способ определения температуры нагрева присадочного металла при электроконтактной наплавке

Формула изобретения

Способ определения температуры нагрева присадочного металла при электроконтактной наплавке, включающий наплавку металла присадочной проволоки на цилиндрический образец на исследуемом технологическом режиме, определение предела текучести деформируемого объема металла присадочной проволоки, сравнение его с пределом текучести металла присадочной проволоки в холодном состоянии и определение по ним температуры нагрева присадочного металла при электроконтактной наплавке, отличающийся тем, что для определения предела текучести деформируемого объема металла присадочной проволоки перед наплавкой замеряют длину присадочной проволоки, а после наплавки длину и ширину наплавленного валика, по которым определяют относительную осевую деформацию металла присадочной проволоки и толщину наплавленного валика, определяют значения осадок металла присадочной проволоки и длины дуг контактных площадок металла присадочной проволоки с образцом и наплавляющим роликом, по которым из условия равновесия сил, действующих на металл присадочной проволоки со стороны образца и со стороны наплавляющего ролика, определяют давление наплавляющего ролика на металл присадочной проволоки в конце ее осадки, равное указанному пределу текучести деформируемого объема металла присадочной проволоки.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области ремонтного производства и может быть использовано при выборе режимов восстановления валов электроконтактной наплавкой проволокой.

Известен способ определения температуры нагрева присадочного металла при электроконтактной наплавке, при котором производят наплавку проволоки на образец и производят непосредственное измерение температуры термопарами [1]. Известный способ очень трудоемкий, требует наличия специального оборудования и приборов (термопар, усилителя, осциллографа и др.). Микротермопару заводят в заранее просверленное в присадочной проволоке отверстие, и при деформации проволоки усилием наплавляющего ролика термопара часто разрушается.

Известен также способ определения температуры нагрева металла, при котором определяют предел текучести деформируемого объема металла как отношение усилия деформирования к площади поперечного сечения деформируемого объема металла, сравнивают пределы текучести металла в холодном состоянии и при конкретной температуре и по ним определяют температуру нагрева [2]. Этот способ разработан для условий стыковой контактной сварки и неприменим в специфических условиях электроконтактной наплавки.

Прототипом изобретения является способ определения температуры нагрева присадочного металла при электроконтактной наплавке, включающий наплавку металла присадочной проволоки на цилиндрический образец на исследуемом технологическом режиме, определение предела текучести деформируемого объема металла присадочной проволоки, сравнение его с пределом текучести металла присадочной проволоки в холодном состоянии и определение по ним температуры нагрева присадочного металла при электроконтактной наплавке [3].

Недостатком известного способа является низкая точность определения температуры. При определении предела текучести присадочного металла рассматривают значительно упрощенную модель термодеформационного цикла, представляемую в форме металлического цилиндра. Такое представление о форме и объеме присадочного металла в очаге деформации существенно отличается от действительного. Кроме того, в известном способе считают, что такой абстрактный цилиндр нагревается изотермически постоянным током. И это допущение не отражает действительного процесса, при котором ток наплавки переменный, а сложные тепловые процессы в зоне формирования соединения никак нельзя считать изотермическими.

Изобретение позволяет получить новый технический эффект, заключающийся в повышении точности определения температуры нагрева присадочного металла.

Этот технический эффект достигается тем, что для определения предела текучести деформируемого объема металла присадочной проволоки перед наплавкой замеряют длину присадочной проволоки, а после наплавки длину и ширину наплавленного валика, по которым определяют относительную осевую деформацию металла присадочной проволоки и толщину наплавленного валика, определяют значения осадок металла присадочной проволоки и длины дуг контактных площадок металла присадочной проволоки с образцом и наплавляющим роликом, по которым из условия равновесия сил, действующих на металл присадочной проволоки со стороны образца и со стороны наплавляющего ролика, определяют давление наплавляющего ролика на металл присадочной проволоки в конце ее осадки, равное указанному пределу текучести деформируемого объема металла присадочной проволоки.

На фиг.1 показана схема деформирования присадочной проволоки при электроконтактной наплавке; на фиг.2 - контактная площадка между образцом и присадочным металлом; на фиг.3 - развертка контактной площадки.

Цилиндрический образец 1 имеет радиус R₁. Наплавляющий ролик 2 имеет радиус R ₂ и прижимается с усилием F. Проволока 3 имеет диаметр d, ее полная осадка со стороны образца 1 имеет величину t ₁, а со стороны наплавляющего ролика 2 величину t ₂. Контактная площадка 4 со стороны образца 1 имеет длину контактной дуги L₁ и ширину 2b. Контактная площадка 5 со стороны наплавляющего ролика 2 имеет длину контактной дуги L₂ и ту же ширину 2b. Металлопокрытие 6 имеет толщину . Элемент 7 на контактной площадке 4 шириной dy, его положение определяется центральным углом , на него действует в радиальном направлении давление р, равное пределу текучести присадочного металла при конкретной температуре.

Сущность способа заключается в следующем. Замеряют длину L_ПР присадочной проволоки 3 и производят ее наплавку на цилиндрический образец 1 роликом 2 по винтовой линии, формируя сплошное металлопокрытие 6. При прохождении импульсов тока длительностью t_И присадочный металл осаживается, испытывая трехмерную пластическую деформацию. Длина L_B наплавленного валика металлопокрытия оказывается существенно (на 20...50% в зависимости от режимов наплавки) больше длины L_ПР проволоки 3, затраченной на формирование этого валика. Замеряют длину L _В и ширину 2b наплавленного валика. Определяют удлинение присадочной проволоки 3 L=L_B-L_ПР и ее относительную осевую деформацию _У= L/L_ПР.

При наплавке цилиндрического образца 1 по винтовой линии с шагом S среднюю толщину металлопокрытия 6 определяют без ее непосредственного измерения

Определяют значения осадок t ₁ и t₂ присадочной проволоки 3 соответственно со стороны образца 1 и ролика 2. Для этого составляют очевидные из фиг.1 геометрические соотношения:

Кроме того, рассматривают равновесие сил, действующих на разогретый до пластического состояния металл присадочной проволоки со стороны образца 1 и со стороны наплавляющего ролика 2. По форме развертки контактных площадок 4 и 5 ограничиваются полуэллипсами, полуосями которых являются половина ширины наплавленного валика b и длины контактных дуг L₁, и L ₂ соответственно с образцом 1 и роликом 2. Выделяют на контактной площадке 4 элемент 7, площадь которого равна

Перпендикулярно рассматриваемому элементу 7, т.е. в радиальном направлении, действует давление р со стороны образца на присадочный металл проволоки 3, равное одновременно условному пределу текучести _T присадочного материала при данной его температуре. Проектируют элементарную силу, действующую на выделенный элемент 7, на линию действия усилия F на ролике 2 и получают

Суммируют элементарные силы, действующие на присадочный металл проволоки 3 как со стороны образца 1, так и со стороны наплавляющего ролика 2, получают

Уравнение (7) является уравнением равновесия сил, действующих на металл присадочной проволоки 3 со стороны образца 1 и со стороны наплавляющего ролика 2. Из него получают соотношение (8)

Решают совместно уравнения (2-4) и (8) и определяют значения осадок t₁ и t₂ присадочной проволоки 3 и длины дуг контактных площадок 4 и 5.

Из (7) определяют давление р наплавляющего ролика 2 на присадочный металл проволоки 3 в конце ее осадки (одновременно предел текучести присадочного металла при определяемой температуре)

Найденный предел текучести зависит от температуры нагрева T и может быть оценен по зависимости [2]

где _TO - предел текучести металла проволоки 3 в холодном состоянии, T_ПЛ - температура плавления присадочного металла.

Из (10) определяют температуру присадочного металла в конце осадки присадочной проволоки 3

Пример. Наплавляли цилиндрический образец из стали 45 ГОСТ 1051-88 диаметром 2R₁=50 мм наплавляющим роликом диаметром 2R₂=300 мм с применением присадочной проволоки Нп-65Г ГОСТ 10543-75 диаметром d=1,8 мм на оптимальном технологическом режиме наплавки, обеспечивающем максимально возможную прочность сварного соединения металлопокрытия с основным металлом образца: действующее значение тока наплавки I=7,2 кА; окружная скорость вращения образца =0,0225 м/с; усилие на ролике F=1,3 кН; шаг наплавки S=3 мм/об; длительность импульсов тока t_И=0,04 с; длительность пауз между импульсами t_п =0,08 с.

Замерили исходную длину присадочной проволоки L_ПР=500 мм, ширину наплавленного валика 2b=3,5 мм, его длину L_B=729 мм. Определили удлинение присадочной проволоки при наплавке L=729-500=229 мм. Определили относительное удлинение присадочной проволоки _y=229/500=0,458. Определили (1) толщину металлопокрытия =0,582 мм. По соотношениям (2, 3, 4, 8) определили значения осадок присадочной проволоки и длины дуг контактных площадок: t₁=0,91 мм, t₂=0,154 мм, L₁=9,55 мм, L₂ =9,61 мм. По соотношению (9) определили предел текучести присадочного металла в конкретных условиях электроконтактной наплавки _T=46 МПа. При расчетах интегралы в уравнениях (8, 9) вычисляли численно в системе «MATHAD».

Приняли по справочной литературе [4]: _TO=800 МПа, T_ПЛ =1540°С. Подсчитали (11) Т=1170°С.

Параллельно произвели замеры температуры присадочного металла термопарами и получили Т=1200°С.

Источники информации

1. Нафиков М.З. Деформация присадочной проволоки при электроконтактной наплавке // Материалы XLIII научно-технической конференции Челябинского государственного агроинженерного университета. Ч.2. - Челябинск: ЧГАУ, 2004, с.103.

2. Кочергин К.А. Контактная сварка. - Л.: Машиностроение, 1987, с.93.

3. Дубровский В.А., Булычев В.В., Пономарев А.И. Предотвращение выплесков при электроконтактной наварке проволокой из стали 40Х13.// Сварочное производство, 2003, №6, с.12-15 (прототип).

4. Марочник сталей и сплавов./ В.Г.Сорокин, А.В.Волосникова, С.А.Вяткин и др. - М.: Машиностроение, 1989, 640 с.