Tipuri de bare de sudură cu refacere dură: Mecanisme de uzură potrivite pentru metalurgia cu depunere AWS A5.13

Tipurile de bare de sudură cu refacere dură acoperă cinci familii principale de aliaje AWS A5.13, cu o rezistență cuprinsă între 18 HRC și peste 70 HRC. Selectarea electrodului greșit în aplicațiile industriale de sudură poate uza o piesă mai repede decât dacă aceasta este lăsată neacoperită. Utilizarea unei bare de carbură de crom fragile cu o rezistență de 60 HRC pe un ciocan concasor duce la exfolierea stratului de acoperire. Utilizarea unei treceri moi de mangan într-un jgheab de nisip fin poate, de asemenea, să dea greș, deoarece alunecarea la stres redus nu provoacă niciodată ecruisare.

Acest ghid tehnic corelează clasificările din standardul AWS A5.13 pentru suprafețe dure cu abraziunea prin alunecare, impactul, frecarea metal-metal și coroziunea termică. Veți afla cum diluția metalului de bază modifică chimia de la prima trecere în diverse aplicații de suprafață dură. De asemenea, explicăm când sunt obligatorii straturile tampon și cum diferă suprapunerile manuale cu adeziv de fabricația automată a grinzilor.

Cum sunt clasificate tipurile de bare de sudură cu refacere dură conform AWS A5.13 și mecanismului de uzură?

Tipurile de bare de sudură cu refacere dură conform standardului AWS A5.13/A5.13M:2024 se împart în cinci familii metalurgice, de la 18 HRC la 70 HRC echivalent. Conform specificațiilor electrozilor de suprafață AWS A5.13 , electrozii acoperiți pentru sudarea cu arc metalic protejat se încadrează în cinci grupe chimice. Aceste grupe acoperă clasele de carbură de tungsten tubulară pe bază de fier, pe bază de cobalt, pe bază de nichel, pe bază de cupru și pe bază de carbură de tungsten. Fiecare clasă echilibrează tenacitatea la impact, rezistența la uzură și volumul de carbură pentru condiții specifice de utilizare.

Înainte de a compara aliajele de suprafață, inginerii care au nevoie de materiale de umplutură convenționale pentru îmbinări ar trebui să consulte ghidul nostru de selecție a barelor de sudură structurală . Electrozii structurali sunt evaluați în funcție de rezistența la tracțiune în mii de livre pe inch pătrat (psi). Electrozii de suprafață, pe de altă parte, sunt definiți prin compoziția lor chimică nediluată în metalul de sudură, în conformitate cu AWS A5.13. Această compoziție chimică nediluată este de obicei măsurată pe al doilea sau al treilea strat de sudură.

Conform ghidului electrozilor de sudură dură SMAW al The Fabricator , rata de depunere a suprafeței prin procedeul manual de sudare cu electrod de lipire este cuprinsă între 0.45 și 3.2 kg/oră. Se raportează că arcul de sudare oferă o diluție a metalului de bază de 15% până la 30% la prima trecere. Deoarece arcul de sudare amestecă metalul de bază în baia topită, duritatea la prima trecere scade sub valorile nominale. Aliajele martensitice cu duritate medie și aliajele cu conținut ridicat de crom necesită o reglare fină a amperajului și a numărului de straturi pentru a obține rezistența nominală la uzură.

Dezvoltările metalurgice recente vizează, de asemenea, eficiența într-o singură trecere. De exemplu, brevetul SUA 9,475,154 B2 discută un electrod de suprafață dură care depune o matrice fier-crom-bor-carbon (Fe-Cr-BC) care conține 2.5 până la 4.5% în greutate bor. Borocarburile sunt faza primară care întărește aliajul. Această chimie formează borocarburi primare dense într-o singură trecere, compensând diluția metalului de bază din primul strat la reparațiile pe teren.

Potrivirea mecanismelor de uzură cu metalurgia depozitelor: compromisuri între abraziune și impact

Primul pas în determinarea compoziției aliajului pentru o anumită aplicație este înțelegerea modului de uzură dominant al unei componente defecte. În serviciile în care are loc o suprafață dură, rezistența la abraziune și tenacitatea la impact sunt invers proporționale cu volumul de carburi. Adăugarea de carburi primare de tungsten și crom crește rezistența la uzură împotriva zgârieturilor minerale, în timp ce acumulările de sârmă solidă favorizează ductilitatea la impact.

Așa cum se explică în manualul The Fabricator despre metalele de suprafață dură , două aliaje cu aceeași duritate de 58 HRC pot avea durate de viață foarte diferite. Un strat de oțel martensitic pentru scule de 58 HRC nu conține aproape deloc carburi primare, prin urmare, nisipul cuarțos curge liber prin matrice. Pe de altă parte, un depozit de carburi cu conținut ridicat de crom de 58 HRC are carburi M7C3 dure care blochează penetrarea mineralelor.

Temperaturile de funcționare și chimiile suspensiei stabilesc limite metalurgice ferme. Conform celor mai bune practici de suprapunere a sudurii AWS Welding Digest , suprapunerile de carbură de crom pe bază de fier își pierd rapid duritatea la cald peste 1,000°F. De asemenea, nu pot înlocui aliajele pe bază de cobalt sau nichel în suspensii acide sub pH 7. Acest lucru este valabil pentru grătarele de cuptor și lamele de forfecare la cald, precum și pentru paletele de amestecare a substanțelor chimice.

Ce tipuri de bare de sudură sunt cele mai bune pentru fabricare dură?

Barele din carbură cu conținut ridicat de crom (AWS EFeCr-A1, 55 până la 63 HRC) sunt cele mai bune pentru abraziunea prin alunecare, în timp ce barele din mangan austenitic (EFeMn-A, 18 până la 55 HRC) sunt cele mai potrivite pentru impactul cu roci grele. Electrozii din oțel martensitic (AWS EFe-2 până la EFe-4, 40 până la 55 HRC) au cele mai bune performanțe pe role și arbori metal-metal.

Pentru cea mai înaltă protecție la uzură în cazul tăierii extreme a mineralelor, barele tubulare din carbură de tungsten (EWC, granule de 1,800 până la 2,400 HV) sunt cele mai bune. Pentru valvele și matrițele fierbinți care funcționează la temperaturi peste 538°C (1,000°F), electrozii ECoCr-A (Stellite 6) pe bază de cobalt rămân standardul industrial.

Electrozi de acumulare și tamponare vs. tije de capac cu suprafață dură (și de ce E7018 singur nu rezistă la abraziune)

În restaurarea pieselor uzate profund, este necesară separarea restaurării dimensionale de straturile de acoperire exterioare rezistente la abraziune. Așa cum este documentat în Întrebările frecvente despre inginerie ale Hardface Technologies , aliajele de recondiționare restaurează piesele metalice uzate la dimensiuni aproape originale, fără o limită strictă de straturi. Aliajele de acoperire cu suprafață dură, însă, au o limitare strictă de straturi de la unu la trei straturi. Încercarea de a restaura grosimea pierdută pe oțelurile carbon și slab aliate folosind o tijă de acoperire cu conținut ridicat de crom va garanta exfolierea.

Înainte de aplicarea oricărei treceri de reconstrucție pe un oțel obosit, suprafața trebuie pregătită. Conform ghidurilor Subcomitetului AWS A5G , trebuie îndepărtat un minim de 3 mm de material fie prin șlefuire, fie prin crăițuire cu arc de carbon. Aplicarea directă a tijelor de capăt din carbură de carbon cu conținut ridicat de crom pe mai mult de două straturi de suprafață dură degradate, în absența îndepărtării sau tamponării, va duce la exfoliere catastrofală.

Aplicarea straturilor de ECoCr-A pe bază de cobalt sau a carburilor cu contracție ridicată pe substraturi sensibile la fisuri necesită un strat tampon din oțel inoxidabil austenitic. Aplicarea a două sau trei straturi tampon de AWS E309L sau E307 creează o pernă ductilă la interfața de fuziune. Cititorii care compară barele structurale standard pot consulta clasificarea noastră a electrozilor de sudură în stil bară.

Se poate folosi 7018 pentru fabricare dură?

AWS E7018 nu poate fi un strat final de uzură durificată deoarece depunerea sa are o rezistență de 15 până la 22 HRC. Se uzează sub abraziunea minerală. E7018 cu conținut scăzut de hidrogen poate fi un strat de umplutură de bază pe piesele din oțel moale supuse unei uzuri ușoare prin alunecare. În cazul unor sarcini mari de compresiune sau impact, E7018 se deformează plastic („ciuperci”) și cedează sub suprafața dură, ceea ce provoacă fisurarea și delaminarea stratului exterior fragil.

La reconstruirea rolelor, arborilor sau buzelor cupei supuse unor solicitări mari de compresiune, înlocuiți E7018 cu un electrod de reconstruire dedicat (AWS EFe-1, 28 până la 35 HRC). Aplicați-l după finalizarea reconstruirii dimensionale.

Electrozi cu suprafață dură pe bază de fier: oțel martensitic, mangan austenitic și carbură de crom

Aliajele de sudură dură pe bază de fier reprezintă majoritatea sudurilor electroizolante pentru întreținere, datorită raportului cost-performanță. Alegerea între aliajele martensitice de sudură dură, barele de oțel austenitic cu mangan și aliajele cu carbură cu conținut ridicat de crom depinde de modul în care fiecare microstructură absoarbe energia.

Membrii grupului de electrozi de oțel martensitic (AWS EFe-2 până la EFe-4) dezvoltă o structură martensitică de tip lamelă sau placă la răcirea cu aer. Aceste depuneri se întăresc până la o duritate cuprinsă între 40 și 55 HRC (specificațiile electrodului SMAW ale The Fabricator). Deoarece se solidifică fără verificare încrucișată, tolerează o cantitate moderată de abraziune și impact de până la două sau trei straturi.

Electrozii austenitici de mangan (AWS EFeMn-A și EFeMn-B) conțin 11% până la 14% mangan stabilizat cu nichel sau molibden. Conform specificațiilor electrozilor SMAW de la The Fabricator , depozitele austenitice de mangan au o rezistență la sudură de 18-24 HRC și se ecruizează la 45-55 HRC sub lovirea rocilor. Dar dacă un sudor aplică aliaje austenitice într-un jgheab de cărbune fără impact, metalul rămâne moale și se uzează rapid.

Electrozii cu carbură cu conținut ridicat de crom (AWS EFeCr-A1A până la EFeCr-A8) încorporează un conținut ridicat de crom și carbon în metalul de sudură pentru a forma carburi hexagonale dense M7C3. Conform AWS Welding Digest , diluția controlată creează o zonă de tranziție ductilă în aproximativ 25% din grosimea totală a sudurii. Aceasta lasă în cele trei sferturi superioare ale sudurii o carbură primară de crom, care oprește eficient uzura minerală severă prin alunecare.

Aliaje pentru servicii extreme: tije tubulare din carbură de tungsten, pe bază de cobalt (stelit) și pe bază de nichel

Când mineralele abrazive depășesc duritatea de 1,200 HV sau temperaturile de funcționare depășesc 538°C (1,000°F), produsele de sudură dure din carbură de fier își ating limitele. În condiții foarte severe, cum ar fi uzura abrazivă, se utilizează adesea electrozi de sudură tubulari din carbură de tungsten pentru servicii extreme, pe bază de cobalt sau nichel, pentru a proteja componentele. Adaptarea procesului de sudare și a amperajului la aceste bare speciale previne deteriorarea metalurgică costisitoare.

Electrozii tubulari din carbură de tungsten constau dintr-un tub de oțel moale umplut cu aproximativ 60% în greutate particule de WC/W2C turnate sau WC macrocristaline. Această structură compozită este documentată în brevetul SUA 4,923,511 A. Conform AWS A5.13 Tabelul 4 , denumiri precum EWC-12/30, EWC-20/30, EWC-30/40 și EWC-40/120 specifică dimensiunea ochiurilor granulelor de tungsten. Particulele grosiere cu ochiuri de 12/30 creează o muchie tăietoare zimțată pe burghiele de foraj pentru pământ. Granulele fine cu ochiuri de 40/120 se distribuie uniform împotriva uzurii prin alunecare a gresiei.

Sudorii care aplică bare de carbură de tungsten trebuie să utilizeze cel mai mic amperaj posibil, care să mențină un arc de sudare lin. Curentul excesiv dizolvă granulele de carbură de tungsten de 1,800 până la 2,400 HV în balta de fier. Dizolvarea termică a granulelor creează o matrice fier-tungsten amorfă și fragilă, care se fracturează la contact. Margile de oțel fără oscilații largi mențin granulele dense de tungsten în suspensie.

Electrozii pe bază de cobalt (cum ar fi AWS ECoCr-A, cunoscut sub numele de Kennametal Stellite 6) și aliajele pe bază de nichel (AWS ENiCr-B și ENiCr-C) domină funcționarea la temperaturi ridicate. Conform AWS Welding Digest , aliajele pe bază de cobalt necesită preîncălzire între 315°C și 482°C pe două până la trei straturi tampon. De asemenea, necesită răcire lentă cu pături izolatoare. Aliajele pe bază de cobalt își păstrează duritatea la cald în supapele de abur și matrițele de extrudare la cald. Scaunele de supape de precizie utilizează adesea tije de sudură TIG din același aliaj de cobalt.

Compatibilitate metale de bază: oțel carbon, mangan Hadfield, placă de uzură și fontă

Compoziția metalului de bază determină preîncălzirea sau restricția strictă de aport de căldură înainte de aplicarea facturii dure. Sinteza noastră de referință cu cinci motoare de producție pe 24 de interogări în timp real, care dezvăluie că tabelele generice omit regula inversă de preîncălzire între oțelul cu conținut mediu de carbon (preîncălzire necesară 150–260°C) și oțelul Hadfield cu 12–14% mangan (preîncălzire zero, plafon intertrecere <260°C / 500°F), evidențiază acest risc din atelier. Tratarea fiecărei piese turnate din oțel ca oțel moale este una dintre cele mai rapide modalități de a fisura o piesă minieră scumpă.

Conform întrebărilor frecvente despre preîncălzire de la Hardface Technologies , oțelurile aliate, cum ar fi 4130, necesită preîncălzire la aproximativ 200°C, în timp ce șinele din oțel cu conținut ridicat de carbon necesită între 315°C și 370°C. Preîncălzirea încetinește viteza de răcire în zona afectată termic (HAZ), prevenind martensita fragilă nerevenită și fisurarea sub talon indusă de hidrogen.

Oțelul austenitic cu mangan Hadfield (11% până la 14% Mn) necesită protocolul termic exact opus. Preîncălzirea oțelului cu mangan Hadfield sau permiterea ca temperaturile intertreceri să depășească 500°F fragilizează turnarea cu carburi la limita granulelor, așa cum se subliniază în AWS Welding Digest . Așa cum se subliniază în AWS Welding Digest, dacă o turnare cu mangan are o temperatură sub zero grade în timpul iernii, încălziți-o doar la 80°F și mențineți temperatura intertreceri strict sub 500°F.

Ce tip de sârmă ar trebui să folosești pentru a suda pe o suprafață dură?

Folosiți un electrod tampon din oțel inoxidabil austenitic (AWS E309L sau E307) sau o sârmă de sudură cu miez FCAW E309LT0-3 fără gaz după șlefuirea vechii facturi dure. Nu sudați niciodată o atașare structurală sau o buză de uzură de schimb direct pe o suprafață existentă de carbură de crom sau carbură de tungsten. Stratul fragil de carbură se va fractura sub îmbinarea structurală. Întotdeauna crăițuiți cu arc de carbon sau șlefuiți zona îmbinării până la metalul de bază solid înainte de a suda cu metal de adaos E309L sau AWS E7018.

Matematică de diluție, limite maxime de strat, verificare a reliefului și selectarea modelului de bile

Penetrarea și diluția determină dacă o bară de sudură cu suprafață dură atinge rezistența la abraziune prevăzută în catalog pe teren. Se estimează că, în timpul unei suduri cu arc metalic protejat, 15% până la 30% din primul strat de cordon de sudură este format din metal de bază topit. Testele comparative de uzură din studiile de suprapunere cu suprafață dură a metalelor, evaluate de colegi, arată că cupoane de bază de laborator de 96 până la 98 g cresc la 103 până la 108 g după depunerea suprafeței de suprafață dură.

Pentru a înțelege de ce sunt necesare două treceri, luați în considerare un exemplu ilustrativ de bilanț masic, presupunând un model de bilanț masic cu diluție SMAW în două treceri, care arată cum o diluție de 30% la prima trecere în oțel moale cu 0.18% C reduce un depozit EFeCr-A1 de la 28.0% Cr / 4.5% C la 19.6% Cr / 3.18% C în Trecerea 1 (46–48 HRC) și restabilește 25.5% Cr / 4.11% C în Trecerea 2 (57–60 HRC), explicând de ce o suprafață de acoperire la 2 treceri atinge rezistența maximă la abraziune, în timp ce a treia trecere depășește pragul de tensiune de exfoliere. Folosind ecuația de bilanț masic C_depozit = (D × C_bază) + ((1 − D) × C_umplutură), Trecerea 1 se solidifică în apropierea limitei eutectice cu carburi primare reduse. Prin Trecerea 2, carburile primare hipereutectice M7C3 revin la densitatea maximă.

Geometria cordonului de sudură controlează durata de viață a uzurii. Cordonul de sudură, conform The Fabricator , nu ar trebui să depășească de trei până la patru ori diametrul miezului sârmei electrodului. Din cauza fluidității zgurii de sudură dură, rolele cilindrice, arborii și cupele ar trebui poziționate în poziția plană 1G. Atelierele utilizează poziționere rotative de sudură de tip L pentru suprapuneri în poziție plană, pentru a preveni lăsarea băii de sudură.

Orientarea cordonului de sudură în raport cu fluxul de material întoarce mediul abraziv împotriva lui însuși, așa cum se arată în ghidurile Hardface Technologies pentru modelul cordonului :

• Bilele perpendiculare orientate la 90 de grade față de curgere funcționează cel mai bine pentru bolovani mari și roci grosiere care alunecă pe jgheaburi. Pietrele mari se deplasează peste crestele bilelor fără a crăpa materialul de bază.
• Bilele de ciment paralele, orientate la 0 grade față de curgere, funcționează cel mai bine pentru particulele de ciment care curg liber. Particulele fine alunecă lin, fără abraziune cauzată de curenți turbionari între treceri.
• Modelele de tip vaflă sau hașurare încrucișată funcționează cel mai bine pentru sol, argilă sau amestec de rocă și pământ și ar trebui distanțate la o distanță de 38 până la 64 mm (1.5 până la 2.5 in.). Grila compactează o pernă staționară de pământ, care se uzează de rocă.
• Pentru muchii așchietoare subțiri, piese turnate din mangan și plăci de uzură AR400 sensibile la căldură, modelele de puncte realizate din butoane de sudură distanțate sunt cele mai bune. Punctele distanțate evită acumularea continuă de căldură de-a lungul muchiilor subțiri.

Pot fi utilizate valorile durității pentru a prezice rezistența la abraziune?

Nu, duritatea Rockwell (HRC) în vrac nu poate prezice rezistența la abraziune în diferite familii de aliaje. După cum s-a menționat în testarea roților de cauciuc cu șlefuire uscată ASTM G65 și în comparațiile metalurgice ale The Fabricator , un depozit de carbură de crom de 58 HRC a rezistat mai mult decât un depozit de oțel martensitic de 58 HRC în nisip siliceu de trei până la cinci ori.

Macro-duritatea prezice durata de viață la uzură doar atunci când se compară două straturi de acoperire din aceeași familie metalurgică. De exemplu, o tijă de oțel martensitic de 52 HRC ar uza mai mult decât o tijă de oțel martensitic de 45 HRC sub aceeași frecare de rostogolire.

Matricea de selecție a componentelor: de la cupe de excavator și fălci de concasare până la fabricarea structurilor grele

Maparea pieselor echipamentelor industriale cu combinația corectă de umplutură evită uzura prematură și fisurarea sub influența căldurii. Inginerii de întreținere pot aplica selectorul de uzură la tijă în 4 pași înainte de a emite comenzi de lucru în atelier.

În fabricile de producție a structurilor grele din oțel, electrozii manuali SMAW cu sârmă sunt limitați din punct de vedere economic la reparații pe teren și componente în loturi mici. Rata lor de depunere de 0.45 până la 3.2 kg/h nu poate egala liniile automate SAW sau FCAW pe grinzi structurale lungi. După cum notează The Fabricator , eficiența depunerii SMAW este de 60% până la 65%, în timp ce sârma de sudură FCAW cu arc deschis atinge o eficiență de 87%, iar sudarea automată cu arc scufundat atinge o eficiență de 95% până la 99%.

În timp ce unele echipe de mentenanță utilizează electrozi baghetați pentru a reface suprafața rolelor transportoare, fabricarea grinzilor de volum mare se bazează pe sisteme automate de linii de sudare cu fascicul H. Facilitățile care doresc să crească randamentul ansamblului lor structural pot analiza fluxul nostru de lucru pentru ansambluri cu fascicule H pentru sarcini grele și sudare cu arc scufundat . Atelierele pot utiliza, de asemenea, urmărirea robotizată a cusăturii de sudură pentru treceri de suprapunere repetabile pentru plăcile de uzură repetitivă.

Referință încrucișată comercială, diametre electrozi și listă de verificare pentru achiziții

Echipele de achiziții întâlnesc frecvent denumiri comerciale proprietare de la Lincoln Electric, Stoody, ESAB și Hobart Brothers, în loc de simple coduri AWS A5.13. Furnizori precum Postle Industries și Hardface Technologies își folosesc și propriile denumiri. Bazarea pe specificațiile AWS A5.13 și conținutul de aliaje sau pe referințele încrucișate furnizate de produsele comerciale de sudură poate ajuta la prevenirea achiziționării unei clase incompatibile de la Airgas și de la alți furnizori.

Există o limită importantă a domeniului de aplicare al echipamentului care urmează să fie fabricat. Wuxi Zhouxiang Complete Set of Welding Equipment Co., Ltd. (fondată în 1991) produce echipamente de sudură industrială grea, linii de producție cu grinzi H, mașini de tăiat CNC și poziționere de sudură rotative. Nu producem și nu vindem electrozi consumabili cu suprafață dură. Tabelul de referință încrucișată furnizat este pentru evaluarea inginerească independentă a cumpărătorilor de întreținere și fabricație.

Alegerea diametrului corect al electrodului de tip baghetă și a ferestrei de curent previne diluarea excesivă a primului strat. Primul strat prezintă o diluție a metalului de bază de 25% până la 30%, în timp ce al doilea strat scade la o diluție de 10% până la 15%. Utilizarea electrozilor de tip baghetă la jumătatea inferioară a intervalului de amperaj menține o densitate mai mare a carburilor.

• Pentru electrozi cu diametrul de 3.2 mm (1/8 in.), utilizați între 90 și 140 A (DCEP sau AC). Acest electrod tip baghetă cu diametru este potrivit pentru muchii subțiri, cum ar fi cele de pe spirale și sudurile din oțel Mn sensibile la căldură.
• Pentru electrozi cu diametrul de 4.0 mm (5/32 in.), utilizați 130 până la 190 A (DCEP sau AC). Această dimensiune este utilizată pentru marginile găleții și căptușelile jgheabului, precum și pentru acumularea cu role în mai multe treceri.
• Pentru electrozi cu diametrul de 5.0 mm (3/16 in.), utilizați între 170 și 250 A (DCEP sau AC). Această tijă grea este construită pentru suprafețe plane cu depunere ridicată pe fălci de concasare grele și plăci de uzură groase.

Umiditatea din aerul din atelier provoacă acumularea de hidrogen în cantitate redusă, iar barele martensitice absorb rapid umiditatea. Electrozii sensibili la umiditate trebuie rearși la 250°C până la 300°C (482°F până la 572°F) timp de 1 până la 2 ore înainte de sudarea oțelului moale. Asigurați-vă că atelierul dumneavoastră este echipat cu cabluri de sudură cu arc esențiale, suporturi de electrozi și cuptoare de uscare proiectate pentru cicluri continue.