УДК 621791.92
Рецензент проф. 77. И. Фрумин
УДК 621.791.92
Электроконтактная наплавка. Клименко Ю. В. Под редакцией
Э. С. Каракозова. М., «Металлургия», 1978. 128 с.
Изложены теоретические основы и показаны технологические
схемы нового способа получения слоя металла в твердой фазе. Ши-
роко освещены вопросы аппаратурного оформления и автоматиче-
ского управления процессом. Исследованы разнообразные свойства
наплавленного металла. Приведены результаты эксплуатационных
испытаний наплавленных деталей различных машин.
Книга рассчитала на инженерно-технических и научных работ-
ников, занимающихся исследованием, разработкой технологии, внед-
рением наплавки изношенных и изготовлением биметаллических де-
талей, а также будет полезна студентам и аспирантам технических
вузов. Ил. 75. Табл. 4. Список лит.: 42 назв.
© Издательство «Металлургия», 1978
31206—069
V ----------
040(01)—78
105—78
ОТ ИЗДАТЕЛЬСТВА
Сварное соединение при разнообразных способах сварки
давлением образуется в результате сложных физико-хи-
мических процессов, происходящих на контактных по-
верхностях и в приконтактных объемах соединяемых ма-
териалов.
Для получения качественного соединения при различ-
ных способах сварки давлением необходимо в зависи-
мости от природы соединяемых материалов, характера
их взаимодействия между собой и с окружающей сре-
дой, интенсивности силового воздействия, температуры
при сварке и других факторов ограничивать одни про-
цессы и интенсифицировать другие.
Объяснение природы образования соединения между
материалами в твердой фазе возможно лишь с позиций
основных положений теории пластической деформации,
термодинамики, химической кинетики, металловедения
и других смежных наук. Очевидна также необходимость
целенаправленного управления процессами, происходя-
щими в зоне соединения при сварке, и прежде всего
структурными превращениями.
В настоящее время сварка давлением широко ис-
пользуется в промышленности и часто является наибо-
лее ответственной технологической операцией в произ-
водственном цикле. Поэтому разработка научных основ
соединения материалов при разнообразных способах
сварки давлением непосредственно связана с повышени-
ем эффективности и качества производства различных
изделий — основной задачей десятой пятилетки.
Издательство надеется, что выпуск серии книг «Но-
вые процессы сварки давлением» будет способствовать
дальнейшей разработке теоретических представлений о
процессах соединения материалов в твердой фазе и эф-
фективному внедрению в промышленность разнообраз-
ных способов сварки давлением.
I Зак. 434
ВВЕДЕНИЕ
1
Наплавка металлов — эффективный способ продления
срока службы деталей машин и механизмов. В настоя-
щее время наплавка металлов — важная отрасль сва-
рочного производства. С применением наплавки решены
сложные задачи при производстве энергетических уста-
новок, металлургического оборудования, деталей почво-
обрабатывающих машин. Наплавка при ремонте изно-
шенных деталей машин и оборудования составляет
72, 3% общего объема наплавочных работ (27,7% прихо-
дятся -на ‘изготовление новых 1изделий) [1]. Созданы
крупные цехи и участки централизованной наплавки
деталей, а также предприятия, на которых производят-
ся наплавочные материалы (твердые сплавы, порошко-
вая проволока и т. д.).
В котлостроснии, энергетическом машиностроении,
металлургии широко применяется механизированная
наплавка. Степень механизации наплавочных работ в
промышленности нашей страны составляет 54,7%, а на
предприятиях черной металлургии 77,6%.
Разработаны и внедрены в производство: наплавка
порошковой проволокой и порошковой лентой открытой
дугой, спеченной электродной лентой под флюсом, жид-
ким присадочным металлом, наплавка композиционных
слоев, электрошлаковая — электродом сложного и боль-
шого сечения, индукционная, газопорошковая, плазмен-
ная.
Однако возможности повышения эффективности
производства деталей машин и особенно их ремонта с
применением различных видов наплавки далеко не реа-
лизованы. Трудоемкость ремонта машин в несколько раз
превышает трудоемкость их изготовления. В значитель-
ной мерс это следствие несовершенства или низкой эф-
фективности существующих способов наплавки деталей.
Так, при электродуговых способах наплавки значитель-
но термическое влияние на металл детали, приводящее
к нежелательным, а в ряде случаев — недопустимым
структурным изменениям и как следствие к разупрочне-
пню. Многие способы наплавки малопроизводительны,
особенно при ремонте детален с малым износом. Допу-
стимые зазоры в сопряжениях современных машин неп-
рерывно снижаются, следовательно, количество требую-
щих ремонта деталей с малым износом возрастает.
Наконец, все электродуговыс способы наплавки сопровож-
даются интенсивным световым излучением, а также за-
соряют атмосферу газами.
Металлизацией без существенного термического воз-
действия металл можно наносить на детали сложной
формы. Однако покрытия, полученные различными спо-
собами металлизации без дополнительных технологи-
ческих приемов, имеют низкую прочность сцепления с
металлом основы, неравномерную твердость, плохо
сопротивляются растяжению, что исключает применение
металлизации для изготовления пли ремонта деталей
машин, работающих на растяжение, изгиб, кручение.
Кроме того, при металлизации значительны потери при-
садочного металла. Для повышения прочностных свойств
напыленного металла применяют последующее оплав-
ление его электрической дугой или плазменной
струей. При этом прочность па отрыв получаемого слоя
металла возрастает в 4 —5 раз, достигая 65—70 кге/мм2.
Однако такое улучшение свойств напыленного металла
достигается значительным усложнением технологии и
снижением производительности, а также требует допол-
нительного оборудования.
Различные виды гальванических процессов образова-
ния металлопокрытий характеризуются низкой произво-
дительностью и высокой энергоемкостью. Применение их
целесообразно для нанесения тонких слоев металла, но
сопряжено с технологическими трудностями при ремон-
те детален сложной формы, необходимостью частого
контроля и корректировки состава электролита- Вслед-
ствие значительных внутренних напряжений в металле
осадка усталостная прочность хромированных деталей
может снижаться на 15—45%.
В последние годы разработаны новые способы нара-
щивания металла, которым в меныней мере присущи
перечисленные недостатки.
Широко распространен способ электроискрового леги-
рования и восстановления поверхностей деталей машин.
Электроискровая обработка импульсным током не требу-
ет сложного оборудования. Для восстановления изно-
5
шейных поверхностей электроискровым способом исполь-
зуют твердосплавные электроды ВК2, В КЗ, ТЧКЗО, Т5КЮ,
сормай-т, феррохром, ферробор и др* Микротвердость
металла верхнего слоя при использовании феррохрома
достигает 650—700 кгс/мм2, ферробора 1100—
1200 кгс/мм2, твердых сплавов Т15К6, ВК8 и др- 900—
1100 кгс/мм2. При электроискровом восстановлении из-
ношенных поверхностей деталей машин электродами
Т15К6 толщина слоя достигает 0,3 мм, прочность соеди-
нения его с основным металлом составляет 90 кгс/мм2.
Износостойкость металлопокрытия, наплавленного элек-
троискровым способом с использованием феррохрома, в
10—14 раз превышает • износостойкость стали 45 [23-
Разновидность электроискрового способа наращива-
ния— наплавка пучком вращающихся электродов
(микронаплавка). Сущность способа заключается в том,
что при вращении пучка электродов и соприкосновении
его с деталью появляются электрические разряды, и
металл переносится на наплавляемую поверхность.
Недостаток всех электроискровых способов наплав-
ки— значительное снижение усталостной прочности де-
талей и сравнительно низкая производительность.
К новым способам наращивания металла относится
микронаплавка с комбинированным переносом металла
электрода. Толщина наплавленного слоя 0,37—0,42 мм,
прочность его соединения с основным металлом 15—
20 кгс/см2, а микротвердость 400—490 кгс/мм2- Недоста-
ток этого способа — недостаточная прочность соедине-
ния наплавленного слоя с основным металлом.
В Челябинском институте механизации и электрифи-
кации сельского хозяйства разработан электроимпульс-
ный способ образования тонких слоев металла, осуще-
ствляемый при вибрации электрода с периодическими
замыканиями на деталь с длительностью 5-10~3—6Х
ХЮ-3 с. Этот способ целесообразен для получения слоев
металла толщиной не более 0,3 мм на сторону- Произво-
дительность его низка.
Одним из перспективных способов наращивания ме-
талла на поверхности изделий является элсктроконтакт-
ное плакирование металлической лентой. Этот способ
разработан в ГОСНИТИ и заключается в приваривании
контактным способом стальной ленты, предварительно
закрепленной на изделии к его поверхности. Электро-
контактное плакирование осуществляется на специаль-
6
ных установках, сварочная цепь которых питается от
конденсаторных генераторов импульсов тока. Этот спо-
соб чрезвычайно производителен (до 250 см2/мин) и
позволяет наращивать различные металлы на изделия из
стали и чугуна. Существенные недостатки электрокон-
тактного плакирования — малая толщина наращиваемо-
го слоя металла (до 0,2 мм) и низкая прочность соеди-
нения его с основным металлом вследствие отсутствия
пластической деформации присадочной ленты в зоне
контакта ее с изделием, что является необходимым ус-
ловием соединения металлов в твердой фазе. При режи-
мах процесса, обеспечивающих образование литого ядра,
последнее смещается из зоны контакта присадочной
ленты в глубь металла изделия, что является следстви-
ем интенсивного теплоотвода от тонкой присадочной лен-
ты в массивный медный контактный ролик.
Автором разработан новый способ получения сплош-
ного слоя металла принудительным формованием нагре-
тых до пластического состояния присадочного металла
и поверхностного слоя металла детали [3].
Новый процесс образования слоя металла в твердой
фазе получил название электроконтактной наплавки
Глава 1
ОСОБЕННОСТИ
ЭЛЕКТРОКОНТАКТНОЙ НАПЛАВКИ
1.	Краткие сведения о процессе
Электрокоптактную наплавку осуществляют на специ-
альной установке (рис. 1) совместным деформированием
наплавляемого металла и поверхностного слоя металла
основы, нагретых в очаге деформации до пластического
состояния короткими (0,02 -0,04 с) импульсами тока
10—20 кА. В результате каждого из последовательных
электромеханических циклов процесса на поверхности
металла основы образуется единичная площадка наплав-
ленного металла, перекрывающая соседние. Деформа-
ция наплавляемого металла за цикл составляет 40—
60%.
Преимущества электроконтактной наплавки:
1.	Высокая производительность и низкая энергоем-
кость процесса наращивания слоя металла в твердой
фазе.
2.	Минимальная зона термического влияния тока на
металл вследствие чрезвычайно малой (до тысячных до-
лей секунды) длительности импульсов, формируемых
современными прерывателями тока.
3.	Нет необходимости в защитной среде ввиду крат-
ковременного термического воздействия на присадочный
металл.
4.	Отсутствие мощного светового излучения и газо-
выдсления.
Электрокоптактную наплавку применяют для ремонта
металлических поверхностей и получения биметалличес-
ких изделий.
Рис, 7. Схема установки элсктрокоп-
тактиой наплавки:
а — начальное состояние; б — конечное
состояние; 1 — прерыватель тока; 2 —
трансформатор; 3 — наплавляющий ро-
лик; 4 — амортизатор; 5 — присадочная
проволока; 6 — образец
2.	Нагрев металлов
Особенности нагрева металлов определяются формоиз- '
мснением зоны наплавки, характером деформации ме-
таллов и условиями теплоотвода. Электрическая схема
цепи наплавки состоит из последовательно соединенных
сопротивлений четырех участков: перехода «наплавляю-
щий электрод — присадочная проволока», присадочной
проволоки в зоне наплавки, перехода «присадочная про-
волока—металл основы», прикоптактпого металла ос-
новы. Последовательность нагрева присадочной проволо-
ки и металла основы в результате изменения сопротив-
лений участков и соответствующее изменение темпера-
турного поля в зоне наплавки единичной площадки (за
время прохождения импульса тока) показаны на рис. 2.
Экспериментальное исследование температурного по-
ля в зоне наплавки осложнено изменением параметров
процесса. Распределение плотности тока в металле ос-
новы (рис. 3) можно определить, моделируя процесс в
t ис. 2. Температурное поле в лоне наплавки (I— IV—стадии процесса)
9
Рис. 3. Пантогрймма распред**
лен ия плотности тока в уч а ст
ках цепи наплавки
электролитической ванне. Количество выделившегося
тепла в результате прохождения импульса тока рассчи-
тывается по формуле
QK = (A v А /)/(ак bK),	(1)
где а1( и Ьк — соответственно расстояния между линиями
тока и эквипотенциалями, образующими элементарную
э н ер готическую ячейку.
Зона нагрева металла основы до температуры струк-
турных превращений при электроконтактной наплавке
распространяется не глубже 0,3 мм, что в 6—10 раз
меньше глубины распространения зоны термического
влияния при электродуговой наплавке. Присадочная про-
волока и поверхность металла основы в зоне наплавки
нагреваются до температуры 1400—1500°С за 0,02-—
0,04 с.
Нагрев поверхности металла основы в зоне контакта
единичной площадки зависит от характера распределе-
ния плотности тока и изменения площади теплообмена
в процессе пластической деформации присадочной про-
волоки. Центральная область А (рис. 4) первоначаль-
ного контакта с присадочной проволокой имеет макси-
мальную температуру, т. к. нагревается в течение всей
длительности импульса гока. Кроме того, в первоначаль-
ный момент протекания импульса тока плотность тока
в этой зоне максимальна, а следовательно, максимально
Рис. 4. Зоны нагрева единичной
контактной площадки
Рис. 5. Модель температурного поля
единичной контактной площадки:
температура периферийных то-
чек поверхности единичной контактной
площадки, достаточная для соединения
присадки с основой
тепловыделение. По мере деформации присадочной про-
волоки растет площадь контакта ее с поверхностью де-
тали (области Б, В, Г, см. рис. 4), плотность тока и
тепловыделение при этом снижаются обратно пропорци-
онально площади.
С учетом перераспределения плотности тока на поверх-
ности детали в пределах единичной контактной площад-
ки можно считать, что:
тл = Ггаах ехр (— г2),
(2)
где Тп — температура произвольной точки поверхности
детали в пределах единичной контактной площадки;
Лпах — температура в центре единичной контактной пло-
щадки, равная 1400—1500сС; г — расстояние от центра
единичной контактной площадки до произвольной точки.
Модель температурного поля единичной контактной
площадки металла основы в конце ее формирования пред-
ставлена на рис. 5.
3.	Пластическая деформация
присадочной проволоки
и металла основы
Соединение металлов в твердой фазе при пластической
деформации происходит вследствие межатомных сил
взаимодействия.
Параметры деформации, прежде всего величина е и
скорость е, должны обеспечивать заданную толщину
слоя металла и необходимые условия для соединения
отформованного слоя с поверхностью изделия.
При некоторой заданной толщине слоя металлопо-
крытия Л, т. е. заданной величине деформации приса-
дочной проволоки, необходимые условия его взаимодей-
ствия с металлом основы могут обеспечиваться соответ-
ственным выбором температуры и скорости деформации
в зоне соединения.
Эти условия можно обеспечить также выбором диа-
метра присадочной проволоки, определяющего е и я для
любого значения h при постоянной температуре и прило-
женном давлении.
Площадь единичной площадки Fn определяется усло-
виями деформации присадочной проволоки. Фактичес-
кая площадь контакта FK зависит, кроме того, от ха-
рактера микрорельефа поверхности детали и степени
его деформации, а следовательно, от температуры и фи-
зико-механических свойств металла основы.
Если микрорельеф поверхности детали к концу фор-
мования единичной площадки металла полностью де-
формируется (сглаживается), величина FK близка к Fu
(рис. 6л). Если преимущественно деформируется при-
садочная проволока. FK может значительно превышать
Fn за счет вдавливания присадочного металла во впади-
ны микрорельефа поверхности детали (рис. 6,6). В рас-
смотренных случаях различны и условия пластической
деформации, в частности направление, скорость, давле-
ния перемещающихся и деформирующихся слоев приса-
дочного металла па наплавляемую поверхность.
Эти особенности пластической деформации влияют на
условия образования соединения и должны учитываться
при разработке технологии электрокоптактной наплавки.
f-uc. 6. Контактная поверхность:
а — твердость металла основы меньше твердости металла присадки; б
твердость металла основы больше твердости металла присадки
4.	Фазовые превращения в металлах
Особенности фазовых превращений в соединяемых
металлах при электроконтактной наплавке связаны с ме-
юдом нагрева. При косвенном нагреве (в печи) тепло-
вая энергия передается в глубь образца вследствие
геплопроводности и лимитируется коэффициентами теп-
лопередачи и теплопроводности, разностью температур
между средой и свариваемыми заготовками. При пря-
мом нагреве методом электросопротивления тепловая
энергия генерируется одновременно в каждом элементе
объема. Поэтому при косвенном нагреве фазовые прев-
ращения начинаются с периферии и постепенно распро-
страняются к центру заготовок, и скорость перлитного
превращения в углеродистой стали зависит от объема
нагреваемого металла; при нагреве методом электро-
сопротивления фазовые превращения происходят одно-
временно по всему сечению, и скорость их не зависит от
объема.
Этим объясняется ускорение превращения перлита
углеродистых сталей в аустенит при нагреве методом
электросопротивления [7]. Кроме того, ускорение пер-
литного превращения и растворение карбидов в аустени-
те объясняются тем, что карбиды и другие интерметал*
лическис включения создают неравномерную плотность
тока по сечению образца и способствуют усиленному
выделению тепла на границе раздела фаз. Тепло выделя-
ется наиболее интенсивно вокруг карбидов, тем самым
способствуя более быстрому их растворению.
Практически мгновенное полное превращение перлит-
ной структуры присадочного и основного металлов в
аустенит при нагреве методом электросопротивления
благоприятно влияет на соединение сформировавшихся
единичных площадок наплавленного металла с метал-
лом основы.
5.	Взаимодействие между металлами
В процессе образования соединения присадочной прово-
локи с поверхностью детали можно выделить два харак-
терных этапа: первый — холодное обжатие очередного
участка присадочной проволоки, поступающего под
наплавляющий ролик, и рельефа поверхности детали
иод ним; второй — преимущественная деформация наг-
ретой импульсом тока наплавки присадочной проволоки,
сопровождается сглаживанием поверхности металла ос-
новы. Холодное обжатие осуществляется во время пау-
зы между импульсами. Площадь контакта, образовав-
шаяся при этом, определяет интенсивность тепловыделе-
ния в начале прохождения импульса тока. Опа зависит
от физико-механических свойств соединяемых металлов,
их предварительной обработки и приложенной нагрузки.
При наплавке пружинной проволоки (ГОСТ 9389-—
60) диаметром 2 мм на обточенные детали из стали 45
(высота неровностей 3—4 мкм) ширина контактной пло-
щадки 0,3 мм, длина 3,5—4 мм, оптимальное усилие
прижатия ролика 130—140 кге, давление достигает
200—250 кге/мм2 [8].
После снятия нагрузки на ролик на поверхности де-
тали под присадочной проволокой наблюдается светлая
блестящая площадка, свидетельствующая о частичном
разрушении окисных и адсорбированных пленок при
деформации неровностей контактирующих поверхностей.
При этом участки разрушенных окисных и адсорбиро-
ванных пленок располагаются внутри деформирован-
ных объемов и частично в плоскости контакта. Следует
предположить также, что вследствие деформации микро-
объемов контактирующих поверхностей увеличивается
плотность вакансий и дислокаций, выходящих на эти
поверхности, являющихся активными центрами образо-
вания связей между атомами соединяемых металлов.
Для повышения производительности и минимальной
энергоемкости наплавки (минимальных потерь энергии
вследствие теплообмена нагреваемого металла со сре-
дой) необходимо создавать такие условия в контакте,
при которых в единицу времени выделяется наиболь-
шее количество тепла. Однако вследствие перегрева
может происходить частичное плавление присадочного
металла и металла основы, возможен выброс перегре-
того металла под давлением, т. е. брак. Максимально
допустимый ток наплавки ограничивается электрическим
сопротивлением холодного контакта в момент, предшест-
вующий включению тока.
Электрическое сопротивление холодного контакта в
свою очередь зависит от физико-механических и электро-
физических свойств металлов основы и присадки, макро-
и микрорельефа их поверхностей, состояния этих поверх-
ностей (наличия окисных и адсорбированных пленок) и
приложенной нагрузки.
14
При восстановлении и изготовлении деталей приме-
няют металлы и сплавы, имеющие различные физико-
механические и электрофизические свойства. Поэтому
исследование электрического сопротивления холодного *
контакта с целью определения допустимых значений
тока при электроконтактной наплавке имеет важное зна-
чение.
Исследование зависимости электрического сопротив-
ления холодного контакта «присадочная проволока —
деталь» от нагрузки на наплавляющем ролике при раз-
личной чистоте обработки поверхности образцов прово-
дили на лабораторной установке УКН-1Л для двух наи-
более часто применяемых марок присадочной проволоки.
Электрическое сопротивление измеряли с помощью
установки типа У-303 с одинарно-двойным мостом типа
Р329 и блоком образцовых сопротивлений.
Измеряемое электрическое сопротивление, ом, рас-
считывали по формуле
X = N ,	(3)
где Ri — отсчет по лимбам декад моста; R%— отсчет по
штепсельному плечу; 7V— эталонное электрическое со-
противление.
Электрическое сопротивление холодного контакта
присадочная проволока — металл основы /?п-м определя-
ли прямым измерением (рис. 7,в) и по формуле. Для
контроля результатов электрическое сопротивление опре-
деляли как разность измеренного общего сопротивления
ролик — металл основы /?р_м (рис. 7,а) и сопротивления
присадочная проволока — ролик /?П-Р (рис. 7,6). Резуль-
таты определения сопротивлений представлены на рис.
8, 9, из которых видно, что /?р-м и 7?п-м изменяются об-
ратно пропорционально изменению нагрузки, передавае-
мой роликом, а значения этих сопротивлений при ис-
пользовании в качестве присадки стальной пружинной
проволоки (рис. 8, 9, кривые 3 и 4) значительно боль-
ше, чем при использовании сравнительно мягкой про-
волоки из малоуглеродистой стали (рис. 8, 9, кри-
вые 1 и 2).
Рис. 7. Схемы измерения здек
грнческого сопротивления уча
стка присадочная проволока-
деталь
15
Это объясняется большей пластичностью в холод-
ном состоянии малоуглеродистой стали, вследствие чего
площадь фактического контакта ее с деталью больше.
Наибольшая разница между 7?р_м и для прово-
лок из малоуглеродистой и высокоуглсродистой сталей
наблюдается при малых нагрузках на .наплавляющий
ролик. По мере увеличения нагрузки эта разница умень-
шается и, начиная с нагрузки Рр=100 кгс, остается
практически постоянной. Это связано с тем, что при ис-
пользовании проволоки из малоуглеродистой стали уве-
личение площадки контакта и разрушение окисных пле-
нок протекает интенсивно уже при Рр=20-440 кгс
вследствие деформации микровыступов поверхности ме-
талла основы присадочной проволокой. При использова-
нии проволоки из высокоуглеродистой стали площадь
контакта увеличивается главным образом вследствие
деформации микровыступов поверхности металла осно-
вы. Постоянное значение разности между /?р_м и 7?п-м
Рис. 8- Зависимость сопротивления
R и R от нагрузки на ролик
р—м	и—м
tдеталь из стали 45, чистозое точенпек
1 и 2— сопрел пиления R и R
п—м	р—м
(присадочная проволока Св-08. ГОСТ
2246—70); 3 и 4 — сопротивления R ~
и
р—м
жинная
(присадочная пронолока
wi„ ГОСТ 9389—60)
пру-
Рьс. 9. Зависимость сопротивления
R и R нагрузки, арило-
р—м	п—м	1
женнои к наплавляющему ролику
(дсчаль мт стали 45, черновое точе-
ние):
I и 2 — сопротичтения R ____и
R м (присадочная проволока Св-
ГОСТ 2246—76); 3 и 4 сопро-
тивления R и R.	(приса-
п—м	р—м
дачная проиолокя пружинная I КЛ-,
ГОСТ 9389-60)
16
для проволок из высокоуглеродистой и малоуглеродис-
loi’f с галей при нагрузке выше предельной объясняется
различием их электрических сопротивлений.
Общее сопротивление. /?р_м и переходное сопротив--
ление /?п-м зависят от характера обработки поверхности
детали. Более высокому классу обработки поверхности
соответствует меньшее электрическое сопротивление, так
как фактическая площадь контакта в этом случае боль-
ше, чем при грубой обработке.
Разница сопротивлений и 7?п-м Для образцов с
различной чистотой поверхности, наиболее существен-
ная в области малых нагрузок на наплавляющий ролик,
постепенно уменьшается с ростом нагрузки. Интенсив-
ность уменьшения этих сопротивлений с ростом нагрузки
выше для образцов с грубой обработкой поверхности.
На основе анализа экспериментальных зависимостей
электрического сопротивления холодного контакта «при-
садочная проволока — металл основы» при электрокон-
тактной плавке можно сделать следующие выводы:
1.	Электрическое сопротивление холодного контакта
определяет максимальное значение допустимого
) тока наплавки и, следовательно, производительность
f процесса.
2.	Величина электрического сопротивления 7?п-м за-
L висит от физико-механических и электрофизических
свойств основного и присадочного металла, чистоты об-
работки, состояния их поверхностей и нагрузки, прило-
женной к наплавляющему ролику.
3.	Нагрузка, приложенная к наплавляющему ролику,
является параметром режима элсктрсиконтактиой наплав-
ки, с помощью которого можно в широких пределах
регулировать величину электрического сопротивления
холодного контакта, а следовательно, ток наплавки и
производительность процесса.
4.	Установленная зависимость электрического сопро-
тивления холодного контакта от нагрузки, приложенной
к наплавляющему ролику, позволяет регулировать ин-
тенсивность теплового потока, генерируемого в контакте
юком наплавки.
Второй этап образования соединения определяется
условиями пластической деформации нагретой присадоч-
ной проволоки и зависит от физико-механических свой-
ств металла присадочной проволоки и металла основы,
площади контакта, образовавшегося на первом этапе,
17
состояния поверхностей и их микрорельефа, давления,
силы тока и длительности импульса.
Результаты анализа особенностей пагрева и пласти-
ческой деформации присадочного металла и поверхност-
ного слоя металла основы позволяют рассматривать
взаимодействие деформируемых металлов в соответствии
с теорией твердофазных топохимических реакций и тео-
рией активных центров [9, 12, 13]- При этом рассматри-
вают три основные стадии: образование физического кон-
такта, активацию поверхностей и объемное взаимодейст-
вие.
Кинетика развития взаимодействия присадочного ме-
талла с металлом основы, как и при сварке давлением
[9 20], соответствуют кинетике развития пластической
деформации. Однако все стадии образования соединения
при электроконтактной наплавке имеют ярко выражен-
ную специфику, обусловленную особенностями пагрева,
пластической деформации и термической обработки при-
садочного и основного металла в процессе формирова-
ния единичных площадок наплавленного металла.
Для изучения закономерностей взаимодействия при-
садочного и основного металлов необходимо рассмот-
реть процессы, сопровождающие формирование единич-
ных площадок наплавленного металла на всех стадиях.
О характере взаимодействия соединяемых компонен-
тов можно судить по следам в плоскости контакта. При
соединении разнородных материалов, например метал-
лов с неметаллами, следы взаимодействия выявляют
периодически травлением одного из материалов. Селек-
тивное травление неприемлемо для выявления следов
взаимодействия присадочного металла с основным ввиду
практически равнозначного их отношения к растворите-
лям, Автором был разработан метод последовательного
отрыва единичной площадки для прямого исследования
характера взаимодействия присадочного металла с ос-
новным.
Метод последовательного отрыва применим для ис-
следования полученных в твердой фазе соединений пла-
стичных материалов. Напряжения растяжения в контакт-
ной области наплавленной проволоки, возникающие
вследствие приложенного перпендикулярно наплавлен-
ной площадке усилия отрыва, во много раз превосходят
напряжения растяжения во внеконтактной области про-
волоки. Действительно, мгновенная площадь попереч-
него сечения от-рываемой единич-
ной площадки наплавленного ме-
талла чрезвычайно мала. Поэто-
му даже небольшие усилия, при-
ложенные к присадочной прово-
локе (рис. 10), приводят к отры-
ву -единичной площадки.
Если 'методом последователь-
ного отрыва удаляется единич-
ная площадка наплавленного ме-
талла, имеющая равнопрочное
соединение по -всей зоне взаимо-
действия, металл удаляется со
всей площадки. Если прочность
соед ин епия пр свосходит п роч -
кость на растяжение присадочно-
го металла, на следе должны ос-
таваться частички присадочного
металла. Если прочность соедл-
Рис. 10. Схема последова-
тельного отрыва единичной
площадки наплавленного ме-
талла:
1 — образец; 2 — единичная
площадка; 3—присадочная
проволока
иония ниже прочности на растяжение присадочного метал-
ла и металла основы, на следе должна отражаться карти-
на пластической деформации рельефа поверхности метал-
ла основы присадочной проволокой. Если прочность соеди-
нения и прочность на растяжение присадочного металла
превосходят прочность металла основы, на следе долж-
ны наблюдаться вырывы в местах прошедшего взаимо-
действия.
Таким образом, методом последовательного отрыва
можно исследовать кинетику твердофазного взаимодей-
ствия присадочного металла с металлом основы при фор-
мировании единичных площадок наплавленного металла-
Последовательный отрыв производили па установке
(рис. 11), обеспечивающей постоянную скорость отрыва,
т. е. равные условия для всех поперечных сечений еди-
ничной площадки. Образцы для испытаний показаны на
рис. 12.
Изучение следов единичных площадок наплавленного
металла, удаленных методом последовательного отрыва,
позволяет качественно оценить процессы, происходящие
на поверхности образца при образовании соединения.
При исследовании условий образования соединений
при электроконтактной наплавке необходимо учитывать
следующие ее особенности.
Длительности импульсов тока наплавки (нагрева
присадочного и основного металла) не превышают 0,04 с.
19
Рис. И, Установка для поеледона*ггльного отрыва единичных площадок
Рис 12. Обрлщы для последиватеао отрыва единичных площадок
Поэтому при исследовании кинетики формирования еди-
ничных площадок наплавленного металла представля-
ется возможным наблюдать промежуточное состояние
при общей длительности наплавки, равной двум перио-
дам тока промышленной частоты.
20
И
(J.MW
Рис. 13. Экспериментальные зависимости ширины и высоты наплавленного-
валика от оснэаных параметров процесса при токе наплавки:
/ 5430 А; 2—5870 Л; 5—6100 Л; 4— 66-10 Л; 5—8350 Л
Методика исследования взаимодействия при электро-
контактной наплавке предусматривает наблюдение сле-
пи единичных площадок, наплавленных при постоян-
ной длительности импульсов тока, но при значениях то-
ка от минимальных, когда соединения практически не
происходит, до максимальных, когда единичную площад-
ку уже нс удалить методом последовательного отрыва.
Установлено, что при постоянном усилии, приложен-
ном к наплавляющему электроду, размеры единичных
площадок наплавленного металла стабилизируются по
достижении некоторой величины деформации присадоч-
ной проволоки, зависящей от величины тока (рис. 13).
Это объясняется тем. что по мере деформации присадоч-
ной проволоки и роста площади контакта ее с поверх-
ностью детали снижается плотность тока и удельное
и явление в контакте, а теплоотвод из зоны наплавки
увеличивается, В процессе деформации присадочной
проволоки в плоскости контакта се с поверхностью дета-
ли возникают нормальные и касательные напряжения,
приводящие к течению присадочного металла относи-
тельно основного [19], выглаживанию микронеров-
ностей поверхности металла основы, разрушению и час-
тичному растворению окисных и адсорбированных пле-
нок, что создает условия для химического взаимодейст-
вия в отдельных точках контакта.
Анализ следов единичных площадок металла позво-
ляет проследить характер распределения и величину
касательных напряжений в плоскости контакта и оце-
нить их роль в образовании соединения.
Распределение напряжений в плоскости контакта
прослеживается наиболее четко на следах единичных
площадок, где уже появились участки объемного взаи-
модействия, обнаруживаемые по вырывам металла на
поверхности изделия (рис. 14). Первые признаки объем-
ного взаимодействия — вырывы — наблюдаются при силе
тока 9,42 кА на периферийных участках следа (рис.
14,в) с максимальной скоростью пластического течения
присадочного металла по поверхности образца. Темпера-
тура этих участков ниже, чем в центре, где соединения
не произошло и наблюдается лишь смятие микрорелье-
фа за счет нормальных напряжений, что подтверждает
преимущественную роль пластической деформации при
соединении металлов с подогревом при режимах, не
обеспечивающих протекания диффузионных процессов.
В направлении поперечной оси следа единичной пло-
щадки величина и скорость деформации оказались не-
достаточными для объемного взаимодействия на перифе-
рийных участках, температура которых значительно вы-
ше температуры периферийных участков в направлении
продольной оси. Это еще более убедительно подтвержда-
ет вывод о преимущественной роли пластической дефор-
мации для импульсных процессов твердофазного соеди-
нения материалов.
По мере роста тока наплавки увеличивается величина
и скорость деформации, следовательно, увеличивается и
площадь объемного взаимодействия. Так, на следе
(рис. 14,а) при силе тока 10,4 кА и на следе (рис. 14,5)
значительно увеличилась площадь вырывов поверхности
на периферийных участках в направлении продольной
оси и появились первые признаки объемного взаимодей-
о «***
ЙО
О'-
л
Е Г"
►
СО
о
- X
*3
X Е
с; гз
« х
23
ствия на периферийных участках следа в направлении
поперечной оси. На следе (рис. 14,е), на периферийных
участках в направлении продольной оси появились
сплошные области объемного взаимодействия, которые
соединились по всему периметру единичной площадки
очагами взаимодействия, расположенными в поперечных
направлениях следа. За пределами очагов взаимодейст-
вия во всех направлениях появилась зона, где деформа-
ция микрорельефа произошла, но активация поверхности
и объемное взаимодействие еще не начались. Далее
(рис. 14,ж), активация поверхности контакта и объемное
взаимодействие распространяются как на периферийную,
гак и па внутреннюю область следа.
При рассмотрении особенностей нагрева и специфики
фазовых превращений в металлах при электроконтакт-
ной наплавке отмечалось влияние на характер и интен-
сивность нагрева электрофизических и теплофизических
свойств металла изделия и присадочной проволоки.
Подтверждением этого являются особенности взаимо-
действия при наплавке стали на чугун. На рис. 15 пока-
заны следы единичных площадок металла, наплавлен-
ного на образец из машиностроительного чугуна СЧ 18-
36. В отличие от стали 45 (см. рис. 14) этот металл име-
ет большее омическое сопротивление и меньшую темпе-
ратуру плавления, что в условиях элекгроконтактной
наплавки способствует более интенсивному нагреву и
локализации тепла в зоне контакта. Ввиду этого взаимо-
действие на поверхности чугунного образца протекает
интенсивнее, т. е. длина следа (см. рис. 15,а) значитель-
но больше длины следа (см. рис. 14,бх) при равном диа-
метре образца и идентичных параметрах режима. При
силе тока 12 кА (след на рис. 15,а) объемное взаимодей-
ствие произошло но всей площади.
Экспериментальными исследованиями процесса
электроконтактной наплавки на образцах, поверхность
которых подготовлена различными видами механической
обработки, подтверждается зависимость прочности сое-
динения от структуры поверхностного слоя металла
[20]. Так, при одинаковых режимах наплавки прочность
соединения металла, наплавленного на образцы, обто-
ченные до чистоты, соответствующей 6 классу, на 5—
7% превышает прочность соединения металла, наплав-
ленного на образцы, обработанные тонким абразивом с
глубиной резания не более 0,005 мм до чистоты того же
24
Рис. /5. Следы единичных площадок, удаленных методом последовательного отрыва (деталь — чугун СЧ18-36, присадочная прово-
лока— Св-08), при давлении на электроде Р э = 120 кгс., длительности импульса тока 2 }| =0,0-1 с и токах наплавки 8,0 кА (а), 8,7 (О),
9.4 (а), ЮЛ (г). 12,0 (5). 13,2 (<?). 14,5 ЮТЬ и 10,9 кА (з)
25

Рис. 16. Микрорельеф поверхности образца при различных видах обработки
Х50:
а — чернолое точение; б — нарезка ^рваной* резьбы; в — дробеструйная обра-
ботка; г — ыелронная накатка
26
класса. Однако определяющее влияние на прочность
соединения при электроконтактной наплавке имеют не
характер структуры металла поверхностного слоя, а
размеры, геометрическая форма и механические свойст-
ва микровыступов рельефа поверхностей присадочного
и основного металлов.
Влияние микрорельефа поверхности металла основы
па прочность соединения исследовали па образцах, по-
верхность которых подготавливали черновой обточкой,
нарезкой «рваной резьбы», дробеструйной обработкой и
шевронной накаткой (рис. 16). При одинаковом режиме
наплавки присадочной проволоки 1 кл. прочность соеди-
нения равна соответственно 45, 30, 40 и 52 кгс/мм2.
Низкую прочность соединения металла при подготов-
ке поверхности нарезкой «рваной резьбы» (30 кгс/мм2)
можно объяснить надрывами металла в основаниях
микровыступов, которые не полностью устраняются в
процессе наплавки. Кроме того, микровыступ в виде не-
прерывного спиралевидного гребня имеет значительное
сечение и недостаточно нагревается.
Максимальная прочность при подготовке поверх-
ности шевронной накаткой может быть объяснена малым
сечением микровыступов, высокой механической проч-
ностью их вследствие того, что они образованы пласти-
ческой деформацией, а также стабильным количеством
микровыступов на единицу площади поверхности изде-
лия.
Особенностями электрокоптактного нагрева можно
объяснить и то, что наличие окисной пленки на наплав-
ляемой поверхности практически не снижает прочности
соединения, т. к. пленка обладает чрезвычайно высоким
электрическим сопротивлением, наиболее интенсивно
нагревается импульсом тока и удаляется из зоны соеди-
нения. Так, по нашим опытам, при наплавке второго
слоя металла на первый слой с плотной окисной пленкой
прочность соединения не ниже, чем при наплавке перво-
го слоя на очищенную поверхность изделия.
6. Влияние технологических параметров
на формирование наплавленного слоя
Экспериментальные исследования влияния технологи-
ческих параметров на формирование наплавленного слоя
металла и образование соединения его с основой с целью
27
Рис. 17. Зависимость осадки присадочной проволоки от тока и длительности
импульса:
1 — 16,9 кА; 2 — 14.5 кА; 5—13.2 кА; 4- 12.9 кА: 5—10.1 кА; С — 9,12 кА;
7 — 8,7 кА: 8 ~ 8.0 кЛ
определения оптимальной схемы процесса [21] выполня-
ли на лабораторной установке. В качестве образцов ис-
пользовали валы из стали 45 диаметром 50 мм, на кото-
рые наплавляли присадочную проволоку НГ1-40 (ГОСТ
10543—63) диаметром 2,0 мм.
При исследовании прочности соединения переменны-
ми параметрами были величина силы тока, длитель-
ность импульса и усилие сжатия.
Величину силы тока регистрировали осциллографом
Н-700 с помощью стандартного тороидального индуктив-
ного датчика. Тарировку кривой тока производили пря-
мым измерением амплитудного значения тока в импульсе
электронным амперметром АСУ-ГМ.
Длительность импульса регулировали прерывателем
тока ПИШ-50М и контролировали по отметчику време-
ни осциллографа.
28
Усилие сжатия на ролик задавали механизмом нягру
/Кения головки и контролировали динамометром ДПС-2
г индикатором часового типа.
Регистрировали также величину и скорость деформа-
ции присадочной проволоки, для чего использовали ком-
плект виброизмерителыюй аппаратуры ВИ6-М и датчи-
ки вибропсрсмещений ДВ-1. Кривую деформации запи-
сывали синхронно с кривой силы тока.
Прочность соединения единичной площадки металла
с основой определяли отношением усилия сдвига ее к
площади сдвига.
Зависимость осадки присадочной проволоки от дли-
тельности импульса тока при различных силе тока и
усилиях сжатия показана на рис. 17.
Па основании представлений о трехстадийном образо-
вании соединений между однородными материалами и
образовании химических связей на активных центрах —
вышедших в зону соединения дислокациях [9, 12, 13] —
можно заключить, что характер и интенсивность пласти-
ческой деформации при сварке без расплавления опреде-
ляют процессы образования физического контакта и
активации контактных поверхностей, а интенсивность
пластической деформации и температура в зоне соеди-
нения — степень развития релаксационных процессов.
На рис. 18 показана зависимость площади контакта
между металлом основы и деформируемой присадочной
проволокой от длительности импульса тока при различ-
ных его значениях и различных усилиях сжатия. Пло-
щадь контакта дана в единицах, являющихся отношени-
ем площади контакта при текущих значениях I, Р, £и к
максимальной площади контакта, полученной при /=
= 16,9 кА, Рр=75 кге и /к=0,04 с.
Для определения зависимости между величиной
чеформацип и площадью контакта рассмотрена плоская
задача деформирования проволоки, причем для простоты
анализа будем считать полукруг сечения проволоки
равнобедренным грсугольником высотой h (рис. 19) [19].
Разобьем этот треугольник на k слоев равной высоты х
и заменим каждый слой равновеликим прямоугольником
гой же высоты. Легко получить значения ширины Ц
оснований таких треугольников:
/, = xtga, Z2 = 3xtga, Z3 = 5х tga,...,
где a — половина угла при вершине исходного треуголь-
ника.
29
Рис. /8. Зависимость площади контакта, выраженной в относительных едини-
цах. от тока и длительности импульса:
/ — 16,9 кА: 5—14,5 кА; 3—13,2 кА; 4—12,9 кА; 5—10,4 кА; 6 — 9,12 кА; 7 —
8,7 кА; 8 — 8,0 кА
1
Рассмотрим последовательную деформацию прямо-
угольников.
1. Верхний прямоугольник Пх шириной Ц и высотой
х деформируется в равновеликий ему прямоугольник
П\ шириной 12 и ВЫСОТОЙ 1/1. Ясно, ЧТО У!=х/3, тогда
Е1= (х—£/1)/х=2/3.
Далее прямоугольник П\ складываем с прямоуголь-
ником /72той же ширины Z2, что и П ь высотой х. Таким
образом, получается прямоугольник П2 — Пх-\-П\ Шипи-
ной 12 и высотой Х1= (4/3)х.
2. Прямоугольник 772 деформируется в прямоуголь-
ник П 2 шириной /з и высотой у2. Легко видеть, что
^2=4Х/5, а деформация определяется как е2—
= (xj—z/2)/X]=2/5. Складывая прямоугольник П2 шири-
ной /3 и высотой у2 с прямоугольником 773 той же шири-
ны и высоты х, получим прямоугольник 77з — 17% +Дз
30
шириной Z3 и высотой Х2=(9/2)х. Далее, на третьем
шаге деформируется прямоугольник Лз и, наконец,
прямоугольник Лк—1 деформируется в прямоугольник
Лд-j шириной 1К и высотой ук-ь который затем склады-
вается с прямоугольником Пк той же ширины 1к и вы-
соты х, т. е. Лк=Лк -1+Лк; высота прямоугольника
Лк —Хк=л2Х/(2/г—1)—*4/2 при неограниченном росте
числа слоев. В результате получим пабор значений де-
формации: ei=2/3, е-2—2/5, е3=2/7,...
Введем величины cpj = (/2 — /i)/Z2, Ф2= (fe—/2) Дз> фз =
— (/4 — /з)//4,...
Очевидно, что <pi = еь 92=^2, фз=£з.
Просуммировав эти равенства, получим:
i	I
Ф (i) = V <Р7 =	= е (I), где ! 2,..., п.
/=1	i=\
Ясно, что ф(£) —это накопленная относительная
ширина, a e(i)—накопленная деформация, т. е. непре-
рывными аналогами этих величин являются соответст-
венно площадь контакта и величина деформации. Итак,
(4)
а следовательно:
F (0 = Ё (/).	(5)
Сопоставление данных рис. 17 и 18 показывает, что
равенство (4) выполняется.
По данным металлографических исследований (рис.
20), в зоне соединения не образуется общих зерен или
Рис. 19. Схема для рас-
чета площади контакта
31
Рис. 20. Структура зоны соединения проколики HII-40 (верх) со сталью 45
(нил). XI20
каких-либо новых фаз, а сама зона соединения — грани-
ца, ориентированная в плоскости контакта. Это позволя-
ет считать, что при исследуемом способе получения ме-
таллопокрытий объемное взаимодействие в зоне соеди-
нения ограничивается образованием химических связей
и, по-видимому, релаксацией напряжений в той мере, в
какой это необходимо для их сохранения. В таком слу-
чае прочность соединения наплавленного слоя металла
с основой будет определяться той частью атомов кон-
тактных поверхностей, которые при конкретных значени-
ях /, Рг и вступили в физический контакт и образова-
ли химические связи. В работах [18, 19] показано, что
для данного случая скорость роста прочности может быть
выражена в виде:
dx/dt = s'k (/),	(6)
где т— прочность соединения в относительных единицах,
равная отношению прочности при каких-либо значениях
/, Рр и к максимальной прочности; $ — площадь актив-
ного центра в см2, зависящая от энергии Q. выносимой
дислокацией при образовании активного центра и высо-
ты потенциального Энергетического барьера и, при дости-
жении которого в пределах одного активного центра
образуются химические связи; л — частота образования
активных центров в см~2-с“!, которую в работах [17—
18] предложено выражать в виде:
к (0 = Е (/)/(£ Ь),	(7)
где &(/) - скорость деформаций в фиксированный мо-
мент времени t; b — модуль вектора Бюргерса; L — рас-
32
сюянпе между дислокациями, причем L=p 1/г (здесь
р — плотность дислокаций).
Из уравнений (5) и (6) следует, что скорость обра-
зования контакта определяется интенсивностью пласти-
ческой деформации, а скорость активации контактных
поверхностей зависит от интенсивности пластической
деформации и площади активного центра. При соединении
в твердой фазе возможны случаи />т и F=t- Это
зависит прежде всего от физико-химического состояния
контактных поверхностей, количественной характеристи-
кой которого и является величина и, полностью опреде-
ляющая площадь активного центра при неизменном зна-
чении Q. При сварке в твердой фазе наиболее технологи-
чен случай F—т, т. е. когда в состояние физического
контакта вступают атомы, энергетически подготовлен-
ные к образованию химических связей.
Оцепим значения s, при которых приравняем
правые части уравнения (4) и (5) и учтем выражение
'1ЛЯ Л.
При этом получим:
s — Lb.
(8)
Принимая .&=3-10^8 см, a L=10”5 см (т, е. р—
—10“10 см2), получим s=3-10-13 см2.
Максимальная площадь активного центра (т. е. ког-
да и очень мала) естественно должна определяться усе-
чением полей упругих искажений соседних дислокаций.
Поэтому максимальный радиус активного центра можно
выразить в виде r=0,5£ 19J.
Поскольку поле упругих искажений вокруг дислока-
ций имеет круговую симметрию, постольку можно счи-
тать, что s=^tr2. Тогда, как и ранее, принимая L—
= 10~5 см, получим г=5‘10~6 см и s—8’КН1 см2.
Такие значения s справедливы для случая, когда сое-
динение в твердой фазе осуществляется в условиях сверх-
высокого вакуума. Когда соединение осуществляется на
воздухе, то активный центр ограничен вокруг ядра дисло-
кации ввиду того, что потенциальный энергетический
барьер и очень большой (поверхность покрыта слоем
окисла)- По данным работы [9], такой очаг взаимодей-
пвия составляет порядка 15 b (здесь Ь — модуль векто-
ра Бюргерса). Принимая, как и ранее, Ь=3-10~8 см, по-
i.lk 154
33
лучим г = 4,5-10-7 см и s=l,5- ICH3 см2, что близко к зна-
чению s, найденному из условий Г=т, поэтому можно
(помня, что е=Х) записать:
е = F х,	(9)
а следовательно:
Е==Г~Т.	(10)
Физический смысл уравнений (6, 9 и 10) заключает-
ся в том, что скорость и величина пластической деформа-
ции присадочной проволоки определяют прочность соеди-
нения наплавленного слоя с металлом образца.
Равенство (10) справедливо в предположении, что
релаксация напряжения в очаге деформации успевает
произойти за время активации /а контактных поверхнос-
тей, т. е. напряжения не разрушают образующие связи.
Иными словами, равенство (16) справедливо при условии
£а>/Р, где /р —время релаксации, зависящее от релакса-
ционных свойств материала и температуры в процессе
осадки.
Па рис. 21 показаны зависимости прочности при сдви-
ге х от длительности импульса при различных значениях
Рр и Л Сопоставление данных рис. 18, 19 и 21 показыва-
ет, что существует область значений I, Pv и /и, при кото-
рой равенство (10) выполняется достаточно точно. Наи-
лучшим образом равенство (10) выполняется при малых
давлениях и большой силе тока. И, наоборот, при боль-
ших давлениях и малой силе тока, несмотря на то что
деформация проволоки произошла, сварное соединение
или вообще не образуется (при малых длительностях
импульса тока) или имеет низкую прочность (при боль-
ших длительностях импульса тока). Эти результаты
экспериментальных исследований можно объяснить сле-
дующим образом. Давление на присадочную проволоку
до прохождения импульса тока и в процессе его про-
хождения определяет величину контактного электро-
сопротивления, сила импульса тока (при неизменном
контактном электросопротивлении) - - количество выде-
ляемого тепла. Малое давление и большой импульс то-
ка обеспечивают большее выделение тепла. Поскольку
скорость релаксации напряжения в очаге деформации
для конкретного материала зависит главным образом от
температуры, постольку при малом давлении и большой
силе тока обеспечиваются наилучшие условия для релак-
34
Рис, 21, Зависимость безразмерной прочное?» соединения единичной плшцад
ки металла с основой от длительности и мн ул к а и величины тока:
/ — 16,9 кА; 2 — 14,5 кА, 3—13.2 кА; 4 — 12,9 кА; 5—10,4 кА; 6	9,12 кА;
7 — 8J кА; 8 — 8,0 кА
сации напряжений, т. с. выполняется условие 7а>7р-
При большом давлении и малой силе тока релаксация
напряжения в очаге деформации не успевает произойти
(при Рр—150 кге, 7=9,42 кА и /и=0,015с соединение
вообще не образуется). Но по мере увеличения длитель-
ности импульса тока (а значит, увеличения времени ре-
лаксации напряжения) образуется соединение, проч-
ность которого ниже найденной по уравнению (10).
Выполненный анализ позволяет сделать важные для
технологии выводы. При электроконтактной способе по-
лучения тонких слоев металла интенсивность пласти-
ческой деформации проволоки определяется технологи-
ческими параметрами, процесса, к которым относятся I,
и /и- Эти параметры косвенно определяют температу-
ру разогрева материала и свойства материала проволо-
Зак. 454
35
ки, главным из которых является сопротивляемость
пластической деформации. Известно, что при неустано-
внвшсйся ползучести с увеличением времени скорость
пластической деформации уменьшается вследствие
упрочнения по мерс развития деформации. В связи с
этим интенсивность накопления деформации уменьшает-
ся. Интенсивность пластической деформации при электро-
контактной наплавке уменьшается также из-за умень-
шения контактного давления по мере деформации про-
волоки. Поэтому необходимо, чтобы интенсивность дефор-
мирования проволоки была постоянна. Значения интен-
сивности деформирования целесообразно выбирать, ставя
задачу получения максимальной прочности (т=1) в те-
чение прохождения импульса тока /и. При этом величи-
на т в уравнении (6) станет равной tn 1, и с учетом вы-
ражения для л можно записать уравнение
в = L ,	(11)
откуда следует, что е/и= 1 [21].
Поскольку скорость релаксации напряжений в очаге
деформации зависит о г релаксационной стойкости, тем-
пературы и напряжения в очаге деформации, существует
такое значение тока импульса, выше которого (для кон-
кретного сочетания параметров е и /и) релаксация нап-
ряжений в очаге деформации успевает произойти в те-
чение прохождения импульса /тт. При токе, превышающем
некоторое значение, прочность соединения весьма незна-
чительно зависит от возможных изменений тока, и про-
цесс становится более технологичным.
7. Структура и свойства
наплавленного металла
Любой способ наплавки характеризуют комплексом
свойств наплавленного металла и особенностями воздей-
ствия процесса наплавки на металл основы.
Для оценки эффективности элсктроконтактпой нап-
лавки исследовали структурные особенности наплавлен-
ного металла, зоны соединения и термического влияния,
твердость металла в этих зонах, прочность соединения
наплавленного слоя, его износостойкость и усталостную
прочность, а также эксплуатационные свойства наплав-
ленных деталей.
36
Рис. 22„ Макроструктура наплавленных образцов:
а—’единичная площадка. Х50; б —валик металла. Х4; в — характер распре
деления твердости
Анализ макроструктуры наплавленных образцов
(рис. 22) позволяет сделать следующие выводы:
1. Наплавленный материал по всему сечению единич-
ной площадки (рис. 22,а) имеет однородную бездефект-
ную структуру.
Форма сечения единичной площадки (уширение в
приконтактной области) свидетельствует о преимущест-
венном нагреве и пластическом течении присадочного
металла в зоне соединения. Формирование единичных
площадок сопровождается пластической деформацией
поверхностного слоя металла детали на глубину 0,2—
0,3 мм. В переходной зоне от присадочного металла к
основному дефектов не наблюдается.
Соседние площадки одного и того же валика наплав-
ленного металла разделены зонами вторичного отжига
(рис. 22,6). При наплавке высокоуглеродистой стали
твердость наплавленного металла такая же, как и после
37
закалки на максимальную твердость (рис. 22,в). О вы-
соком качестве соединения наплавленного металла с
основой свидетельствует высокая твердость металла в
зоне соединения присадочной проволоки с изделием.
Твердость основного металла в зоне термического влия-
ния также повышена вследствие закалки. На увеличе-
ние твердости присадочного металла влияет и его нак-
леп при пластической деформации.
При наплавке стали 45 (рис. 23) глубина зоны терми-
ческого влияния зависит от режима наплавки и колеб-
лется от 0,2 мм при длительности импульсов тока 0,01 с
до 0,5 мм при длительности импульсов тока 0,04с. С 1-го
по 32-й отпечаток микротвердомера — структура металла
образца, с 32-го по 35-й— структура наплавленного ме-
талла (проволока пружинная, ГОСТ 9389—60).
Зона термического влияния имеет две области — круп-
нозернистую с видманштеттовой структурой и мелкозер-
нистую с мартенситной нормализованной структурой.
Область видманштеттовой структуры занимает 2/з ши-
рины зоны термического влияния со стороны детали.
Условия для роста зерен появились здесь вследствие
перегрева металла теплом, отведенным в эту область из
зоны наплавки. Охлаждение этой области за счет тепло-
отвода в наплавляющий ролик было замедлено областью
закалки. Мпкротвердость металла в области перегрева
превосходит на 90—100 кгс/мм2 твердость стали 45 в
состоянии поставки.
Твердость металла в области закалки 350 кгс/мм2,
т. е. выше твердости стали 45 в состоянии поставки. Это
5 Ю 15	20	25	50	55
Момер замера
Рис, 23. Микротвердость в зоне термического влияния:
Д — металл основы: В — наплавленный металл
38
объясняется интенсивным отводом тепла в медный
охлаждаемый электрод во время пауз.
Свойства наплавленного металла при электроконтакт-
ной наплавке определяются химическим составом при-
садочного металла. Углеродистые стали при жестких ре-
жимах наплавки приобретают максимальную твердость
закалки. Малоуглеродистые стали практически нс изме-
няют твердость после наплавки.
На рис. 23 показана царапина, нанесенная на поверх-
ности микрошлифа алмазным конусом при постоянной
нагрузке, характеризующая изменения микротвердости
основного металла и зоны термического влияния. С точ-
ки зрения сопротивления наплавленной детали напряже-
ниям изгиба и кручения, а также усталостной проч-
ности плавное изменение микротвердости является поло-
жительным фактором.
На рис. 24 показана микроструктура образцов из
стали и чугуна, наплавленных различными металлами.
Металл, наплавленный присадочной проволокой
(ш-08 (ГОСТ 2246—70), имеет структуру крупноигольча-
гого малоуглеродистого мартенсита (рис. 24,а). Основ-
ной металл в зоне соединения имеет структуру мелко-
игольчатого мартенсита и остаточного аустенита. Под
зоной соединения в основном металле наблюдаются
участки нерастворившегося феррита. Переход к исход-
ной структуре основного металла резкий.
Металл, наплавленный пружинной проволокой (ГОСТ
9389—60), имеет структуру крупноигольчатого мартен-
сита (рис. 24,6). Структура основного металла в зоне
соединения — мелкоигольчатый аустенит. На рис. 24,6
показана микроструктура металла, наплавленного про-
волокой НП-35. Структура основного металла (чугуна
ВЧ50/2)—шаровидный графит, пластинчатый и зернис-
тый перлит, а также с включениями цементита и ферри-
та в виде оторочки графитовых включений. Структура
наплавленного металла представляет собой мелкопголь-
чатый мартенсит.
Основной металл в зоне соединения имеет структуру
среднеигольчатого мартенсита с различным содержани-
ем углерода. Отбеливания чугуна в зоне наплавки не
происходит. Переход к структуре основного металла в
исходном состоянии резкий.
Электрокоптактная наплавка позволяет наносить
слои металла без смешивания присадочного металла с
39
Рис. 24. Микроструктура образцов, наплавленных электроконтактным
а _ проволока Св-08. ГОСТ 2246—70, на сталь 45; б — проволока пружин-
нихромная сгаль 45 (/— наплавленный металл; 2 — металл основы)
основным. Это важно для образования слоев металла с
особыми свойствами. На рис. 24,г показана микрострук-
тура образца из стали 45, наплавленного нихромом. Ис-
следования показали, что свойства нихрома после на-
плавки не изменились.
Прочность соединения металла, наплавленного кон-
тактным способом, определяли по данным испытаний на
отрыв и сдвиг.
Образцы для испытаний на отрыв подготавливали в
следующем порядке.
"О
способом:
мая, ГОСТ 9389—80. на сталь 45; в — проволока НП-35, на чугун ВЧ50/2; а —
Стальной вал разрезали на две половины по диамет-
ральной плоскости (рис. 25); в каждой половине свер-
лили ступенчатые отверстия, в которые устанавливали
медные ступенчатые штифты, имеющие резьбовые от-
верстия в торце большого диаметра. Затем обе полови-
ны вала вновь состыковывали, сваривали по торцам, и
после этого вал механически обрабатывали до правиль-
ной цилиндрической формы. После обработки торцы
указанных медных штифтов выходили на поверхность
вала.
41
Рис. 25. Последовательность подготовки образца для определения прочности
соединения наплавленного металла с основой методом нормального отрыва
(/ — IV — стадии подготовки).
На подготовленный таким образом вал наплавляли
слой металла. При наплавке присадочный металл обра-
зовывал соединение на всей поверхности стального вала,
за исключением площадок торцов медных штифтов.
После наплавки вал разрезали на образцы, которые
далее фрезерованием разделяли на две равные части.
Из каждого образца извлекали штифт, в отверстиях
нарезали резьбу, после чего образцы обрабатывали то-
чением и а резьбовой оправке так, чтобы на поверхности
образца оставался участок наплавленного металла в
форме круга, соединенный с поверхностью образца по
кольцевой площадке с внутренним диаметром, равным
малому диаметру ступенчатого отверстия. Затем наплав-
ленную площадку отрывали с помощью штифта под
прессом.
Прочность соединения наплавленного металла с ос-
новой определяли как отношение усилия отрыва к пло-
щади соединения.
Образец для испытаний на сдвиг — сплошной ци-
линдр из стали 45 с наплавленным слоем металла фре-
зой разрезали па прямоугольные площадки размером
2X2 мм. Затем образец устанавливали в патрон то-
карно-винторезного станка, на суппорте которого поме-
щали приспособление (рис. 26) для сдвига площадок
металла и измерения усилия сдвига.
Приспособление состоит из П-образной динамометри-
ческой скобы 1 с индикатором 2 часового типа, на кон-
сольной балке которого с помощью прижима 3, болта 5
и шайбы 4 крепится пластина 6 из твердого сплава.
Динамометрическая скоба крепится на суппорте станка
шайбой 7 и болтом 8.
42
Для испытаний приспособление суппортом стайка
подводили к испытуемому образцу так, что пластина 6
входила между двумя прямоугольными площадками.
Затем включали привод вращения шпинделя станка
(2—4 об/мин). Наплавленная площадка давила на плас-
тину 6, что приводило к изгибу консоли динамометри-
ческой скобы.
Величину изгиба, пропорциональную усилию сдвига,
контролировали индикатором 2.
Поскольку в этом случае происходит смятие и срез
наплавленных площадок металла, этот метод пригоден
тля сравнительных испытаний.
Анализ результатов испытаний (см. рис. 21) показы-
вает, что соединение наплавленного металла с основой
при оптимальных параметрах электроконтактной наплав-
ки может быть равнопрочным присадочному или ос-
новному металлу.
Прочность наплавленного металла на растяжение
определяли на стандартном прессовом оборудовании со
специально разработанным приспособлением. Разруше-
ние наплавленного слоя всегда происходило по зоне сое-
динения соседних витков спиралевидного валика наплав-
ленного металла. Было установлено, что в зависимости
от режимов наплавки прочность изменяется от 18 до
10 кге/мм2.
Гис. 26. Приспособление для определения прочности соединения наплавленно-
ю слоя металла с основой методом сдвига:
I — динамометрическая скоба; 2 — индикатор; 3 —прижим; 4 и 7 — шайба;
> и 8 — болт; 6 — пластина
43
Степень снижения усталостной прочности наплавлен-
ных деталей является одной из основных характеристик
различных способов наплавки (табл. 1).
Таблица 1
ВЛИЯНИЕ СПОСОБОВ НАПЛАВКИ И ПЛАКИРОВАНИЯ НА
СНИЖЕНИЕ УСТАЛОСТНОЙ ПРОЧНОСТИ ДЕТАЛЕЙ [40]
Вид металлопокрытий	Предел вы- носливое гм, кгс/мм5	a-i
Сталь 45, нормализованная . . . ,	24	1,0
Ручная электродуговая наплавка . .	19	0,79
Наплавка под слоем флюса ....	18	0,78
Электроимпульсная наплавка	. - .	15	0,62
Хромирование 		18	0,78
Железнсние ....			17	0,71
Металлизация	...	20,60	0,86
образца из
Примечание. <У___— усталостная прочность эталонного
стали 45; ст_— усталостная прочность наплавленного образца.
Усталостная прочность наплавленных деталей зави-
сит от состояния их поверхности перед наплавкой, спо-
соба нанесения металлопокрытия и последующей меха-
нической обработки.
Усталостную прочность образцов, наплавленных
электроконтактным способом (рис. 27), определяли по
данным испытаний образцов на изгиб с вращением со
знакопеременным симметричным циклом напряжений
(ГОСТ 2860—65).
Минимальное снижение усталостной прочности (на
10—15%) по сравнению с образцами из нормализован-
ной стали 45 наблюдается при электроконтактной на-
плавке без подачи охлаждающей жидкости в зону сое-
динения. При охлаждении зоны соединения водой уста-
лостная прочность снижается на 20—25%. Однако даже
в этом случае (см. табл. 1) усталостная прочность сни-
жается меньше, чем при электродуговых способах на-
плавки. При усталостном разрушении образцов отслаи-
вания наплавленного металла не наблюдается (рис. 27,5).
Для исследования причин снижения усталостной проч-
ности образцов, наплавленных электроконтактным спо-
собом, определяли знак и величину внутренних напря-
жений, возникающих в наплавленном металле. Эти ис-
следования проводили с помощью разработанного нами
устройства (рис. 28), состоящего из основания 1 с опо-
рами 2 для установки и крепления исследуемого образ-
4
Рис. 27. Образцы для исследования уста-
лостной прочности:
а — до наплавки; б — после наплавки; о —
после наг лавки и обработки; г — после
испытания; д — вид усталостного излома
1 — основание; 2 — опора;
3 — образец; 4 — тензо-
метрическая балка; 5—
тензодатчики; 6 — ролик;
7 — электрод; 8 — пнев-
моцилиндр.
Рис. 28. Установка для
исследования внутренних
напряжений в наплавлен-
ном металле:
ца 3, тензометрической скобы 4, крепящейся на концах
образца, с блоком тензодатчиков 5. Наплавку единичных
площадок осуществляли наплавляющим роликом 6\
Для исключения влияния усилия, прилагаемого к на-
плавляющему ролику, на распределение напряжений в
образце подвеску его осуществляли с помощью сварочных
клещей, электрод 7 которых, передающий ток наплав-
ки на образец, воспринимал и усилие, прилагаемое к
ролику силовым цилиндром 8,
45
Сигнал тензоблока через тензометрический усилитель
подавали на осциллограф Н-700. Напряжения, возникаю-
щие в наплавленной единичной площадке при ее осты-
вании, регистрировали осциллографом.
Ввиду сложности тарировки записываемой кривой в
единицах сжимающих напряжений влияние режима
электроконтактной наплавки на величину этих напряже-
ний исследовали в относительных единицах.
За единицу принимали максимальное значение орди-
наты кривой при следующем режиме наплавки: Рр=.
— ПО кгс, /и—0,04 с, 7=10 кА, материал образца —
сталь 45, присадочная проволока пружинная 1 класса,
ГОСТ 9389—60.
Установлено, что в наплавленном металле при его
остывании возникают напряжения сжатия, величина
которых зависит от режима наплавки. Жесткий режим
(большая сила тока и малая длительность импульса)
вызывает большие напряжения сжатия, что, очевидно,
может быть объяснено более интенсивным охлаждением
металла, затрудняющим пластическую деформацию
вследствие возникновения термических напряжений. По
той же причине наибольшие напряжения сжатия возни-
кают при наплавке с подачей охлаждающей жидкости в
зону соединения.
Наличие в наплавленном металле напряжений сжа-
тия подтверждается и при срезе кольцевого валика на-
плавленного металла с поверхности цилиндрического
образна. При рассечении срезанного кольца образую-
щийся зазор увеличивается в результате действия внут-
ренних напряжений сжатия.
Таким образом, меньшее снижение усталостной проч-
ности образцов, наплавленных электроконтактным спо-
собом, по сравнению с электродуговой наплавкой, где
при кристаллизации жидкого металла образуются рас-
тягивающие напряжения, объясняется напряжениями
сжатия.
Для натурных испытаний выносливости наплавлен-
ных труб-балансиров подвески катков тяжелых гусенич-
ных тягачей, работающих в режиме цикличного нагру-
жения, нами разработано устройство, позволяющее ими-
тировать реальные условия работы трубы-балансира
(рис. 29). Для этого на основании 1 помещены опора 2
с подшипниками скольжения, в которые устанавливают
трубу испытуемых балансиров 7, и опора 4, в которой
46
Рис. 29. Установка для испытаний предела выносливости балансиров гусенич-
ных тягачей;
1 — основание; 2 — опора трубы балансира с подшипниками скольжения; 3 —
балансир; — опора торсионного вала; 5 — торсионный вал; 6 — пневмоцилиндр
крепится торсионный вал 5 подвески тягача. Второй ко-
нец торсионного вала закреплен на балансире 3. На-
грузка на плече балансира 3, несущем в реальных усло-
виях каток тягача, создастся штоком пневмоцилиндра 6f
закрепленного на стойке.
Пневмоцилиндр включается в пневматическую сеть
посредством электропневмоклапана с регулятором вре-
мени типа РВ-7. При подаче в ппевмоцилиндр сжатого
воздуха шток давит на плечо балансира 3, проворачива-
ет его в подшипниках опоры 2 и закручивает торсион-
ный вал 5. Таким образом создаются напряжения в тру-
бе балансира. При обратном срабатывании пневмо-
электроклапана воздух стравливается из пневмоцилинд-
ра в атмосферу, торсионный вал раскручивается и возв-
ращает балансир в исходное положение. Напряжения в
трубе балансира исчезают.
Испытаниями наплавленных балансиров до разруше-
ния трубы установлено снижение их усталостной проч-
ности на 15—20% по сравнению с новыми балансирами.
Испытания на износостойкость образцов, наплавлен-
ных электроконтактным способом, проводили в условиях
грения, близких к граничному, при давлении 75 кгс/см2
на стандартной машине трения МИ-1. Эталоном износо-
стойкости являлся образец из стали 45, закаленный то-
ками высокой частоты до твердости 55HRC. Схема и
результаты испытаний представлены на рис. 30. Видно,
47
О	/	2	J
Продолжительность испытания, ч
что износостойкость
на.п л а вл енного мет а л-
ла определяется хими-
ческим составом при-
садочного металла и
зависит от режима на-
плавки. И'спо льзов а -
нис углеродистых и
марганцовистый ста-
лей :в качестве приса-
дочных металлов обес-
печивает износостой-
кость наплавленного
металла, значительно
выше, чем .стали 45,
закаленной токами вы-
сокой частоты на 'мак-
симальную твердость.
Эксплуатационным
испытания м	по двер -
Рис. SO. Схема и результаты испытаний
на и »носостойкость металла» наплав-
ленною улекгроконтактным способом:
I — образец из стали 4.3, закаленной то-
ками высокой частоты; 2 — паи л анка
проволокой IIК-2 без охлаждения;
.? — наплавка проволокой ПК-2 с ох-
лаждением; 4 - наплавка проволокой
: .ОХ ГС А	. Л
гали наплавленные электроконтактным способом валы»
оси, втулки, балансиры и другие детали с цилиндриче-
скими рабочими поверхностями. Все эксплуатационные
характеристики наплавленных деталей (надежность, из-
носостойкость и долговечность) сравнивали с аналогич-
ными характеристиками итовых дегалей.
Испытания деталей машин, работающих в условиях
цикличного нагружения (балансиров гусеничных тяга-
чей и тракторов, шпинделей токарных станков, консоль-
ных валов редукторов и т. п.), подтверждают результа-
ты усталостных испытаний, свидетельствующих о незна-
чительном снижении выносливости наплавленных дета-
лей.
Испытания деталей машин и оборудования, работа-
ющих в условиях трения с абразивным износом, обнару-
жили зависимость износостойкости наплавленной поверх-
ности от химического состава присадочного металла.
Износостойкость деталей этой группы, наплавленных
присадочной проволокой 1 кл., ГОСТ 9389—60, в 1,2 ра-
за выше износостойкости новых деталей из стали 45 с
поверхностной закалкой токами высокой частоты. Изно-
состойкость этих же деталей, наплавленных присадоч-
ной проволокой из марганцовистой стали 65 Г, в 3,5 ра-
за выше износостойкости новых деталей. Характерной
особенностью наплавленных деталей этой группы после
48
их испытаний является то, что в случаях неравномерно’
го и эксцентричного износа цилиндрических шеек, отко-
лов, отслаивания или вырывов присадочного металла нс
наблюдается. Это свидетельствует о высокой прочности
соединения наплавленного металла с основным
Глава II
ТЕХНОЛОГИЯ
ЭЛЕКТРОКОНТАКТНОЙ НАПЛАВКИ
1.	Общие положения
Нод технологией любого производственного процесса
понимается совокупность рекомендаций о способах и
средствах его проведения. Поскольку машинострои-
тельная и ремонтная практика применения различных
способов наплавки представляется большим рядом раз-
личных конкретных задач, для каждой из них существу-
ет своя оптимальная схема и последовательность техно-
логических операций процесса наплавки, т. е. свой техно-
логический вариант.
Каждый из этих вариантов с учетом специфических
особенностей наплавляемого изделия (особенностей кон-
струкции, свойств металла, размеров требуемого слоя
наплавленного металла, допустимого нагрева и т. д.)
отличается схемой наложения валиков присадочного
металла, схемой включения наплавляемого изделия в
электрическую цепь тока наплавки, количеством одно-
временно действующих наплавляющих электродов и тра-
екторией их перемещения, характером предварительной
подготовки поверхности изделия под наплавку. Наконец,
с учетом специфических особенностей наплавляемых
изделий применяется стандартная или проектируется
нестандартная технологическая оснастка. Разрабатыва-
ются рекомендации по режиму охлаждения. Определя-
ются расчетом и проверяются опытом значения основ-
ных параметров процесса.
Основные технологические параметры элекгрокон-
тактной наплавки: Рр— давление наплавляющего эле-
ктрода (ролика); уокр — окружная скорость наплавляе-
мой поверхности; упр — шаг наплавки; I и /а— действу-
ющее и амплитудное значения тока наплавки, а также
параметры, приведенные в табл. 2.
49
Таблица 2
ОСНОВНЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ
ЭЛЕКТРОКОНТАКТНОЙ НАПЛАВКИ
Параметр
/Е — длительность импуль-
са тока /, с
— пауза между импуль-
сами, с
tn — длительность цикла
наплавки, с
/7т — перекрытие точек на-
плавки (измеряется в
процентном отноше-
нии к /т — наиболь-
шей длине наплав-
ленной площадки)
/7В — перекрытие наплав-
ленных валиков (из-
меряется в процент-
ном отношении к
Въ — ширине наплав-
ленного валика)
С — смещение наплавляю-
щего электрода, мм
Графическое изображение
Наплавленный
2.	Технологические варианты наплавки
Основная технологическая схема [22—24, 34—36].
Сплошной слой металла образуется по этой схеме путем
наплавки спиралевидных перекрывающихся по ширине
валиков металла (рис. 31).
50
Наплавка произво-
дится одним наплавля-
ющим роликом. При-
с а д очи а я п-ров оло к а
подается в зону на-
плавки и фиксируется
с помощью 'Направляю-
щей втулки, жестко,
з а-крепл енной относи-
пельно ролика. Поло-
жение каждого витка
спир а левидпого вали-
ка, обеспечивающее
Рис. 57. Основная технологическая схема
электрофенгактной наплавки:
1 — наплавляемая деталь; 2 — наплавлен-
ный металл; 3—присадочная проволока;
/ — наплавляющий ролик; 5 — трансформа-
тор; 6 — прерыватель тока
перекрытие ого с со-
с едпим, отраде л яется
только скоростью пе-
ремещения ролика от-
по’сител ыню	обр азу кэ-
шей 1В:ра!щающейся детали. При наплавке очередного
нитка присадочная проволока вследствие деформации
контактирует с ранее наплавленным валиком. Приса-
дочная проволока и участок металла предыдущего вит-
ка нагреваются током наплавки и совместно деформиру-
ются, и результате чего происходит их 'соединение. Даже
вгри дополнительной цепи тока наплавки, средняя плот-
ность тока на единицу площади контакта .присадочная
проволока — деталь не снижается, а прочность соеди-
нения с металлом второго (и любого последующего)
витка не 'меньше прочности соединения первого витка.
Это объясняется тем, что суммарная длина контакта
любого поперечного сечения е1ддеичной площадки вто-
рого витка с учетом контакта >с предыдущим валиком
не превосходит длины -контакта того же сечения перво-
го валика с поверхностью детали.
Основная технологическая схема наплавки проста,
надежна и может считаться оптимальной для большой
группы изделий.
При наплавке по рассматриваемой технологической
схеме размеры внешнего контура изменяются соответст-
венно перемещению наплавляющего ролика, поэтому
значения тока в начале и в конце наплавляемого участ-
ка различны.
В связи с этим изменяются в некоторых пределах
прочность на отрыв, усталостная прочность, твердость
наплавленного металла»
91
Рис. 32. Двухзаходная схема наплавки:
а— наплавка валика первого захода; б—наплавка валика второго захода
Недостатком схемы является повышенный местный
износ ролика» при его зачистке после наплавки очеред-
ного участка удаляется часть поверхности ролика, не
участвовавшая в работе, поэтому предпочтительнее пос-
ледовательное использование всей контактной поверх-
ности ролика.
Основная технологическая схема электроконтактной
наплавки проста и надежна, недостатки ее не являются
определяющими.
Двухзаходная технологическая схема [25]. Сплошной
слой металла образуется по этой схеме последователь-
ной наплавкой двух спиралевидных валиков с увеличен-
ным шагом (рис. 32); на поверхности основного металла
наплавляют спиралевидный валик с зазором между со-
седними витками. Второй спиралевидный валик наплав-
ляют в зазор между витками первого спиралевидного
валика.
Валик в зазоре между наплавленными витками на-
плавляют при силе тока несколько большей, чем сила
тока наплавки первого валика, вследствие необходи-
мости нагрева поверхностного слоя металла уже наплав-
ленных соседних витков для соединения их с наплавлен-
ным валиком.
Двухзаходная схема наплавки не требует изменений
установки, так же проста и надежна, как и основная
технологическая схема.
Основное ее достоинство — возможность уменьшить
тепловыделение наплавкой спиралевидного валика'с
увеличенным шагом. Кроме того, перед наплавкой второ-
го валика деталь может быть охлаждена в требуемом
режиме.
52
Меньшее термическое влияние на основной металл
при наплавке по двухзаходной технологической схеме
сопровождается уменьшением производительности.
Двухточечная технологическая схема1. Принципиаль-
ные отличия ее— схема включения детали в цепь тока
наплавки и последовательность наплавки единичных
площадок.
Ток в зону наплавки подводится через два наплавля-
ющих ролика, что позволяет исключить из внешнего кон-
тура контактный переход «патрон — металл основы» и
уменьшить потери мощности. Особенность этой схемы
также и в том, что первым наплавочным роликом на-
плавляется спиралевидный валик, в котором соседние
единичные площадки не перекрываются, а вторым роли-
ком проплавляются образовавшиеся пропуски (рис. 33).
Таким образом, одним импульсом тока наплавляются
две диаметрально противоположные площадки металла.
Сплошной слой металла, как и при наплавке по пер-
вым двум схемам, образуется за счет перекрытия по ши-
рине соседних витков спиралевидного валика, что обеспе-
чивается соответствующей скоростью перемещения ро-
ликов относительно вращающейся детали-
Двухточечная технологическая схема позволяет по-
высить производительность наплавки на 70—80%.
Однако при наплавке по этой схеме тепловыделение
происходит на небольшом участке металла основы. Поэ-
тому двухточечную технологическую схему целесообраз-
но применять для наплавки массивных деталей, к кото-
рым не предъявляется жестких требований по допусти-
мому термическому влиянию, а вероятность температур-
ной деформации мала.
Рис. 33. Двухточечная схема
наплавки:
1 — прерыватель тока; 2—
трансформатор; 3 — кулач-
ки патрона базового стан-
ка; 4 в 4' — наплавляющие
ролики; 5 — наплавленный
металл; 6 — металл основы
1 Клименко Ю. В. Авт. свид. № 407678. — «Открытия, изобрете-
ния, пром, образцы, товарные знаки», 1973, № 47, с. 37.
53
Рис. 34. Схема наплавки в высаженную канавку:
а — схем а эл ск гром ех а нич еской высадки; б — сх см а эл окт р окон т а кт и ой на-
плавки; /—деталь; 2 — высаженная канавке; 3 — высаживающая пластина;
4 —* прерыватель тока; 5 — наплавленный налик присадочного металла; 6 —
наплавляющий ролик
Схема электроконтактной наплавки в высаженную
канавку [26—27]. Одним из существенных недостатков
всех способов наплавки является снижение усталост-
ной прочности наплавленных деталей вследствие разу-
прочнения наплавленного металла в месте нахлеста спи-
ралевидных валиков. В этой зоне происходит повторный
отжиг при наложении очередного валика металла и сни-
жение твердости металла. Здесь наблюдается наиболь-
шее количество дефектов металлургического происхож-
дения.
Таким образом, при наплавке металла спиралевидны-
ми перекрывающимися валиками снижение усталостной
прочности неизбежно.	|
Восстановление размеров изношенной детали (напри-
мер, увеличение диаметра шейки вала) наплавкой без
перекрытия валиков оказалось возможным в сочетании
с другим способом восстановления — электромехани-
ческой высадкой (метод Б. М. Аскинази).
Технология восстановления предусматривает предва-
рительную электромеханическую высадку спиральной
канавки на поверхности изношенной шейки вала (рис.
34,а) и последующую наплавку дополнительного метал-
ла в образовавшуюся канавку (рис. 34,6) электрокон-
тактным способом. При этом валики присадочного ме-
талла разделяются высаженным металлом детали.
Наплавлять металл в высаженную канавку целесо-
образно импульсами тока с модулированным фронтом,
так как при наплавке прямоугольными импульсами тока
(рис. 35,а) его значение в момент включения равно но-
54
мипальному, а площадь контакта круглой присадочной
проволоки со стенками канавки минимальна.
Затем участок присадочной проволоки, находящейся
под наплавляющим роликом, деформируется, заполняя
канавку. Соответственно деформации растет площадь
контакта присадка — металл основы. Однако при этом
значение тока остается постоянным, а следовательно,
плотность тока уменьшается пропорционально площади
контакта. По такому же закону распределяется и темпе-
ратура по площади контакта, что не обеспечивает оди-
наковых условий соединения металлов.
Цель модуляции фронта импульса — обеспечить
постоянную плотность тока в контакте деформирующей-
ся присадочной проволоки со стенками высаженной ка-
навки.
Время нарастания тока до номинального значения
(рис. 35,6) примерно равно времени деформации при-
садочной проволоки до заполнения всего сечения канав-
ки.
При наплавке высаженной канавки на образце из
стали 45 диаметром 50 мм проволокой из стали 45 диа-
метром 1,8 мм оптимальным является следующий режим:
сила тока наплавки 11 кА; давление на наплавляющий
электрод 80 кге; длительность импульса 0,06 с; длитель-
ность модуляции 0,04 с; длительность пауз между им-
пульсами 0,24 с; число оборотов детали 9 об/мин.
Прочность соединения наплавленного валика с осно-
вой в этом случае составляет 55—60 кгс/мм2.
Технологическая схема электроконтактной наплавки
в высаженную канавку обеспечивает технико-экономи-
ческий эффект, выражающийся в увеличении срока
службы восстановленных деталей, работающих в цик-
личном или знакопеременном режиме нагружения, ввиду
незначительного снижения их усталостной прочности.
Гис. 35. Схема нагрева и де^
формации присадочной проволо-
кн прямоугольным импульсом
ижа (а} и импульсом тока с
модулированным фронтом (6)
55
Рис. Ж Схема наплавки узких поясков:
а — перед включением импульса тока наплавки; б — после прохождения им-
пульса тока наплавки; / — наплавленный поясок; 2 — наплавляемая деталь;
3 — присадочная проволока; 4— наплавляющие ролики; £ — прерыватель тока
Схема электроконтактной наплавки узких поясков
[24]. При этой схеме импульсы тока подводятся в зону
наплавки с помощью двух параллельных наплавляющих
роликов, под которые подается присадочная проволока
с двух отдельных катушек (рис. 36).
Обе присадочные проволоки удерживаются направ-
ляющими втулками на расстоянии между собой, при
котором наплавленные валики металла перекрываются
по ширине, образуя сплошной поясок.
Снижение энергоемкости процесса достигается после-
довательным включением в цепь тока наплавки двух
присадочных проволок и детали, вследствие чего кон-
тактные потери, имеющие место в основной и двухзаход-
ной схемах, используются для наплавки. Кроме того,
вследствие концентрации тепловыделения уменьшаются
потери тепла.
Производительность наплавки поясков по этой схеме
возрастает на 75—80%.
Поясок наплавляют наложением двух замкнутых
кольцевых перекрывающихся валиков, что сокращает
потери наплавленного металла при чистовой обработке
по сравнению с наплавкой спиралевидных перекрываю-
щихся валиков, когда при обработке пояска удаляются
начало и конец валика.
Схема наплавки с перемещающейся присадкой [24].
При электроконтактной наплавке по основной и двух-
заходпой схемам присадочная проволока подается под
ролик через направляющую втулку, неподвижно закреп-
ленную относительно ролика. При наплавке металла на
поверхности ролика образуется канавка, равная ширине
56
наплавляемого валика. При значительной глубине ка-
навки иа поверхности наплавляемого металла появляют-
ся раковины. Возможны дефекты и в зоне соединения
наплавленного металла с основным.
Во избежание образования дефектов ролик периоди-
чески зачищают, удаляя при этом и большую поработав-
шую часть его контактной поверхности.
Для равномерного износа контактной поверхности
токоподводящего ролика с целью повышения качества
наплавки одновременно с вращением ролика и его пере-
мещением относительно наплавляемой детали присадоч-
ная проволока также перемещается возвратно-посту-
пательно по образующей ролика со скоростью, значи-
тельно меньшей скорости перемещения ролика относи-
тельно детали.
На рис. 37,а показано положение направляющей
втулки в начале наплавки участка вала, а па рис. 37.6 в
конце наплавки этого участка (вся контактная поверх-
ность наплавляющего ролика участвует в работе).
Шаг наплавки при этом равен сумме подачи ролика
относительно детали и подачи проволоки относительно
ролика.
При наплавке проволоки диаметром 2,0 мм подача
ролика 2,2 мм па оборот детали, а подача проволоки
0.05 мм на оборот ролика диаметром 250 мм. Срок
службы ролика в этом случае увеличивается в 8—9 раз.
Схема наплавки с затормаживанием наплавляющего
ролика. Исследования показали, что электрическая
и механическая энергия, расходуемая на единицу веса
Гис. 87. Схема наплавки с перемещающейся присадкой:
/--наплавляемая деталь; 2 перемещающаяся направляющая присадочной
проволоки; 3 — присадочная проволока; * — наплавляющий ролик; 5 — на-
правленный металл
57
наплавляемого металла, в 2-—3 раза превышает коли-
чество энергии, необходимой для формирования единич-
ной площадки металла и соединения ее с металлом из-
делия.
Это объясняется следующим. До включения импульса
тока присадочная проволока контактирует с поверх-
ностью изделия по небольшой площади.
При включении тока его плотность ввиду малой пло-
щади контакта чрезвычайно высока, вследствие чего
происходит интенсивный разогрев и пластическая дефор-
мация приконтактных объемов металла присадочной
проволоки и изделия. Поэтому в средней части контакт-
ной площадки образуются отдельные участки соедине-
ния. При увеличении площади контакта плотность тока
резко падает, а значительная его часть проходит через
участки образовавшегося сварного соединения. Вслед-
ствие этого резко снижается количество тепла, выделяе-
мого в контакте.
Экспериментально установлено, что переход приса-
дочной проволоки из начального в конечное состояние
занимает около 7з времени, необходимого для образова-
ния соединения по всей площади контакта единичной
площадки наплавленного металла. Следовательно, в
течение 2/з длительности импульса тока выделяется ми-
нимальное количество тепла. Этим объясняется высокая
энергоемкость процесса электрокоптактной наплавки.
Для устранения указанного недостатка разработан
способ электрокоптактной наплавки, который обеспечи-
вает увеличение времени интенсивного выделения тепла
в контакте и за счет этого сокращение длительности им-
пульса тока. Это достигается периодическим кратко-
временным торможением наплавляющего ролика1 в про-
цессе деформации присадочной проволоки (рис. 38).
Перед включением импульса тока присадочная прово-
лока 1, контактирующая с поверхностью детали 2, нагру-
жена наплавляющим роликом 3 силой Рр. Упор 4 разре-
шает деформацию присадочной проволоки на величину е.
Ток /Св при этом остается постоянным в течение всей
длительности импульса (на схеме отрезок «flg»). С мо-
мента включения импульса тока начинается пластичес-
кая деформация присадочной проволоки и поверхностно-
1 Клименко Ю. В., Каракозов Э. С. Ав г, свид. № 513808.—«От-
крытия, изобретения, пром, образцы, товарные знаки», 1976, № 18,
с. 36.
58
1,е,Р,М,т
Рис 38. Схема процесса и характер измгкення параметрон режима при па-
ли анке с гатсрмаживаписм наплавляющего электрода
го слоя металла детали, которая продолжается до исчер-
пания зазора между наплавляющим роликом 3 и жест-
ким упором 4, т. е. в течение части импульса тока, соот-
ветствующей отрезку «аЬ».
В течение этого времени на наплавляющий ролик
действует усилие Рр. Давление в контакте присадка — де-
таль уменьшается соответственно росту площади кон-
такта. Температура в контакте вначале резко увеличи-
вается, а затем, достигнув максимального значения,
уменьшается.
Ограничение пластической деформации присадочной
проволоки с начала интенсивного снижения температуры’
в контакте приводит к резкому падению давления на
присадочную проволоку, т. к. все усилие, приложенное к
наплавляющему ролику, воспринимает жесткий упор.
Соответственно падает и уделыюе давление в контакте,
что ведет к резкому возрастанию интенсивности тепло-
выделения, которое пропорционально сопротивлению
контакта. Однако с ростом температуры (кривая Д в
промежутке времени «Ьс») вследствие расширения до-
полнительно нагретого ири-садочного металла вновь
возрастают давление в контакте и нагрузка на электрод.
59
-
При достижений начального значения нагрузки Рр допол
нительно деформируется присадочный металл. В резуль
тате дополнительной деформации усилие Рр и давление
в контакте вновь уменьшаются (до нуля). При этом в
контактах присадочная проволока — металл основы и
присадочная проволока — - электрод возможен перегрев
и взрывообразный выброс металла. Чтобы не допускать
перегрева и поддерживать температуру, близкую к тем
пературе плавления (кривая Т в точке С), освобождая
наплавляющий ролик от жесткого упора, вновь увеличи
вают и давление.
При этом, как и в течение промежутка времени «аЬ»
продолжается деформация до очередного ограничения в
точке d при постоянном усилии прижатия наплавляюше
го ролика Рв. Давление падает в течение этого проме-
жутка времени вследствие продолжающегося роста пло-
щади контакта, а температура вновь снижается вследст-
вие падения плотности тока и увеличения площади тепло-
обмена.

Для очередного увеличения температуры присадки
деформацию вновь ограничивают (точка d) и т. д.
Из характера изменения температуры в контакте
присадка — металл основы следует, что для поддержа-
ния максимального ее значения при растормаживании на
плавляющего электрода значения единичных деформа-
ций (&ь е2, Вз>—) и периодов заторможеиия наплавляю-
щего ролика должны быть минимальными.
При большой частоте остановок наплавляющего ро-
лика и малых периодах торможения температура изме-
няется плавно (Удред на рис. 36).
Максимальное снижение энергоемкости электрокон-
тактной наплавки (на 35—40%) происходит при частоте
торможений 75—100 Гц и периодах торможений 0,005—
0,05 с.
Схема наплавки нейтральным роликом [24, 32].
Принципиальным отличием схемы электроконтактной
наплавки нейтральным роликом является то, что импуль-
сы тока подаются в зону наплавки через наплавляемую
деталь и присадочную проволоку (рис. 39,а). Наплав-
ляющий ролик в этом случае передает усилие, необходи-
мое для деформации присадочной проволоки, и фиксиру-
ет положение витков спирального валика, обеспечивая
их перекрытие. В связи с этим ролик изготавливается из
жаропрочной стали, а режим наплавки характеризуется
60
Гис. 39. Схема наплавки пей'
т р а л ьн ы м р оликом
1 -— прерыватель; 2 — трансфор-
матор; 3—ролик; 4—направля*
ющая - - токосъемник; 5 — приса-
дочная проволока; t> наплав-
ляемая деталь
малым значением тока и большим давлением в контакте.
Нагрев присадочной проволоки и поверхностного слоя
металла основы происходит при этом преимущественно
в области контакта вследствие своеобразного распреде-
ления плотности тока (рис. 39,6).
Прочность соединения наплавленного металла с осно-
вой при наплавке с нейтральным роликом значительно
ниже, чем при наплавке с токоподводящим наплавляю-
щим роликом, вследствие ограничения силы тока наплав-
ки, который можно подвести через присадочную проволо-
ку, и составляет 10—12 кгс/мм2.
Лучшие результаты (18—20 кгс/мм2) дает наплавка
но схеме с нейтральным роликом и искусственно создан-
ной шероховатостью на поверхности, например нарезкой
рваной резьбы.
Схема наплавки с двумя наплавляющими роликами
и двумя присадочными проволоками. При наплавке по
схеме с двумя наплавляющими роликами (рис. 40) под
каждый из них подается присадочная проволока, а про-
цесс начинают так же, как по схеме наплавки узких
поясков. После наплавки замкнутого кольцевого пояска
5 наплавляющие ролики 3 перемещают в противополож-
ные стороны с шагом, обеспечивающим перекрытие со-
седних витков, подобно основной технологической схеме.
Рассматриваемая схема наплавки вдвое производи-
тельнее. Поскольку ток наплавки при данной схеме про-
ходит через участок изделия 4, заключенный между
Рис. 40. Схема наплавки (а —
и начале, б — в конце процесса)
с двумя наплавляющими роли-
ками и двумя присадочными
проволоками;
/ — прерыватель тока; 2 — на-
плавляющие ролики; 3 — приса-
дочные проволоки; 4 — образец;
наплавленный металл
61
Рис. 11. Схем я рельеф-
ной наплавки:
/ — ролик для нанесения
рельефа на поверхность
детали; 2 — наплавляю-
щий ролик; 3 — приса-
дочная проволока; 4 —
опорный ролик; 5 — ро-
лик; для нанесения рель-
ефов на поверхность при-
садочной проволоки; 6 —
наплавляемая деталь
двумя наплавляющими роликами, длина которого в про-
цессе наплавки изменяется, ей присущи недостатки ос-
новной технологической схемы, связанные с вводом во
вторичный контур переменного сопротивления. Исполь-
зование ее целесообразно при наплавке участков деталей
большой длины (свыше 200 мм).
Схема рельефной наплавки. Нагрев и деформация
происходят в приконтактных объемах проволоки и основ-
ной детали, прилегающих к зоне соединения.
Однако при нагреве зоны часть тепла расходуется на
нагрев всего объема проволоки и основной детали
вследствие их высокой теплопроводности.
Для снижения энергоемкости наплавки необходимо
уменьшить нагреваемые объемы металла.
Один из способов локализации тепловыделения —
сокращение длительности импульса тока при одновре-
менном увеличении генерируемого им количества тепла
в контакте присадочная проволока — металл основы.
Эффект локализации тепловыделения достигается сокра-
щением времени теплообмена. Для увеличения количест-
ва генерируемого в контакте тепла при электроконтакт-
ной наплавке можно искусственно увеличить переходное
сопротивление присадочная проволока — металл основы
образованием на поверхности контакта металла основы
62
Рис. 42. Принципиальная схема
плавки с постоянной скоростью
формации присадочной проволоки.
7
и проволоки рельефов глубиной 0,05—0,1 диаметра при-
садочной проволоки.
Рельефы наносятся роликами с насечкой непосред-
ственно перед соединением присадочной проволоки и
металла основы (рис. 41).
Площадь контакта присадочной проволоки с поверх-
ностью металла основы при рельефной наплавке значи-
тельно меньше, чем при наплавке по обычной схеме.
В результате создается значительная плотность тока,
обеспечивающая интенсивный нагрев зоны соединения,
шергоемкость наплавки при равной прочности соедине-
ния присадки с основой снижается на 20—25%, а произ-
водительность процесса увеличивается-
Схема наплавки с постоянной скоростью пластичес-
кой деформации присадочной проволоки. Неравномерная
прочность соединения присадки с основой в пределах
единичной площадки при электроконтактной наплавке
является следствием уменьшения скорости деформации
присадочной проволоки и поверхностного слоя металла
детали за время действия импульса тока. Для получе-
ния стабильной прочности соединения присадочного и
основного металла по каждой единичной площадке
разработан способ наплавки, заключающийся в следую-
щем.
Присадочную проволоку 2 (рис. 42) помещают меж-
ду поверхностью металла основы 3 и роликом 1. К вра-
щающейся основе и ролику, совершающему возвратно-
поступательное движение, подводят импульсный электри-
ческий ток. За время прохождения импульса тока при
движении ролика к основе деформируют участок нагре-
|ои присадочной проволоки на заданную величину с
постоянной оптимальной скоростью. При этом на поверх-
ность металла основы наплавляется единичная площад-
63
ка металла. За время паузы ролик перемещают от осно-
вы в исходное положение.
Длительность пауз между импульсами и окружная
скорость вращения основы определяются условием пере-
крытия соседних площадок, наплавленных единичными
импульсами тока. Начало деформации присадочной про-
волоки роликом начинается одновременно с включением
импульса тока. При наплавке по данной схеме обеспечи-
вается равномерная прочность соединения присадки с ос-
новой в пределах каждой единичной площадки; повыша-
ется стабильность прочности соединения присадки с ос-
новой; возможна наплавка слоя металла заданной тол-
щины, а следовательно, уменьшаются потери металла
при чистовой обработке наплавленного изделия; снижа-
ется энергоемкость процесса.
Схема наплавки с инициированием развития рекри-
сталлизации в зоне соединения1. Нагрев присадочной
проволоки и поверхностного слоя металла изделия в
рассмотренных технологических схемах осуществляют
в течение каждого цикла наплавки. При этом непрерыв-
но (в течение одного цикла) увеличивается площадь
контакта, в связи с чем непрерывно уменьшается плот-
ность тока и интенсивность нагрева. Это приводит к
созданию на участках зоны контакта различных усло-
вий для соединения (по степени деформации и температу-
ре). Поэтому прочность соединения присадочного метал-
ла с металлом основы в пределах единичной площадки
на различных участках существенно различна.
В зоне соединения при наплавке по этим схемам не
происходит образования общих зерен, в связи с чем сое-
динение имеет относительно высокую прочность, но низ-
кую пластичность и вязкость. Кроме того, нагрев приса-
дочного и основного металлов в течение всей длитель-
ности цикла наплавки единичной площадки сопровожда-
ется большими потерями тепла за счет теплоотвода в
электрод и металл основы, чем обусловлена высокая
энергоемкость процесса.
Принципиальным отличием данной схемы наплавки
от рассмотренных является то, что присадочную прово-
локу размещают на поверхности изделия, в холодном
1 Клименко Ю. В., Каракозов Э. С.. Латыпов Р. Л. Авт, свид.
№ 551139. — «Открытия, изобретения, пром, образцы, товарные зна-
ки», 1977, №11, с. 36.
(И
Рис. 13. Схема наплавки с инициированием рекрис1ал.ч1зяцни:
/— изменение тока, давления на электроде и удельного давления в контакте.
2— система электрод— проволока—деталь; 3 — изменение структуры в зоне
контакта
состоянии токопроводящим роликом деформируют на
величину 0,5—0,75 конечной деформации, после чего
формируемую единичную площадку нагревают импуль-
сом тока до температуры, превышающей температуру
рекристаллизации.
При данной схеме наплавки (рис. 43) предваритель-
ная пластическая деформация соединяемых металлов
приводит к накоплению в них упругих искажений, спо-
собных при соответствующих температурах вызвать ин-
тенсивное развитие рекристаллизационных процессов.
При последующем нагреве присадочной проволоки и из-
делия импульсом тока, рекристаллизационные процессы
в зоне соединения приводят к миграции ориентирован-
ной вдоль поверхности соединения межзеренной грани-
цы и образованию общих зерен. В результате образуется
сварное соединение, обладающее высокой прочностью и
плас гичностыо.
3d к 454
65
Использование рекристаллизационной схемы получе-
ния металлопокрытий при восстановлении изношенных
поверхностей цилиндрических деталей, например валов,
втулок, осей и т. п., применяемых в машиностроении,
позволяет в 2—2,5 раза сократить длительность нагрева,
примерно вдвое снизить энергоемкость процесса, повы-
сить стабильность качества соединения в пределах каж-
дой единичной площадки.
Схема электроконтактной термомеханической обра-
ботки деталей при их изготовлении и ремонте [24 —
25]. Электроконтактная наплавка оказывает цикличес-
кое термомсхапическое воздействие на присадочный ме-
талл. Характер этого воздействия определяется силой
тока наплавки, длительностью импульсов тока, величи-
ной давления па присадочный металл, длительностью
пауз между импульсами и условиями охлаждения нап-
лавленного металла. Различные сочетания указанных па-
раметров определяют интенсивность и величину пласти-
ческой деформации присадочного металла, температуру
и скорость его пагрева и охлаждения, от которых зави-
сят физико-механические свойства поверхностного слоя
детали или наплавленного металла.
Электроконтактную термомехапическую обработку
осуществляют в процессе наплавки и как самостоятель-
ную технологическую операцию.
Термомехапическую обработку осуществляют по ос-
новной технологической схеме электроконтактной нап-
лавки с введением в зону соединения охлаждающей
Рис. 44. Зависимость твпрдос i и
(HV) и ударной вязкости закален-
ных образцов из стали 45 от темпе-
ратуры закалки (T 3):
/ — нагрев в печи; 2— элскгрона-
грев со скоростью 2,5°G/c; 3—злекг
ропагрев со скоростью 200°С/с
Рис. 45. Зависимость твердости {П
и глубины закаленно го слоя (2) от
величины тока при t л =0.05 с и
р =120 кге
66
Жидкости, расход которой регулируют в зависимости от
|ребуемой скорости охлаждения поверхностного слоя
Детали или присадочного металла.
Характерная особенность термомеханической электро-
контактной обработки — образование мелкозернистой
структуры углеродистой стали, ударная вязкость кото-
рой в 2,—2,5 раза выше ударной вязкости стали в ис-
ходном состоянии (рис. 44).
Зависимость твердости и глубины закаленного слоя
от величины тока при длительности импульсов тока /и—
-0,05 с, усилии на электроде Рг—40 кге и расходе
охлаждающей жидкости 4 5 л/мин показана на рис.
•15. Производительность термомеханической обработки
составляет 200 см2/мин. Припуск на чистовую обработку
деталей после тсрмомсханической электроконтактной
обработки не превышает 0.5 мм.
3.	Технологическая оснастка
Требования к технологической оснастке для электро-
контактной наплавки деталей определяются особенностя-
ми этого процесса и конфигурацией конкретных наплав-
ляемых деталей (изделий).
Отличительной особенностью процесса элсктр-окон-
гактной наплавки является большая величина импуль-
сов тока наплавки, достигающая 15 -20 кА, при чрез-
вычайно малой длительности импульсов (0,005—0,04 с).
Для подвода тока такой величины к зоне соединения с
минимальными потерями наплавляемое изделие должно
иметь падежный и развитый ио площади электрический
контакт с вторичной обмоткой сварочного трансформа-
тора. В случае наплавки детали (изделия) больших раз-
меров и сложной формы с переменным сечением отдель-
ных элементов для исключения потерь электрической
мощности и нагрева детали ток наплавки целесообразно
подводить к участку, непосредственно прилегающему к
юне соединения.
Для наплавки деталей простой формы (валов, осей)
технологической оснастки не требуется: эти детали мо-
гут быть включены в сильноточную цепь установки для
электроконтактной наплавки с помощью контактного
патрона в непосредственной близости от зоны соедине-
ния.
Для деталей сложной формы (пустотелых или малого
сечения) и изделий в сборе, когда нагрев отдельных
Зак. 431
67
снеци альн ая пест ан -
греоуется
КОН о? II 1-
паилавки
Рис. М. Схема технологичс
стки д.'15> -лясктрокоитактиоп
балансира
/гл
, требующей применения
оснастки для
46), со-
элементов недопустим,
дартпая оснастка.
Примером сложной
специальной технологической оснастки для наплавки,
является балансир подвески катка гусеничного тягача.
Изнашивающаяся часть этой детали — тонкостенная
груба из стали 35ХГСА— сопряжена с двумя подшип-
никами скольжения и в связи с жесткими требованиями
к соосности температурные деформации детали недо-
пустимы.
Технологическая оснастка для наплавки этой дета-
ли - - контактпо-иенгрующее устройство (рис.
стоящее, из медной конусной державки 1, к которой с
помощью штифта 2 крепится тяга 4 [31]. На конусную
часть оправки устанавливается разрезная бронзовая
цанга 3, а тяга вводится в трубу балансира. На свобод-
ный конец тяги надевается упорная втулка 5, после чего
гайкой 6 создается усилие на тяге, обеспечивающее при-
жатие цанги
Балансир в сборе с приспособлением крепится на
установке для наплавки. При этом цилиндрический
хвостовик державки / крепится в специальном контакт-
ном патроне, а свободный конец тяги 4 удерживается
вращающимся центром задней бабки. Через бронзовую
цангу 3 ток наплавки подводится к месту наплавки шей-
ки балансира. При этом массивная цанга из теплоем-
кого материала (бронзы) способствует интенсивному
теплоотводу из зоны наплавки, что предотвращает пере-
грев и температурные деформации тонкостенных участ-
ков трубы балансира. Одновременно оснастка позволяет
впутрепнсй поверхности трубы.
68
Ptfc. 47. Двухцанговая технологическая оснастка для электроконтактной
мн плавки тонкостенных втулок и стаканов
/’пс. 48. Гехнологическая оснастка для элекгроконтакгпой наплавки наруж-
ных поверхностей внешних колец подшипников качения:
1— трансформатор; 2— вторичная обмотка трансформатора; 3— контактный
патрон; 4— оправка; 5 — бурт; 6 и <S— фасонные шайбы; 7— наружное коль-
цо подшипника; 9 — шайба; 10— гайка; // — центр; 12— наплавленный Me-
г. । л л , 13 11 / i к а пл а в л я ющи й р< ?  г и к: /5 — пр ср ыва i е л ь ток а
центровать деталь при наплавке и последующей мсха-
11ической обработке.
Электроконтактная наплавка тонкостенных втулок и
цилиндрических стаканов может производиться на двух-
ца-нговой коитактпоцептрующей технологической ос-
настке (рис. 47). Оснастка состоит из левой 1 и правой
7 разрезных бронзовых цанг и левого 2 и правого 4
конусов и стяжного болта 5 с шайбами 6 и 8 и гайкой 9.
I (аплавляемая деталь 3 устанавливается на цилиндри-
ческие участки цанг 1 и 7. Затяжкой гайки 9 создается
давление конусов 2 и 4 на цанги 1 и 7. а следовательно,
контактное давление на внутреннюю поверхность дета-
ли, чем обеспечивается надежное включение ее в силь-
ноточную цепь наплавки. Массивные бронзовые цанги,
как и в первом случае, обеспечивают теплоотвод от зо-
ны наплавки.
Характерным примером изделия, требующего для
электроконтактной наплавки специальной технологичес-
кой оснастки, является подшипник качения. Наплавка
наружных поверхностей подшипников качения целесо-
образна в ряде случаев [28] при восстановлении перво-
начальной посадки под ш и д н и к — ба з ов а я деталь.
При наращивании электроконтактной наплавкой на-
ружной поверхности внешних колец подшипников каче-
ния нами применялась оснастка (рис. 48), обеспечиваю-
щая подведение тока наплавки непосредственно к внеш-
нему кольцу Оснастка состоит из оправки с буртом,
69
Рис. /9 Балансиры и к гулки гусеничных- тягачей, наплавленные элсктрокон-
гактн-  м елособом
Рьс. 50. Крестовина кардана ГАЗ-
53, восстановленная эдектрокон-
тактной наплавкой.
1 и 2 — шейки после наплавки; 3 и
4 — шейки после наплавки и меха-
ническом обработки
на которую с помощью двух фасонных шайб устанавли-
вают подшипник и крепят сто с помощью шайбы и гай-
ки так, что зажатым оказывается только наружное коль-
цо подшипника.
Оправку крепят в кулачках контактного патрона и
фиксируют центром, после чего производят наплавку
наружной поверхности внешнего кольца. За счет тепло-
отвода в массивные фасонные шайбы, через которые ток
наплавки подводится непосредственно к внешнему коль-
цу подшипника, термические деформации его колец от-
сутствуют.
Па рис. 49 и 50 показаны детали, наплавленные с
помощью рассмотренной технологической оснастки.
Глава HI
ОБОРУДОВАНИЕ
ДЛЯ ЭЛЕКТРОКОНТАКТНОЙ НАПЛАВКИ
1.	Общие требования к оборудованию
К специфическим особенностям электрокоптактной на-
плавки, определяющим требования к компоновке уста-
новки, относится электрический режим процесса. Режим
электрокоптактной наплавки характеризуется большой
силой тока (10—20 кА) и малым напряжением (5—20В),
который подается в зону наплавки импульсами малой
длительности (0,01 — 0,04 с) с паузами, равными 0,06 —
0,1 с.
Передача импульсов тока указанной величины от
источника к наплавляющему ролику представляет опре-
деленные трудности, а величина потерь мощности при
этом зависит от компоновки и конструктивного совер-
шенства отдельных узлов, в особенности подвижных
гокоперсдающих сопряжений.
Поэтому необходимо отличать мощность, необходи-
мую для непосредственного нагрева присадочной прово-
локи и поверхностного слоя металла детали, от потреб-
ляемой мощности, определяемой конструктивными осо-
бенностями установки, металлоемкостью и формой уча-
стков наплавляемой детали, вводимых во вторичный кон-
гур сварочного трансформатора. Неизбежны потери
электрической мощности в токоведущих шинах, участ-
ках наплавляемых деталей, через которые они включа-
ются в цепь наплавки, а также индуктивные потери,
зависящие от формы и размеров внешнего контура
установки. Величиной этих потерь определяется коэф-
фициент полезного действия установки.
При проектировании установки для электроконтакт-
ной наплавки необходимо учитывать, что потери электри-
ческой мощности (активная и индуктивная составляю-
щие) пропорциональны размерам внешнего контура
(рис. 51) [33]; при расположении токоведущих шин
вблизи магнитных масс индуктивное сопротивление
внешнего контура возрастает в зависимости от расстоя-
ния шин до магнитного материала и его массы; фер-
ромагнитные массы во внешнем контуре резко увеличи-
вают индуктивность и общее сопротивление контура;
71
J if} 6v Я? ;2/7
„ЗьМРт'Янешнес* контура r cm
Puc 51. Зависимость тока вторич-
ной цепи сварочного трансформа-
тора (/ 2 кэ ) от размеров внешнего
контура:
1 — 10,5 в; 2 — 8,75 в; 3 — 7,0 в; -f —
5,2 в
Рис. 52. Состояние системы ролик-
проволока—деталь в течение еди-
ничного цикла наплавки при бу-
ферном механизме нагружения ро-
лика:
а — е конце импульса тока; б — в
начале импульса тока; 1— график
изменения тока; Р — график изме-
нения давления в контакте: С
график перемещения ролика
вследствие деформации проволоки:
1— ролик; 2— проволока; 3— деталь
поэтому внешний контур установки должен иметь мини-
мально возможные размеры, а токоведущие шины долж-
ны быть максимально удалены от деталей и узлов, вы-
полненных из ферромагнитных материалов.
В отличие от шовной электроконтактной сварки де-
талей из листовой стали, где деформация деталей под
сварочными роликами незначительна, при электрокон-
тактной наплавке деформация присадочной проволоки
достигает 50—60%.
При использовании в качестве присадочного металла
круглой стальной проволоки диаметром 2 - 2,5 мм пере-
мещение наплавляющего ролика, вызванное деформаци-
ей проволоки при наплавке единичной площадки метал-
лопокрытия, составляет 1—1,5 мм. Поскольку образова-
ть
нис сплошного слоя металлопокрытия осуществляется
наплавкой перекрывающихся единичных площадок им-
пульсами тока, следующими с частотой 15—20 импуль-
сов в секунду при непрерывном вращении детали, меха-
низм подвески ролика должен обеспечивать его свобод-
ное вращение с одновременным возвратно-поступатель-
ным перемещением с той же частотой.
Механизм нагружения наплавляющего ролика дол-
жен отвечать следующим требованиям:
1.	Перед включением импульса тока наплавки ролик
должен быть нагружен номинальной силой, обеспечива-
ющей требуемое давление в контакте «проволока —
металл основы» (рис. 52,6).
2.	При прохождении импульса тока, вызывающего
нагрев присадочной проволоки и поверхностного слоя
основного металла и их деформацию, давление в контак-
те проволока — металл основы должно сохраняться.
3.	Во время пауз между импульсами тока наплавки
нагрузка на ролик должна обеспечивать фрикционную
связь ролика с наплавленным валиком металла, что
необходимо для его перекатывания по профилю дефор-
мированного участка АВ (рис. 52,а), Для уменьшения
износа поверхности ролика и увеличения срока его
службы нагрузка на ролик во время паузы должна быть
по возможности минимальной,
4.	К началу прохождения очередного импульса поми-
нальная нагрузка на ролик должна восстанавливаться.
Температура начала деформации присадочной прово-
локи под роликом при заданной нагрузке должна выби-
раться такой, чтобы предел пропорциональности был
меньше действующего напряжения.
Скорость перемещения наплавляющего ролика долж-
на быть не менее 100 мм/с. В противном случае в кон-
такте присадочная проволока — металл основы давление
при деформации проволоки может снижаться до значе-
ний, при которых происходит выброс перегретого метал-
ла из зоны соединения.
Наиболее полно перечисленным требованиям отвеча-
ют пружинные (буферные) или комбинированные (с
пневмокамерой) механизмы нагружения.
Пружинный (буферный) механизм нагружения прост
I! падежей. Усилие, прилагаемое к электроду, плавно
регулируется и надежно фиксируется сжатием пружины
или резинового буфергь
73
Рис. 53. Состояние системы ролик—проволока—деталь в течение единичного
цикла наплавки мри пнеимобуферном механизме нагружения ролика:
а — в конце импульса тока; б — в начале импульса тока; / график изме-
нения тока; Р —график изменения давления в контакте; о график пере-
мещения ролика вследствие деформации проволоки; 1—ролик; 2 проволока,
3 —деталь
Недостатком их является то, что нагрузка на эле-
ктроде во время пауз между импульсами незначитель-
но снижается в конце импульса и затем снова повыша-
ется за время паузы до номинального значения вследст-
вие обратного перемещения ролика и сжатия пружины
или буфера. Таким образом, наплавляющий ролик пере-
катывается по профилю АВ (рис. 52,а) под нагрузкой,
значительно превышающей требуемую, что ведет к ин-
тенсивному износу рабочей поверхности ролика.
В комбинированном механизме нагружения наплав-
ляющего ролика (рис. 53) сжатие пружины или буфера
осуществляется нпевмокамерой, управляемой пневмо-
электрическим клапаном, работающим по программе,
заложенной в регулятор времени прерывателя установки.
Перед включением импульса тока наплавки регуля-
тор времени включает пнсвмоэлектрический клапан, по-
дающий сжатый воздух в пневмокамеру механизма на-
гружения. Давление воздуха, подаваемого пневмоклапа-
пом, соответствует номинальной нагрузке на наплавляю-
щем ролике. Резиновый или пружинный буфер при этом
сжат до состояния, соответствующего номинальной на-
грузке.
После прохождения импульса тока регулятор време-
ни отключает п невмоэлектрический клапан, воздух
стравливается из пневмокамеры в атмосферу. Буфер
74
восстанавливает свою первоначальную форму, оставаясь
сжатым до состояния, соответствующего минимальной
нагрузке на электрод, обеспечивающей фрикционную
связь ролика с наплавленным валиком. Ролик перекаты-
вается по профилю АВ (см. рис. 44) с минимальным
сопротивлением. Износ его поверхности в этом случае
минимальный.
Включение ппевмокамеры последовательно с резино-
вым буфером смягчает толчки нагрузки на ролик, что
также улучшает условия его работы.
Ввиду того, что площадь контакта присадочная про-
волока — металл основы изменяется за время формиро-
вания единичной площадки от нуля (рис. 53,6) до не-
которого конечного значения (рис. 53,а), существует
необходимость и в соответственном изменении за это
время величины усилия, развиваемого механизмом на-
гружения. Таким образом, еще одним требованием к ме-
ханизму нагружения наплавляющего ролика является
возможность модуляции нагрузки за время формирова-
ния единичной площадки наплавленного металла.
Устройство для формирования импульсов тока на-
плавки должно обеспечивать минимальные длительности
импульсов до 0,005 с. При этом ввиду изменяющейся
плотности тока возможность модуляции его за время
формирования единичной площадки металла также яв-
ляется одним из основных требований к таким устрой-
ствам.
2.	Основные части установки
для электроконтактной наплавки
Установка для электроконтактной наплавки, независимо
от назначения и номенклатуры наплавляемых деталей,
состоит из следующих элементов: базового стайка; кон-
1актного патрона с токосъемником пли другого контакт-
ного устройства, позволяющего включать наплавляемые
детали в сильноточную цепь наплавки и обеспечивать их
вращение; наплавочной головки; источника тока на-
плавки; устройства для формирования импульсов тока
наплавки; устройства для автоматического управления
и роцессом наплавки.
Базовый панок. В качестве базы установки целесо-
образно использовать токарно-винторезный станок, так
75
как используются механизмы станка, обеспечивающие
основные перемещения детали и наплавляющей головки.
Основные параметры станка — высота центров и
межцентровое расстояние — должны обеспечивать уста-
новку и крепление детали максимальных размеров.
Базовый станок должен быть оснащен устройством,
уменьшающим число оборотов. Для этих целей могут
применяться понижающие редукторы, коробки передач,
механические вариаторы различных типов. Для плавной
регулировки числа оборотов патрона может применяться
гидропривод.
В качестве базы успешно используют и специально
разработанные станки.
Разработанный ГОСНИТИ базовый станок для ме-
ханизированных способов наплавки с плавной регули-
ровкой числа оборотов шпинделя и скорости подачи ка
ретки, несущей наплавочную головку, используется в ка
чествс базы установки для электрокоптактной
наплавки
в передвижных ремонтных мастерских.
Приводной двигатель такого станка можно
по разработанной нами же методике [32].
выбрать
Для определения мощности двигателя
необходимо
определить суммарные потери мощности во всех
кинематической цепи установки.
звеньях
Мощность приводного двигателя расходуется па прео
деление сопротивления перекатыванию
наплавляющего
ролика по поверхности наплавленного валика, продоль
ному перемещению ролика, перемещению суппорта на
груженного трансформатором с
наплавочной головкой, а также
элементами
подвески
вращению деталей ре
дуктора или вариатора.
Для определения потерь мощности на
наплавляющего ролика по наплавляемой
перекатывание
необходимо ввести следующие допущения.
поверхности
и
1.	В связи с цикличным характером процесса наплав
ки сопротивление перекатыванию
наплавляющего ролика
максимально во время паузы и минимально во время
действия импульса тока вследствие осадки нагретого ме-
талла. Для расчета примем сопротивление перекатыва-
нию постоянным и равным максимальному.
2.	Вследствие обратной деформации сжатой пружин J
или резинового буфера нагружающего устройства при
осадке присадочной проволоки нагрузка на ролик не!
сколько уменьшается. Для расчета допустим, что сил<«1
76
приложенная к ролику, постоянна и равна по величине
силе, действующей до осадки проволоки.
3.	Наибольшее сопротивление перекатыванию наплав-
ляющего ролика имеет место в конце паузы, когда ролик
перекатывается относительно точки Л1 (рис. 54). В кон-
це импульса и начале паузы сопротивление перекатыва-
нию ролика значительно меньше.
Допустим, что ролик перекатывается относительно
точки /VI в течение всего цикла.
С учетом допущений момент сопротивления перекаты-
ванию наплавляющего ролика, кг-м:
Мтр. К.... р - 975 Р, (Ж)/(П -75),	(12)
а мощность, расходуемая на перекатывание, кВт:
Nтр. к. и. р = Л^тр. к. я. р од/102 ,	(13)
где —усилие, приложенное к наплавляющему ролику;
п— число оборотов наплавляющего ролика;
МК = | МО^— КО2 = 0,5 |	- rfn)2,
где Р —диаметр детали; — диаметр присадочной про-
волоки; о>! — угловая скорость наплавляющего ролика.
Момент трения скольжения оси наплавляющего ро-
лика при его вращении и соответствующие потери мощ-
ности, кВт, определяются по формулам:
Л4тр. СК. н. р “ /ск 1 j
Nтр. ск. н. р — ^тр. ск. н. р Ы/102 .
Момент грения скольжения при продольном
шении
переме-
Л4Тр. ск. и, п
(15)
а затрачиваемая на перемещение мощность
Л^Тр. СК. П. П Л4Тр. ск йД/102 ,	(15)
Потребная мощность на перемещение суппорта стан-
ка, нагруженного трансформатором с элементами под-
вески и наплавляющей головкой, может определяться
Рис. 54. Схема к расчсг> сопро-
тивления перекатыванию наплавля-
ющего ролика:
I — наплавляющий ролик; 2 — при-
садочная проволока; 5 — наплавля-
емая деталь
77
как потеря мощности на преодоление трения скольжения
в передаче суппорта винт — гайка:
MTp.CK.B_r’=fCKQ,	(17)
где fCK — коэффициент трения скольжения стали по
бронзе в масле (f™—0,015); Q —суммарный вес суп-
порта, трансформатора с подвеской и наплавляющей го-
ловки.
Мощность па перемещение нагруженного суппорта
ЛГ„. суп = Мгр. СК. п - I- ®в/1 02 ,	(18)
где con — угловая скорость вращения винта.
Потери мощности в понижающем редукторе и вариа-
торе определяются их коэффициентами полезного дейст-
вия.
Мощность приводного двигателя равна суммарным
потерям мощности во всех рассмотренных элементах ки-
нематической цепи, умноженной на коэффициент запаса
-.1,5):
ЛГПр. дв = К. ЛТеУМ п-	(19)
Контактный патрон с токосъемником. Он служит для
включения детали в сильноточную цепь наплавки. Схема
этого узла показана на рис. 55. Стандартный патрон
токарно-винторезного станка 5 крепится к шпинделю 1
бронзовой фасонной втулкой 2. На кулачках патрона 6
закреплены медные накладки 7, соединенные с буртом
втулки 2 гибкими шинами 4 из пакетов медной фольги.
С цилиндрической поверхностью втулки 2, вращающейся
во время наплавки, контактирует неподвижная щетка 3,
выполненная в виде обоймы, охватывающей втулку.
На рис. 56 показаны различные конструкции контактно-
го патрона с токосъемником для установок электрокон-
тактной наплавки.
Головка ГКН-9 для наплавки наружных цилиндри-
ческих поверхностей. Наплавочная головка предназначе-
на для подвода тока в зону наплавки, передачи усилия,
требуемого для обеспечения контакта присадка -деталь
и деформации нагретой проволоки. Кроме того, напла-
вочной головкой обеспечивается такое расположение при-
садочной проволоки в процессе наплавки, при котором
отдельные площадки наплавленного металла перекрыва-
ются по площади, образуя сплошной слой металла.
Исследованиями были определены требования к обо-
рудованию для электроконтактной наплавки и сконструи-
рованы первые образцы наплавочных головок [36-
37].
78
Рис. 55. Схема контактного пагронч с токосъемником
За время исследований электроконтактной наплавки
нами разработано более 10 модификаций наплавочных
головок.
Наиболее совершенна головка ГКН-9 для наплавки
цилиндрических деталей1.
1 Клименко Ю. В., Георгиеаскии Н. Н , Монеев С. И. и др. Авт.
гнид. № 448098 — «Открытия, изобретения, пром, образцы, товарные
«паки», 1974,	40, с 28.
79
Существенные недостатки конструкций наплавочных
головок—необходимость частой зачистки наплавляюще-
го ролика (с демонтажом его) и значительная энерго-
емкость, намного превышающая фактическую энерго-
емкость процесса образования металлопокрытия.
Частая зачистка наплавляющего ролика обусловлена
деформацией его контактной поверхности и образовани-
ем на ней кольцевых канавок, что является следствием
многократного воздействия температуры и стальной при-
садочной проволоки.
Повышенная энергоемкость наплавочной головки
обусловлена потерями мощности во вторичном контуре
сварочного трансформатора. При любой схеме электро-
Рис. 56. Контактные патроны с токисьсмииком:
/ и 2 — установки УКН-8; 5-установки УКН-6; 4 — установки УКН-8М
80
контактной наплавки электрическая мощность теряется
в переходах «источник тока — металл Основы» и токовс-
дущих участках наплавляемой детали. При самой опти-
мальной. схеме электроконтактной наплавки в контакте
«ролик — металл основы», через который проходит им-
пульс тока наплавки, теряется до 20% энергии импульса.
Максимальное снижение потерь электрической энер-
гии в наплавочной головке Г КН -9 достигается реализа-
цией принципиально новой технологической схемы элек-
гроконтактной наплавки.
На общей каретке наплавочной головки (рис. 57)
расположены два узла подвески наплавляющих роликов.
Наплавочная головка крепится на продольном суппорте
базового токарно-винторезного станка.
Устройство узлов подвески наплавляющих роликов
показано на рис. 58. На основании 7 с помощью винта-
оси 6 крепится качающая кулиса 5, несущая коническую
ось 2 наплавляющего ролика /. Хвостовик конической
оси 2 соединен с первичным валом 4 редуктора 5. Вто-
ричный (ведомый) вал этого редуктора — винт-ось 6.
Ролик / вращается наплавляемой деталью, следова-
тельно, вращается и винт-ось 6, перемещая качающуюся
кулису 3 вместе с осью 2 и роликом 1 относительно осно-
вания 7 на величину В, равную ширине ролика. При
этом ролик перемещается в крайнее левое положение, и
присадочная проволока, поступающая через жестко сое-
диненную с основанием направляющую втулку (па рис.
55 не показана), контактирует с роликом по правому
краю его рабочего пояска. В крайнем левом положении
кулисы 3 срабатывает конечный выключатель, переклю-
чается реверс редуктора и кулиса 3 начинает переме-
шаться вправо.
В результате вся рабочая поверхность наплавляю-
щего ролика виток за витком контактирует с присадоч-
ной проволокой и равномерно изнашивается, длитель-
ность эксплуатации наплавочных роликов без переточки
увеличивается в 8—10 раз.
Канавки на рабочей поверхности наплавляющих ро-
ликов не образуются. Поэтому достаточно периодически
очищать ролики от грязи и нагара стальной вращаю-
щейся щеткой 6 непосредственно при работе. Наплавоч-
ную головку с присадочной проволокой относительно
детали перемещают с помощью продольного суппорта
базового станка.
81
82
Pttc. 58. Узел подвески наплавляющего ролика
Головка работает следующим образом. Под ролик
подается присадочная проволока. Второй ролик при
•этом прижимается к детали с противоположной стороны
и в течение первого полуоборота наплавляемой детали
является контактным. Длительность импульсов и пауз
согласовывают с окружной скоростью наплавляемой
поверхности так, что ролик, под который подают приса-
дочную проволоку, наплавляет единичные площадки,
не перекрывающие друг друга.
Положение второго наплавляющего ролика регулиру-
ют так, что при заданных диаметре детали и режиме
наплавки он контактирует с наплавленным валиком ме-
талла в области пропусков. Таким образом, по истечении
первого полуоборота наплавляемой детали оба ролика
являются наплавляющими, один из которых наплавляет
валик с пропусками, а второй одновременно с первым
наплавляет металл в эти пропуски. При этом обе еди-
ничные площадки наплавляются одним импульсом тока
наплавки. Из-под второго ролика выходит наплавленный
налик с перекрытием по площади всех единичных пло-
щадок наплавленного металла.
83
Головка ГКН-СМ для наплавки наружных цилиндри-
ческих поверхностей). Результаты исследования условий
формирования и соединения единичных площадок на-
плавляемого металла с основой показывают, что, регу-
лируя усилие прижатия ролика, можно повысить эффек-
тивность импульсов тока наплавки, вследствие чего
снижается энергоемкость и повышается производитель-
ность пронесся.
Для иллюстрации этого вывода рассмотрим цикл на-
плавки единичной площадки металлопокрытия с по-
мощью наплавочных головок с постоянной нагрузкой на
ролике [35—36].
Цикл наплавки включает единичный импульс тока
синусоидальной формы I=J(t) при постоянной нагрузке
на наплавляющий ролик (Рр—const).	1
Величина нагрузки выбирается экспериментально по
максимальному значению тока наплавки из условие
нагрева присадочного металла до необходимой темпера-
туры без выплесков. Очевидно, что большему значению
тока наплавки должна соответствовать большая нагруз-
ка па наплавляющий ролик. Поскольку ток импульса
непрерывно изменяется от нуля до максимума, выбран
пос из условия необходимого пагрева значение нагрузки
является оптимальным только для малой части длитель-
ности импульса, соответствующей максимальным знача
ниям тока. В течение остальной большей части длитель-
ности импульса давление является избыточным.
Ясно, что для максимального тепловыделения в лю-
бой момент длительности импульса синусоидального тото
величину нагрузки, приложенной к наплавляющему ро
лику, необходимо также изменять по синусоидальному
закону синхронно с изменением тока.
Применение существующих механизмов нагружение
наплавочных головок [27—32] для этой цели практнчсс
ки невозможно ввиду чрезвычайной сложности обеспече
ния синхронизации импульсов нагрузки с импульсам!
тока.
Наплавочная головка ГКН-СМ (рис. 59) являете!
первым конструктивным решением, обеспечивающие
синхронное изменение нагрузки на наплавляющем роли
ке по закону изменения тока наплавки.
1 Клименко 10. В.. Ульянова Н. Л. Авт. свиц. № 502723. — «О'
крытия, изобретения, пром, образцы, товарные знаки», 1976, АГ?
с. 28.
84
Рис. GO. Схема наплавочной голов-
ки ГКН-СМ
Рис, 59, Внешний вид наплавочной
юловки ГКН-СМ
Головка (рис. 60) состоит из наплавляющего ролика
1 с узлом подвески 2, закрепленного на токоведущей
шипе 5, расположенной параллельно относительно вто-
рой токоведущей шины 4 и соединенной с ней шарни-
ром 5; гибкого пакета 6 из медной фольги - - проводника,
соединяющего между собой шины 5 и 4; механизма
предварительного нагружения 7 — пневмокамеры, жест-
ко закрепленной на шине 4 и воздействующей своим
штоком на шину 3 через изоляционную прокладку 8;
направляющего устройства 9 для подачи присадочной
проволоки 10 в зазор между наплавляемым изделием 11
и роликом Л
Головка для электроконтактной наплавки работает
следующим образом. Присадочную проволоку 10 прижи-
мают к изделию И с помощью механизма предвари-
тельного нагружения 7. Затем подают импульс тока, за
время прохождения которого наплавляется единичная
площадка при переменной (модулированной) нагрузке
на ролик, обеспечиваемой основным механизмом нагру-
жения— токоведущими шинами 3 и 4, одна из которых
несет па себе узел подвески 2 наплавляющего ролика /,
а вторая жестко закреплена относительно наплавляе-
мого изделия 11.
Этот механизм работает по принципу взаимодействия
двух параллельных проводников с током.
85
Сила взаимодействия проводников равной длины,
определяемая по формуле
F = Но Л 4 М2 г. а),	(20)
приложена к подвеске ролика, а следовательно, через
ролик передается па присадочную проволоку синхронно
с изменением тока наплавки.
Головка ГКН-ПМ для наплавки наружных цилиндри-
ческих поверхностей1. Для изменения давления наплав-
ляющего ролика по заданному закону синхронно с им-
пульсом тока наплавки и в зависимости от величины
деформации присадочной проволоки головка ГКН-ПМ
(рис. 61) снабжена пневматическим модулирующим ме-
ханизмом нагружения.
Присадочную проволоку 11, подаваемую через на-
правляющее устройство 3, прижимают роликом 1 к де-
тали 10 давлением Р и включают прерыватель тока.
Включая импульс тока, начинают деформацию приса-
дочной проволоки. Штанга 4 с зубчатым сектором 5 под
действием нагрузки Р проворачивается вокруг своей оси
качания влево, перемещая влево в направляющих осно-
вания 6 рейку 7. Конусный элемент 8, входя в отвер-
стие 9 корпуса пневмопривода 2, уменьшает сечение
Рис. 61. Схема
головки ГКН-ПМ
наплавочной
Рис. 62. Схема наплавочной
гслонки ГК11-П
/ — контактное устройство; 2—наплав-
ляемая деталь; 3 — наплавляющий ро-
лик; 4 •привод давления; 5 — на-
правляющая присадочной проволоки;
6 — ведущий ролик; 7 — привод пере-
мещения; 8 — присадочная проволока
1 Клименко Ю. В. Авт. свид. № 500940. — «Открытия, изобрете-
ния, пром, образцы, товарные знаки**, 1976, № 4, с. 38.
86
сгруи воздуха» увеличивая усилие штока. После прохож-
дения импульса тока вследствие непрерывного враще-
ния детали ролик / отжимается недеформированной
проволокой вправо, поворачивая штангу 4 с зубчатым
сектором 5 и перемещая рейку 7 вправо. Конусный эле-
мент 8, вдвигаясь внутрь, постепенно увеличивает сечение
струи воздуха, и давление постепенно падает до началь-
ного.
Таким образом, давление изменяется синхронно с
импульсом тока в зависимости от деформации проволо-
ки и обеспечиваются не только оптимальные условия
формирования единичных контактных площадок, но и
автоматическая корректировка давления наплавляющего
ролика в зависимости от параметров режима наплавки.
Головка ГК1ГП для наплавки плоских дисковых
поверхностей1. Это первый вариант головки для элек-
1 роконтактпой наплавки плоских дисковых поверхностей.
При наплавке дисковых поверхностей необходимо обес-
печить постоянную окружную скорость наплавки неза-
висимо от изменяющегося от периферии к центру радиу-
са витков наплавляемого металла. В рассматриваемой
конструкции наплавочной головки это достигается тем,
что наплавляющий ролик выполнен в виде соединенных
большими основаниями усеченных конусов, один из ко-
торых обращен к наплавляемой поверхности, а другой
фрикционно связан с приводным коническим роликом
механизма вращения.
Головка ГКН-П (рис. 62) состоит из контактного
устройства /, вращающего деталь 2 и включающего
се в цепь тока наплавки; наплавляющего ролика 3 с
приводом давления 4; направляющей присадочной про-
волоки 5; ведущего конического ролика 6 и привода
перемещения 7 присадочной проволоки 8, состоящего из
винтовой пары, приводимой во вращение электродвига-
телем (на рис. не показан).
Перед началом работы деталь 2 устанавливают так,
чтобы больший диаметр ее плоской дисковой наплавля-
емой поверхности сопрягался через присадочную прово-
локу 8 с роликом 3 по большему диаметру конуса, обра-
щенного к наплавляемой детали. Приводом 4 обеспечи-
вают необходимое для наплавки давление. Затем вклю-
1 Клименко Ю. В., Каракозов Э. С., Твердохлебов В. В. и др.
Авт. свид. № 512881. — «Открытия, изобретения, пром, образцы, то-
варные знаки», 1976, № 47, с. 45.
87
чают механизм вращения наплавляющего
При вращении ведущего конического ролика 6 посредст-
вом фрикционной связи вращение передается на ролик 3,
при этом наплавляемая деталь 2 вращается за счет
фрикционной связи с роликом 3. Так происходит наплав-
ка кольцевого валика металла. Скорость вращения дета-
ли согласована с темпом подачи импульсов тока. После
наплавки первого кольцевого валика включается привод
перемещения 7 присадочной проволоки, обеспечиваю-
щий укладку последующего валика по спирали с нахлес-
том па ранее наплавленный. Постоянная линейная ско-
рость наплавки валиков роликом 3, диаметр рабочей
поверхности конуса которого при перемещении присадоч-
ной проволоки 8 к центру детали 2 в процессе наплавки
непрерывно уменьшается, обеспечивается соответствую-
щим увеличением диаметра поверхности наплавляющего
ролика, контактирующего с ведущим роликом 6, за
счет перемещения его вдоль образующей второго конуса
синхронно с перемещением присадочной проволоки от
привода се перемещения 7.
Наплавляющий ролик. Это наиболее важная деталь
головки, определяющая условия формирования метал-
лопокрытия.
Температура ролика в зоне контакта с присадкой
400—800°С, а механические напряжения ролика достига-
ют 20 кге/мм2. В поверхностном слое ролика протекают
наклеп и рекристаллизация, происходит разупрочнение
металла. Поэтому ролик должен быть выполнен из жа-
ропрочного сплава с высокой электропроводностью.
Основой современных сплавов для электродов кон-
тактных сварочных машин является медь. Наиболее
жаропрочными являются сплавы системы Си—Со—Be,
Си—Сг—Cd, Си—Ni— -Be—Ti и др. Лучшие характе-
ристики имеет бронза БрНБТ (1,4—1,6% Ni; 0,2—
0,4% Be; 0,05—0,15% Ti). Твердость ее после термоме-
ханической обработки (закалка в воде после выдержки
при 960—980°С в течение 1,5—2 ч, холодной деформа-
ции 40—60% и старения при 420—460°С в течение 4 ч)
НВ 230, предел прочности 75—80 кге/мм2, температура
рекристаллизации 510сС, электропроводность составляет
55% от электропроводности меди.
Перспективно применение наплавляющих роликов из
элконайтов — сплавов на основе тугоплавких металлов
или их карбидов и меди.
88
Наплавляющий ролик—диск толщиной 10—15 мм со
ступицей. Ролик может изготавливаться составным: на
медной ступице — обод из жаропрочного сплава. Для
увеличения долговечности наплавляющий ролик целесо-
образно охлаждать проточной водой.
Возможны несколько вариантов охлаждения роли-
ка— погружением нижней части вращающегося ролика
в ванну с проточной водой, открытой струей воды или
через внутреннюю полость ролика.
Устройства, формирующие импульсы тока наплавки. В установ-
ках для электрокоптактной наплавки целесообразно использовать
трансформаторы с повышенным вторичным напряжением. Во всех ва-
риантах установки для электроконтактной наплавки нами использован
трансформатор подвесной точечной машины 1МТПП-75 мощностью
75 кВА, вторичное напряжение которого регулируется от 4,7 до 21 В.
Число ступеней регулирования 16.
Источник импульсов тока — важнейшая часть установки для
электроконтактной наплавки, определяющая стабильность заданно-
го режима, качество наплавленного металла.
Первые образцы установок для электроконтактной па плавки
оснащались серийно выпускаемыми отечественной промышленностью
игнитронными прерывателями тока типа ПИШ с унифицированной
схемой силовой части. Схема электронного управления прерывателем
пита ПИШ также унифицирована и обеспечивает равные по величине
и длительности импульсы тока, разделенные одинаковыми паузами,
и их регулировку.
Синхронность включения прерывателя обеспечивает начало про-
хождения тока с полуволн одной и той же полярности, а точная до-
зировка времени импульсов исключает асимметрию в числе полуволн
тока. Прерыватели этого типа снабжены корректирующей цепочкой,
исключающей асимметрию .импульсов вследствие некоторого раз ли
иия параметров игнитронов и обеспечивают стабилизацию тока при
колебаниях напряжения сети за счет компенсирующей связи, автома-
тически изменяющей угол поджигания игнитронов и тем самым под-
шрживающей установленное значение тока наплавки. Кроме того,
прерыватели снабжены фазовой регулировкой нагрева для плавного
изменения действующего значения тока в пределах от >100 до 50%.
Существенный недостаток игнитронных прерывателей — наличие
в их схемах большого количества электромагнитных реле с откры-
тыми блоками контактов, которые являются .источниками всевозмож
пых неисправностей. Особого обслуживания требуют сами ртутные
лампы (игнитроны). Все игнитронные прерыватели громоздки и тре-
буют периодического обслуживания.
С учетом рекомендаций [38] нами в серийном прерывателе тока
НИШ-50 игнитроны были заменены тиристорами ВКДУВ-150, что
позволило увеличить 'надежность прерывателя, уменьшить его раз-
меры и упростить обслуживание. Однако основной недостаток
серийных прерывателей — включение основных коммутирующих це-
пей с помощью электромагнитных реле —- при этом не устранен.
Кроме того, серийные прерыватели машин для контактной сварки
имеют ограничение по минимально возможной длительности импуль
гон тока (не менее одного периода).
89
I
R13, ЗЧОк
90
С учетом недостатков существующих прерывателей тока и тре-
бований процесса электрокошактной наплавки нами разработан пре-
рыватель тока ТПН-50 с коммутирующей мощностью 50 кВт.
Наряду с заменой игнитронов тиристорами примененная в пре-
рывателе транзисторная схема управления проста и надежна» обес-
печивает минимальную длительность единичного импульса 0,005 с,
н м исключается возможность намагничивания стали трансформатора
при нечетном количестве полупериодов синусоидального тока в им-
пульсе. Прерыватель потребляет незначительную мощность, имеет
шачитслыю меньшую массу (15 кг) и габариты (300X200X500 мм).
Первичная обмотка трансформатора подключается к однофазной
питающей сети напряжением 380 В, Длительности импульсов тока
наплавки и пауз между ними, а также величина тока регулируются.
Прерыватель включает в себя тиристорный контактор. Контактор
прерывателя с транзисторным блоком управления (рис. 63) состоит
из двух тиристоров, включенных встречно-параллельно в цепь пер-
вичной обмотки сварочного трансформатора.
Вл ок управления тиристорным контактором работает следую-
щим образом. Фазосдвигающая цепочка, образованная конденсато-
ром Cj и резисторами и Т?2, формирует сшпал в соответствующей
фазе по отношению к первичному напряжению трансформатора Тр1
(линейному напряжению сети), к которой подключается сварочный
трансформатор Тр4. АЪостиковый выпрямитель Д1—Д4, усилитель-
ный каскад на транзисторе ПП1 и эмиттерный повторитель на тран-
сформаторе ПП2 обеспечивают формирование импульсов с крутым
передним фронтом, частота следования которых равна удвоенной
частоте сети (100 Гц). Оконечный каскад состоит из предварителы
кого усилителя, собранного на транзисторе 11113, и усилителя мощ-
ности ПП4. Работа предвари тельного усилителя зависит от состоя-
ния тиристора Т1. Эмиттер транзистора ППЗ подключается к
источнику питания только при открытом состоянии тиристора Г/.
Так как предварительный усилитель работает в ключевом режиме, в
коллекторной цепи транзистора ППЗ будет протекать ток только в
момент поступления па его вход прямоугольных импульсов с эмит-
терного повторителя.
Кратковременные импульсы коллекторного тока индуктируют во
вторичной обмотке Тр2 импульсы напряжения, которые после усиле-
ния трапзисторОхМ ПП4 создают в обмотках ТрЗ II и III импульсы,
отпирающие тиристоры ТЗ и Т4. Время открытого состояния тиристо-
ра Т1, а значит, и длительность импульса тока наплавки определя-
ется продолжительностью закрытого состояния транзистора ПП5.
Длительность паузы между импульсами тока зависит от времени за-
крытого состояния транзистора ПП6. Транзисторы ПП5 и ПП6 об-
разуют мультивибратор, с коллекторными цепями которых связаны
цепи управления тиристоров ТЗ и Т4, В момент закрытия транзисто-
ра ПП6 открывается тиристор Т2, так как 'на его управляющий элек-
трод через цепочку, образованную сопротивлением R21 и конденса-
тором С5, поступает сигнал положительной полярности. Прп откры-
тии тиристора Т2 в результате перезарядки конденсатора С24 па ка-
тод тиристора Т1 подается положительный потенциал, и тиристор Т1
закрывается. Аналогично при работе тиристора Т1 запирается тири-
стор Т 2.
Длительность импульса тока наплавки при закрытом состоянии
транзистора ППЗ регулируют, подключая в базовую цепь этого трап-
шетора конденсаторы С16—С23. Длительность пауз между импуль-
сами тока определяется емкостью конденсаторов С6> С8 и С13, вклю-
91
ЧеНпых в цепь базы транзистора ПП6. Длительность импульсов тока
и пауз регулируют в пределах 0,05—0,02 с, изменяя емкости в цепи
баз транзисторов /7/75 и /7776,
Для исключения подмагничивания сердечника сварочного тран-
сформатора наплавку импульсами тока с нечетным количеством по-
лупериодов осуществляют только при паузах, длительность которых
соответствует целому числу периодов тока наплавки.
Синхронизацию работы мультивибратора с частотой сети осуще-
ствляю г подачей в пень коллектора транзистора /7/75 синхронных им-
пульсов с эмиттерного повторителя через конденсаторы связи С5,
С7, С9, С12 и С14. В целях регулировки величины связи, необходимой
для стабильной работы мультивибратора, емкость связи при разных
паузах между импульсами различна. Емкости связи коммутируют пе-
реключателями 11111 и реле Р1 и Р2. Питание схемы управления осу-
ществляется через стабилизирующее устройство, собранное на cra-
ft или тронах Д14—Д17.
Устройство для автоматического регулирования про-
цесса наплавки1. Для каждого конкретного случая на-
плавки, характеризующегося геометрическими размера-
ми наплавляемого изделия и присадочной проволоки,
электрическими, механическими и теплофизическими кон-
стантами металлов (в дальнейшем параметрами систе-
мы), существует вполне определенный режим, обеспечи-
вающий заданные свойства наплавленного слоя металла.
Отклонение параметров электроконтактной наплавки
от оптимальных существенно влияет на условия форми-
рования наплавляемого слоя металла и соединения его
с основой. В производстве постоянно возникают некон-
тролируемые факторы, влияющие на указанные пара-
метры, приводящие к различной прочности соединения
площадок наплавленного металла с основой, т. е. сниже-
нию качества наплавки.
Поэтому существует необходимость автоматически |
регулировать режим наплавки, так как регулировать па-1
раметры системы в процессе наплавки невозможно. I
Для автоматической регулировки режима необходимо:!
— выбрать параметр процесса наплавки, критерий on-1
тимизации, комплексно и однозначно характеризующий I
условия формирования металлопокрытия и соединения!
его с основой;	I
— выбрать управляющие параметры режима, воздей-
ствуя на которые можно восстановить оптимальные ус-1
ловия формирования слоя металла и соединения его с ос-
1 Клименко Ю. В., Захаров С. д. А в г. свид № 484060.—«От!
крытия, изобретения, пром, образцы, товарные знаки», 1975, № 34,
с. 27.
92
Повой, нарушенные колебаниями остальных параметров
режима или системы присадка — изделие;
— разработать систему автоматического регулирова-
ния параметров, способную восстанавливать оптималь-
ный режим наплавки при любых его отклонениях.
Методы активного контроля и автоматического
управления процессами контактной сварки [39] основа-
ны на общей модели типа:
£ =	(21)
где Е — критерий качества сварки, например прочность
сварной точки; g — управляющий параметр.
В качестве управляющих параметров используется
сварочный ток, падение напряжения на свариваемом из-
делии, сопротивление между электродами, мощность и
-жергия, выделяющиеся в зоне старки, температура по-
верхности свариваемых деталей под электродами, тепло-
вое расширение металла свариваемых деталей.
Контроль и автоматическое управление процессом
электроконтактной наплавки с помощью перечисленных
параметров невозможны, так как эти параметры одно-
значно не определяют условий формирования металло-
покрытия и соединения его с основой.
Ни температура, ни характер и величина механиче-
ских напряжений в системе присадочная проволока —
изделие в отдельности не определяют условий наплавки.
Из современных представлений о соединении метал-
лов в твердой фазе следует, что основным параметром,
контролирующим образование сварного соединения, яв-
ляется скорость деформации в зоне соединения.
Выбор этого параметра в качестве контролирующего при
электроконтактной наплавке оправдан по следующим
причинам:
скорость деформации присадочной проволоки при на-
плавке единичной площадки металла зависит от величи-
ны Рр, температуры присадочной проволоки Т и ее проч-
ностных характеристик при этой температуре. Следова-
тельно, скорость деформации комплексно характеризует
температуру и механические напряжения в системе при-
садочная проволока — изделие;
скорость деформации присадочной проволоки строго
коррелятивпа с основными параметрами процесса (на-
пример, с эффективным значением тока), которые мож-
но использовать в качестве управляющих параметров ре-
жима наплавки;
93
Рис. 64, Зависимость осадки приса-
дочной проволоки и прочности со-
единения единичной площадки с
металлом изделия от длительноеги
и м п у л ьса ток а I п:
I — ток; б — осадка (деф(»рмацпя);
О — прочность соединения
скорость деформации
присадочной проволоки лег-
ко регистрируется стандарт-
ными датчиками (например,
с помощью измерительного
комплекта ВИ-6М), сигна-
лами которых можно воз-
действовать через исполни-
тельное устройство на уп-
равляющий параметр режи-
ма наплавки;
максимальное значение
скорости деформации приса-
дочной проволоки — наибо-
лее характерная точка кри-
вой деформации за время
цикла.
Правомерность выбора
максимального значения ско-
рости деформации в качестве контролирующего пара-
метра подтверждается также анализом эксперименталь-
ных кривых тока и осадки присадочной проволоки за
время импульса.
На рис. 64 показаны экспериментальные зависимости
тока Л осадки присадочной проволоки 6 и прочности сое-
динения присадки с основой от длительности импульса.
В точке В деформация присадочной проволоки пре-
кращается и площадь контакта ее с поверхностью дета-
ли стабилизируется. Нагрев импульсом тока при этом
продолжается. Такой характер изменения 6 объясняет-
ся тем, что по мере деформации присадочной проволоки
и роста площадей контакта присадочная проволока -•
изделие и присадочная проволока — наплавляющий ро-
лик плотность тока и, следовательно, интенсивность на-
грева снижаются, а теплоотвод в деталь и ролик возра-
стает.
При некоторых величинах контактных площадок
устанавливается динамическое тепловое равновесие си-
стемы, при котором количество генерируемого тепла рав-
но количеству тепла, отводимого из зоны нагрева. С это-
го момента (точка В) и до конца прохождения импульса
тока (точка С) завершается соединение единичной пло-
щадки металла с поверхностью наплавляемой детали в
нагретом состоянии под давлением.
94
Установлено, что с начала включения импульса тока
(Л) до окончания осадки присадочной проволоки (точка
В) соединение образуется только в центре площади кон-
такта.
Соединение отформованной единичной площадки ме-
(алла по всей площади контакта начинается после окон-
чания деформации присадки. Максимальная прочность
соединения достигается за время tc, зависящее от темпе-
ратуры и давления в зоне соединения.
Общая длительность импульса тока, при которой об-
разуется качественное соединение, включает время фор-
мования (£ф) и время соединения отформованной пло-
щадки с основой (/с).
Интенсивность деформации присадочной проволоки —
основной параметр, контролирующий образование на-
плавленного слоя металла. Поэтому скорость деформа-
ции может являться параметром оптимизации электро-
контактной наплавки.
Для использования выбранного параметра в системе
автоматического управления процессом электроконтакт-
ной наплавки экспериментально определена зависимость
прочности соединения наплавленного слоя металла с ос-
новой <т от максимальной скорости деформации приса-
дочной проволоки v (рис. 65).
При определении прочности соединения наплавленно-
го металла с основой регистрировали параметры процес-
са наплавки и скорость деформации присадочной прово-
локи, используя комплект виброиз мерительной аппарату-
ре 66. Зависимость прочности
мдннспия О’ наплавленного слоя
•палла с основой от скорости дс-
(врмации V присадочной проволоки
иг. 66. Схема устройства для ан
►магического регулирования про-
ке.» электроконтактной наплавки
95
ры ВИ6-М с датчиками скорости ДС-5. Нами было раз-
работано устройство для автоматического регулирования
процесса, "обеспечивающее автоматическое регулирова-
ние величины активного сопротивления в цепи моста пре-
рывателя тока типа ПИШ в функции максимального зна-
чения скорости деформации присадочной проволоки прг
формировании каждой единичной площадки наплавлен,
ного металла.
Устройство для автоматического регулирования про-
цесса электроконтактной наплавки (рис. 66) состоит из.
блока контроля максимальной скорости деформации
присадочной проволоки и блока автоматического регули-
рования эффективного значения тока наплавки.
Блок контроля устанавливается на подвижной части
узла подвески наплавляющего ролика и перемещается с
ним в процессе деформации присадочной проволоки.
Основным узлом блока контроля является массивный
якорь / из немагнитного металла, закрепленный по-
средством упругого гибкого стержня 2 на опоре 3, жест-
ко закрепленной на основании 7. Для регулирования уп-
ругости стержня 2 па опору 3 навинчивается насадка 5
с отверстием для стержня 2> обработанным по скользя-
щей посадке. Упругость стержня 2 регулируют путем на-
винчивания насадки 5 на опору 3 и изменения свободной
длины стержня от торца насадки до якоря. Жестко па
якоре 1 закреплены контакт 6 и щетка 7. Жестко с осно-
ванием 4 соединены неподвижный контакт Я и контакт-
ное кольцо 9. Весь блок крепится к узлу подвески нап-
лавляющего ролика с помощью основания 4.
Блок автоматического регулирования эффективного
значения тока наплавки состоит из двух электромагнит-
ных реле Рх и Р2у двухобмоточного шагового реле 10 и
секционированного омического сопротивления //, вклю-
ченного в цепь моста регулирования поджигания игнит-
ронов (выводы ЛД — М2). Подвижный якорь шагового
реле 10 соединен с движком - указателем эффективного
значения тока наплавки (шкала «Нагрев»), выведенным
на панель управления ПИШ.
Перед включением установки определяют оптималь-
ные значения всех параметров режима наплавки, в том
числе соответствующую величину эффективного значе-
ния тока наплавки. В результате в цепь моста регулиро-J
вания поджигания игнитронов будет включена некоторая
часть секций омического сопротивления 11
96
После включения установки начинается процесс на-
плавки. сопровождающийся деформацией присадочной
проволоки при прохождении каждого импульса тока.
При этом за время протекания очередного импульса то-
ка узел подвески наплавляющего ролика вместе с закре-
пленным па нем блоком автоматического контроля мак-
симальной скорости деформации перемещается к детали
па величину деформации присадочной проволоки (0,5—
1,5 мм), а за время паузы между импульсами тока воз-
вращается в исходное положение.
В результате перемещений блока контроля якорь 1
совершает также возвратно-поступательные перемеще-
ния, амплитуда которых в направлении деформации при-
садочной проволоки является функцией скорости дефор-
мации. При этом оптимальному режиму наплавки соот-
ветствует оптимальная величина амплитуды, обозначен-
ная па рисунке штриховой линией Б.
Вследствие отклонений параметров режима от опти-
мальных величина амплитуды колебаний якоря / в на-
правлении деформации присадочной проволоки также
колеблется. Предельно допустимые значения максималь-
ной и минимальной амплитуды колебания якоря /, при
которых не происходит изменения качества наплавляе-
мого металла, показаны па рис. 66 штрих-пунктирными
линиями Л и С.
При больших отклонениях амплитуды якоря срабаты-
вает блок регулирования эффективного значения тока
наплавки.
При значениях максимальной амплитуды отклонения
якоря /, превышающих допустимое значение, замыкают-
ся контакты 6 и 8 реле Р\. В цепи обмотки этого реле про-
текает импульс тока (источники тока в цепях обмотки
реле Р\ и Р2 и обмоток шагового реле // обозначены на
рис. 66 условными знаками), замыкаются его исполни-
тельные контакты, вследствие чего левая обмотка шаго-
вого реле 11 включается в цепь ее источника тока, по-
движное ярмо шагового реле начинает перемещаться вле-
во, переключая секции сопротивления 11. уменьшая его
величину.
В результате снижаются эффективное значение тока
наплавки, скорость деформации и соответственно умень-
шается амплитуда колебания якоря. Если эффективное
значение тока, вызванное уменьшением сопротивления на
одну секцию (один шаг шагового реле 10), оказалось не-
1 Зак. 454
97
достаточным для получения оптимальной скорости де-
формации присадочной проволоки, произойдет повторное
замыкание контактов 6 и S, исполнительные контакты
реле Ру вновь включат левую обмотку шагового реле 10
в цепь ее источника тока, подвижное ярмо переместится
еще на один шаг и включит еще одну секцию сопротив-
ления 11, дополнительно уменьшив эффективное значе-
ние тока наплавки.
В процессе колебаний якоря 1 в области оптималь-
ных амплитуд (между линиями А и С) и в рассмотренном
случае, когда амплитуда превышает предельное макси-
мальное значение, происходит замыкание щетки 7 с кон-
тактным кольцом 9, и обмотка реле Р2 включается в
цепь своего источника тока. Однако при этом правая об-
мотка шагового реле 10 не включается в свой источник
тока, т. к. время срабатывания реле Р$ больше времени
контакта щетки 7 с контактным кольцом 9 при сквозном
движении шетки в одну сторону. При отклонении пара-
метров режима наплавки и увеличении скорости дефор-
мации присадочной проволоки выше предельного значе-
ния устройство для автоматического управления процес-
сом электроконтактной па плавки автоматически умень-
шает эффективное значение тока и этим компенсирует
указанные отклонения.
При амплитуде отклонения якоря 1 меньше допусти-
мого значения щетка 7 контактирует с кольцом 9 до вы-
хода из него; общего времени контакта щетки 7 с контак-
тным кольцом 9 достаточно для срабатывания реле
Р2, исполнительные контакты которого подключают пра-
вую обмотку шагового реле 10 к ее источнику тока, а
подвижный якорь шагового реле начинает перемещаться
вправо, переключая секции сопротивления 11, увеличи-
вая его величину, а в результате, увеличивая эффективное
значение тока наплавки. Таким образом компенсируются
отклонения значений параметров режима, приводящие к
снижению скорости деформации присадочной проволоки.
Устройство обеспечивает поддержание скорости дефор-
мации присадочной проволоки в узком диапазоне, что
позволяет получать металлопокрытия, имеющие стабиль-
ную прочность соединения с металлом основы.
Для получения соединений различной прочности же-
сткость упругого гибкого стержня 2, несущего якорь /,
регулируется изменением свободной длины стержня. При
этом жесткость стержня 2 регулируется насадкой 5, на-
98
винчиваемой на опору 3, так, что любой требуемой ско-
рости деформации присадочной проволоки соответствует
оптимальное значение амплитуды отклонения якоря 1,
обозначенное линией В.
Положение насадки 5 соответствующее требуемой
прочности соединения металлопокрытия с металлом ос-
новы, устанавливается с помощью штурвала 12, которым
вращают насадку 5, по шкале 13, тарированной в едини-
цах прочности соединения.
3. Конструкции установок
для электроконтактной наплавки
При проектировании установок для электроконтактной наплавки
можно использовать узлы машин для контактной сварки, а иногда
н сами машины, оснастив их соответствующими наплавочными
головками и устройствами для автоматического регулирования про-
цесса.
На рис. 67 показана установка У КН-6 для электроконтактной
наплавки крупногабаритных деталей (например, балансиров) на ба-
зе машины МШПС-75 для шовной сварки сильфонов.
Машина имеет станину, в которую встроен сварочный тран-
сформатор и электромашинный преобразователь для питания
приводного двигателя постоянного тока, позволяющий плавно из-
менять число оборотов шпинделя, несущего патрон с медными
кулачками.
(Передняя и задняя бабки сварочной машины подняты, в резуль-
тате высота центров установки увеличилась до 550 мм. В установке
применена наплавочная головка типа ГКН-9 с коническим узлом под-
вески наплавляющего ролика. Подача каретки, несущей качающуюся
стойку с наплавочной головкой, осуществляется от электродвигателя
постоянного тока через червячный и конический редукторы. Двига-
тель питается от селеновых выпрямителей. Установка имеет следую-
щую техническую характеристику:
Максимальный диаметр восстанавливаемой детали, мм .	900
Минимальный диаметр восстанавливаемой детали, мм . .	20
Максимальная толщина наплавляемого слоя, мм................2,0
Минимальная толщина наплавляемого слоя, мм .... 0,2
Производительность установки при наплавке слоя металла тол-
щиной 1,5 мм, см2/мин ......	....	.	.110
Потребляемая мощность, кВт:
максимальная . .	...	. .	....	45
минимальная .............................................. 5
•1* Зак. 454
99
Основной недостаток
установки У КН-6— не-
удовлетворительна я же-
сткость базы машины
МШПС-75, вследствие
чего величина перекры-
тия соседних валиков
паплапляемого м сталла
нестабильна.
Кроме того, незави-
симый привод вращаю-
щего деталь контактно-
го патрона и меха-
низма продольной подачи
наплавочной головки за-
трудняет согласование
основных технологиче-
ских перемещений дета-
ли и наплавочной голов-
ки.
1'ис. 67. Установка УК! 1-6	Эти недостатки уст-
ранены в установке для
электроконтактной на-
плавки У КН-8М (рис 68) па базе токарпо-винторезпого станка ЛТ-10
с использованием узлов машины АШТПС-75.
Электрическая схема установки (рис. 69) обеспечивает управле-
ние всеми технологическими перемещения лги элементов установки,
включение и выключение тока наплавки и запуск системы охлажде-
ния. В состав электрооборудования установки входят прсобразоза-
'>ель ЭМУ-12А, двигатель П-32 привода контактного патрона, элек-
Рис 68. Установка УКН-8М
100
I’liс ЬУ. Электрическая схема установки УКН-НМ
тропнсвмоклапан КПЭМ-10, двигатель ПЛ-22 привода насоса си-
стемы охлаждения, прерыватель ПИШ-75, сварочный трансформа-
тор.
Коммутация силовых цепей осуществляется с помощью приборов
автоматики, реле и магнитных пускателей, включение и отключение
которых производится с пульта управления.
Электрическая схема установки работает в двух режимах — на-
ладки и рабочем. В режиме наладки производятся автономный запуск
и настройка всего оборудования установки. При этом преобразова-
тель включается магнитным пускателем МП при нажатии кнопки
двигатель привода контактного патрона запускается магнитным
пускателем МП2 включением выключателя ВЗ, скорость вращения
ротора двигателя регулируется реостатом РМ; электропневмоклапан
срабатывает при включении выключателя В6; двигатель Д2 привода
насоса системы охлаждения запускается магнитным пускателем МПЗ
включением выключателя В2; регулировка тока наплавки осущест-
вляется непосредственно на ПИШ-75 после его включения и
прогрева.
Напряжение на прерыватель подается прп включении выключа-
теля В1, готовность его к работе контролируется лампочкой Л2. На-
плавка единичных площадок производится при установке выключа-
теля В4 в положение «Г», включении выключателя В5 и при нажа-
тии кнопки КнЗ. В этом случае срабатывает реле Р1, контактами ко-
торого замыкаются клеммы 1 и 2 прерывателя.
В рабочем режиме необходимо запустить преобразователь и дви-
гатель Д2 привода насоса системы охлаждения, установить выклю-
чатель В4 в положение «Ш». При нажатии кнопки Кн4 срабатывает
реле Р2, контактами которого включаются двигатель привода кон-
тактного патрона, электропневмоклапан и выводится на рабочий рс-
101
Рис, 70. Установка УКН-9:
/ — токосъемник; 2 — патрон; 3 — шина; 4 — контактный кулачок; 5 — транс-форматор; 6 — бобина;
наплавочная головка; 8 —индикатор давления; 9 — стойка; 10 — прерыватель тока
102
i
жим прерыватель. Процесс наплавки металла прекращается при на-
жатии на кнопку Кн1, при этом снимается питание со всего силово-
го электрооборудования, за исключением двигателя Д2.
Органы управления и сигнальные схемы установки расположены
на передней панели пульта управления, остальная аппаратура управ-
ления размещена в станине токарно-винторезного станка.
Техническая характеристика установки:
Максимальный диаметр наплавляемой детали, мм . .	. . 300
Минимальный диаметр наплавляемой детали, мм...............10
Максимальная толщина наплавляемого слоя металла, мм . . 2,0
Максимальная производительность при наплавке слоя толщиной
1,5 мм, см2/мин ...	.........<.....................250
Максимальная потребляемая мощность, кВт . .	. .	75
Установку УКН-8М применяют для наплавки деталей простой
формы (валов, осей), которые включают в цепь тока наплавки уста-
новкой в контактном патроне.
Для наплавки деталей, существенный нагрев которых недопу-
стим, разработана установка УКН-9 (рис. 70) на базе токарно-вин-
торезного станка 4 К-62, центры которого подняты па высоту 700 мм.
Передняя бабка снабжена дополнительным редуктором, снижающим
минимальное число оборотов шпинделя в минуту до 6. На установке
можно наплавлять детали диаметром до .1400 мм, в частности бара-
баны грузоподъемных машин, балансиры тяжелых гусеничных тяга-
чей и другие изделия.
Наплавочная головка ГКН-9 установки УКН-9 снабжена двумя
роликами для наплавки деталей сложной формы. Для наплавки де-
талей простой формы установка снабжена также контактным патро-
ном. Перестройка установки осуществляется переключением шины
вторичной обмотки трансформатора с контактного патрона на вто-
рую контактную головку.
Кроме наплавочной головки ГКН-9, к установке УКН-9 разра-
ботана оснастка для наплавки коленчатых валов (рис. 71): наплав-
ляющий ролик 1, корректор 2, цеитросмсситель 3 и контактный ро-
лик 4. Сложность наплавки шеек заключается в том, что они ограни-
чены с двух сторон щеками и противовесами, а металл должен быть
наплавлен по всей длитте шеек, включая галтели; кроме того, необхо-
димо иметь приспособление для крепления коленчатого вала так,
чтобы ось центров базового станка установки совпадала с осью ша-
тунных шеек при их наплавке.
Для наплавки шеек коленчатого вала, ограниченных с двух сто-
рон (в том числе шатунных шеек), разработан комплект технологи-
ческой оснастки. Ширина наплавляющего ролика равна длине шейки
вала.
Наплавляющий и контактный ролики крепятся к осям узлов
подвески наплавочной головки ГКН-9 вместо обычных дисковых ро-
ликов. Корректор крепится на основании наплавочной головки и
служит для перемещения при наплавке присадочной проволоки вдоль
образующей наплавляющего ролика (шейки). Привод корректора
осуществляется от зубчатого колеса, крепящегося на вращающейся
вместе с ним соседней шейке наплавляемого коленчатого вала. Кон-
тактный ролик обеспечивает автономное включение в цепь тока на-
плавки только наплавляемой шейки.
103
Техническая характеристика установки:
Высота центров базового станка (передняя и задняя бабки
подняты), мм . . . .	.............................. 700
Межцентровое расстояние., мм ... .	.....	1000
Толщина наплавляемого слоя металла, мм...............0.2—2,0
Максимальная производительность при наплавке слоя ме-
талла толщиной 1 мм, смг/мин............................. 250
Максимальная потребляемая мощность, кВт . .	75
Для цилиндрических деталей машин характерен износ буртов,
посадочных поверхностей под сальники, подшипники качения и пр.
Наплавка металла на узкие шейки -по обычной спиральной схеме
нс эффективна ввиду наличия «захода» и «выхода» наплавляемого
валика. При незначительной ширине восстанавливаемого участка де-
фектная поверхность может составлять 40—50% общей.
Для наплавки металла на такие изделия разработала установ-
ка, в которой питание цепи наплавки осуществляется от трехфазной
силовой электрической сети.
Принципиальная схема установки представлена на рис. 72. На-
плавочная головка установки состоит из трех узлов подвески роликов
с механизмами нагружения: / и 2 — наплавляющих, 3 — контактного
и выглаживающего. Конструктивно узлы подвески роликов, их ме-
ханизмы нагружения не отличаются от аналогичных узлов ранее
рассмотренных головок. Узлы подвески располагаются на ползунах,
обеспечивающих их перемещение к детали и от нее. Конструкция ос-
Рис. 71. Оснастка установки У КН 9 для наплавки коленчатых налов*
/ — наплавляющий ролик; 2 — корректор; 3 — цснтросместитель; 4 — контакт-
ный ролик
104
Рис. 72. Принципиальная схема установки для панлавки узких поясков:
/ и 2 — наплавляющие ролики; 3— контактный выглаживающий ролик; 4 —
наплавляемая деталь
нования подвески определяется типом выбранного базового станка и
размерами деталей, подлежащих наплавке.
Установка имеет тиристорный прерыватель тока наплавки, обес-
печивающий подключение первичных обмоток трех трансформаторов
серийных машин МТПП-75 (Тр1—ТрЗ) к трехфазпой питающем сети,
регулировку длительности импульсов тока наплавки и пауз между ни-
ми, а также регулировку величины силы тока. Применение тиристо-
ров вместо игнитронов, а также транзисторной схемы управления
тиристорами позволяет значительно упростить прерыватель тока, уве-
личить надежность его работы, снизить электрическую мощность, по-
требляемую цепями управления, увеличить его срок службы, а также
уменьшить размеры и общую массу.
Прерыватель установки состоит из трех тиристорных контакто-
ров с транзисторными блоками управления.
Тиристорные контакторы прерывателя состоят из двух тиристо-
ров каждый, включенных встречно-параллельно в цепь первичной об-
мотки сварочного трансформатора. Вторичные обмотки трех транс-
форматоров {Тр1—ТрЗ) совместно с нагрузкой (наплавляемой дета-
лью) образуют замкнутую трехфазпую четырехпроводную систему.
^Применение во вторичной цепи сварочных трансформаторов четы-
рехпроводной системы обеспечивает автономное управление работой
тиристорных контакторов, при этом возможна регулировка без вза-
имного влияния процесса наплавки и выглаживания наплавленного
присадочного металла. Все прерыватели смонтированы в одном шка-
фу.
Наряду с повышением качества наплавки данная установка име-
ет повышенную на 25—30% 'производительность в сравнении с уста-
новкой МКН-8.
105
4. Устройство для электроконтактной
наплавки порошковых
металлических материалов
Использование металлических порошков в качестве
присадочного материала позволяет в широких пределах
регулировать свойства наплавленного металла.
Применяющиеся в настоящее время устройства для
электроконтактной наплавки порошковых металлических
материалов не обеспечивают стабильного качества на-
плавки. Это объясняется тем, что количество порошковой
смеси, поступающей в зазор между наплавляемым изде-
лием и наплавляющим роликом, определяется сечением
отверстия крана бункера и давлением порошка, масса
которого изменяется в процессе наплавки. При этом
вследствие большого удельного веса применяющихся по-
рошковых металлических материалов давление на слои,
прилегающие к отверстию крана, в процессе наплавки
существенно изменяется.
При неучтенных колебаниях тока наплавки, что имеет
место при наплавке, колеблется и удельная «плотность
тока на единицу объема наплавляемого порошкового ма-
териала. Соответственно этим колебаниям изменяются
условия нагрева и деформации порошкового материала,
а в итоге плотность и прочность наплавленного металла.
Кроме того, для получения наплавленного слоя различ-
ной толщины приходится вручную с помощью крана из-
менять количество поступающего в зазор между наплав-
ляемым изделием и наплавляющим роликом порошково-
го материала, пропорционально новому, установленному
для этого случая значению тока наплавки. Это ведет к
потере времени и возможным ошибкам, снижающим ка-
чество металлопокрытия.
Разработанное нами устройство для электроконтакт-
ной наплавки порошковых металлических материалов1
не имеет указанных недостатков, поскольку обеспечивает
автоматическое регулирование поступающего в зону на-
плавки порошкового материала в зависимости от вели-
чины тока наплавки при любых его колебаниях. При пе-
реходе на новый режим наплавки оно обеспечивает ста-
1 Клименко Ю. В., Севостьянов В. ГК Авт. свид. № 573288.
— «Открытия. Изобрет. Пром, образцы. Товарные знаки», 1977,
№ 35, с. 42.
106
бильное поступление порошковых металлических мате-
риалов при постоянном значении тока в начале (при за-
полненной емкости бункера) и в конце наплавки (при
незаполненной емкости).
Устройство состоит из базового станка, вращающего
наплавляемое изделие, наплавляющего ролика, прижи-
маемого к изделию механизмом нагружения, сварочного
трансформатора, вторичная обмотка которого подклю-
чена к наплавляемому изделию, а также к наплавляюще-
му ролику, прерывателя тока, включенного в первичную
обмотку трансформатора, и автоматического дозирующе-
го устройства.
Автоматическое дозирующее устройство включает ем-
кость, выполненную из ферромагнитного металла, нап-
равляющую из диэлектрического материала, жестко сое-
диненную с емкостью, и подвижную коническую пробку
из ферромагнитного материала.
Предложенное устройство работает следующим обра-
зом.
После включения привода базового станка и преры-
вателя тока в цепи наплавляемое изделие — наплавляю-
щий ролик протекают импульсы тока наплавки. Магнит-
ное поле этого тока воздействует па ферромагнитную ко-
ническую пробку из конической насадки, вследствие че-
го порошок выдается из бункера в зону наплавки. Путем
регулирования сжатия обратной пружины конической
пробки выбирают такой зазор между нею и конической
насадкой, при котором выдается оптимальное количество
порошка на единицу плотности тока наплавки.
При любых изменениях тока наплавки меняется и
усилие воздействия на коническую пробку, а следова-
тельно, величина зазора между коническими поверхнос-
тями насадки и пробки, что автоматически обеспечивает
постоянное отношение количества порошка к току нап-
лавки, т.е. стабильное качество наплавленного слоя ме-
талла.
Для устранения налипания порошковых материалов
на контактную поверхность наплавляющего ролика меж-
ду роликом и порошком целесообразно вводить техноло-
гическую медную или латунную ленту толщиной 0,1 —
0,2 мм, которая затем легко отделяется от наплавленной
поверхности.
107
Глава IV
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ
РЕЖИМА ЭЛЕКТРОКОНТАКТНОЙ
НАПЛАВКИ
1.	Общие положения
Основные параметры электроконтактной наплавки и кон-
тактной сварки — величина тока, длительность его про-
текания (длительность импульса) и давление электрода
(наплавляющего ролика). Поэтому при разработке ме-
тодики определения параметров режима электроконтакт-
ной наплавки целесообразно использовать опыт, накоп-
ленный при разработке технологии контактной сварки.
Анализ этого опыта показывает, что до настоящего
времени наиболее достоверным источником рекомендаций
по режимам контактной электросварки остаются экспе-
риментальные данные, накопленные в процессе сварочно-
го производства. Это объясняется многообразием трудпо-
учитываемых или неконтролируемых возмущений, со-
путствующих процессу формирования сварного соедине-
ния, существенно изменяющих условия нагрева и дефор-
мации свариваемых металлов. К ним относится различ-
ное и непостоянное состояние поверхностей свариваемых
заготовок, существенно влияющее па параметры элект-
рического контакта между ними, а следовательно, на
условия их нагрева, отклонения химического состава ме-
таллов и пр. Наконец, многообразие технологических за-
дач по сварке различных сочетаний металлов и различ-
ных соотношений размеров заготовок, что также связано
с особенностями нагрева зоны сварки и теплообмена со
средой, усложняет разработку общей методики расчета
режимов сварки, которая бы распространялась на более
или менее широкую область сварных соединений.
Известные методики расчетного определения пара-
метров режима контактной сварки являются приближен-
ными, а значения параметров, определенные с их по-
мощью, нуждаются в экспериментальной проверке.
На основании экспериментальных исследований была
разработана последовательность расчета основных пара-
метров режима электроконтактной наплавки.
1.	Определение геометрических размеров единичной
площадки наплавленного металла в зависимости от диа-
108
метра детали и присадочной проволоки, а также величи-
ны ее осадки.
2.	Разработка упрощенной модели пагрева единич-
ной площадки металла.
3.	Определение объема присадочного и основного ме-
таллов, нагреваемых до температуры плавления Ти еди-
ничным импульсом тока наплавки с учетом теплопровод-
ности основного металла.
4.	Определение количества тепла Q, необходимого
для нагрева объема металла Vu до температуры Ттг с уче-
том его теплоемкости, теплопроводности и теплообмена
со средой за время нагрева.
<5	. Экспериментальное определение значения тока 7
для частного случая электроконтактной наплавки, харак-
теризующегося конкретными значениями диаметров - -
и rfn, теплоемкостей — Сд и Сп, удельных весов —
Ул и уц, коэффициентов температуропроводности (яд и
Щг) металлов детали и проволоки при постоянных Pv, и
Ль обеспечивающих заданную прочность соединения ос-
новного и присадочного металла.
6.	Расчет тока /пр, необходимого для любого произ-
вольного случая электроконтактной наплавки, характе-
ризующегося новыми значениями указанных параметров.
2.	Расчет геометрических размеров
единичной площадки металлопокрытия
р
Рис. 73. Схема для определения гео-
мстрмчсеггих размеров единичной пло-
щадки паплапленного металла.
/ — наплавляемая деталь; 2 — приса
доч пая проволока; 3 — наплавляющий
ролик
За время нагрева единичной площадки импульсом тока
вследствие непрерывного вращения наплавляемой дета-
ли 1 (рис. 73) часть де-
форм ир о в а титой про в оло -
ки 2 на луге А7Л выходит
из контакта с наплавля-
ющим роликом 3 и одно-
временно в зону -коптакта
поступает, нагревается и
дефо р М'И-ру етс я	и ов ый
участок присадочной про-
волоки топ же длины. Та-
ким образом, периферий-
ные области каждой еди-
ничной площадки нахо-
дятся -под воздействием
давления и температуры
109
меньшее время, чем средняя часть. Поэтому их осадка
значительно меньше, чем в центре. Причиной этого яв-
ляется также кривизна обращенных друг к друг}' по-
верхностей детали и ролика.
Поэтому периферийные участки единичных площа-
док металла должны перекрываться предыдущими и по-
следующими площадками примерно на четверть длины?
Исходя из условия получения валика металла посто-
янной ширины, что необходимо для получения сплошно-
го слоя металла, при расчете скорости перемещения на-
плавляемой поверхности принимаем, что длина единич-
ной контактной площади равна NB — V, причем
#5 = 0,57?' а,	(22)
где RJ— радиус детали, мм: 0,5 а — центральный угол
дуги NB, рад, a cos 0,5 а — (R' — М N)/R'.
Допуская, что величина осадки присадочной проволо-
ки одинакова как со стороны электрода, так и со сторо-
ны детали, принимаем
М N = 0,5 (4 - N С) = 0,5 (4 - S),	(23)
где S — толщина наплавленного валика, мм.
Тогда
cos 0,5 а = (Д' - (dn - б)/2]/7?' = 1 -	,	(24)
где D'— диаметр детали, мм.
После подстановки значения угла а в выражение (22)
получаем:
I' = R' arccos [1 — (4 - 6)/D'].	(25)
Величина единичной контактной площадки определя-
ется по расчетной длине I' и ширине валика наплавляе-
мого металла, являющейся функцией величины осадки
присадочной проволоки:
Гк = &-2/'.	(26)
Ширина валика b может быть выражена через пло-
щадь его поперечного сечения
Ь - sjt> ,	(27)
но S, = Кя к 4/4 ,	(28)
где Кл — коэффициент осевой деформации присадочной
проволоки.
ПО
Следовательно:
b = Кд Г. 4/(4 6)
(29)
ИЛИ
кд = 46 6/(^4).	(зо)
Анализ деформации присадочной проволоки при раз-
личных режимах наплавки показывает, что коэффициент
осевой деформации Кд незначительно зависит от режи-
ма наплавки и равен примерно 0,7.
Подставив выражения /' и b в (26), получаем уравне-
ние для определения величины единичной площадки:
FK = 0,55 (4/6) [О' arccos [1 - (d„ - b)/D']\.	(31)
3.	Расчет тока наплавки
Методика расчета требуемой величины тока наплавки
основывается па определении количества тепла для на-
грева объема единичной площадки металла (присадоч-
ного металла) до температуры плавления с учетом те-
плоотдачи в металл наплавляемого изделия и наплав-
ляющего ролика.
Введем упрощающие допущения и будем считать,
что:
1.	Проволока нагревается в течение всего времени им-
пульса тока равномерно до температуры плавления Тп*
2.	Средняя температура условно выделенного объема
металла (присадочной проволоки, ранее наплавленного
валика и детали), окружающего единичную площадку
наплавленного металла, равна 0,25 Тп.
3.	Температура на поверхности наплавляющего роли-
ка Тр равна 0,5 Тп*
4.	Средняя температура интенсивно нагреваемого
участка ролика равна 0,25 Тп.
5.	Расстояние от любой поверхности наплавленной
единичной площадки металла до точки в окружающем
металле с температурой окружающей среды То прибли-
женно равно:
Хо = 4	(32)
а - X/(Y С),	(33)
где %— коэффициент теплопроводности, кал/см-с-°С.
111
Рис. 74. Схема для определения количества тепла при наплавке единичной
площадки:
/ — электрод; 2—проволока; 2а- предыдущий валик, 26— наплавляемый ме-
талл; 3 — деталь
6.	Температура в металле, окружающем наплавлен-
ную площадку металла, снижается от Тп до комнатной
7’о, которая в расчетах условно принимается равной
нулю.
7.	Длительности импульсов тока наплавки в исследо-
ванном и расчетном случаях равны.
Методика расчета предполагает выполнение следую-
щих операций.
1.	Определение объемов металла (присадочной про-
волоки, детали и наплавляющего электрода), нагревае-
мых импульсом тока за время наплавки единичной пло-
щадки.
2.	Приближенное определение средних температур
найденных объемов металла.
3.	Определение общего количества тепла, необходи-
мого для нагрева всех объемов до -принятых температур.
4.	Определение тока наплавки, необходимого для по-
лучения общего количества тепла при наплавке единич-
ной площадки.
Па рис. 74 приведены схема теплообмена единичной
площадки наплавленного металла с окружающим ее ме-
таллом п эпюры распределения температуры в металлах
за время единичного импульса тока.
112
Объем единичной площадки наплавленного метал-
ла— параллелепипед со сторонами:
А = 6; В - б; С = Fjb.
Общее количество тепла для наплавки единичной
площадки присадочного металла равно:
Goa — Qi + Q-2 + Оз + Q4 + Qfi + Qe»
(34)
где Qi — тепло для нагрева объема единичной площадки
наплавляемого металла до температуры плавления;
Qz~Qg — тепло, отводимое за время импульса тока от
наплавляемой единичной площадки металла в массу де-
тали, электрода, предыдущей площадки наплавленного
металла, присадочной проволоки и ранее наплавленного
валика.
Количество тепла Qi не зависит от времени импульса
тока наплавки и равно
Qi ~ Т Сх Yi Тп ,	(35)
где Vi — объем единичной площадки наплавленного ме-
талла, см3; Ci — средняя удельная теплоемкость наплав-
ляемого металла в температурном интервале от 0°С до
Тип, кал/г-град; у— удельный вес металла присадочной
проволоки, г/см3. Объем единичной площадки наплавлен-
ного металла
И = б Л.	(36)
Тогда
Q1 = б FK Сх Y1 т„.	(37)
Количество тепла, отводимое в массу детали:
Q2 = V2 С2 у2 7п/4,	(38)
где — объем нагреваемого металла детали, см3; С2 —
средняя удельная теплоемкость металла детали,
кал/г-град; у2— удельный вес металла детали, г/см3
Объем нагреваемого металла детали
V2 = 4 FK Г ,	(39)
где а2— коэффициент температуропроводности металла
детали, см2/с.
Тогда
Q‘2 ' V Y2 ’
(40)
из
Количество тепла, отводимое в электрод:
Qs-ZCsVsCsTs^/S,	(41)
где Д3 — коэффициент, учитывающий изменение площад-
ки контакта присадочной проволоки с электродом в за-
висимости от режима наплавки (изменяется от 0,5 до
1,0); К3— объем нагреваемого металла электрода, см3;
С3— удельная теплоемкость металла электрода,
кал/г*град; у3 — удельный вес металла электрода, г/см3.
Объем нагреваемого металла электрода
Кз - 4 FK ,	(42)
где а3— коэффициент температуропроводности металла
электрода, см2/с.
Тогда
Q3 = 0,5 Д3 Дк С3 у8 Тп 1г tn.	(43)
Количество тепла, отводимое в массу предыдущей
площадки наплавленного металла и в присадочную про-
волоку, примерно равно:
Q< — Qe — 0,25	5 Ci yi Tn,
(44)
где — нагреваемые объемы присадочной проволоки
и металла, наплавленного предыдущими импульсами
тока.
V4.5-4feS]/fll^H,	(45)
где ai — коэффициент температуропроводности металла
присадочной проволоки.
Тогда
Qa — Q& — Ь & Ci Т4 ] afM.
(46)
Количество тепла, отводимое в металл ранее наплав-
ленного валика:
Qe — 0,25 Ci у4 Т4,
(47)
где Кв*—объем нагреваемого металла ранее наплавлен-
ного валика.
= (4 Fjb) К .
Тогда
Qe — (Fк/fr) Cx Yi Tп )	.
(48)
(49)
114
Полученные уравнения для определения составляю-
щих теплового баланса подставим в формулу (34):
Фоб —’ FK Ф1 Yi	Fк ^>2 Уг Тп щ +
"Ь 0,5 Fк	/3 Тп V #з fn 4- 2 Ь б lY Yi Тп ar tK 4-
4~ (Fк/б) C1Y1 Тп	tH -
После преобразований получаем уравнение для опре-
деления общего количества тепла, необходимого для на-
плавки единичной площадки металла заданной толщины,
учитывающее диаметр присадочной проволоки и наплав-
ляемой детали и их теплофизические свойства:
Роб = Тп { С, Vj [fi FK 4- УаГк (2 b 6 + Fjb)] +
4~ FK (C2 T^a2 4- 0,5 /Сз C3 Уз V^и)1 •	(50)
Ширину наплавленного валика b в уравнении (50) це-
лесообразно выразить через диаметр присадочной прово-
локи и толщину наплавленного слоя б:
Соб = тп (о у, [б FK + Vat t„ (1,1 <f„ 4- 1.88FX)] +
4- FK (C2 y2 К4~ 0,5 /С3 C3 Уз К о3 Г,,)) .	(50а)
При расчетах по уравнению (50а) размерность б и
dn— см, a FK— см2.
Для определения величины сварочного тока по най-
денному общему количеству тепла выведена эмпириче-
ская формула.
Для этого экспериментально определяли значение то-
ка наплавки 7а для частного случая электроконтактной
наплавки присадочной проволокой диаметром d^, ме-
талл которой имеет теплоемкость Св. Далее определяли
общее количество тепла, необходимое для наплавки.
В соответствии с законом Ленца — Джоуля найден-
ные величины связываются уравнением
/э = КСоб. э/(0,24 Рэ t3),
(51)
где — омическое сопротивление участка цепи наплав-
ки наплавляющий ролик — деталь; /я -— длительность
импульса тока.
В произвольном случае электроконтактной наплавки
величину тока наплавки /пр, обеспечивающую ту же
прочность соединения при той же длительности импуль-
115
са тока, что и в экспериментально исследованном случае»
необходимо определить расчетным путем:
= ТСоб. пг/(0,24 я “Ц).	(52)
По условию (8) /3=/пр. Если допустить, что и /?0=
=7?пр, получим из (51) и (52):
/ПР = Л КЩ/О?	(53)
Так как Qnp и найдены по одной методике и, следо-
вательно, с одинаковой степенью точности, можно счи-
тать, что основная погрешность расчета связана с разни-
цей общих электрических сопротивлений цепей наплавки
при использовании присадочной проволоки различного
диаметра.
Применяемая для электроконтактной наплавки при-
садочная проволока, как правило, незначительно отли-
чается по диаметру. Для экспериментально исследован-
ных случаев при использовании присадочной проволоки
из одного и того же металла диаметром от 1,2 ДО1 2,5 мм
отклонения расчетных значений тока от эксперименталь-
ных не превышают 20%.
Приведенная методика расчетного определения тока
наплавки является приближенной по следующим причи-
нам.
1.	Она формально описывает процесс, нс учитывает
явлений, ответственных за формирование слоя наплавля-
емого металла и протекающих в присадочном металле в
контакте его с основой и в прикоптактных объемах ме-
талла.
2.	Выражение (53) для определения тока наплавки
выведено при допущении равенства электрических со-
противлений участка наплавляющий электрод — деталь в
экспериментально исследованном и произвольном слу-
чае наплавки. В действительности, для различных значе-
ний параметров системы (Рл, Сц. уд, a*, dn, Clt, уп, яп)
эти сопротивления различаются. Пропорционально раз-
ности значений сопротивлений наплавляющий ролик — де-
таль растет ошибка при расчетах.
3.	Область применения этой методики ограничена
тем, что для определения тока наплавки в произвольном
случае необходима идентичность контактного давления
и длительности импульсов тока с этими параметрами в
исследованном случае.
Н6
Методика, основанная па существующих представле-
ниях о соединении металлов в твердом состоянии [40],
также предполагает использование некоторых экспери-
ментальных данных.
Анализ данных, приведенных на рис. 21, позволил
установить, что при /=84-16,9 кА, / = 0,014-0,03 с и
Рр—754-150 кге имеет место следующая зависимость де-
формации присадочного материала от указанных пара-
метром режима: ь~1п при всех Рр и /, e~fK при всех
Рр и Л 8 —Рр при всех / и /.
Таким образом, для рассматриваемой области режи-
мов справедлива зависимость:
е = Л/п/к,	(54)
где А — коэффициент пропорциональности.
В указанных интервалах изменения /, Рр и t парамет-
ры А, п и К принимают значения А = 1.66; п=0,15; /<=
= 0,3.
В условиях электроконтактной наплавки имеет ме-
сто плоская деформация присадочной проволоки в пло-
скости контакта, причем деформация в радиальном на-
правлении является преобладающей и может быть оха-
рактеризована величиной осадки в. Понимая в дальней-
шем под 8 одномерную деформацию присадочной прово-
локи в радиальном направлении, запишем уравнение для
прочности в относительных единицах о:
(Г = (е //&Ь) S,	(55)
где S — площадь активного центра, b— модуль вектора
Бюргерса, L — путь движения дисчоканий до барьера,
8 — скорость деформации.
Дифференцируя по I уравнение (51), найдем е:
е = AKIn tK~x.
(56)
Подставив (56) в (55), получим для о* уравнение:
о = (S/b L) AKIntK = 0,5 (S/b L) Л15 Л3.	(57)
Для проверки уравнения (57) воспользуемся экспери-
ментальными зависимостями ог=о(/Рр/). Одновременно
вычислим значение комплекса S/bL, Постулируя зависи-
мость o=o(IitS/bL) в виде (57) по экспериментальным
117
данным, получим, что п и К, соответственно равны 0,16 и
0,4, т. е.
<т = 0,5 (S/fe£) 70,16 7°’4 •	(57 а)
Различие п и К в уравнениях (57) и (57а) можно
считать незначительным, если принять во внимание до-
пущение об одномерной схеме деформирования присадоч-
ной проволоки.
Расчеты по формуле (57а) с использованием экспери-
ментальных данных o=(7(/PPl/) показывают, что зна-
чения комплекса SjbL лежат в пределах от 4 до 6, при1
этом меньшей е соответствует меньшее значение ком-
плекса. Так, при /=0,02 с, Рр=75 кгс, /=12 кА
S/f&L)=4,54; при /=0,02 с, Рр= 150 кгс, /=16,9 кА
S/(dL)=5,94. Важно отметить, что расчетные значения
комплекса близки к экспериментальным.
Увеличение значения комплекса при увеличении на-
копленной деформации связано с уменьшением пути дви-
жения дислокаций до барьера, поскольку L=p"1A а
плотность дислокаций р~е.
Зная величину комплекса, можно оценить прочность
соединения о по уравнению (57а) для любого нового со-
четания металлов основы и присадки. Для этого доста-
точно экспериментально определить всего два значения
прочности соединения при различных длительностях им-
пульсов тока, по которым определяются показатели сте-
пеней п и К уравнения (57а). Так, фиксируя длитель-
ность импульса t для двух значений тока Ц и /2, полу-
чим:
= 15/(6 £)] А 7? /Г ; о2 = fS/(& £)] А Г2 $.
Логарифмируя отношение Oi/a2. получим значениям
и К:
п = (1g ст, — IgoJ/Og/, — 1g 72);
К = (1g tt — 1g 4)/(lg о, — 1g a2).
4.	Определение усилия прижатия электрода,
скорости и продольного шага наплавки
Усилие прижатия электрода (ролика) Р& определяет-
ся как произведение давления на величину единичной
контактной площадки:
не
Рр = 0,55 g d„ {D' arccos (1 - (d„ - d)/D'] }/6,	(58)
где g— давление, равное 8—9 кгс/мм2.
Скорость наплавки определяется по длине единичной
площадки наплавляемого металла с учетом перекрытия,
длительности импульсов тока и пауз между ними по
формуле
VH - { 0,55 D' arccos [1 - (4 - 6)/£)J }/(2 ttl + tn).	(59)
Продольный шаг наплавки определяется в зависимо-
сти от диаметра присадочной проволоки и ее осадки при
условии перекрытия соседних витков спирального валика
наплавляемого металла на 25—30% по формуле
Sn = (0,25 4- 0,3) 4/6.	(60)
5.	Производительность и энергоемкость
электроконтактной наплавки
Производительность существующих установок наплавки
составляет 250 смЗ/мин при толщине наплавленного слоя
металла 1,0 мм. Производительность наплавки можно
существенно повысить, увеличив мощность наплавочной
установки и совершенствуя ее конструкцию.
При потребляемой мощности в импульсе 40 кВА, токе
наплавки 10 кА, длительности импульсов тока 0,02 с
Таблица 3
РЕЖИМЫ ЭЛЕКТРОКОНТАКТНОЙ НАПЛАВКИ НАРУЖНЫХ
ПОВЕРХНОСТНЫХ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ
Присадочная проволока	d п мм	/, кА	t с и,э	t с П,	р р, кгс	V И, м/мин	
Проволока П,	2	8,5—10'0,02^0,06			130	’1,8—2,0	2,0—2,2
ГОСТ 9389—60 То же	2	7,5—9	0,04	0,08	130	1,6-1,8	2,0—2,2
	1,6	7—8	0,02	0,06	110	1,8—2,0	Г,6-1,8
» »	1,6	5—6	0,04	0,08	но	1,6—1,8	1,6—1,8
Св-08,	2,5	8,5—10	0,02	0,06	150	1,8—2,0	2,5—2,8
ГОСТ 2246—70 То же	2,5	7,5-9	0,04	0,08	150	1,6—1,8	2,5—2,8
> >	2,0	8—9	0,02	0,06	130	1,8—2,0	2,0—2,2
	2,0	7—8	0,04	0,08	130	1,6—1,8	2,0—2,2
» »	1,6	7-8	0,02	0,06	110	1,8—2,0	1,6-1,8
» >	1,6	5—6	0,040,08		100	1,6—1,8	1,6—1,8
119
и паузах между импульсами 0,06 с приведенная мощ-
ность, потребляемая установкой (при непрерывном по-
треблении электрической энергии), составляет 10 кВА.
Расход электроэнергии па наплавку 1 кг металла при
толщине слоя 1 мм составляет 0,87 кВт-ч.
В табл. 3 приведены экспериментальные значения па-
раметров режима для нескольких случаев электрокон-
тактной наплавки.
Глава V
ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ
ХАРАКТЕРИСТИКА
ЭЛЕКТРОКОНТАКТНОЙ НАПЛАВКИ
1.	Общие положения
Технико-экономическая характеристика любого способа наплавки ме-
талла включает оценку долговечности наплавленною изделия, пока-
затели стоимости наплавки и параметры, характеризующие техноло-
гичность применения рассматриваемого способа к конкретной номен-
клатуре изделий.
Долговечность наплавленных изделий определяется особенностя-
ми структуры и свойств наплавленного и основного металла, в част-
ности прочностью их соединения, твердостью и износостойкостью,
усталостной .прочностью Численные значения этих показателей для
электроконтактной наплавки определены по стандартным методикам
с учетом некоторых особенностей исследования свойств тонких слоев
металла, изложенных ниже.
Экономические показатели различных способов наплавки в рабо-
тах [41—43] оцениваются по себестоимости единицы веса наплавлен-
ного металла. В последние годы разработаны новые способы нанесе-
ния тонких слоев металла в связи с жесткими требованиями к пок-
рытиям не только в ремонтном производстве, но и в машиностроении.
Поэтому необходима экономическая оценка способов наплавки тон-
ких слоев металла, учитывающая их особенности.
Большинство исследователей для технико-экономических расче-
тов рассматривают три группы деталей в зависимости от величины
износа: детали с износом до 0,1 мм, до 0,6 мм и свыше 0,6 мм.
Выбор способа наплавки часто зависит от минимально возмож-
ной при данном способе толщины наплавляемого слоя.
Так, наплавкой под легирующим флюсом не удастся получить
слой покрытия толщиной менее 3,0 мм, наплавкой вибрирующим
электродом в жидкости и наплавкой в защитных газах • менее
2,0 мм. Электроконтактной наплавкой можно получить покрытие
толщиной 0,5 мм.
Все рассматриваемые способы наплавки характеризуются различ-
ной чистотой (бр) поверхности наплавленного металла — разностью
120
между максимальной 6Р1 л
минимальной бр2 толщиной на-
плавленного слоя (рис. 75).
Для автоматической на-
плавки под слоем флюса бр=
= 14-1,5 мм, для наплавки
вибрирующим электродом
6Р.п=1,54-2,0 мм, для элект
роконтактпой паплавки 6Р =
=0,24-0,3 мм, для электроны-	,,	,
’ • ’	’ в	Рис, /й. Макрорельеф наплавленной
пульсного покрытия 6р<0,2мм. поиерхиостц
Таким образом, каждый способ
паплавки характеризуется различной величиной припуска па обра-
ботку.
Рассмотрим конкретный пример ремонта детали с износом й,=
=0,1 мм на сторону. Оцепим экономическую эффективность ремон-
та этой детали двумя способами — наплавкой под флюсом и элек-
троконтактиой наплавкой. Площадь наплавляемой поверхности при-
мем равной единице.
Для упрощения примем равными стоимость 1 кг проволоки
Св-0,8 с соответствующим количеством флюса АНК-18 (для наплав-
ки под флюсом) и 1 кг проволоки 1Тп 30X1 СА (для элсктрокоптакт-
ной наплавки). Коэффициенты относительной износостойкости в обо-
их случаях примерно равны.
Себестоимость 1 кг металла, наплавленного под слоем легирую-
щего флюса, 1,66 руб. Себестоимость I кг металла, наплавленного
электроконтактным способом в тех же условиях (коэффициент ис-
пользования установки, часовая ставка рабочего и накладные рас-
ходы равны для обоих случаев) 1,94 руб.
Зададимся припуском па обработку детали. Будем считать, что
для получения требуемой точности восстанавливаемой поверхности
припуск на механическую обработку (й2) равен 0,1 мм па сторону.
Таким образом, на изношенную поверхность необходимо нара-
стить слой металла толщиной ft=ft;+/i2 = 0,2 мм. Масса 1 см2 нап-
лавленной площади в этом случае составит' б?треп = 0.02-'1-7,8 =
= 0,156 г.
Поскольку минимальная толщина металла, наплавляемого под
слоем флюса, равна 3 мм (по вершинам валиков), а бр» 1 мм, то для
ремонта этим способом поверхности рассматриваемой детали при-
ходится наплавлять значительно большее количество металла, а
именно: бфЛ =0,2-1-7,8+0,] • 1-0,7-7,8 = 2,1 г.
В случае электроконтактной наплавки: Gon = 0,02-1  1,78+О.ОЗХ
XI'0.7-7,8 = 0,319 г.
Из приведенных расчетов видно, что экономическая целесообраз-
ность рассматриваемых способов определяется нс только себестои-
мостью единицы массы наплавленного металла, а в значительной ме-
ре степенью его полезного использования, которую можно выразить
коэффициентом (А'и), представляющим собой отношение массы ме-
талла, наплавленного конкретным способом, к массе, обработанного
наплавленного слоя, необходимого для компенсации износа.
В рассмотренном примере коэффициент использования наплавлен-
ного металла при ремонте наплавкой под слоем флюса:
КИфл = 2,1/0,156= 13,1.
121
/При ремонте этой же детали электроконтактной наплавкой.
7<»эк = 0,319/0,156 = 2,°.
По значению коэффициентов использования, определенных для
различных способов наплавки, можно судить об их экономической
эффективности даже при некоторой разности в себестоимости едини-
цы массы наплавленного металла.
В рассмотренном случае себестоимость .1 кг металла, наплавлен-
ного под слоем флюса, на 15% ниже, чем при электроконтактной на-
плавке. Однако с учетом значений К„ и себестоимость вос-
фл эк
становления этой детали электроконтактной наплавкой в 5,7 раза ни-
же, чем при наплавке под слоем флюса.
Под технологичностью способов наплавки понимают возможность
их применения для большей или меньшей номенклатуры изделий,
возможность и степень сложности механизации и автоматизации про-
цесса наплавки, необходимость и степень сложности технологиче-
ской оснастки. Технологичность способов наплавки не имеет числен-
ного выражения.
2.	Экономические показатели процесса
Методика сравнительной экономической оценки электроконтактной
наплавки предусматривает расчетное определение себестоимости (в
руб.) единицы площади наплавленного слоя металла требуемой тол-
щины по формуле
СН. см1 = 10-4 Сэ. м h Y Кп + 0,7 6р Y + вф Сф + Зи tB +
-ЬЗ^об + Т/,	(61)
где Св.м—стоимость 1 кг электродной проволоки, руб; h — толщина
наплавляемого слоя металла в чистоте, мм; у — удельный вес элек-
тродного металла, г/см3; 7СЦ — коэффициент потерь электродного
(присадочного) металла, равный при наплавке под слоем флюса
1,08, вибродуговой наплавке 1,1, электроконтактной наплавке 1,02,
электроимпульспом покрытии 1,02; 6Р — разность между максималь-
ной и минимальной толщиной слоя наплавленного металла, равная
при наплавке под слоем флюса 1,0 мм, вибродуговой наплавке
1,5 мм, электроконтактной наплавке 0,3 мм, электроимпульсном по-
крытии 0,2 мм; 6Ф — расход флюса для наплавки единицы площади
металлопокрытия, в кг, или расход защитного газа, в л; Сф—-стои-
мость одного килограмма флюса или литра защитного газа, руб;
Зн и Зс — заработная плата наплавщика и станочника, руб/ч;
7и и 70б — время наплавки и обработки единицы площади металло-
покрытия, ч; Н — накладные расходы.
Расчет себестоимости единицы площади наплавленного слоя ме-
талла целесообразно проводить применительно к условиям конкретно-
го ремонтного предприятия для внедренных на этом предприятии
способов восстановления. В этом случае можно учесть особенности
восстанавливаемых деталей (требуемая толщина металлопокрытия),
возможности применяющегося на' предприятии оборудования для
наплавки, а также квалификацию рабочих.
122
Себестоимость восстановления конкретной детали с износом It
определяется по формуле
Св=Сн см. Л	(62)
где F — площадь изношенной поверхности, см2.
3.	Технико-экономические показатели
Для оценки технико-экономической эффективности различных спосо-
бов наплавки при ремонте деталей, а также для определения целе-
сообразности ремонта детали по сравнению с изготовлением принято
выражение:
Св^СаК,	(63)
где Св — стоимость ремонта детали; Ся — стоимость детали изготов-
ленной в условиях конкретного предприятия;
К — коэффициент относительной долговечности.
Из (63) следует, что при условии целесообразности ремонта кон-
кретной детали несколькими способами, более эффективным являет-
ся способ, обеспечивающий наименьшую себестоимость ремонта при
равной износостойкости либо наибольшую износостойкость при рав-
ной себестоимости.
Для сравнения технико-экономической эффективности несколь-
ких способов наплавки при ремонте одной и той же детали выраже-
ние (63) удобно переписать в виде:
Св/(Си Ю <1-	(63а)
Более эффективным является способ, для которого отношение
СВ/(СИК) имеет меньшее численное значение.
Таким образом, это отношение является показателем технико-
экономической эффективности. Обозначив его /7Т Э, запишем
ЛТЭ = СВ/(СИК).	(64)
Выражение (64) позволяет определить целесообразность ремон-
та детали по сравнению с изготовлением, а из нескольких возмож-
ных способов панлавки выбрать наиболее эффективный.
Так при 77t.8=i1 технико-экономическая целесообразность ре-
монта равнозначна изготовлению новой детали. При /7Т0>1 ремонт
детали нецелесообразен, а при /7Т.Э<1, наиболее эффективен спо-
соб, обеспечивающий минимальное значение /7т.а,
Технико-экономическая эффективность любого технологическо-
го процесса должна рассматриваться в связи с условиями его приме-
нения.
Эффективность электроконтактной наплавки — способа образо-
вания тонких слоев металла — может сравниваться только с эффек-
тивностью других способов наплавки гонких слоев металла, не пре-
вышающих 1,0 мм на сторону.
В табл. 4 приведены основные технико-экономические показате-
ли электроконтактной наплавки в сравнении с наиболее эффектив-
ным электродуговым способом — наплавкой под флюсом.
Электроконтактная наплавка весьма эффективна по сравнению с
наплавкой под флюсом для наращивания тонких слоев металла. По
мере роста толщины слоя металла разница в экономических показа-
телях этих двух способов уменьшается.
123
Гоблица 4
СРАВНИТЕЛЬНАЯ ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА
СПОСОБОВ НАПЛАВКИ
Способ наплавки	hH. мм	см- г	сн- г	С, коп
Электрокоитяктпая	0,05	0,04	0,27	0,048
	0,1	0,078	0,32	0,05/
	0,2	0,156	0,39	0,07
	0,4	0,31	0,55	0,09
	0,6	0,47	0,70	0,125
	0,8	0,62	0,86	0,154
	1,0	0,78	0,94	0,17
Под слоем флюса	0,04	0,04	2,1	0,3
	0,078	0,078	2,1	0,3
	0,156	0,156	2,1	0,3
	0,47	0,47	2,1	0,3
	0,78	0,78	2,1	0,3
П р и м с ч а и и я: 1.	—толщина наплавленного обработанного слоя
металла; GM—масса I см‘ обработанного слоя металла требуемой толщи-
ны; С?н —масса 1 см наплавленного обработанного слоя металла требуемой
толщины; С — стоимость 1 см2 обработанного слоя материала требуемой тол-
щины
2. Минимальная толщина наплавленного слоя металла по вершинам гре-
бешков и средняя высота гребешков: при электроконтактной наплавке 0,5 и
0,2 мм, при электродуговой наплавке под otoevf флюса 3.0 и 1,0 мм.
Так при необходимости образования обработанного слоя метал-
ла толщиной 0,1 мм себестоимость электроконтактной наплавки еди-
ницы площади в 6 раз ниже, чем при наплавке под слоем флюса.
Это объясняется большими потерями наплавленного под слоем флюса
металла при механической обработке, так как минимально возмож-
ный слой металла, образованный этим способом нс может быть
меньше 3 мм. Кроме тою, гребешки наплавленной поверхности в этом
случае значительно выше, чем при электрокоптактной наплавке, что
также увеличивает потери наплавленного металла. При получении
обработанного слоя металла толщиной 1 мм разница в стоимости
снижается до 200%.
Коэффициенты относительной износостойкости металла, наплав-
ленного под слоем флюса и электроконтактным способом, при соот-
ветствующем выборе марки флюса и присадочной проволоки прак-
тически равны. Поэтому разница в значениях обобщенного показате-
ля технико-экономической эффективности /7Г Э определяется только
разностью стоимостного показателя.
Прп технико-экономической оценке электроконтактной наплавки
по изложенной методике не учтены такие преимущества способа, как
возможность наплавки черных и цветных металлов на детали из раз-
личных сталей и чугунов, благоприятные санитарно-производствен-
ные условия работы оператора, отсутствие термической деформации
наплавляемых изделий.
124
Список литературы
I.	Герасименко В. М. Прогрессивная технология и современное ибо
рудование сварочного производства. Киев, УкрПИИНТИ, 1971. f>l>
с. с ил.
2.	Дюмин И. Е., Какуевицкий В. А., Силкин А. С. Современные ме-
тоды организации и технологии ремонта автомобилей. Киев, «Тех-
нша», 1974. 515 с. с ил.
3.	Клименко Ю. В. — «Автоматическая сварка», 1966, № 4, с. 64—66
4.	Клименко Ю. В. — «Техника в сельском хозяйстве», 1965, № 11
с. 36—38.
5.	Клименко Ю. В. — «Автоматическая сварка», 1969, № 1, с. 73.
6.	Клименко Ю. В. — «Сварочное производство», 1966, № 12, с.
24- 26.
7.	Свели» Р. А. Термодинамика твердого состояния. М., «Металлур-
гия», 1968. 314 с. с ил.
8.	Клименко Ю. В. — «Автоматическая сварка», 1974, № 10, с. 25—
27.
9.	Красулин 10. Л. Взаимодействие металлов с полупроводником в
твердой фазе. М., «Наука», 4971. 1,19 с. с ил.
10.	Семенов А. П. — «Автоматическая сварка», 1971, № 3, с. 76.
11.	Illopiuopoe М. X., Каракозов Э. С. — «Сварочное производство»,
1971, № I, с. 51—53.
12.	Рыкалин Н. И., Шоршоров М. X., Красулин Ю. Л. — «Неоргани-
ческие материалы», 1965, № 1, с. 118—124.
13.	Красулин Ю. Л., Шоршоров М X., — «Физ. и хим. обработки
материалов», 1967, № .1, с. 89—97.
14.	Каракозов Э. С., Карташкин Б. А., Шоршоров М. X.- - «Физ. н
хим. обработки материалов», 1968, № 3, с. 113—422.
15.	Каракозов Э. С., Лебедев Н. В. — «Автоматическая сварка»,
1975, № 1, с. 26—27.
16.	Каракозов Э. С. и др. — «Физ. и хим. обработки материалов»,
1968, № 10, с. 123- 129.
17.	Каракозов Э. С., Шоршоров М. X.- - «Физ. и хим. обработки ма-
териалов», 1971, № 4, с. 94 -100.
18.	Шоршоров Л1. А'., Каракозов Э. С., Мякишев Ю. В. «Физ. и
хим. обработки материалов», 1971. № 6, с. 68—74.
19.	Каракозов Э. С- Соединение металлов в твердой фазе. М.. «Ме-
таллургия», 1976. 263 с. с ил.
20.	Диффузионная сварка титана. М., «Металлургия». 1977. 271 с. с
ил. Лиг.: Э. С. Каракозов, Л. М. Орлова, В. В. Пешков, В. И.
Григорьевский.
21.	Клименко К). В., Каракозов Э. С.—«Автоматическая сварка»,
1975, № 11, с. 61—63.
22.	Клименко Ю. В. — «Автоматическая сварка», 1966, №9,	с.
67—70.
23.	Клименко Ю. В. -«Автоматическая сварка», 1973, № 3, с.
65—67.
21.	Клименко Ю. В. — «Техника в сельском хозяйстве», 1974, К» 11,
с. 64—66.
25. Клименко Ю. В. — «Техника в сельском хозяйстве», 1966, № 9,
с. 75—76.
26. Аскинази Б. М., Щеголев Е. А.—«Сварочное производство».
1970, № 7, с. 30—31.
125
21.	Клименко Ю. В. — «Автоматическая сварка», 1973, № 4, С.
62—63.
28.	Клименко Ю. В.— «Техника в сельском хозяйстве», 1972, № 9,
с. 77
29.	Клименко Ю. В., Георгиевский Н. Н. — «Техника в сельском хо-
зяйстве», 1974, № 1, с. 82—84.
30.	Клименко Ю. В. — «Техника в сельском хозяйстве», ,1968, № II,
с. 61—62.
31.	Клименко Ю. В. — «Техника и вооружение», 1970, №9, с.
94--95.
32.	Клименко Ю. В —«Техника в сельском хозяйстве», 1972, № 3,
с. 73—77.
33.	Гельман А. С. Технология и оборудование контактной электро-
сварки. М., Машгиз, 1960. 427 с. с ил.
34.	Клименко Ю. В. — «Техника и вооружение», 1966, № 10, с. 82.
35.	Куприенко Г. И., Клименко Ю. В. — «Труды АЧИМСХ», Ростов-
на-Дону, 1967. 267 с. с ил.
36.	Клименко Ю. В. — «Техника в сельском хозяйстве», 1965, № 1'1,
с. 62—63.
37.	Малыгин А. А., Клименко Ю. В. — «Автоматическая сварка»,
1969, № 1, с. 73.
38.	Кинго В. Г., Королев Е. И.— «Автоматическая сварка», 1971,
№ 6, с. 53.
39.	Патон Б. Е., Лебедев В. К. Электрооборудование для контактной
сварки. Элементы теории. М., «Машиностроение», 1969. 439 с.
с ил.
40.	Каракозов Э. С., Клименко Ю. В., Ушицкий М. У. и др. — «Сва-
рочное производство», 1977, № 8, с. 23, 24.
41.	Шадричев В. А. Основы выбора рационального способа восста-
новления деталей металлопокрытиями. М.—Л., Машгиз, 1962.
385 с. с ил.
42.	Шадричев В. А. Современные способы восстановления деталей
машин. Л., Машгиз, 1962. 115 с. с пл.
43.	Какуевицкий В. А. Исследование вопросов централизованного
восстановления деталей машин. М., Машгиз, 1972. 214 с. с ил.
0ГЛАВЛ1 Hill
От издал пьсinn	3
Введение	............. 4
Глава I о< ol.l IIIKK III i II t К I I'OKOH IАК1ПОЙ НАПЛАВКИ	8
1.	Крипом cin ip пин о iipoiivcce	8
2	I I n pen Me i i l'ion	............. 9
3.	I1‘i.iciii'1cck>ih /и форм illiiit присадочной проволоки
и металла ociiokij	,	11
4.	Фазопые npciipntuwillit В Meii.i.'i.ix	13
5.	Взаимодействие меж ty мдоллпми	13
6.	Влияние тсхиологн'кч них ипрпмегров па формиро-
вание наплавленною слои	...	27
7.	Структура и свойспт iiniriaii.ieHiioio металла .	36
Глава II. ТЕХНОЛОГИЯ ЭЛШ I РОКОИТАК ГНОИ НАПЛАВКИ 49
1.	Общие положения	.49
2.	Технологические варианты ii.iii.uihkh	50
3.	Технологическая оснастка .	67
Глава III ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ЭЛЕКТРОКОНТАКТНОЙ
НАПЛАВКИ .	.	.	........... 71
1.	Общие требования к оборудованию	.71
2.	Основные части установки для электроконтактной
паплавки ........................................... 75
3.	Конструкции установок для электроконтактной на
плавки.............................................. 99
4.	Устройство для электроконтактной наплавки порош-
ковых металлических материалов .................... 106
Глава IV. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ РЕЖИМА
ЭЛЕКТРОКОНТАКТНОЙ НАПЛАВКИ................................. ]08
1	Общие положения.................................. 108
2.	Расчет геометрических размеров единичной пло-
щадки металлопокрытия .	...	109
3.	Расчет тока наплавки	....... Ill
4.	Определение усилия прижатия электрода, скорости
и продольного шага наплавки........................ 118
5.	Производительность и энергоемкость элсктрокоп-
тактной наплавки................... ....	119
Глава V. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА
ЭЛЕКТРОКОНТАКТНОЙ	НАПЛАВКИ................. 120
1.	Общие положения.................................. 120
2.	Экономические показатели процесса	.	122
3.	Технико-экономические	показатели	...	123
Список литературы.......................................... 125