Технология широкослойной наплавки крупногабаритных коленчатых валов
Представлены результаты экспериментальных исследований влияния параметров режима широкослойной наплавки
 на характеристики наплавленного слоя, а также определены оптимальные диапазоны изменения параметров режима
 при наплавке поверхностей цилиндрических деталей диаметром 180…300 мм....
Saved in:
| Published in: | Автоматическая сварка |
|---|---|
| Date: | 2010 |
| Main Authors: | , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2010
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/101415 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Технология широкослойной наплавки крупногабаритных коленчатых валов / А.П. Жудра, С.Ю. Кривчиков, В.В. Петров // Автоматическая сварка. — 2010. — № 2 (682). — С. 41-45. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860248572293808128 |
|---|---|
| author | Жудра, А.П. Кривчиков, С.Ю. Петров, В.В. |
| author_facet | Жудра, А.П. Кривчиков, С.Ю. Петров, В.В. |
| citation_txt | Технология широкослойной наплавки крупногабаритных коленчатых валов / А.П. Жудра, С.Ю. Кривчиков, В.В. Петров // Автоматическая сварка. — 2010. — № 2 (682). — С. 41-45. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Автоматическая сварка |
| description | Представлены результаты экспериментальных исследований влияния параметров режима широкослойной наплавки
на характеристики наплавленного слоя, а также определены оптимальные диапазоны изменения параметров режима
при наплавке поверхностей цилиндрических деталей диаметром 180…300 мм. Показано применение результатов
исследования при разработке технологии восстановления крупногабаритных коленчатых валов дизель-генераторов.
Results of experimental investigations of the effect of the wide-layer hard-facing parameters on characteristics of the deposited
layer are presented. Optimal ranges of variations of the process parameters in hard-facing on cylindrical parts 180...300 mm in
diameter were determined. Application of the investigation results for development of the technology for repair of large-size
crankshafts of diesel generators is shown.
|
| first_indexed | 2025-12-07T18:40:00Z |
| format | Article |
| fulltext |
УДК 621.791.92
ТЕХНОЛОГИЯ ШИРОКОСЛОЙНОЙ НАПЛАВКИ
КРУПНОГАБАРИТНЫХ КОЛЕНЧАТЫХ ВАЛОВ
А. П. ЖУДРА, С. Ю. КРИВЧИКОВ, кандидаты техн. наук, В. В. ПЕТРОВ, инж.
(Ин-т электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины)
Представлены результаты экспериментальных исследований влияния параметров режима широкослойной наплавки
на характеристики наплавленного слоя, а также определены оптимальные диапазоны изменения параметров режима
при наплавке поверхностей цилиндрических деталей диаметром 180…300 мм. Показано применение результатов
исследования при разработке технологии восстановления крупногабаритных коленчатых валов дизель-генераторов.
К л ю ч е в ы е с л о в а : широкослойная дуговая наплавка,
крупногабаритные коленчатые валы, самозащитная порош-
ковая проволока, оптимизация режимов наплавки, техноло-
гия наплавки
Крупногабаритные коленчатые валы (коленчатые
валы компрессоров магистрального транспорти-
рования газа, дизель-генераторов, судовых и теп-
ловозных двигателей и др.) являются металлоем-
кими изделиями, масса которых достигает 6 т при
длине около 6 м. Средняя цена одного такого ко-
ленчатого вала составляет 70 тыс. дол. США. Кон-
структивно он представляет собой кривошип из
среднеуглеродистой стали, состоящий из двух
групп цилиндрических шеек — шатунной и ко-
ренной. Шатунная группа включает до восьми ше-
ек, а коренная — до десяти, диаметр которых
составляет 180…280 мм.
Основными параметрами нагрузок, определя-
ющих рабочий ресурс коленчатого вала, являются
высокое контактное давление в трущихся сопря-
жениях шейка–вкладыш и количество циклов зна-
копеременных нагружений. Они приводят к из-
нашиванию рабочих поверхностей и уменьшению
номинального диаметра коренных и шатунных
шеек. Изменение геометрических размеров тру-
щихся сопряжений в свою очередь ведет к воз-
никновению аварийной ситуации: нарушению ре-
жима смазывания трущихся сопряжений, созда-
нию условий для «сухого» трения, «схватыванию»
и выплавлению сопряженных с шейками вклады-
шей. Таким образом, коленчатый вал, израсхо-
довавший около 30 % своего конструктивного за-
паса прочности, выходит из строя по причине нез-
начительного износа, который в зависимости от
условий и длительности эксплуатации может сос-
тавлять 1,5…2,5 мм.
Для восстановления цилиндрических деталей
большого диаметра со значительным износом
(более 5 мм) широко применяется наплавка по
винтовой линии под флюсом или открытой дугой.
При износе менее 3 мм более целесообразно при-
менять широкослойную наплавку самозащитной
порошковой проволокой, производительность ко-
торой в 1,8…2,0 раза выше, чем у наплавки по
винтовой линии. Кроме того, широкослойнойная
наплавка характеризуется благоприятным терми-
ческим циклом (наличием автоподогрева наплав-
ляемой детали)*, что очень важно для увеличения
трещиностойкости при наплавке закаливающихся
сталей.
На рис. 1 представлена схема широкослойной
наплавки цилиндрической поверхности самоза-
щитной порошковой проволокой. При наплавке
вращение детали диаметром D происходит со ско-
ростью наплавки vн, а порошковая проволока
(электрод) подается в зону плавления со ско-
ростью подачи vп.пр и одновременно совершает
возвратно-поступательные перемещения (колеба-
ния) на ширину B наплавляемой поверхности (ам-
плитуда или размах колебаний) с заданными ра-
диусом r и скоростью колебаний vк. В процессе
наплавки и постепенной кристаллизации свароч-
ной ванны на поверхности наплавляемой детали
формируется наплавленный слой. Длительность
цикла наплавки tн соответствует времени одного
оборота наплавляемой детали. Очевидно, что па-
раметры широкослойной наплавки оказывают
влияние на толщину наплавленного слоя δ и ка-
чество его формирования. При этом большое
количество переменных параметров режима ши-
рокослойной наплавки, а также возможность их
варьирования в широких диапазонах значений
часто затрудняют оптимизацию этого процесса.
Целью настоящей работы являлось экспери-
ментальное исследование влияния отдельных па-
раметров режима широкослойной наплавки на ха-
рактеристики наплавленного слоя, а также опре-
деление оптимальных диапазонов их изменения
* Кривчиков С. Ю., Жудра А. П., Петров В. В. О
термическом цикле при широкослойной наплавке цилиндри-
ческих деталей из чугуна // Автомат. сварка. — 1998. — № 4.
— С. 49–50.© А. П. Жудра, С. Ю. Кривчиков, В. В. Петров, 2010
2/2010 41
при наплавке поверхностей цилиндрических де-
талей диаметром 180…300 мм.
Опытные наплавки выполняли на постоянном
токе обратной полярности на образцы из стали
Ст3, геометрические размеры которых соответс-
твовали размерам коренных и шатунных шеек
крупногабаритных коленчатых валов. В качестве
электродного материала использовали самозащит-
ную порошковую проволоку ПП-Нп-30Х4Г2СМ
диаметром 2 мм, которая хорошо зарекомендова-
ла себя при наплавке стальных коленчатых валов.
Средняя толщина δ наплавленного слоя и ка-
чество его формирования являются основными
исходными характеристиками, на основании ко-
торых производится выбор таких параметров ре-
жима широкослойной наплавки, как Iн, Uд, vн,
vп.пр, vк, вылета электрода lэ и смещения его с
зенита e. Для задания значения δ (с учетом при-
пуска на механическую обработку) можно вос-
пользоваться формулой
δ = (1,0…1,2)(И + 0,5П),
где И — износ или толщина наплавленного слоя,
мм; П — припуск на диаметр для механической
обработки, мм; 1,0…1,2 — коэффициент, который
учитывает степень шероховатости поверхности
наплавленного слоя. Как отмечалось выше, для
крупногабаритных коленчатых валов И =
= 1,5…3,0 мм. Широкослойная наплавка слоя ме-
талла такой толщины на цилиндрическую повер-
хность большого диаметра возможна в широком
диапазоне токов. Однако для используемой по-
рошковой проволоки технологически эффектив-
ный диапазон тока наплавки и напряжения сос-
тавляет соответственно Iн = = 200…400 А и Uд
= 26…28 В при lэ = 20…25 мм. Необходимо от-
метить, что для таких значений тока наплавки
максимальная ширина наплавленного слоя с по-
зиции обеспечения приемлемого качества его
формирования и производительности процесса не
должна превышать 70 мм. Установлено также, что
при широкослойной наплавке среднелегирован-
ной порошковой проволокой диаметром 2 мм аб-
солютные значения Iн (А) и vп.пр (м/ч) практически
равны между собой (рис. 2). Это позволяет ис-
пользовать параметр vп.пр в качестве более общей
характеристики процесса, исключив из числа па-
раметров оптимизации режима ток наплавки.
Шероховатость поверхности наплавленного
слоя, имеющая место при широкослойной нап-
лавке, оценивали коэффициентом вариации дейс-
Рис. 1. Схема техники широкослойной наплавки колеблющимся электродом (самозащитной порошковой проволокой) цилин-
дрических деталей (см. обозначения в тексте)
Рис.2. Зависимость тока Iн от скорости подачи порошковой
проволоки vп.пр ПП-Нп-30Х4Г2СМ диаметром 2 мм при ши-
рокослойной наплавке (Uд = 26…28 В; lэ = 20…25 мм; vк =
= 155…215 м/ч)
42 2/2010
твительной толщины слоя CVδ. Максимальное
значение CVδ = 30 % принимали с учетом вели-
чины припуска на последующую механическую
обработку наплавленной поверхности. Установ-
лено, что диапазону рассеивания действительной
толщины слоя 15…30 % соответствует скорость
наплавки 3…8 м/ч. При этом смещение электрода
с зенита, обеспечивающее хорошее формирование
наплавленного слоя, также изменяется в довольно
узком интервале значений. Так, при скорости нап-
лавки 5,5 м/ч и токе 200…400 А оптимальное ка-
чество формирования наплавленного слоя имеет
место при смещении электрода с зенита в пре-
делах 8…12 мм (заштрихованная область на
рис. 3). За пределами этого диапазона формиро-
вание наплавленного слоя нарушается и возникает
опасность стекания части жидкой сварочной ван-
ны с наплавляемой поверхности. Следует учиты-
вать, что, чем больше vн и Iн, тем больше должно
быть значение e. Влияние значений vн и Iн на
среднюю толщину наплавленного слоя показано
на рис. 4.
Скорость колебаний электрода vк оказывает
влияние на процесс формирования сварочной ван-
ны, протяженность которой при широкослойной
наплавке примерно равна его амплитуде (или раз-
маху) колебаний. При малом значении vк обра-
зуются отдельные поперечные валики наплавлен-
ного металла, а если ее значение слишком велико,
то появляются участки несплавления основного
и наплавленного металлов, ухудшаются стабиль-
ность горения дуги и равномерность плавления
порошковой проволоки. И в первом, и во втором
случае качество формирования наплавленного
слоя бывает неудовлетворительным. В связи с
этим оптимальным, с точки зрения обеспечения
хорошего качества формирования, является такое
значение vк, при котором в начале процесса нап-
лавки образуется общая жидкая сварочная ванна,
по длине равная размаху колебаний электрода.
Экспериментально установлено, что при наплавке
слоев шириной 40…70 мм и Iн = 200…400 А оп-
тимальное значение vк может изменяться в пре-
делах 120…250 м/ч, при этом оно зависит от тока
и ширины наплавленного слоя. Следует отметить,
что скорость колебаний оказывает существенное
влияние лишь на время образования общей сва-
рочной ванны в начале процесса наплавки, после
ее образования значение vк можно изменять в ши-
роком диапазоне без ущерба качеству формиро-
вания наплавленного слоя.
Однако регулировка параметра vк занимает
много времени. Для исключения этой операции
достаточно определить время, необходимое для
образования общей сварочной ванны, и исполь-
зовать его в качестве постоянного параметра ре-
жима наплавки. Установлено, что в исследован-
ных диапазонах тока (200…400 А) и ширины нап-
лавленного слоя (30…70 мм) это время состав-
ляет 2…3 с, что соответствует частоте колебаний
электрода nк = 60 мин–1. Установленная частота
колебаний обеспечивает хорошее качество фор-
мирования наплавленного слоя, поэтому ее можно
использовать в качестве универсальной. При этом
следует учитывать, что в течение времени задер-
жки начала процесса наплавки (2…3 с) скорость
наплавки должна быть равна нулю, после исте-
чения этого времени vн возрастает до заданного зна-
чения. Использование параметра nк вместо vк поз-
волило также существенно упростить механизм ко-
лебания электрода.
Рис. 3. Зависимость средней толщины наплавленного слоя δ
от смещения электрода с зенита e при vн = 5,5 м/ч, CVδ = 30 %
и Iн = 400 (1); 200 А (2): , — стекание жидкого металла
соответственно вперед и назад
Рис. 4. Зависимость средней толщины δ наплавленного слоя
от скорости наплавки vн при lэ = 8 мм: 1, 2 — см. на рис. 3
2/2010 43
Одним из требований, предъявляемых к тех-
нологии широкослойной наплавки шеек коленча-
тых валов, является обязательная наплавка гал-
телей — участков перехода цилиндрической по-
верхности шейки к перпендикулярно расположен-
ной поверхности щек. Экспериментальным путем
установлено, что если электрод в процессе нап-
лавки совершает колебательные движения с пос-
тоянной скоростью, то в моменты его пребывания
у галтелей (в крайних положениях) тепла дуги
и электродного металла оказывается недостаточ-
ным для их надежного заплавления. В результате
образуется дефект в виде участка несплавления
наплавленного слоя с пригалтельным участком
щеки шейки коленчатого вала. Для устранения
этого недостатка в параметры режима широкос-
лойной наплавки необходимо ввести еще одну ха-
рактеристику, а именно, время остановки элект-
рода в крайних положениях. В зависимости от τ
изменяется и качество наплавленных пригалтель-
ных участков: чем больше время задержки и мень-
ше скорость наплавки, тем выше качество фор-
мирования наплавленного металла. При прочих
равных условиях τ зависит также от условий
теплоотвода: чем больше масса прилегающих к
шейке щек, тем больше значение τ. Характер ко-
лебательного движения электрода задается про-
филированным кулачком, который кинематичес-
ки связан с мундштуком для подачи порошковой
проволоки. При этом профиль кулачка задается
таким образом, что полный цикл одного колеба-
тельного движения электрода состоит из трех
участков: 1-й и 2-й участки — остановка элект-
рода у галтелей в течение времени τ; 3-й — дви-
жение электрода с заданной постоянной ско-
ростью. Для исследованных диапазонов режимов
широкослойной наплавки максимальное значение
τ не превышает 0,26 с.
Включение в число параметров оптимизации
радиуса r колебаний электрода обусловлено тем,
что поверхность галтельных участков удобнее
наплавлять при криволинейной траектории дви-
жения конца электрода. В результате устраняется
возможность возникновения коротких замыканий
между мундштуком и щеками. Согласно расчетам,
изменение вылета электрода при его колебаниях
на ширину 30…70 мм составляет 0,6…4,8 мм. Од-
нако, как показали эксперименты, такое измене-
ние вылета при скорости подачи порошковой про-
волоки более 180 м/ч не оказывает заметного вли-
яния на длину дуги, ее электрические параметры
и качество формирования наплавленного слоя. Из-
менение радиуса колебаний существенно влияет
на процесс наплавки галтельных участков и по-
тери электродного металла. Из полученных дан-
ных следует, что с увеличением значений r в пре-
делах 81…145 мм качество формирования метал-
ла, наплавленного на галтельные участки, ухуд-
шается, а потери электродного металла возрас-
тают с 8,1 до 15,8 %. Это связано с уменьшением
угла наклона электрода к плоскости щеки нап-
лавляемой шейки, что в свою очередь приводит
к случайным касаниям щеки и боковой поверх-
ности оболочки порошковой проволоки, возник-
новению шунтирующих дугу коротких замыканий
и разбрызгиванию электродного металла. Таким
образом, при наплавке слоев шириной не более
70 мм оптимальное значение r должно составлять
80…90 мм.
Проведенные исследования легли в основу раз-
работанной в ИЭС им. Е. О. Патона технологии
наплавки крупногабаритных коленчатых валов
дизель-генераторов. Технология включает три
последовательно выполняемых этапа: подготовку
коленчатого вала; широкослойную наплавку ко-
ренных и шатунных шеек; механическую обра-
ботку наплавленного коленчатого вала. Если пос-
ле наплавки или в процессе механической обра-
ботки обнаруживаются дефекты наплавленного
слоя (например, участки с крупными порами или
раковинами и т. п.), то технологией наплавки до-
полнительно предусмотрен способ их устранения.
Подготовка коленчатого вала к наплавке вклю-
чает дефектоскопию подлежащих наплавке повер-
хностей вала с целью обнаружения трещин. При
наличии трещин, выходящих на поверхность шеек
и имеющих протяженность более 20 мм, их под-
вергают механической разделке и заварке.
Оборудование для наплавки коленчатых валов
включает вращатель и наплавочный аппарат (нап-
ример, наплавочная головка А-580), оснащенный
механизмом колебаний электрода. В качестве вра-
щателя использован специализированный токар-
но-винторезный станок, предназначенный для ме-
ханической обработки заготовок коленчатых ва-
лов дизель-генераторов. Широкослойную наплав-
ку выполняют самозащитной порошковой прово-
локой диаметром 2 мм с использованием пред-
варительного подогрева наплавляемой шейки до
температуры 220…240 °С. Оптимальные режимы
наплавки приведены в таблице.
При широкослойной наплавке открытой дугой
с использованием порошковой проволоки ПП-Нп-
30Х4Г2СМ наплавленный металл имеет следую-
щий химический состав, мас. %: 0,3 C; 4,0 Cr;
2 Mn; 0,8 Si; 0,8 Mo; 0,45 Ti.
На рис. 5, а представлен внешний вид нап-
лавленной шейки коленчатого вала шириной
65 мм. Ширина шейки вала дизель-генератора
составляет 135 мм, что существенно превышает
допустимо возможную ширину наплавленного
слоя при указанной марке порошковой проволоки.
Поэтому процесс наплавки шейки состоит из двух
этапов: сначала выполняют широкослойную нап-
лавку одной части шейки с размахом колебаний
44 2/2010
электрода, равным половине ее ширины, а затем
осуществляют наплавку другой половины шейки.
В результате выполнения наплавки в два этапа
на шейке формируются два смежных слоя, ко-
торые полностью покрывают ее изношенную ра-
бочую поверхность (рис. 5, б).
Разработанная технология широкослойной на-
плавки прошла опытно-промышленную проверку
в АООТ «Первомайскдизельмаш» (г. Первомайск,
Украина). Наплавлена, обработана и успешно
прошла стендовые испытания партия коленчатых
валов, которые в настоящее время находятся в
промышленной эксплуатации. Данные о влиянии
широкослойной наплавки на усталостную проч-
ность восстановленных крупногабаритных колен-
чатых валов отсутствуют. Однако долголетний
опыт широкослойной наплавки различных типов
коленчатых валов подверждает, что она не ока-
зывает существенного влияния на этот показатель.
Внедрение технологии широкослойной нап-
лавки крупногабаритных коленчатых валов ди-
зель-генераторов показало, что затраты на нап-
лавку составили 22 % стоимости нового колен-
чатого вала.
Results of experimental investigations of the effect of the wide-layer hard-facing parameters on characteristics of the deposited
layer are presented. Optimal ranges of variations of the process parameters in hard-facing on cylindrical parts 180...300 mm in
diameter were determined. Application of the investigation results for development of the technology for repair of large-size
crankshafts of diesel generators is shown.
Поступила в редакцию 17.07.2009
Рис. 5. Внешний вид шеек коленчатого вала после широкос-
лойной наплавки самозащитной порошковой проволокой
ПП-Нп-30Х4Г2СМ на оптимальном режиме одним слоем (а)
и двумя смежными слоями (б)
Оптимальные режимы широкослойной наплавки корен-
ных и шатунных шеек коленчатого вала дизель-генера-
тора
Параметр режима
Тип шейки коленчатого вала
коренной шатунный
Iн, А 320…340 340…360
Uд, В 27…28 27…28
vн, м/ч 4,5 5,0
Размах колебаний электрода, мм 50 65
e, мм 8…10 8…10
nк, мин–1 60 60
Количество смежных слоев, шт. 2 2
tн, мин 6,0 4,0
lэ, мм 25…28 25…28
2/2010 45
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-101415 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0005-111X |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T18:40:00Z |
| publishDate | 2010 |
| publisher | Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Жудра, А.П. Кривчиков, С.Ю. Петров, В.В. 2016-06-03T10:47:07Z 2016-06-03T10:47:07Z 2010 Технология широкослойной наплавки крупногабаритных коленчатых валов / А.П. Жудра, С.Ю. Кривчиков, В.В. Петров // Автоматическая сварка. — 2010. — № 2 (682). — С. 41-45. — рос. 0005-111X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/101415 621.791.92 Представлены результаты экспериментальных исследований влияния параметров режима широкослойной наплавки
 на характеристики наплавленного слоя, а также определены оптимальные диапазоны изменения параметров режима
 при наплавке поверхностей цилиндрических деталей диаметром 180…300 мм. Показано применение результатов
 исследования при разработке технологии восстановления крупногабаритных коленчатых валов дизель-генераторов. Results of experimental investigations of the effect of the wide-layer hard-facing parameters on characteristics of the deposited
 layer are presented. Optimal ranges of variations of the process parameters in hard-facing on cylindrical parts 180...300 mm in
 diameter were determined. Application of the investigation results for development of the technology for repair of large-size
 crankshafts of diesel generators is shown. ru Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України Автоматическая сварка Производственный раздел Технология широкослойной наплавки крупногабаритных коленчатых валов Technology of wide-layer hard-facing of large-sized crankshafts Article published earlier |
| spellingShingle | Технология широкослойной наплавки крупногабаритных коленчатых валов Жудра, А.П. Кривчиков, С.Ю. Петров, В.В. Производственный раздел |
| title | Технология широкослойной наплавки крупногабаритных коленчатых валов |
| title_alt | Technology of wide-layer hard-facing of large-sized crankshafts |
| title_full | Технология широкослойной наплавки крупногабаритных коленчатых валов |
| title_fullStr | Технология широкослойной наплавки крупногабаритных коленчатых валов |
| title_full_unstemmed | Технология широкослойной наплавки крупногабаритных коленчатых валов |
| title_short | Технология широкослойной наплавки крупногабаритных коленчатых валов |
| title_sort | технология широкослойной наплавки крупногабаритных коленчатых валов |
| topic | Производственный раздел |
| topic_facet | Производственный раздел |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/101415 |
| work_keys_str_mv | AT žudraap tehnologiâširokosloinoinaplavkikrupnogabaritnyhkolenčatyhvalov AT krivčikovsû tehnologiâširokosloinoinaplavkikrupnogabaritnyhkolenčatyhvalov AT petrovvv tehnologiâširokosloinoinaplavkikrupnogabaritnyhkolenčatyhvalov AT žudraap technologyofwidelayerhardfacingoflargesizedcrankshafts AT krivčikovsû technologyofwidelayerhardfacingoflargesizedcrankshafts AT petrovvv technologyofwidelayerhardfacingoflargesizedcrankshafts |