Full Text

Применение дуговой наплавки в аддитивных технологиях [1-9] для изготовления заготовок получает все большее развитие по мере удешевления робототехнических комплексов, способных выполнять сварку и наплавку. Наплавка под флюсом, несомненно, займет свою нишу в аддитивных технологиях из-за высокой производительности и высокого качества наплавленного металла. Ввиду этого актуально изучить формирование заготовки, полученной наплавкой под флюсом, ее структуру и свойства. Анализ литературных источников показал, что свойства и структура материалов, получаемых в аддитивных технологиях с применением дуговой сварки под флюсом, исследованы незначительно. Исходя из этого в работе поставлена цель - исследовать заготовку, полученную многослойной наплавкой проволоки Нп-30ХГСА под различными флюсами. Наплавка производилась на установке АДЦ -1250 СФ проволокой 30ХГСА диаметром 3 мм на типовых режимах под флюсами АН 348 А, ФСА ЧТА 650-20/80 и UF-01 (табл. 1-3), количество проходов - 51, в качестве основного металла использовалась планка из стали 10Г2 толщиной 20 мм. Исследование химического состава наплавленного металла выполнено на приборе Q2-ION, приготовление шлифов выполнялось по общепринятым методикам, травление - в 6%-ном растворе азотной кислоты в этиловом спирте [10-12], металлографическое исследование и цифровая обработка изображений - на микроскопе ZEISS AXIO Observer D1m, оснащенном аппаратно-программным комплексом THIXOMET, дюрометрическое исследование - на твердомере DURA Jet по методу Роквелла. Формирование единичного наплавленного валика и отделимость шлаковой корки для всех флюсов отличные. Форма единичного валика месяцеобразная с неглубоким зубом проплавления в середине. После наплавки последовательно одного валика на другой формируется вертикальная стенка высотой 60-65 мм и шириной 14-18 мм без трещин. Из-за низкой вязкости жидкого металла под слоем флюса происходит приращение тонкого слоя толщиной около 1 мм. Предыдущий валик переплавляется на 74 %, и от него остается тонкая прослойка толщиной также около 1 мм, которая попадает полностью в зону термического влияния и подвергается короткому термическому воздействию. При наплавке последующих слоев происходит автотермоциклическая обработка (АТЦО) короткими нагревами с убывающей максимальной температурой от предплавления до низкого отпуска (рис. 1). Таблица 1 Химический состав (мас. %) и индекс основности BФ флюса АН-348А SiO2 MnO MgO CaF2 CaO Al2O3 Fe2O3 S P BФ 41-44 34-38 5-7,5 4-5,5 <6,5 <4,5 <2 <0,15 <0,12 0,75 Таблица 2 Химический состав (мас. %) и индекс основности BФ флюса ФСА ЧТА 650-20/80 Al2O3 + CaO + MgO Al2O3 CaF2 BФ >40 >20 >22 1,2 Таблица 3 Химический состав (мас. %) и индекс основности BФ флюса UF-01 CaO + MgO + CaF2 + MnO SiO2 CaF2 BФ >50 >20 >15 3,2 а б в Рис. 1. Формирование заготовки при аддитивном изготовлении наплавкой: а - поперечное сечение; б - верхняя часть; в - схема проплавления между слоями; Fпр - площадь проплавления; Fн - площадь усиления Распределение химических элементов по высоте наплавленного металла равномерное (рис. 2). При наплавке под флюсами АН-348А и ФСА ЧТА 650-20/80 остается около 40 % углерода, изначально содержащегося в проволоке, и около 60 % под флюсом UF-01. Наплавка под всеми флюсами приводит к незначительному насыщению наплавленного металла кремнием. Значительное насыщение марганцем происходит только под флюсами АН-348А и ФСА ЧТА 650-20/80 - на 1,5 и 0,79 % соответственно, для флюса UF-01 оно незначительно и составляет около 0,2 %. Выгорание хрома наблюдается только для флюса АН-348А (табл. 4). При наплавке под флюсами АН-348А и ФСА ЧТА 650-20/80 формируется химический состав типа 13Г2СХ, а под флюсом UF-01 типа 20ГСХ. Рис. 2. Распределение химического состава (мас. %) по высоте L основного и наплавленного металлов (флюс АН-348А): ОМ - основной металл; НМ - наплавленный металл; а - в диапазоне до 2,5 %; б - в диапазоне до 0,25 % Анализ распределения твердости по высоте наплавленного металла показал, что верхние валики имеют более высокую на 16-32 % твердость по сравнению с низлежащими, прошедшими автотермоциклическую обработку (рис. 3, см. табл. 4). Рис. 3. Распределение твердости HRC по высоте L основного и наплавленного металлов (флюс АН-348А): ОМ - основной металл; НМ - наплавленный металл Анализ структуры выявил в верхних валиках мартенситно-ферритную структуру с небольшой объемной долей феррита для всех исследованных вариантов наплавки, что и обусловило более высокую твердость верхней части наплавленного образца. В низлежащих областях наплавки возросла доля феррита и произошло, вероятнее всего, образование дисперсного перлита после высокотемпературного термоциклического воздействия. Наибольшей дисперсностью обладает структура металла, наплавленного под флюсом ФСА ЧТА 650-20/80 (рис. 4). Оценка неметаллических включений производилась на маленьком (´50) и большом (´1000) увеличении. В первом случае отмечается загрязненность относительно крупными включениями, которые образуются преимущественно на этапе взаимодействия гидродинамических течений металла и шлака в сварочной ванне. Вторые зарождаются в жидком и твердом состояниях, а растут или растворяются преимущественно в твердом состоянии. Форма частиц преимущественно сферическая (рис. 5). Таблица 4 Химический состав и твердость наплавочной проволоки и наплавленного металла (НМ) Флюс Содержание элементов, мас. % Твердость НМ HRC после: C Si Mn Cr наплавки наплавки и АТЦО Проволока 30ХГСА 0,34 0,97 0,81 0,75 - - АН-348 А 0,13 1,15 2,31 0,56 31 26 ФСА ЧТА 650-20/80 0,14 1,20 1,59 0,72 31 21 UF-01 0,21 1,04 1,02 0,79 26 19 а б в г д е Рис. 4. Микроструктура наплавленного металла. Наплавка под флюсом: а, б - АН-348А; в, г - ФСА ЧТА 650-20/80; д, е - UF-01; а, в, д - после наплавки; б, г, е - после наплавки и автотермоциклического воздействия а б в Рис. 5. Неметаллические включения в наплавленном металле (нетравленый шлиф). Наплавка под флюсом: а - АН-348А; б - ФСА ЧТА 650-20/80; в - UF-01 Наибольшая объемная доля включений при наплавке под флюсом АН 348-А связана с высокой насыщенностью металла шва кислородом. Для флюсов ФСА ЧТА 650-20/80 и UF- 01 эта величина меньше (рис. 6). Высокая доля крупных включений, попавших в сечение шлифа (размером от 30 до 910 мкм2), вероятнее всего, более затрудненных условий всплывания неметаллических включений при использованных режимах для флюсов АН 348-А и ФСА ЧТА 650-20/80 по сравнению с флюсом UF-01 (рис. 7, а, в, д). При большом увеличении наибольшая доля мелких, до 1 мкм2, включений - для флюсов ФСА ЧТА 650-20/80 и UF-01 и значительная доля включений размером от 1,5 до 18 мкм2 (рис. 7, б, г, е) связана с различиями в температуре плавления флюсов. Интервал плавления сварочных флюсов сильно влияет на количество и вид микрошлаковых включений, остающихся в металле шва. Компоненты сварочного флюса, имеющие температуру затвердевания более высокую, чем металл шва, присутствуют в жидком металле сварочной ванны в виде мельчайших сферических частиц и успевают удалиться из ванны до ее кристаллизации. Кислые и нейтральные флюсы имеют температуру плавления около 1350-1450 °С, поэтому количество микрошлаковых частиц в металле шва больше, чем при использовании основных флюсов. Рис. 6. Доля неметаллических включений (об. %) в наплавленном металле при увеличении: - ´50; - ´1000 Формирование контура проплавления не совсем благоприятно при наплавке под всеми рассмотренными флюсами, поскольку формируется зуб проплавления, что может повысить вероятность образования межслойных трещин. Исходя из этого необходимо добиться контура проплавления, приближающегося к прямой линии без центрального участка глубокого проплавления. Этого можно добиться за счет применения электромагнитных воздействий [13-16], наплавки модулированным током [17-23], иных технологических воздействий и изменения режимов наплавки. Доля относительно крупных включений площадью более 300 мкм2, если принять частицы сферическими, то размером более 19,5 мкм, составляет 0,079 для АН-348А; 0,095 - для ФСА ЧТА 650-20/80 и 0,074 - для UF-01. Это показывает, что уровень содержания условно крупных неметаллических включений несколько больший для ФСА ЧТА 650-20/80, но в целом значения одного порядка, поэтому выделить лучший флюс по этому параметру затруднительно. Анализ размеров частиц, выявленных на большом увеличении, показывает, что их размеры меньше опасного размера в 10-20 мкм (38,5-78,5 мкм2), Рис. 7. Гистограммы распределения неметаллических включений по площади в наплавленном металле. Наплавка под флюсом: а, б - АН-348А; в, г - ФСА ЧТА 650-20/80; д, е - UF-01 при увеличении: а, в, д - ´50; б, г, е - ´1000 определенного в работах [24, 25], для всех использованных флюсов, но их плотность в металле, наплавленном под флюсом АН 348А, в разы больше, чем при применений двух других флюсов. Наиболее благоприятной принято считать дисперсную структуру с приемлемым количеством неметаллических включений. Этому критерию в наибольшей степени подходит флюс ФСА ЧТА 650-20/80. Таким образом, при аддитивном изготовлении заготовки наплавкой под флюсом проволокой диаметром 3 мм на типовых режимах формируется стенка толщиной 14-18 мм. При использовании проволоки 30ХГСА под слоем флюсов АН-348А и ФСА ЧТА 650-20/80 формируется химический состав типа 13Г2СХ, а под флюсом UF-01 - типа 20ГСХ. Наплавленный металл имеет мартенситно-ферритную структуру после наплавки, которая обусловливает более высокую твердость верхних валиков. В нижерасположенных слоях наплавленного металла формируется твердость от 19 до 26 HRC, которая обусловлена ростом доли феррита, образованием дисперсного перлита и отпуском мартенсита из-за автотермоциклической обработки. Наибольшую загрязненность неметаллическими включениями имеет металл, наплавленный под флюсом АН-348А, наименьшую - под UF-01. По результатам исследований к применению можно рекомендовать флюс ФСА ЧТА 650-20/80. Также необходимо усовершенствовать технологию наплавки, чтобы убрать зуб проплавления в центре валика.

About the authors

G. E Trekin

Ural Federal University name after the fist President of Russia B.N. Eltsin

O. I Shevchenko

Ural Federal University name after the fist President of Russia B.N. Eltsin

References

Statistics

Views

Abstract - 19

PDF (Russian) - 13

Refbacks

• There are currently no refbacks.