Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса и задачи исследования 16
1.1 Характеристики деталей типа «вал» сельскохозяйственной техники, подлежащих восстановлению 16
1.2 Эксплуатационные свойства восстанавливаемых деталей 19
1.3 Электроконтактные способы восстановления изношенных деталей 21
1.4 Цель и задачи исследований 44
1.5 Выводы 45
2 Исследование процесса формирования сварного соединения при электроконтактной наплавке 48
2.1 Физическая природа соединения металлов при ЭКН 48
2.2 Разработка способа определения прочности сцепления металлопокрытия с основой 52
2.3 Единичная площадка металлопокрытия при ЭКН 59
2.4 Контактные и сварные площадки 63
2.5 Условия формирования соединения при ЭКН. Зона формирования сварного соединения 71
2.6 Исследование кинетики образования сварного соединения 76
2.7 Состояние присадочной проволоки при ЭКН 79
2.8 Особенности формирования соединения при ЭКН легированных сталей 85
2.9 Определение оптимальных размеров ролика-электрода 87
2.10 Разработка способа определения износа ролика-электрода 88
2.11 Тепловой баланс при формировании сварных площадок 93
2.12 Математическая модель формирования сварного соединения 95
2.12 Выводы 95
3 Методика экспериментального исследования 100
3.1 Общая методика 100
3.2 Экспериментальные установки и оборудование 100
3.2.1 Установки для ЭКН изношенных деталей (валов) 100
3.2.2 Установка для электромеханического упрочнения 105
3.2.3 Устройство для упрочнения валов механическим наклепом роликом 108
3.2.4 Машины для усталостных испытаний 108
3.2.5 Установка для определения характеристик упругости наплавленного металла 111
3.2.6 Установка для определения остаточных напряжений 112
3.3 Планирование экспериментов и обработка экспериментальных данных 116
3.4 Методика металлографических исследований 117
3.5 Методика исследования прочности сварного соединения металлопокрытия с основой 119
3.6 Методика определения износостойкости наплавленного металла 122
3.7 Методика определения характеристик упругости наплавленных образцов 126
3.8 Методика определения остаточных напряжений 128
3.9 Методика исследования усталостной прочности наплавленных образцов 143
3.10 Методика определения ударной вязкости наплавленных образцов 150
3.11 Методика определения износа ролика-электрода 154
4 Результаты экспериментальных исследований и их обсуждение 155
4.1 Результаты отсеивающего эксперимента 155
4.2 Влияние технологических факторов процесса ЭКН на прочность сварного соединения металлопокрытия с основой 161
4.3 Исследование влияния технологических факторов процесса ЭКН на твердость, структурную однородность и износостойкость металлопокрытия 168
4.4 Металлографические исследования структуры наплавленного металла и зоны термического влияния 178
4.5 Характеристики упругости металлопокрытия и остаточные напряжения 199
4.6 Усталостная прочность наплавленных и упрочненных образцов 213
4.7 Ударная вязкость наплавленных электроконтактными способами образцов 219
4.8 Исследование процесса изнашивания роликов-электродов 221
4.9 Эксплуатационные испытания деталей, восстановленных ЭКН 223
4.10 Выводы 225
5 Разработка технологии восстановления валов 228
5.1 Выбор режимов наплавки 228
5.1.1 Шаг наплавки по винтовой линии 228
5.1.2 Длительность импульсов тока 230
5.1.3 Длительность пауз между импульсами тока 230
5.1.4 Окружная скорость вращения детали 231
5.1.5 Определение усилия на ролике-электроде 233
5.1.6 Определение тока наплавки 235
5.1.7 Режим охлаждения 238
5.2 Основы проектирования технологических процессов восстановления автотракторных валов электроконтактной наплавкой проволокой 239
5.3 Системы автоматического управления процессом ЭКН 246
5.3.1 Регулирование процесса наплавки цилиндрических поверхностей246
5.3.2 Регулирование процесса наплавки конических и фасонных поверхностей 252
5.4 Способ электроконтактной наплавки с уменьшенным шагом 255
5.5 Разработка конструкций роликов-электродов для электроконтактной наплавки 258
5.6 Широкослойная наплавка валиков различной ширины одной электродной лентой 263
5.7 Технико-экономическая эффективность восстановления
автотракторных валов электроконтактной наплавкой проволокой 268
5.8 Выводы 279
Общие выводы 281
Литература 286
Приложения 315
- Эксплуатационные свойства восстанавливаемых деталей
- Разработка способа определения прочности сцепления металлопокрытия с основой
- Экспериментальные установки и оборудование
- Влияние технологических факторов процесса ЭКН на прочность сварного соединения металлопокрытия с основой
Введение к работе
Актуальность проблемы. Одним из главных составляющих звеньев технического обслуживания и ремонта машин является восстановление изношенных деталей.
С полным основанием к числу прогрессивных и ресурсосберегающих способов восстановления можно отнести электроконтактные. Эти способы, основанные на методе шовной сварки, выгодно отличаются от электродуговых малым нагревом детали, отсутствием выгорания легирующих элементов, минимальными припусками на последующую механическую обработку наплавленного металла и др. При электроконтактных способах восстановления в качестве присадочных материалов могут применяться стальные ленты и проволоки, а также металлические порошки.
Проволоки удобны, доступны и недороги, не требуют предварительной подготовки или раскроя. Промышленностью выпускается самая широкая номенклатура проволок различного химического состава. Однако данный присадочный материал применяется для восстановления изношенных деталей типа «вал» реже, чем ленты и порошки. Объясняется это во многом несовершенством существующей технологии восстановления. Сварное соединение металлопокрытия с основным металлом детали при электроконтактной наплавке (ЭКН) формируется без образования общей сварной ванны, в твердой фазе. Поэтому прочность формируемого соединения в значительной степени зависит от технологических режимов наплавки. Отсутствуют простые, применимые в условиях сельскохозяйственных ремонтных предприятий методы контроля качества сварного соединения. Недостатками электроконтактной наплавки также являются неоднородность структуры металлопокрытия, повышенный износ инструмента – ролика-электрода и др.
В связи с изложенным, обоснование технологических процессов и разработка технических средств восстановления автотракторных деталей ЭКН стальных проволок является актуальной научно-технической проблемой.
Цель работы. Повышение эффективности и качества восстановления изношенных деталей на основе совершенствования технологического процесса электроконтактной наплавки стальных проволок и разработки нового технологического оборудования.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Провести анализ современного состояния восстановления деталей электроконтактными способами.
2. Разработать эффективный неразрушающий способ определения прочности сварного соединения присадочного и основного металлов.
3. Провести теоретические и экспериментальные исследования процесса пластической деформации присадочной проволоки с учетом действующих сил и возникающих напряжений, установить на этой основе закономерности, условия и разработать математическую модель формирования соединения покрытия с основным металлом, определить возможности повышения качества восстановления деталей.
4. Исследовать влияние технологических режимов ЭКН на качественные показатели и свойства сформированных металлопокрытий, эксплуатационные характеристики восстановленных валов.
5. Разработать и модернизировать наплавочное оборудование в части создания новых конструкций инструментов – роликов-электродов с повышенной износостойкостью их рабочих поверхностей, а также систем автоматического регулирования процесса наплавки.
6. Разработать и внедрить в производство типовой технологический процесс восстановления деталей типа «вал» электроконтактной наплавкой проволокой из углеродистых и легированных сталей, оценить его технико-экономическую эффективность.
Объект исследования. Технологический процесс восстановления деталей типа «вал» сельскохозяйственной техники электроконтактной наплавкой проволокой.
Предмет исследования. Закономерности формирования металлопокрытия электроконтактной наплавкой стальных проволок.
Научную новизну исследований составляют:
1. Результаты теоретических и экспериментальных исследований образования соединения покрытия с основным металлом, что позволило построить математическую модель процесса (св. рег.2006614259) и установить основные закономерности формирования металлопокрытия при ЭКН. А именно:
– решение задачи пластической деформации присадочной проволоки при ЭКН с учетом действующих сил и возникающих напряжений, позволившее разработать новые способы определения геометрических параметров деформации – единичной площадки металлопокрытия (пат. 2220829), размеров контактов присадочного металла с деталью и инструментом, перекрытия контактных площадок по длине валика (пат. 2263565);
– установленные связи между осевой деформацией присадочной проволоки и прочностью сцепления покрытия с основой в виде зависимостей (2), что позволило разработать оперативный способ определения качества (прочности) сварного соединения (а.с. 641306), осуществимый на рабочем месте оператором-наплавщиком;
– условие формирования при ЭКН соединения в твердой фазе в виде зависимости (13), связывающей действующие в присадочном металле осевые растягивающие напряжения с пределом сопротивления пластической деформации, позволившее исследовать кинетику процесса образования соединения металлопокрытия с основным металлом детали (пат.2278009, 2338635);
– новый расчетный способ определения температуры нагрева присадочного металла по осевой деформации присадочной проволоки при ее наплавке (пат.2315683), позволивший установить, что при оптимальных режимах ЭКН температура нагрева и предел сопротивления деформации присадочного металла совпадают с аналогичными параметрами при горячей обработке металлов давлением;
– способ определения износа ролика-электрода (пат.2284888), основанный на замерах параметров деформации присадочной проволоки при ее наплавке на одинаковых режимах изношенным и неизношенным инструментом, что позволило исследовать износостойкость различных электродных материалов в условиях ЭКН и разработать ряд конструкций роликов-электродов, рабочие поверхности которых защищены от износа сеткой (пат.880662) или проволокой (пат.1530380) из жаропрочных материалов, или же сменными элементами из медной фольги (пат.2307009, 2355534);
– новые способы автоматического регулирования процесса ЭКН (а.с.923064, 1434640), при которых в качестве контролирующего и управляющего параметра при ЭКН цилиндрических поверхностей используют среднюю скорость затягивания присадочной проволоки в зону формирования соединения, а при наплавке конических и фасонных поверхностей – отношение разности скоростей затягивания проволоки и линейной скорости наплавляемой поверхности к последней.
2. Установленные закономерности влияния технологических факторов режима ЭКН на прочность сцепления металлопокрытия с основой, физико-механические характеристики, структуру, твердость, износостойкость, ударную вязкость наплавленного слоя, усталостную прочность восстановленных валов.
3. Теоретические и экспериментальные исследования по разработке научно обоснованной методики определения рациональных режимов наплавки присадочных проволок из углеродистых и легированных сталей.
Положения, выносимые на защиту.
1. Теоретическое обоснование процесса пластической деформации присадочной проволоки при восстановлении деталей типа «вал» ЭКН.
2. Модель формирования сварного соединения покрытия с основным металлом детали при электроконтактной наплавке.
3. Экспериментальная оценка структуры, свойств и качества сформированных металлопокрытий и восстановленных деталей.
4. Результаты теоретических и экспериментальных исследований по совершенствованию и разработке конструкций инструментов – роликов-электродов.
5. Методика определения оптимальных режимов ЭКН валов присадочными проволоками различного диаметра из углеродистых и легированных сталей.
Практическую значимость представляют:
– эффективный способ определения прочности сцепления покрытия с основным металлом вала (а.с. 641306);
– рекомендации по проектированию технологических процессов восстановления изношенных деталей типа «вал» и научно обоснованная методика выбора режимов восстановления наружных цилиндрических поверхностей присадочными проволоками различного диаметра и химического состава;
– новые конструкции роликов-электродов (а.с. 880662; а.с. 1530380; пат. 2307009; пат. 2355534) с повышенной износостойкостью рабочих поверхностей;
– способы автоматического регулирования процесса ЭКН (а.с. 484060, а.с.1434640);
– способ защиты шпоночных пазов при ЭКН (а.с. 1449305);
– способ ЭКН с уменьшенным шагом наплавки по винтовой линии (пат.2263012).
Реализация результатов работы. Практические рекомендации по проектированию технологических процессов восстановления изношенных деталей ЭКН рассмотрены и одобрены научно-техническими советами министерств сельского хозяйства Республики Башкортостан, Республики Мордовия, Оренбургской, Челябинской и Ульяновской областей и рекомендованы к внедрению.
Оборудование и разработанные технологические процессы восстановления внедрены в Чишминском, Мелеузовском, Зирганском, Имянлекульском ремонтно-технических предприятиях, ООО «Ремонтник» Буздякского района, ООО «Техника» г. Баймака Республики Башкортостан, ООО «Форк-трейд» г.Уфы, ФГУП 487 ЦАРЗ МО РФ, на научно-производственном участке кафедры «Технология металлов и ремонт машин» ФГОУ ВПО «Башкирский ГАУ».
Результаты проведенных исследований используются в девятнадцати вузах Российской Федерации при изучении курсов «Надежность и ремонт машин», «Технология ремонта машин», «Реновация машин и оборудования».
Апробация работы. Материалы диссертационной работы доложены и обсуждены на научно-технических конференция БГАУ(БСХИ) (Уфа, 1974-2009 г.г.), ЧГАУ(ЧИМЭСХ) (Челябинск, 1976 и 1978 г.г.), на всесоюзных, всероссийских и международных конференциях (Челябинск, Уфа, Саранск, Ташкент, 1981-2009 гг.). Получено 22 авторских свидетельства СССР и патентов РФ на изобретения. На программу для ЭВМ «Зона образования сварного соединения в пределах контактных площадок» получено свидетельство об официальной регистрации.
Публикации. По результатам работы над диссертацией опубликовано 53 работы, в том числе 20 статей в изданиях, рекомендованных ВАК для публикации материалов диссертаций на соискание ученой степени доктора наук.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 282 страницах машинописного текста, содержит 27 таблиц, 123 рисунка. Список литературы включает 260 источников.
Эксплуатационные свойства восстанавливаемых деталей
Общие требования к надежности восстанавливаемых деталей регламентированы ГОСТ 18523-79 и ГОСТ 18524-85 [7]. Согласно этим стандартам, номенклатура показателей качества восстановленных деталей должна соответствовать номенклатуре показателей качества новых деталей. Практика использования восстановленных различными способами деталей машин показывает, что они выходят из строя по тем же причинам, что и не восстановленные детали.
Основными причинами утраты работоспособности деталей машин являются: 1) недостаточная их прочность, приводящая к поломкам при больших эпизодических нагрузках; 2) изнашивание, вызывающее искажение геометрических форм деталей и правильности их взаимного положения, рост зазоров сверх допустимых значений и снижение прочности; 3) усталость металла, вызывающая разрушение поверхностного слоя или появление глубоких трещин и поломок; 4) совместное влияние изнашивания и усталости [7,17,25-27 и др.]. Практика ремонта сельскохозяйственной техники показывает, что большая часть деталей типа «вал», установленных на тракторах, автомобилях и сельскохозяйственных машинах, являются ответственными и дорогостоящими.
К указанным выше причинам выхода из строя реставрированных деталей необходимо также добавить еще и потери ими работоспособности вследствие недостаточной прочности сварного соединения металлопокрытия с основным металлом детали. Многие ответственные восстановленные детали теряют служебные качества не только в результате изнашивания, но и выкрашивания или откалывания части металла по причине недостаточной прочности соединения покрытия с основным металлом детали и разрушения поверхностных слоев в результате усталости.
Высокая прочность сварного соединения покрытия с основным металлом детали необходима для обеспечения работоспособности как подвижных, так и неподвижных соединений деталей. Так, с ростом зазора в сопряжении нагрузка приобретает ударный характер, что при недостаточной прочности соединения приводит к отслоениям, отколам и выкрашиваниям покрытий. Тем более важно обеспечить достаточную прочность сварного соединения для обеспечения нормальной работы соединения с гарантированным натягом.
Особенно актуальна проблема обеспечения высокой прочности сварного соединения покрытия с основой при электроконтактной наплавке, при которой образование соединения происходит без оплавления контактирующих поверхностей.
Без обеспечения качественного соединения покрытия с основным металлом детали нельзя заниматься вопросами повышения износостойкости и усталостной прочности восстановленных валов, т.е. проблема обеспечения высокой прочности сварного соединения при электроконтактной наплавке является наиболее важной, первоочередной.
Таким образом, можно заключить, что работоспособность и долговечность восстановленных автотракторных деталей типа «вал» определяется тремя важнейшими эксплуатационными характеристиками — прочностью сцепления покрытия с основой, износостойкостью и усталостной прочностью.
В то же время очень важны такие свойства металлопокрытий, как их пластичность, вязкость, теплопроводность и многие другие. Однако обычно они не проявляются непосредственно, а выражаются через три указанные выше важнейшие эксплуатационные свойства восстановленных деталей [15].
Для обеспечения надежности восстанавливаемых валов необходимо, восстанавливая их ресурс, стремиться улучшить все показатели качества реставрированных деталей. Большие резервы повышения качества заключаются в модернизации и совершенствовании технологических процессов восстановления изношенных деталей.
Разработка способа определения прочности сцепления металлопокрытия с основой
Как было показано в параграфе 1.3, при рассматриваемом виде наплавки первостепенное значение приобретают вопросы контроля качества прочности соединения покрытия с основой. Необходим способ простой и оперативный способ определения качества сварки, осуществимый в производственных условиях сельскохозяйственных ремонтных предприятий.
При ЭКН, как и при любом виде сварки давлением, кинетика развития взаимодействия основного и присадочного металлов соответствует и определяется кинетикой их пластической деформации. Легко контролируемая деформация проволоки может служить основным показателем качества (прочности) сварного соединения. Поэтому в основе изыскиваемого способа определения прочности сварного соединения покрытия с деталью должны лежать замеры параметров деформации присадочной проволоки.
Приведенные ниже расчетные зависимости теории соединения металлов в твердой фазе [37,49,83] вполне применимы для описания формирования соединения при ЭКН, они важны как для понимания процессов, присущих этому виду наплавки, так и для дальнейших наших рассуждений и экспериментов.
Анализ микроструктуры (рисунок 2.1) показывает, что зона соединения . металлопокрытия с основой представляет собой ориентированную в плоскости контакта границу. По снимку можно заметить, что в данном случае общих зерен или каких-либо новых фаз в зоне соединения не образовалось. В результате объемного взаимодействия установились химические связи атомов соединяемых поверхностей, и произошла частичная релаксация напряжений. Релаксация позволила сохранить установившиеся металлические связи после снятия внешней нагрузки.
Известно [37,83], что скорость роста прочности сварного соединения в этом случае определяется зависимостью где а- безразмерная прочность соединения в относительных единицах, представляющая собой отношение прочности сцепления при каком-либо конкретном режиме наплавки к максимально возможной прочности; — площадь в м2 одного активного центра, зависящая от энергии и выносимой дислокации при образовании активного центра и от высоты энергетического барьера О, при достижении которого в пределах отдельного активного центра образуются межатомные связи; Я— частота образования активных центров в с"1 -м"2, которую можно выразить в виде [126,127] В (2.2) (0 - скорость деформации, с"1; Ь- расстояние между дислокациями, м; I = 1/д/р, (р— плотность дислокаций, м"2); Ь— модуль вектора Бюргерса, м.
Несмотря на всю важность уравнения роста прочности сварного соединения (2.3), исследователей гораздо больше интересует вытекающая отсюда связь прочности соединения & и параметров деформации е.
Уравнение (2.3) при исследованиях различных технологических процессов сварки давлением интегрируется в очень редких случаях, практически всегда количественные связи между параметрами е и а определяются экспериментально [49,123,128 и др.].
Математически правильно проинтегрировать уравнение роста прочности сварного соединения для условий ЭКН нам видится невозможным. Причина в том, что ни один из членов правой части этого уравнения заранее не известен. В литературе нет значений 5, Ь, Ь по различным видам материалов для конкретных условий ЭКН. Известны значения этих параметров только для некоторых химически чистых материалов в условиях сверхвысокого вакуума. Заранее, до интегрирования, неизвестна и зависимость скорости деформации ё от длительности прохождения импульса тока. Кроме того, присадочный металл проволоки испытывает при ЭКН сложную и неоднородную трехмерную пластическую деформацию, и что понимать под е в уравнении (2.3) совершенно непонятно.
По всем этим причинам интегрирование, выполненное Ю.В. Клименко в работе [37], видится нам некорректным.
В работе [129] описываются опыты по стыковой сварке на воздухе прутков диаметром 10 мм из аустенитной и ферритных сталей при постоянной температуре 180С. Степень деформации при этом определялась «коэффициентом площадки» где Ак- конечная площадь сечения стыка (с учетом образовавшегося наплыва); Аи - исходное сечение свариваемых прутков. Эксперименты показали, что прочность сварного соединения тесно коррелированна с Кпл. Аналогичные данные, подтверждающие наличие связей между прочностью сварного соединения и степенью деформации в плоскости стыка при различных способах сварки без расплавления, получены и другими авторами, например [130].
В подавляющем большинстве исследований процесса ЭКН в качестве контролируемого параметра пластической деформации присадочной проволоки используется радиальная составляющая пластической деформации. Использование осадки присадочной проволоки в качестве измеряемого и контролируемого параметра нам кажется методически неудачным по следующим причинам.
Во-первых, радиальную деформацию присадочной проволоки трудно замерить при непрерывной наплавке детали по винтовой линии с перекрытием (наложением) смежных сварных валиков. Ее можно замерить достаточно точно только в том случае, если наварить на деталь одну неперекрываемую сварную площадку. Именно так поступают на практике [37,72,83,131 и др.]. Условия нагрева и деформации присадочной проволоки при формировании разрозненных единичных сварных площадок резко отличаются от реальных условий наплавки. В этом случае также не учитывается шунтирование сварочного тока.
Во-вторых, толщина металлопокрытия 5 зависит от шага наплавки Л - чем больше перекрытие смежных валиков - тем больше 3. Радиальная осадка проволоки не характеризует напрямую степень интенсивности деформационных процессов, происходящих в плоскости стыка присадочного и основного металлов.
Мы впервые обратили внимание на то, что в момент осадки часть присадочного металла выдавливается из-под ролика-электрода в направлении, противоположном направлению затягивания проволоки. Из-за этого средняя скорость оа, затягивания присадочной проволоки оказывается существенно меньше окружной скорости иа вращения вала, а длина наплавленного валика Ьв значительно больше длины проволоки ЬпР, затраченной на формирование этого валика. Иными словами, присадочная проволока испытывает осевую деформацию, величина которой зависит от режимов наплавки. Относительная осевая деформация проволоки при наплавке равна
Осевая составляющая деформации легко и достаточно точно определяется при наплавке присадочной проволоки на вал по винтовой линии. Именно эта составляющая наилучшим образом характеризует перемещение присадочного металла в плоскости стыка. Немаловажно и то, что осевое удлинение присадочной проволоки, в большей степени, чем пластическая деформация в радиальном направлении, учитывает полноту стадии релаксации напряжений в зоне сварки. Действительно, с увеличением длительности импульса тока полнее проходят релаксационные процессы и одновременно возрастают длины сварных площадок.
Экспериментальные установки и оборудование
Большая часть экспериментальных исследований была выполнена на спроектированной и изготовленной в Башкирском ГАУ экспериментальной наплавочной установке. При конструировании такой установки ЭКН использовались литературные данные [37,151-153 и др.]. Лабораторная установка выполнена по основной технологической схеме наплавки с подводом тока к детали через патрон (рисунок 1.6,а). В наплавочной установке была применена электрическая часть серийной машины шовной сварки. Выбор именно этой схемы объясняется ее простотой, технологичностью и надежностью.
Установка базируется на токарно-винторезном станке. Для снижения числа оборотов шпинделя станка в цепь главного движения включен червячный редуктор. Использование электродвигателя постоянного тока позволяет бесступенчато регулировать скорость наплавки. Наплавочная головка установлена на суппорте станка, силовой трансформатор установлен над передней бабкой.
На рисунке 3.2 показана наплавочная головка. Она состоит из укрепленного на основании узла подвески наплавляющего ролика-электрода, механизма нагружения, представляющего собой тарированную пружину, направляющего наконечника.
Лабораторная установка питается от сварочного трансформатора 5, в первичную цепь которого включен тиристорный прерыватель тока 6, обеспечивающий включение тока синхронно с питающей сетью (на одной и той же точке волны напряжения) и отключение при нулевом значении. Применение такого прерывателя позволяет получить высокое качество и однообразие сварных площадок и значительно снижает броски напряжения на обмотках сварочного трансформатора. При помощи электронного амперметра марки АСУ-1м с датчиком-тороидом 8 замерялось амплитудное и действующее значение импульса тока во вторичной цепи сварочного трансформатора. Падение напряжения на участке патрон - ролик-электрод замерялось вольтметром 9.
Для осциллографирования тока и падения напряжения на участке патрон - ролик-электрод применялся шлейфовый осциллограф 10 марки Н-700. Сигнал «падение напряжения» при этом снимался со скользящих контактов от ролика- электрода и патрона станка, а «сварочный ток» с шунта 11, включенного в первичную цепь трансформатора.
На рисунке 3.4 показана осциллограмма тока (1) и падения напряжения (и)
Наиболее важной и ответственной частью наплавочной головки является ролик-электрод, который должен изготавливаться из жаропрочных материалов с высокой электро- и теплопроводностью. В использованной нами наплавочной установке ролик-электрод представлял собой диск диаметром 300 мм и толщиной 10 мм из сплава Бр.НБТ, обладающего высокой электропроводностью и максимальной для бронз износостойкостью.
Окончательные эксперименты по отработке технологических процессов восстановления изношенных валов проводились на серийной наплавочной установке 011-1-02 конструкции ГОСНИТИ. Установка выполнена по двухроликовой схеме аплавки. Фотография используемой установки приведена на рисунке 3.5.
Принципиальная схема установки для электромеханического упрочнения деталей типа «вал» показана на рисунке 3.6. Установка монтируется на токарном станке. От питающей сети 380 В ток проходит через понижающий трансформатор, затем через контакт деталь - инструмент. Сила тока регулируется в зависимости от величины контакта, состояния поверхности, требований к качеству поверхностного слоя и глубине упрочнения детали [33].
На рисунке 3.7 показан общий вид установки для электромеханического упрочнения, а на рисунке 3.8 приведена фотография инструмента. Сглаживающе-упрочняющий инструмент представляет собой пружинную оправку с твердосплавным роликом. Боковые пластины пружины предохраняют инструмент от боковых вибраций и сдвигов в процессе обработки. Рабочее давление создается винтом поперечного суппорта
Влияние технологических факторов процесса ЭКН на прочность сварного соединения металлопокрытия с основой
Целью металлографических исследований было подтверждение теоретических и экспериментальных исследований по изучению влияния условий формирования металлопокрытия ЭКН проволокой на качественные показатели восстановления. Для этого выявлялись структурные составляющие наплавленного слоя и зоны термического влияния, изучалось влияние технологических параметров режима, а также последующего упрочнения на характер образования и качество соединения металлопокрытия с основой, глубину зоны термического влияния, наличие дефектов металлопокрытия, структурную неоднородность металлопокрытия.
Известно [209,210], что структурные превращения в сталях зависят от их химического состава, предварительной термообработки и наклепа, термического или термомеханического цикла нагрева и охлаждения.
При исследованиях структурных превращений при ЭКН, подчиняющихся общим закономерностям термообработки, необходимо учитывать и некоторые особенности процесса, оказывающие существенное влияние на структуру и свойства металлопокрытия и зоны термического влияния. 1. Нагрев присадочного металла и ЗТВ при ЭКН осуществляется внутренним источником тепла.
При нагреве методом электросопротивления тепловая энергия выделяется одновременно во всех элементах электрической цепи. Одновременно происходят фазовые превращения по всему объему сварной площадки. Наиболее же интенсивно выделяется тепло вокруг карбидных включений и на границах раздела фаз вследствие неравномерной плотности тока по сечению образца.
Поэтому при нагреве внутренним источником тепла происходит ускоренное превращение перлита углеродистых сталей в аустенит [211]. Практически мгновенное полное аустенитное превращение присадочного и основного металлов в зоне наплавки способствует формированию соединения контактных площадок с металлом основы [37]. 2. Нагрев и охлаждение присадочного металла и ЗТВ происходят с очень большими скоростями. Представление об этих скоростях дает осциллограмма термического цикла присадочного металла, приведенная на рисунке 2.15.
При электродуговых способах сварки и наплавки при температурах выше критических в металле сварного шва успевает произойти выравнивание распределения углерода по всему объему аустенита. В условиях ЭКН, где продолжительность пребывания металла при температуре выше Асз очень мала, металлопокрытие и ЗТВ могут иметь резко выраженную неоднородность вследствие неполного протекания диффузионных процессов. 3. Наплавка валов производится по винтовой линии с перекрытием смежных валиков металлопокрытия.
Термическое воздействие наплавляющего ролика и наносимых с перекрытием по ширине смежных валиков вызывают образование в металлопокрытии и основном металле вала зон с разными структурными составляющими.
Ввиду указанных особенностей процесса структура металлопокрытия при ЭКН очень специфична и резко отличается от классических структур углеродистых сталей после обычных видов термообработки.
На рисунке 4.10 приведена фотография поверхности, наплавленной на оптимальном режиме. Поверхность образца ровная и плотная. Визуальным осмотром дефекты металлопокрытия в виде трещин, пустот, непроваров и т.д. не обнаруживаются. Наплавленная поверхность хорошо обрабатывается шлифованием, при механической обработке не происходит отслоения и шелушения нанесенного металлопокрытия. Результаты магнитной дефектоскопии шлифованных образцов, проведенной мокрым способом на установке 77ПМД-Зм, также свидетельствуют об отсутствии поверхностных дефектов.
Качество сварки металлопокрытия с основой проверялось на продольных и поперечных шлифах, вырезанных из наплавленных цилиндрических образцов. Визуальные наблюдения и фотографирование, проведенные при различном увеличении на металлографическом микроскопе ZEISS Axiovert 100А, свидетельствуют о высокой прочности сварного соединения покрытия с основным металлом детали при наплавке на найденных оптимальных режимах процесса. В зоне соединения присадочного и основного металлов (рисунки 4.14 и 4.15) отсутствуют непровары или неразрушенные окисные пленки, линия сплавления визуально не просматривается. При оптимальных режимах наплавки в зоне стыка полностью завершаются релаксационные процессы, приводящие к образованию общих зерен в зоне контакта, что, согласно [121], свидетельствует о качественной сварке и повышенной пластичности соединения.
Соединение при ЭКН проволокой на найденных режимах формируется в твердой фазе, температура в плоскости стыка основного и присадочного металлов не достигает температуры плавления. В приведенных на рисунке 4.12 фотографиях сварных соединений зоны оплавления контактируемых поверхностей отсутствуют.
Главным условием качественной сварки давлением пластичных металлов является удаление или растворение плотных окисных и оксидных пленок [121,212,213], чему способствует оптимальное тепловыделение в зоне соединения, а также деформация присадочного и основного металлов [49,121]. Главными же технологическими факторами, определяющими при ЭКН проволокой интенсивность тепловыделения и деформации, как это было показано выше, являются величина тока наплавки и усилие на ролике- электроде (факторы X, и Х6 соответственно). Отклонение значений этих технологических параметров процесса от оптимальных значений приводит к снижению прочности сварного соединения металлопокрытия с основным металлом детали.
Вследствие недостаточного тепловыделения соединение на рисунке 4.12,а некачественное, в зоне стыка хорошо видна неразрушенная окисная пленка. Условия формирования соединения на рисунке 4.12,6 характеризуются повышенным значением усилия прижатия ролика-электрода и малой длительностью прохождения импульса тока. При этих условиях окисная пленка в зоне стыка оказалась разрушенной, но общих зерен в зоне контакта не образовалось, т.е. релаксационные процессы полностью не прошли. При оптимальных условиях наплавки (рисунок 4.12,в) релаксационные процессы проходят полностью и образуются общие зерна в стыке соединяемых поверхностей. Зона соединения при такой наплавке визуально не прослеживается.
