродействие, следовательно, проволока постоянно контактирует с поверхностью наплавляемой детали, что является одним из основных условий стабильного протекания процесса высокоскоростной аргонно-дуговой наплавки (ВАН). При скорости подачи проволоки меньше скорости ее плавления процесс не идет, когда они равны - процесс нестабилен, слой получается с пропусками и пробелами, что приводит к большой гребнистости. Скорость подачи проволоки больше в 1,15…1,25 раза скорости ее плавления, эти пределы установлены экспериментально. При скорости подачи меньшей, чем в 1,15 раза, происходит ухудшение качества наплавленной поверхности. При свыше 1,25 раз также ухудшается формирование валика - увеличивается его гребнистость, а также нарушается продольная устойчивость присадочной проволоки на вылете и ухудшается стабильность процесса, а с другой стороны, снижается срок службы канала для подачи проволоки мундштука и проволокооподающего устройство в целом. При такой скорости подачи подающие ролики устройства начинают сильно нагреваться, так как происходит интенсивное проскальзывание вращающейся проволоки в точке контакта с поверхностью роликов.

Вторым отличительным признаком способа наплавки детали является то, что электрод относительно оси вращения проволоки отклоняется в плоскости, перпендикулярной оси вращения, на 24…28° в сторону, противоположную вращению детали, а также на 16…18° по направлению наплавки (фиг.1).

Используя при наплавке стандартную горелку для аргонной сварки, удалось получить некоторые качественные и количественные параметры процесса. Выяснили, что отклонения электрода в 2^х плоскостях существенно влияет на процесс. В начале опыты проводились и оценивались по принципу «лучше-хуже». При установке угла γ равным 45° и более процесс наплавки не идет, так как дуга вытягивается в сторону вращения детали и в этом случае загорается между электродом и присадочной проволокой, вследствие чего основа детали не подплавляется. При уменьшении угла γ до 32° процесс наплавки идет нестабильно, так как использование стандартной горелки не позволяет уменьшить угол меньше 32°, поэтому спроектированы (до рабочих чертежей) и изготовлены три мундштуковых узла оригинальной конструкции (фиг.2), позволяющие изменить угол наклона γ на 4…6°, т.е. с начальным углом, равным соответственно 1^й - 28°, 2^ой - 24° и 3^ий - 18°.

При изменении угла γ в пределах 28…32° процесс наплавки идет стабильно, наплавленный слой получается равномерным, но в начале процесса образуется капля металла значительной величины (диаметром до 6…8 мм), а при отключении источника питания происходит всплеск наплавляемого металла и образуется кратер на основе детали. При изменении угла γ в пределах 24…28° процесс наплавки проходит стабильно, поверхность наплавленных образцов получается равномерной. При угле γ=18…24° и менее процесс наплавки протекает нестабильно, наблюдается повышенный расход электрода. Дуга горит с характерным треском. Сплавление с основой детали полное, но поверхность наплавленного слоя повышенной гребнистости.

Зона действия дуги на поверхности детали имеет форму эллипса, большая ось которого совпадает с направлением наплавки. При больших скоростях перемещения источника ширина (малая ось эллипса) уменьшается, что приводит к нестабильности процесса. Увеличение угла наклона β в сторону наплавки приводит к увеличению малой оси эллипса, более эффективному подогреву поверхности перед наплавкой, т.е. соблюдения условий нахождения проволоки в зоне действия дуги, точнее, на пятне нагрева. Значения этого угла β=16…18° (фиг.1) установлены экспериментально, при этом учитывались особенности конструкции мундштука, его охлаждение, подвод аргона и др. Таким образом, этот признак дает оптимальные условия формирования валика и обеспечивают равномерность последнего по толщине.

Третьим отличительным признаком наплавки является то, что одновременно с включением продольной подачи увеличивают мощность дуги, этот признак позволяет выдержать оптимальные тепловые условия при наплавке, т.к. при подаче присадочной проволоки в зону дуги происходит отток тепла в проволоку, снижается температура поверхности в зоне контакта, что приводит к нарушению температурного режима наплавки.

При осуществлении процесса наплавки по предлагаемому способу наплавляемый валик получается небольшой толщины, сплошным, хорошо сплавленным с основой и предыдущим валиком. Микрообъемы наплавляемого металла кристаллизуются сразу после выхода из зоны действия дуги за счет теплоотвода в тело детали.

Процесс наплавки протекает практически без образования брызг при правильно выбранном режиме наплавки, так как отсутствуют условия для образования брызг. Жидкий металл присадки покрывает основание конуса присадки очень тонким слоем и хорошо удерживается на присадке за счет сил поверхностного натяжения. Переход жидкого металла присадки на деталь происходит только в микрованне, где металл постоянно находится в жидком состоянии. Брызги возникают лишь при срыве процесса, например, при значительном биении поверхности детали и когда происходит периодический отрыв присадки от поверхности детали из-за несоблюдения скорости подачи проволоки и наплавки.

Возможность получения слоя небольшой толщины при высоком качестве слоя и полном сплавлении с металлом детали объясняется действием всего комплекса признаков формулы изобретения.

Способ высокоскоростной аргонно-дуговой наплавки цилиндрических деталей осуществляется с помощью установки (фиг.3 и 4).

Установка для осуществления способа аргонно-дуговой наплавки цилиндрических деталей создана и работает (фиг.3 и 4). Принципиальная схема которой приведена на фиг.3. Наплавочный узел устройства - на фиг.4. Установка включает следующие основные механизмы: серийный токарно-винторезный станок 1, служащий для осуществления вращения детали 17 и обеспечения продольной подачи 12, с гидравлическим регулятором скорости 2; на суппорте 18 токарного станка 1 установлена наплавочная стойка 5. На стойке наплавочной 5 закреплены электродвигатель 9 с кассетой 8 присадочной проволоки 4, проволокоподающий механизм 7, устройство которого описано в патенте [Пат. №2266180 МПК⁷ В23К 9/12 Устройство для подачи вращающейся наплавочной проволоки. Бюл. №35, 2004], мундштук 6 с направляющим каналом для подачи присадочной проволоки и установленным на нем неплавящимся вольфрамовым электродом 19. Кроме этого, в комплект установки входят источник питания дуги 3, пульты управления 10, 11, трансформатор для подогрева присадочной проволоки 14, баллон с аргоном 15 и водяной насос 16 для охлаждения мундштука 6.

При наплавке вала из стали 45 диаметром 40 мм используются следующие установочные параметры (фиг.1): электрод вольфрамовый диаметром 4 мм (ЭВЛ (ГОСТ 23969-80), присадка-проволока Нп-65Г, диметром 2 мм, ток дуги 500 А, угол α=80°, вылет присадки 5 мм, межэлектродный зазор а=2 мм, зазор между электродом и проволокой В=2 мм, смещение с зенита С=2 мм, скорость подачи проволоки в 1,2 раза больше скорости ее плавления, электрод относительно оси вращения проволоки отклонен в плоскости перпендикулярной оси вращения на γ=24° в сторону, противоположную вращению детали, а также на β=18° по направлению наплавки.

Режим наплавки.

Частота вращения детали ω_д=2,33 с^-1 _, продольная подача 0,5 мм·об, частота вращения присадки ω_пр=46,7с^-1, осевое усилие F=20 H, напряжение U=13 B, ток J=450 А, расход аргона 7 л/мин, источник питания дуги ВДУ-1201.

Наплавка детали производится в следующем порядке.

Деталь закрепляется в центры токарного станка 1. Наплавочная головка (мундштук) 6 подводится к шейке детали 17, и производится настройка мундштука 6 и аргонно-дуговой горелки согласно установочным параметрам, приведенным выше. Перед началом процесса конец присадки 4 затачивается на конус под углом при вершине 150…176°, и присадка отводится от детали на расстояние 5…6 мм.

Последовательность проведения процесса. Управление высокоскоростной аргонно-дуговой наплавкой производится оператором при использовании пульта 10 и 11. Включается вращение детали 17, подается аргон в мундштук 6, подается напряжение на электрод 17 и деталь через токоподвод 13, и зажигается дуга между вольфрамовым 19 электродом и деталью 17. При этом электрод относительно оси вращения проволоки отклонен в плоскости, перпендикулярной оси вращения, на γ=24…28° в сторону, противоположную вращению детали, а также на β=16…18° по направлению наплавки. Дуга зажигается с помощью осциллирующего напряжения [Пат. №39850, МПК⁷ В23К 9/12, 9/167. Устройство для возбуждения электрической дуги постоянного тока при сварке и наплавке в защитных газах. Бюл.№23, 2004] или путем короткого замыкания угольным стержнем межэлектродного зазора. Поверхность детали разогревается дугой в течение 4…6 с (более точно устанавливается согласно разработанной программе расчета «Расчет температурных полей в цилиндре при действии поверхностных тепловых источников, Тепло 4.0», Свид. о регистрации №9776). Включается вращение присадки и ее подача. При этом скорость подачи проволоки в 1,15…1,25 раза больше скорости ее плавления. При контактировании присадки с деталью присадка прижимается с постоянным усилием, и после разогрева конца присадки начинается выдавливание металла в основание конуса и образование на детали начального валика. Включается подача суппорта станка с закрепленной на суппорте наплавочной головкой с одновременной увеличением мощности дуги, и шейка наплавляется на всю длину. Окончание процесса наплавки производится общей кнопкой «стоп» (выключается: напряжения на дуге, подача аргона, привода станка, привода вращения и подачи проволоки).

Указанный режим наплавки дает полное сплавление слоя с основой при толщине слоя 0,35 мм; время наплавки шейки длиной 25 мм приблизительно 24 с. Если присадку подогревать на вылете от дополнительного источника питания током J₁=180 A при U₁=4 B, то толщина наплавки увеличивается до 0,5 мм. Изменением значений U₁ и J₁ можно получить промежуточные значения толщины наплавки.

Предлагаемый способ наплавки дает минимальную шероховатость наплавленного слоя, что позволяет назначать припуск на последующую обработку (шлифование) в пределах 0,1…0,12 мм на сторону. При восстановлении деталей с малыми износами предлагаемый способ наплавки позволяет экономить присадочного металла 30-40% по сравнению со способом, принятым за прототип.

Предлагаемый способ наплавки может быть использован в машиностроении, например, при изготовлении валов, когда поверхности шеек валов требуется придание особых свойств (высокой износостойкости, химической стойкости и др.). При этом предлагаемый способ наплавки экономически более эффективен по сравнению с известными способами наплавки или напылении металла даже при использовании дорогих присадочных материалов, так как предлагаемый способ наплавки дает малые толщины наплавки при сравнительно высокой производительности процесса.

Изобретение может быть использовано при изготовлении и ремонте цилиндрических деталей машин, в частности изношенных валов, например для нанесения на шейки валов специальных сплавов. Поверхность вращающейся детали разогревают электрической дугой до состояния, близкого к плавлению. Присадочную проволоку, торец которой имеет форму конуса, ориентируют продольной осью относительно оси вращения детали под углом и подают с постоянным осевым усилием в зону горения дуги. Вращают присадку с условием совпадения вектора окружной скорости основания конуса с вектором окружной скорости образующей детали. Присадочную проволоку подают со скоростью в 1,15…1,25 раза больше скорости ее плавления. Вольфрамовый электрод относительно оси вращения проволоки отклоняют в плоскости, перпендикулярной оси вращения, на 24…28° в сторону, противоположную вращению детали, а также на 16…18° по направлению наплавки. Одновременно с включением продольной подачи увеличивают мощность дуги. Изобретение позволяет получить наплавленные слои толщиной 0,3…0,6 мм, припуск на последующую обработку в пределах 0,1…0,12 мм на сторону, при этом экономия присадочного металла составляет 30…40%. 4 ил.

Способ высокоскоростной аргонно-дуговой наплавки цилиндрических деталей, при котором поверхность вращающейся детали разогревают электрической дугой до состояния, близкого к плавлению, при этом в контакт с поверхностью детали приводят присадку, которую подают с постоянным осевым усилием в зону горения дуги, вращая присадку вокруг ее оси, торцу присадки предварительно придают форму конуса с углом при вершине 150…176°, присадку ориентируют продольной осью относительно оси вращения детали под углом 75…88°, совмещая образующую последней с образующей конуса присадки, и разогревают конец присадки до пластического состояния, при этом присадку вращают с условием совпадения вектора окружной скорости основания конуса по величине и направлению с вектором окружной скорости образующей детали, а линию действия векторов окружных скоростей присадки и детали в точке их совпадения совмещают с плоскостью, перпендикулярной к оси детали и проходящей через образующую вольфрамового электрода со стороны наплавляемого слоя, отличающийся тем, что присадку подают со скоростью в 1,15…1,25 раза больше скорости ее плавления, вольфрамовый электрод относительно оси вращения присадки отклоняют в плоскости, перпендикулярной оси вращения, на 24…28° в сторону, противоположную вращению детали, а также на 16…18° по направлению наплавки, и одновременно с включением продольной подачи увеличивают мощность дуги.