способ высокоскоростной электродуговой наплавки цилиндрических деталей

Формула изобретения

1. Способ высокоскоростной электродуговой наплавки цилиндрических деталей, при котором зажигают дугу между вращающейся с линейной скоростью свыше 500 мм/с деталью и неплавящимся электродом, подведенным под острым углом к вектору линейной скорости детали, а в зону горения дуги подают присадочную проволоку с постоянным осевым усилием, вращая присадку вокруг своей оси, отличающийся тем, что присадочную проволоку подают под тупым углом к вектору скорости вращения детали, обеспечивая ее постоянное прижатие к детали в активном пятне электрической дуги.

2. Способ высокоскоростной электродуговой наплавки по п. 1, отличающийся тем, что присадочную проволоку подают под углом 140-160^o к вектору скорости детали.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к изготовлению и ремонту деталей машин, а именно к способам автоматической электродуговой 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. Для ремонта этих деталей применяются различные способы электродуговой наплавки, которые в реальных условиях производства не позволяют получить толщину наплавки менее одного мм на сторону. При дальнейшей механической обработке излишне наплавленный металл нерационально переводится в стружку. Для экономного расходования наплавленного металла с учетом последующей механической обработки необходимо наплавлять слой толщиной 0,3...0,6 мм.

Известны различные способы наплавки, заключающиеся в том, что к наплавляемой детали и электроду подводят напряжение. Дуга, горящая между деталью и электродом, расплавляет участок наплавляемой поверхности детали и электрод, который по мере расхода подается в зону наплавки; расплавленный металл электрода сплавляется с металлом детали, кристаллизуется и образует наплавленный слой [Основы ремонта машин. Под ред. Петрова Ю.П. - М.: Колос, 1972, с. 220-265]. Эти способы наплавки дают удовлетворительные результаты при получении толщины наплавки 1,0...1,5 мм и более и в случае, если термическое воздействие процесса наплавки не сказывается отрицательно на свойствах детали. Однако при изготовлении и ремонте деталей часто требуется нанесение слоев толщиной в несколько десятых долей мм, например при восстановлении шеек валов под подшипники качения или при нанесении антикоррозионных покрытий на деталях типа штоки гидравлических цилиндров и т.п.

Известен способ наплавки, например, в среде защитных газов неплавящимся электродом [Петров Г.Л., Тумарев А.С. Теория сварочных процессов. - М.: Высшая школа, 1977, с.7, рис. 1.13б], при котором зажигают дугу между неплавящимся электродом и деталью, а присадочную проволоку подают в дугу или сварочную ванну, образующуюся на детали. Способ дает толщину наплавки более одного мм, кроме этого процесс обладает очень малой производительностью по площади поверхности, наплавляемой в единицу времени (около 20...30 мм²/с).

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ электродуговой наплавки цилиндрических деталей [А.С. 599935. Способ электродуговой наплавки. Опубл. в Б.И., 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 и последним 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. В итоге появляется дефект вследствие крупно-капельного переноса электродного металла с электрода на ролик, а затем на деталь.

Другим недостатком процесса является использование электродных проволок малого диаметра 0,5...0,9 мм, которые для обеспечения процесса должны подаваться в зону дуги с высокой скоростью, около 1500 мм/с. Высокие скорости подачи проволоки требуют создания сложных, неудобных в эксплуатации механизмов для подачи проволоки.

Целью изобретения является повышение экономичности процесса наплавки путем обеспечения оптимальной толщины наплавки и уменьшения разбрызгивания и угара металла при сохранении высокой производительности процесса и высокого качества слоя.

Поставленная цель достигается тем, что в способе высокоскоростной электродуговой наплавки цилиндрических деталей зажигают дугу между вращающейся с линейной скоростью свыше 500 мм/с деталью и неплавящимся электродом, подведенным под острым углом к вектору линейной скорости детали, в зону горения дуги подают с постоянным осевым усилием присадочную проволоку, вращая ее вокруг своей оси под и тупым углом к вектору линейной скорости детали, обеспечивая постоянное прижатие к детали в активном пятне электрической дуги, причем тупой угол выбирают в пределах 140...160 градусов.

Таким образом, отличительными признаками изобретения являются:

1) подведение проволоки под тупым углом, 2) постоянное прижатие проволоки к детали, 3) прижатие проволоки в зоне активного пятна дуги на детали. Только совместное действие всех признаков дает положительный эффект изобретения.

При анализе патентной и технической литературы заявитель не обнаружил другого тождественного и эквивалентного заявляемому 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".

В обычных процессах дуговой сварки и наплавки на детали образуется сварочная ванна, т.е. некоторый объем жидкого металла, причем открытая поверхность сварочной ванны значительно превышает площадь активного пятна электрической дуги. Активное пятно дуги перемещается по поверхности сварочной ванны и не имеет определенного положения. В заявляемом процессе вследствие высокой скорости наплавки сварочная ванна отсутствует и активное пятно занимает определенное (в неподвижной системе координат, связанной со станиной станка) положение на детали, что создает возможность подведения присадочной проволоки в зону активного пятна дуги, т.е. в строго определенные температурные условия. Постоянное прижатие проволоки в зоне активного пятна обеспечивает расплавление конца проволоки и переход в жидком виде части металла проволоки в наплавляемый валик. В то же время, именно постоянный контакт проволоки с деталью обеспечивает дополнительно переход части металла проволоки в наплавляемый валик за счет трения конца электрода о деталь, т.е. механический перенос металла на деталь. Высокая скорость наплавки и присутствие между концом плавящейся проволоки и деталью прослойки жидкого металла с температурой, близкой к температуре кристаллизации (плавления) металла, создают особые условия трения конца проволоки о наплавляемую поверхность, способствующие формированию концом проволоки ровного и качественного наплавляемого валика.

Подведение проволоки под тупым углом обеспечивает необходимую механическую прочность на вылете, что также способствует формированию валика равномерного сечения. Кроме того, подведение проволоки под тупым углом обеспечивает саморегулирование процесса наплавки, например, в случае колебаний напряжения в электрической цепи. Так, при его уменьшении длина дуги уменьшается и активное пятно на детали удаляется от конца проволоки; последняя, продвигаясь вперед, восстанавливает относительное положение зоны контактирования проволоки и активного пятна дуги на детали.

Отличительным признаком, обеспечивающим положительный эффект изобретения, является постоянное прижатие проволоки к детали в зоне активного пятна дуги на детали. Эти признаки по имеющимся сведениям ранее неизвестны. Отличительный признак - подведение проволоки под тупым углом к вектору линейной скорости - в технике известен. Однако в известных технических решениях этот признак обеспечивает переход металла присадочной проволоки в сварочную ванну в виде капель. В заявленном процессе подача проволоки под тупым углом обеспечивает иной, неизвестный ранее, эффект, а именно - продольную устойчивость и механическую прочность присадочной проволоки на вылете мундштука.

Следующим отличительным признаком изобретения является подача присадочной проволоки под углом 140...160 градусов. Указанные пределы установлены экспериментально. В таблице приведены значения гребнистости наплавленного слоя, т.е. разности между минимальной и максимальной толщиной слоя, в зависимости от угла. При установке присадочной проволоки под углом менее 140 градусов нарушается продольная устойчивость присадочной проволоки на вылете и ухудшается стабильность процесса. С увеличением угла свыше 160 градусов уменьшается удельное давление проволоки на деталь, что уменьшает долю металла, переносимого с присадочной проволоки в наплавляемый валик за счет трения (намазывания), а это также ухудшает формирование валика - увеличивается его гребнистость.

Пример осуществления способа наплавки

Установка для осуществления способа электродуговой наплавки цилиндрических деталей включает следующие основные механизмы:

- серийный токарно-винторезный станок, служащий для осуществления вращения детали и обеспечения подачи;

- наплавочная головка, которая монтируется на суппорте токарно-винторезного станка. Наплавочная головка включает механизм дня придания присадке вращательного движения и осуществления постоянного осевого усилия поджатая присадки; на головке монтируется специальная горелка;

- аппаратура для обеспечения процесса наплавки: электрические щит и пульт управления, аппаратура для подачи аргона;

- выпрямитель сварочный, например ВДУ-1201.

Деталь укрепляют, например, в патроне токарного станка и вращают с линейной скоростью свыше 500 мм/с. Неплавящийся электрод, например, из вольфрама укрепляют на суппорте станка, электрически изолируя его от металла станка. Электрод устанавливают под острым углом ближе к прямой по отношению к вектору скорости, а также ось электрода относительно горизонтальной оси детали выбирают острым (25...35 градусов). Присадочную проволоку подают в вертикальной плоскости под тупым углом и в горизонтальной плоскости под острым углом к вектору линейной скорости детали. Узел подачи присадочной проволоки укреплен на суппорте станка и электрически изолирован от детали. Сварочное напряжение подведено к неплавящемуся электроду и детали.

Способ осуществляют следующим образом. Устанавливают необходимый режим наплавки и параметры, например, приведенные ниже. Источник питания электрической дуги - выпрямитель ВДУ-1201; характеристика выпрямителя - падающая; полярность - прямая; рабочее напряжение - 14...16 В; ток - 480...500 А; материал - сталь 45; диаметр - 60 мм; частота вращения детали - 3 об/с.

Вольфрамовый электрод диаметром 4 мм установлен на расстоянии 2 мм от детали; расход защитного газа аргона - 0,15 л/с.

Присадочная проволока марки Нп65Г диаметром 2 мм; осевое усилие F=10 H; подача суппорта станка S=0,5 мм/об.

Электрод установлен под прямым углом по отношению к вектору скорости. Угол между осью электрода и горизонтальной осью детали составляет 30 градусов. Угол между осью присадочной проволоки и вектором линейной скорости детали равен 150 градусов, этот угол в горизонтальной плоскости - 15 градусов.

Процесс наплавки протекает следующим образом. После включения вращения детали зажигают дугу между электродом и деталью. Дугу зажигают с помощью осциллятора или коротким замыканием дугового промежутка угольным электродом. Вследствие высокой скорости вращения детали столб дуги вытягивается в сторону вращения детали, удлиняясь до величины 5...8 мм, и принимает наклонное положение по отношению к вектору скорости детали. Дуга подплавляет поверхность детали на незначительную глубину, при этом сварочная ванна на детали не образуется. При включении подачи присадочной проволоки ее конец, скользя по поверхности детали, продвигается навстречу дуге в зоне активного пятна на детали. Здесь конец проволоки расплавляется, расплавленный металл присадки смешивается с подставленным металлом поверхности детали и концом присадочной проволоки, постоянно контактирующей с поверхностью детали, соскребается (сдвигается) с ненаплавленной поверхности детали в сторону наплавляемой, где и формируется наплавляемый валик. Формированию валика со стороны, обратной подаче, способствует угол между вектором линейной скорости детали и осью присадочной проволоки в горизонтальной плоскости. Таким образом, наплавляемый валик образуется как за счет кристаллизации жидкого металла присадочной проволоки и подплавленной поверхности, так и за счет механического переноса (намазывания) металла присадочной проволоки при ее трении о подплавленную поверхность детали. Учитывая, что еще не расплавившийся конец присадочной проволоки нагревается в процессе наплавки до температуры, когда сталь теряет механическую прочность, перенос металла присадки за счет трения оказывает существенное влияние на формирование наплавляемого слоя.

Расстояние между концом электрода и концом присадочной проволоки в процессе наплавки устанавливается определенным и автоматически поддерживается неизменным за счет комплексного действия геометрических и электрических параметров процесса, вследствие чего обеспечивается высокая стабильность процесса наплавки.

Указанный режим наплавки дает полное сплавление слоя с основой при толщине слоя 0,25 мм; время наплавки шейки длиной 25 мм приблизительно 28 с. Если присадку подогревать на вылете от дополнительного источника питания током I₁= 180 A при U₁=4 B, то толщина наплавки увеличивается до 0,5 мм. Изменением значений U₁ и I₁ можно получить промежуточные значения толщины наплавки.

Положительный эффект способа объясняется следующим. Экономия металла достигается за счет уменьшения толщины наплавки, а следовательно, и припуска на дальнейшую механическую обработку - шлифование. Предлагаемый способ наплавки дает минимальную шероховатость наплавленного слоя, что позволяет назначать припуск на последующую обработку (шлифование) в пределах 0,1...0,15 мм на сторону. При восстановлении деталей с малыми взносами предлагаемый способ наплавки дает экономию присадочного металла в 4...6 раз по сравнению со способом, принятым за прототип. Другая причина - уменьшение потерь металла на разбрызгивание и угар до 1...4%, поскольку присадочный металл переходит в наплавляемый валик непосредственно в точке контактирования проволоки с деталью, минуя столб дуги, тогда как в процессе-прототипе электродный металл проходит через дуговой промежуток, перегревается и частично сгорает.