Immaginate un processo in grado di migliorare la durata e l'efficienza delle parti metalliche nell'ingegneria sotterranea. Questo articolo esplora il rivestimento a doppio filo, una tecnica che rivoluziona la saldatura per sovrapposizione. Utilizzando due fili contemporaneamente, questo metodo migliora la resistenza all'usura e l'integrità strutturale dei componenti metallici, fondamentale per i macchinari pesanti come le frese per tunnel. I lettori impareranno come la saldatura a doppio filo possa bilanciare qualità e produttività, offrendo progressi significativi nella produzione e nella riparazione. Approfondite i dettagli e scoprite come questa tecnica sta trasformando il settore.
Il processo di saldatura per sovrapposizione ha un'elevata efficienza e un basso costo delle attrezzature ed è ampiamente utilizzato nella produzione e nella riparazione di parti, nella modifica delle superfici dei materiali e nella produzione flessibile di lotti piccoli e medi di componenti metallici.
Nell'uso effettivo delle attrezzature per l'ingegneria sotterranea, le apparecchiature sono soggette a forze complesse e a condizioni di lavoro difficili.
Ad esempio, la fresa per tunnel è una macchina che utilizza il metodo dello scudo. Durante l'utilizzo della fresa in sotterraneo, la testa di taglio e i relativi componenti, come i blocchi di protezione della testa di taglio, la sede di taglio e la sede del raschiatore dei bordi, sono inevitabilmente soggetti a usura.
La sovrapposizione processo di saldatura non si applica solo alla rigenerazione e alla riparazione dei componenti usurati della testa di taglio, ma anche alla preparazione additiva di strati resistenti all'usura e di reti antiusura dei componenti, al fine di aumentarne la resistenza all'usura. Nella produzione reale, per migliorare l'efficienza produttiva, si utilizza spesso una corrente di saldatura maggiore.
Tuttavia, a causa delle limitazioni dell'overlay qualità della saldaturaQuando la corrente è troppo elevata, il tasso di diluizione aumenta, causando difetti come la segregazione della composizione della lega e la perdita di metallo liquido durante il processo di saldatura per sovrapposizione.
Al contrario, quando la corrente di saldatura nella sovrapposizione applicazione di saldatura è relativamente piccolo, porterà a una minore efficienza produttiva.
La saldatura a doppio filo, in quanto metodo di saldatura efficiente, ha suscitato un interesse crescente. La saldatura a doppio filo consente di ottenere un'elevata velocità di deposito della saldatura e di migliorare la composizione e la cristallizzazione del materiale. cordone di saldatura utilizzando il campo di temperatura e il ciclo termico della saldatura a doppio filo, migliorando così la microstruttura e le prestazioni dello strato di saldatura overlay.
Pertanto, l'esplorazione dell'applicazione della saldatura a doppio filo nella saldatura a sovrapposizione, il bilanciamento della formatura e della qualità della saldatura a sovrapposizione e il miglioramento dell'efficienza produttiva effettiva sono di grande importanza per l'applicazione tecnica pratica della saldatura a sovrapposizione.
Il fonte di alimentazione per la saldatura utilizzata nell'esperimento è la QINEO PULSE 600 di CLOOS. Quando si utilizza la saldatrice QINEO per eseguire piccole correnti saldatura a impulsi, gli schizzi sono piccoli e la formatura è bellissima.
Su questa base, è stato sviluppato un processo di saldatura a doppio filo che non solo tiene conto della qualità del cordone di saldatura, ma migliora anche notevolmente l'efficienza del deposito di saldatura. L'apparecchiatura di saldatura a doppio filo adotta una struttura a pistola a doppio filo, in cui i due fili sono costantemente fusi nella stessa vasca.
Il filo anteriore fornisce un preriscaldamento per il filo posteriore e quest'ultimo riscalda il filo anteriore, migliorando la microstruttura e le prestazioni dello strato di saldatura di sovrapposizione.
Poiché i due fili sono isolati l'uno dall'altro, è possibile utilizzare una serie di combinazioni flessibili e diverse.
Ciò non solo consente la regolazione indipendente dei parametri dei due fili, ma permette anche di selezionare due diversi diametri e materiali dei fili in base alle specifiche esigenze applicative, coprendo così un'ampia gamma di applicazioni.
Il principio di funzionamento della saldatura a doppio filo a bagno di fusione condiviso è illustrato nella Figura 1.
Per fare un confronto con la saldatura a filo singolo nell'esperimento, il filo singolo e il filo doppio vengono scambiati liberamente nel sistema di saldatura a doppio filo, mentre gli altri metodi di saldatura e le condizioni del gas di protezione rimangono invariati.
Nell'esperimento, la saldatrice QINEO PULSE 600 di CLOOS viene utilizzata come saldatrice. potenza di saldatura Il robot CLOOS è dotato di una pistola di saldatura a doppio filo per garantire la precisione del movimento della pistola di saldatura durante la saldatura e controllare la velocità di saldatura. La Figura 2 mostra alcune parti del sistema di saldatura a sovrapposizione e dell'hardware.
Il materiale di base utilizzato nell'esperimento è Q235 acciaio, con uno spessore di 12 mm, e la sua composizione chimica principale è riportata nella Tabella 1. Nell'esperimento è stato utilizzato il filo di saldatura antiusura UTP AF ROBOTIC 600, con modello DIN 8555: MSG 6-GF-60-GP e la sua composizione chimica principale è riportata nella Tabella 2. Il diametro del filo di saldatura è di 1,2 mm. Il gas di protezione utilizzato è 80% Ar + 20% CO2.
Tabella 1: Composizione chimica del materiale di base (frazione di massa) (%)
C | Si | Mn | S | P |
0.22 | 0.35 | 0.14 | 0.045 | 0.045 |
Tabella 2: Composizione chimica del filo di saldatura (frazione di massa) (%)
C | Si | Mn | Cr | Mo |
0.57 | 2.56 | 0.54 | 8.96 | 0.01 |
I parametri di saldatura tradizionali per la saldatura a filo singolo sono mostrati nella Tabella 3.
Tabella 3: Parametri di saldatura per la saldatura a sovrapposizione
Corrente di saldatura IA | Tensione d'arco IV | Velocità di saldatura /(cm/min) | Allungamento a secco /mm | Portata del gas (L/min) | Pendolo parametri di saldatura |
164 | 19.8 | 18 | 15 | 18 | / |
L'effetto della saldatura è mostrato nella Figura 3, con una larghezza di saldatura di 10,64 mm, un'altezza di saldatura di 3,43 mm e una profondità di fusione di 1,13 mm.
Per la prova di saldatura a doppio filo di sovrapposizione, il metodo di saldatura e la gas di schermatura Le condizioni erano coerenti con quelle della saldatura a sovrapposizione a filo singolo. L'allungamento a secco dell'esperimento è stato di 20 mm. Utilizzando il metodo sperimentale ortogonale, la corrente del filo anteriore, la corrente del filo posteriore e la velocità di saldatura sono state regolate per condurre un esperimento ortogonale a tre fattori e quattro livelli. I dati relativi alla larghezza e all'altezza della saldatura sono stati ottenuti osservando e misurando la formazione della saldatura. Nella Tabella 4 sono riportati alcuni parametri di saldatura e le dimensioni della saldatura.
Tabella 4: Parametri di saldatura per la saldatura a doppio filo
Corrente di saldatura del filo anteriore A | Tensione d'arco del filo anteriore V | Corrente di saldatura del filo posteriore /A | Tensione d'arco del filo posteriore V | Velocità di saldatura /(cm/min) | Cordone di saldatura larghezza /mm | Altezza del cordone di saldatura /mm |
120 | 20.4 | 100 | 20.9 | 30 | 8.92 | 2.75 |
140 | 21.3 | 100 | 20.9 | 35 | 8.93 | 2.83 |
160 | 22.2 | 100 | 20.9 | 40 | 9.01 | 3.02 |
180 | 23.0 | 100 | 20.9 | 45 | 9.02 | 3.45 |
120 | 20.4 | 120 | 21.2 | 30 | 12.03 | 3.05 |
140 | 21.3 | 120 | 21.2 | 35 | 11.12 | 3.25 |
160 | 22.2 | 120 | 21.2 | 40 | 11.23 | 3.08 |
180 | 23.0 | 120 | 21.2 | 45 | 12.24 | 3.52 |
120 | 20.4 | 140 | 22.4 | 30 | 11.84 | 3.06 |
140 | 21.3 | 140 | 22.4 | 35 | 12.26 | 3.07 |
160 | 22.2 | 140 | 22.4 | 40 | 12.88 | 3.13 |
180 | 23.0 | 140 | 22.4 | 45 | 13.02 | 3.21 |
120 | 20.4 | 160 | 23.3 | 35 | 12.72 | 2.86 |
140 | 21.3 | 160 | 23.3 | 40 | 13.23 | 2.88 |
160 | 22.2 | 160 | 23.3 | 45 | 13.90 | 3.02 |
180 | 23.0 | 160 | 23.3 | 50 | 13.92 | 3.01 |
Analizzando i dati relativi alla corrente di saldatura, alla larghezza e all'altezza di saldatura della saldatura a doppio filo, si può notare che al variare della corrente e della velocità di saldatura, considerando la fluttuazione della larghezza e dell'altezza di saldatura causata dalle variazioni nella formazione della saldatura e dagli errori di misurazione, la variazione dell'altezza di saldatura non è significativa, mentre la variazione della larghezza di saldatura è più evidente.
Quando la velocità di saldatura viene mantenuta costante a 35 cm/min, 40 cm/min e 45 cm/min rispettivamente, la relazione tra larghezza di saldatura e corrente del filo anteriore/posteriore viene adattata con un'equazione superficiale.
La funzione del modello di equazione di superficie stabilita è:
Nella formula:
y - larghezza della saldatura (mm);
x1 - corrente del filo anteriore (A);
x2 - corrente del filo posteriore (A);
a0, a1, a2, a3, a4 e a5 - coefficienti.
Quando le velocità di saldatura sono 35 cm/min, 40 cm/min e 45 cm/min, i coefficienti a3, a4 e a5 dell'equazione sono approssimativamente pari a 0. Quando la velocità è 35 cm/min, l'equazione di adattamento della superficie è:
Pertanto, si può dedurre che i termini x1x2, x12 e x22 nell'equazione di adattamento hanno un impatto relativamente piccolo sul valore di y.
Utilizzando la formula di adattamento per verificare i dati sperimentali alle velocità di 40 cm/min e 45 cm/min e inserendo i valori di corrente dei fili anteriore e posteriore per ottenere il valore di y, i valori calcolati di y e la larghezza effettiva della saldatura presentano un errore abbastanza uniforme.
La relazione tra la larghezza di saldatura e la corrente di saldatura a doppio filo può essere ottenuta dalla formula (2), come mostrato in figura 4.
Secondo la formula (2), la larghezza di saldatura è correlata positivamente con la corrente del filo anteriore e del filo posteriore e si avvicina a una relazione lineare, con un effetto maggiore della corrente del filo posteriore. Nel processo di saldatura vero e proprio, il filo anteriore ha un effetto di preriscaldamento sul filo posteriore, mentre il filo posteriore ha un effetto significativo sul bagno di fusione.
Il bagno fuso è influenzato dalla forza d'arco del filo posteriore e dal calore continuo, che aumenta la tendenza al flusso del metallo liquido nel bagno fuso e, in ultima analisi, porta a un aumento della larghezza della saldatura.
Quando le correnti di saldatura del surfacing a doppio filo sono 140A e 120A e la velocità di saldatura è di 30 cm/min, la larghezza della saldatura è di 10,73 mm, l'altezza di 3,23 mm e la profondità di penetrazione di 0,82 mm. L'effetto di affioramento è buono, come mostrato nella figura 5.
In questo momento, le dimensioni del rivestimento a doppio filo sono simili a quelle del rivestimento a filo singolo, mentre la profondità di penetrazione del rivestimento a doppio filo è minore. Il zona colpita dal calore si riduce, il grado di reazione con il metallo di base si riduce e il tasso di diluizione diminuisce, a tutto vantaggio del miglioramento della qualità della superficie.
La velocità di saldatura è aumentata di oltre 50% rispetto al tradizionale rivestimento a filo singolo, migliorando notevolmente l'efficienza produttiva.
Per i campioni di affioramento a doppio filo e a filo singolo, è stato ottenuto un campione di affioramento di 20 mm×10 mm×10 mm mediante taglio e le sue prestazioni sono state testate e analizzate. I parametri di saldatura sono riportati nella Tabella 5.
Tabella 5 Principali parametri di saldatura dei campioni
Progetto | Corrente di saldatura IA | Tensione d'arco IV | Velocità di saldatura (cm/min) |
Prova di saldatura a doppio filo 1 | 120 (anteriore) 100 (posteriore) | 20,4 (anteriore) 20,9 (posteriore) | 30 |
Prova di saldatura a doppio filo 2 | 120 (anteriore) 120 (posteriore) | 20,4 (anteriore) 21,2 (posteriore) | 30 |
Prova di saldatura a doppio filo 3 | 140 (anteriore) 120 (posteriore) | 21,3 (anteriore) 21,2 (posteriore) | 30 |
Campione di saldatura a filo singolo | 164 | 19.8 | 18 |
Test di microdurezza
Per eseguire le prove di microdurezza sui campioni è stato utilizzato un microtester cinese a immagine 600HVS-1000AVT. Il penetratore Vickers era a forma di piramide a quattro lati. Il carico era di 300g (2,94N) e 100g (98N) e il tempo di mantenimento era di 15s.
I campioni di saldatura a doppio filo e a filo singolo sono stati misurati lungo la linea di fusione, partendo dalla superficie di saldatura come punto di misura iniziale, con un intervallo di 1 mm per la misurazione dei punti.
Per ogni punto di misura sono state effettuate più misurazioni e si è ottenuto il valore medio, ottenendo una curva di distribuzione della microdurezza media trasversale (vedi Figura 6).
Dalla Figura 6, si può notare che nella posizione della superficie di saldatura, i valori di durezza dei campioni con saldatura a doppio filo e con saldatura a filo singolo sono simili.
Dalla superficie del cordone di saldatura fino a una distanza di 3 mm dalla superficie del cordone, il valore di durezza del campione di saldatura a doppio filo rimane sostanzialmente invariato, con un leggero aumento del valore di durezza del campione di saldatura a doppio filo 2, mentre il valore di durezza del campione di saldatura a filo singolo diminuisce gradualmente.
A una distanza di 3-5 mm dalla superficie del cordone di saldatura, i valori di durezza dei campioni di saldatura a doppio filo e a filo singolo diminuiscono rapidamente fino ad avvicinarsi alla durezza della matrice (140HV0,2).
Dalla prova di microdurezza, si può notare che la durezza superficiale dello strato di superficie del campione di saldatura a doppio filo è superiore a 700HV0,2, soddisfacendo i requisiti di durezza delle applicazioni di superficie reali.
Durante la superficie a filo singolo e la superficie a doppio filo, il elementi in lega dello strato superficiale si diffonde verso il metallo di base e più lo strato superficiale è vicino al metallo di base, più evidente è la diminuzione della durezza.
Dalla curva di distribuzione della durezza, si può dedurre che, durante la superficie a filo singolo, il processo di diffusione è relativamente stabile e il valore della durezza è significativamente influenzato dalla distanza.
Man mano che lo strato di rivestimento si avvicina al metallo di base, il valore di durezza diminuisce gradualmente.
Nella saldatura a doppio filo, l'utilizzo di campi di temperatura e cicli termici migliora il processo di diffusione degli elementi, ottimizza la struttura e le proprietà dello strato di rivestimento ed entro un certo intervallo di distanza dalla superficie dello strato di rivestimento, il valore di durezza rimane sostanzialmente invariato.
Test di attrito e usura
Il campione di superficie a doppio filo e quello a filo singolo sono stati sottoposti a prove di usura per scorrimento a secco nelle stesse condizioni ambientali (temperatura: 28-30°C, umidità: 60%) sulla macchina ball-on-disc HT 1000.
Per il test è stata scelta una sfera Si3N4 con un diametro di 4 mm, il carico è stato fissato a 10N, la velocità di scorrimento a 59 mm/s e il tempo di usura a 30 minuti. L'usura è stata misurata con una bilancia di precisione FA2104.
Osservando il processo di prova, è emerso che con carichi minori e velocità più basse, il campione di saldatura a doppio filo 2 ha sperimentato un breve periodo di usura lieve che combina usura abrasiva e deformazione plastica, ma si è stabilizzato dopo circa 1 minuto.
L'andamento della curva del coefficiente di attrito è cambiato in modo simile al campione di saldatura a filo singolo. Il coefficiente di attrito del campione di saldatura a doppio filo 1 ha subito forti fluttuazioni, mentre il campione di saldatura a doppio filo 3 è entrato nella fase di attrito stazionario dopo un periodo di tempo più lungo.
Il coefficiente di attrito del campione di saldatura a filo singolo è stato il più basso, oscillando intorno a 0,4, mentre il coefficiente di attrito della saldatura a doppio filo è stato di 0,6-0,8.
A causa della bassa temperatura del campione, non è stata osservata alcuna usura da fusione in nessuno dei campioni. I risultati dei test di attrito e di usura sono riportati nella Figura 7.
Dalla Figura 7b, si può notare che il campione di saldatura a doppio filo ha una perdita di attrito estremamente ridotta, mentre la perdita di attrito del campione di saldatura a filo singolo è di circa 1,5g.
I risultati dei test sull'attrito e sull'usura indicano che, rispetto al rivestimento a filo singolo, il rivestimento a doppio filo comporta un aumento del coefficiente di attrito e una diminuzione dell'usura.
Figura 7: Risultati dei test di attrito e usura dei campioni.
Test di prestazione strutturale della superficie di usura
L'usura dei materiali è un processo complesso. Per confermare la ragione della perdita di quantità di usura, la morfologia e l'analisi dei componenti della superficie usurata del campione di saldatura depositato a doppio filo e del campione di saldatura depositato a filo singolo dopo la prova di attrito sono state condotte utilizzando il microscopio elettronico a scansione (SEM) ZeissSigma e la spettroscopia a dispersione di energia (EDS) Smartedx.
Le immagini SEM e EDS della superficie usurata del campione di saldatura depositato a doppio filo e del campione di saldatura depositato a filo singolo dopo il test di attrito sono mostrate nella Figura 8.
Dalla Figura 8 si può notare che la superficie del campione di saldatura a doppio filo 1 è composta principalmente da segni di aratura sottili e poco profondi, con una piccola quantità di segni di adesione.
In questo momento, l'usura è principalmente di tipo abrasivo. L'area adesiva della superficie del campione di saldatura a filo singolo aumenta e sono presenti molte particelle bianche.
Attraverso il confronto e l'analisi EDS, è stato determinato che le particelle bianche sono principalmente composti contenenti elementi di Si. Il composto di silicio è dovuto principalmente all'elevata durezza della coppia di controattrito nel processo di usura per attrito a secco.
Le particelle di usura si attaccano alla superficie del campione e in questo momento l'usura è principalmente di tipo abrasivo e adesivo.
Si deduce che i cristalli metallici che formano i composti di silicio durante la deposizione a filo singolo hanno scarse proprietà antiadesive, il che aumenta l'usura adesiva durante l'attrito e l'usura.
Durante la deposizione a doppio filo, la composizione e la cristallizzazione dei composti di silicio vengono migliorate, riducendo l'usura.
Nell'operazione di saldatura, viene adottato il metodo di saldatura a deposito a doppio filo. Regolando i parametri di saldatura e controllando le dimensioni di formazione dello strato di deposito, e utilizzando il campo di temperatura e le caratteristiche del ciclo termico della saldatura a doppio filo, si migliorano la composizione e la cristallizzazione della saldatura e si riduce il tasso di diluizione.
In questo modo, le prestazioni organizzative e la resistenza all'usura dello strato di deposito migliorano in una certa misura e l'efficienza della saldatura del deposito è notevolmente migliorata.
I risultati di questo studio hanno un valore di riferimento per l'applicazione della saldatura a deposito nelle apparecchiature di ingegneria sotterranea, nonché per l'applicazione della saldatura a doppio filo nel campo della saldatura a deposito e della fabbricazione additiva ad arco.