Электроимпульсная наплавка

Учитывая незначительные величины износов рабочих поверхностей и малые диаметры деталей, при ремонте быстроходных дизелей применяют в основном электроимпульсную наплавку. Этим способом наращивают направляющие поверхности толкателей, шейки распределительных валов, посадочные пояски гильз и др. Электроимпульсная наплавка обеспечивает высокие механические свойства металла. При наплавке легированной проволокой можно получить слой твердостью до 50 HRC.

При правильном выборе режима наплавки и охлаждения в наплавленном слое не обнаруживаются мелкие трещины. Наплавленный металл хорошо сцепляется с основным и обладает высокими антифрикционными свойствами. Открытая пористость составляет 3—3,5% от площади наплавленной поверхности, поэтому деталь, восстановленная этим способом, обладает высокой износостойкостью. При электроимпульсной наплавке деталь не подвержена деформации, потому что в процессе нанесения металла она нагревается лишь до 60— 80° С. Поэтому этот способ наплавки можно применять для деталей из легированных сталей, прошедших термическую обработку. Недостатком этого способа является возможное образование мелких трещин в наплавленном металле при неправильном выборе режима охлаждения.

По данным заводов, наращивание изношенных поверхностей электроимпульсным способом обходится в 1,5—2 раза дешевле, чем хромированием. Кроме того, значительно сокращается трудоемкость механической обработки.

Сущность процесса электроимпульсной наплавки заключается в периодическом замыкании и размыкании электрического контакта менаду электродной проволокой и поверхностью детали. При этом происходит перенос металла электрода на деталь.

В течение каждого цикла наблюдаются следующие периоды: короткое замыкание, электрический разряд и холостой ход.

В момент короткого замыкания электрода на деталь через контакт проходит мощный (до 400 а/мм2) импульс тока. Под действием импульса тока происходит контактная сварка, часть тепла отводится в массу металла детали. Вследствие того, что масса детали относительно велика и тепло быстро отводится, металл в зоне контакта затвердевает. Под действием джоулевого тепла участок электрода с более высокой температурой располагается на некотором удалении от контакта. При размыкании электродная проволока обрывается в месте наибольшего нагрева. В момент обрыва проволоки за счет энергии магнитного поля образуются экетротоки, и поэтому резко повышается напряжение в цепи и увеличивается (до 50 000 а/см2) плотность тока. В промежутке между деталью и электродом возникает кратковременный (импульсный) разряд. Под действием электрического разряда наплавленный на поверхности детали кусок электродной проволоки интенсивно плавится. Исследованиями канд. техн. наук И. Н. Доценко установлено, что оплавление кусочка проволоки и сварка в контакте происходят лишь за 0,0025—0,0030 сек. По мере отвода электрода от детали величина тока в цепи падает, электрический разряд прекращается, и наступает период холостого хода.

В процессе электроимпульсной наплавки к месту контакта подается непрерывная струя охлаждающей жидкости. Поэтому деталь нe подвергается нагреву; зона термического влияния весьма мала. Кроме того, охлаждающая жидкость обеспечивает защиту и закалку наплавленного слоя металла.

В литературе электроимпульсную наплавку подразделяют на три вида:

• вибродуговую,
• виброконтактноискровую,
• виброконтактнодуговую.

Перечисленные способы отличаются один от другого лишь электрической схемой и источником тока.

Вибродуговую наплавку производят, используя обычный сварочный генератор при напряжении 18—32 в. Сварочный генератор, имеющий высокое напряжение холостого хода и низкие токи короткого замыкания, не обеспечивает устойчивый электрический импульсный процесс. Для того чтобы обеспечить устойчивый процесс, параллельно электродам включают шунтовое сопротивление (0,25— 1,0 ом). При этом значительно увеличивается расход электрической энергии. При высоком (до 32 в) напряжении дуги зона термического влияния увеличивается до 2,8 мм. В процессе наплавки наблюдается интенсивное выгорание углерода и марганца в металле. При наплавке этим способом практически можно получить лишь толстые (2,5— 3,5 мм) слои металла.

Виброконтактноискровая наплавка характерна использованием низковольтного постоянного тока. В качестве источника тока применяют гальванический генератор типа НД-500/1000 или два селеновых выпрямителя ВСГ-3, соединенных последовательно. При такой электрической схеме разряд по плотности тока и времени близок к искровому (U = 12÷14 в). Благодаря большой плотности тока в периоды отрыва проволоки наблюдается интенсивное разбрызгивание металла. Для уменьшении плотности тока в период отрыва проволоки рекомендуется в цепь включать индуктивность.

При последовательном включении в сварочную цепь индуктивности (3—4 витка катушки дросселя сварочного трансформатора) в периоды отрыва проволоки плотность тока понижается, и поэтому уменьшается разбрызгивание металла.

При виброконтактноискровой наплавке вследствие малого индуктивного сопротивления в сварочной цепи мал запас энергии магнитного поля, и поэтому между электродами протекает прерывистый процесс. По данным канд. техн. наук H. И. Доценко, при общей продолжительности цикла вибрации, равной 0,01 мм, длительность короткого замыкания составляет 2,5·10-3÷3·10-3 сек., длительность разряда равна 5·10-4 сек. Остальное время (60—70%) занимает холостой ход (рис. 42, а). Благодаря прерывистости процесса в момент разряда выделяется около 50% тепла от общего количества тепла, выделяющегося за цикл. Остальная часть тепла выделяется в период замыкания проволоки. Поэтому к.п.д. цикла не превышает 0,38— 0,40.

Виброконтактноискровым способом наплавляют слои металла толщиной 0,3—0,7 мм. Этот способ применим для деталей, износ которых не превышает 1 мм.

Виброконтактнодуговой разряд (U=14÷18 в) наблюдается при включении в электрическую схему большего индуктивного сопротивления (7-9 витков катушки дросселя сварочного трансформатора). Вследствие большой индуктивности в сварочной цепи в периоды замыкания электродной проволоки возрастает запас энергии магнитного поля, при отрыве электрода увеличивается длительность (устойчивость) разряда. Поэтому резко уменьшается период холостого хода (рис. 42, б). В период разряда выделяется 82—94,3% тепловой энергии; к.п.д. цикла повышается до 0,92. При ремонте деталей быстроходных дизелей применяют виброконтактнодуговую наплавку, позволяющую наращивать слой металла толщиной 0,9—1,5 мм; зона термического влияния при этом равна 0,9-1,0 мм. Рис. 42. Осциллограммы процессов наплавки: а - виброконтактноискровой; б - виброконтактнодуговой (Х-период холостого хода, К — псриод короткого замыкания, Д — период разряда).

Установка для электроимпульсной наплавки (виброконтактно-дуговой) состоит из автоматической виброконтактной головки, источника питания, пульта управления и насоса.

При разработке технологического процесса наплавки стальных деталей учитывают свариваемость стали.

Под свариваемостью понимают способность металла образовывать хорошие сварные соединения (без трещин, пор, шлаковых включений и других дефектов).

Свариваемость стали зависит от содержания углерода и легирующих элементов. При увеличении содержания углерода и легирующих элементов свариваемость стали ухудшается. Марганец в количестве 0,35—0,80% положительно влияет на свариваемость стали. Он способствует удалению кислорода и серы из расплавленной ванночки металла, и поэтому увеличивается прочность и вязкость шва. При содержании кремния в пределах 0,08—0,6% расплавленный металл хорошо раскисляется. Увеличение содержания этого элемента вызывает образование густых тугоплавких шлаков, затрудняющих процесс сварки.

Хром ухудшает свариваемость стали, при повышенном его содержании образуются тугоплавкие окислы и закалочные структуры.

Никель способствует улучшению пластичности и прочности стали, однако он легко окисляется; поэтому требуется надежная защита расплавленной ванночки металла от кислорода воздуха. Ванадий и молибден придают стали склонность к образованию трещин. Сера также вызывает образование трещин в наплавленном металле.

Стали ограниченной или плохой свариваемости (содержание углерода более 0,3% и наличие легирующих компопентов) при сварке склонны к образованию трещин.

При наплавке возможно насыщение расплавленной ванночки металла кислородом и азотом, а также выгорание и окисление легирующих элементов. Образование окислов в наплавленном металле вызывает снижение предела прочности, ударной вязкости и предела выносливости металла. При насыщении стали азотом ухудшаются пластические свойства металла, уменьшаются ударная вязкость и относительное удлинение, увеличиваются твердость и предел прочности. Поэтому при наплавке необходимо обеспечить защиту расплавленной ванночки металла от воздействия кислорода и азота.

Качества (химический состав, твердость, прочность сцепления и др.) и толщина наплавленного металла электроимпульсным способом зависят от следующих факторов: химического состава наплавочной проволоки, электрических параметров процесса, скорости паплавки и подачи проволоки; положения электрода относительно детали и интенсивности охлаждения. Химический состав и требуемая твердость наплавленного металла обеспечиваются подбором электродной проволоки. При подборе электродного материала следует учитывать, что коэффициент перехода углерода и марганца в металл может достигать 0,6— 0,7. При использовании малоуглеродистой проволоки Св-08 твердость наплавленного металла HB 200—275. Для получения слоя высокой (HRC 40—50) твердости рекомендуется применять проволоку ПК или OBC. Применяют также проволоку 30ХГСА, которая обеспечивает твердость металла HRC 20—40.

Наплавленный металл хорошо сцепляется с деталью и обладает высокими антифрикционными свойствами. Трещины в наплавленном слое металла не обнаруживаются. Для наплавки слоя толщиной 0,8—1,5 мм применяют проволоку диаметром 1,5—2,0 мм.

Для электроимпульсной наплавки деталей из легированных сталей рекомендуется постоянный ток обратной полярности. При этом углерода выгорает меньше, и поэтому твердость наплавленного металла получается выше, чем при наплавке током прямой полярности.

Напряженно дуги при электроимпульсной наплавке целесообразно регулировать в пределах 12—18 в, величину тока устанавливают в пределах 100—200 а. Повышать напряжение более 18 в нежелательно. При этом интенсивно выгорают легирующие элементы в металле, увеличиваются потери проволоки на разбрызгивание, увеличивается зона термического влияния, также наблюдается интенсивное окисление металла. Местный нагрев вызывает деформацию тонкостенных колец и валов с малым диаметром. В результате интенсивного окисления металл получается хрупкий, образуются микротрещины.

При малом нанряжении сварочного тока уменьшается производительность наплавки и ухудшается процесс формирования кольцевых валиков. Скорость наплавки и подачи проволоки определяется толщиной наплавляемого слоя. В зависимости от толщины наплавляемого металла скорость наплавки выбирают в пределах 44— 80 м/час; скорость подачи проволоки рекомендуется 25—65 м/час (рис. 47). При малой скорости наплавки формируются широкие валики, металл шва имеет неоднородную структуру и твердость. Рис. 47. График выбора режима электроимпульсной наплавки: 1 — скорость наплавки; 2 — скорость подачи проволоки; 3 — число витков дросселя.

Выбрав оптимальную скорость наплавки, определяют число оборотов детали:

где Vн — скорость наплавки в м/час; D —диаметр детали в мм.

Малая скорость подачи проволоки вызывает образование пропусков на наплавленной поверхности. При чрезмерном увеличении скорости подачи не все кусочки электродной проволоки расплавляются.

Величина продольной подачи автоматической виброконтактной головки определяется диаметром проволоки и скоростью наплавки. Рекомендуется эту величину принимать равной (0,85÷0,90) dэл мм.

Для получения более гладкой поверхности величину продольной подачи головки уменьшают. Положение электрода относительно детали определяется величиной вылета, амплитудой колебания электрода и углами наклона и подхода электрода к детали.

Практикой установлено, что величина вылета электрода из мундштука должна быть в пределах 5—10 мм. Больший вылет электрода рекомендуется для высокоуглеродистой проволоки. От амплитуды колебания электрода зависят длина и напряжение дуги. Следовательно, амплитуда колебания электрода оказывает влияние на интенсивность оплавления проволоки и качество формирования валика. Величину амплитуды колебания электрода рекомендуется принимать  (0,6—1,0) dэл. При малой амплитуде колебания электрода повышается шероховатость слоя. Увеличение амплитуды вызывает разбрызгивание металла. Частота вибрации электродной проволоки равна 100 колебаний в секунду. Исследованиями, которые проводились в различных институтах, установлено, что величина горизонтального угла наклона электрода к детали оказывает существенное влияние на процесс формирования валика.

При угле наклона электрода α = 70÷85° (рис. 48) обеспечивается хорошая связь наплавленного валика с основным металлом и с предыдущим валиком. При увеличении угла α ухудшается связь наплавляемого металла с ранее наплавленным валиком. При уменьшении этого угла ухудшается связь наплавленного металла с материалом детали. Кроме того, при использовании высокоуглеродистой проволоки наблюдается интенсивное разбрызгивание металла. Наплавленный слой получается шероховатым и пористым. Рис. 48. Положение электрода относительно детали.

Угол β подхода электрода к детали рекомендуется выбирать равным 45°. Изменение этого угла сказывается на величине межэлектродного промежутка, и поэтому изменяются длина и напряжение дуги. Наблюдениями установлено, что при увеличении угла β интенсивно разбрызгивается металл; наплавленный слой получается неплотным.
В процессе элоктроимпульспой наплавки деталь и трубку токопровода вибратора охлаждают 3—5%-ным раствором кальцинированной соды. Расход жидкости рекомендуется 0,2—0,8 л/мин; обрабатываемая деталь должна покрываться тонким слоем раствора.

Чрезмерно интенсивная подача жидкости в зону наплавки может вызвать образование микротрещин в наплавленном металле; при недостаточном охлаждении детали возможно окисление металла.

По опыту работы ремонтных предприятий для электроимпульсной наплавки деталей дизелей приняты следующие оптимальные режимы:

• Напряжение сварочного тока в 16—18
• Число витков сварочного трансформатора 8
• Амплитуда вибрачии электрода в мм 1,5
• Скорость подачи проволоки в м/час 48—60
• Окружная скорость детали в м/час 48
• Скорость перемещения электрода вдоль оси детали в мм/об 2