Способ, разработанный вЦНИИТ - МАШ, основан на совместной подаче в дуговой промежуток сва­рочной проволоки и керамических стержней (рис. 14). При этом цилиндрические стержни 1 с продольным пазом, изготовленные по рецептурам, близким к составам электродных покрытий, по­даются в зону сварки через направляющую втулку 2 под углом

около 45° к сварочной проволоке 3. Непрерывно подаваемая сварочная проволока, имеющая свою направляющую втулку 4, и торец спирающегося на проволоку стержня (рис. 13) расплав­ляются от теплоты дуги. После расплавления всего счержня его заменяют новым. Способ удачно сочетает в себе основные преиму­щества ручной сварки покрытыми электродами (гибкость легиро­вания, возможность визуального наблюдения за сварочной ван­ной) с высокой производительностью механизированных способов.

Применительно к сварке чугуна способ механизированной сварки с использованием керамических стержней подвергался тщательному изучению. Разработаны составы керамических стерж­ней, изучены технологические параметры сварочного процесса, недобрана рациональная марка проволоки. В начале применяли
сварочную проволоку марки Св-08 и керамические стержни марки ЦСКЧ-2. Эксперименты оценивали с помощью химического, ме­таллографического анализов, замеров твердости и механических испытаний образцов.

Скорость расплавления керамического стержня определяли при силе тока 170—600 А. Для сохранения постоянства других электрических параметров увеличение тока компенсировали по­вышением скорости подачи присадочной проволоки и изменением напряжения холостого хода источника тока. С повышением силы тока дуги от 170 до 600 А скорость расплавления керамических стержней возрастает, а затем падает; при силе тока 400 А кривая имеет максимум.

Визуальное наблюдение процесса наплавки показало, что с повышением силы тока (при /д = const) дуга за­метно погружается в основной металл, что, по-видимому, уменьшает тепловое воздействие дуги на керамический стержень, замедляя его скорость плав­ления (диапазон силы тока 450—600 А).

Однако в диапазоне 250—500 А изме­нение скорости расплавления стержней не превышает 9—18% среднего зна­чения. Следовательно, для обеспечения заданного состава наплавленного ме­талла (3% С; 4% Si) необходимо, чтобы изменение доли участия стержня kc не выходило за пределы 0,51 —0,61 (0,56 — 0,05), т. е. не превышало =t9% среднего значения.

При постоянной скорости подачи электродной проволоки из соотношения kc = oJon (<jc и ап массовые доли стержня и про­волоки) следует, что скорость плавления стержней пропорцио­нальна доле их участия. Следовательно, заданный химический состав сплава мол<ет быть получен при изменении силы тока дуги от 250 до 500 А при условии постоянства остальных электрических и технологических параметров процесса. Отклонення силы тока не превышают ±5% установленного номинала, что не может зна­чительно изменять скорость плавления стержней (примерно ±2%), а также состав наплавленного металла.

Таким образом, полученные данные позволяют придти к вы­воду в том, что практические колебания величины тока в процессе полуавтоматической заварки чугунного литья с применением керамических стержней не оказывают существенного влияния на химический состав наплавленного металла.

Зависимость скорости расплавления стержня от изменения напряжения дуги определяли путем изменения значений напряже­ния холостого хода источника тока. Скорость расплавления
стержней ЦСКЧ-2 имеет линейную зависимость от напряжения дуги (рис. 14, б):

ос — kUR + В,

где ос — скорость расплавления стержня, г/мин; £/д— напряже­ние дуги; k и В — коэффициенты, характеризующие сварочные свойства стержней.

Анализ полученной зависимости указывает на существенное влияние напряжения дуги на скорость расплавления стержней и, следовательно, на долю их участия (kc — ос/оп) в процессе сварки.

При выполнении экспериментов было замечено, что с повы­шением напряжения дуги существенно увеличивается и ее длина.

Последнее, как известно, при электродуговой сварке сильно сказывается на переходе легирующих элементов в наплавленный металл. Для оценки этого фактора проведены дополнительные ис­следования, позволившие определить коэффициенты перехода углерода, кремния и марганца в наплавленный на чугун металл при различных значениях напряжения дуги. С повышением на­пряжения дуги коэффициенты перехода легирующих элементов снижаются (рис. 15).

Таким образом, напряжение дуги оказывает двоякое влияние на химический состав металла, наплавленного с использованием керамических стержней. С одной стороны, повышение напряжения увеличивает скорость расплавления стержней в линейной зависи­мости, повышая тем самым содержание легирующих элементов в наплавленном металле, с другой — снижает коэффициенты пере­хода легирующих элементов из расплавленного стержня в наплав­ленный металл.

При оптимальном, установленном опытным путем, режиме наплавки для стержней ЦСКЧ-2 (сила тока дуги 380—400 А, скорость подачи проволоки 283 м/ч и напряжения дуги 36—38 В) допустимое изменение напряжения равняется 6В (Н-3 В) или ±8% номинального значения.

Однако правилами эксплуатации силовых установок на пред­приятиях допускаются колебания напряжения в сетях до ±10%, поэтому для обеспечения стабильного’ химического состава ме­талла при сварке с использованием керамических стержней в ка­честве источников питания следует рекомендовать преобразова­тели с жесткой вольт-амперной характеристикой типа ПСГ-500, АСУ-500, допускающие указанные колебания напряжения в пер­вичной сети без трансформации их во вторичную сварочную цепь.

Для оценки влияния полярности тока на'скорость расплавле­ния стержней выполнены эксперименты как на прямой, так и на обратной полярности. Средняя скорость расплавления стержней на прямой полярности имела значение 47,2 г/мин (45,6—49,4), а на обратной — 52,8 (51,2—54,9).

Предположение о различном ко­личестве энергии, выделяемой в анодном и катодном простран­ствах, не подтвердилось при иссле­довании скорости наплавлення покрытых электродов по методике Ронского. Однако с повыше­нием тока дуги наблюдалось изме­нение направления [газового по­тока в дуге: при токе до 240 А газовый поток направлен от ано­да к катоду, при токах 240—

270 А наблюдалось встречное движение потоков, а при даль­нейшем повышении тока газовый поток направлен с катода на анод. Наряду с этим замечено, что на электроде, подключенном к катоду, при всех режимах образова­лись козырьки покрытия, чего не наблюдалось на противополож­ном электроде. Возможно, что при данной газовой атмосфере в столбе дуги увеличение скорости расплавления керамических стержней на обратной полярности происходит за счет образования потока нагретых газов от катода к аноду. Этот поток газов способ­ствует лучшим условиям передачи теплоты от дуги к керамиче­скому стержню, увеличивая скорость плавления последнего ана­логично покрытиям электродов фтористо-кальциевого типа. Обычно полуавтоматическая наплавка осуществляется на ско­рости 10—20 м/ч. Зависимость скорости расплавления стержней от скорости наплавки исследована для скоростей наплавки 8,6— 32 м/ч:

Скорость наплавки, м/ч................................... ' 8,6 10,3 15,6 21,5 32,0

Скорость плавления стержня, г/мин. . . 53,9 55,7 53,8 54,8 55,5

Результаты экспериментов показывают, что средняя скорость расплавления керамических стержней практически не зависит от изменения скорости наплавки в исследованных пределах. Макси-
малъные отклонения скорости расплавления стержней не выходят за пределы —1,5% средней, что соответствует обычному разбросу э кс и ер і шептал ьны х данных.

При полуавтоматической наплавке в результате увеличения канала мундштука в процессе работы или применения загрязнен­ной проволоки зачастую наблюдается непостоянство расположе­ния точки перехода сварочного тока с мундштука на электродную проволоку — блуждание токосъема. Блуждание токосъема со­провождается изменением вылета электрода, что, в свою очередь, отражается на электрических параметрах процесса. Это может привести к изменению скорости расплавления стержней и не­постоянству химического со­става наплавленного металла.

Влияние возможного блуж­дания токосъема исследовали при постоянном расстоянии тор­ца стержня от изделия, равного 7—8 мм. Набор сменных мунд­штуков различной длины обес­печивал ступенчатое (через каж­дые 5 мм) изменение исследуе­мого расстояния (условного вы­лета электрода). Определено влияние шести значений вылета от 20 до 45 мм на скорость плавления стержней. Во всех экспериментах напряжение дуги оставалось постоянным, а сила тока изменялась от 350 А при вылете 20 мм до 300 А —при 45 мм.

Изменение вылета электродной проволоки от 25 до 45 мм прак­тически не влияет на скорость плавления стержней. Уменьшение

вылета от 25 мм снижает скорость плавления стержней из-за

недостаточного предварительного подогрева вылета током и уг­лубления дуги в наплавляемое изделие. Практические пределы изменения диаметра керамического стержня при изготовлении его по существующей технологии методом выдавливания на электро­дообмазочном прессе не превышают —2 мм номинального диа­метра фильера. В проведенных экспериментах диаметры стержней изменяли в гораздо больших пределах, что было связано с опре­делением оптимального диаметра стержня (рис. 16).

Трехкратное увеличение диаметра керамического стержня примерно в 1,5 раза повышает скорость его расплавления, при­чем это повышение скорости плавления наблюдается при измене­нии диаметра стержней от 10 до 20 мм. Дальнейшее увеличение диаметра сверх 20 мм приводит к значительному разбросу экс­периментальных данных за счет образования козырьков, препят­ствующих равномерному плавлению стержней, поэтому с точки зрения производительности процесса наплавки с использованием керамических стержней ЦСКЧ-2 оптимальным диаметром стержня

Следует считать 0 18 — 2 мм. Что касается изменения диаметра стержня в пределах —2 мм от номинального, то оно может при­вести к изменению скорости его плавления примерно только на —3 г/мин.

Таким образом, возможные изменения диаметра стержня при изготовлении его по существующей технологии не окажут влияния на химический состав наплавленного металла. Прове­денное дополнительное исследование химического состава наплав­ленного металла с использованием керамических стержней диа­метром 14 и 18 мм показало, что переход легирующих элементов (углерода, кремния и марганца) при указанном повышении диа­метра стержня возрастает незначительно, примерно па 3—5% среднего содержания этих элементов в наплавленном металле.

Полуавтоматическая сварка с использованием керамических стержней обладает достаточной маневренностью. При этом сохра­няется возможность изменения в широком диапазоне химического состава и свойств наплавленного металла путем изменения содер­жания раскисляющих и легирующих элементов в составе керами­ческих стержней. Химический состав наплавленного металла при использовании проволоки Св-08 зависит от количества стержня, расплавляемого в единицу времени, и характеризуется коэффи­циентом массы стержня, т. е. отношением массы стержня, рас­плавляемого в единицу времени, к массе расплавляемой за то же время проволоки.

Ширина диапазона значений сварочного тока и скоростей подачи проволоки позволяет применять процесс для заварки ван­ным способом дефектов преимущественно средних размеров с пло­щадью наплавленного металла 30—50 см2. Еще больший практи­ческий интерес вызывает механизированная сварка с использо­ванием керамических стержней при исправлении дефектов не­больших объемов, когда наплавку выполняют послойно, обратно- поступательным движением, укладывая последующие слои на го­рячие предыдущие.

При заварке дефектов небольших размеров, когда нельзя создать жидкую ванну большого объема, механизированная сварка проволокой Св-08 с использованием керамических стержней, а также механизированная сварка порошковой проволокой не обеспечивают необходимое качество сварного соединения.

В работах ИЭС им. Е. О. Патона показано, что увеличение скорости сварки при использовании проволоки ППАНЧ-2 (на пластины толщиной 30 мм) с 4 до 9 м/ч приводит к заметному сни­жению степени графитизации наплавленного металла, причем форма графита меняется: вместо розеточного и междендритного завихренного графита появляется мелкий компактный графит. Металлическая основа состоит из ледебурита и отдельных участков троостита и становится сплошь ледебуритиой при увеличении скорости сварки до 18 м/ч. В этом случае графит встречается в виде отдельных точечных включений.

Таким образом, при послойной сварке чугуна, когда время существования жидкого металла на стадии сварочной ванны сокращается, невозможно обеспечить содержание углерода в ме­талле шва, необходимое для получения качественного сварного соединения. Это отмечалось еще^К. В. Любавским. Для уточне­ния этого положения можно определить скорость охлаждения металла

где ш — мгновенная скорость охлаждения при данной темпера­туре, °С; Т — температура, при которой определяется мгновенная скорость охлаждения, °С; Т0 — температура предварительного нагрева, °С; X — коэффициент теплопроводности, кал/с*°С; q— эффективная тепловая мощность, кал/с; v — скорость сварки, см/с.

Так как для заварки дефектов небольших размеров требуется меньшая погонная энергия, то и скорость охлаждения, при про­чих равных условиях, увеличивается. Даже при предваритель­ном нагреве до температуры 500° С скорость охлаждения состав­ляет 10—17° С/с, что значительно выше скорости охлаждения чугуна при изготовлении отливок. Исследования, проведенные по определению особенностей послойной сварки чугуна порошко­вой показали, что при нормальной скорости сварки (0,5—1,0 см/с) содержание углерода в наплавленном металле не превышает 3%, вследствие чего образуется структурно-свободный цементит в зоне сплавления и повышается твердость сварного соединения. Поэтому возникла необходимость в изыскании нового присадоч­ного материала для послойной сварки чугуна. Содержание угле­рода в наплавленном металле при послойной наплавке несколько ниже, чем при сварке ванным способом, кроме того, в начале и в конце процесса сварки, когда стержень может «зависнуть», в наплавленном металле часто образуются включения стали, отличающиеся высокой твердостью.

Сочетание благоприятных условий легирования при сварке порошковой проволокой и промывающего действия шлаковой си­стемы, газовой защиты, а также возможности перехода легирую­щих компонентов на периферии сварочной ванны при сварке с ис­пользованием керамических стержней дают положительные ре­зультаты, что подтвердилось исследованием способа сварки порошковой проволокой марки ППЧ-ЗМ с использованием керами­ческих стержней марки СКЧ-3. При скорости сварки в преде­лах 0,5—1 см/с обеспечивается содержание углерода в наплавлен­ном металле в пределах 3,3—3,45%. Сварку выполняли модерни­зированным полуавтоматом А-1197 на режиме; /св = 250-^350 А; /д = Зб-ь-40 В; vnn = 1504-180 м/ч; КВС = 15-г-25%, диаметр порошковой проволоки 2,9—3,2 мм. При исправлении дефектов полуавтоматической сваркой с использованием керамических
стержней (рис. 17) разделку дефектов под сварку, подогрев перед сваркой осуществляют с выполнением тех же требований, что и для горячей сварки чугунными электродами и порошковой про­волокой.

Собственно процесс сварки порошковой проволокой с исполь­зованием керамических стержней осуществляется следующим образом. Дугу зажигают на расстоянии 10—20 мм от края дефекта. Процесс наплавки ведут возвратно-поступательным движением. В процессе наплавки необходимо следить за равномерностью расплавления стержня и отдельных его частей, попадающих в ванну. Масса расплавленного стержня должна составлять 20—25% массы расплавленной проволоки. Место зажигания дуги необходимо переплавить дважды. Скорость перемещения электрода нужно сочетать с проплавлением основного ме­талла, для чего наплавку вы­полняют в два-три прохода с образованием полужидкого рас­плава. Заканчивая наплавку, дугу следует переместить в центральную часть расплава.

В процессе наплавки и по ее окончании необходимо про­следить за состоянием расплава: наличие кусков стержня на по­верхности наплавленного ме­талла свидетельствует о нека­чественном стержне (отсырел, растрескался) — требуется просушить стержни; наличие на поверхности наплавленного металла «столби­ков» шихты порошковой проволоки свидетельствует о превышении нормы скорости подачи проволоки и неравномерном коэффициенте заполнения проволоки — необходимо отрегулировать режим сварки и токосъем (обеспечить контакт); наличие вспучивания и порообразования свидетельствует о повышенном коэффициенте заполнения проволоки, высокой доли участия стержня, повышен­ной скорости подачи проволоки, плохом токосъеме — следует отрегулировать режим, заменить проволоку; недостаточное коли­чество шлака на поверхности наплавленного металла свидетель­ствует о зависании стержня или недостаточной доле его участия, а также о повышенной скорости заварки — необходимо отрегули­ровать режим и повторить заварку.