RU2167036C1

RU2167036C1 - Method for electric arc welding by consumable electrode

Info

Publication number: RU2167036C1
Application number: RU99120206A
Authority: RU
Inventors: И.И. Столяров; С.В. Цыпков
Original assignee: ОАО "Пермский моторный завод"
Priority date: 1999-09-22
Filing date: 1999-09-22
Publication date: 2001-05-20

Abstract

FIELD: gas shield fusion on variable profile thin-wall parts. SUBSTANCE: method comprises steps of setting electric arc gap between electrode and welded-on part equal to 2-8 diameters of electrode; interrupting high frequency discharge after exciting electric arc. After extinguishing first arc, electric arc gap is ionized and next electric arc is excited without high-frequency discharge. Number of electric arcs excited without high-frequency discharge corresponds to number of electric current pulses of pulse train. Drop of electrode metal is formed due to melting electrode at multiple exciting of electric arc. EFFECT: lowered thermic influence upon base metal due to preventing accumulation of melt metal bath. 5 cl, 9 dwg

Description

Изобретение относится к дуговой наплавке плавящимся электродом в среде защитных газов и может быть использовано в различных отраслях промышленности. The invention relates to an arc surfacing with a consumable electrode in a protective gas environment and can be used in various industries.

Известен способ наплавки плавящимся электродом в среде защитных газов, при котором дуга возникает между основным металлом и электродом. Наплавка протекает в условиях автоматической подачи электрода (Хасуи А., Моригаки О. Наплавка и напыление. - М.:, Машиностроение, 1985, с. 49-51). A known method of surfacing with a consumable electrode in a protective gas environment, in which an arc occurs between the base metal and the electrode. Surfacing occurs under conditions of automatic electrode feeding (Khasui A., Morigaki O. Surfacing and spraying. - M.: Engineering, 1985, p. 49-51).

Недостатком известного способа является повышенное разбрызгивание металла и значительное термическое влияние на основной металл. Данный способ не позволяет производить наплавку на тонкостенные детали переменного профиля. The disadvantage of this method is the increased spraying of the metal and a significant thermal effect on the base metal. This method does not allow surfacing on thin-walled parts of variable profile.

Известен способ дуговой сварки плавящимся электродом, при котором устанавливают дуговой промежуток, подают высокочастотный разряд и после возбуждения дуги сварку ведут на рабочем режиме, причем после возбуждения дуги прекращают высокочастотный разряд (а.с. СССР N 1591320, B 23 K 9/173, 1988). A known method of arc welding with a consumable electrode, in which the arc gap is set, a high-frequency discharge is applied and after arc is excited, the welding is carried out in the operating mode, and after the arc is excited, the high-frequency discharge is stopped (AS USSR N 1591320, B 23 K 9/173, 1988 )

Недостатком известного способа является значительное термическое влияние на основной металл из-за накопления жидкой металлической ванны до значительных размеров и ее флуктуация, исключающая возможность наплавки без утолщений, бугров и провалов. Данный способ не позволяет производить наплавку на тонкостенные детали переменного профиля. The disadvantage of this method is the significant thermal effect on the base metal due to the accumulation of a liquid metal bath to a significant size and its fluctuation, eliminating the possibility of surfacing without thickenings, bumps and dips. This method does not allow surfacing on thin-walled parts of variable profile.

Наиболее близким аналогом является способ вибродуговой наплавки, при котором электрод во время короткого замыкания нагревается до высокой температуры, затем отрывается вибратором, оставляя часть металла на детали. Возникающая дуга расплавляет металл. Потом расстояние между электродом и деталью увеличивается, и дуга гаснет, наступает холостой ход (Н.Ф. Грохольский. Восстановление деталей машин и механизмов сваркой и наплавкой. - М. - Л.: Машиностроение, 2 изд., 1966, с. 211-213). The closest analogue is the method of vibratory arc surfacing, in which the electrode during a short circuit is heated to a high temperature, then is torn off by a vibrator, leaving some of the metal on the part. The resulting arc melts the metal. Then the distance between the electrode and the part increases, and the arc goes out, idling begins (NF Grokholsky. Restoration of machine parts and mechanisms by welding and surfacing. - M. - L.: Mechanical Engineering, 2nd ed., 1966, p. 211- 213).

Недостатком известного способа является значительное термическое влияние на основной металл, возможно возникновение непроваров. Данный способ не позволяет производить наплавку на тонкостенные детали переменного профиля. The disadvantage of this method is a significant thermal effect on the base metal, the occurrence of lack of fusion. This method does not allow surfacing on thin-walled parts of variable profile.

Задачей изобретения является снижение термического влияния на основной металл за счет исключения накопления жидкой металлической ванны и ускоренная кристаллизация ее при наплавке. Способ позволяет производить наплавку на тонкостенные детали переменного профиля, например торец пера лопатки газотурбинного двигателя. The objective of the invention is to reduce the thermal effect on the base metal by eliminating the accumulation of liquid metal baths and its accelerated crystallization during surfacing. The method allows surfacing on thin-walled parts of a variable profile, for example, the end face of a feather of a blade of a gas turbine engine.

Поставленная задача достигается тем, что при реализации способа дуговой наплавки плавящимся электродом, при котором устанавливают дуговой промежуток, подают высокочастотный разряд и после возбуждения дуги прекращают высокочастотный разряд, капельный перенос электродного металла осуществляют во время многократного возбуждения дуги при частоте импульсов тока 50 - 150 Гц, причем длительность паузы между пакетами импульсов тока превышает скорость кристаллизации капли электродного металла. Наплавку осуществляют при напряжении 80-100 В и токе 500 - 100 А. The task is achieved by the fact that when implementing the method of arc surfacing with a consumable electrode, in which the arc gap is established, a high-frequency discharge is applied and after the arc is excited, the high-frequency discharge is stopped, droplet transfer of the electrode metal is carried out during repeated arc excitation at a current pulse frequency of 50 - 150 Hz, moreover, the duration of the pause between packets of current pulses exceeds the crystallization rate of a drop of electrode metal. Surfacing is carried out at a voltage of 80-100 V and a current of 500 - 100 A.

Пакет импульсов тока состоит из 3-10 импульсов тока. The package of current pulses consists of 3-10 current pulses.

Дуговой промежуток устанавливают равным 2 - 8 диаметрам электрода. The arc gap is set equal to 2 to 8 diameters of the electrode.

Диаметр капли электродного металла составляет 0,2 - 0,8 диаметра электрода. The diameter of the drop of electrode metal is 0.2 - 0.8 of the diameter of the electrode.

Известно, что для наплавки важными условиями являются устойчивое горение дуги, образование сварочной ванны со сравнительно малыми объемами жидкого металла с высокой температурой и интенсивное охлаждение (а.с. СССР 1540981, B 23 K 9/16, 1987; а.с. СССР 1734977, B 23 P 6/00, 1990). It is known that for surfacing important conditions are stable arc burning, the formation of a weld pool with relatively small volumes of liquid metal with high temperature and intensive cooling (A.S. USSR 1540981, B 23 K 9/16, 1987; A.S. USSR 1734977 B 23 P 6/00, 1990).

В предлагаемом техническом решении капельный перенос электродного металла осуществляют во время многократного возбуждения дуги при частоте импульсов тока 50 - 150 Гц. Сварочная ванна имеет малый объем жидкого металла (капля электродного металла). Каждая капля электродного металла формируется пакетом импульсов тока с частотой 50-150 Гц и сбрасывается в сварочную ванну без перегрева, т. е. "захоложенной" (температура капли равна температуре плавления электродного металла). Между пакетами импульсов выдерживается пауза для полной кристаллизации сварочной ванны. Поверхность детали очищена катодным воздействием импульсов и имеет температуру поверхности ниже температуры плавления. In the proposed technical solution, the droplet transfer of the electrode metal is carried out during repeated arc excitation at a current pulse frequency of 50 - 150 Hz. The weld pool has a small volume of liquid metal (a drop of electrode metal). Each drop of electrode metal is formed by a packet of current pulses with a frequency of 50-150 Hz and is discharged into the weld pool without overheating, that is, “cold” (the temperature of the drop is equal to the melting temperature of the electrode metal). There is a pause between pulse packets for the complete crystallization of the weld pool. The surface of the part is cleaned by the cathodic effect of pulses and has a surface temperature below the melting temperature.

Известно, что при наплавке по мере перемещения электрической дуги металл сварочной ванны в ее хвостовой части и по бокам быстро охлаждается благодаря отводу тепла в основной металл и при достижении температуры кристаллизации затвердевает (кристаллизуется). При большей скорости кристаллизации наплавляемый валик имеет более тонкую структуру (мельче дендриты и кристаллиты) и отличаются меньшей зональной и внутрикристаллитной (дендритной) ликвацией (химической неоднородностью). Для увеличения скорости кристаллизации и исключения перегрева основного металла осуществляют принудительное формирование наплавляемого валика путем осаждения в охлаждаемом кристаллизаторе (а.с. СССР 1680459, B 23 K 9/04, 1989; а.с. СССР 1776511, B 23 K 9/04, 1990; патент РФ 2078655, B 23 K 9/04, 1994). It is known that during surfacing, as the arc moves, the metal of the weld pool in its tail and sides quickly cools due to heat removal to the base metal and hardens (crystallizes) when the crystallization temperature is reached. At a higher crystallization rate, the weld bead has a finer structure (finer dendrites and crystallites) and are distinguished by less zonal and intracrystalline (dendritic) segregation (chemical heterogeneity). To increase the crystallization rate and to prevent overheating of the base metal, the weld bead is forced to form by deposition in a cooled mold (A.S. USSR 1680459, B 23 K 9/04, 1989; A.S. USSR 1776511, B 23 K 9/04, 1990; RF patent 2078655, B 23 K 9/04, 1994).

В предлагаемом техническом решении каждая капля электродного металла кристаллизуется отдельно с большой скоростью. Отвод тепла в основной металл не приводит к его перегреву. Снижены собственные (сварочные) поперечные и продольные напряжения. Дополнительный кристаллизатор не используется. Поверхность основного металла имеет температуру меньше температуры плавления металла. На "холодную" поверхность основного металла наносят металл, температура единичной сварочной ванны которого равна температуре плавления металла. In the proposed technical solution, each drop of electrode metal crystallizes separately at high speed. Heat removal to the base metal does not lead to its overheating. Own (welding) transverse and longitudinal stresses are reduced. An additional crystallizer is not used. The surface of the base metal has a temperature lower than the melting temperature of the metal. Metal is applied to the “cold” surface of the base metal, the temperature of a single weld pool of which is equal to the melting temperature of the metal.

Известно, что с увеличением силы сварочного тока средний диаметр капель электродного металла уменьшается, а количество расплавляемого в единицу времени металла и удельная поверхность капли возрастает. Суммарное время образования капли и ее перехода через дуговой промежуток в сварочную ванну с увеличением силы тока значительно уменьшается. С повышением напряжения дуги средний диаметр капель увеличивается, коэффициент расплавления и удельная поверхность капли уменьшаются, а продолжительность образования и перехода капли с электрода в ванну возрастает (Н.И. Каховский и, др. Электродуговая сварка сталей. Киев: Наукова думка, 1975, с. 229). It is known that with an increase in the welding current strength, the average diameter of the drops of the electrode metal decreases, and the amount of metal melted per unit time and the specific surface of the drop increase. The total time of droplet formation and its transition through the arc gap into the weld pool decreases significantly with increasing current strength. With increasing arc voltage, the average diameter of the droplets increases, the melt coefficient and the specific surface of the droplet decrease, and the duration of the formation and transition of the droplet from the electrode to the bath increases (N.I. Kakhovsky and others. Electric arc welding of steels. Kiev: Naukova Dumka, 1975, p. . 229).

В предлагаемом техническом решении используется высокое напряжение дуги и большой сварочный ток. Изменяя технологические параметры режима наплавки, например напряжение, ток, количество и частоту импульсов тока в пакете импульсов, можно изменять диаметр капли электродного металла от 0,2 до 0,8 диаметра электрода. Диаметр капли электродного металла определяет размер сварочной ванны. При изменении диаметра капли электродного металла изменяется размер сварочной ванны. Размер сварочной ванны не превышает ширины наплавляемой тонкостенной детали. The proposed technical solution uses a high arc voltage and a large welding current. By changing the technological parameters of the surfacing mode, for example, voltage, current, number and frequency of current pulses in a pulse packet, it is possible to change the diameter of the drop of electrode metal from 0.2 to 0.8 of the diameter of the electrode. The diameter of the electrode metal droplet determines the size of the weld pool. When changing the diameter of the drop of electrode metal, the size of the weld pool changes. The size of the weld pool does not exceed the width of the deposited thin-walled part.

Способ позволяет производить наплавку на тонкостенные детали переменного профиля, например торец пера лопатки газотурбинного двигателя. The method allows surfacing on thin-walled parts of a variable profile, for example, the end face of a feather of a blade of a gas turbine engine.

Способ дуговой наплавки плавящимся электродом поясняется фигурами 1 - 9, где на фиг. 1 приведена схема расположения электрода относительно изделия; на фиг. 2 - 8 показана схема формирования капли электродного металла; на фиг. 9 - циклограмма высокочастотного разряда и сварочного тока. The method of arc surfacing with a consumable electrode is illustrated by figures 1 to 9, where in FIG. 1 shows the layout of the electrode relative to the product; in FIG. 2 to 8 show a diagram of the formation of a drop of electrode metal; in FIG. 9 is a cyclogram of a high-frequency discharge and welding current.

Способ реализуется следующим образом. The method is implemented as follows.

Устанавливают дуговой промежуток "а" между электродом 1 и наплавляемой деталью 2 (основным металлом), который составляет 2-8 диаметра электрода 1. При дуговом промежутке менее 2 диаметров электрода возможно короткое замыкание. Дуговой промежуток более 2 диаметров электрода 1 обеспечивает отрыв капли электродного металла до короткого замыкания. Дуговой промежуток более 8 диаметров электрода 1 увеличивает время технологического цикла. Set the arc gap "a" between the electrode 1 and the fused part 2 (base metal), which is 2-8 diameters of the electrode 1. With an arc gap of less than 2 diameters of the electrode, a short circuit is possible. An arc gap of more than 2 diameters of the electrode 1 provides the separation of a drop of electrode metal to a short circuit. The arc gap of more than 8 diameters of the electrode 1 increases the time of the technological cycle.

Включают источник питания и подают высокочастотный разряд 3, который прекращают после возбуждения дуги 4. Дуга 4 возбуждается при частоте импульсов тока 50 - 150 Гц. Установлено, что при частоте импульсов тока менее 50 Гц и более 150 Гц трудно контролировать капельный перенос электродного металла. При частоте импульсов тока менее 50 Гц возможно образование значительных капель электродного металла. При частоте импульсов тока более 150 Гц диаметр капель электродного металла уменьшается, технологический процесс удлиняется. The power source is turned on and a high-frequency discharge 3 is supplied, which is stopped after arc 4 is excited. Arc 4 is excited at a current pulse frequency of 50-150 Hz. It was found that at a current pulse frequency of less than 50 Hz and more than 150 Hz, it is difficult to control the droplet transfer of electrode metal. When the frequency of current pulses is less than 50 Hz, the formation of significant drops of electrode metal is possible. When the frequency of current pulses is more than 150 Hz, the diameter of the drops of the electrode metal decreases, the process lengthens.

Катодное активное пятно очищает поверхность основного металла 2. Поверхность основного металла 2 имеет температуру ниже температуры плавления металла. После прекращения горения первой дуги 4 дуговой промежуток ионизирован, поэтому следующая дуга 4 возбуждается без подачи высокочастотного разряда. Количество возбуждаемых, без подачи высокочастотного разряда 3, дуг 4 соответствует количеству импульсов тока в пакете импульсов. Установлено, что для капельного переноса с электродов малого диаметра достаточно 3 импульсов тока. Для капельного переноса с электродов большого диаметра достаточно 3 - 10 импульсов тока. При использовании пакета импульсов свыше 10 на основном металле образуется значительная сварочная ванна. The cathode active spot cleans the surface of the base metal 2. The surface of the base metal 2 has a temperature below the melting temperature of the metal. After the cessation of combustion of the first arc 4, the arc gap is ionized, so the next arc 4 is excited without a high-frequency discharge. The number of excited, without applying a high-frequency discharge 3, arcs 4 corresponds to the number of current pulses in the pulse packet. It has been established that 3 current pulses are sufficient for droplet transfer from small-diameter electrodes. For drip transfer from electrodes of large diameter, 3 to 10 current pulses are sufficient. When using a pulse packet of more than 10, a significant weld pool is formed on the base metal.

Во время многократного возбуждения дуги 4 на рабочем конце электрода 1 формируется капля 5 электродного металла, которая имеет температуру плавления металла. Капля формируется за счет оплавления электрода 1 при многократном возбуждении дуги 4. Металл "чулком" сползает с электрода 1. Установлено, что для получения данного эффекта необходим ток 500 - 1000 А для чего используется источник питания с напряжением 80 - 100 В. Выбор режима работы зависит от физических свойств электрода. During repeated excitation of the arc 4 at the working end of the electrode 1, a drop 5 of the electrode metal is formed, which has a melting point of the metal. A drop is formed due to the fusion of the electrode 1 upon repeated excitation of the arc 4. The metal "stocking" slides from the electrode 1. It is established that to obtain this effect, a current of 500-1000 A is required, for which a power source with a voltage of 80-100 V. is used. depends on the physical properties of the electrode.

Диаметр капли 5 электродного металла составляет от 0,2 до 0,8 диаметра электрода 1. Диаметр капли 5 электродного металла определяют частота импульсов тока в пакете, напряжение дуги и сварочный ток, которые выбираются пропорционально диаметру электрода 1. The diameter of the drop 5 of the electrode metal is from 0.2 to 0.8 of the diameter of the electrode 1. The diameter of the drop 5 of the electrode metal determines the frequency of the current pulses in the packet, arc voltage and welding current, which are selected in proportion to the diameter of the electrode 1.

Под воздействием электродинамических сил происходит отрыв нагретой, но не перегретой, капли 5 электродного металла. Начинается переход капли 5 электродного металла через дуговой промежуток. Оторвавшаяся капля 5 электродного металла образует единичную сварочную ванну 6, которая кристаллизуется на поверхности основного металла 2. Длительность паузы (t_п на фиг. 9) между пакетами импульсов (время работы пакета импульсов - t_р на фиг. 9) превышает скорость кристаллизации капли электродного металла.Under the influence of electrodynamic forces, a separation of a heated, but not overheated, drop 5 of the electrode metal occurs. The transition of the drop 5 of the electrode metal through the arc gap begins. The drop-off drop 5 of the electrode metal forms a single weld pool 6, which crystallizes on the surface of the base metal 2. The duration of the pause (t _p in Fig. 9) between the pulse packets (the operating time of the pulse packet is t _p in Fig. 9) exceeds the crystallization rate of the electrode drop metal.

Технологический цикл повторяется. Дуговой промежуток восстанавливается автоматически. The technological cycle is repeated. The arc gap is restored automatically.

Пример реализации способа. An example implementation of the method.

Производят наплавку тонкостенной детали переменного профиля (максимальная ширина 2 мм, минимальная ширина 0,2 мм) из сплава ВТ8М электродом марки ВТ8М диаметром 1,6 мм. Дуговой промежуток 6 мм. Частота импульсов 100 Гц. Напряжение 95 В, сварочный ток 700 А. Количество импульсов в пакете - 4. Скорость кристаллизации 10 мм/с. Пауза между пакетами импульсов 0,3 - 0,5 с. A thin-walled part of a variable profile is deposited (maximum width 2 mm, minimum width 0.2 mm) from VT8M alloy using an VT8M grade electrode with a diameter of 1.6 mm. Arc gap 6 mm. The pulse frequency is 100 Hz. Voltage 95 V, welding current 700 A. The number of pulses in the packet is 4. The crystallization rate is 10 mm / s. Pause between pulse packets 0.3 - 0.5 s.

Металлографический и ЛЮМ-контроль не выявили дефектов наплавки. Metallographic and LUM control did not reveal any surfacing defects.

Способ позволяет снизить термическое влияние на основной металл за счет исключения накопления жидкой металлической ванны. Способ позволяет производить наплавку на тонкостенные детали переменного профиля, например торец пера лопатки газотурбинного двигателя, производить заварку узких отверстий и разделок, использовать электроды из порошкового материала. The method allows to reduce the thermal effect on the base metal by eliminating the accumulation of liquid metal baths. The method allows surfacing on thin-walled parts of a variable profile, for example, the end face of a feather of a blade of a gas turbine engine, welding narrow holes and grooves, using electrodes of powder material.

Claims

1. A method of arc surfacing with a consumable electrode, including multiple arc excitation, characterized in that the arc gap is pre-set, the arc is excited by a high-frequency discharge, after which it is stopped, and multiple arc excitation is performed by applying a packet of current pulses with a frequency of 50-150 Hz to ensure drop transfer of electrode metal, while the pause duration between packets of current pulses is selected from the condition that the crystallization rate of the drop drops is higher than the electrode of metal in the weld pool.

2. The method according to claim 1, characterized in that the surfacing is carried out at a voltage of 80 - 100 V and a current of 500 - 1000 A.

3. The method according to claim 1, characterized in that the packet of current pulses consists of 3 to 10 pulses.

4. The method according to claim 1, characterized in that the arc gap is set equal to 2 to 8 diameters of the electrode.

5. The method according to claim 1, characterized in that the parameters of the surfacing mode are selected from the conditions for obtaining the diameter of the drop of electrode metal equal to 0.2 - 0.8 of the diameter of the electrode.