Влияние газодинамических процессов на химический состав наплавленного слоя при восстановлении деталей изготовленных из стали 40Х

Влияние газодинамических процессов на химический состав наплавленного слоя при восстановлении деталей изготовленных

из стали 40Х

Д.А. Чинахов, к.т.н., доцент, С.А. Солодский, к.т.н., доцент, Е.Г. Гоигорьева, ассистент, Е.И. Майорова, ассистент, Н.Е. Кузнецов, студент гр. 10А52 Юргинский технологический институт Национального исследовательского Томского политехнического университета 652055, Россия, Кемеровская область, г. Юрга, ул. Ленинградская д.26

В статье рассмотрено влияние динамики активного защитного газа на процесс наплавки порошковой проволокой в условиях одноструйной и двухструйной газовой защиты. Приведены результаты экспериментальных исследований свойств наплавленного слоя порошковой проволокой на конструкционную сталь 40Х.

Ключевые слова: наплавка, защитный газ, наплавляемый слой, газодинамическое влияние, двухструйная газовая защита.

Influence of gas dynamic processes on chemical composition of hardfaced layer when restoring machine parts manufactured from

40Х steel

D.A. Chinakhov, PhD., Assic. Prof., S.A. Solodsky, PhD., Assic. Prof., E.G. Grigoryeva, assistant, E.I. Mayorova, assistant, N.E. Kuznetsov, student Yurga Institute of Technology National Research Tomsk Polytechnic University 652055, Russian Federation, Kemerovo Oblast, Yurga, ul. 26 The Leningradskaya

The authors study the influence of active shielding gas dynamics on the process of hardfacing with flux-cored wire by single-jet and two-jet gas shielding. Research results into the properties of a hardfaced layer on structural steel 40X obtained by flux-cored welding are presented.

Keywords: hardfacing, shielding gas, hardfaced layer, gas-dynamic effect, two-jet gas shielding.

В настоящее время остро стоит проблема повышения долговечности быстро изнашиваемых узлов машин. Восстановление изношенных деталей является важным резервом повышения экономической эффективности использования различных машин и механизмов [1]. Например, дорогостоящие ковши для современных экскаваторов, Hitachi, Komatsu, Volvo изготавливаются из стали 40Х или ее зарубежных аналогов. Сталь 40Х, высокопрочная конструкционная легированная, предназначена для изготовления широкого спектра изделий и конструкций, подверженных износу. Благодаря содержанию хрома, изделия из данной стали обладают повышенной твердостью, прочностью, жаропрочностью и устойчивостью к коррозии. Экстремальные условия работы ковша приводят к быстрому износу режущей части передних стенок и днища. Для снижения риска простоя техники требуется изучение и разработка своевременной и эффективной технологии ремонта изношенных деталей, которая позволит восстанавливать детали, с заданными характеристиками рабочего слоя, в максимально короткие сроки.

Наиболее распространенным способом восстановления изношенных деталей является наплавка. В промышленности применяют разнообразные способы: ручная дуговая наплавка, наплавка в защитных газах, наплавка под флюсом, вибродуговая и электроконтактная наплавка [2].

Для придания необходимых свойств наплавленному слою, наиболее эффективным способом восстановления изделий, является наплавка порошковой проволокой [3]. Порошковая проволока, по сравнению с проволоками сплошного сечения, считается высокопроизводительным электродным материалом, позволяющим решать широкий круг задач при повышении механических свойств наплавленного металла [4].

Наплавка лишнего металла нецелесообразна и ведет к дополнительным энергозатратам на обработку, а отклонение от требуемых свойств наплавленного валика неприемлемо, т.к. приводит к полному браку восстанавливаемого изделия. Поэтому для сокращения сроков и стоимости ремонта необходима точная методика расчета и прогнозирования геометрических параметров и свойств наплавленного валика.

Значительное количество работ [5-7] посвящено исследованию способов управления геометрией и свойствами наплавляемого слоя при восстановлении деталей порошковой проволокой. Разработано множество технологий и устройств, способствующих управлению формообразованием сварных швов: изменение режимов сварки, формирование механических импульсов и вибрации электрода, добавление различных химических элементов в состав проволоки, подогрев проволоки, введение в зону наплавки А1 и N пудры и т.д. Однако большинство способов управления этим процессом требуют дополнительных устройств и оборудования. Высокая стоимость порошковой проволоки требует ее оптимального использования.

Цель данной работы - определение влияния параметров и условий истечения защитного газа на процессы в зоне дугового разряда при наплавке валика порошковой проволокой.

Наплавка легированных сталей имеет ряд особенностей, так как при наплавке происходит интенсивное выгорание легирующих компонентов, что существенно ухудшает свойства наплавленного слоя. Для предотвращения выгорания легирующих элементов необходимо сократить время пребывания капли на торце электрода в перегретом состоянии [8]. Для этого широко используют разные импульсные технологии принудительного отрава капли от торца электрода [9]. Применение двухструйного сварочного сопла приводит к увеличению силы действия струи активного защитного газа на каплю электродного металла и поверхность сварочной ванны, способствует повышению стабильности и частоты переноса капель, что приводит к уменьшению перегрева капли и изделия в целом [10].

При упрочняющей или ремонтной наплавке одним из основных требований является минимизация доли основного металла в наплавленном слое с целью максимально сохранить свойства наплавленного материала порошковой проволоки.

Основным формирующим фактором при сварке и наплавке является мощность и давление дуги. Они в основном определяют глубину проплавления и объем сварочной ванны [11]. На геометрические размеры сварочной ванны в той или иной степени оказывают влияние многие технологические фактор, в т.ч. и скорость подачи защитного газа.

Для определения влияния газодинамики защитного газа на химический состав металла шва при сварке плавящимся электродом в СО2 был проведен эксперимент на реальном объекте исследования. Во время проведения эксперимента выполняли наплавку валика на пластину из стали 40Х толщиной 10 мм. Для исследования использовали рутиловую порошковую проволоку трубчатой конструкции ESAB ОК ТиЬ^иг 35 GM диаметром 1,6 мм, предназначенную для сварки и наплавки в С02. Проволока за счет содержания в ней композитных легирующих элементов позволяет получить наплавленный слой высокой прочности, позволяющий работать изделию в условиях интенсивного трения при высоких контактных и ударных нагрузках.

Поэтому важно подобрать способ и режим наплавки, позволяющий повысить эффективность перехода легирующих элементов из проволоки в наплавленный слой.

Наплавку валика выполняли сваркой плавящимся электродом с одноструйным (коническим) и с двухструйным газовым соплом. Режим наплавки: I = 200 А, напряжение дуги U = 26 В, скорость сварки V = 3 мм/с, скорость подачи сварочной проволоки Vпр = 72,7 мм/с. Расход защитного газа Q изменяли от 10 до 30 л/мин с шагом 10 л/мин. Вылет электродной проволоки оставался постоянным L = 12 мм. Используемое оборудование: автоматическая сварочная установка МЕСОМЕ WP1500, источник питания ВС-300Б и подающий механизм ПДГО-528М.

Содержание легирующих элементов в порошковой проволоке и в наплавленном металле приведено в таблице 1.

Таблица 1

Химический состав порошковой проволоки OK ^Ь^^ 35 GM и наплавленного

металла

Порошков« проволок. oк ^Ь^ 35 GM ая С Mn Si №

а 0,20 1,40 1,00 1,50 - -

С )дноструйная газовая защита

Q, л/мин 10 0,24 1,19 0,60 1,12 0,12 0,11

20 0,24 1,13 0,58 1,10 0,11 0,09

30 0,24 1,10 0,57 1,00 0,12 0,16

Двухструйная газовая защита

Q, л/мин 10 0,25 1,20 0,64 1,15 0,11 0,10

20 0,24 1,21 0,67 1,13 0,11 0,09

30 0,25 1,15 0,67 1,18 0,13 0,11

Анализ результатов экспериментальных исследований показал повышение эффективности перехода легирующих элементов из порошковой проволоки в металл сварного шова при наплавке с двухструйной газовой защитой. Увеличение концентрации марганца в металле шва повышает прочность, ударную вязкость, стойкость против хрупкого разрушения, практически не снижая пластичность. Кремний так же увеличивает прочность наплавленного слоя, а в комбинации с марганцем обеспечивает более высокую закаливаемость стали. Сохранение хрома в наплавляемом слое является важнейшей задачей. Хром, имея высокую склонность к выгоранию, существенно влияет на износостойкость изделия. Чем выше его содержание в наплавленном слое, тем долговечнее будет работать восстановленная деталь.

Все эти свойства легирующих элементов, чрезвычайно важны для восстановления ковшей экскаваторов, работающих в экстремальных условиях. При увеличение содержания легирующих элементов (рис. 1) в наплавленном металле повышается износостойкость, технологическая прочность, уменьшается вероятность образования горячих трещин [11].

Рис.1. График изменения содержания легирующих элементов в наплавленном слое,

в зависимости от расхода защитного газа: 1 - одноструйная газовая защита 2 - двухструйная газовая защита

Увеличивая расход газа, соответственно повышаем и давление струи газа на расплавленный металл сварочной ванны [12], что вызывает увеличение ее ширины и уменьшение глубины проплавления (рис. 2), а значит перемешивание с основным металлом минимально, что положительно влияет на свойства наплавленного металла.

Измерение скоростей истечения газа на выходе из одноструйного (конического) и двухструйного сварочного сопла производили при помощи анемометра (табл. 2).

Таблица 2

Скорость истечения газа на срезе сопла, м/с_

Расход газа Q, л/мин Способ газовой защиты

Одноструйный Двухструйный

10 0,94 1,96

20 1,83 3,95

30 2,7 5,82

Анализ изменений глубины проплавления показал, что управляемый параметр скорость истечения защитного газа, особенно при сварке с двухструйной газовой защитой, оказывает значимое влияние на формообразование наплавленного валика (рисунок 2).

а) б)

Рис. 2. Экспериментальные образцы наплавленного слоя при расходе газа Q = 20 л/мин: а) с одноструйной газовой защитой б) с двухструйной газовой защитой

Влияние газодинамики на характер плавления и перенос электродного металла при сварке плавящимся электродом в атмосфере защитных газов оценивали с помощью кадров скоростной видеокамеры «ВидеоСпринт» (рис. 3).

а) б)

Рис. 3. Кадры скоростной видеосъемки: а) одноструйная газовая защита; б) двухструйная газовая защита

Анализ кадров высокоскоростной киносъемки показал, что наблюдается увеличение газодинамического воздействия на каплю электрода с двухструйной газовой защитой. Применение двухструйного сопла, по сравнению с одноструйным, позволяет получить более стабильный процесс наплавки, практически без коротких замыканий, значительно уменьшить размер капель электродного металла (в условиях данного опыта в среднем в 1,5 раза) и снизить разбрызгивание.

При наплавке порошковой проволокой очень важно достичь одновременного плавления металлической оболочки и порошкового сердечника [13, 14]. Анализ кадров киносъёмки показал, что при двухструйной газовой защите выравнивается скорость плавления сердечника и оболочки порошковой проволоки, возрастает частота и стабильность перехода капель в сварочную ванну (в условиях данного опыта в среднем 1,3 раза). Это создает хорошие условия для ограничения времени пребывания легирующих элементов материала проволоки под действием высокой температуры. Тем самым, улучшает технологические свойства наплавленного слоя за счет сокращения выгорания легирующих элементов.

Выводы

Применение двухструйной газовой защиты позволяет:

- повысить эффективность перехода легирующих элементов из порошковой проволоки в металл шва, тем самым повышая качество наплавляемого слоя без дополнительных затрат;

- минимизировать долю основного металла в наплавленном металле;

- сформировать наплавленному валику более плоскую форму с минимальным проплавлением основного металла.

Исследование выполнено при финансовой поддержке рффи в рамках научного проекта № 16-38-00194 мол_а.

Список литературы

1. Абакумов Ю.Ф., Козлов А.В., Зуйков С.С., Юсипов Р.Ф. Ресурсосбережение в машиностроении // Сельскохозяйственная техника: обслуживание и ремонт. -2014. - № 3. - С. 32-41.

2. Григорьева Е.Г., Чинахов Д.А. О Возможности использования разработанного способа сварки с двухструйной газовой защитой для восстановления изношенных поверхностей деталей // Металлургия: технологии, управление, инновации, качество сборник трудов Всероссийской научно-практической конференции. под ред. Е.В. Протопопова; Сибирский государственный индустриальный университет; ЗАО «Кузбасская ярмарка». Новокузнецк, 2012. - С. 102-104.

3. Ерофеев В.А., Захаров С.К., Кузнецов О.В. Особенности технологии дуговой наплавки упрочняющих слоев на стальную подложку // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. - 2014. - №. 11-1. - С. 132-137.

4. Исследование и разработки ИЭС им. Е.О. Патона в области электродуговой сварки и наплавки порошковой проволокой / И.К. Походня, В.Н. Шлепаков, С.Ю. Максимов, И.А. Рябцев // Автоматическая сварка. - 2010. - №12. - С. 34-42.

5. Gusev A.I. et al. A study on the properties of the deposited metal by flux cored wires 40GMFR and 40H3G2MF // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. IOP Publishing, 2016. 150. 012033.

6. Giri V.S. et al. Studies on production and characterization of nano-Al 2 O 3 powder using wire explosion technique // Materials Letters. - 2004. - Т. 58. - №. 6. - С. 1047-1050.

7. Чинахов Д.А., Григорьева Е.Г. Особенности использования порошковой проволоки для наплавки в СО2 изношенной поверхности деталей // Актуальные проблемы в машиностроении. - 2015. - №. 2. - С. 143-147.

8. Liao M.T., Chen W. J. A comparison of gas metal arc welding with flux-cored wires and solid wires using shielding gas // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. - 1999. - Т. 15. - №. 1. - С. 49-53.

9. Сараев Ю.Н., Лебедев В.А., Солодский С.А. Разработка и практическое применение адаптивных импульсно-дуговых методов сварки при производстве и ремонте металлоконструкций ответственного назначения // Инновационные технологии и экономика в машиностроении: сборник трудов V Международной научно-практической конференции, г. Юрга, 22-23 мая 2014 г. Т.1. - Томск, 2014. -Изд-во ТПУ, 2014. - Т. 1. - С. 94-100.

10. Chinakhov D.A. et al. The Influence of Shielding Gas Flow Rate on the Transfer Frequency of Electrode Metals Drops // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. - IOP Publishing, 2016. 142. 012005.

11. Бабинец А.А. и др. Исследование термической стойкости наплавленного металла, предназначенного для восстановления прокатных валков // Автоматическая сварка. - 2014. -№ 5. - С. 17-21.

12. Чинахов Д.А., Григорьева Е.Г., Майорова Е.И. Влияние расхода защитного газа на форму наплавляемого валика при восстановлении изношенных деталей //Актуальные проблемы в машиностроении. - 2016. - C. 37-41.

13. Yi J. et al. Investigations of Microstructure and Phase Composition of Different Self-shield Flux-cored Wire Slag System //Materials Science Forum. 2016. 850. P. 748754

14. Boiko I.A., Grin' A.G. Effect of the surface condition of fluxed-cored wires on the stability of the arc process //Welding International. 2015. 29 (7). P. 543-547.