СПОСОБ ЭЛЕКТРОКОНТАКТНОЙ ПРИВАРКИ БИМЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ЛЕНТЫ Российский патент 2010 года по МПК B23K11/06 

Изобретение относится к сварочной технике и может быть использовано при восстановлении и упрочнении деталей машин методом электроконтактной приварки в различных отраслях машиностроения.

Известен способ изготовления биметаллических деталей, например блоков цилиндров, путем наплавки высокооловянистой бронзы на сталь. С целью повышения качества изделий и их твердости и возможности непосредственной закалки биметалла стальную поверхность перед наплавкой подвергают цементации, а после наплавки изделие нагревают до 760-780°С, медленно охлаждают до 640-660°С, после чего биметалл закаливают [1].

Известен способ нанесения покрытия на торец ленты шовной сваркой, включающий установку ленты на опорном ролике, перемещение ее с помощью приводных боковых электродных роликов, подключенных к одному из полюсов источника тока, и наварку покрытия сварочным роликом с канавкой, подключенным к другому полюсу источника тока. С целью повышения прочности сварного соединения и экономичности процесса за счет увеличения плотности тока в головной части сварочной зоны сварочный ролик смещают относительно боковых роликов в направлении движения ленты на величину, не превышающую длину зоны деформации покрытия [2].

Известен способ электроконтактной наплавки, при котором на поверхность наплавляемого вала наносят частично перекрывающие друг друга по ширине валики металлопокрытия, пластически деформируя разогреваемую импульсами тока присадочную проволоку усилием вращающегося вдоль оси вала направляющего ролика, что создает подвижное ограничение деформации присадочной проволоки в направлении подачи ролика, перемещая ограничение совместно с движением подачи ролика, например, в форме кольца [3].

Известен способ электроконтактной наплавки, при котором присадочную проволоку и поверхностный слой металла изделия одновременно деформируют при помощи роликового электрода и нагревают путем пропуска модулированного тока, при этом в зону наплавки подают охлаждающую среду для обеспечения минимального тепловложения при высокой скорости нагрева, а также предотвращения структурных и фазовых превращений и образования закалочных структур, исходя из условия исключения пребывания наплавленного металла при температурах выше линии G-S-R на диаграмме железо - углерод [4].

Известен способ электроконтактного нанесения покрытий из токопроводящих материалов на поверхность изделий, при котором на детали размещают спеченный из металлических порошков материал, приваривают его регулируемыми импульсами тока, при этом приварку производят по всей поверхности детали перекрывающимися точками, при этом в качестве привариваемого материала используют ленту с пористостью 8-37% [5].

Известен способ изготовления биметаллических машинных ножевых полотен, включающий электроконтактную наплавку рабочей части из быстрорежущей стали к полотну из конструкционной стали, шлифовку и нарезку зубьев, с целью повышения качества инструмента, режущую часть наплавляют с одновременным формообразованием наплавляемого валика трапецеидального сечения с большим основанием на режущей кромке, причем отношение диаметра присадочного прутка к толщине полотна на конструкционной стали выбирают в пределах 1,2-1,3-1,4, затем шлифуют так, что ширина быстрорежущей части на режущей кромке равняется расстоянию между крайними наружными точками левого и правого нормально разделенных зубьев, а угол поднутрения равен 2-3° [6].

Известен способ нанесения покрытий из металлического порошка на поверхность деталей цилиндрической формы, включающий электроконтактное напекание металлического порошка, с целью повышения качества изделий, перед напеканием на поверхность детали витками наматывают металлическую ленту с шагом больше ширины ленты, порошок при электроконтактном напекании помещают между витками ленты, после напекания порошка проводят механическую обработку поверхности [7].

Известен способ электроконтактной приварки металлических порошков на детали типа тел вращения, включающий формирование ленты, подачу ленты в зону приварки роликовый электрод-деталь, вращение детали со скоростью приварки с одновременным пропусканием импульсов сварочного тока при постоянном перемещении роликового электрода вдоль оси детали, при этом ленту формируют из металлического порошка, связующего материала и металлической сетки путем подачи их в межвалковый зазор и прокатки через нагретые валки, скорость вращения которых совпадает со скоростью вращения детали [8].

Известен способ электроконтактной приварки металлических порошков, включающий приведение во вращение детали со скоростью приварки, дозированную подачу порошка в зону контакта роликовый электрод-деталь и одновременное пропускание импульсов сварочного тока при постоянном перемещении роликового электрода вдоль оси детали, при этом на деталь предварительно контактной сваркой приваривают сетку с размером ячеек, обеспечивающим транспортировку порошка под роликовый электрод и не превышающим его ширину, на которую в процессе приварки дозируют подачу порошка [9].

Известен способ восстановления детали электроконтактной сваркой, при котором на деталь приваривают металлическую ленту с износостойким слоем, полученным, например, химико-термической обработкой, с целью обеспечения механической обработки, создания приработочного слоя, ленту приваривают износостойким слоем к поверхности детали и механической обработкой снимают слой толщиной b, который выбирают из соотношения c=a-d-b, где а - толщина ленты; с - толщина приработочного слоя; d - толщина износостойкого слоя [10].

Известен способ электроконтактной приварки металлической ленты к восстанавливаемой детали, включающий предварительное формирование на стороне присадочной ленты, обращенной к направляемой детали, рельефа в виде чередующихся гребней и впадин, закрепление присадочной ленты на детали и приварку к ней пропусканием между направляющим роликом и деталью через присадочную ленту импульсов электрического тока, при этом рельеф на стороне присадочной ленты, обращенной к направляемой детали, выполняют поперек направления обкатки детали направляющим роликом, а при приварке ленты впадины частично заполняют порошковым материалом [11].

Наиболее близким по своей технической сущности является способ электроконтактного припекания покрытий из металлических материалов путем напрессовки сформованного на поверхности детали слоя с одновременным пропусканием электрического тока, выбранный за прототип, при этом с целью повышения качества покрытий из металлических материалов с удельным электросопротивлением р<10^-7 Ом·м предварительно на поверхность детали напыляют подслой из металлических материалов с удельным электросопротивлением р>10^-6 Ом·м, при этом толщину h_п подслоя выбирают из соотношения

где К_ε - коэффициент, характеризующий тепловую активность детали по отношению к слою; γ_с - плотность материала слоя; с_с - удельная теплоемкость материала слоя; S' - площадь покрытия, наносимого в единицу времени; П_с - начальная пористость слоя; Т_плс - температура плавления материала слоя; к_с, к_п - коэффициенты, учитывающие зависимость удельного электросопротивления системы от ее пористости, соответственно слоя и подслоя; р_с - удельное электросопротивление материала слоя; S - площадь пятна контакта электрода; j - плотность тока; р_п - удельное электросопротивление материала подслоя; γ_п - плотность материала подслоя; с_п - удельная теплоемкость материала подслоя; П_п - начальная пористость подслоя; Т_плп - температура плавления материала подслоя; h_c - толщина слоя [12].

Эти способы имеют следующие недостатки. Способ по авт. св. №229704 формирование соединения покрытия с основой осуществляется в результате плавления и кристаллизации материала, что может привести к образованию пор или трещин в результате дальнейшей термической обработки изделия путем нагрева до 760-780°С и медленного охлаждения до 640-660°С. Способ по авт. св. №1532237 позволяет наносить покрытия лишь на локальные участки поверхности с использованием сварочного ролика с кольцевой контактной канавкой на цилиндрической поверхности. Способ по патенту №2263012 с частично перекрывающимися по ширине валиками металлопокрытия повышает вероятность возникновения холодных трещин и горячих трещин, особенно в углеродистых, легированных сталях и чугунах. Способ по патенту №2104845 не обеспечивает достаточной прочности формируемого покрытия с основным металлом из-за минимального тепловложения. Способ по патенту №2035278 позволяет наносить покрытия из токопроводящего материала, изготовленного из спеченных металлических порошков на поверхности изделия. При этом наблюдается достаточно низкая сопротивляемость растяжению, циклическим и ударным нагрузкам и неравномерная твердость. Способ по авт. св. №921751 вызывает появление дефектов в виде трещин в переходной зоне покрытия и основы, которая обладает пониженной пластичностью. Способ по авт. св. №1445857 не обеспечивает равномерное распределение твердости поверхности. Способ по патенту №2322333 обеспечивает получение покрытий из металлических порошков, в большинстве своем они хрупкие и усложнена технология электроконтактной приварки. Способ по патенту №2307010 требует дополнительной приварки на поверхность детали сетки, заполнение ее ячеек дозирующим порошком, что приводит к потере порошка при приварке. Способ по авт. св. №1459887 улучшает качество восстанавливаемой детали, при этом возможна недостаточная прочность покрытия с основным металлом. Способ по патенту №2315684 повышает прочность сварного соединения металлопокрытия с основой, но не применим для стальных холоднокатаных лент толщиной менее 0,7 мм. Способ по авт. св. №1519859 ограничивает номенклатуру используемых металлических материалов при электроконтактной приварке, основываясь лишь на повышении качества покрытий из металлических материалов с удельным электросопротивлением р<10^-7 Ом·м, при этом толщину подслоя необходимо выбирать из соотношения, представленного выше, что усложняет технологию электроконтактной приварки и выдвигает дополнительные требования к толщине данного подслоя.

Целью данного изобретения является снижение себестоимости процесса восстановления или упрочнения деталей, повышение технологичности, производительности процесса, номенклатуры используемых металлических материалов при электроконтактной приварке, а также качества покрытия.

Указанная цель достигается тем, что в качестве наращиваемого слоя применяют совокупность привариваемого материала, позволяющую получать биметаллические покрытия при Т≤(0,6…0,95) Т_пл.

При этом главной целью является получение покрытия с необходимыми свойствами. Это может быть реализовано за счет нанесения металлического покрытия на поверхность изделия через промежуточный слой из порошкового материала без его расплавления, который может быть расположен как на привариваемой поверхности металлической ленты, так и на поверхности самой детали.

Способ осуществляется следующим образом. Привариваемую сторону металлической ленты подвергают обработке, формируя на ее поверхности микрорельеф высотой в пределах размера частиц порошка, используемого для нанесения монослоя (5,0…50 мкм). На обработанную поверхность ленты наносят монослой (толщиной 5,0…50 мм) металлического порошкового материала в не расплавленном состоянии, тем самым получая биметаллическую ленту с последующей ее приваркой к поверхности детали без расплавления составляющих биметаллической ленты.

В процессе приварки при пропускании электрического тока короткими импульсами с перекрытием точек через контакт покрытие-деталь происходит взаимодействие частиц порошкового материала между собой и собственно процесс формирования соединения, включающий взаимодействие металлов соединяемых поверхностей и порошка при пластической деформации за счет теплоты, возникающей в переходном сопротивлении между соприкасающимися поверхностями.

Пример. Создание биметаллической (упрочнение, восстановление) цилиндрической детали диаметром 50 мм, изготовленной из стали 45. Состав покрытия: стальная холоднокатаная лента 50ХФА толщиной 0,5 мм; порошок ПГ-СР2, фракционный состав - 20…50 мкм. Привариваемую сторону металлической ленты подвергают газодинамической обработке окисью алюминия марки К-00-04-16, формируя на поверхности ленты микрорельеф в пределах размера частиц порошка ПГ-СР2. Методом газодинамического напыления на поверхность ленты наносят монослой порошка ПГ-СР2 в не расплавленном состоянии. В результате данных действий получается биметаллическая лента. Приваривают биметаллическую ленту к поверхности детали стороной, на которой располагается порошок ПГ-СР2 на следующих режимах: длительность импульса тока 0,04 с, сила тока в импульсе 5,0 кА, длительность паузы между импульсами 0,08 с, количество охлаждающей жидкости, подаваемой в зону сварки, 1,8-2,0 л/мин, давление на электродах 1,4 ат, число оборотов детали 4 об/мин, подача роликов вдоль детали 4 мм/об.

Приведенный пример не ограничивает применение способа только для восстановления и упрочнения деталей машин. При использовании разных комбинаций материалов ленты и металлического порошка можно получить покрытие с различными характеристиками.

Предлагаемый способ позволил: увеличить производительность процесса на 10-15% при одинаковом расходе энергии; снизить в 2,25 раза уровень остаточных напряжений в покрытии; уменьшить на 15...20% давление электродов.

Источники информации

[1] Ав. св. СССР №229704, кл. С23С 8/00, 1969.

[2] Ав. св. CCCP №1532237 A1, кл. В23К 11/06, 1990.

[3] Патент РФ RU №2263012 C1, кл. В23К 11/06, 2005.

[4] Патент РФ RU №2104845 C1, кл. В23К 11/06, 1998.

[5] Патент РФ RU №2035278, кл. В23К 11/06, 1995.

[6] Ав. св. СССР №921751, кл. В23К 11/06, 1982.

[7] Ав. св. СССР №1445857, кл. В23К 11/06, 1989.

[8] Патент РФ RU №2322333 С2, кл. В23К 11/06, 2008.

[9] Патент РФ RU №2307010 C1, кл. В23К 11/06, 2007.

[10] Ав. св. СССР №1459887, кл. В23К 11/06, 1989.

[11] Патент РФ RU №2315684 C1, кл. В23К 11/06, 2008.

[12] Ав. св. СССР №1519859, кл. В23К 11/06, 1989.

Изобретение может быть использовано при восстановлении и упрочнении деталей машин методом электроконтактной приварки. Привариваемую сторону металлической ленты обрабатывают с формированием на ее поверхности микрорельефа высотой в пределах размера частиц наносимого на нее порошка. На обработанную поверхность ленты газодинамическим напылением наносят монослой, толщиной 5,0…50 мкм, металлического порошкового материала с получением биметаллической ленты. Получают покрытие на поверхности детали последующей электроконтактной приваркой биметаллической ленты без расплавления ее составляющих. Достигаемый результат от использования изобретения заключается в увеличении производительности процесса при одинаковом расходе энергии, снижении уровня остаточных напряжений в покрытии, уменьшении давления электродов, повышении качества приварки ленты.

Способ получения покрытия на поверхности детали электроконтактной приваркой ленты, включающий обработку привариваемой поверхности металлической ленты и нанесение на нее металлического порошкового материала, отличающийся тем, что обработку упомянутой поверхности ленты проводят с формированием микрорельефа, высота которого определена размерами частиц наносимого порошка, нанесение металлического порошкового материала на обработанную поверхность ленты осуществляют газодинамическим напылением монослоя толщиной 5,0…50 мкм с получением биметаллической ленты, после чего производят ее электроконтактную приварку к поверхности детали.