автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.06, диссертация на тему:Разработка технологии широкослойной наплавки бронзы на сталь открытой дугой косвенного действия плавящимися электродами

Челябинский госцдарственный технический р [" £ университет

ь »»ил

На яравзг рукописи Кисимов Борис Михайлович

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ШИРОКОСЛОЙНОЙ НАПЛАВКИ БРОНЗЫ НА СТАЛЬ ОТКРЫТОЙ ДНГОЯ КОСВЕННОГО ДЕЙСТВИЯ ПЛАВЯЩИЙСЯ ЭЛЕКТРОДАМИ

Специальность 05.03.06 -"Технология и каншш сварочного производства"

Автореферат диссертации на соискание цченой степени кандидата техничаских наук

Челябинск 1994

Работа выполнена в Челябинском государственно« техническом •чиверситете на кафедре "Технология металлов".

Научный руководитель - доктор технических наук.

профессор Норин il.fi. Официальные оппоненты- доктор технических наук,

профессор Попков Й.Н.,

Ведуцее предприятие - Челябинский завод "Станкомав".

Завита состоится "29" ивня 1994 г. в 14 часов на заседании специализированного совета К 053. 13. 07 в Челябинской государственном техническом университете по адресу:454080, г.Челябинск, проспект им. В.И.Ленина, 76.

Вами отзывы (в двух экземплярах, заверенные печатью) просим' направлять по указанному адресу на имя ученого секретаря специализированного совета. .

С диссертацией моано ознакомиться в библиотеке Челябинского государственного технического университета.

Автореферат разослан сМСЦ 1994 г.

кандидат технических наук, профессор Тарасов В.С.

,1

Эченый секретарь специализированного совета доктор технических наук, А профессор В.Г.1алаиов Д

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТК

Актуальность работы.В связи с известным дефсцитом и высокой, стоимостью цветных металлов и сплавов, одной из вааных задач современного машиностроения является снихение их расхода.Так, в различных машинах и механизмах больное распространение получили детали, изготавливаемые из бронзовых отливок.Эффективным способом снижения расхода дорогостоящей бронзы является замена указанная деталей на биметаллические. В этой случае основу детали изготавливаит из относительно недорогого и недефъцитного стального проката, а на рабочуа поверхность наносят слой бронза необходимой толщины.Для этой цели обычно используют различные способы наплавки.Помимо экономии бронзы и снинения себестоимости, такая технология позволяет многим маииностроительным предприятиям, не имеющим собственных литейных цехов или участков, изготавливать эти детали самостоятельно.

К способам наплавки разнородных материалов предъявляется ряд особых требований.Презде всего, это обеспечение минимального перехода аелеза в наплавленный слой, возможность раздельного регулирования производительности наплавки и проплавления основного металла.Далеко не все распространенные способы позволавт выполнить указанные требования.К одним из немногих мозно отнести наплавку косвенной дугой пяаяящихисз электродани. Долгое вреаа по причине налой изученности, косвенная дуга практически не применялась в сварочном производстве. Начиная с 19?2г. в Челябинской государственном техническом университете проводятся исследования технологических особенностей дуги косвенного действия с плавящимися электродами, что позволило расширить область применения этого процесса. Однако до настоящего'времени эттзт процесс для наплавки разнЬроднах материалов и, в частности, наплавки бронзы на сталь не применялся.

Цель и задачи исследования. На основании результатов исследований технологических характеристик открытой дуги косвенного действия с плавящимися электродами марки Бр.КМцЗ-1, разработать технологии аирокослойной наплавки бронзы на сталь, позволягцуа обеспечить качество наплавленного слоя, повысить производительность процесса, снизить расход цветных металлов и себестоимость изготовления деталей по сравнению с наплавкой дугой пряного действия.

Для достйкения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:

- Исследовать характеристики устойчивого горения дуги косвенного действия с плавящимися электродами марки БрКМцЗ-1 •(эластичность дуги, время отработки возмущений). Их связь с видом внешней характеристики источника тока, вольт-амперной характеристикой дуги.

- Исследовать основные тепловые характеристики дуги косвенного действия с плавящимися электродами марки БрННцЗ-1, влияющие на качество наплавки.

- Изучить особенности формирования наплавленного металла и проплавления основного металла при наплавке дугой косвенного дейтвия отдельными валиками и широкослойной наплавке.

- Разработать технологии вирокослойной наплавки бронзы на сталь дугой косвенного действия с плавящимися электродами марки БрКНцЗ-1 и внедрить ее в производство.

Научная новизна работы заклнчается в следующем:

- Разработана методика определения средней линии столба косвенной дуги, горящей мевду сходящимися под углом электродами.

- Получено уравнение для расчета скорости отработки возмущений по длине сварочной дуги для возрастающей вольт-амперной характеристики дуги и пэдавцей или возрастающей внешней характеристики источника сварочного тока.

- Разработана методика определения распределения теплового потока по пятну нагрева сварочной дуги.

- Получено уравнение для расчета эффективной мощности сварочной дуги без учета теплоты электродного металла в случае, когда пятно нагрева имеет форму эллипса.

- Разработаны методики определения условий широкослойной наплавки в общую ванну..

- Получены численные значения технологических характеристик дуги косвенного действия с электродами марки Бр.КМцЗ-1, определенные с помощью разработанных, а также известных методик и уравнений.

Практическая ценность работы.

- Разработан способ вирокослойной наплавки в общую ванну бронзы на сталь открытой дугой косвенного действия плавящимися электродами. .

- Разработаны технология и оборудование для широкослойной

наплавки в обцуи ваннд бронзы на сталь открытой дугой косвенного действия плавящимися электродами марки Бр.КНцЗ-1.

- Осуществлено внедрение разработанной технологии и оборудования в производство, что позволило более, чей в два раза повысить производительность наплавки по сравнение с дугой прямого действия, снизить себестоимость указанных деталей за счет сниве-ния расхода дорогостоящей бронзы

На защиту выносятся:

- Методика определения средней линии столба косвенной дуги.

- Уравнение для расчета скорости отработки возмущений по длине сварочной дуги для возрастающей вольт-амперной характеристики дуги и паданщей или возраставшей внеиней характеристики источника сварочного тока.

- Методика определения распределения теплового потока по пятну нагрева сварочной дуги.

Сравнение для расчета эффективной мощности сварочной дуги без учета теплоты электродного металла в случае, когда пятно нагрева имеет форму эллипса.

- Методика определения условий пирокослойной наплавки з об-щуп ванну.

- Уравнение для определения предельной скорости Еирокослой-ной наплавки, обеспечивавшей сплопность наплавленного слоя.

- Результаты расчетов технологических характеристик дуги косвенного действия с электродами марки Бр.КИцЗ-1, определенных с покодьв разработанных, а такие известных методик а уравнений.

- Способ, технология и оборудование иирокослойной наплавки в обцуи ванну бронза на сталь открытой дугой косвенного действия плавящимися электродами.

Апробация работы. Основные результаты работа долохени и об-сундены на Всесоюзных научно-технических конференциях по сварке и наплавке в городах Тольятти (1986г,Э и Перми (1988г.), а также на региональных конференциях з городах Свердловске (1386г.3, Йневске (1389г.), Липецке (1990г.): на научных семинарах и конференциях кафедр "Технология металлов" и "Оборудование и технология сварочного производства" Челябинского государственного технического университета (1985-1994г.г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 научных статей, из них 4 в центральной печати. Получено два авторских свидетельства на изобретение.

Обьем и структура диссертации. Диссертация состоит из вве-

дения, пяти глав, списка использованной литературы и прилояения. Общий объем работы составляет: 19? с. машинописного текста, включая 63 рисунка и 20 таблиц. Список литературы содервит 108 наименований.

СОДЕРЗАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе проводится обзор и анализ существующих способов наплавки бронза на сталь, рассматриваются их достоинство и недостатки. Истановлено, что наибольшее распространение получили различные варианты наплавки дугой пряного действия - ручная и автоматическая плавящимся электродом, расцепленный электродом, с поперечными колебаниями дуги и др.Это можно объяснить высокой универсальностью таких способ, широким выбором оборудования, относительной простотой .Однако вакныи их недостатком является то. что вследствии значительного теплового и механического воздействия сварочной дуги на основной металл, в наплавленный слой переходит большое количество нелеза. Так, при автоматической дуговой наплавке содержание Fe в первом слое монет достигать 602 . Для того, чтобы не происходило ухудшения слуаебных свойств бронзы,• содержание Fe в ней обычно ограничено 27..Поэтому приходится производить нногослойнув наплавку, что повышает расход дорогостоящей бронзы и снижает производительность процесса. Снижение перехода келеза в наплавленный слой можно добиться при использовании вибродуговой наплавки и наплавки ленточным электродов. Однако применение ленточных электродов требует специальной оснастки, а номенклатура выпускаемых лент весьма ограничена.Что касается вйбродуговой наплавки, то этот- способ отличается не высокой • производительности и используется для наплавки не больших по площади и толщине слоев бронзы.Б целом, наличие активного пятна на наплавляемой^поверхности при.этих способах такзе не позволяет полностью решить указаннуи выше проблему.

Наиболее предпочтительными способами наплавки разнородных материалов являвтся такие, которые позволяют регулировать тепловое и механические воздействие на основной металл- независимо, о.т производительности расплавления наплавляемого материала.К одним из не многих способов, обладающих указанными свойствами, относится наплавка дугой косвенного действия плавящимися электродами. Изменяя расстояние меяду наплавляемой поверхностью и Факелом столба косвенной дуги, монно, независимо от производительности

расплавления электродов, регулировать проплавление основного металла практически от нуля до максимальной величины и, благодаря этому, добиваться минимального перехода 'аелеза в наплавленный слой при наплавке бронзы на сталь,Кроме того, известно, что дуга косвенного действия с плавящимися электродами обладает высокой производительностью и низкими, энергозатратами. Однако несмотря ца перечисленные достоинства, этот способ для наплавки разнородных материалов и, в частности, бронзы . на сталь до настоящего времени не применялся.

Анализ известных сведений о технологических характеристиках и практическом применении дуги косвенного показал, что для разработки эффективного технологического процесса наплавки бронзы на сталь косвенной дугой необходимо иметь дополнительные сведения о процессах устойчивого горения дуги, тепловых характеристиках, прсплавлении основного металла и формировании наплавленного слоя.

На основании вывеизлояенного сформулированы цель и задачи исследований данной диссертационной работы. При этом, в качестве электродов выбрана проволока марки Бр.КИцЗ-!.Литературный обзор показал, что эта марка бронзы иоает заменять многие литейные бронзы, используенне для изготовления различных деталей. Кроне того, исследования, проведенные з Челябинском государственной техническом университете позволили установить., что_ данная марка проволоки обладает самозащитныыи свойствами.Это позволяет разработать технологии наплавки открытой дугой (без защиты), которая отличается простотой и дешевизной.

Во второй главе приведены результаты исследований характеристик устойчивого горения дуги'косвенного действия.

Используя иззестнуи методику Г.И.Лескова и собранную установку, построены статические вольт-амперные характеристики дуги косвенного и прямого действия для электродав марки Бр.КМцЗ-1 и Св-03й диаметром 1,6; 2.0 и 2,5 мм.Установлено, что при горении косвенной дуги на воздухе в интервале токов 80 - 400 А статические вольт-амперные характеристики дуги косзенного действия с плавящимися электродани марки БрКИцЗ-1 и Св-08й являвтся возраставшими по причине сжатия активных пятен (рис. 1).

Рис.1. Больт-акперние характеристики дуг прямого (П.Д.) и косвенного (К.Д.) действия; с - К.Д.. Св-08й, <1 =2 шй. ® - К.Д.. Бр.ККцЗ-1., (1 =1,6 им'. Х - К.Д., Бр.КНцЗ-1, а =2,5 чк;, о - П.Д.. Св-08й, й =2 мы.. 4- К.Д., Бр.КНцЗ-1. й =2 кк , В - П.Д., Бр.КМцЗ-1., й =2 мм.

Это подтвервдено зксперинентани по заиеру отпечатков ди-аиетров активных пятен на полированной стальной пластине, которые оказались больше, чем диакетрн электродов. Вследствие того, что оба активных пятна дуги косвенного действия находятся" на ограниченных поверхностях проволочных электродов, крутизна ее волы-ашерной характеристики оказалась выше,чем у дуги прямого действия'.Подтвергдениеы этого слунат такке более высокие значения пркзлектродных падений напряжений Ца+к дуги косвенного действия по сразнешш с аналогичными характеристиками дуги прямого действия при .одинаковых условиях горения, определенные по методу мгновенно рззьшкащнхся контактов (ск. табл.1).

Построенные статические вольт-амперные характеристики косвенной дуги позволили определить, что физическое условие устойчивости систекы Д-ИП будет выполняться при любом виде внешней характеристики источника питания косвенной дуги.

Таблица 1

Марка электрода Тип дуги Зсб; я с1э:ни ихх: в 3 иа+к В Е: В/см К • км

БрКМцЗ-1 кд 80-100 1.8 39,7 32 21,5 ■3.4 3,0

СВ-08Й кд 80-100 1.8 39,7 33 20 3,3 3,9

СВ-08А пд 80-100 1.8 39.7 32 17 3,25 4.5

Одной из причин, объяснявших недостаточно широкое применение дуги косвенного действия с плавящимися электродами в промышленности, является бнтуииее мнение о низкой устойчивости процесса ее горения вследствии колебаний электродов в пространстве. Это неразрывно связано с эластичностьв косвенной дуги. Мерой эластичности сварочной дуги является предельное значение длины дуги, которое называвт разрывной длиной Рр .

Разрывная-длина дуги косвенного действия определялась экспериментально по методике К.К.Хренова при .горении открытой дуги с электродами марки /Бр.КМцЗ-1 в Сз-08Й. Для сравнзнительной оценки эластичности дуги проводили эксперименты по определении разрывной длкнн дуги пряного действия, горячей мезду проволочным злектродои и кеталлаческой пластиной..

В результате проведенных исследований установлено, что разрывная длина дуги-косвенного действия _по'своим значениям близка к разрнзной длине дуги прямого действия (сы. табл.1).Полученные результата о влиянии рзгиков и условий горения дуги косвенного действия ка ев разрывнув длину качественно согласувтся с известными данными для дуги пряного .-действия.

На практике косвенная дуга гора? кеади сходящимися под углом электродами и ее столб отклоняется в мороки схоздвния электродов под. действием элоктроиагннтаых сил. Экспериментальное определение разразной длина в зток случае ке представляется боз~ иоеныы, так как расстояние кендв торцаки злзктродоз кекьае истинной длины дуги, что подтверждено экспериментально. Позтокд эксперименты по определений разрывной длины косвенной дуг» проводились кеяду параллельно располокенныки проволочники злактро-

дани.Однако определение формы столба косвенной дуги, горящей иевду сходящимися электродами представляет научный интерес. Б связи с зтик,- разработана методика определения средней линии столба косвенной дуги при условии сикыетричного распологения ее Факела по известным значениям длины дуги и расстоянии иевдц торцами сходящихся под углом электродов. Сравнение формы столба дуги, полученной путем фотографирования, со средней линией столба косвенной дуги, построенной по данной методике, покозало достаточную сходимость, Предлояенная методика позволяет проводить анализ влияния ревимов горения на форму столба косвенной дуги.

В работах, посвященных исследованиям отработки возмущений по длине сварочной дуги рассматривается случай, когда вольг-ам-перная характеристика дуги и внеиняя характеристика источника тока имеет падающий вид.Исследования, проведенные в данной работе, показали., что вольт-амперная характеристика косвенной дуги имеет явно возрастающий характер.В связи с этик был проведен анализ отработки возмущений для случая возрастающей вольт-ампер- • ной характеристики дуги и падавщей-или возрастающей внешней характеристики источника сварочного тока.

Получено уравнение-для расчета скорости отработки возмущений- по длине дуги, которое имеет вид

ей е Ъ ' дЗ I ЭР

Из уравнения (1) следует, что отработка возмущений по длине дуги будет происходить 'при любом виде внешней характеристики источника тока, удовлетворяющем физическому условию устойчивого горения'.дуги Ку >0. ■

' _ Произведен расчет .постоянной времени скорости .отработки возмущений по.клине дуги для' различных условий горения косвенной дуги по выражении, поличеннони в данной работе, ...

Т - - ' - б. ' '

- ___-.- _ (2)

(1)

Е (кп . ЭМ, Экп'

О к

,ки ю .' ээ-Г.ае

о

Анализ полученных данных показал, что вследствие высокого значения коэффициента плавления, определенного экспериментально, скорость отработки возмущений по длине коезенной дуги на порядок выше, чем скорость отработки возмущений по длине дуги прямого

действия и составляемой пологопадаищей характеристике источника тока в среднем 9 10 с: замена падающей внесшей характеристики источника тока на яесткун позволяет увеличить скорость отработки возмущений по длине дуги приблизительно в два раза.

В третьей главе приводятся исследования тепловых характеристик косвенной дуги с плавящимися электродами марки БрКНцЗ-1, сведения о которых в литературе отсутствуют. Знание тепловых характеристик позволяет оценить эффективность нагрева изделия косвенной дугой с плавящимися электродами по сравнению с другими источниками теплоты, применяемыми при сварке и наплавке.

Распределение теплового потока по-пятну нагрева дуги косвенного действия с плавящимися электродами определяли по разработанной методике, которая отличается от известных тем. что кривая распределения начальной температуры по пятну нагрева определялась путем замера температуры в стальном образце-зонде при его заданном полояении относительно столба неподвигной и кратковременно горящей дуги менду двумя проволочными электродами. Обоснованием для возможного применения кратковременно горящей дуги являются данные, приведенные в работе Г.И.Лескова, _К£>торых следует, что все параметры з сварочной дуге через 10-50 с после начала ее возникновения достигают устойчивого состояния. Предлс-кенная методика позволяет повысить точность получаемых результатов, благодаря сниаениа искагавщего действия теплопроводности образца, а такге упростить технология занера.

Проведенные по данной методике эксперименты- показали, что форма пятна нагрева дуги косвенного действия зависит от материала электродов Так. если форма, пятна нагрева дуги, горещей некд ,' электродами марки БрКНцЗ-1, близка к ©орае круга, то пятно нагрева дуги,' горящая мезду стальники электродами марки СВ-08Р., имеет форму эллипса. .

Получено уравнение для расчета эффективной модности дуги без учета теплоты электродного металла для случая, когда дуга имеет форму эллипса.

Для оценки точности результатов, получениях по предлагаемой методике, би."м проведены эксперименты по измерению распределения начальной текпературы по пятну нагрева, расчет коэффициента сосредоточенности, эффективной мощности и наибольшего удельного'

(3)

теплового потока.Сравнение полученных результатов с известными данными других работ показало, что предложенная методика обеспечивает достаточную) точность (см. табл.2 и 3)-

Тепловые характеристики открытой угольной дуги Таблица 2

Данные Режимы Тол- °е-см %-тг б, 2 ем к, см"2 Чгт. Эж/с'М2 ^ис, Эж/с

Зс&, А ТГс& ¡¡М/С листа иы

Расчет 190-200 - 0,5 1100 328 0.288 1.7 4780 2590

Данные работы 1В0-200 4,3 1.2 1508 511 0,339 1.5, 4250 2050

Тепловые характеристики дуги косвенного действия. Таблица 3

Данные Ревина

А 8* н, мм Их, см"2 СМ"2 ^2т> ^ис 1 Эж/с Эж/с Ци, Эж/с

Расчет 380-400 37-39 3 4,2. З.В 0,43 3429,2 8045,8 11500

Данные работы 380 38 3 . - - - - - 11100

Проведено исследование влияния режимов горения косвенной дуги с электродами карки БрККцЗ-1 и Св-08й на коэффициент сосредоточенности теплового потока по пятну нагрева и эффективную водность. Установлена, что коэффициент сосредотяченности теплового потока и эффективная мощность дуги косвенного действия при аналогичных режимах горения дуги сравнимы с тепловыми характеристиками дуги прямого действия.При этом, поперечные колебания электродов способствуют повышении эфективной мощности и КПД косвенной дуги, а увеличение растояния от электродов до наплавляемой поверхности образца позволяет снизить зффективнув мощность практически до.12

В чзтвертой глазе приводятся исследования формирования наплавленного и проплавления основного металлов при наплавке бронзн на сталь дугой косвенного действия.

Известно, что при наплавке косвенной дугой плавящимися электродами образуются дефекты в виде подворотов.Причины подобных дефектов связызапт с больвим количеством электродного металла, бользой шириной наплавляемого валика и малой шириной зоны проплавления Для подтверздения этого предполояения были проведены расчеты иирины и глубины зоны проплавления, а такве ширины валика при наплавке бронзн на сталь по известным методикам Шор-зорова Н.Х. и Баравкова Й.С. (эирина зона проплавления), Березовского Б.Н. и Стихина В.ЙЛпирина валика) и Рикалина Н.Н.(глубина проплавления). В расчетах использовались значения тепловых характеристик, полученные в третьей главе. Полученные результаты расчетов и подтверЕдавщие их эксперименты показали, что при высокопроизводительных 400 А) резиаах наплавки с малой глубиной проплавления (Нп< 1 иа) аирина зоны проплавления практически всегда меньше яирина валика, что приводит в образовании подворитов. Эстранение этого дефекта при высокой производительности наплавки достигается путем увэличэнна нкрнна зоны проплавления за счет поперечных колебаний дуги (узирениый залик) или подогрева образца перед наплавкой.

По мере увеличения размаха колебаний источника теплоты процесс переходит в наплавку зирокого валика (вирокослойнуи наплавку). йирокослойная наплавка ыозет выполняться отдельными (поперечными) валиками и с образованием общей ванны. Экспериментально установлено, что для устранения, подворотов и получения наплавленного слоя с низкой шероховатостью наиболее, эффективным является процесс Еирокослойной наплавки в обцув ванну.

Вирокослойная наплавка в общув ванну возмоана при выполнении определенных условий. 6 случае наплавка на пластику эти условия конно определить по уравнении Н.Н.Рыкалика, которое после простейгшх преобразований, сзязанкых с учетом поперечных колебаний дуги, приняло вид

т Г Ъ'М г-лГ

^'П^^лм? ^ ; ь-аК-у). °

и -5-и-Г)

При иирокослойиой наплавке "в общую ванну передний фронт сварочной ванна наплавляемого слоя долвен вписываться в площадь изотермы температуры плавления наплавляемого металла на поверхности основного металла,На рис.2 представлены изотермы, соответствующие Тая бронзы Бр.КМцЗ-1, располовенные на поверхности основного металла марки Ст.З толщиной $ =12мн и расчитанные для следующих ревиыов наплавки: 1 =550Р., и =32 В, ч = 9500 Дж/с, (1 =2.5им, Н=12мн, амплитуда колебаний й = 40мм, скорость поперечных колебаний V =2ск/с, скорость наплавки и = 0.1 см/с.

Рис.2. Изотермы температуры плавления бронзы БрКМцЗ-1, расчитанные по уравнению (4):

í - Ъ=8с?. 2-1 =16с<, 3 - Ь56с-

На рас.2 показаны изотермы, расчитанке для значений t=8 , 16 и 5бс . Как видно, в начальный период наплавки площадь, изотерма увеличивается с ростом 1,, что связано с процессом подогрева и теплонасыщения основного металла.При достижении 56с нас-

тупает квазистацнонарноз состояние, при котором форма и размеры изотермы с дальнейшим увеличением t практически на меиявтся

Часто на практике оирокослойная' наплавка производится на пластины, вирина которых равна или близка ширине наплавляемого слоя. Расчет условий образования общей ванны в этой случае mosho упростить.

Для образования общей ванны аидкого металла при широкослойной наплавке с поперечными колебаниями дуги необходимо, чтобы длина ванны яидкого металла поперечного валика бала не иеньие двойной ширин« наплавляемого слоя. Используя уравненниз Рыкалина H.H. для определения длины ванны, это условие можно записать следующим образом

D q,u-coscL/2

D— -----— , (5)

4£А(ТпГТН)

где . В - ширина наплавленного слоя (ширина образца); - эффективная мощность дуги; г- температура плавления наплавленного металла;

7W - необходимая температура подогрева основного ?аетал-ла;

сС - угол аезду -валиками, при синусоидальном перемещении электродов.

При широкослойной наплавке с поперечными колебаниями электродов будет происходить подпгрев основного металла,

(Три расчетном определении температуры подогрева ■ оснозного металла использовали формулу для вычисления температуры изделия при винтовой наплавка тонкостенного цилиндра.Как и при вирокос-лойной наплавке, развертка наплавленного слоя на плоскость при винтовой наплавке тонкостенного цидин'дра представляет собой ряд отдельно наплавленных на пластину поперечных валиков конечной длина, находящихся друг от друга на расстоянии вага наплавки h Тогяа при многократном пересечении источником теплоты плоскости I-I (рис.З) приращение температурных полей от отдельных источников суммируются к температура подогрева основного металла с момента начала кирокослойяой наплавки з точке й, находящейся на расстоянии Хп от точки пересечения источником плоскости I-I, можно расчитать как ^

- V . ,g4atnn-6tn ■ (6)

н n iro-|/is:A cptH ;

Г5

Температуру в точке Й определяли на расстоянии 1)/2 от бли-яайвего поперечного валика.

Предложенные расчетные методики определения условий образования общей ванны при наплавке с поперечными колебаниями электродов подтверждены экспериментами.Расхогдение расчетных и экспериментальных данных не превышает 12'/..

Траектория движения дуги

Еис.З. К расчету температуры подогрева по-формуле (6)

Проведен расчетный и экспериментальный анализ влияния режимов ЕИрокослойной наплавки (эффективной мощности, амплитуды и скорости колебаний электродов,, шага наплавки, толщины пластины) на образование общей ванны и глубину проплавлениа основного ке-' талла при наплавке открытой дугой косвенного действия электродами Бр.К1|цЗ-1. Получено уравнение для определения максимальной скорости наплавки, обеспечивающей сплошность наплавленного слоя.

ЯГН:

28Г

Зстановленео, что. при определенных режимах пирокослойная наплавка в общуи ванну позволяет устранить образование подворо-тов, снизить нероховатость наплавленного' слоя._ Последнее дает возможность уменьшить расход цветного металла при изготовлении различных биметаллических деталей.

В пятой главе на основании проведенных исследований приводится общая методика разработки технологического процесса широкослойной наплавки в общую ванну открытой дугой косвенного действия электродами марки Бр.КМцЗ-1. описывается оборудование, применяемое для этой цели.Приведены результаты исследований свойств наплавленного слоя, которые показали- что переход Ре в бронзу при глубине проплавления }1п= 0,5 {за. но превышает 0,14%, а механические свойства наплавленной бронзи незначительно, отличаются от литой .Приводятся примера внедрения разработанной технологии на Саранском СО "Йвтопроноборудование" для изготовления биметаллических направляющих механических прессов, на Челябинской предприятии "Челябстройдормащсервис" для изготовления биметаллических гильз дробильных мельниц. Внедрение указанных технологии позволило более, чем в два раза снизить расход бронзы и себестоимость указанных деталей, а такне упростить технологию их изготовления. •

ОБЩИЕ ВЫВОДИ

1. Применение аналитических, а такве современных и разработанных в данной работе экспериментальных нетодик позволило впервые исследовать особенности открытой ( без защита ) дуги косвенного действия с плавяишмибя электродами марки Бр.КйцЗ-1: устойчивость и эластичность, эффективную мощность, сосредоточенности теплового потока по пятну нагрева, проплавление основного и формирование наплавленного металлов, условия образования общей ванны при широкослойной наплавке. *

2. Построены.статические вольт-ааперные характеристики дуги косвенного действия с плавящимися электродами, позволившие установить, что оптимальные условия устойчивости • системы косвенная дуга-источник питания будут выполнятся при использовании источников постоянного сварочного тока с пологопадакщей, яест^ой или возрастающей внеиней характеристикой.

3. Анализ расчетных и экспериментальных значений разрывной длины дуги косвенного действия показал, что ее эластичности сравнима с эластичностью дуги прямого действия при аналогичных условиях горения. Разработана методика определения средней линии столба косвенной дуги, горящей мевду сходящимися под острым углом электродами.

4. Аналитическим путем получено уравнение, позволяющее оценить скорость отработки возмущений по длине дуги, имеющей возрастающую вольт-амперную характеристику и питающейся от источника тока с падающей или. возрастающей внешней характеристикой. Установлено, что отработка возмущений будет происходить при любом виде внеаней характеристики источника тока, отвечающем условию К > Остановлено, что вследствие высокого значения коэффициента плаления, скорость отработки возмущений по длине косвенной дуги на порядок выше, чем скорость отработки возмущений по длине дуги прямого действия; замена падающей внешней характеристики источника тока на жесткую позволяет увеличить скорость отработки воз-кущений по длине дуги приблизительно в два раза.

5. Разработана расчетно-эксперикентальная методика и установка для определения распределения теплового потока сварочной. дуги по пятну нагрева и ее эффективной мощности без учета теплоты электродного металла, основанная на кратковременном горении дуги, позволяющая снизить тепловые потери и упростить проведение экспериментов.

0. Исследовано влияние регимов горения косвенной дуги с электродами парки БрККцЗ-1 на коэффициент сосредоточенности теплового потока по пятну нагрева и эффективную мощность. Получены численные значения коэффициента сосредоточенности дуги косвенного действия . а такие- эффективной мощности .косвенной дуги с электродами Бр.КйцЗ-1, необходимые для расчетов тепловых процессов при сварке и наплавке. Установлено, что коэффициент сосредоточенности теплового потока и эффективная мощность дуги косвенного действия при определенных режимах горения' дуги сравнимы с аналогичными характеристиками дуги прямого действия.

7, Проведен аналитический и экспериментальный анализ влияния ревимов на формирование наплавленного и проплавление основного металлов при наплавке отдельных валиков косвенной дугой электродами БрКМрЗ-1 на сталь. Установлено, что при наплав.ке с малой глубиной проплавления (Ьц< 1 ) и сварочных -токах свыше 200 Гг образуются 'дефекты в виде наплывов и подворотов. Их устра-

ния мояно добиться, применив .подогрев основного металла или поперечине колебания дуги.

8.Разработаны расчетные методики определения условий виро-кослойной наплавки разнородных материалов в общув ванну, под-тверяденные экспериментом. Расчетным и экспериментальным путем исследовано влияние режимов иирокослойной наплавки в общую ванну бронзы на сталъ открытой косвенной дугой на формирование наплавленного слоя и проплавление основного металла.

9. На основании полученных результатов исследований разработаны и внедрены в производство технологии и оборудование для широкослойной наплавки бронзы на сталь в общую ванну открытой дугой косвенного действия электродами Бр.КМцЗ-1 на плоские поверхности и тела вращения с цельв изготовления новых и восстановления изношенных деталей. При этом обеспечивается повышение производительности более чем в два раза и снияение энергозатрат на ту ае величину по сравнению с дугой прямого действия, снижение себестоимости изготовления новых и восстановления изнопенных деталей за счет уменьшения расхода наплавляемых материалов.

10. Предлозен способ широкослойной наплавки вертикальных поверхностей с применением фориируащих кристаллизаторов дугой косвенного действия с плавящимися элэктродами,. позволявший наносить металл на плоские детали и тела вращения за один проход по всей ширине наплавляемой поверхности ( Й.С. Н 1660804 ), а такзе способ вертикальной сварки стыковых соединений дугой косвенного действия с принудительным формированием металла шва в медном кристаллизаторе и с колебаниями дуги в зазоре за счет изменения скоростей подач плавящихся электродов ( Й.С. Я 1632683 ).

11, Внедрение разработанных способов наплавки открытой дугой косвенного действия с плавящимися электродами марки Бр.КйцЗ-! в производство обеспечило получение экономического эффекта.

Основные научные результаты иследований опубликованы в статьях:

1. Корин П.Й., Кисимов Б.М. Тепловые характеристики не-заваисимой дуги при наплавке проволокой БрКМцЗ-1 // Сварка цветных металлов.- Тольятти, 1986.- С.12-14.

Норин П. А., Кисимов Б.М. К методике определения теплового потока по пятну нагрева // Сварочное произ-во.-1987.-Н 5.- С.12-14.

3. Норин П.А.. Кисимов Б.М. Способа наплавки бронзы на сталь стабилизированной дугой //Вопросы сварочного произвол

ства: Сб. науч. тр. ЧПИ.- Челябинск'. 1987.-0.144-14?.

4. Кисимов Б.М., Осипов A.M. Широкослойная наплавка бронзы на сталь открытой дугой в нианем полоаении / В кн. " 100-летие изобретения сварки по методу Н.Г.Славянова и современные проблемны развития сварочного производства ". Пермь, 1988. Часть 3. С. 69.

5. Норин П.ft., Кисимов Б.М. Определение времени отработки возмущений по длине дуги при сварке // Вопр.сварочного производства,- Челябинск: ЧПИ, 1989.- С.120-123.

6. Норин П.А., Кисимов Б.М., Осипов A.M. Перспективы применения .наплавки бронзы на сталь открытой дугой / В кн.: " Автоматизация в сварочном производстве ". йгевск, 1989, С.3-4.

?. Нории П.А., Кисимов Б.М. Особенности широкослойной наплаваки .в общую ванну / В кн.: " Повышение эффективности сварочных работ ".-Липецк, 1990, с. 18.

8. Норин П.А,, Кисимов Б.М. и др. Применение косвенной-дуги с плавящимися электродами при наплавке / В кн.:" Повышение эффективности сварочных работ ". Липецк, 1990, С.20.

9. Норин П.А., Кисимов Б.М. Изготовление биметаллических направляющих механических прессов широкослойной наплавкой // Сварочное производство.-1990.- Н4.-С.24.

1С. Норкн П.А., Кисимов Б.Н. и др. Исправление деффектов бронзового литья дуговой наплавкой. / В кн. " Повышение эффективности сварочных работ ". Липецк, 1990, С.19

И. Норин П.А., Кисимов Б.М. Разрывая длина дуги косвенного действия. / В кн.:" Вопросы сварочного - производства ". Челябинск, 1991 г.

12 Норин П.А., Малышев.И., Кирьянов А.А., Кисимов Б.Н. Способ наплавки независимой'дугой звеньев гусиниц тракторов //Информ., листок N87-53. ..

13. Норин П.А., Малышев.й... Кирьянов А.А'., Кисимов Б.М. "' Способ широкослойной наплавк независимой дугой беговых, дорожек башмаков гусеничных экскаваторов / Информ. листок N87-54.

14. Норин П.А., Малышев.И,, Кирьянов АЛ.; Кисимов Б.Н. Способ наплавки гребней башмаков гусеничных тракторов независимой дугой в никнем положении // Информ. листок N87,-55.