Главная » Статьи » Современные технологии дуговой наплавки

Современные технологии дуговой наплавки

При производстве таких изделий, как элементы трубопроводной арматуры, горно-шахтного оборудования, авиационных и ракетных двигателей, промышленных энергоустановок широко применяются комбинированные материалы, представляющие собой слоёную структуру из металла основы и специального слоя, свойства которого определяются требованиями к изделию. Такими специальными свойствами могут являться: коррозионная стойкость, жаропрочность, износостойкость, антифрикционные свойства и другие. Основные способы нанесения функционального слоя — дуговая наплавка в защитных газах или под слоем флюса.

В последнее время производство таких изделий возросло за счёт реализации проектов по добыче и переработке нефти и газа, реконструкции электростанций, объектов атомной энергетике и военно-промышленного комплекса. Перед предприятиями-изготовителями стоят две задачи одновременно:

• Обеспечение высокого качества продукции с учётом перехода на Международные стандарты, в т.ч Евро 5;
• Снижение себестоимости продукции путем сокращения технологических издержек.

Традиционные технологии наплавки под слоем флюса (в т.ч. лентой), плазменно-порошковая и аргонодуговая наплавка, далеко не всегда способны решить насущные проблемы. Первые две технологии имеют существенные ограничения, поскольку с их помощью можно наплавить только простые, практически плоские поверхности. Нужно добавить и существенные издержки на покупку флюса и наплавочной ленты. Аргонодуговая наплавка имеет крайне низкую производительность и под силу только высококвалифицированным сварщикам. Наплавка штучным электродом малопроизводительна и характеризуется большим количеством брака и доработок изделий. Все перечисленные издержки поднимают себестоимость продукции, делая производство неэффективным.

Предлагается решить эту проблему при помощи высокотехнологичных процессов наплавки TIG Hot Wire (THW) и СМТ. Они позволяют получить широкий спектр комбинированных материалов высокого качества. Эти процессы охватывают материалы всех классов свариваемости вплоть до IV (плохо свариваемые), а также металлургически несовместимые комбинации материалов, такие как алюминий с оцинкованной сталью (СМТ процесс). Область применения процессов THW и CMT распространяется в т.ч. на следующие материалы:

• Конструкционные, котельные и трубные стали (типа Сr-Mo, Cr-Mo-V), чугун,
• Нержавеющие и специальные стали,
• Жаропрочные стали,
• Никелевые жаростойкие сплавы турбин, коррозионностойкие Inconel 600, 625, 718 и т.п,
• Сплавы на основе железа с повышенной твёрдостью и износостойкостью,
• Износостойкие «супер-сплавы» на основе кобальта и никеля (стеллиты и квази-стеллиты),
• Бронзы (кремнистые БрКМЦ-3–1, алюминиевые БрАМЦ-9–2 и другие).

1) «TIG Hot Wire» — по российским стандартам — это дуговая сварка/наплавка неплавящимся электродом подогретой присадочной проволокой в инертном газе (аргоне, гелии и их смесях).

Процесс наплавки THW характеризуется повышенной производительностью, а наплавленные слои — отличным качеством металла, что подтверждено всеми видами контроля. К преимуществам THW процесса нужно отнести:

• Повышение производительности наплавки до 1,7 … 5 кг/час (в зависимости от особенностей применения); для аргоно-дуговой наплавки характерно около 0,5–1,5 кг/час;
• Высокая скорость наплавки до 40 см/мин (максимальные показатели достигаются при использовании двух присадочных проволок); для аргоно-дуговой наплавки характерно не более 20 см/мин;
• Легкая адаптация к многослойной наплавке;
• Степень перемешивания с металлом основы не более 5–10 % в первом и не более 5% во втором слое. Полное отсутствие дефектов в наплавке.

Рис. 1 Клапан запорной арматуры, наплавленный THW.

Скорость наплавки — 32 см/мин.

Один из примеров применения процесса THW — это наплавка клапанов запорной арматуры для нефтедобывающей промышленности (рис. 1). В этом случае наплавляются цилиндрические и конические внутренние и наружные поверхности с пересекающимися отверстиями. Ось детали расположена вертикально и наплавка ведётся на стенке (в PF позиции). Максимальная производительность около 3 кг/час достигается при наплавке двумя горелками. Обычно, этот показатель для одной горелки составляет около 1,7 кг/час.

Технологический процесс полностью автоматизирован и управляется контроллером FPA 9000 или HMI в зависимости от требований к наплавленному слою. Реализованы инновационные функции программного обеспечения, охватывающие практически любую геометрию детали и обеспечивающие точное управление процессом, мониторинг качества и дистанционное обслуживание наплавочного комплекса:

• Наплавка пересекающихся отверстий/колодцев Bore-to-Bore (BtB),
• Авто-центрирование по 4-м точкам, наплавка канавок, возврат в прерванную позицию,
• Продольные колодцы кольцевых и прямых поверхностей Race-Track (, в т.ч. с BtB ),
• Прямоугольные колодцы (комбинация прямых участков и скругленных углов),
• Задание допустимых пределов сварочных режимов,
• Запись /просмотр текущих значений сварочных параметров,
• Документирование параметров на внешний диск через Ethernet,
• Объемная визуализация процесса в формате 3D,
• USB для записи на карты памяти и печать на принтер,
• Удалённая диагностика и обслуживание через LAN Ethernet, Интернет,
• TWIN наплавка двумя проволоками / Увеличение производительности до ~70%
• Система видеонаблюдения за швом и большой ряд горелок.

2) В некоторых случаях для достижения оптимальных свойств наплавленного металла при максимальной производительности целесообразно применять технологию СМТ и CMT TWIN.

Процесс Сold Metal Transfer — «холодный перенос металла», СМТ — представляет собой дуговую сварку в защитном газе с переносом металла в сварочную ванну при отключенной дуге путём окунания проволоки за счёт её возвратно-поступательных движений. Частота циклов при этом достигает 130 Гц. К преимуществам CMT наплавки можно отнести следующее:

• Высокую скорость процесса 60 — 80 cм/мин,
• Производительность наплавки обычно 6,5 кг/ч, ( в случае MIG/MAG не более 4 кг/час),
• Производительность CMT TWIN — «двойная проволока» 12–14 кг/час (в нижнем положении),
• Минимальное тепловложение в основной металл по сравнению с другим способами наплавки в защитных газах и высокую стабильность процесса за счёт механического слежения за дугой;
• Минимальное перемешивание с металлом основы менее 5% в первом и около 1% во втором слое.

Рис. 2. Наплавка уплотнительного выступа в корпусе крана методом CMT. 82,5% Ar + 2,5% CO2.

Скорость наплавки — 60 см/мин.

Одним из характерных примеров применения процесса является наплавка уплотнительного выступа в корпусе крана Ду 600 … 1200 (рис. 2), изготовленного из чугуна ВЧ 40 (GGG 40) без предварительного и сопутствующего подогрева. С использованием проволоки Св-08Х20Н9Г7T и в комбинации с проволокой Св-07Х25Н13, наплавка выполнялась в два слоя со скоростью 60 см/мин.

Материал наплавки во втором слое соответствует по химическому составу стали 1.4370 (DIN X15CrNiMn18–8) и ТУ на российский аналог Св-08Х20Н9Г7T. Твёрдость слоя: 201–230 НВ.

Выводы:

• Для качественной наплавки изделий трубопроводной арматуры, горно-шахтного оборудования, авиационных и ракетных двигателей, промышленных энергоустановок рекомендуется применять автоматизированное оборудование наплавки методами TIG Hot Wire и СМТ .
• Для плакирования и сварки высокоответственных изделий (коррозионностойкие и жаростойкие слои), а также наплавки труднодоступных мест в отверстиях диаметром от 25 мм и т.п, следует использовать процесс TIG Hot Wire.
• Максимальная производительность наплавки достигается при подаче двух проволок. Для СМТ TWIN эта величина составляет 12–14 кг в нижнем положении, поэтому этот процесс может заменить наплавку и сварку под слоем флюса.

Авторы:

ООО «Технологический центр ТЕНА» (495) 787-33-16, Москва, Окружной проезд, д.5, стр.1

Павлов Е.И. (инженер-технолог)

Для подготовки статьи использована информация из технических отчетов, статей из корпоративного журнала Fronius «Weld + Vision» и презентаций компании.