Содержание к диссертации
Введение
1. НАПЛАВКА БРОНЗЫ НА СТАЛЬ. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ
1.1. Способы изготовления биметаллических деталей 10
1.2. Наплавка бронзы на сталь открытой дугой 15
1.2.1. Вибродуговая наплавка .15
1.2.2. Автоматическая широкослойная наплавка косвенной дугой 18
.1.3. Проблемы дуговой наплавки 23
1.3.1. Эмиссия первичных электронов из катода .21
1.3.2. Экспериментальные исследования основных характеристик катодного пятна электрической дуги 26
1.3.3 Анодное пятно 29
1.4. Цель работы и задачи исследования...'. 29
2. ХАРАКТЕРИСТИКИ КАТОДНОГО И АНОДНОГО ПЯТЕН И ИХ СВЯЗЬ С ЗАЖИГАНИЕМ И ЭЛАСТИЧНОСТЬЮ ОТКРЫТОЙ СВАРОЧНОЙ ДУГИ 33
2.1. Характеристики катодного и анодного пятен открытой сварочной дуги 31
2.1.1. Катодное пятно 33
2.1.2. Анодное пятно , 44
2.2. Зажигание и переход к устойчивому режиму горения открытой сварочной дуги 44
2.3. Эластичность дуги 53
Выводы по главе 2 62
3. ВЛИЯНИЕ ПЛОТНОСТИ ТОКА В АКТИВНЫХ ПЯТНАХ ОТКРЫТОЙ СВАРОЧНОЙ ДУГИ НА КАТОДНОЕ И АНОДНОЕ ПАДЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЙ 64
3.1. Условия существования активных пятен открытой сварочной дуги 64
3.2. Влияние плотности тока в активных пятнах открытой сварочной дуги на катодное и анодное падения напряжений 69
3.3. Определение минимальных значений катодного и анодного падений напряжений 77
3.3.1. Катодное падение напряжения 77
3.3.2. Анодное падение напряжения 81
3.4. Экспериментальная методика определения катодного и анодного падения напряжений 85
Выводы по главе 3 92
4. ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССОВ РУЧНОЙ И МЕХАНИЗИРОВАННОЙ НАПЛАВКИ БРОНЗЫ НА СТАЛЬ ОТКРЫТОЙ ДУГОЙ ПРОВОЛОКОЙ Бр.КМц 3-1 94
4.1. Формирование наплавленного и проплавление основного металла при наплавке отельными валиками 94
4.2. Определение условий образования общей ванны жидкого металла при широкослойной наплавке , 103
4.3. Влияние тока наплавки на глубину проплавлення основного металла 106
4.4. Защита наплавленного металла от окисления кислородом воздуха при ручной и механизированной наплавке открытой дугой проволокой Бр.КМц 3-1 : 112
4.5. Пористость в металле, наплавленном открытой дугой проволокой Бр.КМц 3-1 114
Выводы по главе 4 120
5. ТЕХНОЛОГИЯ И ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ РУЧНОЙ И МЕХАНИЗИРОВАННОЙ НАПЛАВКИ ОТКРЫТОЙ ДУГОЙ ПРОВОЛОКОЙ Бр.КМц 3-1 121
5.1. Особенности процесса ручной и механизированной наплавки 121
5.2. Свойства наплавленного металла 122
5.3. Разработка технологии ручной и механизированной наплавки бронзы Бр.КМц 3-1 на сталь открытой дугой 126
5.4. Примеры применения ручной и механизированной наплавки открытой дугой проволокой Бр.КМц 3-1 в производстве 132
Выводы по главе 5 137
Общие выводы 138
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 142
ЛИТЕРАТУРА 143
ПРИЛОЖЕНИЕ. АКТЫ ВНЕДРЕНИЯ 154
- Способы изготовления биметаллических деталей
- Характеристики катодного и анодного пятен открытой сварочной дуги
- Условия существования активных пятен открытой сварочной дуги
Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время в промышленности России нашли применение способы нацдавки бронзы на сталь открытой дугой проволокой сплошного сечения Бр.КМц 3-1 (вибродуговой и автоматической широкослойной косвенной дугой). Эти способы имеют существенные преимущества перед другими способами наплавки, прежде всего, отсутствие защитных сред (флюса, защитных газов) при наплавке. Однако эти способы применяются в массовом производстве и требуют применения специального обо-рудования.
В настоящее время многие машиностроительные заводы России переходят на серийное и мелкосерийное производство. Такую структуру производства требуют рыночные условия. Поэтому применение универсальных способов наплавки и оборудования - веление времени. К таким способам наплавки относятся ручная и механизированная (полуавтоматическая) наплавка. Поэтому способы ручной и механизированной наплавки бронзы на сталь открытой дугой проволокой Бр.КМц 3-І в условиях серийного и особенно мелкосерийного производства должны быть эффективными.
Открытая сварочная дуга горит в условиях, отличающихся от условий горения дуги при-.наличии покрытия на электроде, флюса в зоне дуги и за-щитных газов. Известно [71,72,73 и др.], что многие процессы, такие как зажигание, устойчивое горение, обрыв дуги и др., определяются процессами, протекающими в катодной области дуги. Поэтому изучение этих процессов в условиях горения открытой сварочной дуги имеет научное и. практическое значение. Наплавка открытой дугой проволокой Бр.КМц 3-1 производится на обратной полярности. При этом катодное пятно свободно формируется на пластине, а анодное пятно - на торце проволочного электрода в сжатых условиях. В этом случае изучение поведения активных пятен"позволяет" оценить их влияние на катодное и анодное падения напряжений. Процесс формирования наплавленного и проплавлення основного металла, механизм за-
щиты жидкого металла от кислорода воздуха, образование пор в металле при ручной и механизированной наплавке открытой дугой проволокой сплошного сечения также требуют дополнительных исследований.
Таким образом, от решения вышеперечисленных задач в значительной степени зависит успешное внедрение ручной и механизированной наплавки бронзы БрКМц 3-1 на сталь открытой дугой в производство. Цель работы На основании результатов исследований катодных и анодных процессов, формирования наплавленного и проплавление основного металла разработать технологию ручной и механизированной (полуавтоматической) наплавки бронзы на сталь открытой дугой проволокой сплошного сечения Бр.КМц 3-1, обеспечивающей снижение расхода цветного металла и повышение эффективности наплавки.
Основные научные результаты, полученные в работе при горении открытой сварочной дуги между стальной пластиной (катод) проволочным электродом Бр.КМц 3-1, заключаются в следующем.
1. С учетом ячеечного строения катодного пятна экспериментально уста
новлено, что при высокой плотности тока в ячейках катодного пятна
(5x10 А/см") эмиссия первичных электронов с катода обеспечивается за
счет высокой напряженности электрического поля у катода
(1,4x10 В/см ). Полученные результаты свидетельствуют в пользу тео
рии автоэлектронной эмиссии, что подтверждается данными других ав
торов.
2. В катодном пятне необходимо различать три структурных составляю
щих: катодное пятно, автономные пятна и ячейки. В анодном пятне -
две структурных составляющих: анодное пятно и автономные пятна.
Автономные катодные и анодные пятна при длительном горении дуги
сливаются вследствие образования общей ванны жидкого металла.
3. С учетом ячеечного строения катодного пятна предложен механизм
зажигания и переход к устойчивому режиму горения дуги, позволяю-
щий объяснить весь интервал плотностей тока от 10 до 10 А/см , применяемых при горении дуги между плавящимися электродами.
Обрыв сварочной дуги, горящей между плавящимися электродами, происходит при условии, когда величина разрывного тока достигнет половине максимального сварочного тока, а- величина ячеечного тока во всех ячейках катодного пятна достигнет порогового.
Экспериментально установлено, что с увеличением тока дуги и плотности тока в катодных и анодных пятнах катодное и анодное падения напряжений повышаются на участках возрастающих характеристик плотностей тока от тока дуги.
Плотности тока на проволочных электродах (анодах), диаметры которых меньше, чем диаметры отпечатков анодных пятен при данном токе и свободном формировании не могут быть выше плотности тока в отпечатках анодных пятен при их свободном формировании на участке возрастающей характеристики плотности тока от тока дуги.
Разработана экспериментальная методика для определения влияния плотности тока в активных пятнах дуги на катодное и анодное падения напряжений, позволяющая разделить суммы катодного и анодного падения напряжений на составляющие.
На зашиту выносятся следующие результаты, полученные при исследовании открытой сварочной дуги, горящей между стальной пластиной (катод) и проволочным электродом Бр.КМц 3-1.
Структура, геометрические и физические характеристики катодного и анодного пятен, величины порогового и ячеечного тока, плотность тока в ячейке катодного пятна, структурные составляющие катодных и анодных пятен, напряженность электрического поля у катода.
Механизмы эмиссии первичных электронов из катода, зажигания и обры-ва дуги.
Методики определения плотностей тока в активных пятнах дуги, катодного и анодного падения напряжений, а также разделение суммы катодного и анодного падения напряжений на составляющие.
Технология ручной и механизированной (полуавтоматической) наплавки бронзы на сталь открытой дугой проволокой сплошного сечения Бр.КМц 3-і.
Научная новизна работы при исследовании процесса горения открытой сварочной дуги между стальной пластиной (катод) и проволочным электродом Бр.КМц 3-1 состоит в том, что
- экспериментально и расчетами установлено, что извлечение первичных
электронов из катодного пятна, состоящего из отдельных ячеек, обеспечи
вается за счет высокой напряженности электрического поля у катода (ав
тоэлектронная эмиссия);
-определены основные характеристики катодного пятна, пороговый и ячеечный токи, плотность тока в ячейке, структурные составляющие пятна, напряженность электрического поля у катода при горении открытой сварочной дуги;
-с учетом ячеечного строения катодного пятна предложен механизм зажигания и переход к устойчивому режиму горения дуги, позволяющий объ-яснить весь интервал плотностей тока на катоде, применяемых при наплавке (сварке) открытой дугой плавящимися электродами, а также уело-вия обрыва дуги;
- разработана экспериментальная методика для определения влияния
плотности тока в активных пятнах дуги на катодное и анодное падения
напряжений в зависимости от тока дуги, позволяющая разделить суммы
катодного и анодного падений напряжений на составляющие.
Методика исследований. Для исследования структуры, геометрических и
і физических характеристик катодного и анодного пятен, построения статических характеристик дуги и получения автографов катодного пятна применя-
лась специальная импульсная установка. Для получения расчетных результатов применялись современные методики расчета электрического поля у катода, тепловой мощности в ячейке катодного пятна, подворотов и др. процессов.
Практическая ценность работы. Разработана технология ручной и механизированной наплавки открытой дугой бронзовой проволокой марки Бр.КМц 3-1 на сталь для изготовления биметаллических деталей (подшипников скольжения, втулок, направляющих прессов, вкладышей и др.), а также для восстановления изношенных деталей (бронзовых зубьев зубчатых колес, направляющих и др.), и заварки дефектов бронзового литья (втулок, изделий художественного литья и др.), обеспечивающая снижение расхода цветного металла и повышение эффективности процесса наплавки. Результаты внедрения разработанной технологии в производство приведены в приложении.
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 10 научных статьях, тезисах докладов.
Объем и структура работы. Диссертация изложена на 157 страницах машинописного текста, в том числе содержит 35 рисунков. Список литературы включает 113 наименования.
Способы изготовления биметаллических деталей
Для изготовления биметаллических деталей широко применяют различные способы наплавки. Выбор того или иного способа наплавки зависит от формы и размеров наплавляемого слоя, требуемых эксплуатационных свойств, а также условий, в которых выполняется наплавка.
Одной из важных проблем, возникающих при наплавке разнородных материалов, отличающихся по химическому составу и теплофизическим свойствам, является обеспечение минимального перехода элементов из основного металла в наплавленный слой. В противном случае это будет приводить к снижению эксплуатационных свойств детали. Например, в работе [I] указывается, что при наплавке бронзы на сталь минимальное и стабильное значение коэффициента трения обеспечивается при суммарном содержании железа и хрома в наплавленном слое не более 2%.
Количество элементов основного металла, переходящих в наплавленный слой, зависит от глубины проплавлення основного металла и последующего их перемешивания. Переход элементов происходит также и вследствие диффузионных процессов. Наиболее благоприятные условия исключения перехода элементов основного металла в наплавленный металл создаются при соединении материалов в твердом состоянии. На этом принципе основаны такие способы сварки и наплавки как диффузионная, взрывом и другие. Однако использование этих способов применительно к наплавке как правило экономически нецелесообразно, так как они требуют применения специального сложного и дорогостоящего оборудования. Кроме того, при соединении в твердой фазе оба материала должны обладать достаточной пластичностью, что при наплавке встречается довольно редко. Поэтому способы наплавки в твердой фазе за редким исключением [2,3,4], практического применения в промышленности не нашли.
Хорошие условия для получения наплавленного слоя с минимальным содержанием элементов основного металла создаются при соединении разнородных материалов в твердо-жидком состоянии. Способы наплавки, основанные на этом принципе, применяются в том случае, когда температура плавления одного из соединяемых материалов значительно выше другого. В частности, это относится и к наплавке бронзы на сталь. Основной металл в этом случае нагревается до температуры равной или несколько превышающей температуру плавления наносимого материала, и на его поверхность наносят жидкий и перегретый другой металл. Температура расплава при этом должна быть близка к температуре плавления основного металла. Через определенное время, называемое длительностью контактирования твердой и жидкой фаз, образуется механическая связь между основным и наплавленным металлами. В работе [5] установлено, что при наплавке бронзы на сталь длительность контактирования должна быть t 0,01 -0,015 с.
К наиболее распространенным способам наплавки в твердо-жидкой фазе относятся способы нанесения слоя намораживанием и индукционной наплавкой. При намораживании перегретый наплавленный металл, находящийся в специальном металлосборнике, выливают на наплавленную поверхность. Вследствие высокой турбулентности ударяющегося и растекающегося металлического потока происходит быстрый нагрев тонкого поверхностного слоя основного металла. После выдержки, достаточной для образования металлических связей, производится интенсивное охлаждение [15]. При индукционной наплавке на подготовленную поверхность основного металла наносят присадочный материал в виде порошка. Затем производят поверхностный нагрев с помощью индуктора с последующим охлаждением [6].
Способы изготовления биметаллических деталей
Из приведенного литературного обзора следует, что в промышленности в массовом производстве получили распространение вибродуговая и автоматическая широкослойная наплавка проволокой сплошного сечения
БрКМцЗ-1 на сталь открытой дугой без применения защитных сред. Способы применяются для изготовления биметаллических деталей (подшипников скольжения, направляющих, вкладышей и др.), а также для восстановления изношенных деталей.
В связи с переходом некоторых машиностроительных заводов России на серийное и мелкосерийное производство в рыночных условиях, необходимо пересмотреть с точки зрения экономики и структуру применения способов наплавки. В этом случае применение универсальных оборудования и способов наплавки экономически целесообразно. К таким способам наплавки относятся ручная и механизированная (полуавтоматическая) наплавка. В промышленности имеется достаточное количество оборудования для выполнения наплавки такими способами. Кроме того, выпускаемое для этих целей оборудование значительно дешевле специализированного.
Для успешного внедрения в промышленность ручной и механизированной наплавки открытой дугой проволокой БрКМцЗ-1 требуется проведение исследований пр определенным направлениям.
Прежде всего с научной точки зрения следует подтвердить или опровергнуть вывод работы [71,76] о том, что при горении отрытой сварочной дуги межу сталью (катод) и проволочным электродом БрКМцЗ-1 механизм извлечения первичных электронов из катода происходит при высокой плот-ности тока на катоде (около 10 А/см") за счет высокой напряженности электрического поля (автоэлектронная эмиссия). Это проблемный вопрос, решение которого определяет дальнейшее направление исследований.
Подтверждение теории автоэлектронной эмиссии с катода при горении сварочной дуги между стальной пластиной (катод) и электродом из Бр.КМцЗ-1 позволяет рассмотреть с этих позиций зажигание дуги и переход её к устойчивому режиму горения, условия ее разрыва и режимы горения дуги в процессе всего сварочного цикла.
Наплавка бронзы на сталь выполняется на обратной полярности. Ка-тодное пятно всегда находится на пластине, а анодное пятно на торце проволочного электрода. Следовательно, формирование размеров пятен дуги происходит в различных условиях. Какое влияние оказывают эти условия на степень сжатия и величину катодного и анодного падений напряжений, которые определяют производительность расплавления электродов, требуется проведение специальных исследований.
Ручная и механизированная дуговая наплавка бронзы на сталь имеет свои отличительные особенности по сравнению с вибродуговой и автоматической наплавкой. Выполнение всех сварочных операций при ручной и механизированной наплавке зависит, в основном, от квалификации сварщика, А это влияет на формирование наплавленного и проплавление основного металла, на защиту наплавленного металла от воздуха и пористость. Исходя из литературного обзора, поставлена цель работы: "На основании результатов исследований катодных и анодных процессов, формирования наплавленного и проплавлення основного металла разработать технологию ручной и механизированной (полуавтоматической) наплавки бронзы на сталь открытой дугой проволокой сплошного сечения Бр.КМцЗ-1, обеспечивающей снижение расхода цветного металла и повышение эффективности процесса наплавки."
Задачи для достижения поставленной цели, заключаются в следующем.
1. Изучить структуру, геометрические и физические характеристики катодного и анодного пятен открытой сварочной дуги, горящей между стальной пластиной (катод) и проволокой БрКМцЗ - 2. Исследовать механизм зажигания открытой сварочной дуги, переход к устойчивому режиму ее горения и эластичность (разрывную длину дуги).
3. Изучить влияние условий существования, активных пятен открытой сварочной дуги на пластине и на торце проволочного электрода на катодное и анодное падения напряжений.
4. Рассмотреть особенности ручной и механизированной наплавки бронзы на сталь открытой сварочной дугой на обратной полярности проволокой сплошного сечения Бр.КМцЗ-1, включая формирование наплавленного и проплавление основного металла, механизм защиты расплавленного металла от окисления и образование пор.
5. Разработать технологию и рекомендации по внедрению ручной и механизированной наплавки открытой сварочной дугой проволокой сплошного сечения БрКМцЗ - 1 в производство, обеспечивающей снижение расхода цветного металла и повышение эффективности процесса наплавки.
Условия существования активных пятен открытой сварочной дуги
В дуговых сварочных процессах различают свободно горящие дуги, когда увеличение размеров катодных и анодных пятен дуги не ограничивают искусственным путем и дуги сжатые, когда размер пятен ограничивают искусственно.
На рис. 3.1. представлены зависимости диаметров отпечатков катодных и анодных пятен при их свободном формировании от времени горения открытой дуги между Ст.З. и проволокой СВ-08А диаметром 2 мм [98]. Отпе-чатки катодных и анодных пятен получали на пластине при изменении полярности тока на импульсной установке (рис. 2.1.). По данным, Зависимость диаметров отпечатков катодных и анодных пятен от времени горения открытой сварочной дуги между стальными электродами при различных значениях сварочного тока и при их свободном формировании [98] представленным на рис 3.1, были построены зависимости диаметров отпечатков катодных и анодных пятен от тока (рис, 3.2.) на участке установившегося режима горения дуги (t=0,12 с). На рис. 3.2 необходимо различать две области существования активных пятен. Первая область- область, которая лежит выше графиков, если диаметры электродов, применяемых при горении дуги больше диаметров отпечатков катодных и анодных пятен при данном токе. Развитие этих пятен искусственно ничем не ограничивается. Такую область будем называть областью свободного формирования активного пятна дуги. Другая область расположена ниже графиков, то есть диаметры отпечатков катодных и анодных пятен будут больше диаметров электродов, применяемых при горении дуги, тогда катодные и анодные пятна могут находиться в сжатом состоянии - область сжатых катодных и анодных пятен (рис. 3.2.)
На рис. 3.3. представлены зависимости плотности тока от тока дуги, построенные по результатам исследований (рис.3.2.) при свободном формировании отпечатков катодных и анодных пятен открытой сварочной дуги, горящей между стальными электродами.
Из рис. 3.3 .следует, что необходимо различать два участка изменения плотности тока в отпечатках пятен от тока дуги. С увеличением тока дуги от нуля, приблизительно, до 120А плотность тока в отпечатках пятен уменьшается (падающая характеристика плотности тока). С увеличением тока от 120А и выше плотности тока в отпечатках катодных и анодных пятнах дуги повышаются (возрастающая характеристика плотности тока). При этом необходимо отметить, что характер изменения плотности тока в отпечатках катодных и анодных пятен при их свободном формировании идентичны. Это указывает на взаимосвязь процессов, протекающих в катодных и анодных пятнах при изменении плотности тока в них.
