СВАРКА И НАПЛАВКА АЛЮМИНИЯ И ЕГО СПЛАВОВ

Оптимизация технологических параметров наплавки поршней

При разработке промышленной технологии наплавки поршней необходимо учитывать, что ее схема, режимы наплавки и другие параметры будут зависеть от назначения процесса наплавки. Различают изготовительную наплавку при производстве новых поршней и восстановительную (ремонтную) при наплавке изношенных поршней. Рассмотрим вначале, как определяются технологические параметры для упрочнения новых поршней.

Работоспособность металла, наплавленного в зоне канавки под первое компрессионное кольцо импульсно­дуговым способом порцціковой проволокой в среде аргона, определяется многими факторами, важнейшими из которых являются состав и качество наплавленного металла, форма проплавления. Указанные факторы зависят, в свою очередь, от выбранных типоразмеров начальной канавки под наплавку поршней, режима дугового процесса, состава порошковой проволоки.

Учитывая, что априорно нельзя с достаточной степенью верности оценить влияние того или иного фактора на конечный результат, было применено экспериментально­статистическое моделирование. Для оптимизации технологии наплавки использовалась математическая теория планирования эксперимента [165, 166] В исследование включены девять выходных параметров, определяющих результирующие свойства и качество наплавки [167]. Перед наплавкой производилась предварительная проточка канавки специального профиля, обеспечивающего легкую варьируемость параметров с целью поиска наилучшего варианта (рис. 11.15).

Выбранный профиль канавки по очертанию близок к линии сплавления и по предварительным экспериментам обеспечивает лучшую дегазацию сварочной ванны. Кроме того, заполнение такого профиля требует минимума массы наплавленного металла и, следовательно, минимума потребляемой электроэнергии.

а б в

Рис. 11.15. Профиль канавки под наплавку (а), вид наплавленного валика (б) и профиля нарезанной канавки под компрессионное

кольцо (в)

Расчетный радиус канавки R определяли по следующей зависимости (см. рис. 11.15):

f^tgp-O. Sb

tgp-cosp-'' (1U)

где Р = 1/2а.

Масса наплавленного шва единичной длины может быть определена по формуле

G = FHp, (11.2)

где FH - площадь поперечного сечения наплавленного шва, м2;

р - плотность металла наплавки, кг/м3.

Площадь FH зависит от площади канавки Ft и площади валика Fe:

F.-F.+ F. (11.3)

Величины составляющих площади FH вычисляем по зависимостям:

Fk = (h0 - R)(0.5b+Rcosp ')+R2tgP+2^R2((90-p)/360);

Fe«0.73eg. (11.4)

Глубина проплавления h (рис. 11.15,6), ширина валика е и его высота g зависят не только от параметров режима наплавки, но и от угла наклона у плоскости

порошкового электрода к оси поршня (рис. 11.16)

На основании априорной информации и предварительных опытов для каждого фактора выбраны основные уровни и интервалы варьирования (табл. 11.5). В качестве параметров оптимизации приняты: у, - твердость наплавленного іметалла; у2 площадь поперечного Сечения наплавленного валика F;

Н*

у3 - качество формирования наплавленного валика.

Площадь поперечного сечения FH определяли путем проецирования на экран через проектор макрошлифов при 5-10 кратном увеличении с последующим измерением планиметром.^

Качество формирования наплавленного валика оценивали при помощи метода ранжирования, основанного на обработке качественной субъективной информации, полученной в результате опроса мнений специалистов.

Важным фактором, который необходимо учитывать при отработке промышленной технологии наплавки, является характер переноса электродного металла в сварочную ванну Использование порошкового электрода (плющенки) наряду с большими достоинствами имеет явный недостаток, связанный с подвижностью шихты в алюминиевой оболочке, что приводит к частичному просыпанию шихты в момент оплавления.

При наплавке на постоянном токе обратной полярности устойчивый процесс плавления и переноса электродного металла при использовании порошкового электрода марок ПЛ-МА-5..7 наблюдается при токах более 350А. Однако наплавка на таком режиме приводит к перегреву основного металла (поршня) и его разупрочнению и, кроме того, из-за глубокого проплавления и интенсивного перемешивания наплавленного и основного металла происходит снижение концентрации легирующих компонентов в наплавленном металле с соответствующим снижением жаропрочных характеристик.

Для устранения упомянутых трудностей наплавки порошковым электродом рекомендуется использование высокопроизводительного процесса импульсно-дуговой наплавки в среде аргона [168-171].

При импульсно-дуговой наплавке перенос электродного металла может быть регулируемым за счет правильного выбора величины базового (основного) тока сварки, длительности, частоты и значения тока импульса.

Наиболее простыми и надежными источниками питания для импульсно-дуговой сварки являются такие, которые имеют частоту 50-100 Гц, т. е. синхронизированы с сетевой частотой тока (источники ВДГИ-302-УЗ, ВДГИ - 301-УЗ и др.)

Для обоснованного выбора частоты и длительности импульсов были проведены исследования по изучению особенностей переноса электродного металла при наплавке порошковым электродом [167,168].

Процесс плавления электрода исследовался с помощью скоростной киносъемки камерой СКС-1М. Проведенная скоростная киносъемка процесса наплавки при

использовании порошковой проволоки с наполнителем из смеси порошка и дробленой (порошкообразной) лигатуры показала, что при частоте импульсов 50 Гц время существования капли, ее размеры и положение на торце электрода способствуют значительному высыпанию шихты из оболочки. Из-за электромагнитного воздействия часть шихты не попадает в сварочную ванну, что приводит к уменьшению степени легирования и потере твердости наплавленного металла до 110-115НВ.

Повышение частоты импульсов до 100 Гц приводит к формированию и отрыву капель малого размера, что приближает процесс переноса к струйному Просыпаемость шихты значительно снижается, особенно при использовании шихты из дробленой лигатуры. Твердость наплавленного металла значительно увеличилась (125-130 НВ), а химсостав приблизился к основному металлу. Применение импульсных источников с частотой более 100 Гц является нерациональным из-за значительного усложнения его схемы и, следовательно, увеличения цены.

Оптимизация длительности импульса тн>111 проводилась в соответствии с общей схемой процесса оптимизации (см. табл. 11.5 и 11.6).

На первом этапе экспериментально-статистического моделирования реализован план Плакетта-Бермана, являющийся оптимальным в данной ситуации (табл. 11.6).

Для получения математических зависимостей между технологическими параметрами наплавки поршней, твердостью и качеством наплавленного металла использовали симплексно-решетчатое планирование, что позволило значительно уменьшить количество экспериментов. По результатам двенадцати опытов были построены уравнения регрессии вида

у = Ьрс, + Ь^2 + Ь?3 + ь12крс2 + + bjcjc, + bafCfijcr

(11.5)

Статистическая обработка результатов эксперимента

проведена по стандартной методике.

Проведен расчет дисперсий в каждой экспериментальной точке с последующей проверкой их однородности по критерию Кохрена, вычислены дисперсии воспроизводимости и адекватности, построены доверительные интервалы для полученных коэффициентов регрессии. Проверка адекватности полученных уравнений производилась по F-критерию Фишера. Математическая обработка результатов опытов проведена на персональном компьютере IBM.

На основании полученных моделей построены графики (рис. 11.17), дающие возможность представить зависимость твердости наплавленного металла и его формирование от параметров режима наплавки.

На основании проведенных исследований и анализа всех полученных графических зависимостей была определена область оптимума параметров режима наплавки и геометрических параметров предварительно протачиваемой канавки под наплавку, позволяющих получить наплавленный металл необходимой твердости и качества.

Анализ велся с учетом стабильности протекания дугового процесса, хорошего формирования сварного шва, минимального разбрызгивания и пористости. При этом были приняты следующие ограничительные признаки:

- отсутствие пор в металле наплавки (за исключением пор в верхней, удаляемой мехобработкой части наплавленного валика);

- отсутствие подрезов и несплавлений с основным

металлом;

хороший внешний вид наплавленного велика.

Оптимальные размеры предварительно протачиваемой канавки под наплавку имеют следующие значения:

- глубина канавки ho = 4 мм;

- ширина канавки в верхней части Ь - б мм;

- угол наклона стенок а * 15 град;

- радиус дна канавки R - 2,5 мм.

Таким образом, были получены следующие оптимальные параметры режима изготовительной наплавки поршней (табл. 11.7):

Параметры процесса восстановительной (ремонтной) наплавки изношенных поршней будут отличаться от параметров изготовительной, поскольку она производится в готовую канавку под поршневое кольцо, размеры которой колеблются в зависимости от типа двигателя. Прямоугольный профиль канавки вызывает дополнительные трудности в подборе режимов в связи с возможными дефектами в виде несплавления в углах канавки и повышенной склонностью к порообразованию в нижней части наплавленного валика.

В процессе восстановительной наплавки изношенных поршней порошковой пррволокой основными параметрами режима, определяющими Геометрическими размеры наплавки, являются: сварочный ток, напряжение на дуге, скорость наплавки, величина вылета и смещение с зенита поршня сопла горелки. С целью оптимизации геометрических размеров наплавки проведено исследование влияния параметров режима на геометрические размеры наплавки.

Для установления влияния вылета сопла горелки на геометрические размеры и формирование наплавленного металла была проведена наплавка партии поршней двигателя СМД-14 с различным расстоянием от поверхности поршня до сопла горелки. Вылет сопла горелки изменялся с помощью механизма вертикального перемещения огневой части установки наплавки поршней. Остальные параметры режима наплавки сохранялись постоянными и составляли: 1св 240- 260 А, ид - 20-22 В, Vra= 20 м/ч, 1инп =750А, 1,8 103 с,

QAr= 15 л/мин.

Для замера геометрических параметров наплавки изготавливались макрошлифы. Исследовались следующие геометрические параметры наплавки, ширина валика е, высота наплавки g, глубина проплавления Ь, общая площадь валика F^, площадь наплавки площадь проплавления F. Результаты замеров показали, что с увеличением вылета сопла горелки от поверхности поршня с 10 мм до 30 мм ширина валика увеличивается, а высота наплавки и глубина проплавления уменьшаются. Общая площадь наплавки и площадь проплавления с увеличением вылета сопла горелки уменьшаются. Такой характер изменения геометрических размеров наплавленного металла объясняется тем, что с увеличением вылета сопла горелки увеличиваются потери тепловой мощности дуги на конвекцию и излучение в окружающую среду, а также возрастает разбрызгивание электродного металла [193].

При вылете сопла горелки менее 10 мм усиливается забрызгивание каплями электродного металла сопла горелки, что приводит к ухудшению ламинарности истечения аргона и защиты сварочной ванны от контакта с окружающей средой. Наиболее оптимальным является вылет сопла горелки 10-15 мм.

На формирование наплавленного металла при сварке тел вращения в определенной мере оказывает влияние смещение с зенита торца плавящегося электрода. Для определения влияния смещения сопла горелки с зенита поршня проводилась наплавка на постоянном режиме с различной величиной смещения от зенита поршня по обе стороны. Результаты проведенных экспериментов показали, что при наплавке со смещением в сторону, противоположную направлению вращения, увеличивается глубина проплавления, а ширина наплавки уменьшается. Формирование наплавленного валика удовлетворительное. При смещении с зенита в сторону вращения поршня под столбом дуги образуется жидкая прослойка повышенной толщины, что снижает глубину проплавления. При этом блуждание дуги по поверхности ванны приводит к повышению ширины наплавки и ухудшению формирования наплавленного металла. Оптимальное смещение с зенита поршня при

наплавке составляет 12-15 мм в сторону, противоположную направлению вращения поршня.

Наибольшее влияние на формирование наплавленного металла оказывает сварочный ток и скорость наплавки. Результаты замеров геометрических параметров наплавленного металла в зависимости от величины сварочного тока и скорости наплавки приведены нарис. 11.18 и 11.19.

Полученные данные свидетельствуют о том, что с увеличением сварочного тока исследуемые геометрические параметры наплавленного металла растут.

Это объясняется увеличением скорости подачи порошковой проволоки, а следовательно и массы наплавленного металла в единицу времени, что является причиной увеличения высоты валика и площади наплавки. С увеличением тока наплавки пропорционально его квадрату

величины увеличивается количество вносимого в зону наплавки тепла в единицу времени. Это вызывает более интенсивное расплавление основного металла и увеличение ширины наплавки и глубины проплавления.

Увеличение скорости наплавки по сравнению с влиянием роста сварочного тока влечет за собой обратное действие на геометрию наплавленного металла. Это объясняется уменьшением удельного тепловложения в

единицу времени на единицу длины шва с увеличением скорости наплавки. С уменьшением ширины наплавки (рис. 11.19) при постоянном объеме вносимого электродного металла должна расти высота валика. Однако этого не происходит, так как с увеличением скорости наплавки уменьшается объем электродного металла, приходящийся на единицу длины шва. На основании проведенных исследований установлено, что геометрические параметры шва, отвечающие получению качественной наплавки, обеспечивает режим процесса, приведенный в таблице 11.8.