Вибродуговая наплавка

Процесс разработан в Челябинском институте механизации и электрификации сельского хозяйства (ЧИМЭСХ) инж. Г.П. Клековкиным в 1950-1952 гг.

Вибродуговая наплавка (рис. 3.26) отличается тремя особенностями:

  • в цепь нагрузки источника питания включена индуктивность L;
  • напряжение источника питания недостаточно для поддержания непрерывного дугового разряда;
  • электродная проволока совершает колебания относительно детали с частотой 50… 100 Гц и амплитудой 1…3 мм с периодическим касанием наплавляемой поверхности.

схема вибродуговой наплавки

Цикл наплавки (рис. 3.27) состоит из дугового разряда, короткого замыкания и холостого хода.

Введение индуктивности в цепь дуги обеспечивает накопление электрической энергии в индуктивности во время разомкнутого состояния цепи, сдвиг фаз тока и напряжения, поэтому переход тока через нуль происходит при наличии напряжения источника питания и возникновении электродвижущей силы самоиндукции, которая совпадает по направлению с напряжением источника питания. Это обеспечивает повторное возникновение дугового разряда после разрыва сварочной цепи и устойчивое горение дуги.

осциллограма тока и напряжения при вибродуговой наплавке

Электрод и деталь оплавляются во время дугового разряда, при этом на конце электрода образуется капля металла. Мелкокапельный перенос металла на деталь происходит преимущественно во время короткого замыкания. Так как длительность существования дуги составляет -20% времени цикла, то провар основного металла неглубокий, с небольшой зоной термического влияния.

Вибродуговую наплавку ведут под флюсом, в различных газовых средах или в водных растворах. Последний случай наиболее распространен, при этом в зону наплавки подакл охлаждающую жидкость (3…5%-ный раствор кальцинированной соды или 10…20%-ный раствор глицерина в воде). Жидкость выполняет закалку наплавленного слоя, если применяется закаливающийся электродный материал, защищает расплавленный материал от проникновения кислорода и азота воздуха и охлаждает наплавляемую деталь. Расход жидкости 0,5… 1,0 л/мин. Подача ее производится в точку на расстоянии 15…30 мм от места горения дуги.
Однако охлаждение наплавляемой поверхности с высокой скоростью и термическое влияние валиков, наплавленных позже, дают неодинаковую твердость участков поверхности.

Вибродуговая наплавка применяется при восстановлении стальных деталей, работающих в различных условиях при невысоких требованиях к сопротивлению усталости (оси, толкатели).

Вибродуговая наплавка позволяет получать покрытия высокой твердости и износостойкости без последующей термообработки путем применения электродной проволоки нужного состава. Деталь нагревается до температуры < 100°С и не деформируется. Наплавленный металл имеет равномерную толщину и сравнительно ровную и гладкую поверхность. Производительность процесса в 4…5 раз выше, чем при ручной дуговой наплавке. Низкое напряжение процесса обеспечивает безопасность работ.

Марку электродной проволоки выбирают в зависимости от требуемых механических свойств наплавленного металла. При наплавке стальных и чугунных деталей для получения слоя твердости 51…56 HRC применяют проволоку Нп-65, Нп-80. Для получения твердости 37…41 HRC наплавку ведут проволокой Нп-30ХГСА, а твердости I80…240 НВ — проволокой Св-08. Дтя наплавки слоя толщиной до 1 мм берут проволоку диаметром 1,0…1,6 мм, толщиной до 2 мм — 1,6…2,0 мм (табл. 3.54). При наплавке заготовок из серого чугуна ведут двухслойную наплавку проволокой Св-08, при этом расход жидкости составляет 0,02 л/мин.

диаметр электрода и напряжение источника питания в зависимости от толщины наплявляемого металла

Примерные режимы наплавки: ток обратной полярности силой 70…75 А, напряжением 12…30 В, диаметр проволоки 1,6 мм, шаг наплавки 2.3…2,7 мм/об (мм/дв. ход), угол подвода проволоки к детали 15…30°, скорость подачи проволоки < 1,65 м/мин, скорость наплавки 0,50…0,65 м/мин. При токах < 100 А в сварочную цепь последовательно с источником питания включают дополнительную индуктивность 0,4…0,7 мГн.

Свойства покрытий при вибродуговой наплавке могут быть улучшены применением: защитных сред (диоксида углерода, флюсов, водяного пара, пены), порошковых проволок, последующей термической обработкой изделий, обкаткой роликами или ультразвуковым упрочнением.

При разработке технологических процессов вибродуговой наплавки учитывают ряд особенностей. Первый и последний валики наплавляют на цилиндрические поверхности при отключенной подаче. При консольном закреплении детали наплавку ведут от свободного конца к патрону. Галтели детали наплавляют в последнюю очередь. Резьбовые поверхности наплавляют без подачи охлаждающей жидкости. При шаге резьбы > 1,5 мм шаг наплавки устанавливается равным шагу резьбы. Для наплавки эксцентриков используют копирные устройства, а вылет электродов назначают на 2…3 мм больше величины эксцентриситета. Шлицы глубиной < 1,5…2,0 мм наплавляют при вращении детали, а более крупные шлицы — с подачей головки вдоль оси детали. В последнем случае после наплавки каждого валика деталь поворачивают примерно на 180° относительно ее оси и наплавляют паз на противоположной стороне детали. Прием исключает деформации детали.

Для вибродуговой наплавки применяют источники питания с жесткой внешней характеристикой: генераторы АДН-500/250, выпрямители ВС-300, ВС-600, преобразователи ПД-305, ПСГ-500, а также дроссели типа А-780 или А-855 конструкции ИЭС им. Е.О. Патона, дроссели РСТЭ-24 или РСТЭ-34 от сварочных трансформаторов СТЭ-24, СТЭ-34 или дроссельную обмотку трансформатора СТН-500. При использовании указанных дросселей для получения нужного значения индуктивности следует сделать отводы от верхнего ряда обмотки через один-два витка для последующей их коммутации.

Разработаны специализированные установки УД-144, УД-209, УД-283, УД-284, ОКС-27414, ОКС-27508, наплавочные станки УД-143, ОКС-11336 ГОСНИТИ, в том числе универсальный станок У-653. Специальные наплавочные головки ОКС-6569М и ОКС-1252 обеспечивают подачу наплавочной проволоки и ее вибрацию. Эти головки могут работать также в режиме наплавки в среде защитного газа и под слоем флюса при нанесении покрытий на наружные и внутренние поверхности. Скорость подачи электродной проволоки составляет 0,52…4,5 м/мин. Габаритные размеры устройств 730x300x700 мм, масса 60 кг.

Недостатки процесса следующие:

— снижение усталостной прочности до 60 % из-за образования закалочных структур в материале, вызывающих растягивающие напряжения
и неоднородность твердости (в местах перекрытия точек сварки в результате отпуска твердость снижается);

— наличие пор в покрытии но причине быстрого перехода металла из жидкого состояния в твердое.