Técnicas de revestimento de fio duplo: um mergulho profundo na fabricação aditiva

Técnicas de revestimento de fio duplo: um mergulho profundo na fabricação aditiva

O processo de soldagem por sobreposição possui alta eficiência e baixo custo de equipamento, sendo amplamente utilizado na fabricação e reparo de peças, na modificação de superfícies de materiais e na produção flexível de pequenos e médios lotes de componentes metálicos.

Na utilização real de equipamentos de engenharia subterrânea, o equipamento está sujeito a forças complexas e condições de trabalho adversas.

Por exemplo, a máquina perfuradora de túneis é uma máquina perfuradora de túneis que usa o método de blindagem. Durante o uso da perfuradora de túneis subterrâneos, a cabeça de corte e os componentes relacionados, como blocos de proteção da cabeça de corte, sede de corte e sede do raspador de borda, inevitavelmente sofrem desgaste.

O processo de soldagem por sobreposição não é aplicado apenas à remanufatura e reparo de componentes desgastados da cabeça de corte, mas também à preparação aditiva de camadas resistentes ao desgaste e redes de peças resistentes ao desgaste, a fim de aumentar a resistência ao desgaste das peças. Na produção real, para melhorar a eficiência da produção, é frequentemente utilizada uma corrente de soldagem maior.

Porém, devido às limitações da qualidade da soldagem de revestimento, quando a corrente for muito grande, a taxa de diluição aumentará, o que pode causar defeitos como segregação da composição da liga e perda de metal líquido durante o processo de soldagem de revestimento.

Pelo contrário, quando a corrente de soldagem na aplicação de soldagem de sobreposição é relativamente pequena, isso levará a uma menor eficiência de produção.

A soldagem com fio duplo, como método de soldagem eficiente, tem sido cada vez mais preocupada pelas pessoas. A soldagem com fio duplo pode atingir alta taxa de deposição de solda e também melhorar a composição e cristalização da costura de solda usando o campo de temperatura e o ciclo térmico da soldagem com fio duplo, melhorando assim a microestrutura e o desempenho da camada de soldagem de sobreposição.

Portanto, explorar a aplicação da soldagem de fio duplo na soldagem de sobreposição, equilibrando a formação e a qualidade da soldagem de sobreposição e melhorando a eficiência real da produção, são de grande importância para a aplicação técnica prática da soldagem de sobreposição.

Sistema de fabricação aditiva de soldagem de sobreposição

A fonte de energia de soldagem utilizada no experimento é o QINEO PULSE 600 da CLOOS. Ao usar a máquina de solda QINEO para realizar soldagem por pulso de corrente pequena, os respingos são pequenos e a formação é bonita.

Com base nisso, é desenvolvido um processo de soldagem de fio duplo que não só considera a qualidade da costura de solda, mas também melhora muito a eficiência de deposição da soldagem. O equipamento de soldagem de fio duplo adota uma estrutura de pistola de fio duplo, na qual os dois fios são constantemente derretidos na mesma piscina.

O fio frontal fornece pré-aquecimento para o fio traseiro, e o fio traseiro reaquece o fio frontal, o que melhora a microestrutura e o desempenho da camada de soldagem de sobreposição.

Como os dois fios são isolados um do outro, é possível usar uma variedade de combinações flexíveis e diversas.

Isto não só permite o ajuste independente dos parâmetros dos dois fios, mas também permite a seleção de dois diâmetros diferentes e diferentes materiais de fios de acordo com requisitos específicos de aplicação, cobrindo assim uma ampla gama de aplicações.

O princípio de funcionamento da soldagem de fio duplo em piscina de fusão compartilhada é mostrado na Figura 1.

Figura 1 Princípio de funcionamento da soldagem de fio duplo em piscina de fusão compartilhada.
Figura 1: Princípio de funcionamento da soldagem de fio duplo em piscina de fusão compartilhada.

Em comparação com a soldagem de fio único no experimento, os fios simples e duplos são trocados livremente através do sistema de soldagem de fio duplo, enquanto outros métodos de soldagem e condições de gás de proteção permanecem inalterados.

No experimento, a máquina de solda QINEO PULSE 600 da CLOOS é usada como fonte de energia de soldagem para derreter o fio de soldagem de sobreposição, e o robô CLOOS é equipado com uma pistola de soldagem de fio duplo para garantir a precisão do movimento da pistola de soldagem durante a soldagem e para controlar a velocidade de soldagem. Algumas partes do sistema de soldagem de sobreposição e hardware são mostradas na Figura 2.

Figura 2: Sistema de soldagem de sobreposição e hardware.

Métodos e processos experimentais

O material base utilizado no experimento é o aço Q235, com espessura de 12mm, e sua principal composição química é mostrada na Tabela 1. No experimento é utilizado o fio de solda resistente ao desgaste UTP AF ROBOTIC 600, com modelo DIN 8555 : MSG 6-GF-60-GP, e sua principal composição química é mostrada na Tabela 2. O diâmetro do fio de soldagem é de 1,2 mm. O gás de proteção utilizado é 80% Ar + 20% CO2.

Tabela 1: Composição química do material base (fração mássica) (%)

C Si Mn S P
0,22 0,35 0,14 0,045 0,045

Tabela 2: Composição química do fio de soldagem (fração mássica) (%)

C Si Mn Cr Mo
0,57 2,56 0,54 8,96 0,01

Os parâmetros de soldagem tradicionais para soldagem de fio único são mostrados na Tabela 3.

Tabela 3: Parâmetros de Soldagem para Soldagem de Sobreposição

Corrente de soldagem IA Tensão do arco IV Velocidade de soldagem
/(cm/min)
Alongamento seco
/milímetros
Taxa de fluxo de gás
(L/min)
Parâmetros de soldagem de pêndulo
164 19,8 18 15 18 /

O efeito da soldagem é mostrado na Figura 3, com largura de solda de 10,64 mm, altura de solda de 3,43 mm e profundidade de fusão de 1,13 mm.

Figura 3: Efeito da soldagem por sobreposição de fio único

Para o teste de soldagem com revestimento de fio duplo, o método de soldagem e as condições do gás de proteção foram consistentes com aqueles da soldagem com revestimento de fio único. O alongamento a seco no experimento foi de 20mm. Usando o método experimental ortogonal, a corrente do fio dianteiro, a corrente do fio traseiro e a velocidade de soldagem foram ajustadas para conduzir um experimento ortogonal de três fatores e quatro níveis. Os dados de largura e altura da solda foram obtidos observando e medindo a formação da solda. Alguns parâmetros de soldagem e tamanho da solda são mostrados na Tabela 4.

Tabela 4: Parâmetros de soldagem para soldagem com fio duplo

Corrente de soldagem do fio frontal
A
Tensão do arco do fio frontal
V
Corrente de soldagem do fio traseiro
/A
Tensão do arco do fio traseiro
V
Velocidade de soldagem
/(cm/min)
Largura do cordão de solda
/milímetros
Altura do cordão de solda
/milímetros
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 13h90 3.02
180 23,0 160 23.3 50 13,92 3.01

Ao analisar os dados de corrente de soldagem, largura de solda e altura de solda da soldagem de fio duplo, pode-se observar que quando a corrente de soldagem e a velocidade de soldagem mudam, considerando a flutuação da largura e altura da solda causada por variações na formação da solda e erros de medição , a mudança na altura da solda não é significativa, enquanto a mudança na largura da solda é mais proeminente.

Quando a velocidade de soldagem é mantida constante em 35 cm/min, 40 cm/min e 45 cm/min respectivamente, a relação entre a largura da solda e a corrente do fio dianteiro/traseiro é ajustada com uma equação de superfície.

A função do modelo de equação de superfície estabelecida é:

Na fórmula:

y – largura da solda (mm);
x1 – corrente do fio frontal (A);
x2 – corrente do fio traseiro (A);
a0, a1, a2, a3, a4 e a5 – coeficientes.

Quando as velocidades de soldagem são 35 cm/min, 40 cm/min e 45 cm/min, os coeficientes a3, a4 e a5 na equação são aproximadamente 0. Quando a velocidade é 35 cm/min, a equação de ajuste de superfície é:

Assim, pode-se inferir que os termos x1x2, x12 e x22 na equação de ajuste têm um impacto relativamente pequeno no valor de y.

Usando a fórmula de ajuste para testar os dados experimentais nas velocidades de 40cm/min e 45cm/min, e inserindo os valores atuais dos fios dianteiro e traseiro para obter o valor de y, os valores calculados de y e a largura real da solda apresentam um erro bastante uniforme.

A relação entre a largura da solda e a corrente da soldagem de fio duplo pode ser obtida a partir da fórmula (2), conforme mostra a figura 4.

Figura 4: Relação entre largura de solda e corrente de soldagem com fio duplo.

De acordo com a fórmula (2), a largura da solda está positivamente correlacionada com a corrente dos fios dianteiro e traseiro, e se aproxima de uma relação linear, sendo maior o efeito da corrente do fio traseiro. No processo de soldagem real, o fio frontal tem um efeito de pré-aquecimento no fio traseiro, enquanto o fio traseiro tem um efeito significativo na poça de fusão.

A poça fundida é influenciada pela força do arco do arame traseiro e pelo calor contínuo, o que aumenta a tendência do fluxo do líquido metálico na poça fundida e, em última análise, leva a um aumento na largura da solda.

Quando as correntes de soldagem da superfície de fio duplo são 140A e 120A, e a velocidade de soldagem é 30cm/min, a largura da solda é 10,73mm, a altura é 3,23mm e a profundidade de penetração é 0,82mm. O efeito de superfície é bom, conforme mostrado na figura 5.

Neste momento, o tamanho da superfície de fio duplo é semelhante ao da superfície de fio único, e a profundidade de penetração da superfície de fio duplo é menor. A zona afetada pelo calor é reduzida, o grau de reação com o metal base é reduzido e a taxa de diluição diminui, o que é benéfico para melhorar a qualidade do revestimento.

A velocidade de soldagem é aumentada em mais de 50% em comparação com a superfície tradicional de fio único, melhorando significativamente a eficiência da produção.

Figura 5: Efeito da superfície de soldagem com fio duplo.

Teste e análise de microestrutura:

Para as amostras de revestimento de fio duplo e de fio único, uma amostra de revestimento de 20 mm × 10 mm × 10 mm foi obtida por corte e seu desempenho foi testado e analisado. Os parâmetros de soldagem são mostrados na Tabela 5.

Tabela 5 Principais parâmetros de soldagem dos corpos de prova

Projeto Corrente de soldagem
I A
Tensão do arco
4
Velocidade de soldagem
(cm/min)
Teste de soldagem com fio duplo 1 120 (frente)
100 (traseira)
20,4 (frente)
20,9 (traseira)
30
Teste de soldagem com fio duplo 2 120 (frente)
120 (traseira)
20,4 (frente)
21,2 (traseira)
30
Teste de soldagem de fio duplo 3 140 (frente)
120 (traseira)
21,3 (frente)
21,2 (traseira)
30
Amostra de soldagem de fio único 164 19,8 18

Teste de microdureza

Um testador de microdureza de imagem tipo 600HVS-1000AVT da China foi usado para realizar testes de microdureza nas amostras. O penetrador Vickers era em forma de pirâmide de quatro lados. A carga foi de 300g (2,94N) e 100g (98N), e o tempo de espera foi de 15s.

As amostras de soldagem de fio duplo e de fio único foram medidas ao longo da linha de fusão, partindo da superfície da solda como ponto inicial de medição, com intervalo de 1 mm para medição de pontos.

Múltiplas medições foram feitas em cada ponto de medição e o valor médio foi obtido, resultando em uma curva de distribuição de microdureza média transversal (ver Figura 6).

Na Figura 6, pode-se observar que na posição da superfície da solda, os valores de dureza das amostras de soldagem de fio duplo e de fio único são semelhantes.

Da superfície do cordão de solda a uma distância de 3 mm da superfície do cordão de solda, o valor de dureza da amostra de soldagem de fio duplo permanece basicamente inalterado, com o valor de dureza da amostra de soldagem de fio duplo 2 aumentando ligeiramente, enquanto o valor de dureza de a amostra de soldagem de fio único cai gradualmente.

A uma distância de 3-5 mm da superfície do cordão de solda, os valores de dureza das amostras de soldagem de fio duplo e de fio único diminuem rapidamente até se aproximarem da dureza da matriz (140HV0,2).

Figura 6: Distribuição da microdureza ao longo da seção longitudinal da amostra.

A partir dos testes de microdureza, pode-se observar que a dureza superficial da camada de revestimento da amostra de soldagem de fio duplo está acima de 700HV0,2, atendendo aos requisitos de dureza das aplicações de revestimento reais.

Durante a superfície de fio único e a superfície de fio duplo, os elementos de liga da camada de superfície se difundem em direção ao metal base, e quanto mais próxima a camada de superfície estiver do metal base, mais óbvia será a diminuição da dureza.

A partir da curva de distribuição de dureza, pode-se inferir que durante o revestimento de fio único, o processo de difusão é relativamente estável e o valor da dureza é significativamente afetado pela distância.

À medida que a camada de revestimento se aproxima do metal base, o valor da dureza diminui gradualmente.

No revestimento de fio duplo, o uso de campos de temperatura e ciclos térmicos na soldagem de fio duplo melhora o processo de difusão do elemento, otimiza a estrutura e as propriedades da camada de revestimento e dentro de uma certa faixa de distância da superfície da camada de revestimento, o valor da dureza permanece basicamente inalterado.

Testes de desempenho de atrito e desgaste

A amostra de revestimento de fio duplo e a amostra de revestimento de fio único foram submetidas a testes de desgaste por deslizamento a seco sob as mesmas condições ambientais (temperatura: 28-30°C, umidade: 60%) na máquina de bola sobre disco HT 1000.

Uma esfera de Si3N4 com diâmetro de 4mm foi selecionada para o teste, e a carga foi fixada em 10N, a velocidade de deslizamento foi fixada em 59mm/s e o tempo de desgaste foi de 30 minutos. A quantidade de desgaste foi medida usando uma balança de precisão FA2104.

Observando o processo de teste, descobriu-se que sob cargas menores e velocidades mais baixas, a amostra 2 de soldagem de fio duplo sofreu um curto período de desgaste leve combinando desgaste abrasivo e deformação plástica, mas estabilizou após cerca de 1 minuto.

A tendência da curva do coeficiente de atrito mudou de forma semelhante à amostra de soldagem de fio único. O coeficiente de atrito da amostra de soldagem de fio duplo 1 flutuou muito, e a amostra de soldagem de fio duplo 3 entrou no estágio de estado estacionário de fricção após um longo período de tempo.

O coeficiente de atrito da amostra de soldagem de fio único foi o menor, flutuando em torno de 0,4, e o coeficiente de atrito da soldagem de fio duplo foi de 0,6-0,8.

Devido à baixa temperatura da amostra, não foi observado desgaste de fusão em nenhuma das amostras. Os resultados dos testes de desempenho de atrito e desgaste são mostrados na Figura 7.

Na Figura 7b, pode-se observar que a amostra de soldagem de fio duplo tem perda por atrito extremamente pequena, enquanto a perda por atrito da amostra de soldagem de fio único é de aproximadamente 1,5g.

Os resultados dos testes de desempenho de atrito e desgaste indicam que, em comparação com a superfície de fio único, a superfície de fio duplo resulta em um aumento no coeficiente de atrito e uma diminuição na quantidade de desgaste.

a) Coeficiente de atrito instantâneo
b) Perda de massa durante o processo de fricção

Figura 7: Resultados dos testes de desempenho de atrito e desgaste das amostras.

Teste de desempenho estrutural de superfície de desgaste

O desgaste do material é um processo complexo. Para confirmar o motivo da perda de quantidade de desgaste, a morfologia e a análise dos componentes da superfície desgastada da amostra de soldagem depositada com fio duplo e da amostra de soldagem depositada com fio único após o teste de fricção foram realizadas usando microscópio eletrônico de varredura ZeissSigma (SEM) e Espectroscopia de energia dispersiva Smartedx (EDS).

As imagens SEM e EDS da superfície desgastada da amostra de soldagem depositada com fio duplo e da amostra de soldagem depositada com fio único após o teste de fricção são mostradas na Figura 8.

Pode-se observar na Figura 8 que a superfície da amostra de soldagem de fio duplo 1 é composta principalmente por marcas de arado rasas e finas com uma pequena quantidade de marcas de adesão.

Neste momento, o desgaste é principalmente abrasivo. A área adesiva da superfície da amostra de soldagem de fio único aumenta e há muitas partículas brancas.

Através da comparação e análise de EDS, é determinado que as partículas brancas são principalmente compostos contendo elementos de Si. O composto de silício se deve principalmente à alta dureza do par de contrafricção no processo de desgaste por fricção a seco.

As partículas de desgaste fixadas na superfície da amostra, neste momento, o desgaste é principalmente desgaste abrasivo e desgaste adesivo.

Infere-se que os cristais metálicos que formam compostos de silício durante a deposição de fio único apresentam propriedades antiadesivas pobres, o que aumenta o desgaste adesivo durante o atrito e aumenta o desgaste.

Durante a deposição de fio duplo, a composição e a cristalização dos compostos de silício são melhoradas, o que reduz o desgaste.

a) Amostra de soldagem de fio duplo 1
b) Amostra de soldagem de fio único

Conclusão

Na operação de soldagem, é adotado o método de soldagem por depósito de fio duplo. Ao ajustar os parâmetros de soldagem e controlar o tamanho de formação da camada de depósito, e utilizar o campo de temperatura e as características do ciclo térmico da soldagem de fio duplo, a composição e a cristalização da solda são melhoradas e a taxa de diluição é reduzida.

Isso melhora até certo ponto o desempenho organizacional e a resistência ao desgaste da camada de depósito, e a eficiência da soldagem de depósito é bastante melhorada.

Os resultados deste estudo têm valor de referência para a aplicação de soldagem por depósito em equipamentos de engenharia subterrânea, bem como a aplicação de soldagem de fio duplo na área de soldagem por depósito e fabricação aditiva a arco.

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