В случае наплавки плазменной струей с токоведущей присадоч­ной проволокой основным источником теплоты для изделия является перегретый электродный металл. Но вместе с тем на основ­ной металл оказывает воздействие и плазменный факел, образую­щийся при возбуждении дуги вольфрамовый электрод — присадоч­ная проволока, хотя интенсивность его значительно меньше дуги прямого действия. Поэтому источник теплоты при наплавке пла­зменной струей с токоведущей присадочной проволокой должен рассматриваться состоящим из двух теплообменных источников: перегретого электродного металла и плазменного факела.

Эффективная тепловая мощность плазменной струи с токове­дущей присадочной проволокой характеризует конечный резуль­тат теплообмена между плазменным факелом, расплавленным перегретым электродным металлом и изделием. Однако с измене­нием расстояния между электродной проволокой и изделием доля теплового воздействия перегретого электродного металла и пла­зменного факела будет перераспределяться.

Изменение эффективной тепловой мощности плазменного фа­кела и плазменного факела с расплавленным электродным металлом в зависимости от величины тока в проволоке и расстояния от торца проволоки до изделия по данным [44] приведены на рис. 8.

Эффективную тепловую мощность струи с токоведущей приса­дочной проволокой можно оценивать [44] из выражения

q = 0,24r]u(IKU3.K + InU3.n), (2)

где т]ц — эффективный к. п. д. процесса нагрева основного ме­талла;

1К— ток дуги вольфрамовый электрод — канал в а;

Ua. к — напряжение Дуги вольфрамовый электрод — канал в б /„ — ток в присадочной проволоке в а; иэ. „ — напряжение дуги вольфрамовый электрод — прово­лока в в;

Калориметрированием плазменной струи с токоведущей приса­дочной проволокой при различных значениях /„ и h2, проведен­ным Ю. J1. Красулиным, получены значения эффективного к. п. д. в диапазоне 0,20—0,45. Нижнее значение эффективного к. п. д. соответствует величине тока в присадочной проволоке порядка 65 а и расстоянию между проволокой и поверхно­стью приемной пластины кало­риметра h2 около 30 мм, верх­нее значение — 155 а й 10 мм соответственно. На рис. 9 пред­ставлен график изменения эф­фективного к. п. д. в зависи­мости от величины тока в про­волоке и расстояния между проволокой и изделием.

Выше при рассмотрении пу­тей регулирования доли основ­ного металла в наплавленном говорилось о возможности регулиро­вания проплавления за счет температуры перегрева наплавляемого металла. При наплавке плазменной струей с токоведущей присадоч­ной проволокой действительно открываются такие возможности. Проведенные [44] измерения температуры капель термопарным методом на различном расстоянии от присадочной проволоки при различной величине тока в проволоке показали, что температура
капель Тк в процессе""переноса к изделию может существенно изменяться.[В табл. 2^приведены данные таких измерений для рас­плавления в плазменной струе проволоки 0 1,6 мм из нержавею­щей стали 0Х18Н9Т. В этой же таблице для сравнения приведены значения эффективной тепловой мощности плазменной струи с токоведущей присадочной проволокой и значения эффективной тепловой мощности капель электродного металла qM,3, полученные из опытов по раздельному калориметрированию плазменного

факела методом поста­новки вместо присадочной проволоки водоохлаждае­мого зонда. Сопоставление значений эффективной теп­ловой мощности q и qM, э с температурой капель показывает, что с умень­шением тепловой мощности источника уменьшается температура капель. При мелкокапельном («струй­ном») переносе электрод­ного металла уменьшение температуры капель в про­цессе их переноса к изде­лию происходит быстрее. Средняя температура сва­рочной ванны определяет­ся температурой поступа­ющих в нее капель элек­тродного металла. При на­плавке плазменной струей с токоведущей присадочной проволокой с появлением возможности изменить температуру капель электродного металла появляется реальная возможность регулировать параметры взаимодействия жидкого металла с твердым.

В случае наплавки плазменной струей с применением в качестве присадочного материала металлического порошка [22] эффектив­ную тепловую мощность также, по-видимому, можно оценивать по выражению (2).

Температура нагрева поверхности основного металла зависит не только от количества вводимого тепла, но и от сосредоточенности этого тепла на поверхности изделия. Для различных источников теплоты степень сосредоточенности теплового потока на поверх­ности изделия различная. Нами проведено исследование характера распределения теплового потока по поверхности основного металла при наплавке меди и бронз на сталь плазменной струей с токове­дущей присадочной проволокой.

При наплавке меди и бронз на сталь плазменной струей с токо­ведущей присадочной проволокой тепло в основной металл вво­дится через определенную площадь поверхности или через так называемое пятно нагрева. В пятне нагрева можно разграничить две области, отличающиеся друг от друга интенсивностью тепло­вого потока, обусловленной характером ввода тепла:

1) область непосредственного контакта жидкого металла на­плавки с твердым основным металлом. При этом в жидкий металл наплавки тепло вводится как с каплями перегретого жидкого металла, поступающими в ванну, так и в результате воздействия плазменного факела, вводящего в ванну дополнительное тепло за счет лучистого теплообмена со столбом дуги и электрически активными пятнами на плавящемся и неплавящемся электродах и за счет конвективного теплообмена с нагретыми газами факела;

2) область, примыкающая к области непосредственного кон­такта жидкого металла наплавки с твердым основным металлом. Эта область нагревается за счет теплопроводности от нагретого основного металла первой области, лучистого теплообмена с плаз­менным факелом и конвективного теплообмена с нагретыми газами.

Рассматриваемый источник теплоты является чисто поверхност­ным. Тепловой поток распределяется по плоской поверхности основного металла. При наплавке как двойной независимой дугой, так и плазменной струей с токоведущей присадочной проволокой тепло, вводимое в основной металл, в первый момент сосредото­чено по некоторой кривой, соответствующей форме головной части ванны жидкого металла, перемещающейся по поверхности основ­ного металла. При правильном режиме наплавки эта кривая близка к прямой линии. Особенно спрямляется кривая при наплавке с поперечными колебаниями сварочной головки относительно оси перемещения источника теплоты. Поэтому в первом приближении можно считать, что тепло источника при наплавке указанными способами сосредоточено на оси, перпендикулярной оси переме­щения источника и проходящей через его центр. Причем ось эта находится в граничной плоскости основного металла. Следова­тельно, такой источник теплоты в первом приближении можно рассматривать как быстродвижущийся мощный нормально-ли - нейный источник [79]. Удельная линейная интенсивность такого - источника qx (у) распределена по нормальному закону в направле­нии оу, перпендикулярном оси перемещения источника:

<71 (У) = ЯітГки*

где qlm — наибольшая линейная интенсивность теплового потока нормально-линейного источника в кал/см-сек; k — коэффициент сосредоточенности теплового потока в смГг q — эффективная тепловая мощность источника в кал/сек,

Коэффициент сосредоточенности определялся в соответствии с принятой методикой [81] по обработке начального распределе­ния температуры в тонком листе в предположении, что распределе­ние теплового потока пропорционально распределению начальной температуры. Характер этого распределения оценивался по первым центральным моментам.

Если начальное распределение температуры Т0 (у) прибли­женно представить нормальным, т. е.

(5)

то коэффициент сосредоточенности начального распределения тем­пературы по оси, перпендикулярной направлению перемещения источника теплоты,

1

2о2 ’

(6)

(где 02 — дисперсия распределения, представляющая отношение второго центрального момента к нулевому члену распределения температуры Т0 (у)), а постоянная времени

1 гг2

‘о —

(7)

4 ak

Начальное распределение температуры определялось при на­плавке бронзы Бр. КМцЗ-1 на тонкие стальные пластины из стали Ст. З. Определение основных параметров распределения теплового потока по пятну нагрева источника теплоты производи­лось как для наплавки без колебаний сварочной головки, так и для наплавки с поперечными колебаниями сварочной головки. Значе­ния параметров распределения теплового потока приведены на рис. 10.

Как видно из рисунка, коэффициент сосредоточенности тепло­вого потока зависит от эффективной тепловой мощности: с увели­чением эффективной тепловой мощности значение коэффициента сосредоточенности уменьшается. Значения наибольшей линейной интенсивности теплового потока с увеличением эффективной тепло­вой мощности увеличиваются. Значения коэффициента сосредото­ченности при наплавке с поперечными колебаниями плазменной головки и без колебаний существенно различаются. Как и следо­вало ожидать, для наплавки с поперечными колебаниями значе­ния коэффициента сосредоточенности меньше, чем для наплавки без колебаний.

Располагая значениями эффективной тепловой мощности и коэффициента сосредоточенности, можно заранее рассчитать тепловые процессы, определяющие условия получения качествен­ных наплавок заданной геометрии с определенными физико-хими­ческими свойствами.