Количественная оценка кривизны формы проплавления в зависимости от взаиморасположения электродов при наплавке расщепленной дугой в среде защитного газа

Введение. В современных условиях развития промышленности, аддитивных технологий одним из ключевых факторов конкурентоспособности является повышение производительности различных производственных процессов, позволяющих сократить цикл производства и снизить себестоимость изготавливаемой продукции. К таким процессам можно отнести нанесение металлических покрытий методом наплавки плавящимся электродом в среде защитного газа (GMAW) [1]. Известно, что увеличение производительности данного способа наплавки путем повышения скорости подачи проволоки приводит к усилению мощности электрической дуги и вследствие этого к росту глубины проплавления основного металла, возникновению брызг, подрезов, выгоранию легирующих элементов.

Существует другой подход к увеличению производительности данного способа наплавки. Он заключается в увеличении количества проволок, подаваемых в сварочную ванну, а не в увеличении скорости их подачи. В работе [2] представлены итоги изучения этого метода. Один из них гласит, что при увеличении количества проволок в системе наплавки происходит экспоненциальный рост производительности за счёт более эффективного использования тепла электрической дуги.

Наплавка расщепленным электродом является одним из способов многопроволочной наплавки, который был разработан на основе вышеупомянутого подхода. Сущность данного способа заключается в том, что через токоподвод подаётся не одна, а несколько присадочных проволок. При этом подключение токоподвода выполняется к одному источнику тока [3]. Наплавка данным способом применяется для решения задач, связанных с нанесением антикоррозионных, износостойких покрытий или ремонтом деталей.

Для нанесения антикоррозионных покрытий необходимо добиваться минимального проплавления основного металла с ровной границей. Данная характеристика проплавления обеспечивает минимальную долю участия основного металла в наплавленном слое. В работе [4], посвящённой изучению влияния рода тока на форму проплавления при наплавке расщепленным электродом под слоем флюса, косвенно представлено влияние расстояния между электродами на форму проплавления. В работе отмечается, что при наплавке с межэлектродным расстоянием в 10–12 мм формируется седловатая форма проплавления. Несмотря на это, данная форма проплавления допустима для выполнения антикоррозионной наплавки при отсутствии несплавления в верхней точке седла и сохранении доли участия основного металла в диапазоне 15–25 %. Оценка кривизны формы проплавления, установление ее корреляции в зависимости от взаиморасположения электродов в работе отсутствуют.

Авторы статьи [5] отмечают, что при нанесении износостойких покрытий использование криволинейной формы проплавления обеспечивает более надежное сцепление слоёв с основным металлом, в отличие от пологой формы проплавления. В работе [6], посвящённой комплексному изучению форм проплавления при различных способах дуговой наплавки, подчеркивается: кривизна формы проплавления определяет характер перехода наплавленного металла к основному, что оказывает влияние на концентрацию напряжений в наплавленном металле, определяет градиент смешения основного металла в наплавленном и влияет на свойства наплавленного металла.

Авторами [7] способ двухпроволочной наплавки был успешно применён в рамках аддитивного производства. Данный факт делает этот способ актуальным при выполнении ремонтных работ и выращивании деталей, где характер перехода наплавленного металла от слоя к слою имеет существенное значение. Таким образом, можно сделать вывод, что для решения задач, связанных с нанесением функциональных покрытий, одним из параметров качества является морфология зоны проплавления основного металла.

Влияние взаиморасположения электродов на форму проплавления обусловлено изменением электромагнитных сил в дуговом промежутке и характера тепломассопереноса. Раскрывая данную тему, авторы проанализировали ряд работ, посвящённых процессам, протекающим в дуговом промежутке при наплавке данным способом. В работе [8] определены силы, действующие на каплю и расплавленный металл при наплавке плавящимся электродом с импульсным питанием, а в работе [9] описано изменение этих сил в рамках двух рядом расположенных электродов. Установлено, что при близком расположении электродов на каплю расплавленного металла и поток плазмы влияет сила Лоренца, направленная в межэлектродное пространство. Влияние этой силы способствует изменению траектории падения капель и уменьшению давления электрической дуги. В работе [10] описан процесс моделирования распределения тепла в электрической дуге, возникающей на расщеплённом электроде, и установлено, что распределение тепла в расщеплённой дуге зависит от расстояния между электродами и силы тока. При определённых значениях силы тока и межэлектродного расстояния тепловое поле в электрической дуге принимает одновершинное или двухвершинное строение. Данное распределение теплового потока является важным фактором, определяющим форму проплавления.

В статье [11] выделено два ключевых параметра взаиморасположения электродов, влияющих на форму проплавления. Этими параметрами являются угол наклона электродов относительно вертикали и расстояние между электродами. Таким образом, установлено, что при выборе оптимального режима наплавки необходимо определять не только силу тока, но и взаиморасположение электродов. Данный вывод совпадает с выводом, сделанном авторами статьи [10]. В исследовании, изложенном в статье [12], выявлено влияние угла наклона рабочей головки на формирование наплавленного слоя при наплавке углом вперёд. Определено, что оптимальный угол наклона лежит в диапазоне от 10 до 30 °. При таком расположении головки удалось получить слои шириной 25 мм с долей участия основного металла в 30–33 %. Расстояние между электродами составляло 6 мм. В качестве электродов использовалась проволока марки Inconel 625. Наплавку выполняли под слоем флюса.

По результатам анализа научных работ по представленной теме можно заключить, что изучение формы проплавления при наплавке расщепленным электродом в среде защитного газа актуально при нанесении функциональных покрытий, ремонте деталей и аддитивном выращивании. Взаиморасположение электродов при наплавке этим способом существенно влияет на силы, действующие в дуговом промежутке, и на тепломассоперенос электродного металла. Изменение формы проплавления в зависимости от расстояния между электродами и угла наклона электродов для такого процесса наплавки изучено недостаточно полно. Выявленный научный пробел заключается в отсутствии количественных данных об изменении формы проплавления в зависимости от расстояния между электродами и угла их наклона относительно вертикальной плоскости. В связи с этим цель настоящего исследования — дать количественную оценку и определить корреляцию кривизны формы проплавления в зависимости от взаиморасположения электродов. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Установить количество экстремумов и кривизну функции, описывающей форму проплавления, для каждого опыта.
2. Определить величины корреляции межэлектродного расстояния с кривизной формы проплавления и с количеством экстремумов, а также угла наклона электродов с кривизной формы проплавления и с количеством экстремумов.

Материалы и методы. Для оценки кривизны формы проплавления в зависимости от конфигурации электродов выполнена наплавка плоских слоев с различным расстоянием между электродами и углом между ними. Перемещение рабочего инструмента выполнялось с использованием робота Fanuc 120iD (Япония). Питание электрической дуги осуществлялось от импульсного источника питания EWM Titan XQ500 (Германия). Наплавочная головка состояла из двух горелок, закрепленных на регулируемом кронштейне. В качестве подложек использовались пластины из стали Ст3 размером 150×70×20 мм. Наплавка выполнялась в режиме GMAW-Pulse проволокой Св-08Г2С диаметром 1,2 мм. Химический состав проволоки представлен в таблице 1. В качестве защитного газа использовалась смесь газов — Ar (98 %) и CO₂ (2 %). Такая газовая смесь, по сравнению со смесями с большим содержанием CO₂, имеет сниженную окислительную способность, за счет чего в процессе наплавки возникает меньше неметаллических включений. Для визуализации макроструктуры наплавленного слоя выполнялось травление образцов электролитическим методом в растворе хлорида натрия (NaCl) с концентрацией 200 г/л. Перед травлением образцы были отполированы. Травление проводилось с плотностью тока 7–10 А/дм². В качестве катода выступал стержень из стали 12Х18Н10Т, на конце которого был закреплен тампон. Травление выполнялось методом протирки образца до выявления структуры. Данный способ травления был выбран как один из доступных способов на момент проведения исследования. Измерение формы проплавления проведено с использованием ПО Digimizer (версия 6.5.1).

В качестве независимых факторов, определяющих взаимное расположение горелок, были выбраны расстояние между электродами (z) и угол их наклона относительно вертикальной плоскости (α). При проведении эксперимента наплавка выполнялась с одинаковым вылетом (SO), равным 20 мм. На рис. 1 представлены компоновка электродов во время наплавки и исследованные параметры.

Наплавка слоев выполнялась при скорости подачи проволоки (WFS), равной 6,5 м/мин для одной горелки. Так как в процессе наплавки использовалось две горелки, общая скорость подачи проволоки составляла 13 м/мин. Перемещение рабочего инструмента происходило с постоянной линейной скоростью (TS), равной 4 мм/с. В процессе наплавки фиксировались значения силы тока (I) и напряжения (U), регистрация которых осуществлялась по показаниям амперметра и вольтметра, интегрированных в источник питания. Для поддержания схожей тепловой картины при проведении опытов использовались одинаковые подложки. Перед наплавкой слоя подложки были зачищены до мета ллического блеска и подогреты до температуры (МВТ), равной 150 °С. Подогрев выполнялся с целью имитации реальных технологических условий, при которых ведутся производственные работы, и проводился газовой горелкой. Контроль температуры осуществлялся тепловизором HIKMICRO B20. Расход защитного газа для каждой из горелок составлял 15 л/мин. Общий расход газа — 30 л/мин. В таблице 2 приведен режим наплавки.

План эксперимента включал в себя шесть опытов с различными параметрами z (1Cr, 18, 21 мм) и α (5°, 10°). Образцы для анализа отбирались на участке, составляющем 3/4 длины наплавленного слоя. План эксперимента представлен в таблице 3. На рис. 2 показана фотография образца с линией его рассечения.

Для оценки влияния взаимного расположения электродов на форму проплавления в программе Digimizer были определены ее границы. На рис. 3 представлено фото макрошлифов с очерченными границами.

Так как при наплавке расщепленной дугой два источника тепла располагаются симметрично относительно вектора движения, то и форма проплавления условно является симметричной. Для оценки формы проплавления было решено зеркально отразить и наложить измеренные значения друг на друга относительно оси слоя и инвертировать значения по оси Y. На рис. 4 показана данная методика. В результате проделанной операции удалось представить данные как точки в системе координат XY, где X — ширина проплавления от оси слоя, а Y — глубина проплавления. Причем ось Y является осью наплавленного слоя.

Для оценки кривизны формы проплавления на основе измеренных данных определена регрессионная функция каждого профиля. Для описания всех кривых использовался полином шестой степени. Первая производная уравнений, описывающих форму проплавления, использовалась для определения количества экстремумов. Вторая производная применялась для количественной оценки кривизны. Кривизна формы проплавления для каждого опыта вычислялась как среднее значение модуля второй производной для точек, лежащих в пределах ширины слоя. Корреляция кривизны формы проплавления и экстремумов в зависимости от расстояния между электродами и угла их наклона вычислялась по методике Пирсона.

Результаты исследования. Определены уравнения регрессии, описывающие форму проплавления. Коэффициент детерминации составил более 0,9. Уравнения представлены в таблице 4.

На рис. 5 даны графики, иллюстрирующие форму проплавления и характер ее изменения в зависимости от угла наклона электродов при одинаковом расстоянии между ними. На рис. 6 изображены графики, описывающие форму проплавления и характер ее изменения в зависимости от расстояния между электродами, для экспериментов с фиксированным углом наклона.

На приведенных графиках видно, что для всех опытов характерна криволинейная седловатая форма проплавления. Кривые, описывающие форму проплавления, имеют один или два экстремума в зависимости от конфигурации электродов.

На рис. 7 представлены графики, показывающие изменение кривизны формы проплавления в зависимости от взаимного расположения электродов. Цифры 1 и 2 указывают количество экстремумов на кривой, описывающих форму проплавления.

Для опытов с межэлектродным расстоянием в 21 мм величина кривизны формы проплавления лежит в районе 0,15 мм⁻¹. Зона проплавления имеет два экстремума. Для опытов с расстоянием между электродами в 18 и 15 мм величина кривизны формы проплавления зависит от угла наклона электродов. При угле наклона 10 ° форма проплавления имеет кривизну, равную 0,03 мм⁻¹ и 0,14 мм⁻¹ соответственно. Количество экстремумов равно единице. При уменьшении угла до 5 ° кривизна увеличивается до 0,19 мм⁻¹ и 0,24 мм⁻¹ соответственно. Количество экстремумов становится равным двум.

В таблице 5 представлена матрица, полученная в ходе оценки величины корреляции кривизны формы проплавления и количества экстремумов в зависимости от расстояния между электродами и угла их наклона.

Коэффициент корреляции расстояния между электродами с кривизной формы проплавления равен –0,22, а с количеством экстремумов — 0,43. Коэффициент корреляции угла наклона с кривизной формы проплавления равен –0,65, а с количеством экстремумов — –0,71.

Обсуждение. Форма проплавления основного металла характеризуется наличием осевой зоны (P1) и основной зоны (P2) проплавления. Основная зона проплавления формируется непосредственно под действием источника тепла. Возникновение осевой зоны проплавления обусловлено суперпозицией тепловых полей от каждого источника тепла и тепловым воздействием потоков плазмы, устремляющихся в область между электродами [13]. На рис. 8 дано схематическое изображение зоны проплавления при наплавке расщепленной дугой.

Анализ кривизны формы проплавления показывает, что при расстоянии между электродами в 21 мм она не зависит от угла наклона электродов. При наплавке с данной конфигурацией электродов электрические дуги ведут себя как независимые источники тепла. Об этом говорят схожая форма проплавления, значение кривизны формы в районе 0,15 мм⁻¹ и равное количество экстремумов. При уменьшении расстояния между электродами до 18 или 15 мм кривизна формы проплавления становиться зависимой от угла наклона электродов. С увеличением угла наклона электродов проплавление становится более пологим. Об этом свидетельствует уменьшение кривизны формы проплавления и количества экстремумов. Для опытов с расстоянием между электродами в 18 мм уменьшение кривизны проплавления происходит на 84 %, а для опытов с расстоянием между электродами в 15 мм — на 42 %.

Согласно результатам оценки корреляции, связь между межэлектродным расстоянием (z) и кривизной формы проплавления является слабой (коэффициент Пирсона r = –0,22), а связь между межэлектродным расстоянием и количеством экстремумов является умеренной (r = –0,43). Корреляция между углом наклона электродов (α) и кривизной формы проплавления определена как умеренная, близкая к сильной (r = –0,65), тогда как корреляция угла наклона с количеством экстремумов оценивается как сильная (r = –0,71).

Изменение кривизны формы проплавления в зависимости от взаимного расположения электродов связано с изменением вектора сил, действующих на каплю в дуге. В работе [14] проанализированы силы, действующие на каплю при GMAW-наплавке. При отрыве капли на нее действуют сила тяжести, электромагнитная сила и сила, обусловленная воздействием потоков плазмы. При наплавке расщепленным электродом из-за взаимодействия электромагнитных полей соседних дуг возникает сила Лоренца, отклоняющая столб дуги и каплю к оси шва [15]. В результате капли расплавленного металла падают не строго под электрод, а со смещением к оси шва. Это подтверждается результатами скоростной видеосъемки процесса тандемной сварки, представленными в работе [16]. Данное смещение приводит к формированию более пологой формы проплавления.

Стоит заметить, что минимальное значение кривизны формы проплавления, равное 0,03 мм⁻¹, возникает при межэлектродном расстоянии в 18 мм и угле их наклона к вертикали в 10 °. При сближении электродов до 15 мм форма проплавления становится более крутой несмотря на сближение источников тепла и усиление действия радиальной составляющей электромагнитной силы.

Сравнение результатов экспериментов показывает, что при наплавке с параметром z = 15 мм ширина наплавленного слоя меньше. Однако из-за равного объема расплавленного электродного материала толщина (или высота) данного слоя оказывается больше. На рис. 9 представлен график зависимости высоты и ширины наплавленного слоя от расположения электродов [11].

Следовательно, можно сделать вывод, что при наплавке с меньшим расстоянием между электродами формируется сварочная ванна с большей толщиной. Между электрической дугой и основным металлом возникает прослойка жидкого металла с высокой теплоемкостью и низкой теплопроводностью. По этой причине возникает эффект демпфирования теплового потока и уменьшения температурных колебаний в сварочной ванне. Этот эффект описан в работе [17].

С практической точки зрения полученные результаты позволяют более ясно сформировать понимание процессов, происходящих при изменении взаиморасположения электродов, и послужить опорой для определения режима наплавки с использованием других сварочных материалов. Для нанесения антикоррозионных покрытий рекомендуется использовать режим наплавки с углом наклона электродов в 10 ° и расстоянием в 15–18 мм. Такое взаиморасположение электродов дает возможность получать зону проплавления с меньшей кривизной. Благодаря этому в наплавленном слое возникает равномерное распределение химических элементов. Для выполнения ремонтных наплавок рекомендуется выбирать расположение электродов с углом наклона электродов в 5 °, а расстояние между электродами — в 15 мм. При этом угле наклона электродов и межэлектродном расстоянии форма проплавления имеет наибольшую кривизну, благодаря чему прочность сцепления такой наплавки с основным металлом больше, по сравнению с наплавкой с пологой формой проплавления [6].

По результатам проведенной работы установлено слабое влияние расстояния между электродами на кривизну формы проплавления и количество экстремумов. Коэффициент корреляции для данных параметров равен –0,22 и 0,43. Влияние угла наклона электродов относительно вертикали на кривизну формы проплавления и количество экстремумов оценивается как существенное. Коэффициент корреляции для данных параметров равен –0,65 и –0,71. С увеличением угла наклона электродов относительно вертикали кривизна формы проплавления уменьшается.

Наплавка с межэлектродным расстоянием в 18 мм и уменьшением угла наклона электродов на 5 ° приводит к уменьшению кривизны проплавления на 84 %. Для опытов с межэлектродным расстоянием в 15 мм — на 42 %.

Определено изменение кривизны формы проплавления от толщины сварочной ванны за счет эффекта демпфирования теплового потока прослойкой расплавленного металла.

Заключение. В настоящей работе дана оценка влияния взаимного расположения электродов на кривизну формы проплавления при наплавке расщепленным электродом в среде защитного газа. Определены регрессионные функции, описывающие форму проплавления для каждого из шести опытов, установлено количество экстремумов и проведен расчет кривизны каждой кривой проплавления. Рассчитаны коэффициенты корреляции исследуемых параметров.

Показано, что для всех рассмотренных конфигураций электродов форма проплавления является криволинейной и седловатой. Установлено, что при межэлектродном расстоянии z = 21 мм кривизна формы проплавления не зависит от угла наклона электродов и составляет около 0,15 мм⁻¹, а дуги ведут себя как независимые источники тепла. При уменьшении расстояния до z = 18 мм и z = 15 мм кривизна формы проплавления приобретает выраженную зависимость от угла наклона электродов α. С увеличением угла форма проплавления становится более пологой, что свидетельствует об усилении электромагнитного взаимодействия между дугами и смещении капель электродного металла к оси шва.

По результатам корреляционного анализа установлено, что связь между межэлектродным расстоянием z и кривизной формы проплавления является слабой (r = −0,22), тогда как угол наклона электродов α обнаруживает умеренную, близкую к сильной корреляцию с кривизной формы проплавления (r = −0,65) и сильную корреляцию с количеством экстремумов (r = −0,71). Таким образом, угол наклона электродов является более значимым управляющим параметром формы проплавления, чем межэлектродное расстояние.

Полученные результаты применимы к условиям только проведённого исследования. При использовании присадочной проволоки иных марок количественные показатели будут отличаться, однако физические механизмы, определяющие влияние взаиморасположения электродов на форму проплавления, остаются неизменными.

Практическая значимость работы состоит в том, что полученные данные позволяют обоснованно подходить к выбору конфигурации электродов при наплавке функциональных покрытий, когда форма и кривизна проплавления непосредственно определяют долю участия основного металла в наплавленном слое и характер концентрации напряжений.

Перспективным направлением дальнейших исследований является моделирование процесса тепломассопереноса при наплавке расщепленным плавящимся электродом с различным взаиморасположением электродов и разработка модели источника тепла, позволяющей осуществлять данный процесс наплавки методом конечных элементов.