Устройство для обработки расплава сварочной ванны ультразвуковыми колебаниями

Полезная модель относится к области наплавки (сварки), конкретно к устройствам для внешнего воздействия ультразвуковыми колебаниями на металлический расплав сварочной ванны в процессе восстановления изношенных или упрочнения новых поверхностей деталей и оборудования способом электродуговой наплавки.
Известна конструкция устройства для передачи ультразвуковых колебаний жидкому металлу сварочной ванны при электродуговой сварке под флюсом, состоящего из сердечника магнитострикционного преобразователя с обмоткой, ультразвукового преобразователя и проволоки, соединенной посредством скользящего контакта с преобразователем и передающей ультразвуковые колебания расплаву ванны. Электронейтральную проволоку погружают в ванну расплавленного металла и непрерывно подают в нее по мере расплавления. Воспринимая ультразвуковые колебания в результате скользящего контакта с последним звеном ультразвукового преобразователя, проволока передает их в сварочную ванну (авт. св. СССР №128957, МПК B23K9/022, B06B3/04, 1960 г.).
К недостаткам данной конструкции можно отнести использование магнитострикционного ультразвукового преобразователя для возбуждения ультразвуковых колебаний в присадочной проволоке. Магнитострикционные преобразователи имеют пониженный коэффициент полезного действия, сложны и дороги в производстве. Также при их эксплуатации используется принудительное жидкостное охлаждение, при этом возникают кавитационные эффекты, разрушающие электроизоляцию обмотки и приводящие к выходу преобразователя из строя. Кроме этого устройство не обеспечивает стабильность акустического контакта проволоки и преобразователя, что снижает качество передачи ультразвуковых колебаний в сварочную ванну.
Известна конструкция устройства для электродуговой наплавки с воздействием ультразвуковых колебаний, включающего волновод с винтовым каналом, через который в расплав сварочной ванны подается волноводная (присадочная) порошковая проволока, (авт. св. СССР №1016912, МПК В23К9/04, 1986 г.). Винтовой канал выполнен внутри волновода магнитострикционного преобразователя, возбуждающего ультразвуковые колебания. За счет акустического контакта проволоки с волноводом в винтовом канале в ней возбуждаются ультразвуковые колебания. Проволока после выхода из волновода попадает в расплавленный металл сварочной ванны за столбом дуги, существующей под слоем флюса, и передает ему ультразвуковые колебания.
Недостатками данной конструкции помимо применения магнитострикционного ультразвукового преобразователя является невозможность обеспечить равномерную подачу волноводной проволоки через винтовой канал, поскольку из-за повышенного трения проволоки о поверхность канала возможно проскальзывание подающих роликов механизма подачи волноводной проволоки, при этом возможно изменение режима ультразвуковой обработки расплава сварочной ванны и снижение интенсивности вводимых в расплав ультразвуковых колебаний.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является устройство для ультразвуковой вибрационной бесфлюсовой сварки-пайки (пайка плавлением), содержащее источник сварочного тепла (лазер или электрическая дуга), ультразвуковой преобразователь, ультразвуковой рупор (концентратор), соединенный посредством скользящего подковообразного контакта с волноводной присадочной проволокой при помощи пружины предварительно натяжения, поджатой прижимным болтом, и систему подачи присадочной проволоки (патент CN 104668690, МПК В23К1/06, В23К3/00, 2015).
Конструкция устройства имеет ряд недостатков. Отсутствие электрической изоляции делает невозможным применение данной конструкции при использовании электродугового сварочного источника тепла, т.к. возможно повреждение его электрических компонентов высоковольтным разрядом с обкладок пьезокерамических элементов. Поджатие волноводной проволоки к ультразвуковому концентратору осуществляется через скользящий контакт посредством болта, при этом в процессе сварки возможно снижение амплитуды колебаний за счет соприкосновения присадочной проволоки со стенками подающего сопла, а также самопроизвольное ослабление поджатия под действием высокочастотных вибраций, что снизит интенсивность вводимых в расплавленный металл ультразвуковых колебаний. Ввод ультразвуковых колебаний в сварочную ванну осуществляется перед сварочным источником тепла, что снижает эффективность воздействия на кристаллизующийся металл в «хвостовой» части ванны с целью повышения его свойств (прочности, износостойкости и т.д.).
Задача, на решение которой направлено техническое решение, – разработка конструкции устройства для обработки расплава сварочной ванны ультразвуковыми колебаниями, обеспечивающего уменьшение средней величины зерна, устранение столбчатой структуры и образование равноосного зерна, а также изменение морфологии, размера и характера распределения фаз в наплавленном металле.
Техническим результатом является повышение механических и эксплуатационных свойств наплавленного металла (пластичности, прочности, износостойкости и т.д.).
Технический результат достигается при использовании устройства для обработки расплава сварочной ванны ультразвуковыми колебаниями, состоящего из источника сварочного тепла в виде сварочной головки с электродной проволокой, механизма подачи присадочной проволоки и ультразвукового пьезоэлектрического преобразователя с узлом передачи ультразвуковых колебаний, содержащего прижимной элемент, обеспечивающий скользящий контакт присадочной проволоки с узлом передачи ультразвуковых колебаний, при этом механизм подачи присадочной проволоки и ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь установлены за сварочной головкой относительно направления наплавки, прижимной элемент в узле передачи ультразвуковых колебаний выполнен в виде шарика, а на воздействующей на присадочную проволоку поверхности узла передачи ультразвуковых колебаний выполнен U-образный выступ.
Сущность технического решения заключается в возбуждении изгибных колебаний присадочной проволоки (сплошного сечения или порошковой) продольными колебаниями пьезокерамического ультразвукового преобразователя через скользящий контакт, образованный подпружиненным шариком, обеспечивающим равномерное статическое усилие прижатия присадочной проволоки к выступу, образующему U-образную контактную поверхность на воздействующей на присадочную проволоку тыльной поверхности узла передачи ультразвуковых колебаний. Тем самым обеспечивается стабильный акустический контакт присадочной поволоки с ультразвуковым преобразователем в процессе ее движения и, как следствие, сводится к минимуму возможность возникновения колебаний паразитных форм, снижающих интенсивность вводимых в сварочную ванну ультразвуковых колебаний. Также отсутствие дополнительного мундштука позволяет исключить затухание изгибных колебаний за счет возможных касаний проволокой его стенок. Все перечисленные признаки позволяют снизить потери ультразвуковой энергии в месте крепления присадочной проволоки к ультразвуковому преобразователю и сохранить интенсивность колебаний, что позволяет достичь более равномерного распределения упрочняющих фаз в наплавленном металле и обеспечивает повышение его механических и эксплуатационных свойств (пластичности, прочности, износостойкости и т.д.).
Установка механизма подачи присадочной проволоки и ультразвукового пьезоэлектрического преобразователя за сварочной головкой относительно направления наплавки (сварки) позволяет осуществлять подачу присадочной проволоки в «хвостовую» часть сварочной ванны, в результате чего ее плавление происходит под воздействием тепла металлического расплава ванны. В этом случае происходит наиболее эффективное воздействие на металл ультразвуковых колебаний, разрушающее растущие на фронте кристаллизации кристаллиты, способствующее возникновению кавитации, акустических потоков, что позволяет расширить технологические возможности применяемого устройства, повысить интенсивность обработки кристаллизующегося металла, измельчить его микроструктуру и достичь более равномерного распределения упрочняющих фаз. Это также обеспечивает повышение механических и эксплуатационных свойств наплавленного металла (пластичности, прочности, износостойкости и т.д.).
Предлагаемая полезная модель поясняется чертежами, где на фиг. 1 показан общий вид устройства для обработки расплава сварочной ванны ультразвуковыми колебаниями; на фиг. 2 – устройство для обработки расплава сварочной ванны ультразвуковыми колебаниями (вид сбоку относительно фиг. 1, подающие ролики условно не показаны); на фиг. 3 – общий вид узла передачи ультразвуковых колебаний присадочной проволоке; на фиг. 4 – схема закрепления диэлектрических прокладок между элементами ультразвукового преобразователя; на фиг. 5 – изображение устройства для обработки расплава сварочной ванны ультразвуковыми колебаниями.
Устройство для обработки расплава сварочной ванны ультразвуковыми колебаниями в процессе электродуговой наплавки (сварки) состоит из рамы 1 (фиг. 1), на которой размещается посредством болтового соединения 2 механизм подачи присадочной проволоки 3, способный перемещаться при настройке устройства перед наплавкой в продольном направлении. Между подающих роликов 4 механизма подачи присадочной проволоки 3 закреплена присадочная проволока 5. За счет вращения подающих роликов 4 присадочная проволока 5 подается в узел передачи ультразвуковых колебаний 6 (фиг. 2). В узле передачи ультразвуковых колебаний 6 (фиг. 3) присадочная проволока 5 посредством прижимного шарика 7 плотно прижимается к U-образному скользящему контакту 8, выполненному на тыльной поверхности узла передачи ультразвуковых колебаний 6. Постоянство усилия прижатия присадочной проволоки 5 прижимным шариком 7 осуществляется путем поджатия его пружиной предварительного натяжения 9, способной свободно перемещаться внутри трубчатой полости узла передачи ультразвуковых колебаний 6. Изменение усилия поджатия прижимного шарика 7 осуществляется нагружением пружины предварительного натяжения 9 винтом регулировки степени прижатия присадочной проволоки 10 вворачиваемого в резьбовое отверстие, выполненное в трубчатой полости узла передачи ультразвуковых колебаний. Винт регулировки предварительного натяжения 10 снабжен контргайкой 11. Узел передачи ультразвуковых колебаний 6 вкручен посредством резьбового соединения в торец ультразвукового преобразователя 12. Электроды 13 пьезоэлементов 14 (фиг. 4) изолируются диэлектрическими шайбами 15 от частей ультразвукового преобразователя 12. Ультразвуковой преобразователь 12 (фиг. 2) закреплен на раме 1 посредством кронштейна 16, способного перемещаться при настройке устройства перед наплавкой в продольном и вертикальном направлении. Рама 1 посредством опорной пластины 17 через диэлектрический изолятор 18 (фиг. 2) посредством болтового соединения крепится к сварочной головке 19 (фиг. 1), посредством которой осуществляется подача электродной проволоки 20. Механизм подачи присадочной проволоки 3 и ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь 12 установлены за сварочной головкой 19 относительно направления наплавки (сварки).
Предложенное устройство для обработки расплава сварочной ванны ультразвуковыми колебаниями работает следующим образом. К поверхности наплавляемого изделия подводится присадочная проволока 5, располагающаяся позади электродной проволоки 20 относительно направления наплавки (сварки). Подающие ролики 4 механизма подачи присадочной проволоки 3 и узел передачи ультразвуковых колебаний 6 совместно с ультразвуковым преобразователем 12 позиционируют относительно электродной проволоки 20 так, чтобы расстояние от узла передачи ультразвуковых колебаний 6 до конца присадочной проволоки 5 было кратно половине длины изгибных волн, а подающие ролики 4 находились в узле колебаний (точка, в которой амплитуда колебаний равняется нулю, а ее положение определяется частотой ультразвуковых колебаний). Перемещение механизма подачи присадочной проволоки 3 и узла передачи ультразвуковых колебаний 6 осуществляется по направляющим, выполненным в виде продольных пазов в раме, а фиксация выполняется при помощи болтового соединения. Для осуществления процесса электродуговой наплавки (сварки) с помощью источника тока на электродной проволоке 20 возбуждается электрическая дуга. После выхода процесса наплавки (сварки) на установившийся режим и стабилизации размеров сварочной ванны включается ультразвуковой генератор, подающий напряжение высокой частоты на пьезокерамические элементы 14, вызывая механические колебания, которые передаются посредством узла передачи ультразвуковых колебаний 6 присадочной проволоке 5, вызывая в ней изгибные колебания. Включается электродвигатель механизма подачи присадочной проволоки 3, которая начинает подаваться в «хвостовую» часть сварочной ванны, где постепенно расплавляется под действием тепла металлического расплава. При этом под воздействием ультразвуковых колебаний в расплаве наблюдается диспергирование кристаллитов, увеличивается скорость роста центров кристаллизации, улучшаются условия дегазации расплава сварочной ванны, происходит равномерное распределение компонентов присадочной порошковой проволоки по объему наплавленного металла, что обеспечивает повышение механических и эксплуатационных свойств наплавленного металла (пластичности, прочности, износостойкости и т.д.).
Таким образом, устройство для обработки расплава сварочной ванны ультразвуковыми колебаниями, состоящее из источника сварочного тепла в виде сварочной головки с электродной проволокой, механизма подачи присадочной проволоки и ультразвукового пьезоэлектрического преобразователя с узлом передачи ультразвуковых колебаний, содержащим прижимной элемент, выполненный в виде шарика, обеспечивающего скользящий контакт присадочной проволоки по U-образному выступу на тыльной поверхности узла передачи ультразвуковых колебаний, в котором механизм подачи присадочной проволоки и ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь установлены за сварочной головкой относительно направления наплавки (сварки), обеспечивает повышение механических и эксплуатационных свойств наплавленного металла (пластичности, прочности, износостойкости и т.д.).