Napawanie łukiem krytym z poprzecznym rozprowadzaniem stopiwa

ZESZYTY NAUKOWE POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ Seria: Mechanika z. 50

_______ 1973 Nr kol. 368

Andrzej Klimpel, Jerzy Dziubiński, Piotr Makosz, Zbigniew Materka

Instytut Metaloznawstwa i Spawalnictwa

NAPAWANIE ŁUKIEM KRYTYM Z POPRZECZNYM ROZPROWADZANIEM STOPIWA

Streszczenie. Opisano przebieg badań nad opracowaniem technologii rege­

neracyjnego napawania lukiem krytym wałków z zastosowaniem wahliwego ruchu elektrody. Ustalono optymalne parametry napawania i przeprowadzo­

no badania mechaniczne i metalograficzne napawanych przedmiotów. Opra­

cowana technologia znalazła zastosowanie do regeneracji czopów zesta­

wów kół wagonowych.

Wstęp

Części maszyn i urządzeń ulegają zużyciu powierzchniowemu na skutek tarcia, erozji i korozji. Regeneracja zużytych części polega na przywróce­

niu im pierwotnych kształtów przez nałożenie brakującego materiału na dro­

dze pokrycia galwanicznego, metalizacji natryskowej i napawania łukowego.

Najpopularniejszą z tych metod, zwłaszcza w przemyśle ciężkim, jest rege­

neracja przez napawanie łukowe, będąca źródłem poważnych oszczędności sta­

li. Wysokie efekty ekonomiczne napawania wynikają z:

- różnicy kosztu nowego przedmiotu oraz kosztu regeneracji i wartości ze- złomowanego przedmiotu,

- możliwości wielokrotnej regeneracji tego samego przedmiotu,

- możliwości zastosowania do napawania materiału o znacznie wyższych włas­

nościach eksploatacyjnych a więc możliwości wyraźnego przedłużenia ży­

wotności przedmiotu 0-3].

Istnieje wiele metod napawania łukowego, z których powszechne zastoso­

wanie znajdują: napawanie elektrodami otulonymi, napawanie w atmosferze gazów ochronnych, napawanie plazmowe, napawanie wibrostykowe i napawanie łukiem krytym. Wybór właściwej metody napawania uzależniony jest jednakże od wielu czynników z których najważniejszymi są:

- wymiary i kształt przedmiotu regenerowanego, - rodzaj materiału przedmiotu,

- wymagane wymiary, kształt i własności warstwy napawanej, - warunki techniczne zakładu i ilość regenerowanych przedmiotów.

Racjonalny wybór musi znaleźć uzasadnienie w możliwie najwyższych efek­

tach ekonomicznych. Napawanie łukiem krytym, dzięki dużej wydajności pro­

5 8 A. Kilmpel. J. Dziubiński, P. Makosz, 2. Materka

cesu, stosuje się do napawania stosunkowo dużych powierzchni lub do wyko­

nywania dużej ilości grubych warstw. Stosuje się najczęściej napawanie jed­

nym lub wieloma drutami elektrodowymi albo taśmami {3-6J.

W przypadku napawania przedmiotów cylindrycznych o niedużych średnicach, dla otrzymania cienkiej i równomiernie wtopionej napoiny, konieczne jest utrzymanie małego jeziorka kąpieli metalowej. Przy napawaniu łukiem kry­

tym, charakteryzującym się dużymi energiami liniowymi, niemożliwe jest spełnienie tego warunku. Badania nad napawaniem łukiem krytym elektrodą taśmową wykazały, że charakterystycznym zjawiskiem występującym podczas napawania jest błądzenie łuku Łuk nie jarzy się na całym przekroju to­

pionej taśmy, lecz wędruje po nim. Daje to możliwość zmniejszenia stopnia przetopienia materiału rodzimego oraz uzyskania mniejszych grubości na­

poiny. Przemieszczanie się łuku w tej metodzie napawania jest jednakże przy­

padkowe i niekontrolowane.

Szczegółowa analiza wymienionych zjawisk nasunęła przypuszczenie, że w przypadku kontrolowanego, poprzecznego przemieszczenia łuku można będzie uzyskać szerokie, stosunkowo równomiernie wtopione, o małe; grubości na­

poiny na przedmiotach cylindrycznych o niewielkiej średnicy [8, 9].

Badania własne

Badania nad ustaleniem optymalnych warunków napawania łukiem krytym z poprzecznym rozprowadzaniem stopiwa przeprowadzono na urządzeniu prototy­

powym Instytutu Spawalnictwa w Gliwicach, stosując dodatkowo urządzenia własnej konstrukcji do wahania elektrody. Napawano wałki ze stali St5P o średnicy 0 120 mm i długości 180 mm, modelujące czopy zestawów kół Wago­

wych wymagające regeneracji. Jako materiały dodatkowe stosowano drut elek­

trodowy 0 2 mm w gatunku 35 HGSA (tabl. 1J i topnik TMn I, wysuszony przed użyciem w 200°C przez 2 godziny.

Tablica 1 Skład chemiczny drutu 35 HGSA % (V]

Rodzaj

drutu C Mn Si Cr P

max

S max

35HGSA 0,32-0,39 0,8-1,1 1,1-1,4 1,1-1,4 0,03 0,03

Napawanie łukiem krytym.. 59

Analiza układów mechanicznych stosowanych przy spawaniu łukowym w osło­

nie gazowej z poprzecznym rozprowadzaniem stopiwa (wahliwym ruchem elek- trodyj [bj jak i wyniki badań wstępnych, pozwoliły na stwierdzenie,że pra­

wie równomiernie wtopione, szerokie i o niewielkiej grubości napoiny moż­

na otrzymać stosując mechanizm przedstawiony na rys. 1.

Rys. 1. Schemat kinematyczny mechanizmu wa­

hającego z zaznaczeniem zmiany długości wol­

nego wylotu elektrody w czasie wahań

Badania nad ustaleniem optymalnych parametrów napawania przeprowadzono przyjmując jako kryterium oceny napoinys

- twardość napoiny ~300 HV, - grubość napoiny max. 1,5 mm, - brak jakichkolwiek,wad,

- maksymalny czas napawania poniżej 15 min.

Wyniki badań wpływu parametrów napawania na wymiary napoiny przedsta­

wiono na rysunkach 2-6, zaś na rysunku 7 przedstawiono wpływ natężenia prąr du i amplitudy wahań na tworzenie się pęknięć w napoinie.Na podstawie tych badań ustalono optymalne warunki napawania czopa, które zestawiono w ta­

blicy 2.

P r ó b y u d a r n o ś c i czopa przeprowadzono na próbkach Mes- nagera pobranych z różnych obszarów czopa napawanego przy parametrach op­

tymalnych, nacinając karb w napoinie, strefie wpływu ciepła i materiale rodzimym. Wyniki badań zestawiono w tablicy 3.

bO A. Klimpel. J. Dziubiński, V. Makosz. Z. Materka

CM -H

n e

<í

«H 00

c\j r —

CM ' G II

n cd

<< ■s cd

£ 0)

•H

X ' O G

o '03 G

aJ O N

' d £

G •H G

p rH N

•H P

rH O f t

f t

1

PCO a> r

«

,G o g

O g

P>»

G sO

•N > t—

MD oe n u ï>» ?

N II

u

ft

G

>3 5 S

0 2 ft W rl

cd g

G •H P

>3 ^{O O}

&

•H f t £

S aJ

1 ’V*

I cd • • q

c U g 3 © cop 0 VO cd* ai «

U U o

ft cd

a ii s) © S

• H rM

q aJ aJ

<D +a ft

•N 03 o

<D» O N

P N G as o R Ph >5

?i>3 rH

ft

go

¿3O

II

« -H

62 A. Klimpel, J. Dziubiński, P. Makosz, Z. Materka

i l

CVJ'O

<\J'W n £O

«*! r-\•H

Mapawanie łukiem krytym... :_____________________________________

A. Klimpel, J. Dziubiński, P. Makosz, Z. Materka

A [mm]

Rys. 6. Wpływ natężenia prądu (I) i amplitudy wahań (Ai na równomierność nadlewu napoiny

A - obszar równomiernego nadlewu napoiny, B - obszar nierównomiernego nad­

lewu napoiny

Rys. 7. Występowanie pęknięć w napoinie w zależności od natężenia prądu (li i amplitudy (Ai

Optymalneparametrynapawaniaczopówzestawówkołowych przyzastosowaniuwahającegoruchuelektrody

Napawanie łukiem krytym.. 65

OJ 03O iH•H EH03

.

LT\

r-

</

1 .c

1 1 -y, V) c -c?

r

s, -i. 1

CO m

OJ - -

V

rO co

OJ

U X U I BXUBMBdBU 8BZ0

o OJr—

ran ‘b B d o z o M p p o jq o r o f u n a a f ^ o p r a i i m p o a z j d ratu n o : - a p s j m A oxM opS a p o S p u n s a z - i p

X)

p/m n p - i o d n a

B d o z o x s o z rip p z m

m n a a z j d p s o p p S J a 1,02

mm *«i A p o - i ^ a p a p o pAm

x>

X— upra ‘ u

B d o z o A p o a q o 0,68

it/ra

BTUB/ABdBU o s o jp p S jy ; T_

,_ a x r a ‘ j A p o a ::p ia p a UBTJBA* pSO W X ppopSdzO

om

rara ‘v A p o -ip ija p a B o u o Ji uBąBM B p n p T p d ra y

Ol

OJ

A p o p p ^ a p a p s o M o tm S a x g + A *il

ru tn p a x o § p d B fi ! m O CO rO i v ‘r

BxuB M Bds n p f c j d a x t i a z S p B j i 280- -320

B f o B p n t r e j S

TTTTir

3fa im 5 .e 2 - 3 ip u d o ji TMnI 0,5- -3,0

rara

B o x u p a j s x jja im p B S

A m o p o i M a p a ł M 35 HGSA 0 2,0

b6 A. Klimpel, J. Dziubiński, P. Makosz, Z. Materka

Tablica 3 Wyniki badań udamości metodą Mesnagera

próbek z karbem w napoinie, w strefie wpływu ciepła i w materiale rodzimym w temperaturze + 20°U

Rys. 8. Twardość na przekroju czopa napawanego z zastosowaniem wahają­

cych ruchów elektrody

B a d a n i a t w a r d o ­ ś c i przeprowadzono metodą Vic- kersa na zgładach pobra­

nych z napawanego czopa. Rozkład punktów pomiarowych oraz odpowia­

dające im twardości (średnie z trzech pomiarówj przedstawiono na rysunku 8.

B a d a n i a m e t a l o g r a f i c z n e przeprowadzono w celu określenia kształtu, makrostruktury oraz jakości wykonanych napoin.Obser­

wacji makroskopowych dokonano na przekrojach czopów napawanych przy róż­

nych parametrach. Wyniki badań przedstawiono na rys. 9.

Wyniki badań mikroskopowych służących do oceny mikrostruktury w obsza­

rze napoiny i strefy wpływu ciepła przedstawia rys. 10.

Bapawanie łukiem krytym..

f )

Rys. 9. Makrostruktury napoin wykonanych wahającą elektrodą przy U =30 V, n = 0,68 min , w = 16 mm oraz:

aj A = 22 mm bj A =

I = 300 A I =

A = 17 mm a =

i' = 70 min“1 f =

d j A = 30 mm e) A =

1 = 490 A I =

a = 18 mm a =

f = bO min“ 1 f =

22 mm c) A = 26 mm

300 A I = 350 A

18 mm a = 18 mm

50 min“1 f = 60 min“ 1

30 mm f ) makrostruktura

400 A odcinka napawa­

18 mm nego czopa wyko­

60 min“1 nanego parametra­

mi zgodnie z ta­

blicą 2

Uwaga: oznaczenie symboli wg tablicy 2. W napoinach d) i e) widoczne pęk­

nięcia.

Rys. 10. Mikrostruktura przejścia z napoiny do etrefy wpływu ciepła,traw.

nital, 250 x

bfc A. Klimpel, J. Dziubiński, P. Makosz, Z. Materka

gnioaki

łia podstawie przeprowadzonych badan stwierdzono s

1. Napawanie czopów zestawów kół wagonowych łukiem krytym z poprzecznym rozprowadzeniem stopiwa (wahliwym ruchem drutu elektrodowego) pozwala n a otrzymanie warstwy napawanej w czaaie poniżej 15 min. o grubości 1-

1,5 mm i twardości około 300 HV,.

2. Proces napawania czopów przy optymalnych parametrach nie powoduj e pow- stawania pęknięć i struktur hartowania w strefie wpływu ciepła oraz nie obniża udarności materiału czopa poniżej wymaganej (K M+2Qoc = min 6 kQn/cm2 wg PN-60/K-91047). '

3. Opracowana technologia napawania z uwagi na swoje zalety takie jak: krót­

ki czas napawania przedmiotu, napoina ułożona równomiernie o niewiel­

kiej grubości, niewielka wykańczająca obróbka wiórowa, powinna znaleźć szerokie zastosowanie w regeneracji części maszyn.

1XT£RATURA

1. Pilarczyk J., Karłeszewski B. - Przegląd Spawalnictwa, 8-9, 1970,182.

2. Majewaki J. - Automatyczne napawanie łukowe, WNT, W-wa 1972.

3. Węgrzyn J., Korkiewicz R. - Automatyczne spawanie i napawanie pod top­

nikiem, WNT, W-wa, 1966.

♦. Tan Pyke L., Wittstock G. - Welding Journal, 5, 1972, 383.

5. Gronbaek I. - Centr. Ośr. Konstr. Bud., 1971.

6. Foley W. - Constr. a. Brit. Weld. J. 12, 1971, 442.

7. Zurawik K. - Napawanie łukiem krytym elektrodą taśmową prowadnic krzy- żulców, Praca Badawcza Instytutu Spawalnictwa nr Cf - 17, 1965.

8. Akułow A.I., Spicin W.W. - Swarocznoje proizwodstwo, 11, 1965, 32.

9. Cigan B.G., Mironienko A.P., Gdiemienko B. - Swarocznoje proizwodstwo, 2, 1969, 22.

napawanie łukiem krytym.. 69

AUTOMATU HEC KAfl H/UIJ1AUKA JlOfl ©J1UC0M

C noHEPEHHŁM PACIIPEIIEJIEHUEM HAI1J1 ABJIflEMOTO METAJIJiA

P e 3 »3 m e

O in n o Ł iB aeT cs x o j n c c jie ,s o B a H n S i no p a 3 p a 6 o T K e T e x H O Jio rn H p e re n e p a u H O H H o S i H anjiaB K H n o s (Juuocou Cq jik o b c npw ueH eH K eM K o J ie d a T e J itH o ro .uBiwceHua s jie ic T p o - n a * Ełuih ycTaHOBJieHbi onTMMaJibHHe pexcnMu H anjiaB K H H 6 tu m n p o B e je H h i MexaHB- u e c K H e u M e T a JiJio rp a $ H H e c K H e H ecn efio B aH H H H annaBJieHHH X x e T a n e i i < ,P a 3 p a 6 o T a H - H a a T e x H o j i o r n a H a n n a n p H M eH em ie n p n p e r e H e p a m i H nano4> x e jie s H o jo p o x H H X k o -

necH H X n a p o.

SUBMERGED ARC SURFACING WITH WELD METAL CROSS DISTRIBUTION

S u m m a r y

Study the process of shafts submerged arc surfacing with elektrode he­

sitate moving is described. Optimum surfacing parameters were established and mechanical and metallographic tests of weldments were carry out.

The developed process found use in train cars wheel assembly plugs re­

building.