Способ плазменной наплавки Советский патент 1993 года по МПК B23K9/04 

Изобретение относится к сварочному производству и предназначено для использования преимущественно в черной металлургии при наплавке прокатных валков, а также в различных областях промышленности.

Известен способ заварки чугунных деталей, в соответствии с которым заварка чугунных деталей осуществляется с интенсивным отводом теплоты. Отвод теплоты осуществляется путем контакта завариваемой плоскости с водой, подводимой со стороны противоположной заварке.

Вследствие интенсивного отвода теплоты, ускоренной кристаллизации сварочной

ванны и быстрого охлаждения наплавленного металла, наплавленный и основной металл не подвержены растрескиванию, наплавленный металл обладает достаточной плотностью и повышенной вязкостью. .

Недостатком описанного аналога явля- ется то, что при толщине деталей более 20 .мм эффект, получаемый от интенсивного теплоотвода снижается, т.к. в верхних слоях накапливается часть теплоты, снижающая скорости кристаллизации сварочной ванны и охлаждения наплавленного металла, что увеличивает склонность наплавленного металла к растрескиванию.

VI о XI ел со VI

GO

Известен способ сварки алюминиевых сплавов,в соответствии с которым охлаждающую жидкость (воду) подавали на закристаллизовавшийся металл шва в непосредственной близости от хвостовой части ванны,: а также охлаждающую жидкость подавали на околошовную зону по обе стороны шва. Применение охлаждения локально-наплавленными струями алюминиевых сплавов значительно сокращает время пребывания металла околошовной зоны в температурном интервале структурных изменений, уменьшает химическую микронеоднородность в сварном шве и повышает долговечность сварного соединения алюми- ниевого сплава ..-

Недостатком этого аналога является то, что при толщине деталей более 4 мм эффект охлаждения локально направленными струями снижается, т.к в основном металле на- каплйвается часть теплоты, чтб приводит к увеличению времени пребывания околошовной зоны в температурном интервале структурных превращений, ив результате увеличивается химическая микронеодно- родность в сварном шве и снижается пластичность сварного соединения.

Известен также способ изготовления износостойких составных листов (3), в соответствии с которым к водоохлзждаемой ме- таллмческой подставке плотно прижимают стальной лист основного металла толщиной 4-10 мм и с помощью автоматической сварки открытой Дугой на поверхность стального листа основного металла наплавляют слой износостойкого металла, при этом, чтобы толщина наплавляемого слоя составляла не менее 4 мм и доля основного металла в наплавленном составляла 25-30%, поверхность раскаленного докрасна наплавляемо- го металла подвергают принудительному охлаждению посредством обдува, охлаждающей газообразной средой.

К существенным недостаткам можно отнести неравномерное охлаждение основно- го металла, ухудшение качества наплавляемого металла. У : ;.

Указанные недбстатки обусловлены тем, что охлаждение основного металла осуществляется металлической подставкой, ко- торая охлаждается с помощью трубы, находящейся внутри подставки, в которой, в части размещенной к охлаждаемой поверхности, расположены форсунки, через кото- рые подается охлаждающая вода. Wo так как охлаждающая вода подается только в центрзльную часть подставки, то и лучше охлаждается центральная часть листа, а края листа в этом случае охлаждаются хуже и ц результате при наплавке возможно увеличёние глубины проплавления по краям наплавляемого листа и появление в этих же местах трещин в наплавляемом металле.

Ухудшение качества наплавленного металла при реализации данного способа может произойти вследствие того, что приспособление для обдува охлаждающим воздухом установлено жестко, на определенном расстоянии от точки плавления основного и наплавленного металла. В результате этого при увеличении мощности дуги и скорости наплавки увеличивается длина ванны расплавленного металла и не полностью закристаллизовавшийся металл попадает в зону действия охлаждающего газа, что приведет к его окислению, возникновению пор в наплавленном металле и образованию трещин.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является выбранный в качестве прототипа способ плазменной наплавки тел вращения, в соответствии с которым наплавляемую деталь предварительно нагревают до 400-600°С. Нагретую деталь устанавливают на наплавочный станок, приводят во вращение детали и производят наплавку при этой же температуре. Сразу же после наплавки производят термическую обработку наплавленной детали.

К существенным недостаткам прототипа можно отнести высокую вероятность образования трещин в наплавленном металле. Указанный недостаток обусловлен тем. что в верхних слоях наплавляемой детали накоплено за счет нагрева перед наплавкой много теплоты, приводящей к существенному снижению скорости кристаллизации расплавленного металла сварочной ванны и увеличению времени пребывания около- шовной зоны в температурном интервале структурных превращений и в результате увеличиваются внутренние напряжения в наплавленном и основном металле, что приводит к возникновению трещин.

Целью изобретения является повышение качества наплавляемого металла.

Для достижения указанной цели в пред- лагаембм способе плазменной наплавки наплавку вращаемой детали осуществляют с охлаждением наплавляемого металла, чтобы наплавляемый участок поступал в зону наплавки охлажденный до 100-200°С, для чего охлаждение наплавленного металла и наплавляемой детали начинают на расстоянии L от плазмотрона по ходу наплавки. .Ширина охлаждаемого участка должна быть равна 2-3,5 ширины валика наплавляемого металла. Расстояние L должно быть пропорционально скорости наплавки.

Охлаждение наплавляемой детали до емпературы 100-200°С при плазменной наплавке производится с целью уменьшения глубины проплавления и.зоны термичекого влияния. Этим значительно понижается влияние основного металла на

наплавленный, что снижает склонность наплавленного металла к трещинообразова- нию, кроме того улучшается формирование валиков наплавленного металла и сплавле- ние наплавленного металла с основным.

Для этого охлаждение наплавленного металла и-основного, прилегающего к наплавленному, необходимо начинать как можно ближе от зоны наплавки, потому что в этом случае происходит охлаждение наплавленного металла с очень высокими скоростями, в результате чего внутренние напряжения в наплавленном металле существенно ниже чем в случае охлаждения с бычными скоростями, -что позволяет лол- чать наплавленный металл, без трещин.

Расстояние L от начала охлаждения до зоны наплавки (до плазмотрона) должно быть таким, чтобы охладитель (жидкость или газ) не попадал на незакристаллизовавшийся наплавленный металл. Указанное расстояние зависит от скорости наплавки., и его можно определить из выражения: .

100

где L- расстояние от плазмотрона до места подвода охладителя мм/v - скорость наплавки, .м/ч;

К - коэффициент, равный 5-7 при v 15 м/ч, 7,2-8,4 при v.Ј 15 м/ч-.

Только в случае изменения расстояния L в зависимости от скорости наплавки можно обеспечить выполнение требования защиты незакристаллизовавшегося наплавленного металла от контактов с охлаителем®

Ширина зоны охлаждения должна быть в пределах 2-3,5 ширины валика наплавленного металла. Только в этом случае можно беспечить наиболее полный отвод тепла от наплавленного и.основного металла, прилегающего к наплавленному, что обеспечивает охлаждение с очень высокими коростями в интервалах структурных превращений, и .в результате внутренние напряжения в наплавленном металле будут существенно, ниже, что позволит получать наплавленный металл без трещин.

Известно, что заварку чугунных деталей осуществляют с применением интенсивного теплоотвода (1). Однако в этом случае отвод тепла от детали осуществляют со стооны, противоположной сварке. Недоста

ток этого способа состоит в том, что при t

-достижении определенной толщины детали ( 20 мм) эффект теплоотвода снижается, что

приводит к постоянному накоплению тепло- ты в верхних слоях детали, что приводит к снижению скорости кристаллизации сварочной ванны и охлаждения наплавленного металла .и в результате увеличивается склонность наплавленного металла к рае- трескиванию. . . По предлагаемому способу отвод тепла охладителем осуществляется от наплавляемой поверхности и наплавленного металла, что не приводит к накоплению тепла в вер- хних(подверженных наплавке)слоях детали и обеспечивает высокие скорости кристаллизации сварочной ванны и охлаждения нзплавленного металла. Это позволяет производить наплавку деталей (тел враще- ния) любых размеров и толщины.

Известны способы сварки (2) и наплавки

(3), в соответствии с которыми .охлаждение

наплавленного металла осуществляется .

.приспособлениями установленными жестко

на определенном расстоянии, и при увелй. чении скорости наплавки незакристаллизовавтийся металл сварочной ванны

попадает в зону действия охладителя, что

приведет к окислению наплавленного металла. .возникновению пор и трещин в нем.

По предлагаемому способу расстояние L от зоны, наплавки до места начала охлаждения следует определять из выражения:

35

K-v LЈK-v+ 100

где L - расстояние от плазмотрона до места подвода охладителя, мм;

v - скорость наплавки, м/ч;

К- кОэффициент.равный 5-7 при v 1-5 м/ч, 7.2-9,4тфи v -15 м/ч.

Только в этом случае, когда указанное.

расстояние будет зависеть от скорости наплавки, можно обеспечить полную кристаллизацию металла сварочной ванны до того, как начнется охлаждение и этим обеспечить качество наплавленного металла.

По известным способам сварки и наплавки охлаждение наплавленного металла

осуществляется только по поверхности валика наплавленного металла, что приводит к постепенному накоплению тепла в верхних слоях детали, что приводит к снижению скоростей кристаллизации металла сварочной ванны и охлаждения наплавленного металла и в результате увеличивается склонность наплавленного металла к растрескиванию.

По предлагаемому способу осуществляется .охлаждение не только-валика наплавленного металла, но и основного металла, прилегающего к наплавленному. Этим обеспечивается полный отвод тепла из верхних слоев наплавляемой детали, что позволяет получить наплавленный металл без трещин. Ширина зоны охлаждения должны составлять 2-3,5 ширины валика наплавленного Металла. , ; . ... . .. .. .- . .- ..: . . На основании проведенного анализа, свидетельствующего 6 несовпадении свойств заявляемого и .известных решений, обусловленных признаками, которые отличаются от прототипа заявляемое тёхниче- ское решение, можно сделать вывод о его соответствии критерию Существенные отличия, .. . ..- .; -; :г-;..- .- -..; - Для осуществления охлаждения наплавляемой детали и наплавленного мет алла до температуры 100-200°С необходимо подавать охладитель с помощью устройства для охлаждения на .наплавляемую деталь начиная с расстояния -, определяемого из указанного выше выражения и дальше дот полмитёльнЬ охлаждать нижнюю/часть детали по половине ее окружности. Ширина устройства для охлаждения должна Составлять 2-3.5 ширины валика наплавленного

металла. /.. ;.-7;,; ; . - : .:v. V-- ;. У- Выбор граничных параметров обусловлен тем. что при увеличении температуры наплавляемого участка выше существенно уменьшаются скорости кристаллизации ванны расплавленного металла и рхлажденТия наплавленного металла, что приводит к увеличению времени протекания структурных превращений и в рёзульта- те к увеличению внутренних напряжений, что вызывает растрескивание наплавленного металла. При снижении температуры ох- лаждения до 100-200°С достигаются отимальныё скорости кристаллизации и охлаждения, при которых внутренние напряжения достигают значений, не приводящих к растрескиванию наплавленного металла. Понижение температуры ниже 10р°С незначительно уменьшает скорости кристаллизации иОхлаждения и обеспечивает получениенаплавленногр металла без трещин, однако требует существенного уве- .личения расхода охладителя, что приводит к снижению эффективности применения предлагаемого способа наплавки.

Данные о влиянии температуры рхлаж- .дения приведены в табл.1.

Расстояние LOT зоны наплавки до начала подвода охладителя определяется выражением К V L K-v + 100. Если L взять меньше определенного по данному выраже нию. то в зону действия охладителя будет поступать не полностью закристаллизовавшийся металл сварочной ванны, что приведет к нарушению формирования валика наплавленного металла, его окислению, в наплавленном металле будут образовываться поры и трещины. Значения коэффициента пропорциональности К определяют минимальное расстояние от зоны наплавки до места ввода охладителя. Если принять значения К меньше заданных, то охладитель

будет воздействовать на незакристаллизо- вавшийся металл сварочной ванны, что приведет к нарушению формирования ванны расплавленного металла и ухудшению качества наплавленного металла (окисление, поры, трещины). Если принять значения К больше заданных, то при воздействии охладителя не будут обеспечиваться оптимальные скорости кристаллизации расплавленного металла сварочной ванны и.

Охлаждения, что приведет к склонности наплавленного металла к образованию трещин. Увеличение расстояния L на 100 мм не приведет выводу начала охлаждения из зо- ны температур начала структурных превря;

Мщений,- что обеспечивает получение оптимальных скоростей охлаждения, приводящих к снижению внутренних напряже: ний. Кроме того, это. увеличение гарантирует полную защиту збны действия

дуги от попадания охладителя.

Данные о влиянии К и L на качество

наплавленного металла приведены в табл.2. В табл.3 приведены экспериментальные данные, подтверждающие резкое снижёние положительных свойств предложенного способа при значениях коэффициента К, равного 4,9 и 7,1 при v.- 15 м/ч и К равного 7.1 и 9,5 при v 15 м/ч, при значениях L Kv.+ 101 при К .7,0 и К 9,4

(трещины есть). .

Если ширину охлаждаемого участка

принять меньше двух ширин валика наплавл яемого металла, тб в это время будет ухудшаться охлаждение основного металла.

прилегающего к наплавленному и это приведёт к накоплению тепла в верхних слоях наплавляемой детали, что приводит .к снижению скорости кристаллизации расплавленного металла сварочной ванны и

охлаждения наплавленного металла. В результате увеличится склонность наплавленного металла к трещинообразованию.

Если же ширину охлаждаемого участка принять больше 3;5 ширин валика наплавляемого металла; то в этом случае будут обеспечиваться оптимальные скорости кристаллизации расплавленного металла, охлаждения наплавленного металла, но увеличится непроизводительный расход охладителя, т.к. охладитель, будет

воздействовать и на ненагретые участки наплавляемой детали..

Данные о влиянии ширины охлаждаемого участка на качество наплавленного металла приведены в табл. 4,

Проведенный анализ заявляемого способа плазменной наплавки свидетельствует, что положительный эффект при осуществлении изобретения будет получен благодаря тому, что обеспечивается получение оптимальных скоростей кристаллизации расплавленного металла сварочной ванны и охлаждения наплавленного металла, при которых внутренние напряжения достигают значений; не приводящих к растрескиванию наплавленного, металла. Кроме того, охлаждение наплавленного ме- .талла и основного металла, прилегающего к наплавленному, начинается на расстоянии. L от зоны наплавки, зависящем от скорости наплавки, что обеспечивает начало охлаждения после, того, как расплавленный металл, сварочкой ванны закристаллизовался, .вследствие чего наплавленный металл образуется без трещин, пор.

.Скорость кристаллизации зависит от многих факторов: погонной энергии/массы изделия, условий теплоотвода. толщины на- пл авляемого слоя. При выборе параметров процесса наплавки в зависимости от изделия (его массы, теплофизических свойств, требуемой толщины наплавленного слоя) назначается величина погонной энергии наплавки, о дним из параметров которой и яв- ляется скорость наплавки. Так как в процессе наплавки скорость наплавки является величиной постоянной, а ток и напря- же.ние дуги (входящие в погонную энергию) в процессе наплавки, могут незначительно колебаться, то, исходя из этого, в качестве параметра для определения расстояния от зоны наплавки до начала подвода охладителя и была выбрана скорость наплавки, косвенно учитывающая все перечисленные факторы.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором изображена схема плазменной наплавки вращаемой детали.

По заявляемому :способу в процессе плазменной наплавки целесообразно охлаждать металл, поступающий в зону наплавки, до 100-200°С, причем охлаждение наплавленного металла и основного металла, прилегающего к наплавленному, следует начинать охлаждать на расстоянии L от зоны наплавки.

Расстояние L определяется из выражения:

100,

где L- расстояние от плазмотрона до места подвода охладителя, мм:

v - скорость наплавки, м/ч; К - коэффициент, равный 5...7 при 5 м/ч, 7,2....9,4 при v. 15 м/ч.

Ширинаохлаждаемогоучасткадолжнасостав- лятъ 2-3,5 ширины валика наплавленного металла На фиг.-1 показан способ наплавки; на фиг.2 - вид А на фиг.1.

0 Заявляемый способ может быть реализован с помощью устройства содержащего: механизм вращения наплавляемой детали (прокатный валок) 1, плазмотрон 2, приспособление для охлаждения наплавленного

5 металла и основного металла, прилегающего к наплавленному 3 и приспособления для охлаждения наплавленного и основного металла до 100-200°С 4. В процессе наплавки наплавляемая деталь Т устанавливается в

.0 механизм вращения и приводится во вращение со скоростью наплавки v., к детали под- водится плазмотрон 2, возбуждается плазменная дуга и начинается наплавка поверхности детали. За плазмотроном, по хо5 ду вращения детали на расстоянии L, определяемом из выражены K-v L K-v : + 100 от плазмотрона устанавливается при- ; способление 3 для охлаждения наплавленного металла и основного металла,

0 прилегающего к наплавленному. ПриепЬ-- собление 3 представляет собой трубку длиной равной 2-3,5 ширины наплавленного валика, расположенную перпендикулярно направлению наплавки и параллельно на5 плавляемой детали. Трубка с одной стороны заглушена, а с другой к трубке подводится охладитель. В трубке со сторрны.направлен- ной к наплавляемой детали,просверлены с заданным шагом отверстия, через которые

0 охладитель поступает на охлаждаемую деталь. Отверстия, через которые подается охладитель,, должны быть направлены под небольшим углом к поверхности охлаждаемой детали в сторону вращения,

5 После прохождения наплавленной детали под приспособлением 3, она входит в зону действия приспособления для охлаждения наплавленного и основного металла до темлературы 100-200°С 4.

0 Приспособление 4 представляет собой набор из трубок длиной 2-3.5 ширины наплавленного валика, закрепленных ке гибком

.. основании, с помощью которого они устанавливаются параллельно, наплавляемой

5 детали, В трубках просверлены с заданным шагом отверстия. Между собой трубки соединены параллельно, что обеспечивает равномерную подачу охладителя к охлаждаемой поверхности наплавляемой детали. Расход охладителя в приспособлениях 3 и 4 подбирается так, чтобы темпераура детали при выходе из приспособления оставляла 100-200°С.

Так, например, при плазменной наплав- е по заявляемому способу, проводили налавку прокатного валка порошковыми атериалами.

Режим наплавки:

Ток плазменной дуги, А290

Напряжение дуги, В30

Расход плазмообразующего газа, л/мин 3,5

Расход транспортирующего

газа, л/мин : . 10

Расход защитного газа, л/мин 55

Расходнаплавочного .. материала, кг/ч : . 9,5

Диаметр сопла, мм:.-.. ..-.: -10

Амплитуда колебаний

плазмотронэ. мм . .. . 30

Скорость наплавки, м/ч :8

.Наплавочный материал ПР-25х5 ФМС.

Исходя из принятых параметров режима плазменной наплавки,.использованы приспособления для охлаждения наплавленного металла и основного металла прилегающего к- наплавленному и приспособление для охлаждения наплавляемого валка до 100-200°С. Приспособление для охлаждения наплавленного металла представляет собой стальную трубку диаметром 10 мм, с одной стороны к трубке подсоединен гибкий шланг для подачи охлаждающей воды. Ширина охлаждаемого участка равна длине рабочей зоны 100 мм, что составляет 3,3 ширины наплавленного валика. По образующей трубки просверлены отверстия Ф 2,5 мм. шаг отверстий 7 мм. Это приспособление было жестко закреплено на тележке установки плазменной наплавки на расстоянии L 8,2 х 8 - 100 165 мм от плазмотрона по направлению вращения валка. Приспособление было установлено на расстоянии от. поверхности валка равном 15 мм. Отверстия для подачи охлаждающей воды отклонены от вертикали на 10° по ходу вращения.-.

Приспособление для охлаждения наплавленного валка до температуры 100- 200°С представляет собой набор из стальных трубок диаметром 10 мм и длиной рабочей зоны 100 мм, в каждой трубке по образующей просверлены отверстия Ф 2,5 мм, шаг отверстий- 7 мм.

Трубки собраны на кронштейнах в блоки по 3 трубки в каждом блоке, шаг между трубками 15 мм, кроме того, концы трубок впаяны в водоподводы, которые обеспечивают параллельное питание водой всех трубок каждого блока. Блоки между собой соединяются кронштейнами на болтах, что позволяет собранные блоки выставлять по радиусу валка и фиксировать конфигурацию

5 приспособления для охлаждения. Кроме того, блоки соединяются между собой гибкими шлангами, чем обеспечивается подвод воды .во все блоки и соответственно произ- водится охлаждение валка до температуры

0 100-200°С. Приспособление крепится посредством кронштейна к тележке установки плазменной наплавки на расстоянии 15 мм от поверхности валка.

5 Перёд началом наплавки в приспособления подается охлаждающая вода, расход воды составляет 8,7-9 л/мин для данного режима. Возбуждается, плазменная дуга и начинается процесс наплавки. Замеры тем0 перэтуры поверхности прокатного валка в процессе наплавки, произведенные ХА,тер- мопарой, подключенной к потенциометру : ЭПП-09, показали, что температура составляет Т50°С. V: ,. -.

5 . Исследования качества наплавленного металла показали, что наплавленный металл толщиной 3 мм плотный без трещин на поверхности и внутри металла, трещины отсутствуют в зоне составления основного и

0 наплавленного металла. .. . Для сравнения была выполнена наплавка прокатного валка на приведенном выше режиме, но без Охлаждения, с подогревом валка до 350-400°С (как принято по сущест5 вующей технологии), Результаты исследования показали, .что формирование наплавленного металла неудовлетворительные (имеются наплавы, несплавления между валиками наплавленного металла),

0 поверхность наплавленного металла покрыта сеткой трещин, имеются трещины в зоне сплавленйя основного и наплавленного металла, ..- ;

Как показали данные опытной провер5 ки, в результате использования заявляемого способа плазменной наплавки обеспечивается повышение качества наплавленного металла, характеризующееся отсутствием трещин в наплавленном метал50 ле и в зоне сплавленйя основного и наплав- ленного металла.

Согласно данным проведенных лабораторных испытаний, заявляемое изобрете- .; ние в сравнении с прототипом обладает

55 следующими преимуществами:

- позволяет повысить качество наплавленного металла за счет.предотвращения образования трещин в нем и в зоне сплавленйя основного и наплавленного металла;

- позволяет увеличить толщину наплавляемой детали с 10 до 1500 мм.

Заявляемый способ плазм.енной наплавки предоставляет значительный интерес для народного хозяйства, так как позволит-обеспечить внедрение новой технологии, позволяющей обеспечить получение наплавленного металла высокого качества без трещин как в наплавленном метэл- .ле, так и в зоне сплавления основного и наплавленного металла.

Заявляемое решение не оказывает отрицательного воздействия на состояние окружающей среды.

Использование: в черной металлургии при наплавке прокатных валков. Сущность изобретения: поступающий в зону действия плазменной дуги наплавляемый участок охлаждают до 100-200°С приспособлениями для охлаждения. Начало охлаждения осуществляют приспособлением, установленным на расстоянии Z от плазмотрона по входу вращения детали, которого определяют из выражения: K-v Z K-v-t-100, где v- скорость наплавки, м/ч; К- коэффициент, равный 5-7 при v 15 м/ч, 7,2 -9,4 при v 15 м/ч. Ширина участка охлаждения должна составлять2-3,5 ширины валика наплавленного металла. Спо соб позволяет повысить качество наплавки. 1 з.п. ф-лы. 2 ил., 4. табл. ел с

; Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я

Качество наплавленного металла

Трещины в наплавленном металле и зоне сплавления : :.То же

Трещины отсутствуют То,же

охладителя располагают на расстоянии LOT плазмртрона по ходу вращения детали, которое определяют в соответствии с выражением К -v L K-v + 100 , где v - скорость наплавки, м/ч; К - коэффициент, равный 5-7 при v 15 м/ч, 7,2-9,4 при v :Ј 15 м/ч.

.. .-. . v : Таблица 1

Примечание

Требуется увеличение расхода охладителя

Ш

Т а б л и ц а 2

Продолжение табл. 2

Т а б л и ц а 3

17

1797537

18 Таблица4

Фиг.2

Bt/#A