Расчёт наплавки: масса металла и расход материала

Как выполняется расчёт

Расчёт идёт в три шага: объём наплавленного металла, его масса и расход материала с учётом потерь.

1. Объём. Полная толщина наплавки на участке складывается из толщины слоёв и припуска на последующую механическую обработку:

H = h × n + a

где h — толщина одного слоя, n — число слоёв, a — припуск, мм. Припуск нужен всегда, когда поверхность после наплавки протачивают или шлифуют: расчёт без него систематически занижает потребность в материале.

Для плоской поверхности объём равен произведению площади на толщину. Для валов и отверстий используется точная формула кольца:

• вал: V = π/4 × ((D + 2H)² − D²) × L
• отверстие: V = π/4 × (D² − (D − 2H)²) × L

Распространённое упрощение «площадь поверхности × толщина» (π × D × L × H) для вала даёт заниженный результат, и тем сильнее, чем толще наплавка относительно диаметра: при D 80 мм и H 7 мм — на 9 %, при D 40 мм и H 10 мм — на 25 %. Для отверстия то же упрощение, наоборот, завышает объём.

2. Масса. M = V × ρ. Плотность берётся по семейству наплавленного металла: высокохромистые наплавки Fe-Cr-C легче конструкционной стали (7,5–7,7 г/см³), никелевые и кобальтовые сплавы тяжелее (8,4–8,9 г/см³). Подстановка «7,85 для всего» на медных и кобальтовых сплавах ошибается до 13 %.

3. Расход материала. P = M × Kр × Kпол.

Kр — коэффициент расхода: сколько килограммов материала в том виде, в каком его закупают, уходит на один килограмм наплавленного металла. Он учитывает разбрызгивание, угар, шлакообразующую часть покрытия или сердечника и огарок. Kпол — поправка на пространственное положение: нижнее 1,00, вертикальное 1,05, потолочное 1,15.

Подслой (буферный слой) считается отдельно: у него свой материал, своя плотность и свой коэффициент расхода. Рабочий слой на валу начинается от диаметра, увеличенного на толщину подслоя. Массы наплавленного металла складываются; расход двух разных материалов — нет, каждый заказывается отдельно.

Коэффициент расхода по процессам

Значения для наплавки на 5–8 % выше, чем для сварки теми же процессами: при наплавке легированным металлом больше угар легирующих элементов и разбрызгивание. Все диапазоны округлены наружу — нижняя граница вниз, верхняя вверх, чтобы опубликованный интервал не оказался уже расчётного.

Для покрытого электрода калькулятор выбирает самый точный из доступных способов. Если известны выход наплавленного металла по паспорту и масса одного электрода (или число штук в килограмме с этикетки), доля покрытия вычисляется из диаметра и длины стержня — это наиболее точный вариант. Если масса неизвестна, доля покрытия берётся по его виду. Если неизвестен и выход — он принимается по классу покрытия. В результате указано, какой способ сработал.

Почему электрод высокого выхода не экономит килограммы

Электроды с выходом 160–230 % наплавляют больше металла за единицу времени, но их покрытие тяжёлое: металлический порошок в нём составляет более половины массы электрода. В пересчёте на килограмм закупленного материала выигрыш почти исчезает. Пример при длине 450 мм и огарке 50 мм:

Выигрыш электрода высокого выхода — в производительности наплавки, а не кратный выигрыш в массе. Ожидать «вдвое меньше электродов» по цифре выхода на этикетке неверно.

Примеры расчёта

Пример 1. Восстановление шейки вала с подслоем

Вал Ø 80 мм, длина наплавки 200 мм, нижнее положение. Подслой 3 мм аустенитным электродом с основным покрытием длиной 350 мм. Рабочий слой — 2 слоя по 3 мм износостойким высокохромистым электродом высокого выхода, припуск на проточку 1 мм.

• Объём подслоя: π/4 × (86² − 80²) × 200 = 156 451 мм³ → 1,24 кг наплавленного металла (ρ 7,9)
• Объём рабочего слоя (от Ø 86 до Ø 100): π/4 × (100² − 86²) × 200 = 409 035 мм³ → 3,11 кг (ρ 7,6)
• Итого наплавленного металла: 4,34 кг
• Расход электродов для подслоя: 1,77–2,32 кг (Kр 1,44–1,87)
• Расход электродов для рабочего слоя: 5,28–6,53 кг (Kр 1,70–2,10, данные о выходе не заданы)

Пример 2. Защита плиты ковша

Плита 1200 × 600 мм, 2 слоя по 4 мм, без припуска, самозащитная порошковая проволока, высокохромистый наплавленный металл (ρ 7,6), нижнее положение.

• Объём: 1200 × 600 × 8 = 5 760 000 мм³ → 43,78 кг наплавленного металла
• Расход проволоки: 56,90–63,48 кг (Kр 1,30–1,45)

Пример 3. Восстановление посадочного отверстия

Отверстие Ø 100 мм, глубина 50 мм, 1 слой 5 мм, сплошная проволока в защитном газе, низколегированный металл (ρ 7,85).

• Объём: π/4 × (100² − 90²) × 50 = 74 613 мм³ → 0,59 кг наплавленного металла
• Расход проволоки: 0,62–0,69 кг (Kр 1,07–1,17)
• Упрощённая формула π × D × L × H дала бы 78 540 мм³ — завышение на 5 %.

Вопросы и ответы

Расчёт ориентировочный и предназначен для оценки потребности в материале. Он не заменяет технологическую карту наплавки и паспортные данные производителя материала. Режимы, число слоёв, необходимость подслоя и подогрева определяются технологией для конкретной детали.