Técnicas de revestimiento de doble hilo: Una inmersión en la fabricación aditiva

El proceso de soldadura por recubrimiento tiene una gran eficacia y un bajo coste de equipamiento , y se utiliza ampliamente en la fabricación y reparación de piezas, la modificación de superficies de materiales y la producción flexible de lotes pequeños y medianos de componentes metálicos.

En el uso real de los equipos de ingeniería subterránea, éstos están sometidos a fuerzas complejas y duras condiciones de trabajo.

Por ejemplo, la tuneladora es una máquina tuneladora que utiliza el método de escudo. Durante el uso de la tuneladora bajo tierra, el cabezal de corte y los componentes relacionados, como los bloques de protección del cabezal de corte, el asiento de corte y el asiento del rascador de bordes, experimentan inevitablemente desgaste.

La superposición proceso de soldadura no sólo se aplica a la refabricación y reparación de componentes desgastados del cabezal de corte, sino también a la preparación aditiva de capas resistentes al desgaste y redes resistentes al desgaste de piezas, con el fin de aumentar la resistencia al desgaste de las piezas. En la producción real, para mejorar la eficacia de la producción, se suele utilizar una corriente de soldadura mayor.

Sin embargo, debido a las limitaciones de la superposición calidad de soldaduraCuando la corriente es demasiado grande, la tasa de dilución aumentará, lo que puede provocar defectos como la segregación de la composición de la aleación y la pérdida de metal líquido durante el proceso de soldadura por recubrimiento.

Por el contrario, cuando la corriente de soldadura en la superposición aplicación de soldadura es relativamente pequeño, dará lugar a una menor eficiencia de la producción.

La soldadura de doble hilo, como método de soldaduraLa soldadura de alambre doble La soldadura de doble alambre puede lograr una alta tasa de deposición de soldadura, y también mejorar la composición y la cristalización de la costura de soldadura utilizando el campo de temperatura y el ciclo térmico de la soldadura de doble hilo, mejorando así la microestructura y el rendimiento de la capa de soldadura superpuesta.

Por lo tanto, explorar la aplicación de la soldadura de doble hilo en la soldadura por recubrimiento, equilibrar la conformación y la calidad de la soldadura por recubrimiento y mejorar la eficacia real de la producción, son de gran importancia para la aplicación técnica práctica de la soldadura por recubrimiento.

Sistema de fabricación aditiva por soldadura superpuesta

En fuente de potencia de soldadura utilizada en el experimento es la QINEO PULSE 600 de CLOOS. Cuando se utiliza la máquina de soldadura QINEO para realizar pequeñas corrientes soldadura por impulsosLa salpicadura es pequeña y el moldeado es hermoso.

Basándose en esto, se desarrolla un proceso de soldadura de doble hilo que no sólo tiene en cuenta la calidad del cordón de soldadura, sino que también mejora enormemente la eficacia de la deposición de la soldadura. El equipo de soldadura de doble hilo adopta una estructura de pistola de doble hilo, en la que los dos hilos se funden constantemente en el mismo baño.

El hilo delantero precalienta el hilo trasero, y el hilo trasero recalienta el hilo delantero, lo que mejora la microestructura y el rendimiento de la capa de soldadura superpuesta.

Como los dos cables están aislados entre sí, es posible utilizar una gran variedad de combinaciones flexibles y diversas.

Esto no sólo permite el ajuste independiente de los parámetros de los dos alambres, sino también la selección de dos diámetros diferentes y diferentes materiales de alambres según los requisitos específicos de la aplicación, cubriendo así una amplia gama de aplicaciones.

El principio de funcionamiento de la soldadura de doble hilo con baño de fusión compartido se muestra en la figura 1.

A modo de comparación con la soldadura de hilo único en el experimento, los hilos único y doble se intercambian libremente a través del sistema de soldadura de hilo doble, mientras que otros métodos de soldadura y condiciones de gas protector permanecen sin cambios.

En el experimento se utiliza la máquina de soldadura QINEO PULSE 600 de CLOOS como potencia de soldadura para fundir el alambre de soldadura de recubrimiento, y el robot CLOOS está equipado con una pistola de soldadura de doble alambre para garantizar la precisión del movimiento de la pistola durante la soldadura y controlar la velocidad de soldadura. En la figura 2 se muestran algunas partes del sistema y el hardware de soldadura por recubrimiento.

Métodos y procesos experimentales

El material de base utilizado en el experimento es Q235 con un espesor de 12 mm, y su composición química principal se muestra en la Tabla 1. En el experimento se utiliza el alambre de soldadura resistente al desgaste UTP AF ROBOTIC 600, con un modelo de DIN 8555: MSG 6-GF-60-GP, y su composición química principal se muestra en la Tabla 2. El diámetro del hilo de soldadura es de 1,2 mm. El gas protector utilizado es 80% Ar + 20% CO₂.

Cuadro 1: Composición química del material de base (fracción másica) (%)

Tabla 2: Composición química del hilo de soldadura (fracción másica) (%)

Los parámetros de soldadura tradicionales para la soldadura monohilo se muestran en la Tabla 3.

Tabla 3: Parámetros de soldadura para soldadura por recubrimiento

El efecto de la soldadura se muestra en la figura 3, con una anchura de soldadura de 10,64 mm, una altura de soldadura de 3,43 mm y una profundidad de fusión de 1,13 mm.

Para la prueba de soldadura de superposición de doble hilo, el método de soldadura y gas protector Las condiciones eran las mismas que las de la soldadura por recubrimiento con un solo hilo. El alargamiento en seco en el experimento fue de 20 mm. Utilizando el método experimental ortogonal, se ajustaron la corriente del hilo delantero, la corriente del hilo trasero y la velocidad de soldadura para realizar un experimento ortogonal de tres factores y cuatro niveles. Los datos de anchura y altura de soldadura se obtuvieron observando y midiendo la formación de la soldadura. Algunos parámetros de soldadura y el tamaño de la soldadura se muestran en la Tabla 4.

Tabla 4: Parámetros de soldadura para la soldadura de doble hilo

Analizando los datos de corriente de soldadura, anchura de soldadura y altura de soldadura de la soldadura de doble hilo, se observa que cuando cambian la corriente de soldadura y la velocidad de soldadura, considerando la fluctuación de la anchura y la altura de soldadura causada por las variaciones en la formación de la soldadura y los errores de medición, el cambio en la altura de soldadura no es significativo, mientras que el cambio en la anchura de soldadura es más prominente.

Cuando la velocidad de soldadura se mantiene constante a 35 cm/min, 40 cm/min y 45 cm/min respectivamente, la relación entre la anchura de la soldadura y la corriente de hilo delantero/trasero se ajusta con una ecuación de superficie.

La función de modelo de ecuación de superficie establecida es:

En la fórmula:

y - anchura de la soldadura (mm);
x1 - corriente del cable delantero (A);
x2 - corriente del cable trasero (A);
a0, a1, a2, a3, a4 y a5 - coeficientes.

Cuando las velocidades de soldadura son de 35 cm/min, 40 cm/min y 45 cm/min, los coeficientes a3, a4 y a5 de la ecuación son aproximadamente 0. Cuando la velocidad es de 35 cm/min, la ecuación de ajuste de la superficie es:

Por lo tanto, se puede deducir que los términos x1x2, x12 y x22 de la ecuación de ajuste tienen un impacto relativamente pequeño en el valor de y.

Utilizando la fórmula de ajuste para comprobar los datos experimentales a las velocidades de 40 cm/min y 45 cm/min, e introduciendo los valores de corriente de los alambres delantero y trasero para obtener el valor de y, los valores calculados de y y la anchura real de la soldadura presentan un error bastante uniforme.

La relación entre la anchura de soldadura y la corriente de la soldadura de doble hilo puede obtenerse a partir de la fórmula (2), como se muestra en la figura 4.

Según la fórmula (2), la anchura de soldadura está positivamente correlacionada con la corriente de los hilos delantero y trasero, y se aproxima a una relación lineal, siendo mayor el efecto de la corriente del hilo trasero. En el proceso de soldadura real, el hilo delantero tiene un efecto de precalentamiento sobre el hilo trasero, mientras que éste tiene un efecto significativo sobre el baño de fusión.

El baño de fusión se ve influido por la fuerza del arco del hilo de retroceso y el calor continuo, lo que aumenta la tendencia del flujo de líquido metálico en el baño de fusión y, en última instancia, provoca un aumento de la anchura de la soldadura.

Cuando las corrientes de soldadura del recargue de doble hilo son de 140 A y 120 A, y la velocidad de soldadura es de 30 cm/min, la anchura de la soldadura es de 10,73 mm, la altura es de 3,23 mm y la profundidad de penetración es de 0,82 mm. El efecto de recargue es bueno, como se muestra en la figura 5.

En este momento, el tamaño del revestimiento de doble alambre es similar al del revestimiento de un solo alambre, y la profundidad de penetración del revestimiento de doble alambre es menor. La dirección zona afectada por el calor se reduce el grado de reacción con el metal base y disminuye la tasa de dilución, lo que resulta beneficioso para mejorar la calidad del revestimiento.

La velocidad de soldadura aumenta en más de 50% en comparación con el recargue tradicional de un solo hilo, lo que mejora enormemente la eficacia de la producción.

Pruebas y análisis de microestructuras:

Para las muestras de recargue de doble hilo y de hilo único, se obtuvo por corte una probeta de recargue de 20mm×10mm×10mm, y se probó y analizó su rendimiento. Los parámetros de soldadura se muestran en la Tabla 5.

Tabla 5 Principales parámetros de soldadura de las probetas

Pruebas de microdureza

Se utilizó un microdurómetro de imagen tipo 600HVS-1000AVT de China para realizar pruebas de microdureza en las muestras. El penetrador Vickers tenía forma de pirámide de cuatro lados. La carga fue de 300 g (2,94 N) y 100 g (98 N), y el tiempo de retención fue de 15 s.

Las muestras de soldadura de hilo doble y de hilo simple se midieron a lo largo de la línea de fusión, partiendo de la superficie de soldadura como punto de medición inicial, con un intervalo de 1 mm para la medición de puntos.

Se realizaron múltiples mediciones en cada punto de medición y se obtuvo el valor medio, lo que dio lugar a una curva de distribución de la microdureza media transversal (véase la figura 6).

De la figura 6 se desprende que, en la posición de la superficie de soldadura, los valores de dureza de las muestras de soldadura de doble hilo y de hilo simple son similares.

Desde la superficie del cordón de soldadura hasta una distancia de 3 mm de la superficie del cordón de soldadura, el valor de dureza de la muestra de soldadura de doble hilo permanece básicamente invariable, aumentando ligeramente el valor de dureza de la muestra de soldadura de doble hilo 2, mientras que el valor de dureza de la muestra de soldadura de hilo único desciende gradualmente.

A una distancia de 3-5 mm de la superficie del cordón de soldadura, los valores de dureza de las muestras de soldadura de doble hilo y de hilo simple disminuyen rápidamente hasta aproximarse a la dureza de la matriz (140HV0,2).

Del ensayo de microdureza se desprende que la dureza superficial de la capa de revestimiento de la muestra de soldadura de doble hilo es superior a 700HV0,2, cumpliendo los requisitos de dureza de las aplicaciones reales de revestimiento.

Durante el revestimiento con un solo hilo y con dos hilos, el elementos de aleación de la capa de revestimiento se difunden hacia el metal base, y cuanto más cerca esté la capa de revestimiento del metal base, más evidente será la disminución de la dureza.

De la curva de distribución de la dureza se deduce que, durante el revestimiento con un solo hilo, el proceso de difusión es relativamente estable, y el valor de la dureza se ve afectado significativamente por la distancia.

A medida que la capa de revestimiento se acerca al metal base, el valor de dureza disminuye gradualmente.

En el recargue de doble hilo, el uso de campos de temperatura y ciclos térmicos en la soldadura de doble hilo mejora el proceso de difusión de elementos, optimiza la estructura y las propiedades de la capa de recargue y, dentro de un cierto rango de distancia de la superficie de la capa de recargue, el valor de dureza permanece básicamente inalterado.

Pruebas de fricción y desgaste

La muestra de recargue de dos hilos y la muestra de recargue de un hilo se sometieron a ensayos de desgaste por deslizamiento en seco en las mismas condiciones ambientales (temperatura: 28-30°C, humedad: 60%) en la máquina de bola sobre disco HT 1000.

Para la prueba se seleccionó una bola Si3N4 con un diámetro de 4mm, y la carga se fijó en 10N, la velocidad de deslizamiento se fijó en 59mm/s, y el tiempo de desgaste fue de 30 minutos. La cantidad de desgaste se midió utilizando una balanza de precisión FA2104.

Observando el proceso de ensayo, se comprobó que, con cargas menores y velocidades más bajas, la muestra de soldadura de doble hilo 2 experimentó un breve período de desgaste leve que combinaba desgaste abrasivo y deformación plástica, pero se estabilizó al cabo de 1 minuto aproximadamente.

La tendencia de la curva del coeficiente de fricción cambió de forma similar a la de la muestra de soldadura de un solo hilo. El coeficiente de fricción de la muestra de soldadura de doble hilo 1 fluctuó en gran medida, y la muestra de soldadura de doble hilo 3 entró en la fase de fricción estable después de un período de tiempo más largo.

El coeficiente de fricción de la muestra de soldadura de un hilo fue el más pequeño, fluctuando en torno a 0,4, y el coeficiente de fricción de la soldadura de doble hilo fue de 0,6-0,8.

Debido a la baja temperatura de la muestra, no se observó desgaste por fusión en ninguna de las muestras. Los resultados de las pruebas de fricción y desgaste se muestran en la figura 7.

De la Figura 7b se desprende que la muestra de soldadura de doble hilo tiene una pérdida por fricción extremadamente pequeña, mientras que la pérdida por fricción de la muestra de soldadura de un solo hilo es de aproximadamente 1,5 g.

Los resultados de las pruebas de fricción y desgaste indican que, en comparación con el revestimiento de un solo hilo, el revestimiento de doble hilo produce un aumento del coeficiente de fricción y una disminución de la cantidad de desgaste.

Figura 7: Resultados de las pruebas de fricción y desgaste de las muestras.

Prueba de rendimiento estructural de la superficie de desgaste

El desgaste del material es un proceso complejo. Para confirmar la razón de la pérdida de cantidad de desgaste, se realizó el análisis morfológico y de componentes de la superficie desgastada de la muestra de soldadura depositada con doble hilo y de la muestra de soldadura depositada con un solo hilo después de la prueba de fricción utilizando el microscopio electrónico de barrido ZeissSigma (SEM) y la espectroscopia de dispersión de energía Smartedx (EDS).

En la figura 8 se muestran las imágenes SEM y EDS de la superficie desgastada de la muestra de soldadura depositada con doble hilo y de la muestra de soldadura depositada con un solo hilo después de la prueba de fricción.

En la figura 8 se puede observar que la superficie de la muestra de soldadura de doble hilo 1 se compone principalmente de marcas de arado poco profundas y finas, con una pequeña cantidad de marcas de adherencia.

En este momento, el desgaste es principalmente abrasivo. El área adhesiva de la superficie de la muestra de soldadura de un solo hilo aumenta, y hay muchas partículas blancas.

Mediante comparación y análisis EDS, se determina que las partículas blancas son principalmente compuestos que contienen elementos Si. El compuesto de silicio se debe principalmente a la elevada dureza del par de contrafricción en el proceso de desgaste por fricción en seco.

Las partículas de desgaste se adhieren a la superficie de la muestra, en este momento, el desgaste es principalmente desgaste abrasivo y desgaste adhesivo.

Se deduce que los cristales metálicos que forman los compuestos de silicio durante la deposición de un hilo tienen malas propiedades antiadherentes, lo que aumenta el desgaste adhesivo durante la fricción y aumenta el desgaste.

Durante la deposición de doble hilo, se mejora la composición y cristalización de los compuestos de silicio, lo que reduce el desgaste.

Conclusión

En la operación de soldadura, se adopta el método de soldadura de depósito de doble hilo. Ajustando los parámetros de soldadura y controlando el tamaño de formación de la capa de depósito, y utilizando el campo de temperatura y las características del ciclo térmico de la soldadura de doble hilo, se mejoran la composición y la cristalización de la soldadura y se reduce la tasa de dilución.

Esto mejora el rendimiento organizativo y la resistencia al desgaste de la capa de depósito en cierta medida, y la eficacia de la soldadura de depósito se mejora en gran medida.

Los resultados de este estudio tienen valor de referencia para la aplicación de la soldadura de depósito en equipos de ingeniería subterránea, así como para la aplicación de la soldadura de doble hilo en el campo de la soldadura de depósito y la fabricación aditiva por arco.