9. 2. Сварка и наплавка

Сварка – это процесс получения неразъемного соединения металлических изделий местным нагревом их до расплавленного (сварка плавлением) или пластичного (сварка давлением) состояния. Виды сварки, применяемые в авторемонтном производстве, показаны на рис. 31.

Сварка применяется для соединения и закрепления отломанных и дополнительных ремонтных деталей, устранения трещин и заварки отверстий.

Наплавка – процесс нанесения на поверхность детали слоя металла посредством сварки плавлением. Применяется для восстановления размеров изношенных деталей, а также для повышения износостойкости поверхностей трения.

Пайка – процесс получения неразъемных соединений деталей в твердом состоянии при помощи расплавленного сплава (припоя), имеющего температуру плавления ниже, чем соединяемые детали.

В табл. 5 приведены рекомендации по применению способов восстановления сваркой, наплавкой и

пайкой.

Процессы, оказывающие вредное влияние при сварке, можно разделить на металлургические, структурные изменения, внутренние напряжения и деформации.

Металлургические процессы:

• окисление металла, выгорание легирующих элементов (необходимо защищать зону плавления от кислорода воздуха);

• насыщение азотом (защита обеспечивается электродными обмазками и флюсами или сварка в среде защитных газов);

• насыщение водородом (требуется тщательная просушка электродов и флюсов);

• разбрызгивание металла (используются электроды с пониженным содержанием углерода, требуется очистка деталей от окислов, введение в обмазки флюсов и раскисляющих элементов).

Структурные изменения возникают в зоне термического влияния в основном материале детали, в результате чего снижаются механические свойства металла (необходимо уменьшать зону термического влияния правильным выбором режимов).

Внутренние напряжения и деформации возникают из-за неравномерного нагрева и структурных изменений в зоне термического влияния (для уменьшения применяют: нагрев перед сваркой и медленное охлаждение после; специальные способы сварки и наплавки - обратноступенчатый метод, наложение продольных валиков и т.п.)

Ручная газовая сварка и наплавка.

Применяется для ремонта кабин и кузовов, а также для восстановления чугунных деталей и деталей из алюминиевых сплавов.

Виды сварки:

• ацетиленокислородная (температура нагрева 3 100 – 3 200 ⁰С);

• с использованием пропан-бутановых смесей (2 400 – 2 700 ⁰С);

• сварка бензином и бензолом (2 400 – 2 700 ⁰С);

• водород-кислородная (до 3 000 ⁰С, применяется в основном для резки).

Для сварки используются газовые горелки низкого и среднего давления, оснащенные сменными наконечниками, имеющими различный расход горючего газа.

Режимы сварки: мощность сварочной горелки, состав сварочного пламени, угол наклона горелки к направлению шва, направление движения горелки относительно оси шва, скорость перемещения горелки вдоль шва.

Мощность сварочной горелки – пропускная способность горючего газа (л/ч):

,

где S – толщина свариваемого металла, мм; А – экспериментально полученный коэффициент (А = 100 – 120 для углеродистой стали, А = 75 для высоколегированной стали, А = 150 для чугуна и медных сплавов, А = 100 для алюминиевых сплавов). По полученному расходу газа выбирают номер наконечника сварочной горелки.

Состав сварочного пламени зависит от соотношения количества поступающего в горелку горючего газа и кислорода. Различают нормальное, науглероживающее и окислительное пламя.

Нормальное пламя применяется для сварки стали при содержании углерода менее 0,5 %, для алюминиевых сплавов, для меди и бронзы. Науглероживающее – для чугуна и стали с содержанием углерода более 0,5 %, для наплавки твердых сплавов. Окислительное – для резки металлов и сварки латуни.

Для защиты расплавленного металла применяют флюсы двух видов: флюсы-растворители; флюсы, вступающие в химические соединения с оксидами (кислые и основные).

Достоинства ручной газовой сварки: возможность регулирования температуры нагрева; малое окисление наплавленного металла.

Недостатки: высокая стоимость газов; большая зона термического влияния.

Ручная электродуговая сварка и наплавка

С варка применяется для устранения трещин и изломов небольших размеров и для соединения деталей сложной формы. Наплавка – для восстановления изношенных поверхностей небольших размеров и отверстий диаметром до 25 мм.

Виды сварки:

• переменным током (более экономична);

• Рис. 32. Виды разделки сварочных швов при толщине металла:

  а – до 5 мм, б – менее 12 мм, в – более 12 мм

  постоянным током (более стабильная и устойчивая дуга, применяется прямая и обратная полярность – при обратной меньший нагрев детали).

Технологический процесс сварки и наплавки включает:

1. подготовку:

- для сварки - очистка, обезжиривание, разделка шва (рис. 32);

- для наплавки – предварительное заваривание трещин, их зачистка, заделка отверстий, не подлежащих заварке, правка деформированных деталей;

2. непосредственно сварку или наплавку;

3. обработку после сварки или наплавки.

Электроды выбираются по типу и марке. Согласно ГОСТ 9467-75, установлены следующие типы электродов:

Э38, Э42, Э46 и Э50 – для сварки сталей с временным сопротивлением до 490 Мпа;

Э42А, Э46А и Э50А – для сварки тех же сталей, когда к металлу шва предъявляются повышенные требования по относительному удлинению и ударной вязкости;

Э55 и Э60 – для сварки сталей с временным сопротивлением разрыву свыше 490 Мпа и до 590 Мпа.

В условном обозначении типа электрода две стоящие за буквой «Э» цифры соответствуют минимальному временному сопротивлению разрыву металла шва или сварного соединения в кгс/мм²

Пример обозначения электродов: электроды типа Э46А по ГОСТ 9466-75, марки УОНИИ-13/45, диаметром 3,0 мм, для сварки углеродистых и низколегированных сталей У, с толстым покрытием Д, с установленной по ГОСТ 9467-75 группой индексов, указывающих характеристики наплавленного металла и металла шва, 43 2(5), с основным покрытием Б, для сварки во всех пространственных положениях 1 на постоянном токе обратной полярности 0:

Параметры режима сварки:

• диаметр электрода (зависит от толщины свариваемых деталей);

• сила сварочного тока (зависит от диаметра электрода, для наплавки ниже на 10 – 15 %);

• полярность.

Ручная аргонно-дуговая сварка

Применяется для алюминиевых сплавов. Чаще всего используется неплавящийся электрод из вольфрама. Сварка проводится в среде инертного газа – аргона присадочным материалом (состав как у основного материала), вводимым в зону дуги. Используется постоянный ток обратной полярности. При использовании переменного тока расход вольфрамового электрода меньше, но нужен осциллятор для возбуждения и обеспечения стабильности дуги.

Рис. 33. Схема электродержателя для аргоно-дуговой сварки: 1 - присадочный пруток; 2 — сопло; 3 — токоведущий мундштук; 4 - корпус; 5 - электрод; 6 - рукоятка; 7 - атмосфера защитного газа, 8 - сварочная дуга, 9 - ванна расплавленного металла; 10 - деталь

Автоматическая сварка и наплавка под слоем флюса (рис. 34).

Качество наплавленного металла обеспечивается:

- защитой дуги и жидкого металла от влияния кислорода и азота;

- медленным охлаждением (удаляются шлаковые включения);

- более полным протеканием диффузионных процессов (легирование через флюс);

• устранением разбрызгивания жидкого металла;

• р авномерным химическим составом (режим наплавки не меняется).

Дефекты при наплавке (трещины и поры):

• Рис. 34. Схема наплавки цилиндрической детали под слоем флюса:

  1 – источник тока; 2 – флюсоподающий патрубок; 3 – оболочка из жидкого флюса; 4 – электродная проволока; 5 – электрическая дуга; 6 – шлаковая корка; 7 –наплавленный металл; 8 – наплавляемая деталь

  трещины – кристаллизационные (при охлаждении и кристаллизации, для их устранения применяется подогрев детали перед наплавкой, уменьшение содержания серы и углерода и введение марганца, алюминия и титана в наплавочную проволоку) и хрупкие (возникающие под действием внутренних напряжений при быстром охлаждении, устранение подогревом перед наплавкой и медленным охлаждением после наплавки);

• поры - из-за проникновения водорода и влаги, содержащихся во флюсе (устраняются прокаливанием флюса перед наплавкой).

Оборудование – модернизированный токарный станок; источник тока; наплавочный аппарат (рис. 35).

Электродные проволоки:

• для малоуглеродистых сталей – Св-08, Св-08ГС;

для среднеуглеродистых и низколегированных сталей – пружинная проволока (Нп-65, Нп-80, Нп-30ХГСА и т.п.).

Используется два вида флюсов – плавленые (АН-20, АН-30 и др.); керамические (АНК-18, АНК-19 и др.).

Свойства флюсов.

Плавленые: высокая механическая прочность; малая гигроскопичность; однородность химического состава; устойчивость горения дуги; хорошие условия формирования шва и отделения шлаков; малая стоимость.

Керамические: лучшие условия легирования; можно применять малоуглеродистую проволоку вместо легированной; недостаток - неоднородность химического состава.

Рис. 35. Схема установки для автоматической наплавки под слоем флюса:

1 – замедляющий редуктор; 2 – наплавляемая деталь; 3 – бункер для флюса; 4 – наплавочный аппарат; 5 – поддон для шлаковой корки; 6 – токарный станок; 7 – аппаратный ящик; 8 – сварочный преобразователь

Способы легирования при наплавке: через электродную проволоку; через флюс; через порошковую проволоку; комбинированные.

Режимы наплавки: диаметр электрода; напряжение дуги; сила сварочного тока; скорость наплавки; скорость подачи проволоки; вылет электрода; шаг наплавки; смещение электрода от зенита.

Достоинства данного способа наплавки:

• высокая производительность;

• более высокий коэффициент наплавки, чем при ручной;

• экономичность по электроэнергии и электродному материалу;

• равномерность наплавленного слоя и небольшие припуски на обработку;

• можно получить необходимые физико-механические свойства за счет легирования;

• независимость качества наплавленного металла от квалификации рабочего;

• нет ультрафиолетовых излучений.

Недостатки:

• высокий нагрев детали;

• диаметр наплавляемой детали не менее 40 мм;

• необходимость удалять шлаковую корку;

• необходимость термообработка для повышения износостойкости.

Механизированная сварка и наплавка в среде углекислого газа

При сварке и наплавке защита зоны горения электрической дуги и расплавленного металла от кислорода и азота воздуха осуществляется струей углекислого газа. Обеспечивает высокое качество наплавленного металла с минимальным количеством пор и окислов, однако, возможно выгорание легирующих элементов (кремния и марганца).

Рис. 36. Схема сварки в среде углекислого газа:

1 - электрод; 2 - мундштук; 3 - струя защитного газа; 4 – дуга

Оборудование - специальный мундштук для сварочного аппарата под слоем флюса (рис. 36) и специальные установки (рис. 37).

Электродная проволока:

• для углеродистых сталей – Св-08ГС, Св-08Г2С, Св-12ГС;

• для легированных сталей – Св-18ХГСА, Нп–30ХГСА, Нп-65Г.

Параметры режима сварки: диаметр электродной проволоки; сила сварочного тока; напряжение дуги; скорость наплавки; расход углекислого газа.

Рис. 37. Схема установки для наплавки в среде углекислого газа:

1 – сварочный трансформатор; 2 – выпрямитель; 3 – дроссель; 4 – баллон с углекислым газом; 5 – подогреватель; 6 – осушитель; 7 – редуктор; 8 – сварочный полуавтомат; 9 – горелка; 10 – стол сварщика

Достоинства способа:

• меньший нагрев деталей;

• возможность наплавки в любом положении детали;

• более высокая производительность;

• возможность наплавки деталей небольшого диаметра (от 10 мм);

• не требуется удалять шлаковую корку;

• стоимость ниже примерно на 20 %, чем при электрошлаковой.

Недостатки:

• повышенное разбрызгивание металла;

• требуется легированная проволока;

• необходима защита сварщика от излучения дуги.

Автоматическая вибродуговая наплавка

Осуществляется вибрирующим электродом при помощи наплавочной головки в струе жидкости, углекислого газа или воздуха для восстановления стальных деталей.

Сущность процесса заключается в периодическом замыкании и размыкании электродной проволоки и поверхности детали. Каждый цикл вибрации включает в себя следующие последовательно протекающие процессы: короткое замыкание, отрыв электрода от детали, электрический разряд, холостой ход. При этом проволока расплавляется и при отходе оставляет на детали частицу металла. В результате на поверхности детали образуется слой наплавленного металла.

Применяемая электродная проволока:

• для стальных деталей HRC 50 … 55 – Нп-65, Нп-80;

• для твердости HRC 35 … 40 – Нп-30ХГСА;

• для твердости HВ 180 … 240 – Св-08.

Параметры режима наплавки: полярность, напряжение, сила сварочного тока, скорость подачи проволоки, скорость наплавки, шаг наплавки, амплитуда вибрации, вылет электрода.

Достоинства способа:

• возможность восстановления деталей малого диаметра;

• высокая производительность для тонких слоев;

• не требуется термическая обработка;

• финишная обработка производится шлифованием без предварительного точения;

• небольшой нагрев деталей.

Недостатки:

• снижение усталостной прочности;

• н еобходимы сварочные проволоки с большим содержанием углерода (при наплавке на воздухе и в жидкости).

Рис. 38. Схема установки для вибродуговой наплавки:

1 – наплавляемая деталь; 2 – электродная проволока; 3 – вибрирующий мундштук; 4 – пружина; 5 – электромагнитный вибратор; 6 – кассета для проволоки; 7 – подающие ролики; 8 – канал для подвода жидкости; 9 – источник тока; 10 – насос; 11 – индуктивное сопротивление; 12 – резервуар–отстойник

Плазменно-дуговая наплавка

Данный вид наплавки основан на использовании тепловой энергии плазменной дуги. Плазма – это ионизированный газ, представляющий собой электрически нейтральную смесь положительно заряженных, отрицательно заряженных и нейтральных частиц. Плазма характеризуется высокой электрической проводимостью и большой теплопроводностью. Вследствие высокой электропроводности образует вокруг себя магнитное поле.

В качестве плазмообразующих газов применяются: аргон, азот, гелий, водород и их смеси. При использовании аргона температура составляет 15 000 – 26 000 ⁰С, скорость истечения струи – 1 000 – 1 300 м/с.

Типы плазмотронов – с дугой прямого действия и с дугой косвенного действия.

Качество наплавленного металла обеспечивается:

- защитой дуги и жидкого металла от влияния кислорода и азота;

- медленным охлаж-дением (удаляются шлаковые включения).

Рис. 39. Схема плазмотрона:

1 – сопло–анод; 2 – подвод воды; 3 – подвод плазмообразующего газа; 4 – отвод воды; 5 – катод–держатель электрода; 6 – вольфрамовый электрод; 7 – изолирующая прокладка; 8 – охлаждающая жидкость; 9 – канал для подачи напыляемого материала

Плазмотроны бывают двух типов. С дугой прямого действия (рис. 40 а) применяются для сварки и резки металлов. С дугой косвенного действия (рис. 40 б) – для наплавки, закалки и напыления.

Присадочный материал вводится в сварочную ванну в виде порошка или проволоки. Порошок может подаваться также в плазменную струю.

Параметры режима: сила тока, напряжение дуги.

П реимущества данного способа:

• зона термического влияния меньше, чем при газовой сварке;

• расход аргона в 5 – 6 раз меньше, чем при аргонно-дуговой сварке;

• Рис. 40. Типы плазмотронов

  можно наплавлять различные по свойствам материалы (в т.ч. тугоплавкие);

• нет ограничений по форме и размерам наплавляемых деталей;

• вокруг зоны наплавки можно создать любую среду (нейтральную, окислительную, восстановительную);

• тепловой режим легко регулируется в любых пределах.

Индукционная наплавка ТВЧ.

Н а восстанавливаемую поверхность наносят шихту (паста или брикеты), которая затем расплавляется в индукторе ТВЧ (рис. 41). Применяется для восстановления следующих деталей: пята толкателя клапана, сферическая поверхность коромысла клапана, рабочая фаска клапана, кулачки распределительного вала и др.

Электроконтактная сварка и наплавка

Разновидности электроконтактной сварки – стыковая, точечная, шовная (роликовая).

Рис. 41.Схема установки клапана для наплавки ТВЧ:

1 и 7- центра приспособления; 2 – державка стержня; 3 – клапан; 4 –прессованная заготовка шихты; 5 – индуктор установки ТВЧ; 6 – керамическая форма

Стыковая сварка. Производится путем местного нагрева соединяемых кромок за счет тока, проходящего через место контакта и одновременного пластического деформирования разогретых кромок деталей (рис. 42 а).

Применяется для восстановления карданных валов, полуосей и других деталей путем замены части детали.

Рис. 42. Схемы электроконтактной сварки

Оборудование – специальные машины, состоящие из зажимного устройства, осаживающего механизма и сварочного трансформатора.

Достоинство: возможность соединения деталей из разных металлов и сплавов.

Точечная сварка.

Соединяемые детали зажимают между двумя электродами (медными или бронзовыми) и через место контакта пропускают ток большой силы (рис. 42 б).

Применяется при ремонте деталей из листовых материалов.

Роликовая сварка.

Аналогична точечной, но электроды имеют форму дисков, а свариваемые детали перемещаются между ними, применяется, когда необходим герметичный шов (рис. 42 в).

Электроконтактная наплавка

Поверхности детали восстанавливаются путем навивки и контактной приварки проволоки или металлической ленты за счет импульсов тока большой силы. При наплавке происходит деформация проволоки с помощью роликов.

Достоинства:

• в ысокая производительность;

• малые потери наплавляемого материала;

• незначительное снижение усталостной прочности;

• хорошие условия работы операторов.

Рис. 43. Схема электроконтактной наплавки:

а – схема установки; б – схема перекрытия импульсов тока; 1 – трансформатор; 2 – электрод; 3 – лента; 4 – деталь

Особенности сварки чугунных деталей

Применяется два способа сварки – с подогревом и без подогрева.

Особенности, присущие сварке чугуна:

• возможность отбеливания шва;

• возникновение значительных внутренних напряжений;

• образование пор и раковин.

Сварка с подогревом («горячая») включает механическую подготовку детали к сварке (разделка и зачистка шва), нагрев до 550 - 600 ⁰С, далее сварку ацетиленокислородным пламенем. Присадочный материал – литые стержни из чугуна с повышенным содержанием кремния. Необходим флюс (50 % смесь буры и двууглекислого натрия). После сварки медленное охлаждение в термостатах.

Обеспечивает высокое качество сварки, однако сложно реализовать в технологическом отношении.

Сварка без подогрева («холодная») имеет разновидности – ручная и полуавтоматическая стальными электродами, а также электродами из цветных металлов и сплавов.

Сварка стальными электродами наиболее проста и экономична. Недостаток - науглероживание и закалка шва. Применяют электроды марки ЦЧ-4, изготовленные из сварочной проволоки Св-08 с толстым покрытием, содержащим титан.

Сварка электродами из цветных металлов обеспечивает хорошую прочность, но менее экономична. Применяемые электроды: медные ОЗЧ-2 с покрытием, содержащим железный порошок; медно - никелиевые МНЧ-2 с покрытием типа УОНИ-55; железоникелевые – ОЗЖН-1.

При сварке ковкого чугуна наблюдается наибольшая склонность к отбеливанию. Применяется пайка-сварка при температуре менее 950 ⁰С. Используют латунные электроды марок Л-62, ЛОМНА-54-10-4-0, ЛОК-59-1-03. Нагрев осуществляют ацетиленокислородным пламенем. Необходим флюс марки ФПСН-2, содержащий борную кислоту, углекислый литий и углекислый натрий.

Особенности сварки деталей из алюминиевых сплавов

Отличительные признаки процессов, протекающих при сварке:

• интенсивное окисление алюминиевых сплавов с образованием тугоплавких окислов, которые остаются в наплавленном металле из-за большого удельного веса;

• образование пор и раковин из-за способности алюминиевых сплавов активно растворять водород в расплавленном состоянии;

• значительные внутренние напряжения из-за усадки в процессе охлаждения и высокого коэффициента линейного расширения.

Применяются следующие виды сварки – ацетиленокислородная, аргонно-дуговая, электродуговая.

Присадочный материал – прутки из сплава алюминия с содержанием кремния 5 – 6 %.

Ацетиленокислородная сварка осуществляется строго нейтральным пламенем с использованием флюса АФ-4А, содержащего хлористый натрий, хлористый калий и фтористый натрий. Флюс образует с окислами легкоплавкие растворы с небольшим удельным весом, которые всплывают на поверхность сварочной ванны в виде шлака. Требуется медленное охлаждение после сварки и промывка горячей водой от остатков флюса.

Аргонно-дуговая сварка осуществляется вольфрамовым электродом в среде аргона, без флюса. Присадочный материал вводят в дугу, как при газовой сварке. Данный вид сварки обеспечивает более высокую производительность и более высокое качество соединений.

Электродуговая сварка производится постоянным током с обратной полярностью электродами ОЗА-2, изготовленными из сварочной проволоки СВ-АК5 или СВ-АК10. На электродную проволоку наносится покрытие, состоящее из флюса АФ-4А, криолита, хлористого калия и губчатого титана. Данное покрытие гигроскопично, поэтому требует сушки непосредственно перед сваркой.