Full Text

Большинство существующих в настоящее время аддитивных технологий изготовления металлических изделий основаны на селективном лазерном спекании порошков, лазерном плавлении порошковых материалов или расплавлении порошков под действием концентрированного электронного пучка. Широкое применение аддитивных технологий с использованием порошкового сырья обусловлено возможностью изготавливать детали с высокой геометрической точностью. Однако при этом существенно сужается круг конструкционных материалов, из которых возможно получение готовых изделий высокого качества. В частности, формирование изделий из большинства алюминиевых сплавов, а также сплавов активных металлов, таких как титановые и магниевые сплавы, приводит к повышенной пористости материала полученного изделия с существенным снижением его механических характеристик [1-11]. Для аддитивного производства с незначительными адаптациями могут быть использованы многие стандартные сварочные процессы, такие как дуговая, лазерная и электронно-лучевая сварка. Применение проволочных материалов для аддитивного производства является интересной альтернативой применению порошковых материалов ввиду простоты процесса и относительно больших скоростей наплавки металла. При электронно-лучевой наплавке с использованием сплошной проволоки в качестве присадочного материала качество получаемого наплавленного валика зависит от множества факторов. При этом основными характеристиками качества процесса наплавки являются точность формирования наплавленного слоя металла и характер переноса металла в наплавляемый валик. Несмотря на большое внимание к аддитивным технологиям, процессы электронно-лучевой наплавки проволочным материалом до настоящего времени изучены недостаточно, что подтверждается малочисленностью публикаций о результатах исследований этого процесса [12-20]. Целью данной работы было исследование влияния параметров режима электронно-лучевой наплавки сплошной проволокой и подбор их оптимальных значений. Эксперимент проводился на установке электронно-лучевой сварки с энергетическим агрегатом ЭЛА-6ВЧ. Подача присадочной проволоки осуществлялась посредством установленного в вакуумную камеру компактного механизма с приводом на шаговом двигателе 57PLF10K. В качестве подложки были использованы цилиндрические образцы из стали 12Х18Н10Т наружным диаметром 160 мм и толщиной стенки 5 мм. Наплавка производилась коррозионно-стойкой хромоникелевой проволокой ER308LSi диаметром 0,8 мм. На первом этапе проведения экспериментов был произведен экспериментальный подбор режимов электронно-лучевой наплавки проволочного материала. Оценка режимов производилась путем визуального контроля процесса и результатов наплавки. Процесс электронно-лучевой наплавки исследовался при воздействии на металл неподвижного электронного луча с различными режимами фокусировки, а также при развертке луча по круговой траектории. Подача присадочной проволоки в зону ее расплавления электронным лучом осуществлялась как над зоной наплавки, так и непосредственно в расплавленную ванну. При проведении экспериментальных исследований использовались следующие режимы фокусировки электронного луча: - ниже поверхности подложки; - на поверхности подложки; - в промежутке между областью воздействия электронного луча на присадочную проволоку и поверхностью подложки; - на уровне области воздействия электронного луча на присадочную проволоку; - выше области воздействия электронного луча на присадочную проволоку. Было установлено, что при фокусировке электронного луча с незначительным превышением над областью его воздействия на присадочную проволоку обеспечивается наиболее благоприятный режим плавления проволоки и активации поверхности подложки. Это связано с тем, что при таком режиме фокусировки электронный луч взаимодействует с проволокой при пониженной плотности энергии, что обеспечивает отсутствие перегрева проволоки и разбрызгивания металла. В плоскости взаимодействия с подложкой электронный луч имеет еще более низкую плотность энергии. Это приводит к снижению интенсивности плавления подложки, снижению ее перемешивания с наплавляемым материалом и увеличению зоны активации поверхности подложки. Однако ввиду неизбежных отклонений оси присадочной проволоки от своего первоначального положения при ее подаче в зону плавления требуется дополнительное увеличение диаметра электронного луча в плоскости взаимодействия с проволокой. Это позволяет снизить требования к точности позиционирования присадочной проволоки относительно электронного луча. Недостатком такого подхода является необходимость повышения вводимой мощности, что приводит к увеличению ширины наплавляемого валика и не может быть использовано при наличии ограничений по его ширине. Внешний вид наплавленных валиков, полученных при наплавке расфокусированным электронным лучом, представлен на рис. 1. Альтернативой предлагаемому способу фокусировки является использование системы опера- Рис. 1. Внешний вид валика, наплавленного с использованием расфокусированного электронного луча тивного контроля положения присадочной проволоки относительно электронного луча либо применение развертки электронного луча. В частности, развертка электронного луча по круговой траектории позволила избежать колебаний ширины наплавленного валика (рис. 2). Рис. 2. Внешний вид валика при наплавке с круговой разверткой электронного луча На следующем этапе проведения экспериментов было исследовано влияние позиционирования присадочной проволоки на качество наплавляемого валика. При подаче проволоки в зону наплавки под углом 45°-60° к поверхности процесс сильно зависит от позиционирования проволоки и мало зависит от направления наплавки. При этом проволока может подаваться прямо в ванну расплавленного металла и происходит равномерный перенос металла. Однако в данном случае существует вероятность залипания проволоки при отклонении от устойчивого режима плавления. При горизонтальной подаче присадочной проволоки наблюдалась низкая зависимость процесса наплавки от позиционирования проволоки. При передней или боковой подаче присадочной проволоки обеспечивается более гладкая поверхность валика (рис. 3, а, б), в то время как при задней подаче формируется валик с неравномерной поверхностью (рис. 3, в). Следует отметить, что при задней подаче проволоки такой характер поверхности наплавленного валика может быть изменен корректировкой мощности электронного луча. а б в Рис. 3. Формирование поверхности валика в зависимости от ориентации проволоки (направление наплавки слева направо): а - передняя подача проволоки; б - задняя подача проволоки; в - боковая подача проволоки Исходя из полученных результатов в заключительной части экспериментальных исследований была выполнена многослойная наплавка с использованием присадочной проволоки ER308LSi диаметром 0,8 мм на пластину из нержавеющей стали толщиной 13 мм (см. рис. 3). Параметры режима наплавки представлены в таблице. Внешний вид образца с наплавкой четырех слоев и макрошлиф наплавленного валика приведены на рис. 4. Общая высота валика - 3 мм. Из рис. 4, б видно, что сплавление наплавки происходит с минимальным перемешиванием, дефекты Параметры режима наплавки Ускоряющее напряжение Uуск, кВ Ток луча Iл, мА Скорость наплавки (скорость перемещения подложки) Vн, мм/с Скорость подачи проволоки Vп.п., мм/с Положение фокуса луча Подача присадочной проволоки Траектория развертки электронного луча 60 12-14 2,5 15 Между наплавляемым валиком и проволокой Горизонтально, спереди, на 1-2 мм выше наплавляемого валика Круговая, диаметр 1,8 мм, частота 810 Гц а б Рис. 4. Многослойная наплавка нержавеющей аустенитной стали: а - внешний вид; б - макрошлиф наплавленного валика отсутствуют. Второй слой был наплавлен по оси наплавки первого слоя. Проплавление второго слоя происходит на всю толщину первого слоя с частичным расплавлением подложки. Третий слой был наплавлен со смещением присадочной проволоки относительно оси наплавки. При формировании этого слоя имело место стекание металла с наплавленного валика. Четвертый слой был наплавлен со смещением присадочной проволоки в сторону, противоположную оси наплавки. Этот слой также был получен со смещением металла относительно оси наплавки с образованием наплыва. Выводы 1. При расположении фокуса электронного луча между областью воздействия электронного луча на присадочную проволоку и подложкой при наплавке снижается разбрызгивание присадочной проволоки и обеспечивается достаточно хорошая активация подложки. 2. Применение развертки электронного луча по круговой траектории при наплавке позволяет снизить требования к точности позиционирования присадочной проволоки и избежать колебаний ширины наплавляемого валика. 3. При горизонтальной подаче присадочной проволоки снижается зависимость качества наплавляемого валика от точности позиционирования проволоки. При этом существует незначительная зависимость качества поверхности валика от направления подачи проволоки. Передняя и боковая подача проволоки обеспечивает более лучшее качество поверхности наплавляемого валика. 4. Значительные отклонения присадочной проволоки относительно оси наплавки приводят к снижению отношения высота/ширина наплавляемого валика и увеличивают вероятность появления дефектов.

About the authors

S. V Varushkin

Perm National Research Polytechnic University

D. N Trushnikov

Perm National Research Polytechnic University

E. S Salomatova

Perm National Research Polytechnic University

V. Ya Belenkiy

Perm National Research Polytechnic University

G. L Permyakov

Perm National Research Polytechnic University

References

Statistics

Views

Abstract - 64

PDF (Russian) - 43

Refbacks

• There are currently no refbacks.