11.3 Восстановление деталей сваркой и наплавкой

Сваркой называется процесс образования неразъёмного соединения деталей вследствие межатомного взаимодействия или действия сил молекулярного сцепления. Сваркой соединяют металлы и неметаллические материалы. Для этого материал должен обладать свариваемостью, т.е. свойством образовывать неразъёмное соединение за счёт сварных швов. Свариваемость оценивают степенью соответствия заданных свойств сварного соединения аналогичным свойствам основного материала и их склонность к образованию сварочных дефектов (трещин, пор, шлаковых включений и пр.). По этим признакам материалы подразделяются на хорошо, удовлетворительно и плохо спаривающиеся; имеется также группа материалов практически не сваривающихся. При сварке металлов производят местный нагрев соединяемых частей до перехода их в пластическое состояние (сварка давлением) или, в подавляющем большинстве случаев, в расплавленное состояние. Обычно стремятся, чтобы металл шва обладал одинаковыми свойствами с основным металлом. В ремонтном производстве сварка часто применяется для заделки трещин, отколов, раковин, исправления различных механических повреждений.

Наплавка является разновидностью сварки, но имеет свои особенности как по назначению, гак и в технологическом отношении. Наплавкой называется процесс нанесения расплавленного металла на поверхность детали, нагретой до температуры плавления. Наносимый на поверхность слой металла должен образовывать с основным металлом прочную металлическую связь. При ном наносимый слой металла или сплава может иметь свойства, отличающиеся от свойств основного металла. Поэтому наплавку применяют не только для восстановления исходных размеров детали, но и для придания её поверхности заданных свойств.

Наплавка широко применяется для восстановления сильно изношенных участков и увеличения износостойкости таких деталей, как валы, зубчатые колёса, муфты, клапаны, штоки, звёздочки и др.

Несмотря на большую распространённость, процессы сварки и наплавки обладают существенными недостатками, которые необходимо иметь в виду при выборе способа восстановления деталей. В числе недостатков изменение структуры основного материала деталей в зоне термического влияния, коробление конструкции, снижение усталостной прочности материала, появление трещин. Эти процессы применимы не ко всем деталям вследствие особенностей их материала. Поверхности деталей, восстановленные наплавкой, обладают по сечению неоднородными физико-механическими свойствами, химическим составом и микроструктурой. Толщина наносимого слоя покрытия должна значительно превышать величину износа. Так, для компенсации износа в 0,2-0,5 мм приходится наплавлять слой толщиной до 1,0-1,2 мм.

Большое разнообразие форм, размеров, материала, условий эксплуатации деталей оборудования обусловливает необходимость применения на ремонтных предприятиях разнообразных видов сварки и наплавки, которые можно выбрать из большого числа известных способов.

Сварка и наплавка стальных деталей.

По свариваемости стали подразделяются на четыре группы (таблица 6). Под свариваемостью имеется в виду обобщающее понятие, характеризующее качество сварного соединения (прочность парного соединения, чувствительность сварного шва к термообработке, соответствие свойств шва свойствам основного металла, склонность к образованию трещин). Свариваемость во многом определяется процентным содержанием углерода в стали. К первой группе относят стали, сварку которых можно выполнить без последующей термообработки, но термообработка допускается для принятия внутренних напряжений. Вторую группу составляют стали, при сварке которых в обычных производственных условиях не образуются трещины. С целью предупреждения возможного появле­ния трещин для этих сталей применяют предварительный подогрев и последующую термообработку. В третью группу входят стали, которые перед сваркой обязательно подвергают подогреву и термообработке. Большинство сталей этой группы после сварки дополнительно термически обрабатываются. Стали четвертой группы трудно поддаются сварке и обладают выраженной склонностью к образованию трещин. Эти стали свариваются ограниченно с предварительным подогревом и обработкой после сварки. Мелкие детали из сталей первых трех групп могут свариваться без подогрева.

Ручная дуговая сварка и наплавка

Этот универсальный и наиболее распространенный способ требует создания электрической между электродом и свариваемым металлом, которая является источником тепла для сплавления металлов. Качество сварного шва или наплавленного слоя определяется диаметром электрода, его типом и маркой, величиной сварочного тока, напряжением на дуге, видом и полярностью тока, скоростью сварки, типом шва, его положением в пространстве.

Питание дуги может осуществляться постоянным или переменным током, причем, полярность постоянного тока может быть прямой и обратной. Род тока и полярность выбираются зависимости от химического состава и толщины стали. Электрическая дуга постоянного тока более стабильна. Наибольшее количество тепла выделяется на положительном полюсе, поэтому для лучшего разогрева металла к нему присоединяется положительный полюс, а к электроду — отрицательный полюс сварочной цепи. Такая схема соединения называется прямой полярностью, реже применяется обратная полярность, при которой отрицательный полюс присоединен к свариваемому металлу, а положительный — к электроду. Обратная полярность позволяет избежать прожогов деталей при небольшой их толщине (менее 3 мм), а также применяется при сварке легированных сталей, очень чувствительных к перегреву.

Источниками постоянного тока при ручной, а также механизированной сварке и наплавке, являются:

сварочные преобразователи ПСО-300 3, ПСО-500, ПСГ-500, ПСУ-500, ПС-1000; сварочные выпрямители ВС-300, ВС-600, ВСЖ-303, ВДГ-302, ВДГ-601, ВДУ-504, ВДУ-1001, ВДУ-1601, VI-1001;

сварочные агрегаты АСБ-ЗОО-7, АДВ-306, АДД-303, АСД-3-1, АСДП-500Г-ЗМ.

Таблица 6 – Свариваемость сталей

Группа свариваемости	Свариваемость	Группа сталей	Марки сталей	Свойства при сварке	Особенности технологии
I	Хорошая	Малоуглеродистая с содержанием углерода (С) до 0,25% и низколе­гированные с содержанием углеро­да до 0,20%	10, 15, 20, 25, 15Г, 20ХГ, 12ХН2, 15ХМ, 12Х2НЧ, 15Х, 20Х, 20ХГСА, 12ХГСА, 12Х2НЧА, ЮХГСНД	Свойства практически не меняются	Подогрев и термообработка не требуются
II	Удовлетвори- тельная	Углеродистая (до 0,35 % С), кон- струкционная легированная (до 0,35%С)	15Л, 20Л, 25Л, 20ХНЗА, 30, 35, 30Х, 20ХГС, ЗОЛ, 35Л, 15ХСНД	Свойства ухудшаются. Требуется последующая термообработка	Предварительный подогрев до 100°С
III	Ограниченная	Стали с содержанием углерода до 0,40 %	35ХМ, 30ХГС, 35НЛ, 35ХНЛ, 40, 45, 40Х, 35СГ, 50, 40Л, 45Л, 35Г, 35ХНМ, 40ХН, 40ХНМА, 18Х2НЧВА, 38 ХЮА, 35 ХМЮА, 30ХМА	Свойства ухудшаются, но после термообработки частично восстанавливаются	Предварительный подогрев до 200-250°С и термообработка
IV	Плохая	Высокоуглеродистые и легирован- ные стали с высоким содержанием углерода	50Х, 50Г2, 50ХН, 50Г, 40Г2, 60Г, 50ХГ, 55С2, 65, 75, 85, У8, У8Г, У9, У12, У10А, УНА, У13А, 65Г, 70Г, 55Л, Р18, Р8	Свойства ухудшаются. Требуется последующая термообработка	Предварительный подогрев до 250-300°С

Переменный ток используется более широко — для сварки углеродистых и низколегированных сталей разной толщины. Источниками переменного тока являются сварочные трансформаторы ТСП-2, ТС-300, ТД-300, СТН-450, СТШ-500, ТСД-1000, преобразующие получаемый ток напряжением 220 или 380В в ток напряжением 30-80В.

При ручной дуговой сварке и наплавке чаще всего используются металлические электроды сварочной проволоки с обмазкой. Диаметр проволоки электрода от 1 до 12 мм; проволока обычно низкоуглеродистая стальная. Длина электродов — до 450 мм. Электроды классифицируются по назначению и виду покрытия. По назначению стальные электроды подразделяются на пять классов: 1) для сварки углеродистых и низколегированных конструкционных сталей пределом прочности σ_в≤600 МПа; 2) для легированных сталей с σ_в >600 МПа; 3) для легированных жаропрочных сталей; 4) для высоколегированных сталей с особыми свойствами; 5) для наплавки поверхностных слоев с особыми свойствами.

Покрытие (обмазка) электродов предназначена для: а) повышения устойчивости горения дуги; б) создания вокруг зоны плавления защитного слоя из газов и шлаков с целью предохранения расплавленного металла от соединения с кислородом и азотом (окисления азотирования); в) замедления остывания шва; г) внесения в расплавленный металл необходимого количества углерода и легирующих элементов. Соответственно функциям покрытий и состав электродных обмазок включаются разные компоненты: стабилизирующие, шлакообразующие, газообразующие, раскисляющие, легирующие и связующие.

По виду покрытия электроды делят на электроды с кислым, рутиловым, основным и целлюлозным покрытием. Кислые покрытия рекомендуются для низкоуглеродистых и низколегированных сталей, рутиловые — для ответственных конструкций из малоуглеродистых и низколегированных сталей, основные — для ответственных конструкций из сталей всех классов, целлюлозные — имя малоуглеродистых и низколегированных сталей.

По толщине слоя различают два вида обмазок: тонкие и толстые. Тонкие обмазки имеют толщину 0,15-0,25 мм, выполняют только стабилизирующую и незначительную защитную функцию. Толстые обмазки обеспечивают выполнение всех четырех перечисленных выше условий; толщина этих обмазок — в пределах 0,8 — 2,0 мм.

Электроды для сварки конструкционных сталей обозначают буквой «Э» с указанием прочности получаемого шва на разрыв, например. Э42, где 42 — временное сопротивление шва при растяжении в σ_в кг/мм² (10^-1МПа).

В зависимости от состава покрытия электроды подразделяются на марки: ОММ-5 ЦМ-7, У.ОНИ-13/45 и др.

Электроды для наплавки обозначают двумя буквами — «ЭН» («Н» — наплавочный) и цифрами, показывающими гарантированную твердость наплавленного слоя, например, ЭНР-62 (твердость нанесенного слоя HRC62). Для наплавки интенсивно изнашивающихся деталей применяю порошкообразные твердые сплавы (вокар, висхом), литые твердые сплавы (стеллиты, сормайты), порошковые электроды.

Применительно к составу покрытий электродов выработаны следующие рекомендации. Электродами с меловой обмазкой (ОММ-5, ОММ-2) следует выполнять сварку и наплавку неответственных деталей из низкоуглеродистых сталей, термически не обработанных. Для сварки тонколистового материала целесообразно использовать электроды с обмазкой ОМА-2. Наплавку термически необработанных деталей из среднеуглеродистых сталей (типа сталей 40,45) целесообразно выполнять электродами УОНИ-13/55. В этом случае после наплавки термическая обработка, как правило, не практикуется. При наплавке термически обработанных деталей из среднеуглеродистых ей с получением средней и высокой прочности поверхности рекомендуется использование электродов ОЗН-300 и ОЗН-400.

Технологический процесс сварки и наплавки деталей складывается из подготовки к сварке, собственно сварки, обработки после сварки, Для качественного восстановления деталей с помощью капки необходимо:

- выполнить подготовительные операции;

- правильно подобрать диаметр электрода и марку обмазки;

- отрегулировать источник питания на необходимую силу сварочного тока;

- наметить способ движения конца электрода;

- обеспечить нормальное протекание процесса сварки путем установки электрода под деленным углом к детали, поддержания постоянной длины дуги и обеспечения стабильного движения электрода.

При толщине стыкуемых деталей до 5-6 мм допускается стыковая сварка без разделки кромок. При сварке толстостенных деталей требуется одно- или двусторонняя разделка кромок.

Диаметр электрода выбирается в зависимости от толщины свариваемого металла или толщины наплавляемого слоя. Рекомендуемые соотношения основных параметров детали и электрода:

Толщина детали, мм < 2 2-4 4-6 6-8 > 8

Диаметр электрода, мм 2 3 4 5 6-8

Для наплавки при толщине наплавляемого слоя менее 2 мм рекомендуются электроды диаметром 3 мм, а при большей толщине наплавки — диаметром 4-5 мм. При наплавке крупногабаритных деталей электроды могут иметь диаметр до 6 мм.

Сила тока при ручной дуговой сварке ориентировочно может определяться формулой

J_CB = к*d_э А/мм,

где к — опытный коэффициент, к = 40-60 для электродов со стержнем из малоуглеродистой стали; 35-40 для электродов со стержнем из высоколегированной стали;

d_Э — диаметр электрода, мм.

Сила сварочного тока связана также с диаметром электрода и видом обмазки, поэтому можно пользоваться следующей рекомендацией:

Диаметр электрода, мм 2 3 4 5 6

Сила тока, А

при обмазке:

тонкой стабилизирующей 40-60 90-130 140-180 200-250 250-350

толстой защитнолегирующей 30-45 80-100 120-140 160-180 200-250

В процессе наплавки электрод устанавливается и поддерживается под углом 20-30° к вертикали в сторону движения, чтобы капли расплавленного металла, стекающие с электрода, попадали в зону расплавленной поверхности.

Сварка и наплавка трехфазной дугой

Сущность способа заключается в том, что сварочные работы выполняются двумя параллельными, изолированными один от другого, электродами (рисунок 89). Электроды крепятся в двухфазном электродержателе. Таким образом, к месту сварки подводят три фазы переменного тока: две — к электро­дам, одну — к наплавляемой детали. В процессе наплавки одновременно горят три однофазные дуги: дуга АВ — между электродом А и наплавляемой деталью, дуга БВ — между электродом Б и той же деталью, дуга АБ — между электродами.

Трехфазная дуга горит более устойчиво, чем однофазная, процесс сварки становится производительней, удельный расход электроэнергии снижается.

Рисунок 89 - Трехфазная сварочная дуга.

Автоматическая сварка и наплавка под слоем флюса

Суть способа состоит в том, что сварочная дуга горит под слоем сухого зернистого вещества, называемого флюсом. Под воздействием высокой температуры флюс плавится, образуя вокруг дуги плотную оболочку, которая надежно защищает расплавленный металл от атмосферного воздух способствует сохранению тепла дуги и препятствует разбрызгиванию жидкого металла. Поэтому в наплавленном под флюсом металле отсутствуют поры. На рисунок 90 и 91 показаны схемы наплавки под слоем флюса плоской и круглой поверхностей. Аналогично можно наплавлять конические и фасонные поверхности в один или несколько слоев, причем, толщина наплавляемого слоя практически неограниченна. После того, как дуга переместилась, жидкий металл твердеет вместе с флюсом, образуя на наплавленной поверхности детали шлаковую корку, легко устраняемую.

Рисунок 90 - Схема наплавки плоской поверхности под слоем флюса

Наплавочные работы производятся с помощью сварочных автоматов, полуавтоматов или специальных головок типа А-580, ОКС-1031Б, ОКС-1252М, устанавливаемых на токарных станках. Для питания дуги обычно используется постоянный ток обратной полярности. В качестве источников питания дуги применяют преобразователи ПСГ-500, выпрямители ВС-300, ВДУ-504, ВС-600, ВДГ-301.

Рисунок 91 - Схема наплавки цилиндрической поверхности под слоем флюса.

Методом механизированной наплавки под слоем флюса можно достичь легирования наплавленного металла, причем, разными способами:

— легированной электродной проволокой с обычным флюсом;

— специальной проволокой, внутри которой находятся легирующие элементы в виде порошка, при обычном флюсе;

— применением флюса, содержащего легирующие элементы, при наплавке обычной проволо­кой или лентой;

— обычной электродной проволокой при обычном флюсе с предварительным покрытием наплавляемой поверхности легирующим порошком, обмазкой ее пастой или укладкой на ней тегированного присадочного прутка.

При правильном осуществлении наплавки и последующей термообработке можно повысить эксплуатационные свойства деталей в 2-5 и более раз. Поверхностная закалка позволяет увеличить тонкость наплавленного металла еще в 2 раза.

Для сварки и наплавки низкоуглеродистых и низколегированных сталей используют проволоку из низкоуглеродистых (Св-08, Св-08А), марганцовистых (Св-08Г, Св-08ГА) и кремниймарганцовистых (Св-08ГС, Св-08Г2С, Св-12ГС) сталей, а также из стали Св-18ХГС. Стали с большим содержанием углерода наплавляют проволокой Нп-65Г, Нп-80, Нп-ЗОХГСА, Нп-40Х13. Для наплавки применяют также проволоку Нп-30, Нп-40, Нп-50, Нп-60, Нп-40Х2Г2М, Нп-50ХФА, Нп-Х20Н80Т.

Флюсы подразделяются на плавленые, керамические и флюсы-смеси. Плавленые высококрем-пемарганцовистые флюсы ОСЦ-45А, АН-60, ОСУ-45, АН-20, АН-28 содержат стабилизирующие и шлакообразующие элементы, имеют малую склонность к образованию пор и трещин в сварном шве. Однако, в состав этих флюсов не входят легирующие добавки, что не способствует повышению прочности и износостойкости наплавленного металла. Керамические флюсы АНК-18, АНК-19, ЖСН-1, кроме стабилизирующих и шлакообразующих элементов, содержат легирующие добавки (ферросплавы), которые при наплавке малоуглеродистой проволокой обеспечивают высокую твердость и износостойкость наплавленного металла. Флюсы-смеси состоят из флюса АН-348А с добавлением феррохрома, ферромарганца и графита.

Наплавка порошковой проволокой

Хорошие результаты дает использование порошковой проволоки, в состав которой входят феррохром, ферротитан, ферромарганец, графитовый и железный порошки. Использование порошковой проволоки позволяет снизить расход сварочной проволоки. Наплавку выполняют под слоем флюса в среде защитных газов, а также без какой-либо защиты.

Рекомендуется применять постоянный ток обратной полярности низкого напряжения (20-21В). Источниками питания являются преобразователь ПСГ-500, выпрямители ВДУ-504, ВДУ-301,1 ВДУ-1001, ВС-600, ВДМ-1001.

Для наплавки деталей порошковой проволокой используют токарные станки с головками I А-580М, ОКС-1252М, А-765, А1197, а также специальные станки УД-139, УД-140, УД143, УД-244,1 УД-209, УД-233, У-651, У-653, ОКС-11200, ОК-11236, ОКС-11238, ОКС-14408

Сварка и наплавка в среде защитных газов

При этом способе в зону горения дуги непрерывно подается газ, который вытесняет воздух и изолирует расплавляемый металл от вредного воздействия кислорода и азота. В качестве защитных газов используют углекислый газ и аргон. Сварка может быть ручной, полуавтоматической и автоматической.

По сравнению с ручной дуговой и автоматической под слоем флюса сварка в защитных газах имеет ряд преимуществ: высокую степень защиты расплавленного металла от воздействия воздуха; отсутствие на поверхности шва оксидов и шлаковых включений (при применении аргона); возможность проведения процесса во всех пространственных положениях обрабатываемой конструкции; возможность визуального наблюдения за процессом формирования сварного шва; высокую производительность; относительно невысокую стоимость процесса. Преимущества способа проявляются особенно тогда, когда невозможна или затруднительная подача флюса и удаление шлаковой корки, например, при наплавке мелких деталей, внутренних поверхностей деталей и деталей сложной формы. Недостатки способа — окислительная способность углекислого газа и сложность работы на открытом воздухе вследствие срыва струи газа. Сварку в углекислом газе выполняют только плавящимся электродом на постоянном токе при обратной полярности. Сварка применяется для углеродистых и низколегированных сталей (газо- и нефтепроводы, аппаратура). Аргонодуговая сварка позволяет использовать плавящиеся и неплавящиеся электроды. В первом случае сварку на постоянном токе обратной полярности, во втором на переменном токе. Аргонодуговая применяется для деталей из легированных и высоколегированных сталей, цветных металлов и плавких металлов и их сплавов.

Наплавку выполняют на постоянном токе обратной полярности. Схема наплавки в среде ,углекислого газа показана на рисунок 92.

Рисунок 92 - Схема наплавки в среде углекислого газа.

При наплавке используют электродную проволоку Св-12ГС, Св-0,8ГС,

Св-0,8Г2С, Св-12Х13, Св-06X19H9T, Св-18ХМА, Нп-30ХГСА, порошковую проволоку ПП-Р18Т, ПП-Р19Т, ПП-4Х28Г II Др.

Вибродуговая наплавка

Процесс наплавки осуществляется при вибрации электрода с подачей охлаждающей жидкости на наплавляемую поверхность. Стальная электродная проволока при помощи роликов подается из кассеты в зону наплавки через вибрирующий мундштук наплавочной головки. К детали и проволоке подводят электрический ток низкого напряжения. В моменты соприкосновения проволоки с деталью происходит короткое замыкание и контактирующие поверхности быстро разогреваются до температуры плавления. К месту наплавки по шлангу подается охлаждающая жидкость. В результате вращения детали в сочетании с непрерывной продольной подачей и вибрацией проволоки наплавляемый слой принимает форму спирали. Мундштук вместе с проволокой вибрирует с частотой 110 Гц при амплитуде колебаний до 4 мм. Вибродуговая наплавка позволяет, получить тонкий и прочный наплавленный слой при слабом нагреве ремонтируемой детали и незначительной величине зоны термического влияния, что не приводит к деформации деталей и почти не отражается на физико-механических свойствах их материала, как это происходит с ранее рассмотренными методами. Образующийся при подаче охлаждающей жидкости пар защищаем расплавленный металл от кислорода и азота воздуха. Вследствие быстрого охлаждения наплавленный слой закаливается и становится твердым и износостойким. Применяя электродную проволоку разного химического состава и меняя подачу охлаждающей жидкости, можно получить различную структуру наплавленного слоя.

Восстановление деталей наплавкой ведется током обратной полярности силой 80-300А при напряжении 12-22В. Шаг наплавки 2,3-2,8 мм/об. Скорость подачи электрода не более 1,65 м/мин Скорость наплавки 0,50-0.65 м/мин.

В качестве охлаждающей жидкости применимы: а) 4-6%-ный раствор кальцинированной соды в воде; б) 5%-ный водный раствор кальцинированной соды, 1% хозяйственного мыла, 0,5% глицерина; в) 3-4%-ный водный раствор кальцинированной соды, 4-5% глицерина; г) 20-30%-ный водный раствор глицерина.

В ремонтной практике вибродуговую наплавку проводят также на воздухе (без защиты дуги и охлаждения детали), под слоем флюса, в среде водяного пара, углекислого газа, мыльной пены.

Процесс наплавки осуществляется наплавочной головкой (ОКС-6569 или ОКС-1252), закрепляемой на суппорте токарного станка. Для питания дуги используют генераторы АНД-500/250, выпрямители ВС-300 и ВС-600, преобразователи ПД-305 и ПСГ-500.

Для наплавки применяют низкоуглеродистую проволоку марок Св-0,8, Св-10, Св-20, среднеуглеродистую простую или с повышенным содержанием марганца (Св-20, Св-40, 45, 45Г, 50Г, Св-30ХГСА), а для восстановления термически обработанных деталей применяют высокоуглеродистую проволоку (У7, У8 и др.), обеспечивающую высокую поверхностную твердость после закалки.

Вибродуговым способом можно наплавлять не только наружные цилиндрические, но и внутренние цилиндрические, наружные конические и плоские поверхности (рисунок 93).

а — наружных цилиндрических; д — плоских,

б — внутренних цилиндрических; 1 — электрод;

в — наружных конических; 2 — деталь,

г — шлицевых;

Рисунок 93 - Схема вибродуговой наплавки поверхностей

Однократной наплавкой можно получить слой толщиной от 0,3 до 3 мм, а многослойной — слой любой толщины. Вибродуговая наплавка дает возможность наплавлять металл только на изношенную часть детали, что уменьшает трудоемкость последующей механической обработки. Способ позволяет сохранить отверстия и пазы, предусмотренные конструкцией детали, от заплавления. Для этого их необходимо заполнить медными или графитовыми вставками так, чтобы они выступали над поверхностью на величину, превышающую толщину наплавленного слоя, и легко удалялись впоследствии.

Качество соединения наплавленного металла с основным зависит от полярности тока, шага наплавки, угла подвода электрода к детали, качества предварительной подготовки поверхности детали, толщины слоя наплавки и др.

Вибродуговая наплавка применяется для восстановления шеек валов, штоков буровых насосов, замков бурильных труб и других деталей.

Установлено, что вибродуговая наплавка сильно уменьшает (до 40%) сопротивление усталости наплавленных деталей. Поэтому, если деталь работает в условиях действия переменных нагрузок, этот недостаток должен устраняться. Нагревом наплавленной детали до 150-200°С сопротивле­ние усталости можно повысить на 15-20%, а при нагреве до 800-900°С (нормализация) — на 35-45%. Нормализация с последующей закалкой токами высокой частоты повышает сопротивление усталости даже до 80% (по сравнению с этим показателем для новой детали).

Дуговая наплавка с газопламенной защитой

Способ позволяет наплавлять детали относительно дешевыми углеродистыми проволоками и высокоуглеродистыми проволоками, хорошо воспринимающими закалку. Способ отличается тем, что в зону сварки подается два концентричных потока газа: в наружную оболочку — природный газ или пропан — бутановая смесь, во внутреннюю оболочку — кислород (рис.17). Первый компонент защищает сварочную зону от проникновения азота из воздуха, но при этом нарушает плотность наплавленного металла, создавая пористость. Подача кислорода внутренним потоком подавляет вредное влияние урлеводородного газа, который сгорает при выходе из горелки. Таким образом, дуга находится в зоне газокислородного пламени.

1 — сопло; 2 — сопло; 3 — мундштук; 4 — проволока; 5 — деталь.

I — подача кислорода; II — подача природного газа

Рисунок 94 - Схема наплавки с газопламенной защитой

Для осуществления способа применяется двухсопловая горелка. Горелка и мундштук снабжены рубашками водяного охлаждения и включаются в систему питания водой.

Наплавка осуществляется проволоками Св-0,8, Св-08ГА, Св-08Г2С, Нп-30ХГСА или углеродистыми и низколегированными проволоками из сталей 08КП, 10, 20, 45, 65Г, 80 и др.

Способ позволяет увеличивать силу тока по сравнению с наплавкой в среде углекислого газа, что делает процесс более производительным. Детали могут иметь небольшие сечения, т.к. исключаемся опасность их нагрева. Совмещая процесс наплавки с интенсивным охлаждением наплавленного металла жидкостью (раствор кальцинированной соды и вода) и используя для наплавки пружинную проволоку, можно получать высокую твердость наплавленного слоя до 56-64 HRC.

Контактная электросварка и наплавка

Суть процесса заключается в нагреве места соединения (контакта) деталей протекающим по ним электрическим током. По типу соединений различают три вида электросварки: стыковую, точечную, шовную.

Контактной стыковой сваркой восстанавливают валы с дефектной шлицевой частью, резьбовым участком и другие детали. Для этого используется стыковая машина. К соединяемым деталям подводится ток от вторичной обмотки трансформатора. Когда детали сближаются до соприкосновения их торцов и сдавливаются, включается сварочный ток, концы деталей нагреваются и оказываются в пластическом состоянии, что позволяет их соединить. Таким способом можно сваривать разные детали при условии, что они по диаметру или толщине стенки различаются не более чем на 10-15%.

Машины для стыковой сварки отличаются, главным образом, по мощности и, соответственно, сечению свариваемых деталей. Машины типа МС-0,75-2, МС-3, МС-301, МС-501 мощностью 0,8-12 кВА могут сваривать стальные детали диаметром до 10 мм. Машины типа МС-1202, МС-1602, МС 1604 имеют мощность 55-100 кВА и предназначены для деталей диаметром до 35-45 мм.

Точечная сварка предназначена для ремонта или изготовления новых деталей из листового материала. Для этого детали соединяются внахлестку и свариваются в отдельных местах-точках. Свариваемые детали зажимаются между электродержателями машины (рисунок 95), через которые пропускается ток большой величины (5000-16000 А). За счет тепла, выделяемого в месте контакта деталей, точечный участок нагревается до расплавления. Давление, приложенное к электродам, уплотняет металл и придает соединению прочность. Для контактной точечное сварки используются машины переменного тока МТ-501, МТ-601, МТ-809, МТ-1209, МТ-1609, МТ-1610.

Рисунок 95 - Схема контактной точечной сварки: а — двусторонней; б — односторонней

Шовная сварка осуществляется с помощью машины, у которой электроды имеют вид роликов (рисунок 96). Свариваемые детали зажимаются между роликами, которые, вращаясь и перемещаясь, формируют сварной шов.

1 — электроды; 2 — свариваемые детали

Рисунок 96 - Схема шовной сварки

Для этого вида сварки применяют машины МШ-1001, МШ-1601, МШП-100-13, МШП-100-14, МШПБ-150-13, МШПБ-150-14, предназначенные каждая для соединения деталей толщиной до 2 мм из низкоуглеродистых сталей.

Газовая сварка и наплавка

При газовой сварке и наплавке расплавление основного и присадочного материала происходит в условиях высоких температур, образующихся в процессе сохранения горючих ; азов в струе кислорода. В качестве горючего применяют различные газы: ацетилен, водород, метан, пары бензола и бензина. Наиболее высокая температура создается ацетилено-кислородным пламенем (достигает 3200°С).

Кислород хранится и транспортируется в баллонах емкостью 40 л под давлением 15 МПа. Использовать кислород можно до остаточного давления в баллоне 0,05-0,10 МПа.

Мощность создаваемого при горении пламени зависит от расхода ацетилена, который может быть подсчитан выражением А = SK,

где S — толщина детали, мм;

К — коэффициент, характеризующий удельный расход ацетилена на 1 мм толщины детали, м3/ч мм; для стали К = 0,10-0,12; для чугуна К = 0,11-0,14; для латуни К = 0,12-0,13; для а алюминия К = 0,06-0,10.

Расход кислорода на 10-20% больше, чем ацетилена.

В зависимости от соотношения подаваемых в горелку кислорода и ацетилена можно получить нормальное, науглероживающее или окислительное пламя. Нормальное (или нейтральное) пламя образуется при соотношении в смеси кислорода и ацетилена 1,0-1,2. При соотношении указанных компонент 0.8-0,9 возникает науглероживающее пламя, а при соотношении, равном 1,2-1,5, окислительное пламя. Сварку стали с содержанием углерода доя 0,5% ведут нормальным пламенем. Науглероживающее пламя обычно используется для сварки сталей с содержанием углерода более 0,5%. Окислительное пламя используется при резании металлов.

Химический состав и физико-механические свойства материала присадочных прутков должны быть близки к составу и свойствам материала восстанавливаемой детали.

На качество сварного соединения в значительной степени влияют техника выполнения сварки и режимы процесса.

Положение горелки, т.е. угол наклона ее мундштука к поверхности свариваемого металла, зависит от толщины кромок деталей и теплопроводности металла. Чем толще металл и чем больше его теплопроводность, тем больше должен быть угол наклона мундштука. На рисунок 97 показаны рекомендуемые углы наклона в зависимости от толщины металла при сварке низкоуглеродистой стали. Эти рекомендации относятся к установившемуся периоду сварки, т.к. в начале сварки с целью быстрого прогрева детали угол наклона принимается наибольшим (рисунок 98, а), а к концу сварки угол уменьшают, чтобы лучше дополнить кратер и предупредить пережог металла.

В зависимости от направления сварочного пламени и направления движения горелки относительно наплавляемого металла различают правый и левый способы газовой сварки. При правом способе горелка перемещается впереди присадочного материала (прутка), а пламя направлено в сторону уже наплавленного металла (рисунок 98, а). Этим обеспечивается защита юны сварки от окисляющего воздействия атмосферного воздуха и замедленное охлаждение - парного шва, что способствует получению швов высокого качества. При первом способе (рисунок 98, б) горелка перемещается вслед за присадочным прутком, а пламя направлено на несваренные еще кромки с целью их предварительного подогрева. Первый способ применяют при сварке деталей толщиной более 5 мм с целью увеличения скорости парки и меньшего расхода ацетилена и кислорода. При сварке тонких листов, обычно не имеющих разделки кромок, применяют левый способ, при котором сварщик отчетливо видит шов и при котором пламя свободно растекается по поверхности детали, снижая опасность пережога.

Номер кривой, 1 2 3 4 5 6 7 8

S, мм до 1 1-3 3-5 5-7 7-10 10-12 2-15 св. 15

Угол наклона, а 10 20 30 40 50 60 70 80

Рисунок 97 - Углы мундштука в зависимости от толщины свариваемого металла

а — подогрев перед сваркой; б — процесс сварки; в — окончание сварки (заполнение кратера)

Рисунок 98 - Положение мундштука горелки в различные периоды сварки

Выбор способа сварки зависит также от пространственного положения шва. Сварку вертикальных швов снизу вверх выполняют левым способом. Сварку горизонтальных швов на вертикальных поверхностях также выполняют левым способом. Потолочные швы удобнее сваривать правым способом.

Виды соединений при газовой сварке показаны на рисунок 100. Практика выработала следующие рекомендации. Листовой материал толщиной до 2 мм сваривают встык с отбортовкой кромок (рис.23,а) без

1 — формирующий шов; 2 — присадочный пруток; 3 — пламя горелки; 4 — горелка

Рисунок 99 - Основные способы газовой сварки

Рисунок 100 - Виды соединений при газовой сварке

присадочного материала или встык без отбортовки, без разделки кромок и без зазора (рисунок 100, б), но с присадочным материалом. Листы толщиной 2-5 мм сваривают встык без разделки кромок с зазором между деталями (рисунок 100, в). При сварке тонкостенных деталей (толщиной менее 3 мм) могут применяться также нахлесточные швы (рисунок 100, е). При сварке деталей толщиной болев 5 мм применяют одно- или двустороннюю разделку кромок (рисунок 23, г). Угловые соединения (рисунок 23, д) сваривают без присадочного материала за счет расплавления кромок соединяемых деталей, как и тавровые (рисунок 23, ж).

Сварные швы выполняются одно- и многослойными. При сварке конструкций из малоуглеродистых сталей применяют проволоку марок Св-08ГА, Св-10Г2, Св-08ГС, Св-08Г2С. Диаметр присадочной проволоки при правом способе сварки принимается равным половине толщины свариваемого металла, а при сварке деталей толщиной более 15 мм берут проволока диаметром 6-8 мм. При левом способе сварки диаметр проволоки d = S/2 + l, где S - толщин» свариваемой детали, мм.

Рекомендуется сразу же после сварки проковка металла и последующая нормализация при температуре 800-900°С, в результате чего металл приобретает мелкозернистую структуру и пластичность.

Газовая наплавка наиболее широко применяется для нанесения на поверхности деталей твердых сплавов типа сормайт и различных тугоплавких соединений с целью придания рабочим поверхностям большей твердости и высокой износостойкости. При этом способе можно получать наплавленные слои толщиной от 0,5 мм и более. Для наплавки сормайтом рекомендуются углеродистые стали и особенно сталь У8А. Можно производить наплавку на легированный инструментальные стали 5ХНМ, ЗХВА, 4ХВС и др. Хорошо наплавляются легированные конструкционные стали 40Х, 40ХН и др.

Сварка и наплавка деталей из чугуна и цветных металлов

Сварка чугуна. Сварка чугунных деталей вызывает в ремонтной практике трудности, которые определяются следующими основными причинами: 1) местный нагрев и последующее быстрое охлаждение участка сварки приводят, вследствие жесткой структуры чугуна, к значительным внутренним напряжениям, которые могут вызывать трещины в детали сразу после сварки или в процессе ее эксплуатации; 2) быстрое охлаждение зоны сварного шва и прилегающих к нему слоев металла детали способствует отбеливанию чугуна с повышением его хрупкости и трудности механической обработки; 3) сравнительно низкая температура плавления и трудноулавливаемый переход чугуна из твердого состояния в жидкое (и наоборот) затрудняют процесс получения шва.

На свариваемость чугуна оказывает большое влияние его структура. Хорошо свариваются чугуны с мелкозернистой перлитной структурой, содержащие мелкопластинчатый или глобулярный графит, хуже — чугуны с перлитно-ферритной структурой и вкраплением графита, значительно уже — ферритные чугуны с большим выделением графита.

Существует два принципиально отличающихся способа сварки чугунных конструкций: 1) с предварительным их подогревом — горячая сварка; 2) без подогрева деталей — холодная сварка.

При горячей сварке деталь нагревают в печи или другим способом до температуры 400-700°С И во время сварки поддерживают ее не ниже 500°С. Это обеспечивает выравнивание состава металла в зоне сварки, позволяет избежать сварочных напряжений и трещин и т.д. Лучшие результаты дает ацетиленокислородное пламя с присадочным материалом из чугунных прутков марок ПЧ2 и ПЧЗ. Сварка осуществляется с применением флюса. В качестве флюса используется смесь из 50% переплавленной измельченной технической буры и 50% кальцинированной соды или флюс ФСЧ-1. При заварке трещин в чугунных деталях на кромках трещин выполняют фаски (с углом разделки 70-80°), место сварки подогревают пламенем газовой горелки до 900-950°С, ил него наносят слой флюса и осуществляют сварку латунной проволокой.

Холодная сварка чугуна может также сопровождаться небольшим подогревом (до температуры не выше 400°С). Простота холодной сварки обусловила ее широкое распространение. Холодная сварка производится стальным электродом со специальной обмазкой, медноникелевыми, медножелезными, чугунными электродами, с применением шпилек и т.д.

В качестве стальных электродов используют сварочную проволоку Св-08 или Св-08А, обмазка которых включает 40-50% графита и 50-60% ферросилиция, замешанных на жидком стекле. II качестве комбинированных электродов используются медножелезные (ОЗЧ-2), медноникелевые (МНЧ-2), никелевожелезные (ЦЧ-ЗА), а также никелевые (ПАНЧ-11) сплавы.

Способ с применением стальных шпилек пригоден для восстановления толстостенных чугунных деталей. После разделки кромок на них или вблизи них устанавливают на резьбе шпильки. Диаметр шпилек в зависимости от толщины кромок принимают от 5 до 12 мм, а расстояние между ними — от 4 до 6 мм. После этого дефектный участок наваривают электродом с обмазкой типа УОНИ-13/45. Сварка производится постоянным током с обратной полярностью силой: 120А — при диаметре электрода 3 мм, 150А — при диаметре 4 мм, 220А — при диаметре 5 мм.

Сварка алюминия и его сплавов. Особенности сварки алюминия и его сплавов определяются их свойствами: 1) низкой температурой плавления (ок. 660°С); 2) высокой теплопроводностью; 3) способностью окисляться на воздухе с образованием тугоплавкой пленки, имеющей температуру плавления 2050°С; 4) высокой растворимостью водорода в расплавленном алюминии, что приводит к образованию пор в сварном шве; 5) высоким коэффициентом линейного расширения.

Наиболее трудно свариваются дюралюмины (термически упрочненные сплавы алюминий-магний), относительно хорошо сплавы АМц (алюминий-марганец) и АМг (алюминий-магний).

Алюминий и его сплавы сваривают газовой и дуговой сваркой с помощью металлических и рафитовых электродов со специальной обмазкой или автоматическим способом в инертной среде (в струе аргона) под слоем флюса. Возможна также плазменная, электрошлаковая, контактная парка.