[go: up one dir, main page]

RU2778341C1 - Method for arc automatic surfacing with a consumable electrode in an inert gas - Google Patents

Method for arc automatic surfacing with a consumable electrode in an inert gas Download PDF

Info

Publication number
RU2778341C1
RU2778341C1 RU2022104054A RU2022104054A RU2778341C1 RU 2778341 C1 RU2778341 C1 RU 2778341C1 RU 2022104054 A RU2022104054 A RU 2022104054A RU 2022104054 A RU2022104054 A RU 2022104054A RU 2778341 C1 RU2778341 C1 RU 2778341C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
surfacing
weld
arc
wire
electrode
Prior art date
Application number
RU2022104054A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Владимир Петрович Сидоров
Дмитрий Эдуардович Советкин
Original Assignee
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тольяттинский государственный университет"
Filing date
Publication date
Application filed by федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тольяттинский государственный университет" filed Critical федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тольяттинский государственный университет"
Application granted granted Critical
Publication of RU2778341C1 publication Critical patent/RU2778341C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: automatic arc surfacing.
SUBSTANCE: invention can be used in automatic arc surfacing of wear-resistant, heat-resistant, heat-resistant and corrosion-resistant metal layers on low-carbon and low-alloy steels with a consumable electrode with filler wire feed. Surfacing is carried out using an arc with bipolar current pulses with a frequency of at least 50 Hz with a given regulation of the ratio of the average current of direct polarity pulses to the average arc current (ϕ). As a consumable electrode, an electrode wire made of non-ferrous metal, which is an alloying element, is used. The seam is preliminarily welded without feeding the filler wire with an electrode wire from the same non-ferrous metal. The content of non-ferrous metal in the preliminary weld is determined by mass and the difference between the specified content of non-ferrous metal and its content in the preliminary weld is calculated. Depending on the result obtained, a filler wire is used, similar in composition to non-ferrous metal electrode wire or similar in composition to the welded part. The feed rate of the filler wire is calculated from the condition of obtaining a given content of the alloying element in the welding seam by choosing ϕ within the specified limits and taking into account the losses of the alloying element during welding.
EFFECT: method allows optimizing the content of non-ferrous metals in the weld during surfacing on steel, provides high productivity and stability of the surfacing process.
2 cl, 8 dwg, 5 tbl, 2 ex

Description

Изобретение относится к области сварки и может быть использовано при нанесении износостойких, жаропрочных, жаростойких и коррозионностойких слоев металла на низкоуглеродистые и низколегированные стали.The invention relates to the field of welding and can be used when applying wear-resistant, heat-resistant, heat-resistant and corrosion-resistant metal layers on low-carbon and low-alloy steels.

Известен способ электродуговой наплавки износостойких покрытий на поверхность деталей из низкоуглеродистых или низколегированных сталей, включающий использование в качестве присадочного материала проволоки из алюминия или его сплавов, при котором процесс наплавки проводят в среде аргона при режимах, обеспечивающих получение наплавленного слоя с содержанием алюминия по массе в пределах ψЭ=20-40% (см. патент РФ № 2 327 551. Опубл. 27.06.2008. Бюл. № 18).A known method of arc welding of wear-resistant coatings on the surface of parts made of low-carbon or low-alloy steels, including the use of aluminum wire or its alloys as a filler material, in which the welding process is carried out in an argon atmosphere under modes that provide a deposited layer with an aluminum content by weight in the range ψ E \u003d 20-40% (see RF patent No. 2 327 551. Published on June 27, 2008. Bull. No. 18).

Важной технической особенностью данного способа наплавки является то, что получение заданных свойств шва по износостойкости происходит непосредственно в процессе формирования сварочной ванны при взаимодействии металлов с сильно отличающимися физическими свойствами: алюминием и сталью. Два материала с низкой твердостью при взаимодействии за счет образования интерметаллидных фаз создают твердый и износостойкий металл шва. Важным свойством данного способа получения износостойкого шва является дешевизна и доступность присадочного материала. Потребность в подобных вариантах наплавки велика и будет возрастать. Можно отметить, что, например, для обычной износостойкой наплавки твердыми сплавами большая площадь поперечного проплавления основного металла является недостатком, в то время как для рассматриваемого способа это необходимый признак. Доля основного металла в металле шва по массе получается необходимой в пределах 60-80%.An important technical feature of this method of surfacing is that obtaining the desired properties of the weld in terms of wear resistance occurs directly in the process of formation of the weld pool during the interaction of metals with very different physical properties: aluminum and steel. Two materials with low hardness, when interacting due to the formation of intermetallic phases, create a hard and wear-resistant weld metal. An important property of this method of obtaining a wear-resistant seam is the low cost and availability of filler material. The need for such variants of surfacing is great and will continue to grow. It can be noted that, for example, for conventional wear-resistant hardfacing, a large area of transverse penetration of the base metal is a disadvantage, while for the method under consideration this is a necessary feature. The proportion of the base metal in the weld metal by weight is required in the range of 60-80%.

Основной технической проблемой данного способа является сложность обеспечения точного количества содержания алюминия в шве, при котором достигаются оптимальные эксплуатационные характеристики наплавленного слоя, что показывает широкий диапазон допустимого изменения содержания в нем алюминия. Проблема обусловлена низкой стабильностью скорости расплавления присадочного металла, который подается в виде проволоки в столб дуги. На скорость плавления присадочной проволоки влияют мощность дуги, диаметр проволоки, положение по длине дуги, ее деформации и отклонение от требуемого места подачи в дугу и другие факторы, которые сложно регулировать и стабилизировать. Скорость расплавления присадочной проволоки регулируется только косвенно мощностью дуги прямого действия и местом подачи проволоки в дугу. Мощность дуги прямого действия в большей степени влияет на проплавление основного металла, чем плавление присадочного.The main technical problem of this method is the difficulty of ensuring the exact amount of aluminum content in the weld, at which the optimal performance characteristics of the deposited layer are achieved, which shows a wide range of allowable changes in the aluminum content in it. The problem is caused by the low stability of the melting rate of the filler metal, which is fed in the form of a wire into the arc column. The rate of melting of the filler wire is affected by the arc power, wire diameter, position along the length of the arc, its deformation and deviation from the required place of feeding into the arc, and other factors that are difficult to regulate and stabilize. The rate of melting of the filler wire is controlled only indirectly by the power of the direct arc and the place where the wire is fed into the arc. The power of the direct action arc affects the penetration of the base metal to a greater extent than the melting of the filler metal.

Также установлено, что добавки легирующих элементов в проволоку, таких как, например, кремний, влияют на твердость и износостойкость наплавки. Исследования данного способа с добавками кремния показали, что оптимальное содержание алюминия в шве по массе в этом случае составляет уже 20% (о влиянии кремния на твердость при наплавке см. статью Ковтунов А.И. и др. Влияние кремния на процессы формирования и свойства наплавленных сплавов системы Fe-Al. Международный научный журнал «Символ науки» №11-3/2016, С.86-91, ISSN 2410-700X). Оптимальная твердость наплавленного металла имеет место при определенном содержании алюминия в шве, которое может зависеть от содержания легирующих элементов в присадочной проволоке или в основном металле. Поэтому содержание основного легирующего элемента в сварном шве (алюминия) должно поддерживаться с достаточно высокой точностью.It has also been found that the addition of alloying elements to the wire, such as, for example, silicon, affect the hardness and wear resistance of the deposit. Studies of this method with silicon additives have shown that the optimal content of aluminum in the weld by weight in this case is already 20% (for the effect of silicon on hardness during surfacing, see the article A.I. alloys of the Fe-Al system. International scientific journal "Symbol of Science" No. 11-3/2016, P. 86-91, ISSN 2410-700X). The optimum hardness of the weld metal occurs at a certain aluminum content in the weld, which may depend on the content of alloying elements in the filler wire or in the base metal. Therefore, the content of the main alloying element in the weld (aluminum) must be maintained with a sufficiently high accuracy.

Серьезной технической проблемой данного способа является низкая производительность наплавки, которая обусловлена тем, что к проволоке не подводится ток, она является присадочной и нагревается только теплопередачей от столба дуги. Производительность наплавки такой проволокой не менее чем в 3-10 раз меньше, чем при использовании плавящегося электрода в дуге обратной полярности. Для проплавления изделия используется дуга прямой полярности в аргоне с вольфрамовым электродом, которая имеет минимальную проплавляющую способность по сравнению с, например, дугой обратной полярности с плавящимся электродом. Расчеты же показывают, что при указанном диапазоне содержания алюминия из-за низкой плотности алюминия по сравнению со сталью в наплавленном металле площади поперечного сечения проплавления основного металла и наплавленного металла должны быть примерно равными, т. е. для получения износостойкого сплава в шве требуются более высокие скорости расплавления алюминиевой проволоки. Поэтому при данном способе сложно получить требуемое содержание алюминия в шве и эта сложность возрастает с увеличением содержания алюминия.A serious technical problem of this method is the low productivity of surfacing, which is due to the fact that no current is supplied to the wire, it is a filler wire and is heated only by heat transfer from the arc column. The productivity of surfacing with such a wire is at least 3-10 times less than when using a consumable electrode in an arc of reverse polarity. To melt the product, a straight polarity arc in argon with a tungsten electrode is used, which has a minimum melting ability compared to, for example, a reverse polarity arc with a consumable electrode. Calculations show that for the indicated range of aluminum content, due to the low density of aluminum compared to steel in the deposited metal, the cross-sectional areas of penetration of the base metal and the deposited metal should be approximately equal, i.e., to obtain a wear-resistant alloy in the weld, higher melting rate of aluminum wire. Therefore, with this method, it is difficult to obtain the required aluminum content in the weld, and this complexity increases with increasing aluminum content.

Обеспечить высокую точность содержания алюминия в шве в данном способе весьма сложно. Следствием обеих технических проблем является то, что подбор режимов и условий наплавки для такого способа является весьма трудоемким, а их поддержание во время наплавки нестабильно и сопряжено с трудностями.It is very difficult to ensure high accuracy of the aluminum content in the seam in this method. The consequence of both technical problems is that the selection of modes and conditions of surfacing for such a method is very laborious, and their maintenance during surfacing is unstable and fraught with difficulties.

Известен способ восстановления наплавкой поверхностей катания, при котором осуществляют автоматическую наплавку плавящимся электродом, наплавку выполняют в среде защитных газов плавящимся электродом аустенитного класса с подачей дополнительной разогретой до пластического состояния присадки, которую вводят в кристаллизующуюся часть наплавочной ванны на расстоянии В от плавящегося электрода, равном (0,3 - 0,5)L, где L - длина наплавочной ванны, мм, при этом дополнительную присадку вводят в количестве 20 - 40% от массы плавящегося электрода. (см, патент РФ № 2143962. Опубл. 10.01.2000 г., Бюл. № 1).A known method of restoring tread surfaces by surfacing, in which automatic surfacing with a consumable electrode is carried out, surfacing is performed in a shielding gas environment with a consumable austenitic electrode with the supply of an additional additive heated to a plastic state, which is introduced into the crystallizing part of the surfacing pool at a distance B from the consumable electrode, equal to ( 0.3 - 0.5)L, where L is the length of the surfacing pool, mm, while an additional additive is introduced in an amount of 20 - 40% by weight of the consumable electrode. (see, RF patent No. 2143962. Published on January 10, 2000, Bull. No. 1).

Данный способ может использоваться для наплавки плоских изделий, в том числе и алюминиевой проволоки на сталь, а также проволок из других металлов.This method can be used for surfacing flat products, including aluminum wire on steel, as well as wires from other metals.

Технической проблемой данного способа является низкая технологическая гибкость процесса наплавки в отношении плавящегося электрода, проявляющаяся в узком диапазоне возможного регулирования доли участия электродного металла в металле шва. Низкая технологическая гибкость обусловлена однонаправленным влиянием параметров режима: тока дуги или скорости наплавки на площадь поперечного сечения проплавления основного металла и площадь поперечного сечения наплавленного металла. Например, при увеличении скорости сварки происходит уменьшение как площади поперечного сечения проплавления основного металла, так и аналогичной площади наплавленного металла. Вследствие этого данные основные режимы наплавки мало влияют на долю участия электродного металла в металле шва, что затрудняет получение наплавленного шва с заданным содержанием основного легирующего элемента. Это приводит к высокой трудоемкости и стоимости экспериментального выбора параметров сварки, при которых обеспечивается приемлемый диапазон содержания основного легирующего элемента в шве. О низкой технологической гибкости способа свидетельствует то, что в нем для получения требуемого химического состава шва используется подогретая до пластического состояния присадочная проволока, разброс подачи которой по массе составляет ±50% от среднего значения. Такой высокий разброс подтверждает низкую стабильность расплавления присадочной проволоки даже при условии ее подогрева, который способствует повышению стабильности расплавления.The technical problem of this method is the low technological flexibility of the surfacing process in relation to the consumable electrode, which manifests itself in a narrow range of possible regulation of the share of participation of the electrode metal in the weld metal. Low technological flexibility is due to the unidirectional influence of the mode parameters: arc current or surfacing speed on the cross-sectional area of penetration of the base metal and the cross-sectional area of the deposited metal. For example, with an increase in the welding speed, both the cross-sectional area of penetration of the base metal and the similar area of the deposited metal decrease. As a result, these main modes of surfacing have little effect on the share of the electrode metal in the weld metal, which makes it difficult to obtain a weld with a given content of the main alloying element. This leads to high labor intensity and cost of experimental selection of welding parameters, which provide an acceptable range of the content of the main alloying element in the weld. The low technological flexibility of the method is evidenced by the fact that in order to obtain the required chemical composition of the weld, a filler wire heated to a plastic state is used, the feed spread of which by weight is ±50% of the average value. Such a high spread confirms the low melting stability of the filler wire even when it is heated, which contributes to an increase in the melting stability.

Серьезным техническим недостатком способа является также низкая производительность расплавления электродного металла, свойственная используемой дуге обратной полярности. В сочетании с повышенной проплавляющей способностью такой дуги это затрудняет получение требуемого диапазона содержания алюминия в шве.A serious technical disadvantage of the method is also the low productivity of the melting of the electrode metal, which is inherent in the arc of reverse polarity used. In combination with the increased penetration capacity of such an arc, this makes it difficult to obtain the required range of aluminum content in the weld.

Техническими недостатками данного способа являются возможность зажигания дуги между присадочной проволокой и изделием, и сильное взаимодействие магнитных полей постоянных токов в дуге и присадочной проволоке.The technical disadvantages of this method are the possibility of ignition of the arc between the filler wire and the product, and the strong interaction of the magnetic fields of direct currents in the arc and the filler wire.

В известном способе дуговой автоматической наплавки плавящимся электродом в инертном газе на сталь с подачей присадочной проволоки задают содержание в шве легирующего элемента по массе. В отличие от прототипа, для наплавки используют дугу с разнополярными импульсами тока с частотой не менее 50 Гц при регулировании отношения среднего тока импульсов прямой полярности за период к среднему току дуги за период в пределах ϕ=0,1-0,9, используют электродную проволоку из цветных металлов, присадочную поволоку подают в направлении столба дуги или сварочной ванны, присадочную проволоку используют по составу аналогичную электродной проволоке или основному металлу, предварительно, на рекомендуемом для сварки для данного диаметра электрода токе дуги обратной полярности, наплавляют шов без подачи присадочной проволоки, измеряют площади поперечного сечения шва и наплавленного металла и определяют площадь поперечного сечения проплавления основного металла и содержание цветного металла в предварительном шве по массе, рассчитывают разность между требуемым и определенным содержанием цветного металла, в соответствии со знаком разности определяют вид присадочной проволоки и рассчитывают скорость ее подачи с учетом потерь при наплавке, обеспечивающую требуемое содержание цветного металла в шве.In the known method of automatic arc surfacing with a consumable electrode in an inert gas on steel with the supply of filler wire, the content of the alloying element in the weld is set by weight. Unlike the prototype, an arc with bipolar current pulses with a frequency of at least 50 Hz is used for surfacing by adjusting the ratio of the average current of direct polarity pulses per period to the average arc current per period within ϕ=0.1-0.9, using an electrode wire from non-ferrous metals, the filler wire is fed in the direction of the arc column or the weld pool, the filler wire is used in composition similar to the electrode wire or the base metal, first, at the arc current of reverse polarity recommended for welding for a given electrode diameter, the seam is welded without feeding the filler wire, measured the cross-sectional area of the weld and the deposited metal and determine the cross-sectional area of penetration of the base metal and the content of non-ferrous metal in the preliminary weld by weight, calculate the difference between the required and certain content of non-ferrous metal, in accordance with the sign of the difference, determine the type of filler wire and calculate the The speed of its supply, taking into account losses during surfacing, providing the required content of non-ferrous metal in the weld.

В качестве электродной проволоки может использоваться алюминиевая, магниевая, цинковая, медная, никелевая, титановая или другие проволоки цветных металлов.Aluminum, magnesium, zinc, copper, nickel, titanium or other non-ferrous metal wires can be used as electrode wire.

Технический результат заявляемого способа наплавки или сварки заключается в совместном обеспечении возможности значительного расширения диапазона доли участия электродного металла в металле шва ψЭ путем изменения соотношения проплавления основного и электродного металлов и создании возможности получения с высокой точностью требуемого содержания в наплавленном шве легирующего элемента из цветного металла при использовании качестве источника тепла высокопроизводительной, и одновременно гибкой и стабильной дуги с разнополярными импульсами тока с частотой свыше 50 Гц за счет предложенного экспериментально-расчетного подхода к определению вида и необходимой скорости подачи присадочной проволоки на основе одного эксперимента. Соответственно обеспечиваются высокие эксплуатационные характеристики наплавленного шва. Данный технический результат основан на совместном использовании специфических технологических свойств дуги с плавящимся электродом, питаемой разнополярными импульсами тока, и на эффекте отсутствия существенного влияния скорости плавления присадочной проволоки на площадь поперечного сечения проплавления основного металла.The technical result of the proposed method of surfacing or welding is to jointly provide the possibility of significantly expanding the range of the share of participation of the electrode metal in the weld metal ψ E by changing the ratio of penetration of the base and electrode metals and creating the possibility of obtaining with high accuracy the required content of the alloying element from the non-ferrous metal in the weld weld at using as a heat source a high-performance, and at the same time flexible and stable arc with bipolar current pulses with a frequency of more than 50 Hz due to the proposed experimental-computational approach to determining the type and required feed rate of the filler wire based on one experiment. Accordingly, high performance characteristics of the deposited weld are ensured. This technical result is based on the joint use of the specific technological properties of a consumable electrode arc fed with bipolar current pulses, and on the effect of the absence of a significant effect of the melting rate of the filler wire on the cross-sectional area of the penetration of the base metal.

Другим техническим результатом является повышение производительности расплавления электродного металла, что приводит к повышению производительности наплавки. Данный технический результат основан на использовании дуги прямого действия с разнополярными импульсами тока, при наличии тока импульсов прямой полярности, которая обеспечивают более высокую скорость расплавления электродной проволоки при стабильной скорости ее расплавления и меньшее проплавление основного металла при прочих равных условиях.Another technical result is an increase in the productivity of melting the electrode metal, which leads to an increase in the productivity of surfacing. This technical result is based on the use of a direct-acting arc with bipolar current pulses, in the presence of current pulses of direct polarity, which provide a higher melting rate of the electrode wire at a stable melting rate and less penetration of the base metal, all other things being equal.

Еще одним техническим результатом является отсутствие магнитного воздействия между присадочной проволокой и дугой.Another technical result is the absence of magnetic influence between the filler wire and the arc.

На фиг.1 показана схема реализации способа, на фиг. 2 циклограмма импульсов при преобладании тока обратной полярности; на фиг.3 - циклограмма импульсов при преобладании тока прямой полярности; на фиг. 4 - зависимости рекомендуемых плотностей тока на плавящийся электрод, на фиг. 5 - зависимости площадей шва и наплавки от тока, на фиг.6 - зависимости площадей шва и наплавки от скорости сварки, на фиг.7 - диаграмма коэффициентов расплавления для стальных проволок, на фиг. 8 - диаграмма коэффициентов расплавления для алюминиевых проволок.Figure 1 shows a diagram of the implementation of the method, in Fig. 2 cyclogram of impulses with the predominance of reverse polarity current; figure 3 - cyclogram of pulses with the predominance of current direct polarity; in fig. 4 - dependencies of the recommended current densities per consumable electrode, in Fig. 5 - dependence of the areas of the weld and surfacing on the current, fig.6 - dependence of the areas of the seam and surfacing on the welding speed, fig.7 - diagram of the melting coefficients for steel wires, fig. 8 is a chart of melting ratios for aluminum wires.

На фиг. 1 приведена схема процесса наплавки и поперечное сечение наплавленного шва после дуговой автоматической наплавки на пластину плавящимся электродом в среде аргона по предлагаемому способу. Наплавка шва 1 на пластину 2 толщиной δ, производится сварочной дугой 3 прямого действия с разнополярными импульсами тока электродной проволокой 4, содержащей основной легирующий элемент из цветного металла, например, алюминиевой. Электродная проволока может содержать добавки других легирующих элементов в сумме, не превышающей 2,5 % по массе. Дуга прямого действия 3 питается от сварочного источника питания разнополярных импульсов тока прямоугольной формы с частотой не менее 50Гц, обеспечивающего высокочастотное зажигание токов импульсов. Дополнительно в направлении столба дуги или сварочной ванны с постоянной скоростью подается присадочная проволока 5 по составу легирующих элементов аналогичная электродной проволоке 4 или основному металлу. Капли расплавленной присадочной проволоки 5 попадают в сварочную ванну. Наплавленный шов 1, представляющий сплав основного металла с электродным и присадочным, можно условно разделить на площадь поперечного сечения проплавления основного металла 6 и площадь поперечного сечения наплавленного металла 7. На пластине 1 их разделяет пунктирная линия, проходящая по лицевой поверхности пластины 1. Ширина наплавленного шва 1 Е, глубина проплавления (провар) Н. Площадь поперечного сечения проплавления основного металла 6 обозначим FО, она определяется как разность между площадью поперечного сечения шва 1, равной FШ и площадью поперечного сечения наплавленного металла 7, равной FН In FIG. Figure 1 shows a diagram of the surfacing process and a cross section of the weld after automatic arc surfacing on a plate with a consumable electrode in argon by the proposed method. Welding of weld 1 on plate 2 with thickness δ is carried out by direct action welding arc 3 with bipolar current pulses and electrode wire 4 containing the main alloying element from non-ferrous metal, for example, aluminum. The electrode wire may contain additives of other alloying elements in an amount not exceeding 2.5% by weight. Direct action arc 3 is powered by a welding power source of bipolar rectangular current pulses with a frequency of at least 50 Hz, which provides high-frequency ignition of pulse currents. Additionally, in the direction of the arc column or weld pool at a constant speed, filler wire 5 is fed in the composition of alloying elements similar to the electrode wire 4 or the base metal. Drops of molten filler wire 5 fall into the weld pool. The deposited weld 1, which is an alloy of the base metal with the electrode and filler, can be conditionally divided into the cross-sectional area of penetration of the base metal 6 and the cross-sectional area of the deposited metal 7. On the plate 1, they are separated by a dotted line passing along the front surface of the plate 1. The width of the deposited weld 1 E, penetration depth (penetration) H. The cross-sectional area of penetration of the base metal 6 is denoted by F O , it is determined as the difference between the cross-sectional area of the weld 1, equal to F W and the cross-sectional area of the deposited metal 7, equal to F N

Figure 00000001
Figure 00000001

Площади FШ и FН можно определить опытным путем на пластине по макрошлифу поперечного сечения шва. Среднюю производительность расплавления электродной проволоки в г/с можно определить по скорости ее подачи, а среднюю производительность наплавки по разнице масс образца до и после сварки и времени наплавки.The areas F W and F H can be determined empirically on the plate from the macrosection of the weld cross section. The average melting performance of the electrode wire in g/s can be determined from its feed rate, and the average deposition performance from the difference in sample weights before and after welding and the deposition time.

Площадь проплавления поперечного сечения основного металла FО может также быть определена с необходимой точностью с помощью формул для распространения тепла в пластине по измерениям размеров сварного шва без изготовления шлифа поперечного сечения ( см. например патент РФ № 2 704 676 , Опубл.30.10.2019, Бюл. № 31).The penetration area of the cross section of the base metal F O can also be determined with the required accuracy using the formulas for heat propagation in the plate by measuring the dimensions of the weld without making a section of the cross section (see, for example, RF patent No. 2 704 676, Publ. 10.30.2019, Bulletin No. 31).

Площадь поперечного сечения наплавленного металла 7 в свою очередь включает условно две площади: металла наплавленного за счет электродной проволоки 4 и наплавленного за счет присадочной проволоки 5. Площадь поперечного сечения основного металла FО, получаемую за счет дуги прямого действия, горящей с электродной проволоки 4 можно определить по результатам предварительного опыта по наплавке без использования присадочной проволоки 5. Это возможно благодаря тому, что расплавленный присадочный металл оказывает очень малое влияние в процессе наплавки на величину площади поперечного сечения проплавления основного металла. Площадь поперечного сечения наплавленного металла, полученная за счет расплавления электродной проволоки преобладает в площади поперечного сечения наплавленного металла FH из-за более высокой производительности ее расплавления по сравнению с присадочной проволокой. Подача присадочной проволоки обеспечивает точность требуемого содержания цветного легирующего металла в шве. The cross-sectional area of the deposited metal 7, in turn, conditionally includes two areas: metal deposited due to electrode wire 4 and deposited due to filler wire 5. determined from the results of a preliminary experiment on surfacing without the use of filler wire 5. This is possible due to the fact that the molten filler metal has a very small effect during the surfacing process on the value of the cross-sectional area of penetration of the base metal. The cross-sectional area of the weld metal obtained by melting the electrode wire dominates the cross-sectional area of the weld metal F H due to its higher melting performance compared to the filler wire. Filler wire feed ensures the accuracy of the required content of non-ferrous alloying metal in the weld.

При известных площадях поперечных сечений FО и FН можно определить важный параметр сварного шва - долю участия дополнительного металла в металле шва ψЭ по массе, который используется для расчета химического состава сварного шва по известным химическим составам наплавленного и основного металлов. Поскольку плотность наплавленного шва по всему объему одинакова независимо от плотностей основного и дополнительного металлов, справедливо соотношение для доли участия ψЭ по массеWith known cross-sectional areas F O and F N , an important parameter of the weld can be determined - the proportion of additional metal in the weld metal ψ E by weight, which is used to calculate the chemical composition of the weld from the known chemical compositions of the deposited and base metals. Since the density of the deposited weld over the entire volume is the same regardless of the densities of the main and additional metals, the ratio for the share of participation ψ E by weight is valid

Figure 00000002
Figure 00000002

Использование для наплавки дуги с разнополярными импульсами тока позволяет в значительно более широких пределах регулировать долю участия электродного металла в металле шва. При преобладании импульсов тока обратной полярности меньше производительность наплавки и больше производительность расплавления основного металла. При преобладании импульсов тока прямой полярности выше производительность наплавки и меньше производительность расплавления основного металла. Таким образом, соотношение средних токов разнополярных импульсов в дуге является еще одним дополнительным параметром процесса, наряду с током, скоростью наплавки, диаметром электрода. Это существенно расширяет технологические возможности дуги в отношении регулирования химического состава шва. Использование частоты не ниже 50 Гц обеспечивает высокую пространственную устойчивость дуги и стабильность скорости расплавления электродной проволоки.The use of an arc with bipolar current pulses for surfacing makes it possible to control the proportion of the electrode metal in the weld metal in a much wider range. With the predominance of current pulses of reverse polarity, the productivity of surfacing is lower and the productivity of melting the base metal is greater. With the predominance of current pulses of direct polarity, the productivity of surfacing is higher and the productivity of melting the base metal is lower. Thus, the ratio of average currents of pulses of opposite polarity in the arc is another additional parameter of the process, along with current, deposition rate, and electrode diameter. This significantly expands the technological capabilities of the arc in relation to the regulation of the chemical composition of the weld. The use of a frequency not lower than 50 Hz ensures high spatial stability of the arc and stability of the rate of melting of the electrode wire.

Несмотря на расширение диапазона регулирования ψЭ за счет изменения соотношения средних токов полярностей дуги с разнополярными импульсами тока, такого изменения может быть недостаточно для получения требуемого ψЭ. Одной из причин этого является то, что сварочные источники питания дуги разнополярными импульсами тока имеют кратность регулирования соотношения времени импульсов по отношению к длительности периода не ниже 0,1, часто 0,2. Добиться более точного значения требуемого ψЭ можно используя подачу присадочной проволоки по составу близкой к основному металлу или к составу электродной проволоки. Вид и скорость подачи присадочной проволоки выбираются в зависимости от результатов опыта при наплавке шва без подачи присадочной проволоки. При этом используется эффект слабого влияния скорости расплавления присадочной проволоки на проплавление основного металла.Despite the expansion of the range of regulation ψ e by changing the ratio of the average current polarities of the arc with bipolar current pulses, such a change may not be enough to obtain the required ψ e . One of the reasons for this is that arc welding power sources with bipolar current pulses have a control ratio of the pulse time ratio in relation to the period duration of at least 0.1, often 0.2. A more accurate value of the required ψ E can be achieved using the supply of filler wire in composition close to the base metal or to the composition of the electrode wire. The type and speed of the filler wire feed are selected depending on the results of the experiment when surfacing a weld without feeding a filler wire. In this case, the effect of the weak influence of the melting rate of the filler wire on the penetration of the base metal is used.

При проведении предварительной наплавки алюминиевой электродной проволокой без подачи присадочной проволоки будет получен шов с определенной площадью поперечного сечения FШО и площадью поперечного сечения наплавленного металла FНО. Разность между ними дает площадь поперечного сечения основного металлаWhen carrying out preliminary surfacing with aluminum electrode wire without feeding filler wire, a weld with a certain cross-sectional area F SHO and cross-sectional area of the deposited metal F BUT will be obtained. The difference between them gives the cross-sectional area of the base metal

Figure 00000003
Figure 00000003

При этом площадь поперечного сечения проплавления основного металла FО останется неизменной и при подаче присадочной проволоки. Это позволяет с помощью формулы (2) определить общую площадь поперечного сечения наплавленного металла, необходимую для обеспечения требуемого значения ψЭ по массе.In this case, the cross-sectional area of penetration of the base metal F O will remain unchanged even when the filler wire is fed. This allows using formula (2) to determine the total cross-sectional area of the deposited metal required to provide the required value of ψ E by weight.

Figure 00000004
Figure 00000004

где FН - площадь поперечного сечения наплавленного металла при наплавке с подачей присадочной проволоки по предлагаемому способу;where F H is the cross-sectional area of the deposited metal during surfacing with the supply of filler wire according to the proposed method;

FО - площадь поперечного сечения расплавления основного металла в предварительном опыте без подачи присадочной проволоки.F O is the cross-sectional area of the melting of the base metal in the preliminary experiment without feeding the filler wire.

В металл шва необходимо передать дополнительное количество наплавленного металла за счет подачи присадочной проволоки для обеспечения получения точного содержания легирующего элемента из цветного металла.Additional weld metal must be transferred to the weld metal by feeding the filler wire to ensure accurate non-ferrous alloy content is obtained.

При наплавке разнородного металла электродной проволоки, такого, как например, алюминиевой проволоки на сталь, при определении скорости расплавления электродной проволоки необходимо учитывать разные плотности основного металла и электродного.When surfacing a dissimilar metal of the electrode wire, such as, for example, aluminum wire on steel, when determining the melting rate of the electrode wire, it is necessary to take into account the different densities of the base metal and the electrode one.

Допустим, что требуемое содержание алюминия в наплавленном шве по массе ψЭ=η. Тогда, при наплавке алюминиевой проволоки на стальную пластину, учитывая различную плотность этих металлов, можно записатьLet us assume that the required aluminum content in the deposited weld by weight is ψ E =η. Then, when surfacing aluminum wire on a steel plate, taking into account the different densities of these metals, we can write

Figure 00000005
Figure 00000005

где ρAl - плотность алюминиевой проволоки, г/см3;where ρ Al is the density of aluminum wire, g/cm 3 ;

FH1 - площадь поперечного сечения наплавленного алюминия при условии отсутствия его перемешивания с основным металлом, см2;F H1 - cross-sectional area of the deposited aluminum in the absence of its mixing with the base metal, cm 2 ;

ρС - плотность стальной проволоки, г/см3;ρ C - steel wire density, g/cm 3 ;

FО - площадь поперечного сечения проплавления основного металла, см2, которую можно определить по шлифу поперечного сечения шва или расчетным путем по формулам распространения тепла при сварке.F O - cross-sectional area of penetration of the base metal, cm 2 , which can be determined from the section of the cross-section of the weld or by calculation using the formulas for the spread of heat during welding.

В формуле (5) принято, что наплавляемый металл имеет плотность алюминия, а основной металл - плотность низкоуглеродистой стали. Принимаем плотность стали ρС=7,8 г/см3, плотность алюминия 2,7 г/см3. Обозначим отношение ρС/ ρAl=β=2,89. Тогда после преобразований получим из (5)In formula (5), it is assumed that the weld metal has the density of aluminum, and the base metal has the density of low-carbon steel. We accept the density of steel ρ С = 7.8 g/cm 3 , the density of aluminum is 2.7 g/cm 3 . Let us denote the ratio ρ С / ρ Al =β=2.89. Then, after transformations, we obtain from (5)

2,89(FO/FН1) +1 =1/η.2.89(F O / F H1 ) +1 = 1/η.

Figure 00000006
Figure 00000006

При η =0,3 (FO/FН1) = 0,81. Такое соотношение сложно точно получить при использовании в качестве дополнительного металла только электродной алюминиевой проволоки. Необходимо определить такие параметры процесса наплавки с подачей присадочной проволоки, которые обеспечивали бы именно такое отношение площадей, чтобы точно получить ψЭ=0,3. Это можно обеспечить с помощью предлагаемого способа наплавки.At η = 0.3 (F O / F H1 ) = 0.81. Such a ratio is difficult to accurately obtain when using only electrode aluminum wire as an additional metal. It is necessary to determine such parameters of the surfacing process with filler wire feed, which would provide just such a ratio of areas in order to accurately obtain ψ E = 0.3. This can be achieved using the proposed surfacing method.

В таблицу 1 сведены данные расчетов отношения площадей поперечного сечения проплавления основного металла и наплавленного металла без перемешивания.Table 1 summarizes the calculation data for the ratio of the cross-sectional areas of penetration of the base metal and the deposited metal without mixing.

Таблица 1Table 1 ψЭ ψ E 0,150.15 0,200.20 0,300.30 0,400.40 R=FO/FН1 R=F O /F H1 1,961.96 1,381.38 0,810.81 0,520.52

Таким образом, чтобы обеспечить точное значение ψЭ необходимо сначала рассчитать соответствующее отношение R площади FO и площади сечения наплавленного металла без перемешивания FН1. После этого требуется выполнить наплавку плавящимся электродом без подачи присадочной проволоки и изготовить макрошлиф поперечного сечения шва и измерить опытные значение площади поперечного сечения шва FШО и наплавленного металла FНО, а затем рассчитать площадь поперечного сечения расплавления основного металла FO= FШО - FНО. Опытное поперечное сечение наплавленного металла FНО может быть точно определено непосредственно по шлифу после наплавки. Т. е. требуемая (расчетная) площадь поперечного сечения наплавляемой без перемешивания алюминиевой проволоки в итоге должна составлятьThus, in order to provide an accurate value of ψ E , it is first necessary to calculate the corresponding ratio R of the area F O and the cross-sectional area of the deposited metal without mixing F H1 . After that, it is required to perform surfacing with a consumable electrode without supplying a filler wire and make a macrosection of the weld cross section and measure the experimental values of the cross-sectional area of \u200b\u200bthe weld F SHO and the deposited metal F BUT , and then calculate the cross-sectional area of \u200b\u200bmelting the base metal F O \u003d F SHO - F BUT . The experimental cross-section of the deposited metal FHO can be accurately determined directly from the section after surfacing. That is, the required (calculated) cross-sectional area of the aluminum wire deposited without mixing should eventually be

Figure 00000007
Figure 00000007

С другой стороны можно определить реальную площадь поперечного сечения наплавленного металла F без перемешивания по массе наплавленного в предварительном опыте электродного металла МН в граммахOn the other hand, it is possible to determine the real cross-sectional area of the deposited metal F without mixing by the mass of the electrode metal deposited in the preliminary experiment М Н in grams

Figure 00000008
Figure 00000008

где L - длина шва, см.where L is the length of the seam, see

После этого следует определить знак разности между FH1 и опытным значением площади поперечного сечения наплавленного металла FНО без перемешиванияAfter that, the sign of the difference between F H1 and the experimental value of the cross-sectional area of the deposited metal F BUT without mixing should be determined

Figure 00000009
Figure 00000009

Если Δ больше нуля, следовательно, в проектируемом шве недостаточно алюминия и следует дополнительно в шов подавать алюминиевую присадочную проволоку.If Δ is greater than zero, therefore, there is not enough aluminum in the designed weld and an additional aluminum filler wire should be fed into the weld.

Если Δ меньше нуля, следовательно, в шве алюминий избыточен и следует дополнительно в шов подавать стальную присадочную проволоку.If Δ is less than zero, then there is excess aluminum in the weld and additional steel filler wire should be fed into the weld.

Необходимая скорость плавления и подачи VПAL алюминиевой присадочной проволокиRequired melting and feed rate V PAL aluminum filler wire

Figure 00000010
Figure 00000010

где VC - скорость сварки, см/с;where V C - welding speed, cm/s;

S - площадь поперечного сечения алюминиевой присадочной проволоки, см2;S - cross-sectional area of the aluminum filler wire, cm 2 ;

ψПAL - коэффициент потерь алюминиевой присадочной проволоки при наплавке на испарение и разбрызгивание.ψ PAL - loss factor of aluminum filler wire during surfacing on evaporation and spatter.

Для определения скорости подачи VПFE стальной присадочной проволоки необходимо составить уравнение на основе формулы (2).To determine the feed rate V PFE steel filler wire, it is necessary to make an equation based on formula (2).

Figure 00000011
Figure 00000011

где ПЭ - производительность наплавки алюминиевой электродной проволоки дугой, г/с;where P E is the productivity of surfacing aluminum electrode wire with an arc, g/s;

ρС - плотность стали, г/см3;ρ С - density of steel, g/cm 3 ;

FO - площадь поперечного сечения проплавления основного металла, см2;F O - cross-sectional area of penetration of the base metal, cm 2 ;

VC - скорость сварки, см/с;V C - welding speed, cm/s;

VНС - скорость передачи (наплавки) стальной присадочной проволоки в шов, см/с;V NS - speed of transfer (surfacing) of steel filler wire into the seam, cm/s;

SП - площадь поперечного сечения стальной присадочной проволоки, см2.S P - cross-sectional area of the steel filler wire, cm 2 .

Формула (11) включает в числителе и знаменателе 3 члена. Слагаемое в знаменателе ПЭ учитывает поступление в шов алюминия по массе. Слагаемое ρСFOVC учитывает поступление в шов стали из основного металла и слагаемое ρСVПСSП поступление в шов стальной присадочной проволоки. Поскольку нас интересует только содержание алюминиевого электродного металла в шве по массе, то в качестве массы наплавленного металла учитывается только одно слагаемое ПЭ.Formula (11) includes 3 terms in the numerator and denominator. The term in the denominator P E takes into account the flow of aluminum into the seam by weight. The term ρ С F O V C takes into account the entry of steel from the base metal into the weld and the term ρ С V PS S П the entry of steel filler wire into the weld. Since we are only interested in the content of aluminum electrode metal in the weld by mass, then only one term PE is taken into account as the mass of the deposited metal.

Производительность наплавки электродной проволоки ПЭ определяется взвешиванием сварочного образца до и после наплавки и измерением времени наплавки в предварительном опыте. Расчетным путем ПЭ можно определить по формуле, если известен коэффициент потерь электрода на испарение и разбрызгивание ψП The performance of welding electrode wire P E is determined by weighing the welding sample before and after welding and measuring the welding time in a preliminary experiment. By calculation, P E can be determined by the formula, if the coefficient of loss of the electrode for evaporation and spraying ψ P is known

Figure 00000012
Figure 00000012

где SЭ - площадь поперечного сечения электродной проволоки, см2;where S E - cross-sectional area of the electrode wire, cm 2 ;

VПЭ - скорость плавления электродной проволоки, см/с;V PE - melting rate of the electrode wire, cm/s;

ρАЛ - плотность алюминия, г/см3.ρ AL is the density of aluminum, g/cm 3 .

В выражении (11) искомым является скорость наплавки стальной присадочной проволоки VНС. После преобразований (11) получимIn expression (11), the desired is the rate of deposition of steel filler wire V NS . After transformations (11) we obtain

Figure 00000013
Figure 00000013

В левой части в квадратных скобках имеем безразмерную величину, а размерность правой в см/с.On the left side in square brackets we have a dimensionless value, and the dimension of the right side is in cm/s.

Чтобы получить требуемую скорость расплавления (подачи) стальной присадочной проволоки необходимо значение VНС разделить на коэффициент, учитывающий ее потери на испарение и разбрызгиваниеTo obtain the required rate of melting (feed) of the steel filler wire, it is necessary to divide the value of V HC by a coefficient that takes into account its losses due to evaporation and spatter

(1-ψПС).(1-ψ PS ).

Коэффициент потерь присадочной проволоки при наплавке может быть при расчете взят, исходя из литературных данных, и уточнен при выполнении наплавки по предлагаемому способу. При этом производится взвешивание массы наплавленного металла и измерение массы израсходованной проволоки по скорости ее подачи.The loss factor of the filler wire during surfacing can be taken in the calculation based on the literature data and refined when performing surfacing according to the proposed method. In this case, the mass of the deposited metal is weighed and the mass of the spent wire is measured by its feed rate.

То, что плавление присадочной проволоки не оказывает на проплавление основного металла существенного влияния подтверждается тем, что, например, даже в опытах при сварке с токоведущей присадочной проволокой такого влияния нет, хотя капли электродного металла в этом случае нагреваются до более высокой температуры (см. статью В.П. Сидорова, Н.А. Борисова. Процесс наплавки комбинацией дуг прямого и косвенного действия Сварка и Диагностика.- 2020. № 6. С.39-43). Это же подтверждается тем, что сложно осуществить процесс наплавки дугой косвенного действия с двумя стальными плавящимися электродами на сталь без принятия специальных мер по обеспечению расплавления основного металла.The fact that the melting of the filler wire does not have a significant effect on the penetration of the base metal is confirmed by the fact that, for example, even in experiments when welding with a current-carrying filler wire, there is no such effect, although drops of the electrode metal in this case are heated to a higher temperature (see article V.P. Sidorova, N.A. Borisova The process of surfacing with a combination of arcs of direct and indirect action Welding and Diagnostics.- 2020. No. 6. P.39-43). This is also confirmed by the fact that it is difficult to carry out the process of surfacing with an indirect arc with two steel consumable electrodes on steel without taking special measures to ensure the melting of the base metal.

Также слабое влияние скорости плавления присадочной проволоки на проплавление основного металла следует из результатов статьи А.И. Ковтунова и др. Определение параметров распределенного источника тепла при наплавке сплавов системы титан-алюминий. Технология металлов. 2018. №12. С16-20. (см. таблицу на стр. 18). При изменении скорости подачи проволоки в 6 раз на токе 270 А провар основного металла практически не изменился.Also, a weak effect of the melting rate of the filler wire on the penetration of the base metal follows from the results of the article by A.I. Kovtunova et al. Determination of the parameters of a distributed heat source in the surfacing of alloys of the titanium-aluminum system. Metal technology. 2018. No. 12. C16-20. (see table on page 18). When the wire feed speed was changed by 6 times at a current of 270 A, the penetration of the base metal remained practically unchanged.

Включение в состав электродной проволоки других легирующих элементов кроме основного до 2,5 % по массе, изменяет плотность электродной проволоки, но это легко учесть путем расчета приведенной плотности электродной проволоки. Кроме того, такое небольшое содержание легирующих элементов мало сказывается на точности расчета и получении требуемого содержания основного легирующего элемента.The inclusion of alloying elements other than the main one in the composition of the electrode wire up to 2.5% by weight changes the density of the electrode wire, but this can be easily taken into account by calculating the reduced density of the electrode wire. In addition, such a small content of alloying elements has little effect on the accuracy of the calculation and obtaining the required content of the main alloying element.

В таблице 2 приводятся плотности основных цветных металлов, которые могут использоваться при наплавке.Table 2 lists the densities of base non-ferrous metals that can be used in hardfacing.

Таблица 2table 2 МеталлMetal AlAl Mgmg CuCu ZnZn NiNi TiTi Плотность, г/см3 Density, g / cm 3 2,72.7 1,741.74 8,928.92 7,137.13 8,98.9 4,544.54

На фиг.2. представлена циклограмма тока дуги при наплавке или сварке плавящимся электродом разнополярными импульсами тока прямоугольной формы при преобладании по времени импульсов обратной полярности. Токи во время импульсов одинаковы. Время импульсов прямой полярности обозначено tEN, а обратной полярности t. Общее время цикла tС. Средний ток дуги обратной полярности IEPC за периодIn Fig.2. the cyclogram of the arc current during surfacing or consumable electrode welding with bipolar rectangular current pulses is presented with the predominance of reverse polarity pulses in time. The currents during the pulses are the same. The time of pulses of direct polarity is indicated by tEN, and reverse polarity tEP. Total cycle time tFROM. Average reverse polarity arc current IEPC for the period

Figure 00000014
Figure 00000014

где IEP - средний ток дуги обратной полярности в импульсе, Аwhere I EP is the average reverse polarity arc current per pulse, A

ϕ - доля по времени тока импульсов прямой полярности за период.ϕ is the time fraction of the current of pulses of direct polarity per period.

В предлагаемом способе значение ϕ предлагается выбирать в пределах ϕ=0,1-0,9, а частоту импульсов не менее 50 Гц. Предлагаемый диапазон изменений ϕ позволяет максимально расширить диапазон возможных значений ψЭ при наплавке или сварке без использования присадочной проволоки. Значения ϕ меньше 0,1 не следует применять, так как возможно нарушение устойчивости повторных зажиганий дуги, а также тем, что выпускаемые промышленностью установки позволяют изменять ϕ с шагом не менее 0,1. Значения ϕ больше 0,9 не следует применять по причине возможного нарушения стабильности скорости расплавления электродной проволоки. Использование частоты импульсов не менее 50 Гц обеспечивает высокую пространственную устойчивость дуги и высокую стабильность скорости расплавления электродной проволоки.In the proposed method, the value of ϕ is proposed to be chosen within ϕ=0.1-0.9, and the pulse frequency is not less than 50 Hz. The proposed range of changes in ϕ allows you to maximize the range of possible values of ψ E during surfacing or welding without the use of filler wire. Values of ϕ less than 0.1 should not be used, since the stability of re-ignition of the arc is possible, as well as the fact that industrial installations allow changing ϕ in increments of at least 0.1. Values of ϕ greater than 0.9 should not be used due to a possible violation of the stability of the melting rate of the electrode wire. The use of a pulse frequency of at least 50 Hz ensures high spatial stability of the arc and high stability of the rate of melting of the electrode wire.

Средний ток дуги прямой полярности IENC за периодAverage straight polarity arc current I ENC per period

Figure 00000015
Figure 00000015

где IEP - средний ток дуги прямой полярности в импульсе, А.where I EP is the average current of the arc of direct polarity in the pulse, A.

Средний ток дуги IC за периодAverage arc current I C per period

Figure 00000016
Figure 00000016

Средние токи полярностей дуги за период IENC и IEPC определяют производительность расплавления электрода этой полярностью за период.The average currents of the arc polarities per period I ENC and I EPC determine the melting performance of an electrode with that polarity per period.

На фиг.3 представлена циклограмма тока дуги при сварке разнополярными импульсами тока прямоугольной формы при преобладании по времени импульсов прямой полярности. Токи импульсов также одинаковы. Обозначения на фиг.3 аналогичны обозначениям на фиг. 2. Формулы (14)-(16) справедливы и в этом случае.Figure 3 shows the cyclogram of the arc current during welding with bipolar current pulses of a rectangular shape with the predominance of time pulses of direct polarity. The pulse currents are also the same. The designations in Fig. 3 are similar to those in Figs. 2. Formulas (14)-(16) are also valid in this case.

На фиг.4 представлены зависимости плотностей тока при сварке алюминиевой электродной проволокой в дуге обратной полярности в аргоне от ее диаметра d. Для каждого диаметра проволоки плотность тока может изменяться в достаточно большом диапазоне. Она уменьшается с увеличением диаметра проволоки. Верхняя кривая на фиг. 4 представляет максимально рекомендуемые плотности тока, а нижняя - минимальные. Кривые плотности тока рассчитаны по данным для токов, приведенным в книге Мельниченко Н.Т. Монтаж и сварка конструкций из нержавеющей стали и алюминия. Л.: Машиностроение. 1968. 208 с. на стр.96, в таблице 25. Аналогичные данные достаточно широко приводятся в специальной литературе.Figure 4 shows the dependence of current densities in welding with aluminum electrode wire in an arc of reverse polarity in argon on its diameter d. For each wire diameter, the current density can vary over a fairly large range. It decreases with increasing wire diameter. The top curve in Fig. 4 represents the maximum recommended current densities and the bottom one represents the minimum. The current density curves are calculated according to the data for currents given in the book by Melnichenko N.T. Assembly and welding of stainless steel and aluminum structures. L.: Mechanical engineering. 1968. 208 p. on page 96, in table 25. Similar data are quite widely given in the special literature.

В этой же таблице 25 приведены данные по скорости подачи алюминиевой электродной проволоки. По этим данным были рассчитаны коэффициенты расплавления электродной проволоки по формулеThe same table 25 shows data on the feed rate of the aluminum electrode wire. Based on these data, the melting coefficients of the electrode wire were calculated using the formula

Figure 00000017
Figure 00000017

где VЭ - скорость расплавления (подачи) электродной проволоки , см/с,where V e - speed of melting (feed) of the electrode wire, cm / s,

ρ - плотность металла проволоки, г/см3,ρ - wire metal density, g / cm 3 ,

j - плотность тока в поперечном сечении электрода, А/см2.j - current density in the cross section of the electrode, A/cm 2 .

Размерность αР в этом случае г/(А⋅с) и для перевода в г/(А⋅ч) необходимо значение умножить на 3600 с. Результаты расчета αР приведены в таблице 3.The dimension of α R in this case is g/(A⋅s) and to convert to g/(A⋅h) it is necessary to multiply the value by 3600 s. The calculation results for α P are shown in Table 3.

Таблица 3Table 3 d, ммd, mm 1,21.2 1,61.6 2,02.0 2,52.5 3,03.0 4,04.0 I, AI, A Токи, АCurrents, A 100100 250250 150150 300300 200200 350350 250250 400400 280280 450450 400400 500500 αР,
г/(А⋅ч)
α P ,
g/(A⋅h)
7,47.4 10,210.2 8,88.8 12,012.0 10,310.3 10,210.2 13,013.0 12,012.0 8,38.3 10,310.3 10,410.4 12,512.5
Δ, %Δ, % 17,317.3 15,415.4 00 4,04.0 11,011.0 8,8 8.8

В последней строке таблицы 3 приведено относительное отклонение полуразности граничных значений αР для диапазона токов к среднему значению (полуразмах значений от среднего значения).The last line of Table 3 shows the relative deviation of the half-difference of the boundary values α R for the range of currents to the average value (half-range of values from the average value).

Из таблицы 3 следует некоторая небольшая тенденция по увеличению коэффициента расплавления с увеличением плотности тока. Это может быть связано с различной степенью нагрева электрода в вылете. Коэффициент наплавки αН дуги прямого действия несложно определить взвешиванием по разнице масс наплавляемого образца до и после наплавки для конкретного тока дуги и измерением тока и времени наплавки или с помощью αР, и известного коэффициента потерь на угар и разбрызгивание. Из таблицы 3 следует невысокая точность определения коэффициента αР и, следовательно, связанного с ним коэффициента наплавки αН, который необходим для расчета производительности расплавления ПН электродной проволоки г/с.Table 3 shows some slight trend towards an increase in the melting factor with increasing current density. This may be due to the different degree of heating of the electrode in the extension. The deposition coefficient α H of a direct arc is easy to determine by weighing the difference in the masses of the deposited sample before and after deposition for a specific arc current and measuring the deposition current and time or using α P , and the known loss coefficient for waste and spatter. Table 3 shows the low accuracy of determining the coefficient α P and, consequently, the associated deposition coefficient α N , which is necessary to calculate the melting capacity of the PN electrode wire g/s.

Figure 00000018
Figure 00000018

Коэффициент наплавки в формуле (18) должен использоваться в г/(А⋅с).The deposition factor in formula (18) should be used in g/(A⋅s).

Сравнение коэффициентов расплавления стальной и алюминиевой электродных проволок при одинаковых токах показывает, что коэффициент расплавления алюминиевой проволоки в одинаковых условиях примерно в 1,5-1,7 раза меньше, чем у стальной. Данные получены по зависимостям, приведенным в книге В.А. Ленивкина и др. Технологические свойства сварочной дуги в защитных газах (стр.112, рис. 57 и 58). М.: Машиностроение, 1989 г., 264 с. Данные относятся к дуге обратной полярности. Это затрудняет получение достаточно большого количества алюминия в шве при наплавке алюминия на сталь по известному способу.Comparison of the melting coefficients of steel and aluminum electrode wires at the same currents shows that the melting coefficient of aluminum wire under the same conditions is approximately 1.5-1.7 times less than that of steel wire. The data were obtained according to the dependencies given in the book by V.A. Lenivkina and others. Technological properties of the welding arc in shielding gases (p. 112, Fig. 57 and 58). M.: Mashinostroenie, 1989, 264 p. The data refer to an arc of reversed polarity. This makes it difficult to obtain a sufficiently large amount of aluminum in the seam when surfacing aluminum on steel by a known method.

На фиг.5 представлены зависимости площадей поперечного сечения проплавления основного металла и наплавленного металла и доли участия электродного металла в металле шва при наплавке стальной низкоуглеродистой сварочной проволоки на пластину из низкоуглеродистой стали швов в среде СО2 от тока дуги. Зависимости приведены в книге Е.Н. Новожилова. Основы металлургии дуговой сварки в активных защитных газах. М.: Машиностроение. - 1972.- 167 с. и приведены на стр. 102 на рис. 57 а. Коэффициент ψЭ уменьшается при увеличении тока с 200 до 500 А с ψЭ =0,55 до ψЭ = 0,35, то есть на 40%. Это происходит потому, что при определенном токе рост площади поперечного сечения проплавления основного металла начинает существенно опережать рост площади поперечного сечения наплавленного металла. Причиной этого является отражение тепла от обратной плоскости пластины при достижении током определенной толщины. Площади равны между собой при токе 250 А, то есть для этого тока FO/FН=1. Зависимости на фиг.5 показывают, что в данных условиях изменение тока может в определенных пределах влиять на ψЭ и содержание основного легирующего элемента в шве при сварке плавящимся электродом. Однако этого влияния недостаточно для обеспечения требуемого содержания основного легирующего элемента в шве. Изменение ψЭ происходит примерно в пределах 20% от среднего значения ψЭ =0,5, то есть в диапазоне ψЭ=0,6-0,7.Figure 5 shows the dependence of the cross-sectional areas of penetration of the base metal and deposited metal and the proportion of the electrode metal in the weld metal when surfacing steel low-carbon welding wire on a plate of low-carbon steel welds in CO 2 from the arc current. Dependencies are given in the book by E.N. Novozhilov. Fundamentals of metallurgy of arc welding in active shielding gases. M.: Mashinostroenie. - 1972.- 167 p. and are shown on page 102 in fig. 57 a. The coefficient ψ E decreases with increasing current from 200 to 500 A from ψ E =0.55 to ψ E = 0.35, that is, by 40%. This is because at a certain current, the growth of the cross-sectional area of penetration of the base metal begins to significantly outpace the growth of the cross-sectional area of the deposited metal. The reason for this is the reflection of heat from the reverse plane of the plate when the current reaches a certain thickness. The areas are equal to each other at a current of 250 A, that is, for this current F O / F H =1. Dependences in figure 5 show that under these conditions, a change in current can, within certain limits, affect ψ e and the content of the main alloying element in the weld when welding with a consumable electrode. However, this effect is not enough to ensure the required content of the main alloying element in the weld. Change ψ e occurs approximately within 20% of the average value ψ e =0.5, that is, in the range ψ e =0.6-0.7.

На фиг.6 представлены зависимости площадей поперечного сечения проплавления основного металла и наплавленного металла и доли участия электродного металла в металле шва при наплавке стальной низкоуглеродистой сварочной проволоки на пластину из низкоуглеродистой стали швов в среде СО2 от скорости сварки. Зависимости приведены по тому же источнику, что и для фиг.5.Figure 6 shows the dependence of the cross-sectional areas of penetration of the base metal and the deposited metal and the proportion of the electrode metal in the weld metal when surfacing steel low-carbon welding wire on a plate of low-carbon steel welds in CO 2 from the welding speed. Dependencies are given according to the same source as for Fig.5.

Зависимость показывает отсутствие влияния скорости сварки на ψЭ , что характеризует низкую технологическую гибкость известного способа наплавки.The dependence shows the absence of influence of the welding speed on ψ e , which characterizes the low technological flexibility of the known surfacing method.

На фиг.7 представлена диаграмма коэффициентов расплавления αР для стальных проволок для прямой и обратной полярностей тока дуги при наплавке в аргоне проволокой Св-08Г2С диаметром 2 мм. Диаграмма построена по данным, приведенным в монографии В.А. Ленивкина и др. Технологические свойства сварочной дуги в защитных газах. М.: Машиностроение, 1989. - 264 с. (табл. 20 на стр. 115). Вылет электрода составил 1,54 см.Figure 7 shows a diagram of the melting coefficients α P for steel wires for direct and reverse polarity of the arc current when surfacing in argon with wire Sv-08G2S with a diameter of 2 mm. The diagram was built according to the data given in the monograph by V.A. Lenivkina et al. Technological properties of the welding arc in shielding gases. M.: Mashinostroenie, 1989. - 264 p. (Table 20 on page 115). The electrode overhang was 1.54 cm.

Опытные данные фиг. 7 свидетельствуют, что при одинаковом токе дуги 340 А коэффициент расплавления электродной проволоки на обратной полярности EP составляет αР=13,0 г/(А⋅ч), а на прямой полярности EN αР=22,1 (г/А⋅ч), т.е. на прямой полярности αР в 1,7 раза больше. Это объясняется двумя причинами - в большей степени большей мощностью в электрод от катодной области дуги, чем от анодной и в меньшей степени меньшим теплосодержанием капель электродного металла на прямой полярности.The experimental data of Fig. 7 indicate that at the same arc current of 340 A, the melting coefficient of the electrode wire at reverse polarity EP is α P =13.0 g/(A⋅h), and at straight polarity EN α P =22.1 (g/A⋅h ), i.e. on direct polarity α P is 1.7 times greater. This is due to two reasons - to a greater extent, more power into the electrode from the cathode region of the arc than from the anode region and, to a lesser extent, lower heat content of the electrode metal droplets at direct polarity.

Для различных защитных газов соотношение коэффициентов расплавления для прямой и обратной полярности приводится в справочнике «Сварка в машиностроении», Т.1, 1978 г. на стр. 238, табл. 36. Для диаметра электродной проволоки 1,6 мм среднее значение при токе 350 А на прямой полярности 26,1 г/(А⋅ч), а на обратной 15,5 г/(А⋅ч), то есть на прямой полярности в 1,68 раза больше.For various shielding gases, the ratio of melting coefficients for direct and reverse polarity is given in the reference book "Welding in mechanical engineering", Vol. 1, 1978 on page 238, table. 36. For an electrode wire diameter of 1.6 mm, the average value at a current of 350 A at direct polarity is 26.1 g / (A⋅h), and at the reverse 15.5 g / (A⋅h), that is, at direct polarity in 1.68 times more.

Коэффициент наплавки αН отличается от коэффициента расплавления αР только небольшим процентом потерь на угар и разбрызгивание, которые не влияют на общую картину соотношения производительности наплавки на разных полярностях.The surfacing coefficient α H differs from the melting coefficient α P only by a small percentage of losses due to waste and spatter, which do not affect the overall picture of the ratio of surfacing productivity at different polarities.

На фиг. 8 приведена аналогичная диаграмма для наплавки алюминиевой электродной проволоки диаметром 1,2 мм на алюминиевую пластину при токе 200 А дугой в аргоне. Коэффициент расплавления электродной проволоки на обратной полярности составляет 8,72 г/(А⋅ч), а на прямой полярности 19,33 (г/А⋅ч), т.е. на прямой полярности в 2,16 раза больше. Данный результат описан в статье В.П. Сидорова и др. О плавлении алюминиевого электрода аргоновой дугой прямой полярности. Вектор науки ТГУ, 2019. №4(50). С.52-57.In FIG. 8 shows a similar diagram for surfacing aluminum electrode wire with a diameter of 1.2 mm on an aluminum plate at a current of 200 A with an arc in argon. The melting coefficient of the electrode wire at reverse polarity is 8.72 g/(A⋅h), and at straight polarity 19.33 (g/A⋅h), i.e. on direct polarity 2.16 times more. This result is described in the article by V.P. Sidorova et al. On the melting of an aluminum electrode by an argon arc of direct polarity. Vector of Science TSU, 2019. No. 4(50). pp.52-57.

Однако на прямой полярности сварку и наплавку дугой в защитных газах плавящимся электродом не ведут из-за низкой стабильности скорости расплавления электродной проволоки и низкой пространственной устойчивости дуги. Это объясняется особенностями поведения катодного пятна на стержневом электроде. В большей степени это присуще стальным проволокам из-за наличия различных окислов и загрязнений на поверхности, которые влияют на катодное падение напряжения дуги. В меньшей степени это присуще алюминиевой электродной проволоке, у которой на поверхности может присутствовать только один окисел Al2O3 различной толщины.However, in direct polarity, welding and surfacing with an arc in shielding gases with a consumable electrode is not carried out due to the low stability of the melting rate of the electrode wire and the low spatial stability of the arc. This is explained by the peculiarities of the behavior of the cathode spot on the rod electrode. To a greater extent, this is inherent in steel wires due to the presence of various oxides and impurities on the surface, which affect the cathodic arc voltage drop. To a lesser extent, this is inherent in aluminum electrode wire, in which only one Al 2 O 3 oxide of various thicknesses can be present on the surface.

Применение разнополярной дуги с частотой импульсов тока не менее 50 Гц для наплавки плавящимся электродом в защитных газах позволяет повысить стабильность процесса, как скорости расплавления электрода, так и пространственную устойчивость дуги. В то же время из-за существенной разницы в интенсивности проплавлении электрода и изделия этот вид дуги позволяет за счет регулирования доли полярностей в периоде и средних токов полярностей за период регулировать соотношение площадей проплавления основного и наплавленного металла и ψЭ в очень широких пределах.The use of a bipolar arc with a current pulse frequency of at least 50 Hz for surfacing with a consumable electrode in shielding gases makes it possible to increase the stability of the process, both the rate of electrode melting and the spatial stability of the arc. At the same time, due to a significant difference in the intensity of penetration of the electrode and the product, this type of arc allows, by controlling the proportion of polarities in the period and the average polarity currents for the period, to control the ratio of the areas of penetration of the base and deposited metal and ψ E in a very wide range.

Повышение стабильности происходит вследствие того, что изменение полярности с достаточно высокой частотой подавляет блуждание катодного пятна сварочной дуги, как на изделии, так и на электроде. Стабильность повторных зажиганий обеспечивается высокой скоростью перехода тока через ноль и встроенными в сварочные установки высокочастотными возбудителями дуг.The increase in stability is due to the fact that a change in polarity with a sufficiently high frequency suppresses the wandering of the cathode spot of the welding arc, both on the product and on the electrode. The stability of re-ignitions is ensured by the high current zero-crossing rate and the high-frequency arc exciters built into the welding machines.

Для дуги с разнополярными импульсами тока можно записать формулу для коэффициента наплавки αFor an arc with bipolar current pulses, we can write the formula for the deposition coefficient α

Figure 00000019
Figure 00000019

где αEP - коэффициент наплавки для дуги обратной полярности постоянного тока;where α EP is the deposition coefficient for a DC reverse polarity arc;

αEN - коэффициент наплавки для дуги прямой полярности постоянного тока.α EN is the deposition factor for a DC direct polarity arc.

Обозначим отношение (αEN / αEP) = М>1. ТогдаDenote the ratio (α EN / α EP ) = М>1. Then

α = (1-ϕ) αEP + αEP М⋅ϕ.α = (1-ϕ) α EP + α EP М⋅ϕ.

После преобразований получимAfter transformations, we get

Figure 00000020
Figure 00000020

При ϕ = 0,1 преобладает обратная полярность, при М=2 получим α =1,1 αEP, а при ϕ = 0,9 преобладает прямая полярность, и при М=2 получим α =1,9 αEP. Т.е., при увеличении отношения длительности импульсов прямой полярности к длительности периода, по предлагаемому способу можно изменить коэффициент наплавки на 73%. Одновременно будет уменьшаться аналогичный коэффициент проплавления основного металла, который можно обозначить αО. Он будет изменяться в меньшей степени, однако в целом диапазон возможного изменения доли участия электродного металла в шве будет значительно шире, чем у известного способа. Противоположная направленность изменения площадей проплавления основного и наплавленного металлов с изменением ϕ позволяет в очень широких пределах изменять ψЭ. Коэффициент проплавления основного металла, аналогичный коэффициенту наплавки для электродной проволоки можно определить по формулеAt ϕ = 0.1, reverse polarity prevails, at М=2 we get α =1.1 α EP , and at ϕ = 0.9, direct polarity prevails, and at М=2 we get α =1.9 α EP . That is, with an increase in the ratio of the duration of pulses of direct polarity to the duration of the period, according to the proposed method, it is possible to change the deposition coefficient by 73%. At the same time, a similar coefficient of penetration of the base metal will decrease, which can be denoted α O . It will change to a lesser extent, however, in general, the range of possible changes in the proportion of the electrode metal in the weld will be much wider than that of the known method. The opposite direction of change in the areas of penetration of the base and deposited metals with a change in ϕ allows you to change ψ e in a very wide range. The coefficient of penetration of the base metal, similar to the coefficient of welding for electrode wire, can be determined by the formula

Figure 00000021
Figure 00000021

где ρO - плотность основного металла, г/см3;where ρ O is the density of the base metal, g/cm 3 ;

I - средний ток дуги, А;I - average arc current, A;

VC - скорость сварки, см/с. V C - welding speed, cm / s.

Размерность αО при использовании указанных единиц измерения г/(А⋅с).Dimension α О when using the indicated units of measurement g/(A⋅s).

В таблице 4 представлены расчетные зависимости отношения коэффициентов наплавки α электрода для дуги с разнополярными импульсами тока от ϕ для различных значений М по формуле (20). Значения М могут изменяться в зависимости от диаметра электрода и тока дуги. Коэффициент в таблице показывает во сколько раз коэффициент наплавки при данных М и ϕ больше аналогичного коэффициента на обратной полярности дуги.Table 4 presents the calculated dependences of the ratio of the deposition coefficients α of the electrode for an arc with current pulses of different polarities on ϕ for various values of М according to formula (20). The values of M may vary depending on the diameter of the electrode and the arc current. The coefficient in the table shows how many times the deposition coefficient for given M and ϕ is greater than the similar coefficient for the reverse polarity of the arc.

Таблица 4Table 4 МM ϕϕ 0,10.1 0,20.2 0,30.3 0,40.4 0,50.5 0,60.6 0,70.7 0,80.8 0,90.9 1,61.6 1,061.06 1,121.12 1,181.18 1,241.24 1,301.30 1,361.36 1,421.42 1,481.48 1,541.54 1,81.8 1,081.08 1,161.16 1,241.24 1,321.32 1,401.40 1,481.48 1,561.56 1,641.64 1,721.72 2,02.0 1,11.1 1,21.2 1,31.3 1,41.4 1,51.5 1,61.6 1,71.7 1,81.8 1,91.9

Площадь проплавления основного металла в формуле (21) изменяется при увеличении ϕ противоположным образом - она уменьшается. Это связано с тем, что мощность, вводимая катодной областью в изделие существенно больше, чем анодной областью. Мощность, передаваемая изделию жидким электродным металлом, мало влияет на проплавление основного металла. Т.о., площади проплавления основного металла FO и электродного металла FН изменяются при изменении ϕ противоположно, что позволяет регулировать ψЭ в широких пределах. Соответственно, в очень широких пределах будет регулироваться и химический состав шва.The area of penetration of the base metal in formula (21) changes with an increase in ϕ in the opposite way - it decreases. This is due to the fact that the power introduced into the product by the cathode region is significantly greater than by the anode region. The power transmitted to the product by the liquid electrode metal has little effect on the penetration of the base metal. Thus, the areas of penetration of the base metal F O and the electrode metal F H change in the opposite direction with a change in ϕ, which allows you to adjust ψ E over a wide range. Accordingly, the chemical composition of the weld will be regulated within a very wide range.

Для реализации способа можно использовать и установки, обеспечивающие не только регулирование ϕ, но и токи импульсов. В этом случае будут справедливы и могут использоваться формулы для средних токов за период.To implement the method, you can also use installations that provide not only the regulation of ϕ, but also the pulse currents. In this case, formulas for average currents over a period will be valid and can be used.

Токи на алюминиевую электродную проволоку можно выбирать на основе таблицы 3,5 и ей подобных для сварки алюминиевых сплавов плавящимся электродом на обратной полярности дуги в аргоне.The currents on the aluminum electrode wire can be selected on the basis of table 3.5 and the like for welding aluminum alloys with a consumable electrode on the reverse polarity of the arc in argon.

Таблица 5Table 5 δ, ммδ, mm Число слоев Number of layers dЭ, мм d E , mm Ток, АCurrent, A UД, ВU D , V VC, см/сV C , cm/s 3-53-5 1-21-2 1,6-2,01.6-2.0 180-200180-200 28-3028-30 0,56-0,610.56-0.61 6-86-8 1-21-2 2,02.0 250-300250-300 28-3028-30 0,50-0,610.50-0.61 8-128-12 2-32-3 2,02.0 250-300250-300 28-3028-30 0,44-0,560.44-0.56

Пример 1. По предлагаемому способу производилась автоматическая наплавка алюминиевой проволоки А0 диаметром dЭ= 1,2 мм дугой прямого действия в среде аргона на пластину толщиной 6 мм из низкоуглеродистой стали 20 с целью обеспечения оптимального содержания алюминия в шве ψЭ=26 % по массе. В начале по формуле (6) было получено, что для этого отношение площади поперечного сечения проплавления основного металла к площади поперечного сечения наплавленного металла (без учета перемешивания) должно составлять R=FO/FH1=0,985.Example 1. According to the proposed method, automatic surfacing of aluminum wire A0 with a diameter of d e = 1.2 mm was carried out with a direct arc in argon on a plate 6 mm thick made of low-carbon steel 20 in order to ensure the optimal aluminum content in the seam ψ e = 26% by weight . At the beginning, according to formula (6), it was obtained that for this the ratio of the cross-sectional area of penetration of the base metal to the cross-sectional area of the deposited metal (excluding mixing) should be R=F O /F H1 =0.985.

Затем выполнялась предварительная наплавка дугой с разнополярными импульсами тока прямоугольной формы от специального источника питания - установки DW-300. Частота импульсов составляла 50 Гц. Для автоматической наплавки алюминиевой электродной проволоки использовалась сварочная горелка для механизированной сварки от установки FastMigMXF 65, которая закреплялась на сварочном автомате АДСВ-6. Токи импульсов устанавливались одинаковыми для обеих полярностей IEN=IEP=200 А. При проведении наплавки разнополярными импульсами тока при ϕ=0,2 средние за период токи прямой полярности ENC= 40 А, обратной полярности EPC =160 А. Средний ток дуги за период также составлял 200 А. Скорость подачи электродной проволоки составляла VЭ =13,3 см/с.Then, preliminary surfacing was carried out with an arc with bipolar rectangular current pulses from a special power source - a DW-300 installation. The pulse frequency was 50 Hz. For automatic surfacing of aluminum electrode wire, a welding torch for mechanized welding from a FastMigMXF 65 unit was used, which was attached to an ADSV-6 automatic welding machine. The pulse currents were set the same for both polarities I EN =I EP =200 A. When surfacing with different polarity current pulses at ϕ=0.2, the average currents of direct polarity EN C = 40 A for the period, reverse polarity EP C = 160 A. Average current arc for the period was also 200 A. The feed rate of the electrode wire was V E =13.3 cm/s.

Скорость наплавки в предварительном опыте составляла VC=0,25см/с. При наплавке на пластину обеспечивали длину наплавок L=80 мм. Наплавляемые пластины взвешивали до и после наплавки с точностью до 0,1 г. По массе наплавленного алюминия и длине шва определяли среднее значение площади поперечного сечения наплавленного металла шва в опыте без перемешивания F по формуле (8).The deposition rate in the preliminary experiment was V C =0.25 cm/s. When surfacing on the plate, the length of the surfacing was provided L = 80 mm. The weld plates were weighed before and after surfacing with an accuracy of 0.1 g. The average value of the cross-sectional area of the deposited weld metal was determined from the mass of the deposited aluminum and the length of the weld in the experiment without mixing FHO according to the formula (8).

Для наплавленного шва по массе наплавленного металла получили площадь поперечного сечения наплавленного металла FH=0,23 см2 сечения шва FШ = 1,02 см2. Т.о, получили, что площадь поперечного сечения проплавления основного металла FO= FШ - FH =0,79 cм2. Такая достаточно большая площадь получена благодаря малой толщине пластины вследствие отражения тепла от обратной плоскости.For the deposited weld, by the mass of the deposited metal, the cross-sectional area of the deposited metal F H =0.23 cm 2 of the weld section F W = 1.02 cm 2 was obtained. Thus, it was obtained that the cross-sectional area of penetration of the base metal F O = F W - F H =0.79 cm 2 . Such a rather large area is obtained due to the small thickness of the plate due to the reflection of heat from the back plane.

Доля участия электродного металла в металле шва по площади поперечных сечений и массе в предварительной наплавке ψЭ = 0,23/1,02=0,225. Из того, что опытное значение ψЭ меньше требуемого ψЭ =0,26 следует, что в шве недостаток алюминия и в качестве присадочной следует использовать алюминиевую проволоку.The share of participation of the electrode metal in the weld metal in terms of cross-sectional area and mass in the preliminary surfacing ψ E = 0.23/1.02=0.225. From the fact that the experimental value of ψ E is less than the required ψ E = 0.26, it follows that there is a lack of aluminum in the seam and aluminum wire should be used as a filler wire.

Используя полученный ранее коэффициент R =0,995 для ψЭ=0,26, рассчитали требуемую площадь поперечного сечения наплавленного алюминия без перемешивания 0,79/0,995 = 0,79 см2. Действительная площадь поперечного сечения наплавленного алюминия без перемешивания 0,76/1,24 = 0,61 см2. Это означает, что в шве недостаток наплавленного алюминия без перемешивания Δ=0,79-0,61 = 0,18 см2. Принимаем диаметр алюминиевой присадочной проволоки 1,2 мм. Для определения скорости ее подачи используем формулу (10). Коэффициент потерь проволоки принимали 0,1.Using the previously obtained coefficient R =0.995 for ψ E =0.26, we calculated the required cross-sectional area of the deposited aluminum without mixing 0.79/0.995 = 0.79 cm 2 . The actual cross-sectional area of the welded aluminum without mixing is 0.76 / 1.24 = 0.61 cm 2 . This means that there is a lack of weld aluminum without mixing Δ=0.79-0.61 = 0.18 cm 2 . We take the diameter of the aluminum filler wire 1.2 mm. To determine its feed rate, we use formula (10). The wire loss factor was assumed to be 0.1.

VПАЛ=Δ⋅VC/S(1-ψАЛ),V PAL =Δ⋅V C /S(1-ψ AL ),

VПАЛ=(0,18⋅0,25)/(0,013⋅0,9) = 3,84 см/с.V PAL \u003d (0.18 0.25) / (0.013 0.9) \u003d 3.84 cm / s.

Проволоку подавали в столб дуги под углом к поверхности изделия со стороны хвостовой части сварочной ванны. Для получения расплавления присадочной проволоки с данной скоростью регулировали ее положение относительно столба дуги по высоте и угол наклона по отношению к поверхности изделия.The wire was fed into the arc column at an angle to the product surface from the side of the tail part of the weld pool. To obtain the melting of the filler wire at a given speed, its position relative to the arc column in height and the angle of inclination with respect to the surface of the product were adjusted.

После проведения наплавки на данном режиме с подачей алюминиевой присадочной проволоки марки А0 получили после изготовления макрошлифа FO =0,78 см2, FН = 0,27 см2, ψЭ = 0,256, то есть отличную от требуемого значения всего на 1,5%. Результаты спектрального анализа содержания алюминия в шве подтвердили полученную по площадям точность определения. Площадь поперечного сечения проплавления основного металла изменилась всего на 2%, а площадь поперечного сечения наплавленного металла увеличилась из-за подачи алюминиевой проволоки со значительно меньшей плотностью. В результате с высокой точностью обеспечено требуемое содержание алюминия в шве при высокой производительности наплавки.After surfacing in this mode with the supply of aluminum filler wire grade A0, after the manufacture of the macrosection, F O = 0.78 cm 2 , F H = 0.27 cm 2 , ψ E = 0.256, that is, different from the required value by only 1, 5%. The results of the spectral analysis of the aluminum content in the weld confirmed the accuracy of the determination obtained by area. The cross-sectional area of penetration of the base metal changed by only 2%, and the cross-sectional area of the weld metal increased due to the supply of aluminum wire with a much lower density. As a result, the required aluminum content in the weld was ensured with high accuracy at a high deposition rate.

Пример 2. При параметрах, аналогичных параметрам примера 1 проводили наплавку, изменив долю импульсов прямой полярности до ϕ =0,8. Скорость подачи алюминиевой электродной проволоки составила VЭ = 21 см/с.Example 2. With parameters similar to the parameters of example 1, surfacing was carried out, changing the proportion of pulses of direct polarity to ϕ = 0.8. The feed rate of the aluminum electrode wire was V e = 21 cm/s.

Для наплавленного шва предварительно получили среднюю площадь поперечного сечения наплавленного металла FH=0,32 см2, сечения шва по макрошлифу FШ = 0,95 см2. Т.о, получили, что FO= FШ - FH =0,63 cм2. Доля участия электродного металла в металле шва по площади поперечных сечений и массе в предварительной наплавке ψЭ = 0,32/0,95= 0,34. Из того, что опытное значение ψЭ больше требуемого ψЭ =0,26 следует, что в шве избыток алюминия и в качестве присадочной следует использовать стальную проволоку. Принимаем диаметр стальной присадочной проволоки 1,6 мм. По формуле (6) рассчитываем отношение для площади поперечного сечения наплавленного алюминия без перемешивания в предварительном опытеFor the deposited weld, we first obtained the average cross-sectional area of the deposited metal F H =0.32 cm 2 , the weld cross-section along the macrosection F W = 0.95 cm 2 . Thus, we got that F O \u003d F W - F H \u003d 0.63 cm 2 . The share of participation of the electrode metal in the weld metal in terms of cross-sectional area and mass in the preliminary surfacing ψ E = 0.32/0.95= 0.34. From the fact that the experimental value ψ E is greater than the required ψ E = 0.26, it follows that there is an excess of aluminum in the weld and steel wire should be used as a filler wire. We accept the diameter of the steel filler wire 1.6 mm. Using formula (6), we calculate the ratio for the cross-sectional area of the deposited aluminum without mixing in the preliminary experiment

(FO/FН1)=(1/η-1)/2,89 = (1/0,34-1)/2,89=0,672.(F O / F H1 ) \u003d (1 / η-1) / 2.89 \u003d (1 / 0.34-1) / 2.89 \u003d 0.672.

Отсюда FН1=0,63/0,672=0,94 см2.Hence F H1 \u003d 0.63 / 0.672 \u003d 0.94 cm 2 .

По формуле (13) рассчитывали скорость передачи присадочной проволоки в шовUsing formula (13), we calculated the transfer rate of the filler wire into the weld

VНС = [(1/ψЭ -1) - (ρС FOVCЭ)] [ПЭ/(ρСSП)].V NS \u003d [(1 / ψ E -1) - (ρ C F O V C / P E )] [P E / (ρ C S P )].

Производительность наплавки электродной проволоки определили взвешиванием по результатам предварительного опыта ПЭ= 0,63 г/с. Получили скорость передачи наплавленного металла в шовThe productivity of welding electrode wire was determined by weighing according to the results of the preliminary experiment P E = 0.63 g/s. Received the rate of transfer of the deposited metal to the seam

VНС = [1/0.26-1) -7,8⋅0,63⋅0,25/0,63][0,63/7,8⋅0,02]= (2,85-1.95)4= 3,36 см/с.V NS = [1/0.26-1) -7.8⋅0.63⋅0.25/0.63][0.63/7.8⋅0.02]= (2.85-1.95)4= 3.36 cm/s.

Скорость расплавления (подачи) стальной присадочной проволоки определяли при коэффициенте потерь на испарение и разбрызгивание ψП =0,05.The melting rate (feed) of the steel filler wire was determined at a loss coefficient for evaporation and spattering ψ P =0.05.

VПС = 3,36/(1-0,05)=3,53 см/с.V PS \u003d 3.36 / (1-0.05) \u003d 3.53 cm / s.

После проведения наплавки на данном режиме с подачей стальной присадочной проволоки Св-08А получили после изготовления макрошлифа FO =0,65 см2, FН = 0,24 см2, ψЭ = 0,27, то есть отличную от требуемого значения всего на 3,8 %. Площадь поперечного сечения наплавленного металла немного уменьшилась в связи с подачей в сварной шов присадочной проволоки с намного более высокой плотностью. В результате с высокой точностью обеспечено требуемое содержание алюминия в шве при высокой производительности наплавки. Проволоку подавали в столб дуги под углом к поверхности изделия со стороны хвостовой части сварочной ванны. Для получения расплавления присадочной проволоки с данной скоростью регулировали ее положение относительно столба дуги по высоте и угол наклона по отношению к поверхности изделия. Результаты спектрального анализа содержания алюминия в шве подтвердили полученную по площадям точность определения.After surfacing in this mode with the supply of steel filler wire Sv-08A, after making a macrosection, F O = 0.65 cm 2 , F H = 0.24 cm 2 , ψ E = 0.27, that is, different from the required value of the total by 3.8%. The cross-sectional area of the weld metal was slightly reduced due to the introduction of a filler wire with a much higher density into the weld. As a result, the required aluminum content in the weld was ensured with high accuracy at a high deposition rate. The wire was fed into the arc column at an angle to the product surface from the side of the tail part of the weld pool. To obtain the melting of the filler wire at a given speed, its position relative to the arc column in height and the angle of inclination with respect to the surface of the product were adjusted. The results of the spectral analysis of the aluminum content in the weld confirmed the accuracy of the determination obtained by area.

Данный способ может быть реализован посредством использования современного оборудования и оснастки: установок для сварки с разнополярными импульсами тока, сварочных горелок и сварочных автоматов. Поэтому способ обладает промышленной применимостью.This method can be implemented through the use of modern equipment and accessories: installations for welding with bipolar current pulses, welding torches and automatic welding machines. Therefore, the method has industrial applicability.

Claims (2)

1. Способ дуговой автоматической наплавки плавящимся электродом в инертном газе на стальную деталь с подачей присадочной проволоки, включающий получение сварного шва с заданным содержанием в нем по массе легирующего элемента, отличающийся тем, что наплавку осуществляют с использованием дуги с разнополярными импульсами тока частотой не менее 50 Гц при регулировании отношения среднего тока импульсов прямой полярности к среднему току дуги за период сварки в пределах ϕ = 0,1-0,9, при этом в качестве плавящегося электрода используют электродную проволоку из цветного металла, который является легирующим элементом, причем предварительно наплавляют шов без подачи присадочной проволоки электродной проволокой из того же цветного металла на рекомендуемом для данного ее диаметра токе дуги обратной полярности, затем измеряют площади поперечного сечения полученного шва и наплавленного металла и вычисляют площадь поперечного сечения проплавления основного металла, после чего определяют содержание в предварительном шве цветного металла по массе и рассчитывают разность между заданным содержанием цветного металла и его содержанием в предварительном шве, причем в случае содержания в шве легирующего элемента меньше заданного для наплавки используют присадочную проволоку, аналогичную по составу упомянутой электродной проволоке из цветного металла, а при его содержании в шве больше заданного используют стальную присадочную проволоку, аналогичную по составу наплавляемой детали, при этом рассчитывают скорость подачи присадочной проволоки в процессе наплавки из условия получения заданного содержания легирующего элемента в шве за счет выбора ϕ в указанных пределах и с учетом потерь легирующего элемента при наплавке.1. The method of automatic arc surfacing with a consumable electrode in an inert gas on a steel part with the supply of a filler wire, including obtaining a weld with a given content in it by weight of an alloying element, characterized in that surfacing is carried out using an arc with bipolar current pulses with a frequency of at least 50 Hz when adjusting the ratio of the average current of pulses of direct polarity to the average arc current for the welding period within ϕ = 0.1-0.9, while as a consumable electrode, an electrode wire made of non-ferrous metal, which is an alloying element, is used, and the seam is preliminarily deposited without feeding the filler wire with an electrode wire of the same non-ferrous metal at the current of the reverse polarity arc recommended for its diameter, then measure the cross-sectional area of the resulting weld and deposited metal and calculate the cross-sectional area of penetration of the base metal, after which the content in p preliminary seam of non-ferrous metal by weight and calculate the difference between the specified content of non-ferrous metal and its content in the preliminary seam, and if the content of the alloying element in the seam is less than that specified for surfacing, use a filler wire similar in composition to the mentioned non-ferrous metal electrode wire, and if it If the content in the weld is greater than the specified one, a steel filler wire is used that is similar in composition to the welded part, while the feed rate of the filler wire during surfacing is calculated from the condition for obtaining a given content of the alloying element in the weld by choosing ϕ within the specified limits and taking into account the losses of the alloying element during surfacing . 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что наплавку ведут электродной проволокой, выполненной на основе алюминия, или магния, или меди, или цинка, или никеля, или титана.2. The method according to claim 1, characterized in that the surfacing is carried out with an electrode wire made on the basis of aluminum, or magnesium, or copper, or zinc, or nickel, or titanium.
RU2022104054A 2022-02-17 Method for arc automatic surfacing with a consumable electrode in an inert gas RU2778341C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2778341C1 true RU2778341C1 (en) 2022-08-17

Family

ID=

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1440974A (en) * 1973-07-03 1976-06-30 Aga Ab Method and apparatus for arc welding
SU1039665A1 (en) * 1979-02-14 1983-09-07 Ордена Ленина И Ордена Трудового Красного Знамени Институт Электросварки Им.Е.О.Патона Method of welding metal layer into aluminium
RU2327551C2 (en) * 2006-08-07 2008-06-27 Негосударственное образовательное учреждение технический учебный центр "Спектр" Method of electric arc overlaying of wear resistant coating
RU2403138C1 (en) * 2009-08-17 2010-11-10 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный технический университет" (СГТУ) Method of part surface recovery by hard-facing

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1440974A (en) * 1973-07-03 1976-06-30 Aga Ab Method and apparatus for arc welding
SU1039665A1 (en) * 1979-02-14 1983-09-07 Ордена Ленина И Ордена Трудового Красного Знамени Институт Электросварки Им.Е.О.Патона Method of welding metal layer into aluminium
RU2327551C2 (en) * 2006-08-07 2008-06-27 Негосударственное образовательное учреждение технический учебный центр "Спектр" Method of electric arc overlaying of wear resistant coating
RU2403138C1 (en) * 2009-08-17 2010-11-10 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный технический университет" (СГТУ) Method of part surface recovery by hard-facing

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Shen et al. Influences of deposition current and interpass temperature to the Fe3Al-based iron aluminide fabricated using wire-arc additive manufacturing process
Wu et al. Effects of single and double pulses on microstructure and mechanical properties of weld joints during high-power double-wire GMAW
Wang et al. In-situ wire-feed additive manufacturing of Cu-Al alloy by addition of silicon
Zhang et al. Microstructure and properties of Al alloy ER5183 deposited by variable polarity cold metal transfer
Liang et al. Geometrical and microstructural characteristics of the TIG-CMT hybrid welding in 6061 aluminum alloy cladding
Ma et al. The effect of location on the microstructure and mechanical properties of titanium aluminides produced by additive layer manufacturing using in-situ alloying and gas tungsten arc welding
KR900007801B1 (en) Welding apparatus and method for attaching wear resistant surface material and metal substrate with welding bead
US20180050414A1 (en) Welding system used with additive manufacturing
Chang et al. Micro-structural characteristics of Fe–40 wt% Cr–xC hardfacing alloys with [1.0–4.0 wt%] carbon content
Banovic et al. Dilution control in gas-tungsten-arc welds involving superaustenitic stainless steels and nickel-based alloys
CA3067185C (en) Arc welding method and solid wire
Teixeira et al. Effect of the CMT advanced process combined with an active cooling technique on macro and microstructural aspects of aluminum WAAM
RU2598715C1 (en) Method of welding by arc combination
JP2009545449A (en) TIG blaze welding using metal transfer in droplets at a controlled frequency
Liu et al. Influence of interwire angle on undercutting formation and arc behavior in pulsed tandem narrow-gap GMAW
RU2766942C1 (en) Composite wire for surfacing aluminum matrix intermetallide alloy
Chen et al. Sustaining the inter-wire arc in twin-wire indirect arc welding
Shen et al. Effect of welding process parameters on hybrid GMAW-GTAW welding process of AZ31B magnesium alloy
Trembach et al. Study of the hardfacing process using self-shielding flux-cored wire with an exothermic addition with a combined oxidizer of the Al-(CuO/Fe2O3) system
US4119828A (en) Method of plasma multiarc welding by permanently burning direct-current arcs
US4503085A (en) Amorphous metal powder for coating substrates
Toozandehjani et al. Twin hot-wire arc welding additive manufacturing deposition of high tungsten Stellite-6 hard-facing coating: Processing, microstructure and wear properties
RU2778341C1 (en) Method for arc automatic surfacing with a consumable electrode in an inert gas
Rosado et al. Innovations in arc welding
RU2772563C1 (en) Method for arc welding and welding with consumable electrode in shielding gas environment