Full Text

Введение На сегодняшний день множество работ в области электронно-лучевого аддитивного производства с использованием проволоки посвящено исследованию микроструктуры и свойств наплавленного металла [1-7]. В то же время работ по определению параметров режима процесса наплавки достаточно мало, что подтверждают и авторы работы [8]. Определение оптимального режима наплавки является сложной задачей в силу большого количества варьируемых параметров наплавки: ускоряющего напряжения, тока электронного луча, скорости подачи присадочной проволоки, скорости наплавки, формы и параметров развертки луча, фокусировки, угла подачи проволоки, положения кончика проволоки относительно подложки и др. Можно достаточно уверенно говорить о том, как влияет на геометрию валиков скорость подачи проволоки, скорость наплавки и изменение тока электронного луча. В работах [8, 9] авторы показывают, что при наплавке одиночных валиков увеличение мощности луча приводит к увеличению ширины валика, в то время как увеличение скорости подачи проволоки и скорости наплавки приводит к увеличению высоты валика. Влияние развертки электронного луча на формирование валиков, их геометрию, микроструктуру и свойства, возможно, является наименее очевидным среди прочих параметров наплавки и наименее изученным. По характеру влияния на формирование сварного шва технологические развертки электронного луча можно разделить условно на два типа - статический и динамический [10]. «Статические» развертки применяются для перераспределения плотности мощности луча в зоне обработки, к ним, как правило, относятся такие формы развертки, как концентрические окружности и эллипсы, Х-образные развертки и др. Особенность статической развертки - высокие частоты, при которых тепловые и гидродинамические процессы в канале проплавления не испытывают возмущений, так как скорость их реакции на изменение положения электронного луча существенно ниже частоты развертки. «Динамические» развертки электронного луча используются не только для перераспределения плотности мощности в зоне обработки, но и для влияния на гидродинамические процессы в канале проплавления, например для интенсификации переноса жидкого металла с фронта плавления к фронту кристаллизации. Главным отличием динамических разверток от статических являются сравнительно низкие частоты - приблизительно до 100 Гц. Использование динамической развертки, например пилообразной или зигзагообразной формы, при которой электронный луч совершает циклические движения в направлении от жидкой ванны к уже затвердевшему валику, приводит к существенному изменению геометрии сварного шва или наплавленного валика, по сравнению с использованием статического типа развертки либо без иcпользования развертки [10-12]. Такой эффект характерен не только для электронно-лучевой сварки и наплавки, но и для дуговых методов аддитивного производства; например, в работах [13, 14] показано, что применение продольной развертки c частотой 10 Гц позволяет получать более тонкие стенки, повысить однородность наплавленного металла и увеличить эффективность процесса наплавления. Целью исследования является оценка влияния параметров электронно-лучевой наплавки на форму и геометрические размеры наплавленных одиночных валиков. Методика Электронно-лучевая наплавка одиночных валиков проводилась на установке АЭЛТК-344-12 (АО «НИТИ „Прогресс“») с ускоряющим напряжением 60 кВ, оснащенной механизмом подачи присадочной проволоки. Переменными параметрами при наплавке являлись: ток электронного луча I, скорость подачи присадочной проволоки w, скорость наплавки V, форма и параметры развертки электронного луча - частота f и продольная и поперечная амплитуды развертки Ax и Aу. На схеме процесса направление оси Ох совпадает с направлением скорости наплавки V (рис. 1). Наплавка валиков выполнялась с использованием проволоки из титанового сплава СПТ-2 диаметром 1,2 мм на подложку из сплава ВТ6ч в виде плиты толщиной 10 мм. Химический состав сплавов указан в табл. 1. В работе использовались развертки динамического типа - пилообразная и зигзагообразная, и статического типа - в виде трех концентрических окружностей (рис. 2). Для пилообразной развертки показана зависимость координаты движения луча вдоль оси Ox от времени x(t). Направление оси Ox совпадает с направлением наплавки. При такой развертке движение электронного луча вдоль оси Oy отсутствует. Для зигзагообразной развертки стрелками показано направление движения луча вдоль развертки. После наплавки были изготовлены поперечные шлифы полученных образцов, которые травились в растворе с соотношением 1:2:5 HF:HNO3:H2О [15]. Таблица 1 Химический состав сплавов ВТ6 и СПТ-2 согласно ГОСТ 19807-91 и ГОСТ 27265-87 соответственно Сплав Fe С Si V N Ti Al Zr O Ост. СПТ-2 <0,15 <0,05 <0,1 2,5-3,5 <0,04 89,36-92,7 3,5-4,5 1-2 <0,12 <0,3 ВТ6 <0,6 <0,1 <0,1 3,5-5,3 <0,05 86,45-90,9 5,3-6,8 <0,3 <0,2 <0,3 Проволока Валик Жидкая ванна Развертка X, V Vл Рис. 1. Схема наплавки с использованием развертки в форме зигзага: Vл - скорость движения луча вдоль продольного направления развертки, V - направление наплавки Ax X y X Ax y Ay t T = 1/f Ax X а б в Рис. 2. Исследуемые формы развертки: а - пилообразная; б - зигзаг; в - в виде трех концентрических окружностей Влияние основных параметров режима наплавки на форму и размеры валиков На форму наплавляемых валиков определяющее значение в первую очередь оказывают основные параметры процесса наплавки - мощность электронного луча q, скорость подачи проволоки w и скорость наплавки V. Помимо формы самого валика изменяется степень проплавления основного металла, что является важным показателем при определении режима наплавки многослойных изделий. Большой объем проплавленного металла подложки говорит об избыточном тепловложении в металл, что приводит не только к увеличению ширины валика, но и к изменению структуры металла - увеличению размеров зерен и, следовательно, ухудшению его механических свойств. В работе проводилась оценка влияния w, V и I на долю проплавления основного металла γ и КПД процесса наплавки η. Режимы наплавки показаны в табл. 2. При наплавке использовалась развертка электронного луча статического типа - в форме трех концентрических окружностей с частотой 1000 Гц и диаметром 2,5 мм. Фокусировка луча во всех случаях была острая. Часть валиков была выполнена при различных комбинациях V, w и I, выбранных таким образом, чтобы удельная энергия E была одинаковой. Удельная энергия E равняется отношению мощности электронного луча к объему металла проволоки, подаваемого в единицу времени, и рассчитывается по следующей формуле: где F - площадь поперечного сечения проволоки; I - ток луча; U - ускоряющее напряжение. Удельная энергия является удобным показателем для сравнения режимов наплавки, несмотря на то, что энергия тратится не только на плавление проволоки, но и на плавление подложки, поскольку объем проплавленного металла подложки заранее предсказать затруднительно. Доля проплавления γ равна отношению площади перечного сечения проплавленного металла подложки Fs к сумме площадей Fs и площади наплавленного валика Fb: КПД процесса наплавки η рассчитывался как произведение эффективного КПД электронно-лучевой обработки ηe и термического КПД ηt [18, 19]: где ρ - плотность сплава; c - удельная теплоемкость; Tm - температура плавления сплава и Lm - удельная теплота плавления сплава [20]. Рассчитывать КПД наплавки η как произведение ηe и ηt более целесообразно, поскольку ηe во время наплавки, когда отсутствует глубокий канал проплавления, может быть значительно ниже единицы, в отличие от процесса электронно-лучевой сварки, где ηe обычно принимают равным 0,95-0,97 [21]. Таблица 2 Режимы наплавки для оценки влияния на геометрию валиков Номер режима V, мм/мин w, м/мин I, мА E, Дж/мм3 γ η 1 250 1 7 22,29 22,29 22,29 0,025 0,24 2 2 14 0,22 0,28 3 3 21 0,26 0,34 4 500 2 21 33,44 0,50 0,34 5 4 28 22,29 0,42 0,41 6 6 38 20,17 0,39 0,48 7 10 45 14,33 0,28 0,54 Влияние размера источника теплоты Форма наплавляемых валиков зависит в том числе от размера источника теплоты. Его размер при электронно-лучевой обработке можно регулировать не только за счет изменения положения фокальной плоскости луча при наплавке, но также и изменением продольной и поперечной амплитуд разверток Ах и Ay без изменения фокусировки. На форму валиков - ширину и высоту - в большей степени влияет поперечный размер источника теплоты - поперечная амплитуда развертки Ay. Для изучения зависимости формы валиков от размеров источника теплоты были наплавлены валики на режиме 7 в табл. 2. При этом использовались развертки в форме трех концентрических окружностей различных диаметров, параметры этих разверток указаны в табл. 3. Пилообразная развертка была использована как предельный случай c поперечной амплитудой Ay, равной нулю. Ее продольный размер, амплитуда Ax, равен нулю. Ширина валика измеряется на поверхности подложки, высота валика отсчитывается также от поверхности подложки. Таблица 3 Параметры развертки электронного луча и характеристики получаемых валиков Номер режима Форма развертки Диаметр d, мм (Ay) f, Гц Ширина валика В, мм Высота валика Н, мм γ η 8 В виде трех концентрических окружностей 2,5 1000 7,05 4,33 0,28 0,54 9 4 8,76 3,44 0,29 0,54 10 5,5 9,32 3,36 0,31 0,54 11 Пилообразная, Ax = 2,5 мм Ay = = 0 мм 140 5,97 4,88 0,28 0,55 Влияние частоты продольной развертки Особый интерес представляет применение разверток динамического типа, при которых электронный луч совершает направленное движение от фронта плавления жидкой ванны к фронту кристаллизации. В этом случае геометрические параметры наплавляемых валиков определяются параметрами развертки - продольной и поперечной амплитудами, а также частотой. Для оценки влияния частоты развертки на формирование валиков использовали зигзагообразную форму развертки (см. рис. 2) с различными частотами (табл. 4) на режиме 7 (см. табл. 2), фокусировка - острая. Основное направление движения луча при использовании развертки - от фронта плавления металла к фронту кристаллизации (см. рис. 1, 2) - совпадает с направлением движения проволоки. Продольная амплитуда Ax = 2,5 мм, поперечная Ay - 1,6 мм. Таблица 4 Параметры зигзагообразной развертки Номер режима f, Гц Ширина валика В, мм Высота валика Н, мм γ η 12 3,5 5,94 4,38 0,5 0,65 13 7 5,95 4,09 0,35 0,57 14 35 6,18 4,72 0,35 0,6 15 70 6,25 4,72 0,34 0,53 16 100 6,31 4,82 0,30 0,56 Влияние тока луча на геометрию валика при использовании пилообразной развертки Влияние тока луча оценивалось при наплавке валиков на токах луча 40, 35 и 30 мА с использованием пилообразной развертки, остальные параметры - по режиму № 7 (см. табл. 2), развертки - по режиму № 16 (см. табл. 4). Результаты Влияние основных параметров режима на геометрию валиков Пропорциональное увеличение скорости подачи проволоки w и тока луча I при постоянной скорости наплавки V и удельной энергии E приводит к увеличению доли проплавления подложки γ и КПД наплавки η (рис. 3, a-в, режимы 1-3 в табл. 2). Это связано с тем, что при малых значениях w и I оплавление основного металла незначительно (см. рис. 3, а) и отсутствует интенсивное перемешивание наплавляемого металла с основным металлом, в результате чего практически вся энергия электронного луча расходуется на нагрев проволоки, что, по-видимому, приводит к перегреву наплавляемого металла и снижению энергетической эффективности процесса наплавки. В то же время увеличение этих параметров приводит к увеличению доли теплоты, вкладываемой в подложку, растет объем общей сварочной ванны и интенсивность перемешивания, в результате чего увеличивается термический КДП. Также надо сказать, что экстремальные значения доли проплавления γ, близкие к нулю, не являются оптимальными при определении режима, поскольку помимо чрезмерного перегрева жидкого металла возрастает вероятность возникновения несплавления вследствие недостаточного прогрева подложки. Наплавка с постоянными скоростью наплавки V и удельной энергией Е подразумевает, что скорость подачи w и ток луча I, а следовательно, и мощность луча q изменяются прямо пропорционально, при этом мощность q расходуется на плавление проволоки и плавление подложки. Зная, что мощность, требуемая для плавления проволоки, растет линейно скорости ее подачи [10], можно сделать вывод о том, что при неизменной V больше мощности вкладывается на единицу длины подложки, что в итоге и приводит к увеличению γ и η. При наплавке валиков с отличающимися w, V и I в 2 раза (см. режимы 2 и 5 в табл. 2) сохраняется не только удельная энергия E, но и площадь наплавленного металла Fb (см. рис. 3, б и д соответственно). Однако валик, выполненный с большими w, V и I, имеет существенно большие долю проплавления γ и КПД η. Это говорит о том, что в процессе наплавки тенденция увеличения КПД при увеличении скорости наплавки подобна увеличению термического КПД с ростом скорости электронно-лучевой сварки [16, 17]. Это связано с тем, что при увеличении скорости сварки и наплавки меньше вкладываемой энергии тратится на теплопроводность и нагрев металла без оплавления. Зависимость доли проплавления γ от удельной мощности E при постоянной скорости наплавки V = 500 мм/мин (см. табл. 2, режимы 4-7, см. рис. 3, г-ж) близка к линейной (рис. 4). 1 мм a б в г д е ж Рис. 3. Поперечные сечения валиков. Режимы - см. табл. 2 Рис. 4. Зависимость доли проплавления основного металла γ от удельной энергии Е при постоянной скорости наплавки 2 мм Рис. 5. Поперечные сечения валиков, выполненных с различными амплитудами (режимы указаны в табл. 3). Слева направо: Ау = 0 мм (пилообразная развертка); d = 2,5 мм; d = 4 мм; d = 5,5 мм Влияние размера источника теплоты Увеличение диаметра концентрических окружностей от 2,5 до 5,5 мм при наплавке валиков приводит к увеличению ширины наплавляемых валиков и уменьшению их высоты (рис. 5, 6). Уменьшение размера источника в поперечном направлении до амплитуды Ау = 0 мм за счет применения пилообразной развертки приводит к еще большему уменьшению ширины и росту высоты валика. Параметры режимов наплавки указаны в табл. 3. Высота Н Ширина В Рис. 6. Зависимость ширины B и высоты H валиков от диаметра развертки d. Точка d = 0 мм соответствует пилообразной развертке, у которой Ау = 0 мм Характер зависимости на рис. 6 демонстрирует предел возможности увеличения ширины валика ширины за счет увеличения размера источника теплоты, в частности от d. При значениях d, близких к 5,5 мм, график зависимости асимптотически приближается к значению максимальной ширины валика - порядка 10 мм. При этом дальнейшее увеличение d сверх 5,5 мм практически не будет влиять на ширину валика. При увеличении d от 0 до 5,5 мм ширина валика изменяется от 5,97 до 9,32 мм, т.е. более чем в 1,5 раза. В то же время высота валика уменьшилась от 4,88 до 3,36 мм - в 1,45 раза. Таким образом, существует возможность управления формой валиков только за счет применения развертки. При этом КПД наплавки η и доля проплавления γ практически не изменяются при изменении поперечной амплитуды развертки. Регулирование формы валиков за счет применения разверток может быть выгоднее с точки зрения снижения вероятности образования дефектов и управления структурой металла при наплавке, по сравнению с изменением фокусировки электронного луча. Однако у такого метода регулирования формы валиков есть ограничения, одним из основных является диаметр подаваемой проволоки. 3,5 Гц 7 Гц 35 Гц 70 Гц 100 Гц 2 мм Рис. 7. Поперечные сечения валиков, выполненных на режимах 12-16 (см. табл. 4). Числа показывают частоту развертки f Влияние частоты продольной развертки на формирование валиков По аналогии с применением динамического типа развертки при ЭЛС [12] изменение частоты развертки должно существенно влиять на стабильность, а также форму валиков. Под стабильностью формирования валиков понимается постоянство формы и геометрических параметров валика по длине наплавки. Наиболее стабильное формирование валиков отмечается на частотах 70 и 100 Гц. Несмотря на низкую частоту развертки, стабильное формирование валиков можно также отметить на частоте 3,5 Гц. При 7 Гц наблюдаются периодические колебания высоты и ширины валиков, а также участки с неполностью расплавленной проволокой. При 35 Гц также наблюдается нестабильность, однако менее выраженная в сравнении с 7 Гц (рис. 7). На рис. 7 показаны поперечные сечения валиков на частотах 3,5; 7, 35, 70 и 100 Гц. Нарушение стабильности на низких частотах может быть вызвано несколькими причинами. Во-первых, при малых частотах развертки скорость движения луча вдоль продольного направления развертки Vx близка к скорости наплавки V. Данную ситуацию можно проиллюстрировать на графике (рис. 8). Электронная пушка перемещается вдоль оси Х, координата пушки обозначена Хп. В то же время электронный луч относительно электронной пушки движется в обратном направлении, положение луча относительно пушки обозначено Хл. Фактическое положение электронного луча на подложке Хрез является результатом вычитания координат: Хрез = | Хп | - | Хл |. При скорости наплавки V = 500 мм/мин = 8,33 мм/с, а также при частоте развертки f = 3,5 Гц и амплитуде Ах = 2,5 мм, при которых скорость движения луча вдоль развертки Vx = 8,75 мм/с, электронный пучок в течение периода развертки практически не перемещается вдоль подложки (зеленая линия) и его положение будет меняться через каждый период действия развертки на величину амплитуды Ax = 2,5 мм. Следовательно, при выборе низких частот наплавки вероятно нарушение стабильности формирования валиков из-за нестабильного плавления подложки. Хрез Т2 Т1 t, c 1 Т3 Х, V Хп Х Хл Рис. 8. Координата луча на подложке при скорости наплавки V = 500 мм/мин, а также при частоте развертки f = 3,5 Гц и амплитуде развертки Ах = 2,5 мм: Т - периоды действия развертки. Справа показаны точки на траектории движения пушки вдоль подложки, в которых фактически находится пучок при таких параметрах Другой вероятной причиной нестабильности на низких частотах развертки может являться малая скорость перемещения электронного луча Vx по сравнению со скоростью подачи проволоки w. Для пояснения рассмотрим две ситуации: первая, при которой скорость Vx = w, и вторая, при которой скорость Vx = 2w (рис. 9). При равных скорости движения луча вдоль продольного направления развертки Vx и скорости подачи проволоки w электронный луч в течение всего периода развертки неподвижен относительно проволоки. В конце периода луч резко перебрасывается из конечной точки развертки в начальную, в результате чего луч «отрезает» кусочек проволоки (на рис. 9 обозначен штриховкой), который затем попадает в жидкую ванну и может как расплавиться, так и нет в случае, если не хватит запаса энергии жидкой ванны для его плавления. При Vx = 2w электронный луч как минимум один раз проходит по всем точкам проволоки, расплавляя ее в полном объеме. Эти скорости можно назвать критическими скоростями движения луча вдоль развертки: Vx = 2w - критическая скорость движения луча вдоль продольного направления развертки, при которой происходит полное оплавление луча, а Vx = w - скорость, при которой длина нерасплавленного участка равняется продольной амплитуде Ах. При скорости Vx > 2w плавление проволоки также будет происходить в полном объеме. При w < Vx < 2w длина расплавляемого участка будет меньше амплитуды Ах. А уменьшение до значений Vx < w не будет приводить к увеличению нерасплавляемого участка проволоки. В случае, когда скорость подачи проволоки w = 10 м/мин = 166,6 мм/с, минимальная частота развертки при Ах = 2,5 мм, при которой Vx = w, будет Соответственно, при низких частотах будет гарантированное нерасплавление участка проволоки. Попадание части проволоки в твердом состоянии в сварочную ванну будет приводить к охлаждению жидкой ванны, изменению циркуляции металла в ванне, а следовательно, к изменению условий кристаллизации металла и изменению структуры. Однако при недостаточном запасе тепла сварочной ванны может происходить неполное сплавление и появление дефектов. Рис. 9. Схема выбора скорости движения луча вдоль развертки Описанный выше механизм «отрезания» кусочка проволоки при низких частотах подтверждается высокоскоростной съемкой процесса наплавки с частотой развертки 35 Гц (режим развертки 14 в табл. 4, режим наплавки - режим 7 в табл. 2, рис. 10). Кусочек проволоки отрезается в течение 2/8Т - периода действия развертки, а течение следующих 2/8Т этот кусочек проволоки видно на поверхности жидкой ванны, после чего он тонет в жидкой ванне. В оставшуюся половину периода электронный луч воздействует на жидкую ванну, что дополнительно может способствовать расплавлению отрезанного кусочка проволоки. 0 1/8Т 2/8Т 3/8Т 4/8Т 5/8Т 6/8Т 7/8Т Т Рис. 10. Раскадровка процесса наплавки в течение одного периода действия развертки Т. Скорость съемки - 2000 кадров/с, частота развертки f = 35 Гц 1 мм 40 мА 35 мА 30 мА Рис. 11. Поперечные шлифы валиков, выполненных с использованием пилообразной развертки Применение низких частот разверток электронного луча, вероятно, приведет к изменению условий кристаллизации металла как за счет возможного попадания кусочка проволоки в жидкую ванну, так и за счет импульсного характера воздействия электронного луча на жидкий металл, что скажется на микроструктуре и свойствах получаемых валиков. Однако использование низких частот разверток при наплавке ограничено из-за нестабильности формирования валиков. Тем не менее в области низких частот зависимость стабильности формирования от частоты развертки, по всей видимости, носит нелинейный характер. Это позволяет сделать предположение о том, что существуют частоты, при которых будет сохраняться стабильность при наплавлении валиков, а следовательно, это позволит регулировать структуру наплавляемого металла и улучшать его механические свойства. Влияние тока луча на геометрию валика при использовании пилообразной развертки Уменьшение тока от 40 до 30 мА при наплавке валика с использованием пилообразной развертки привело к увеличению высоты валика и уменьшению ширины (рис. 11, 12). Увеличение высоты валика и уменьшение ширины произошло приблизительно на 20 %. Также угол между стенками на середине высоты каждого валика уменьшился и составил 13°, 8° и 2° соответственно для токов луча 40, 35 и 30 мА. Снижение мощности электронного луча приводит к уменьшению температуры жидкой металлической ванны и росту коэффициента поверхностного натяжения, что препятствует растеканию металла по поверхности валика и вместе с влиянием пилообразной развертки на перенос жидкого металла приводит к росту высоты валика и снижению его ширины. Рис. 12. Зависимость геометрических параметров валиков от частоты пилообразной развертки Использование пилообразной развертки при малых тепловложениях перспективно для получения тонкостенных изделий. Данный подход способен увеличить производительность изготовления тонкостенных элементов, увеличить коэффициент использования материала за счет увеличения точности, которое достигается за счет получения параллельных стенок. Выводы Выполнение одиночных валиков методом электронно-лучевого аддитивного формообразования с использованием проволоки с различными параметрами режима и развертки электронного луча позволило сделать следующие выводы: 1. Увеличение скорости наплавки при сохранении размеров валика приводит к увеличению КПД процесса наплавки и увеличению проплавления подложки, что согласуется с аналогичными тенденциями при электронно-лучевой сварке. 2. Увеличение размера источника теплоты за счет увеличения диаметра развертки в форме концентрических окружностей позволяет регулировать ширину валика, однако в ограниченных пределах. При использовании проволоки диаметром 1,2 мм удалось увеличить ширину валика с 5,97 (продольная развертка) до 9,32 мм (кольцевая развертка диаметром 5,5 мм) - в 1,5 раза, дальнейшее увеличение диаметра кольцевой развертки не является эффективным средством увеличения ширины валика. 3. Использование «динамической» развертки позволяет интенсифицировать перенос жидкого металла в наплавочную ванну и тем самым увеличить высоту получаемых валиков, особенно в сочетании с уменьшением тока луча для снижения температуры жидкой ванны и поверхностного натяжения. 4. Однако необходимо тщательно подходить к выбору частоты развертки, так как возможно нестабильное формирование валиков. При равенстве скоростей движения электронной пушки относительно подложки и перемещения луча вдоль продольного направления развертки электронный пучок неподвижен относительно подложки в течение всего периода развертки, что приводит к нестабильному плавлению подложки. При равенстве скоростей подачи проволоки и перемещения луча вследствие развертки происходит нестабильное плавление проволоки и возможно образование дефектов в наплавленном валике.

About the authors

A. V Gudenko

National Research University “Moscow Power Engineering Institute”

A. P Sliva

National Research University “Moscow Power Engineering Institute”

D. V Shishkin

National Research University “Moscow Power Engineering Institute”

References

Statistics

Views

Abstract - 45

PDF (Russian) - 10

Refbacks

• There are currently no refbacks.