Многоэлектродная наплавка

Выбор оптимальных режимов

Основные параметры режима, определяющие ход процесса и его результат, следующие: напряжение на­плавки, скорость подачи, диаметр, число, порядок рас­становки и вылет электродных проволок, скорость наплавки. От правильного выбора режима наплавки во многом зависит поведение основного металла, струк-

тура и свойства, а также конфигурация, качество фор­мирования поверхности и сплавление наплавленного слоя. • |

Напряжение наплавки выбирают в зависимости от диаметра используемой проволоки.

При диаметре проволоки 0,5 мм напряжение на­плавки составляет 10—15 В, I мм—15—25 В, 2 мм — 25—30 В, 3 Mwi — 25—36 В, 4 мм — 36—40 В, 5 мм — 40—50 В.

Диаметр электродной проволоки определяет тол­щину наплавляемого слоя. Чем меььше диаметр и ниже напряжение наплавки, тем меньшую толщину слоя мож­но наплавлять. Однако получить толщину слоя менпые 1 мм пока не удается. При ведении процесса в нижнем положении получить толщину более 50 мм тоже пока затруднительно.

Число электродных проволок выбирают в зависи­мости от шириьы наплавляемого слоя и диаметра про­волоки. При одной и тгой же ширине число проволок увеличивается с уменьшением их диаметра и наоборот.

Согласно опыту наплавки оптимальное расстояние между проволоками должно быть равным трем-четы рем их диаметрам. От правильного выбора расстояния между электродами зависит качестьо наплавленного слоя и производительность процесса. Опыт показал, что ток в сварочной цепи увеличивается пропорциональ­но числу электродов. Вместе с тем при наплавке, осо­бенно широкослойьой, желательно минимально пере* гревать основной металл, а для этого поступающую в наплавочную ванну теплоту необходимо распределять по возможно большей поверхности. Поэтому расстоя­ние между проволоками, равное трем-четырем диамет­рам, выбирают с целью увеличение фронта вложения теплоты в изделие.

Слишком большое расстояние между проволоками нежелательно, так как в этом случае каждая из них начинает работать самостоятельно и теряются преиму­щества процесса, связанные с их взаимным влиянием друг на друга: нарушается эффект многоэлектродной сварки. 1

Кроме ширины расстановки существенную роль играет порядок расположения электродов вдоль фрон­та. Как показали наши исследования электрических полей вдоль фронта многоэлектродной системы, поря­док расположения электродов должен соответствовать распределению напряженности поля. В местах повы­шенной напряженности число проволок должно быть максимальным и, наоборот, в местах пониженной на­пряженности число электродов следует уменьшать. Однако это не всегда себя оправдывает. При большой ширине наплавки, когда сила тока превышает 5— 1C кА, а напряжение 40 В, сгушение электродов у краев не дает положительных результатов. Их взаимное влияние становится настолько большим, что сгущен­ные электроды начинают плави іься одновременно, образующиеся капли объединяются в одну общую каплю, которая быстро растет и сбрасывается под действием магнитного ноля в центральную зону ванны Жпакого металла, а не на край, как это необходимо.

В то же время при средней ширине слоев (до 200 мм) сгущение электродов по краям и разрежение в центре дает положительные результаты. Так, при ширине наплавки 50—100 мм электроды располагают у краев по два на расстоянии друг от друга один-два их диаметра. При ширине наплавки более 100 мм жела­тельно сгущать по три крайних электрода, что обеспе­чивает качественное формирование краев, ликвидирует подрезы и подвороты.

Вылет электродов — чрезвычайно важный параметр многоэлектродной системы, так как он определяет силу тока, протекающего при определенном напряжении, а также степень подогрева электродов. Для обеспече­ния наивысшей производительности процесса, хорошего качества наплавленного металла необходимо придер­живаться следующих величин вылета. При диаметре проволоки 0,5 мм вылет должен быть 10—15 мм, I мм — 15—20 мм, 2 мм — 25—30 мм, 3 мм — 30— 50 мм, 4 мм—40—80 мм, 5 мм—40—100 мм. Жела­тельно, чтобы вылет всех электродов по фронту был одинаковым, ибо в противном случае в системе про­изойдет перераспределение тока и нарушится форми­рование поверхности и глубины проплаЕления основ­ного металла.

Скорость подачи электродов в наплавочную ванну определяет сила тока. Выбрав напряжение наплавки и зависимости от диаметра электродной проволоки и наметив расстановку проволок в зависимости от шири­ны слоя, назначают их вылет и скорость подачи в за-

виснмости от высоты наносимого слоя, толщины изде­лия и имеющегося в распоряжении источника свароч­ного тока.

Опытным путем установлено, что при оптимальном вылете и напряжении на каждые 60 м/ч подачи одной проволоки диаметром 1 мм необходим ток силой 40 At 2 мм — 100 А, 3 мм — 200 А, 4 мм — 4Ь0 А, 6 мм — 700 А. Эта закономерность изменяется в сторону умень­шения тока с увеличением диаметра электрода при возрастании скорости подачи электродов.

В определенных пределах скорость подачи электро­дов в ванну влияет на процесс аналогично изменению вылета. Увеличивая скорость подачи электродов, мож­но увеличить их вылет, не изменяя ток и качество

j 1

формирования наплавленного слоя. Этим иногда при­ходится пользоваться при разработке технологии на­плавки деталей сложной конфигурации, когда необхо­димо выйти за пределы оптимального вылета электрода.

Существенную роль при многоэлектродной наплавке играет угол наклона электродов к вертикали. Наплавка вертикальными электродами целесообразна для полу­чения слоев средней толщины 4—8 мм.. В этом случае обеспечивается удовлетворительное протекание про­цесса и хорошее формирование поверхности слоя.

Когда требуется получить глубокое проплавление или предварительное оплавление поверхности, элек­троды системы частично или полностью устанавливают углом вперед. В обычных условиях такой прием вызы­вает ухудшение формирования поверхности.

Наилучшие результаты получаются при наплавке углом назад. При этом выбирают угол 60—45° к гори­зонту. Такой прием обеспечивает минимальное проплав - ление основного металла, удовлетворительные конвек­тивные потоки в сварочной ванне, хорошее расплавле­ние слоя легирующей шихты. J

Перед наплавкой поверхность детали должна быть очищена от грязи, масла, оксидов и т. п. Если наплавка ведется по слою легирующей шихты, то требования к чистоте поверхности невысокие. Если наплавка ведется легированной проволокой или цветными метал­лами, то зачищать поверхность необходимо особенно тщательно.

Большие токи, используемые при многоэлектродной наплавке, требуют особого внимания к токоподводу.

Для обеспечения надежного контакта место токопод - пода должно быть хорошо зачищено. Объясняется э^о применением больших токов (1—10 кА и более). Некачественный токоподвод затрудняет начало про цесса, вызывает подгорание контактов, ограничение тока при коротких замыканиях, что приводит к пло­хому формированию поверхности наплавки, а иногда к остановке процесса и получению брака.

Не менее важное значение имеет место токоподвода к мундштуку и изделию, а также взаиморасположение токоведущих кабелей Оба провода должны составлять виток, расположенный вдоль оси наплавки выпуклой частью в сторону начала наплавляемого слоя. При таком расположении кабелей максимальная концент­рация электрического поля приходится на зону плав­ления электродов и способствует интенсификации их плавления.

Гребенка электродов во многоэлектродной системе упрощает процесс наплавки под флюсом, поскольку нет Сгребания флюса и шихты. Эта особенность позволяет успешно вести наплавку широких слоен на значитель­ных скоростях, обеспечивая высокую однородность при легировании подачей порошкообразных металлических добавок е слой флюса. Состав флюса выбирают таким, чтобы получить стабильное плавление электродного металла, свободное удаление шлака, удовлетворитель­ную смачиваемость основного металла наплавленным, минимальный и равномерный провар, удовлетворитель­ное формирование наплавляемой поверхности.

При выборе зернистости флюса учитывают, что флюс с более мелким зерном способствует образованию сегрегации, его расход увеличивается, а наплавленный металл обогащается элементами, содержащимися и нем.

Если флюс выбран правильно, то при больших токах улучшается плавность перехода от наплавленного вали­ка к основному металлу, поверхность наплавленного валика получается гладкой.

Толщина слоя флюса оказывает влияние на процесс наплавки и формирование наплавленного валика. Слой флюса должен надежно защищать зону горения дуг и обеспечивать возможность визуального контроля за процессом.

Высокая металлургическая активность жидкой

ванны в сочётании с пульсирующим горением электро­дов при большой ширине слоя приводит к постоянному прорыву газов через шлаковую оболочку.

При слишком толстом слое флюса (особенно тяжен лого) гШход газов из зоны сварки затрудняется и про - исходит взрывообразно, что приводит к появлению п« поверхности дефектов. Кроме того, увеличивается рас-i ход флюса, а толстая шлаковая корка труднее отде- ляется от наплавленного металла.

Поэтому слой флюса на поверхности должен быть небольшим. Случайные вспышки дуги через него сви­детельствуют о его достаточной толщине. В этом слу­чае газы выходят постепенно, наблюдается лишь коле­бание поверхности расплавленного шлака. В зоне горения дуги стабилоно поддерживается газовый пузырь Наиболее часто прорывы газов наблюдаются по краям валика, реже — в центре. До некоторой сте* пени это можно объяснит» высокой неоднородностью электрического поля по краям гребенки, что вызывает повышение напряженности, более длительный период существования дуги, а также повышение давления газов вблизи крайних электродов.

Слишком тонкий слой флюса не обеспечивает доста­точной защиты сварочной ванны. Обычно толщину слоя флюса принимают на 6—10 мм меньше длины вылета электрода. При наплавке углом назад ванна жидкого металла отстает от мундштука, и толщину слоя флюса принимают несколько большей. При осуществлении наиболее эффективного V способа легирования (см. гл. 3) неровная поверхность наплавленного изделия вначале выравнивается засыпкой тонкого илоя флюса, именуемого подслоем.

Опыт показывает, что до определенной высоты под­слой флюса оказывает положительное влияние на фор­мирование наплавленного металла и зоны сплавления с изделием. Такая вырота зависит от напряжения на­плавки, а следовательно, длины дуги. До напряжения 20 В подслой не должен превышать 2 мм, его следует выполнять флюсом мелкой грануляции с размером частиц 0,5—1 мм, ири 20—30 В подслой может быть до 4 мм, а при 30—40 В его можно довести до 10 мм. Оптимальной толщиной следует считать 4—5 мм. В этом случае обеспечивается качественная засыпка легирующей шихты несмотря на неровности поверхности

и одновременно хорошее удаление подслоя во время наплавки, каЛ показано на рис. 12.

Специфическое попеременное плавление электродов обеспечивает рассеянное тепловложеиие в основной металл и малую глубину проплавления.

По сравнению с одноэлектродной наплавкой одина­ковый ток при многоэлектродном процессе уменьшает ироплавление основного металла и сокращает длину кратера за счет увеличения ширины наплавки. Попере­менное давление дуг на расплавленный металл привс - цит к интенсивному перемешиванию ванны и благотвор­но сказывается на составе и структуре наплавки, улуч­шаются также условия просекания реакций взаимо­действия металла и шлака. Это особенно важно при наплавке под керамическим флюсом или по слою леги­рующей шихты, так как свойства наплавленного металла определяются полнотой химического взаимо­действия со шлаком.

Многоэлектродную наплавку проводят на перемен­ном и постоянном токе. В обоих случаях ілубина про­плавлення получается минимальной, ^ок обратной полярности обеспечивает лучшее формирование поверх­ности.

Исследования автора показали, что дуговым спосо­бом можно наплавлять слой толщиной до і2 мм. При больших толщинах наплавки процесс переходит в шла­ковый из-за повышенного объема шлака. Надежное сплавление слоя с основным металлом происходит и этом случае при использовании форсированных режи­мов, когда имеет место сложное плавление электрод­ного металла. Дуговой процесс перемежается с электро - шлаковым. Чем больше толщина наплавленного слоя, їем с большей скоростью подается электродная прово­лока. Характерно, что при толщине наплавки свыше 15 мм увеличение числа электродов не обеспечивает надежного сплавления. Целесообразнее уменьшить число электродов, но увеличить скорость их подачи и ванну. В этом случае расстояние между электродами может быть увеличено до 10—12 диаметров.

Наличие большой интенсивно перемешиваемой нанны жидкого металла выравнивает высокую тепло - ную неоднородность, вызванную большими расстоя­ниями между электродами. Вместе с тем высокая плот­ность тока на электродах и длительное их оплавление

вызывают мощное давление на ванну жидкого металла, приближая тепловое ядро на конце электрода к зоне сплавления. При этом под электродами возникают' участки сплавления основного и наплавляемого метал­ла, через которые тепловой поток из ванны жидкого металла устремляется в основной металл и обеспечи­вает образование надежного металлического контакта по всей поверхности. Поэтому при наплавке слоев боль­шой толщины необходимо обеспечивать условия макси­мального выделения теплоты на конце плавящегося электрода.

Обычные фторидные флюсы, используемые при электрошлаковой сварке (АНФ-5, АНФ-6, АНФ-1П), оказываются непригодными для многоэлектродной на­плавки больших толщин в нижнем положении, так как при этом формирование слоев получается неудовлетво­рительным, а сплавление отсутствует полностью не­смотря на исключительно устойчивый процесс наплавки. Причины, видимо, связаны с низким электросопротив­лением этих флюсов и относительно низкой температу­рой шлаковой ванны и теплового ядра на конце электрода.

Иные результаты получаются при использовании флюсов АН-348А, ОСЦ-45, АН-60, отличающихся высо ким электросопротивлением и сравнительно высокой вязкостью шлаков, которая плавно возрастает при снижении температуры и способствует хорошему фор - мированию наплавленного слоя. Повышенная окисли­тельная способность шлаков обеспечивает хорошее смачивание поверхности низкоуглеродистой стали. I При наплавке существенную роль играет качество формирования валика. Для этого соответственно вы - бирают режим, что дает необходимую толщину слоя с учетом формы изделия. Чем тоньше должен быть наплавлен слой, тем меньше сила тока и диаметр про - волоки.

Наплавка изделий цилиндрической формы отли­чается от наплавки плоских поверхностей, так как в первом случае приходится считаться с возможностью стекания жидкого металла и шлака.

Изменение ширины валика достигается шириной расстановки электродов или их числом. Высота валика в некотором диапазоне (3—8 мм) изменяется за счет і изменения скорости наплавки.

В процессе наплавки электрическая луга оказывает давление на сварочную ванну, что вызывает образова­ние под электродом углубления, которое при устано­вившемся режиме одноэлектродной наплавки и отсут­ствии других факторов воздействия имеет сравнительно правильную и устойчивую форму.

Давление дуги возрастает с повышением плотности тока и уменьшается с увеличением напряжения. Чем глубже погружается дуга в основной металл, тем в большей степени жидкий металл вытесняется в хво­стовую часть кратера и тем больше становится глубина проплаеления. При пульсирующей дуге ванна жидкого металла интенсивно колеблется. Эти колебания ухуд­шают формирование поверхности наплавленного ме­талла. Поэтому постоянное горение дуги на всех элек­тродах благотворно влияет на поверхность наплавлен­ного слоя.

При нанесении слоя значительной толщины (10— 30 мм) наибольшее количество дефектов приходится на боковые края наплавки. Принято считать приемлемым появление максимального количества дефектов в на­чале и конце валика. Однако при многоэлектродном процессе дефекты образуются юлько в хцоетовой части валика.

Слои толщиной 20 мм и выше наносят с помощью мощных погруженных дуг в режиме, при котором дуго­вой процесс перемежается с электрошлаковым. При этом обеспечиваются равномерное небольшое проплав­ление основного металла и хирошее формирование поверхности благодаря шлаковой корке достаточно большой толщины (до 30 мм).