Восстановление деталей сваркой и наплавкой

Основные виды сварки и наплавки, используемые при ремонте деталей и область их использования, представлены в таблице 3.5. Физическая сущность этих видов сварки и наплавки, перечень необходимых при этом оборудования, материалов, инструментов, приспособлений представлены в табл.3.8.

Каждый из приведенных в табл. 3.8 видов сварки и наплавки характеризуется комплексом общих и частных показателй, параметров, критериев качества, знание и сравнительный анализ которых необходим инженеру-механику в практической работе.

К общим критериям выбора вида сварки, наплавки относятся: химические, фазовые превращения и зоны термического влияния; материал и диаметр сварочной, наплавочной проволоки, электродов; трудоемкость реализации.

Химические превращения свариваемого (наплавляемого) металла связаны с окислением их кислородом воздуха, образованием нитридов (действие азота); повышением хрупкости (наводороживание); науглероживанием; легированием (за счет реакций замещения) или, наоборот, выгоранием легирующих элементов.

В процессе нагрева - плавления - охлаждения металлы и сплавы претерпевают фазовые превращения [36]. Высокотемпературное же воздействие фаз приводит к изменению металла детали и, значит, изменению свойств сварного соединения (наплавленного слоя). Поэтому, с целью получения заданных свойств металла в шовной и околошовной зонах необходимо предпринимать в ряде случаев дополнительные технологические приемы: предварительный и (или) окончательный отжиг; отпуск; быстрое, медленное, ступенчатое охлаждение (нагрев); проковку; оплавление и др.

Получение сварного шва с заданными свойствами и необходимыми производительностью и затратами определяется химическим составом и размерами сварочных материалов - проволоки, электродов, флюсов.

Основные виды сварочных и наплавочных материалов приведены в табл. 3.9 и 3.10.

Условное обозначение марок и типов электродов определяется по ГОСТ 9467-75. Например, обозначение (неполное) Э55А-УОНИ-13/55-3.0-УД2 расшифровывается следующим образом: Э - электрод; 55 - минимальный гарантируемый предел прочности металла шва в кгс/мм² (460 МПа); А - гарантируется получение повышенных пластических свойств металла шва; УОНИ-13/55 - марка электрода; 3.0 - диаметр электрода; У - для сварки углеродистых и низколегированных сталей; Д2 - с толстым покрытием второй группы.

Диаметр электрода назначают в зависимости от толщины свариваемого металла, типа сварного соединения, положения шва в пространстве, состава свариваемого металла. Так, при сварке материалов толщиной более 4 мм применяют электроды диаметром 4-8 мм при условии обеспечения провара, толщиной до 4 мм - диаметр электрода принимается в среднем равным толщине.

Условное обозначение проволоки определяется по ГОСТ 2246-70 и ГОСТ 10543-82. Например, обозначение проволоки 2,5 Св-08 ХГСМФА-ВИ-Э-О ГОСТ 2246-70 расшифровывается так: 2,5 - диаметр в мм; Св-08 ХГОМФА - марка проволоки с содержанием углерода 0,08%, хрома (Х), марганца (Г), кремния (С), молибдена (М), ванадия (Ф) до 1% и повышенной частоты металла по содержанию серы и фосфора (А); из стали, выплавленной в вакуумно-индукционной печи (ВИ), с омедненной поверхностью (О), электродная (Э).

Для сварки меди и ее сплавов применяют проволоку из меди и сплавов на ее основе: М1, МНЖ5-1; Бр КМц 3-1; Бр ОЦ4-3; БрХНТ; Л63; ЛК62-05. Используют также прутки марок М1р; ЛМц58-2 и др.

Условное обозначение проволоки и прутков из меди и ее сплавов определено по ГОСТ 16130-90. Например, проволока сварочная ДКРТ2.0БТБрОЦ-4-3 расшифровывается так: холоднодеформирован-ная (Д); круглая (КР); твердая (Т); диаметром 2,0 мм; из сплава марки БрОЦ-4-3.

Таблица 3.8.

Сущность и обеспечение основных видов сварки и наплавки

Продолжение табл. 3.8.

Продолжение табл. 3.8.

Продолжение табл. 3.8.

Продолжение табл. 3.8.

Продолжение табл. 3.8.

Таблица 3.9.

Электроды для ручной дуговой сварки и наплавки

Продолжение табл. 3.9.

Таблица 3.10.

Сварочная и наплавочная проволока и флюсы

Для сварки титана используют сварочную проволоку из сплавов на основе титана: ВТ1; ВТ5; ВТ5-1 и др.

Для сварки чугуна используют чугунные (или из других материалов в зависимости от способа сварки) прутки.

Современный уровень практической и теоретической проработки рассмотренных видов сварки и наплавки позволяет сформулировать технологические и технико-экономические их особенности и критерии выбора.

Частные критерии выбора способов сварки, наплавки непосредственно связаны с особенностями свариваемых, наплавляемых материалов и требуемых эксплуатационных свойств восстанавливаемых деталей.

Одним из критериев целесообразности применения в конкретных условиях ремонта конкретного вида сварки, наплавки является свариваемость различных материалов. Различают технологическую и физическую свариваемость.

Технологическая свариваемость - это технологическая способность материала к свариванию - образованию неразъемного сварного соединения.

Физическая свариваемость - совокупность процессов, протекающих в зоне сварки материала и приводящих к образованию неразъемного соединения. Все однородные металлы обладают физической свариваемостью, а для разнородных металлов обеспечение физической свариваемости требует дополнительных усилий.

К таким условиям относятся: температурный режим нагрева, сварки и охлаждения деталей; специальная подготовка места сварки; использование соответствующих сварочных материалов; использование соответствующих видов энергии, количества и характера ее проявления.

Свариваемость деталей зависит от количества химических элементов в ее составе и оценивается эквивалентным содержанием углерода по формуле:

(3.53)

где и др. - процентное содержание химических элементов в составе стали.

Практика показала, что свариваемость стали при С_э<0,25 хорошая; при С_э = 0,25...0,35 -удовлетворительная; при С_э=0,35...0,45 - ограниченная (для предупреждения трещин необходимо проводить предварительный или сопутствующий подогрев, термообработку после сварки и применять специальные виды сварки); при С_э>0,45 - плохая (требуется подогрев до и после сварки, специальная ее технология). С учетом толщины свариваемых деталей эквивалентное содержание углерода корректируется и равно:

, (3.54)

где N =0,005d×С_э - поправка на толщину d (мм) детали. С учетом (3.54) температура предварительного подогрева определяется по формуле:

t_под = 350( - 0,25)^0,5 , ⁰С. (3.55)

Качественная оценка свариваемости сталей и влияние на нее отдельных химических элементов сводится к следующему.

Хром при сварке образует карбиды, ухудшающие коррозионную стойкость стали и резко повышающие твердость в зонах термического влияния, а также содействует образованию тугоплавких окислов, затрудняющих процесс сварки.

Никель увеличивает пластические и прочностные свойства стали, способствует образованию мелкозернистой структуры шва.

Молибден способствует повышению несущей способности стали при ударных нагрузках и повышенных температурах, а также образованию мелкозернистой структуры. Однако, молибден способствует образованию трещин в наплавленном металле и околошовной зоне термического влияния. В процессе сварки, наплавки молибден способен к выгоранию и образованию окислов.

Ванадий способствует образованию закалочных структур в сталях, затрудняющих сварочные процессы, активно окисляется и выгорает.

Вольфрам способствует значительному повышению твердости и работоспособности сталей даже при высоких температурах, но вместе с тем сильно окисляясь, затрудняет сварочные процессы.

Углерод при содержании в сталях более 0,25% резко ухудшает их свариваемость; способствует образованию закалочных структур, трещин, пористости.

Марганец при малом содержании в сталях (до 0,8%) существенного влияния на сварочные процессы не оказывает, при большем содержании способствует образованию закалочных структур и трещин.

Кремний, аналогично марганцу, оказывает негативное влияние на сварочные процессы лишь при больших его содержаниях (более 0,8%) в сталях вследствие образования тугоплавких окислов и жидкотекучести высококремнистых сталей.

Титан и ниобий при сварке коррозионностойких сталей (Х18Н9Т и др.) способствует образованию горячих трещин.

Свариваемость и технологические особенности сварки основных типов сталей приведены в табл. 3.13.

Технологические особенности электродуговой и газовой сварки приведены в табл. 3.11 и 3.13. Исходя из степени технологической и технической оснащенности конкретного предприятия, используя из таблиц необходимые сведения, выбирают конкретный вид и способ сварки.

Свариваемость чугуна и эксплуатационные свойства сварного шва чугунных деталей зависят от структуры чугуна. Хорошо свариваются чугуны со светной мелкозернистой перлитной структурой, включающей мелкопластический или глобулярный графит. Образование такой структуры зависит от температур нагрева и времени выдержки стали. При длительной выдержке и температуре более 500 ⁰С в чугуне происходит распад цеменита - очень твердого и хрупкого соединения белого чугуна. Поэтому горячая сварка чугуна более предпочтительна, нежели холодная. Недостатком горячей сварки чугуна является большая трудоемкость и тяжелые условия труда сварщиков. Плохо свариваются чугунные детали, длительно работающие при высоких температурах (окисление углерода и кремния приводит к образованию так называемого горелого чугуна) или соприкосновении с маслом и керосином.

Особенностью сварки меди являются ее способность к окислению и образованию монооксида меди С_u2O, взаимодействующего с водородом, что способствует образованию паров воды и, как следствие, микротрещин - водородной болезни меди. Снижению этого способствует прокалка электродов, флюсов, осушение защитных газов.

Трудность сварки алюминия заключается в наличии в сварочной ванне тугоплавкой пленки оксида алюминия Al₂O₃, температура плавления которого 2050 ⁰С, а чистого алюминия всего 658 ⁰С, что крайне затрудняет управление процессом сварки и формирования шва. Поэтому предпочтительны сварка алюминия в среде защитных газов и на постоянном токе обратной полярности (катодное распыление окисной пленки).

При выборе способа газовой сварки металлов и сплавов необходимо учитывать, что качество сварного шва зависит от возможности его науглероживания и, одновременно, обеднения (выгорания) легирующими элементами. Так, при сварке хромоникелевой стали при нагреве до температуры 400-800 ⁰С происходит выпадание карбидов и сталь теряет устойчивость к межкристаллитной коррозии. При сварке меди сварной шов склонен к красноломкости, хрупкости, образованию микротрещин. При сварке латуни наблюдается выгорание цинка и образование пористости шва. При сварке безоловянных бронз образуются тугоплавкие окислы алюминия и хрома. При сварке алюминия и его сплавов, в большей степени, чем при электродуговой сварке, наблюдается образование поверхностной тугоплавкой окисной пленки.

Трудоемкость выполнения сварочных, наплавочных работ в основном зависит от продолжительности основной операции (t_o), которая определяется для электродуговой сварки, наплавки:

t_орд=К_шQ_н / J_св ×a_н, ч, (3.56)

где Q_н=F× ×g - масса наплавленного металла при площади поперечного сечения шва F, его длине и плотности наплавляемого металла g; a_н - коэффициент сварки, наплавки (табл. 3.14), зависящий от марки электрода; К_ш=(1,0-1,2) - коэффициент, учитывающий длину шва и способ сварки; J_св - величина сварочного тока, А, определяемая по зависимостям:

J_св = kd_э или J_св = (20 + 6d_э)d_э , (3.57)

где k=40-60 - коэффициент, учитывающий пространственное положение шва; d_э - диаметр электрода, мм.

Таблица 3.11.

Характеристика способов электродуговой сварки металлов сплавов

Продолжение табл. 3.11.

Продолжение табл. 3.11.

Таблица 3.12.

Характеристика способов газовой сварки металлов и сплавов (на 1 мм толщины)

Продолжение табл. 3.12.

Таблица 3.13.

Технологические особенности сварки, наплавки сталей

Таблица 3.14.

Значения коэффициентов электродуговой сварки, наплавки

Вспомогательное время при этом виде сварки, наплавки принимают в зависимости от условий работы в пределах 1,5-3 мин; дополнительное - в пределах 8-13% от оперативного (8% - при удобном положении шва, 10% - при неудобном и 13% - при напряженном); подготовительно-заключительное время принимается в объеме 15-25 мин.

Для газовой сварки основное время (t_ог) определяется по зависимости:

t_ог = Kd , мин, (3.58)

где K - коэффициент, зависящий от типа сварного соединения, вида шва и свариваемого металла (табл. 3.15); d - толщина свариваемого металла, мм.

Ориентировочно время газовой сварки, наплавки можно принимать, ориентируясь на данные табл. 3.16

Вспомогательное время устанавливается в пределах 8-11 мин (в том числе на смену баллона 6-8 мин); дополнительное время принимается равным 8-12% от оперативного; подготовительно-заключительное время в стационарных условиях принимается равным 15-25 мин, а в передвижных условиях от 25 до 40 мин.

При выборе вида наплавки технолог, инженер-механик руководствуются заданными эксплуатационными свойствами деталей и технико-технологическими возможностями того или иного вида наплавки.

Таблица 3.15.

Значение коэффициента учета особенностей газовой сварки

Таблица 3.16

Время наплавки 1 см³ присадочного материала при ацетиленокислородной сварке, наплавке, мин.

Продолжение табл. 3.16.

Автоматическая электродуговая наплавка под слоем флюса позволяет наплавлять слой металла толщиной более 3 мм на тела вращения типа валов, которые устанавливаются в патроне специального или токарного станка и центрах. Токарный станок дополнительно оснащается токосъемниками, оборудуется понижающей передачей для обеспечения требуемой частоты вращения детали ( =0,25-4,0 мин^-1). Продольная подача наплавочной головки, устанавливаемой на суппорте станка, принимается равной 3-6,5 мм/об, но с условием перекрытия предыдущего валика последующим на 0,3-0,5 его ширины. Ориентировочные значения параметров режима наплавки представлены в табл. 3.17.

Таблица 3.17.

Режимы автоматической наплавки под слоем флюса

Вылет электродной проволоки в зависимости от диаметра детали и величины тока принимается в пределах 10-25 мм, а его смещение с зенита - в пределах 2-7 мм.

Эксплуатационные и физико-механические свойства наплавленного металла зависят от состава флюса, материала электродной проволоки и указанных выше параметров режима наплавки, величины проплавления детали, которая определяется по зависимости:

h=k(J⁴/V_н ×U²)^1/3 , (3.59)

где k=(0,2-0,3) - коэффициент; J - сила тока, А; V_н - скорость наплавки, мм/мин; U напряжение, В.

К преимуществам автоматической наплавки под слоем флюса относятся: возможность получения поверхностного слоя детали с необходимыми механическими свойствами (твердость до НRС 56-62, высокая износостойкость, плотность и однородность покрытия) и химическим составом; возможность защиты зоны дуги и расплавленного металла от воздействия кислорода и азота воздуха; высокая устойчивость процесса образования покрытия вследствие его механизации и управляемости.

Недостатками автоматической наплавки под слоем флюса являются: возможность перегрева основного металла детали и изменение вследствие этого структуры и механических свойств; ограничение по диаметру (более 45 мм) номенклатуры восстанавливаемых деталей вследствие их температурных деформаций и стекания медленно затвердевающих шлака и металла шва; необходимость в дорогостоящих флюсах, электродной проволоке, специальной оснастке.

Наплавка в среде инертных газов (аргона, гелия) из-за высокой стоимости последних применяется редко.

Наплавка в среде углекислого газа применяется, в основном, при ремонте деталей, изготовленных из мало- и среднеуглеродистых сталей и чугунного литья. С целью получения наплавленной поверхности заданной твердости, в ряде случаев используется направленное охлаждение этой поверхности струей жидкости. Ориентировочные значения параметров режима наплавки приведены в табл. 3.18.

Таблица 3.18.

Режимы наплавки в среде углекислого газа

При этом принимают: шаг наплавки в пределах 2,5-6,0 мм; вылет электрода равным 7-20 мм; смещение электрода в пределах 3-10 мм. Углекислый газ, диссоциируя при наплавке на атомарный кислород и окись углерода, оказывает окислительное действие на материал детали, что устраняется применением электродной проволоки, содержащей раскислители (титан, кремний, марганец) и соответствующие легирующие элементы. Наплавку ведут с взаимным перекрытием валиков на постоянном токе обратной полярности.

К преимуществу наплавки в среде углекислого газа относятся: отсутствие вредных выделений и шлаковой корки на покрытии; открытая для обзора зона наплавки, что дает возможность оперативно корректировать процесс; возможность наплавки деталей малых диаметров; более высокая, по сравнению с автоматической наплавкой под слоем флюса, производительность процесса (коэффициент наплавки равен 15-16 г/А ч).

Недостатками этого вида наплавки являются большое разбрызгивание (потери) металла электродной проволоки и сравнительно низкие механические свойства наплавленного слоя.

Наплавка в среде водяного пара используется для наплавки стальных деталей. В процессе наплавки водяной пар диссоциирует, образуя атомарный водород, который и служит в данном случае защитным газом. При наплавке детали диаметром 40-50 мм электродной проволокой диаметром 1,6 мм примерные значения параметров режима следующие: величина постоянного тока обратной полярности 150-200 А; напряжение 35-36 В; скорость наплавки 18-36 м/ч; давление пара (6-7)×10^-2 МПа.

К преимуществам данного вида наплавки относятся такие, как: дешевая, недефицитная защитная среда; устойчивость наплавленного металла к трещинам; отсутствие вредных газов.

Вместе с тем активное выгорание кремния, марганца, углерода, образование пор в наплавленном слое, ограничивают область применения этого метода и ведут к его удорожанию за счет необходимости использования специальной электродной проволоки ( с повышенным содержанием марганца, кремния).

Наплавка вибродуговая, представляющая собой разновидность рассмотренных ранее видов электродуговой наплавки, осуществляется за счет придания электродной проволоке осевых колебаний с частотой (50-100)с^-1 и амплитудой 1-3 мм. Наплавка ведется, как правило, на постоянном токе обратной полярности, с охлаждением наплавленного металла 4-6-процентным раствором кальцинированной соды в воде, являющейся одновременно и защитной средой. Наличие охлаждающей жидкости и прерывистый характер нанесения металла способствуют закалке наплавляемого валика и частичному его отпуску, что приводит к образованию неоднородной структуры от мертенсита закалки до тростосорбита отпуска с твердостью 26-55 НRC.

Ориентировочно значения параметров режима наплавки приведены в табл. 3.19.

Таблица 3.19.

Значения параметров режима вибродуговой наплавки

Надежное сплавление наплавленного слоя с основным металлом детали обеспечивается обычно при толщине слоя в 2,5 мм. Параметры режима наплавки взаимосвязанны между собой зависимостью:

n= 250×d²×V_н×h/SДh, (3.60)

где n - частота вращения детали, мин^-1; d - диаметр электродной проволоки, мм; V - скорость подачи проволоки, м/мин; S - шаг наплавки, мм/об; Д -диаметр детали, мм; h - толщина наплавляемого слоя, мм; h - коэффициент наплавки (h=0,85-0,9).

К преимуществам вибродуговой наплавки относятся: слабый нагрев восстановливаемой детали и возможность восстановления поверхности диаметром от 15 мм без существенных структурных изменений основного металла; возможность получения поверхностного слоя детали с заданным химическим составом, закалочными структурами, твердостью и толщиной (от 0,5 до 3,0 мм).

Однако, этот метод имеет существенные недостатки, например: образование поверхности с неравномерной (“пятнистой”) твердостью, что значительно снижает усталостную прочность деталей, особенно при знакопеременных нагрузках; наличие пор и трещин в наплавленном слое.

С целью частичного устранения указанных недостатков вибродуговую наплавку проводят также под слоем флюса или в среде защитных газов; используют ультразвуковые колебания; проводят термомеханическую обработку наплавочного слоя; осуществляют пластическое деформирование наплавленного металла с помощью ролика или бойка.

Для механизированных видов сварки, наплавки основное время определяется раздельно по плоским (t_омп) и цилиндрическим (t_омц) поверхностям соответственно:

t_омп = L_шп / V_св , мин; (3.61)

t_омц = L_ц ×ipd/SV_н , мин; (3.62)

где L_шп, L_ц - соответственно общая длина швов данного размера наплавляемых на плоскую поверхность и длина цилиндрической поверхности, м; V_св, V_н - соответственно скорость сварки и наплавки, м/мин; S - продольная подача наплавочной головки или шаг наплавки, мм/об; d - диаметр наплавляемой поверхности, мм; i - число проходов.

Вспомогательное время при этом принимают равным 0,5 мин на один проход, дополнительное - 15% от оперативного, а подготовительно-заключительное - 15 мин.

При плазменной наплавке возможно получение прочно сплавленного с главным металлом детали слоя наплавленного материала шириной от 8 до 45 мм и толщиной от 0,5 до 6 мм. Установка плазменной наплавки содержит целый комплекс оборудования: дозаторы наносимого материала; источники питания; системы газоснабжения и охлаждения плазмотрона. В общем случае плазменная наплавка характеризуется следующими значениями параметров процесса: диаметр проволоки - от 2,0 до 3,0 мм; сила тока - от 150 до 500 А; напряжение дуги - от 18 до 28 В; скорость наплавки - от 10 до 55 м/ч; шаг наплавки - от 3 до 6 мм; производительность - от 5 до 30 кг/ч.

Плазменная наплавка в общем случае может удовлетворить самые разнообразные технологические и эксплуатационные требования по восстановлению работоспособности деталей. Основным ограничением широкого применения в ремонтном производстве этого вида наплавки является ее энергоемкость, относительные сложность и большая стоимость оборудования для ее осуществления.

Лазерная наплавка и электронно-лучевая наплавка выполняются на установках высокоинтенсивного нагрева не в качестве основной, технологической наплавочной операции, а в качестве последующей отделочной операции, в результате которой происходит оплавление поверхности наплавленного материала и улучшение его эксплуатационных и физико-механических свойств. В ремонтном производстве используется редко, например, при восстановлении кулачков распределительных валов, хвостовиков клапанов; для борирования поверхностей.

Кроме рассмотренных методов в ремонтном производстве иногда целесообразно использовать и такие, как: литейную наплавку; намораживание металла; электроискровое наращивание; электроимпульсное наращивание; электроконтактную приварку ленты; электроконтактную приварку проволоки; электроконтактное напекание порошков.