Способ наплавки изделий плавящимся электродом с подачей присадочной проволоки в сварочную ванну
METHOD FOR SURFACING ITEMS USING FLAMMABLE ELECTRODE WITH FEEDING WELDING WIRE INTO WELDING BATH

Изобретение относится к сварке и наплавке и может быть применено для изготовления и восстановления деталей и инструмента, работающих в условиях абразивного и других видов изнашивания, путем формирования на их рабочих поверхностях слоев износостойких сплавов, модифицированных ультрадисперсными частицами тугоплавких химических соединений.
Известен способ электродуговой наплавки под слоем флюса бронзы с дополнительной подачей ленты. (Наплавка бронзы с дополнительной подачей ленты / Б.В. Филимонов, В.В. Степанов, Б.В. Степанов // Сварочное производство. - 1976. - №1. - С. 19-21.) Присадочная стальная лента, подаваемая в зону горения дуги, находится в контакте с наплавляемой поверхностью и располагается между дугой и изделием. Расплавляясь, электродная проволока и лента образуют валик наплавленного металла. Данный способ наплавки позволяет повысить производительность процесса наплавки и уменьшить степень проплавления основного металла. Однако в случае применения порошковой ленты с модификатором ее подача прямо в зону действия дуги приводит к расплавлению тугоплавких частиц, что не позволяет достичь упрочнения наплавленного металла.
Известен способ наплавки (патент РФ №2143962, МПК В23K 9/04, опубл. 10.01.2000 г.) в среде защитных газов плавящимся электродом с введением дополнительной присадочной проволоки, нагретой проходящим через нее током, в кристаллизующуюся часть сварочной ванны. Способ позволяет формировать аустенитный подслой между основным и наплавленным металлом и двухфазную структуру в центре сварного шва, что предотвращает появление горячих трещин и позволяет отказаться от предварительного подогрева изделий.
Данный способ предусматривает подогрев присадочной проволоки, что увеличивает сложность конструкции подающего механизма и энергетические затраты на проведение процесса, а также обусловливает необходимость дополнительной газовой защиты нагретой проволоки. В случае использования порошковой проволоки с наполнителем из ультрадисперсных тугоплавких частиц ее предварительный подогрев, а также подача параллельно электроду и электрической дуге могут привести к перегреву проволоки и плавлению вне сварочной ванны. Это обусловливает капельный массоперенос, повышенную степень диссоциации тугоплавких частиц и низкую эффективность упрочнения наплавленного металла.
Наиболее близким к заявляемому решению является способ восстановления наплавкой поверхностей деталей (патент РФ №2403138, МПК В23Р 6/04, опубл. 10.11.2010, бюл. №31). Способ включает наплавку плавящимся электродом на поверхность восстанавливаемой детали с образованием наплавочной ванны и подачу в нее под острым углом к направлению подачи плавящегося электрода одной или нескольких присадочных проволок сплошного сечения из легированной стали или цветных металлов и сплавов. Причем присадочную проволоку изолируют от тока и подают в ванну на расстоянии от электрода, обеспечивающем сохранение в наплавленном металле легирующих элементов, содержащихся в проволоке. Способ позволяет получать наплавленный металл, различный по химическому составу, а также по физико-механическим и трибологическим свойствам.
Недостатками прототипа является то, что в случае введения в сварочную ванну нескольких (до четырех) порошковых проволок, содержащих модификатор, это приводит к переохлаждению ванны, неполному расплавлению в ней оболочек проволок и неоднородному распределению модификатора по объему наплавленного металла, что снижает его механические и эксплуатационные свойства. Также использование нескольких проволок значительно усложняет конструкцию системы их подачи. Подача проволок под малыми углами к направлению подачи плавящегося электрода не обеспечивает стабильного плавления в ванне их оболочек при повышенных скоростях подачи. При этом возможно приваривание проволок ко дну ванны и возникновение в наплавленном металле структурно-механической неоднородности, что не позволяет обеспечить его высокие эксплуатационные свойства. Введение в ванну присадочной проволоки, содержащей ультрадисперсный порошок тугоплавкого химического соединения (ТХС), на малых расстояниях от плавящегося электрода, выбранных из рекомендуемого диапазона (0,7-2,5)D, где D - диаметр электрода, приводит к интенсивной диссоциации тугоплавких частиц, что снижает свойства наплавленного металла.
Технический результат заключается в повышении механических и эксплуатационных свойств наплавленного металла за счет измельчения его структуры и формирования в ней упрочняющих твердых фаз, кристаллизующихся на недиссоциировавших в процессе наплавки частицах ТХС, введенных в низкотемпературную область сварочной ванны в составе присадочной порошковой проволоки и однородно распределенных по объему металла.
Технический результат достигается тем, что в способе наплавки изделий плавящимся электродом с подачей присадочной проволоки в сварочную ванну, включающем перемещение электрода относительно поверхности изделия с образованием сварочной ванны, подачу в сварочную ванну изолированной от тока присадочной проволоки, расположенной под острым углом к направлению подачи плавящегося электрода на расстоянии от него, в качестве присадочной проволоки используют порошковую проволоку, содержащую низкоуглеродистую стальную оболочку и наполнитель, представляющий собой модификатор в виде ультрадисперсного порошка тугоплавкого химического соединения, выбранного из группы, включающей карбид, нитрид, оксид, карбонитрид и оксикарбонитрид металла, при этом присадочную проволоку подают в сварочную ванну под углом 55…65° со скоростью, обеспечивающей содержание в наплавленном металле модификатора в количестве 0,2…0,6 масс. %, а расстояние В от плавящегося электрода выбирают равным
пл
где k=0,25…0,15 - эмпирический коэффициент, зависящий от содержания в наплавленном металле модификатора; I - сила сварочного тока, A; U - напряжение на дуге, В; T - температура плавления наплавляемого металла, °С; λ - коэффициент теплопроводности наплавляемого металла, Вт/м⋅°С; η - эффективный КПД процесса нагрева изделия дугой. При этом наплавку осуществляют в среде защитных газов, а также под флюсом.
Введение в сварочную ванну в процессе наплавки модификатора в виде порошка ТХС в составе присадочной порошковой проволоки способствует измельчению структуры наплавленного металла и увеличивает количество упрочняющей фазы, что повышает его механические и эксплуатационные свойства, в частности твердость и износостойкость.
Присадочную проволоку необходимо вводить в сварочную ванну на расстоянии В от электрода, вычисленном по формуле (1), учитывающей энергетические параметры режима наплавки (сварочный ток, напряжение на дуге, эффективный КПД процесса) и теплофизические свойства наплавляемого металла (температуру плавления, коэффициент теплопроводности), которые определяют форму и геометрические размеры сварочной ванны. Коэффициент k определен экспериментально на основании анализа тепловых полей на поверхности сварочной ванны, исследования структуры наплавленного Металла, а также изучения распределения твердости по его сечению. Коэффициент k зависит от скорости подачи в сварочную ванну присадочной проволоки, определяющей массовую долю модификатора в наплавленном металле, причем его величина обратно пропорциональна содержанию модификатора.
k
Присадочную проволоку подают в сварочную ванну со скоростью, обеспечивающей содержание в наплавленном металле порошка ТХС в количестве 0,2…0,6 масс. %, что соответствует диапазону значений  = 0,25…0,15. При содержании в наплавленном металле частиц ТХС меньше 0,2 масс. % они не оказывают существенного влияния на его структуру и эксплуатационные свойства. При содержании частиц ТХС более 0,6 масс. % увеличивается стоимость наплавленного металла, при этом его эксплуатационные свойства повышаются не так значительно.
k
k
k
Допустимые пределы (±0,03) варьирования величиной  определены экспериментально на основе выявления в сварочной ванне области с оптимальными тепловыми и гидродинамическими условиями, обеспечивающими сохранение ультрадисперсных частиц ТХС от диссоциации и их равномерное распределение в объеме наплавленного металла. При уменьшении коэффициента  на величину более 0,03 скорость плавления оболочки присадочной проволоки под воздействием плазмы дуги будет превышать скорость ее подачи. Это обусловливает оплавление проволоки над сварочной ванной и перегрев образующихся на ее торце капель, что приводит к диссоциации значительной части частиц ТХС. При увеличении  на величину более 0,03 скорость плавления оболочки проволоки в низкотемпературной области сварочной ванны будет недостаточной, что приведет к привариванию проволоки ко дну ванны, вызывая нарушение процесса наплавки.
Угол подачи в сварочную ванну присадочной проволоки должен находиться в диапазоне 55…65° относительно направления подачи плавящегося электрода. Такая величина угла позволяет уменьшить перегрев присадочной проволоки от тепла сварочной дуги и увеличить время ее движения в расплаве сварочной ванны, что обеспечивает полное расплавление в ванне стальной оболочки проволоки в широком диапазоне скоростей подачи и равномерное распределение частиц ТХС по объему наплавленного металла.
Подача проволоки под углом менее 55° приводит к уменьшению времени ее движения в сварочной ванне до момента касания ее донной части. Это снижает допустимую скорость подачи проволоки в ванну, может приводить к неравномерному распределению в ней частиц ТХС, а также привариванию проволоки и нарушению процесса наплавки. Подача проволоки под углом более 65° может приводить к касанию проволокой поверхности валика наплавленного металла, а также затрудняет контроль величины расстояния между присадочной и электродной проволоками.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг. 1 изображена схема процесса дуговой наплавки плавящимся электродом с подачей присадочной проволоки в сварочную ванну.
На фиг. 2 показана микроструктура металла 320Х12М2НТР, полученного наплавкой с использованием присадочной проволоки, содержащей модификатор в виде порошка нитрида титана TiN.
н
Способ осуществляется следующим образом. К поверхности наплавляемого изделия 1 подводятся плавящийся электрод 2, подаваемый через токоподводящий мундштук 3, и присадочная проволока 4, которую располагают после электрода на расстоянии  и под углом α=55-65° к нему. Присадочную проволоку 4 электрически изолируют от электрода 2 и элементов конструкции, находящихся под его потенциалом, для исключения возникновения дугового разряда между изделием 1 и присадочной проволокой либо шунтирования через нее электрического тока в процессе наплавки. В случае наплавки в среде защитного газа его подают через сопло 5, при наплавке под слоем флюса его насыпают на изделие 1. Между изделием 1 и электродом 2 подают напряжение, включают подачу электродной проволоки и ее перемещение относительно изделия по направлению V, при этом между электродом и изделием зажигается электрическая дуга 6, а на поверхности изделия формируется сварочная ванна 7. Металлический расплав ванны 7 под воздействием дуги 6 оттесняется в сторону, противоположную направлению наплавки, где охлаждается и кристаллизуется в виде валика наплавленного металла 8.
k
После выхода процесса наплавки на установившийся режим и стабилизации размеров сварочной ванны 7 включают подачу присадочной проволоки 4 со скоростью, обеспечивающей содержание в наплавленном металле порошка ТХС в количестве 0,2…0,6 масс. %, причем меньшее содержание модификатора соответствует большему значению коэффициента  в формуле 1, выбираемому из диапазона 0,25…0,15, и наоборот. При соблюдении данных рекомендаций полное расплавление оболочки присадочной проволоки 4 происходит под действием тепла сварочной ванны. При этом частицы ТХС из наполнителя проволоки под воздействием гидродинамических потоков в ванне, направленных к ее низкотемпературной «хвостовой» части, равномерно распределяется в объеме расплава вблизи фронта кристаллизации 9 металла. Здесь они, подвергаясь незначительному растворению в металлическом расплаве, становятся центрами кристаллизации, на которых формируются упрочняющие металл фазы, что обусловливает измельчение его структуры и повышение механических и эксплуатационных свойств.
Пример.
B
k
Выполняли дуговую наплавку в среде аргона на пластины из стали 20 толщиной 8 мм с использованием электродной порошковой проволоки диаметром 3 мм, обеспечивающей получение наплавленного металла типа 320X12М2НТР. Параметры режима наплавки следующие: сварочный ток 290-310 А, напряжение на дуге 26-27 В, скорость наплавки 26 м/ч, расход аргона 18-20 л/мин. Присадочную порошковую проволоку диаметром 1,8 мм с наполнителем в виде ультрадисперсного порошка нитрида титана TiN подавали в сварочную ванну под углом 60° к плавящемуся электроду со скоростью 12,6 м/ч, выбранной исходя из задачи получения в наплавленном металле содержания частиц TiN в количестве 0,4 масс. %. Рассчитанное расстояние между плавящимся электродом и присадочной проволокой составляло =13 мм, при этом коэффициент  принимали равным 0,2, эффективный КПД процесса нагрева изделия дугой в среде аргона - 0,75, температуру плавления наплавленного металла - 1300°С, коэффициент его теплопроводности - 23 Вт/м⋅град.
1-x
Визуальные наблюдения за процессом наплавки подтвердили стабильное расплавление оболочки присадочной проволоки в сварочной ванне, капли над сварочной ванной не образовывались, приваривание проволоки ко дну ванны не происходило. В результате получали качественно сформированный валик наплавленного металла высотой 4 мм. Анализ микроструктуры наплавленного металла, а также распределения твердости по сечению валика показали высокую структурно-механическую однородность металла, модифицированного частицами TiN. Установлено, что частицы TiN глобулярной формы из состава присадочной проволоки становятся центрами кристаллизации в расплаве, на поверхности которых формируются карбиды (Ti, Mo)C (фиг. 2), обладающие высокой твердостью и термостабильностью. Формирование новых упрочняющих фаз наряду со значительным измельчением эвтектической структуры модифицированного наплавленного металла по сравнению с немодифицированным обусловливает повышение его твердости и стойкости к абразивному изнашиванию при температуре 500°С.
Сравнительные данные предлагаемого способа наплавки в сравнении с прототипом приведены в таблице, из которой следует, что заявляемый способ наплавки характеризуется стабильным и качественным процессом плавления в сварочной ванне оболочки присадочной проволоки, сохранением от диссоциации и однородным распределением в наплавленном металле частиц ТХС, что подтверждается высокими значениями его твердости, лежащими в узком диапазоне. Это обеспечивает повышенные эксплуатационные свойства, в частности износостойкость, наплавленного металла.
Примечание: при определении относительной износостойкости в качестве эталона применяли металл типа 320X12М2НТР, наплавленный без использования присадочной проволоки с модификатором.
Использование предлагаемого способа наплавки дает в сравнении с известными способами следующий технический результат: повышение механических и эксплуатационных свойств наплавленного металла за счет минимальной диссоциации и равномерного распределения в прилегающем к фронту кристаллизации объеме сварочной ванны частиц ТХС, служащих центрами кристаллизации в расплаве и способствующих измельчению структуры наплавленного металла, а также формированию в нем упрочняющих твердых фаз.