2.3. Восстановление деталей сваркой и наплавкой

В теме изучаются следующие вопросы:

- область применения сварки и наплавки деталей;

- классификация способов сварки (наплавки), характеристика источников тепла;

- электродуговая сварка;

- сварка чугуна и алюминия;

- восстановление деталей наплавкой;

- восстановление деталей контактной сваркой;

- электроконтактная приварка металлического слоя;

- контроль качества сварных соединений.

Область применения сварки и наплавки деталей. Сварка - способ получения неразъемного соединения посредством сварочного шва. Соединяемые поверхности нагреваются до расплавления или пластического состояния. Между свариваемыми поверхностями образуются межатомные связи. Сваркой устраняют механические повреждения (трещины, пробоины) и закрепляют дополнительные ремонтные детали.

Наплавка - нанесение восстановительно-упрочняющего покрытия путем расплавления теплом пламени или дуги присадочного металла, переноса его на оплавленную восстанавливаемую поверхность и кристаллизации слоя. Наплавочные покрытия служат для компенсации износа и создания припуска для механической обработки при восстановлении деталей, могут иметь различный химический состав и физико-механические свойства.

Сварка и наплавка наиболее распространены среди способов создания ремонтных заготовок при восстановлении деталей.

Классификация способов сварки (наплавки), характеристика источников тепла. В зависимости от вида источника тепла различают сварку или наплавку: электротермическую (свободной дугой), плазменную (сжатой дугой), газотермическую (теплом газового пламени), электрошлаковую (за счет прохождения электрического тока через расплавленный шлак), электронно-лучевую (энергией ускоренных электронов), лазерную (излучением лазера) и др.

Электрическая дуга как источник тепла представляет собой электрический разряд в газообразной среде. Движение заряженных частиц в промежутке между электродами и представляет собой электрический ток. Возникновение заряженных частиц в объеме между электродами обусловлено эмиссией электронов с катода и ионизацией газа. На катоде (рис. 4) образуется наиболее активный и нагретый участок, который называется катодным пятном. На аноде имеется анодное пятно. Средняя часть газового разряда называется столбом дуги, который практически равен ее длине. Температура столба дуги достигает 6000 °С.

При прямой полярности плюс источника сварочного тока подключен к детали, минус – к электроду. При обратной полярности плюс подключен к электроду, тепловая энергия, выделяемая на нем, не зависит от длины дуги, и при равномерной подаче электродной проволоки дуга горит устойчиво. При наплавке предпочтение отдают обратной полярности. Сила сварочного тока оказывает наибольшее влияние на глубину проплавления, размеры валика наплавленного металла и производительность процесса.

Рис. 4. Зоны дугового разряда:

1 - катодное пятно; 2 - катодная зона; 3 - столб дуги;

4 - анодное пятно; 5 - анодная зона

Газокислородное пламя применяется в сварочно-наплавочных процессах и при резке металла. Температура горения ацетиленокислородной смеси - 3150 °С, пропан-бутана в кислороде - 2043 °С и природного газа в кислороде - 1850...2000 °С. В зависимости от соотношения горючего газа и кислорода, участвующих в горении, различают нейтральное, окислительное и восстановительное пламя. Нейтральным пламенем сваривают детали из алюминиевого сплава, меди, бронзы и стали с содержанием углерода менее 0,5%. Сварку стальных с содержанием углерода более 0,5% и чугунных деталей ведут в восстановительном пламени. Окислительным пламенем режут металлы и сваривают латунные детали.

При ацетиленокислородной сварке применяют эжекционные горелки с наконечниками.

Плазменный нагрев обеспечивает высокое качество покрытий наносимых материалов. Плазма - газ, в котором значительная часть атомов или молекул ионизирована, а заряд электронов и отрицательных ионов равен заряду положительных ионов. Плазма обладает высокой электропроводностью. При диссоциации молекул плазмообразующего газа (распаде их на атомы) и ионизации атомов (потере электронов) происходит поглощение энергии. При охлаждении такого газа наблюдается обратный процесс рекомбинации молекул с выделением энергии, равной энергии их диссоциации и ионизации атомов. Плазменная струя имеет высокую скорость течения, в определенных условиях превышающую скорость звука.

В качестве плазмообразующих газов применяют аргон, азот, аммиак, водород и гелий. Двухатомные газы (например, азот) обладают большим теплосодержанием, чем одноатомные газы (например, аргон) при одинаковой температуре. Наиболее высокую температуру (15000...30000 °С) имеет аргонная плазма.

Схема плазменного генератора, применяемого для наплавки материалов, приведена на рис. 5.

Рис. 5. Схема плазменного генератора:

1 - электрод-катод; 2 - сопло; 3 - наплавочная проволока;

4 - восстанавливаемая деталь; 5 - реостат; - подача

плазмообразующего газа; _П - скорость подачи проволоки

Между вольфрамовым катодом и деталью возникает дуга, через которую продувают плазмообразующий газ (азот или аргон). Дуга сжимается стенками медного водоохлаждаемого сопла и струями движущегося газа, что приводит к его плазмообразованию. Нагрев, диспергирование и перенос наплавленного материала происходит за счет тепловой и кинетической энергии плазменной струи.

В общем объеме сварочно-наплавочных работ электротермическая технология составляет около 80%, а газопламенная - около 20%.

При лазерной наплавке сварочные материалы в виде порошка, проволоки или фольги наносят на поверхность детали и оплавляют лазерным лучом. Используют установки с серийными лазерами мощностью излучения в 0,8...4,0 кВт. Качество покрытий зависит от скорости перемещения лазерного луча, толщины наплавляемого слоя и перекрытия валиков.

Электродуговая сварка. Ручная сварка применяется для устранения трещин в деталях и закрепления листовых ДРД. Сварку ведут с применением сварочных трансформаторов и преобразователей на переменном или постоянном токе, используя электроды с покрытиями. Каждому типу электрода может соответствовать несколько марок его покрытия, которые по составу делят на руднокислые - Р, рутиловые - Т, фтористо-кальциевые - Ф и органические - О. Чаще в ремонте используют группы Р, Т и Ф.

К группе Р относятся электроды ОММ-5, ЦМ-7, ЦМ-8, к группе Т - УМ-9, ОЗС-6, АНО-3, к группе Ф - УОНИ-13/45,УОНИ-13/ 55, УОНИ-13/65.

Для защиты металла от действия кислорода воздуха в состав покрытий вводят газообразующие органические вещества (крахмал, декстрин, целлюлозу и др.) и карбонаты (мрамор, меди др.). При горении дуги эти вещества сгорают или разлагаются, образуя углекислый газ и оксид углерода, которые вытесняют воздух из рабочей зоны. Для получения необходимой твердости и износостойкости наплавленного материала в обмазку вводят легирующие элементы в виде феррохрома, ферромарганца, ферросилиция и др.

Шлакообразующие вещества покрытия в процессе сварки образуют шлак, изолирующий поверхность расплавленного металла от воздуха и способствующий более медленному остыванию заготовки. При этом более полно выделяются растворенные в расплавленном металле газы.

Раскисляющие вещества, соединяясь с оксидами в расплавленном металле, образуют легкоплавкие шлаки, всплывающие на поверхность шва.

Для повышения устойчивости горения дуги в покрытии имеются стабилизирующие вещества (силикат натрия, мрамор, мел и др.).

Связующим веществом в составе покрытия является жидкое стекло.

Полуавтоматическая сварка ведется с подачей сварочной проволоки в зону горения дуги полуавтоматами различных типов, в качестве источников постоянного тока используют сварочные выпрямители. Тонколистовые панели сваривают в среде углекислого газа током обратной полярности («+» на электроде, «» - на детали) проволокой Св-08ГСА или Св-08Г2С2.

Сварка чугуна и алюминия. Сварка чугуна сопровождается отбеливанием материала, при котором углерод не успевает выделиться в виде графита и остается в химически связанном состоянии в виде цементита. Из-за усадки материала возникают значительные внутренние напряжения. Образующиеся тугоплавкие оксиды создают на поверхности сварочной ванны твердую корку, которая препятствует свободному выходу газов из расплавленного металла, что приводит к появлению пор и раковин.

Применяют два основных способа сварки чугуна: горячий (с подогревом детали) и холодный (без подогрева).

Горячую сварку чугунных деталей ведут с предварительным нагревом до температуры 600...650 °С, используя ацетиленокислородное пламя. В качестве присадочного материала используют чугунные стержни с повышенным содержанием кремния (до 8...3,5%) или латунную проволоку. Для защиты наплавленного металла от окисления используют флюс, состоящий из смеси буры и углекислого натрия в равных массовых долях.

Холодную сварку чугуна ведут ручным и полуавтоматическим способом стальными электродами марки ЦЧ-4, изготовленными из проволоки Св-08 с толстым покрытием, медными электродами 0ЗЧ-1 с покрытием, содержащим железный порошок, или электродами МНЧ-1 из монель-металла (63% Ni и 37% Си) с покрытием УОНИ-13/55.

Сварку-пайку чугуна ведут электродами ЛОМНА-49-05-10-04, ЛОК-59-1-03 и Л-63, плавящимися при более низкой температуре (до 950°С).

Для полуавтоматической сварки чугуна используют также самозащитную проволоку ПАНЧ-11 и ПАНЧ-12, имеющую в своем составе элементы, предотвращающие окисление наплавленного металла.

Сварка алюминия затруднена наличием на его поверхности плотной, химически стойкой и тугоплавкой пленки оксида с температурой плавления 2160 °С (у самого алюминия Т_плавл = 659 °С). Обычно при восстановлении деталей из алюминиевого сплава применяют аргонодуговую сварку. В этом процессе кромки детали и присадочный материал расплавляются теплом электрической дуги, образующейся между вольфрамовым электродом и деталью. При этом из сопла наконечника непрерывно подается аргон, который окружает дугу, создает сосредоточенный нагрев и предохраняет расплавленный металл шва от вредного влияния кислорода и азота воздуха. В качестве присадочного материала применяют прутки того же состава, что и основной металл или проволоку Св-АК5, Св-АК10.

Восстановление деталей наплавкой. Применяют следующие способы наплавки: электродуговую под флюсом, в среде защитных газов, вибродуговую, плазменную и газопорошковую. Реже используют способы электрошлаковой, электромагнитной, индукционной, лазерной наплавок и процесса намораживания металла.

Наплавку под флюсом применяют для восстановления деталей из углеродистых и низколегированных сталей. Сущность наплавки заключается в защите электрической дуги и расплавленного металла от вредного влияния атмосферного воздуха слоем сварочного флюса.

Сварочная дуга при дуговой наплавке под флюсом (рис. 6) горит между электродом и деталью в газовом пузыре в оболочке из расплавленного флюса. Сварочная проволока, основной металл и флюс плавятся одновременно. Часть легирующих элементов при плавлении выгорает. Жидкий металл в сварочной ванне постоянно движется и перемешивается. Металл сварочного шва, полученного под флюсом, состоит из присадочного металла (1/3) и переплавленного основного металла (2/3). Массы расплавленных флюса и присадочного металла примерно равны. Использование флюса уменьшает разбрызгивание и угар металла, позволяет применять токи большей плотности, замедляет процесс затвердевания металла, создает благоприятные условия для выхода газов из шва, уменьшает потери тепла сварочной дуги на излучение и на нагрев потоков окружающего воздуха.

Для получения наплавленного металла требуемого химического состава применяют легирование через электродную проволоку и (или) флюс. Применяют флюсы плавленые, керамические и их смеси. Плавленые флюсы в зависимости от массовой доли марганца и кремния делят на высококремнистые марганцовистые флюсы марок АН-348А, ОСЦ-45, АН-60 и низкокремнистые безмарганцовистые флюсы марок АН-20 и АН-30. Они обладают хорошими защитными свойствами, но не содержат легирующих веществ.

Рис. 6. Схема наплавки под слоем флюса:

1 - устройство для подачи флюса; 2 - электродная проволока; 3 - оболочка

из жидкого флюса; 4 - газовый пузырь; 5 - наплавленный слой; 6 - шлаковая

корка; е - смещение электрода с зенита; w_Д - угловая частота

Керамические флюсы АНК-18, АНК-19 и ЖСН, кроме шлакообразующих веществ, входящих в плавленые флюсы, содержат ферросплавы (феррохром, ферромарганец, ферросилиций, ферротитан), поэтому обладают еще и легирующими свойствами.

При легировании через проволоку наплавку ведут высокоуглеродистой (Нп-65, Нп-80) или легированной проволокой (Нп-30ХГСА, Нп-50ХФА и др.) под плавленым флюсом. При этом обеспечивается высокая точность легирования, стабильность химического состава наплавленного металла по глубине покрытия. Легирование наплавленного металла через флюс ведут наплавкой малоуглеродистой проволокой (Св-08, Св-08А) под слоем легированного керамического флюса. Комбинированный способ легирования одновременно через проволоку и флюс получил наибольшее применение.

Сварка и наплавка в среде защитных газов отличается тем, что в зону горения электрической дуги подают под давлением газ, который защищает столб дуги и расплавленную сварочную ванну от кислорода и азота воздуха. Для создания защитной атмосферы используют аргон, гелий, углекислый газ и их смеси. Чаще применяют наплавку в среде СО₂ плавящимся электродом, обеспечивающую формирование плотного шва и небольшую зону термического влияния. Для наплавки применяют проволоку с повышенным содержанием кремния и марганца Св-08Г2С, Нп-30ХГСА и др.

При вибродуговой наплавке (рис. 7) электродная проволока совершает колебания относительно детали с частотой 50...100 Гц и амплитудой 1...3 мм с периодическим касанием наплавляемой поверхности. В зону наплавки подают охлаждающую жидкость. Вибрация электродной проволоки обеспечивает чередование короткого замыкания, горения дуги и холостого хода. Электрод и деталь оплавляются за счет дугового разряда. Перенос металла, образующегося в виде капли на конце электрода в период горения дуги, происходит преимущественно во время короткого замыкания.

Рис. 7. Схема вибродуговой наплавки:

1 - кассета с проволокой; 2 - ролики подающие; 3 - мундштук качающийся;

4 - система подачи раствора; 5 - наплавленный слой; 6 - восстанавливаемая деталь; 7 - емкость; _П - скорость подачи проволоки; _Ж - скорость подачи жидкости; w_Д - угловая частота вращения детали;  - частота качаний мундштука

Способ позволяет получать слои высокой твердости и износостойкости без последующей термообработки путем подбора электродной проволоки нужного состава. Для получения слоя твердости 51...56 HRC применяют проволоку Нп-65, Нп-80, для получения твердости 37...41 HRC используют проволоку Нп-30ХГСА, а твердости 180...240 НВ - проволоку Св-08. Деталь нагревается до температуры не выше 100 °С и не деформируется. Недостаток процесса - снижение усталостной прочности деталей.

Электрошлаковая наплавка характерна тем, что ток проходит от электрода к детали через жидкий шлак с выделением тепла, достаточного для плавления шлака и электродного металла. Температура шлаковой ванны выше, чем температура плавления присадочного материала электрода. Присадочный материал оседает на дно ванны и превращается в покрытие с помощью охлаждающего кристаллизатора, который придает наносимому слою необходимую форму. Процесс применяют для восстановления крупных деталей с большими износами, а также венцов шестерен, обеспечивает высокую производительность при низком расходе электроэнергии.

Процесс намораживания покрытия из расплава заключается в затвердевании расплавленного металла на очищенной от оксидной пленки поверхности заготовки, кратковременно погружаемой в расплав этого металла.

При плазменной наплавке для нагрева используют высокотемпературную плазменную струю. Наплавляемый материал подают в плазменную струю в виде проволоки или в порошкообразном состоянии. Плазмообразующий газ - смесь гелия (75%) и аргона (25%), для защиты зоны наплавки через плазменную горелку подают чистый аргон. Способ имеет высокую производительность, зона термического влияния и деформация заготовки -незначительны. Применяют для нанесения слоев из тугоплавких материалов, наплавки коррозионностойкой стали, никеля и его сплавов, сплавов меди и др.

При электромагнитной наплавке в зазоре между заготовкой и полюсным наконечником, подключенными к источнику тока, создают магнитное поле и вводят в это пространство ферромагнитный порошок. Частицы порошка нагреваются в зазоре, оплавляются и закрепляются на восстанавливаемой поверхности. Хорошую обрабатываемость и износостойкость имеют покрытия из высокохромистого чугуна эвтектического состава и из быстрорежущих сталей Р6М5К5 и Р6М5ФЗ.

Восстановление деталей контактной сваркой. Точечной и роликовой сваркой соединяют внахлест листовые детали толщиной 0,3...7 мм. Нагрев контакта деталей до расплавления металла происходит за счет омического действия тока. Сжимающее усилие электродам придают пневмоцилиндры. Применяют универсальные стационарные аппараты и переносные устройства - сварочные клещи пневматического действия или однополюсные пистолеты с односторонним подводом электрода с током.

Электроконтактная приварка металлического слоя состоит в закреплении материала на изношенной поверхности мощными импульсами тока (рис. 8). Металлический слой создают из проволоки, порошков, ленты и их сочетаний. В точках контакта металла детали и покрытия происходит расплавление материала в результате омического действия тока. Металл покрытия расплавляется лишь в тонком поверхностном слое контакта детали и частиц покрытия.

Слой приваривают ко всей поверхности детали перекрывающимися точками за счет регулирования силы и частоты тока. Импульсы сварочного тока получают с помощью прерывателей, используемых в контактных сварочных машинах. Для уменьшения нагрева детали и улучшения условий закалки приваренного слоя в зону сварки подают охлаждающую жидкость.

Для упрочнения шеек валов, подверженных абразивному изнашиванию, наносят композиционное покрытие в виде опорных контактных площадок из особо твердых материалов, закрепленных в более мягкой связующей матрице.

В качестве связующей матрицы применяют сталь 50, в которую внедряют стандартные твердосплавные порошки ВК8 или гранулированные твердые сплавы ПТЖ23Н6М зернистостью 300...500 мкм. Покрытие наносят с помощью конденсаторных шовных машин для контактной сварки, например МШК-2002 (К-421М). Восстановленные шейки валов шлифуют алмазным кругом на металлической связке.

Рис. 8. Схема электроконтактной приварки металлического слоя:

1 и 3 - ролики; 2 - восстанавливаемая деталь; 4 - трансформатор;

5 - прерыватель тока; Р - сила прижатия слоя; w_Д - угловая частота

вращения детали

Контроль качества сварных соединений. Качество сварных соединений обеспечивают содержанием сварочного оборудования в исправном состоянии, контролем операций подготовки металла к сварке, качеством электродов, флюса и проволоки, выполнением сварочного процесса в интервалах значений, установленных технологическим процессом.

Качество сварки в готовом изделии определяют путем внешнего осмотра, измерения геометрических параметров швов, испытания швов на течь, просвечивания их рентгеновскими или гамма-лучами, проводя металлографические исследования и механические испытания образцов.