Введение, Назначение и область применения наплавочных работ.
Наплавка — это нанесение слоя металла или сплава на поверхность изделия посредством сварки плавлением.
Наплавку производят при восстановлении изношенных и при изготовлении новых деталей машин и механизмов. Наиболее широко наплавка применяется при ремонтных работах. Восстановлению подлежат корпусные детали различных двигателей внутреннего сгорания, распределительные и коленчатые валы, клапаны, шкивы, маховики, ступицы колес.
Виды и назначение наплавки.
Наплавкой называют нанесение посредством сварки плавлением слоя металла на поверхность изделия. Ее используют для восстановления исходных размеров деталей и для придания поверхностным слоям детали особых свойств, требуемых для ее успешной эксплуатации.
При наплавке посредством сварки плавлением образуется ванна жидкого металла, в состав которого входят части расплавленного металла изделия и наплавляемый электродный металл. Таким образом, металл электрода оказывается разбавленным металлом изделия. При восстановлении изношенных деталей, если не требуется повышение их износостойкости или других свойств, применяют электроды и присадочную проволоку состава, обеспечивающего получение наплавленного металла, аналогичного или близкого к составу металла изделия. Если же по эксплуатационным требованиям необходимо увеличить износостойкость, жаростойкость и другие свойства, применяют разнообразные легированные электроды и проволоку, которые с учетом частичного разбавления наплавляемого металла обеспечивают образование поверхностного слоя нужного качества. Кроме повышенного легирования используют технологические приемы снижения доли основного металла в наплавке, в частности уменьшают энергию сварки (наплавка на малых токах), увеличивают поперечные колебания электрода.
Существует другой способ устранения доли основного металла в составе наплавленного. Для этого нагрев основного металла при наплавке не доводят до его расплавления, а только до температуры смачивания. Расплавляемый электродный металл растекается по поверхности нагретой детали, доведенной до температуры смачивания, и между ними образуются химические связи. Несмотря на кажущуюся эффективность этого способа, он не нашел широкого применения вследствие ненадежности обеспечения прочных химических связей между наплавляемым металлом и деталью. В промышленности широко применяют первый способ восстановительной наплавки и наплавки слоев с особыми свойствами путем расплавления основного и наплавляемого металла, но с необходимыми ограничениями доли основного металла.
Технология восстановления деталей наплавкой
... и удобством управления. 2. ВОССТАНОВЛЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ СВАРКОЙ И НАПЛАВКОЙ Сварка является весьма прогрессивным и высокопроизводительным способом обработки металла. В ремонтном производстве широкое распространение получили как механизированные способы электродуговой сварки и наплавки (автоматическая и полуавтоматическая сварка и наплавка ... деталей и сборочных единиц, материалов и комплектующих изделий и ...
При ручной дуговой наплавке применяют следующие способы наплавки: специальными электродами; порошкообразных металлических смесей угольной или графитизированной дугой; в среде аргона специальной наплавочной проволокой.
1. Техника и технология наплавочных работ
легирование наплавка металл сварка
1.1 Характеристика способов наплавки
v Ручная дуговая наплавка покрытыми электродами
v Дуговая наплавка под флюсом проволоками и лентами
v Дуговая наплавка в защитных газах вольфрамовыми (неплавящимися) и проволочными металлическими (плавящимися) электродами
v Дуговая наплавка самозащитными порошковыми проволоками
v Электрошлаковая наплавка
v Плазменная наплавка
v Лазерная наплавка
v Электронно-лучевая наплавка
v Индукционная наплавка
v Газопламенная наплавка
Ручная дуговая наплавка.
Ручная дуговая наплавка может выполняться следующими способами:
- металлическим электродом, обеспечивающим заданные свойства наплавленного слоя;
- порошковыми сплавами угольной дугой.
Первый способ значительно производительней, технологичней и поэтому применяется в производстве значительно шире, чем второй.
В процессе наплавки (под действием неравномерного нагрева детали и усадки наплавляемого металла) в детали возникают значительные внутренние напряжения, которые в ряде случаев вызывают коробление детали или возникновение трещин в наплавляемом слое и основном металле. Рациональный технологический процесс может значительно снизить эти коробления.
К мероприятиям, снижающим коробление, относятся:
- предварительный нагрев изделия до температуры 200—400°;
- предварительный изгиб детали в направлении, обратном ожидаемому;
- ведение наплавки детали, погруженной в воду, без замачивания наплавляемой поверхности (особенно рекомендуется для изделий из стали Г13);
- уравновешивание короблений симметричным расположением валиков;
- ведение наплавки детали, жестко закрепленной в кондукторе или в специальном приспособлении. В этом случае деталь может быть извлечена из приспособления только после полного охлаждения;
- правильное распределение наплавляемого металла по участкам, например наплавка тел вращения по спирали, разбивка больших поверхностей на отдельные участки, наложение валиков с обратной стороны наплавляемой детали.
На рис.1 показаны схемы наплавки деталей;
- высокотемпературный отпуск после наплавки с нагревом до 650° для снятия внутренних напряжений. Такая термообработка рекомендуется для деталей ответственного назначения, работающих при знакопеременных нагрузках.
Наплавка зернистыми сплавами. Зернистые сплавы — сталинит, вокар и др. — насыпают на наплавляемую поверхность слоем 3—6 мм. Сплав расплавляют сварочной дугой, горящей между неплавящимся угольным или графитовым электродом и слоем сплава на детали. Этот способ рекомендуется для наплавки небольших поверхностей с высокой твердостью. Например, сплавом вокар наплавляют буровой инструмент для глубокого бурения нефтяных скважин. Наплавку ведут постоянным током прямой полярности. Диаметр графитового или угольного электрода 8—16 мм, сварочный ток 200—400 а. Схема наплавки показана на рис. 2
Газопламенная наплавка
... наплавки на переменном и постоянном токе. 3. Технология дуговой наплавки Дуговая наплавка под флюсом. Нагрев и плавление металла, как и при сварке, происходит за счет тепла дуги, горящей между плавящимся электродом ... Шлаковая корка удовлетворительно отделяется при нагреве детали до температуры не свыше 450° С. Флюс АН-28 рекомендуется для наплавки высокохромистых чугунов (тип G), он безмарганцевый ...
Рис. 1. Схемы выполнения наплавки: а — наплавка вала по образующей, б — наплавка вала по спирали горизонтальным швом на вертикальной плоскости, в — наплавка вращающегося вала по спирали горизонтальным швом в нижнем положении, г — наплавка ручьев прокатных валков разных типов.
Рис. 2. Схема наплавки режущей кромки ножа зернистым сплавом угольным электродом: 1 — графитовая или медная подкладка, 2— слой зернистого сплава, 3 — угольный электрод, 4 — наплавляемая деталь
Электрошлаковая наплавка (ЭШН)
Различают наплавку с принудительным (ЭШН в водоохлаждаемых кристаллизаторах и формирующих устройствах) и свободным (ЭШН лентами) формированием наплавляемого слоя. По начальной стадии электрошлакового процесса различают «твердый» старт (наведение шлаковой ванны происходит непосредственно в зоне наплавки) и «жидкий» старт (в полость кристаллизатора заливают заранее приготовленный шлак).
Сущность ЭШН с принудительным формированием наплавляемого слоя заключается в следующем. В шлаковую ванну, находящуюся в полости, образованной наплавляемой поверхностью и водоохлаждаемым кристаллизатором, подается электродный присадочный материал. Ток, проходя между электродом и наплавленным металлом через жидкий шлак, разогревает его до высокой температуры, достаточной для расплавления подаваемого присадочного материала (от 1650 до более, чем 2000 градусов цельсия) и оплавления поверхности изделия. Расплавленный металл опускается на дно шлаковой ванны и, кристаллизуясь, образует наплавленный слой.
В качестве присадочного материала используются один или несколько электродов из сплошных или порошковых проволок, ленты, пластинчатые электроды большого сечения, плавящиеся мундштуки и композиционные проволоки. При использовании неплавящихся (графитовых, вольфрамовых) электродов возможно применение электронейтральных некомпактных присадочных материалов: дроби, жидкого металла.
При ЭШН композитных покрытий в шлаковую ванну сыпят сверху гранулированный твёрдый сплав, температура плавления которого выше температуры плавления металла-связки, необходимость применения которого обусловлена недопустимостью вторичного расплавления некоторых твёрдых сплавов, из-за чего наплавка монопокрытий из таких материалов невозможна. Твёрдость и износостойкость обеспечивается частицами твёрдого сплава, а металл-связка держит их на поверхности детали.
Плазменная наплавка
Технология
Плазмой называется высокотемпературный сильно ионизированный газ, состоящий из молекул, атомов, ионов, электронов, световых квантов и др. При дуговой ионизации газ пропускают через канал и создают дуговой разряд, тепловое влияние которого ионизирует газ, а электрическое поле создает направленную плазменную струю. Газ может ионизироваться также под действием электрического поля высокой частоты. Газ подается при давлении в 2 …3 атмосферы, возбуждается электрическая дуга силой 400 … 500 А и напряжением 120 … 160 В Ионизированный газ достигает температуры 10 … 18 тыс. С, а скорость потока — до 15000 м/сек. Плазменная струя образуется в специальных горелках — плазмотронах . Катодом является неплавящий вольфрамовый электрод.
Наплавка уплотнительных поверхностей арматуры
... деталь арматуры — клин. Клин — запирающий элемент задвижки. При прокручивании штока клин перемещается в корпусе задвижки перпендикулярно потоку рабочей среды. В закрытом состоянии клин герметично прилегает с уплотнительными поверхностями ...
В зависимости от компоновки различают:
1. Открытую плазменную струю (анодом является деталь или пруток).
В этом случае происходит повышенный нагрев детали. Используется эта схема для резки металла и для нанесения покрытий.
2. Закрытую плазменную струю (анодом является сопло или канал горелки).
Хотя температура сжатой дуги на 20 …30% в этом случае выше, но интенсивность потока ниже, т. к. увеличивается теплоотдача в окружающую среду. Схема используется для закалки, металлизации и напыления порошков.
3. Комбинированная схема (анод подключается к детали и к соплу горелки).
В этом случае горят две дуги. Схема используется при наплавке порошком.
Плазменную наплавку металла можно реализовать двумя способами:
1. Струя газа захватывает и подает порошок на поверхность детали;
2. В плазменную струю вводится присадочный материал в виде проволоки, прутка, ленты.
В качестве плазмообразующих газов можно использовать аргон, гелий, азот, кислород, водород и воздух. Наилучшие результаты наплавки получаются с аргоном и гелием.
Достоинствами плазменной наплавки являются:
1. Высокая концентрация тепловой мощности и минимальная ширина зоны термического влияния.
2. Возможность получения толщины наплавляемого слоя от 0,1 мм до нескольких миллиметров.
3. Возможность наплавления различных износостойких материалов (медь, латунь, пластмасса) на стальную деталь.
4. Возможность выполнения плазменной закалки поверхности детали.
5. Относительно высокий КПД дуги (0.2 …0.45).
6. Малое (по сравнению с другими видами наплавки) перемешивание наплавляемого материала с основой, что позволяет достичь необходимых характеристик покрытий.
Поверхность детали необходимо готовить к наплавке более тщательно, чем при обычной электродуговой или газовой сварке, т. к. посторонние включения уменьшают прочность наплавленного слоя. Для этого производится механическая обработка поверхности (проточка, шлифование, пескоструйная обработка..), иногда обезжиривание. Мощность электрической дуги подбирают такой, чтобы сильно не нагревалась деталь, и чтобы основной металл был на грани расплавления.
Применение
Плазменная наплавка широко применяется для защиты от высокотемпературного износа формокомплектов стекольной промышленности, для защиты от коррозии и износа деталей запорной и запорно-регулирующей арматуры, для упрочнения поверхности деталей, работающих при высоких нагрузках.
Лазерная наплавка
Лазерная наплавка — эффективный метод восстановления старых или повышения прочности новых деталей машин и механизмов, при помощи создания на поверхности изделия плакирующего слоя из порошкового материала, с проплавлением его посредством лазерного луча.
Технология
Существующие технологии наплавки, которые широко используются в инструментальном производстве (электроискровой и микроплазменный методы, наплавка штучными электродами) не в полной мере удовлетворяют современным требованиям ремонтного производства.
Дипломная работа дуговая наплавка
... водорода, создает местные внутренние давления, облегчающие возможность образования микротрещин. Применение специальных присадочных проволок ... вспомогательного оборудования [1]. Основной целью данного дипломного проекта является разработка технологии и оборудования ... работы сварщика становятся весьма тяжелыми; все это делает технологический процесс нестабильным. Снижение содержания водорода в металле ...
Луч импульсного лазера обладает наибольшим коэффициентом сосредоточенности сварочного источника энергии, поэтому диаметр сфокусированного луча лазера d составляет 0,2?0,3 мм, что позволяет минимизировать объемы расплава и соответственно уменьшить тепловложения в обрабатываемый материал. Восстановительная наплавка применяется для получения первоначальных размеров изношенных или поврежденных деталей. В этом случае наплавленный металл близок по составу и механическим свойствам основному металлу.
Преимущества лазерной наплавки
v дозируемая энергия;
- v возможность локальной обработки поверхности;
- v отсутствие термических поводок, минимизация зоны термического влияния (ЗТВ);
- v возможность обработки деталей больших габаритов благодаря высокой производительности наплавки;
- v быстрый нагрев и остывание наплавляемого материала;
- v образуемая ультрадисперсная структура покрытия эффективно противостоит процессам коррозии и эрозии;
- v возможность обработки на нужную глубину;
- v минимальное перемешивание основного и наплавляемого материала.
Применение
Лазерная наплавка применяется в случае, если ЗТВ должна быть минимальной. Такой обработке подвергаются крестовины карданного вала (жесткий допуск на перпендикулярность осей) и рубашки вала (тонкостенная).
Кроме того, лазерная наплавка может использоваться для обработки особо подверженных износу деталей с большими габаритами.
1.2 Общая характеристика процесса наплавки
Одной из важных отраслей современной сварочной техники является наплавка — нанесение расплавленного металла на поверхность изделия, нагретую до оплавления или до температуры надежного смачивания жидким наплавленным металлом.
Наплавленный металл связан с основным металлом весьма прочно и образует одно целое с изделием. Толщина слоя от 0,5 до 10 мм и более. Это один из наиболее распространенных способов повышения износостойкости и восстановления деталей и конструкций.
Наплавка позволяет создавать биметаллические изделия, у которых высокая прочность и низкая стоимость сочетаются с большой долговечностью в условиях эксплуатации. Многократное повторное восстановление изношенных деталей во много раз уменьшает расход металла для изготовления запасных частей оборудования.
Путем наплавки на рабочей поверхности изделия получаем сплав, обладающий комплексом свойств — износостойкостью, кислотоупорностью, жаростойкостью и т.д. Масса наплавленного металла не превышает нескольких процентов от массы изделия.
При ремонте восстанавливаются первоначальные размеры и свойства поверхности деталей.
Увеличение стойкости важно, если от нее зависит работа того или иного агрегата, а его замена связана с простоем.
Дуговая наплавка в отличие от сварки развивалась гораздо медленнее. Ручная износостойкая наплавка открытой дугой известна с 20-х годов прошлого столетия, но ее промышленное применение ограничивалось коренными ее недостатками: низкой производительностью, высококвалифицированной рабочей силой, тяжелыми условиями труда, непостоянным качеством наплавленного металла, обилием различных дефектов.
Для наплавки наибольшее применение получила дуговая сварка плавящимся электродом.
Требования к качеству наплавленного металла строже чем к сварным швам. Наплавленный металл по свойствам должен существенно отличаться от основного металла. Часто в нем недопустимы поры, трещины и иные пороки, поэтому требования к нему строже, чем к сварным швам.
Дуговая наплавка под флюсом
... обнажаться и наплавленный металл становится некачественным. Загиб электрода может повлечь за собой обрыв дуги и прекращение процесса наплавки. Обычно вылет для всех размеров и составов лент ... способом невозможна. Таблица 1 Примеры промышленного применения наплавки ленточными электродами в зависимости от назначения наплавленного слоя Назначение наплавки Материал ленты Марка флюса Защита от коррозии и ...
Автоматическая наплавка свободна от перечисленных недостатков и способствовала успешному ее внедрению.
Механизированная наплавка — это непрерывность процесса, которая достигается использованием электродной проволоки или ленты в виде больших мотков; в подводе тока к электроду на минимальное расстояние от дуги, что позволяет применять токи большой силы без нагрева электрода; в применении различных способов защиты расплавленного металла от вредного воздействия воздуха.
Оптимальный состав наплавленного металла должен быть выбран с учетом особенностей его эксплуатации, а электродная проволока, флюс, термический режим наплавки — так, чтобы наплавленный металл обладал необходимым химическим составом и физическими свойствами.
Процессы наплавки применяются при ремонте и восстановлении первоначальных размеров и свойств изделий, изготовлении новых изделий с целью обеспечения надлежащих свойств конкретных поверхностей. При восстановлении наплавку обычно выполняют тем же металлом, из которого изготовлено изделие, однако это не всегда целесообразно. Иногда необходимо получить металл, отличающийся от металла детали, так как условия эксплуатации поверхностных слоев могут значительно отличаться от условий эксплуатации всего изделия. Изготовление изделия целиком из металла, который обеспечивает эксплуатационную надежность работы его поверхностей не экономно. Целесообразно изготавливать изделие из более дешевого, но достаточно работоспособного металла и только на поверхностях, работающих в особых условиях, иметь по толщине необходимый слой другого материала (применять биметалл).
Это может быть достигнуто: поверхностным упрочнением (поверхностная закалка, электроискровая и другие виды обработки); нанесением тонких поверхностных слоев значительной толщины на поверхность (на низкоуглеродистую сталь нанесением бронзы, коррозионностойкой стали)
1.3 Основные способы легирования наплавленного металла при дуговой и электрошлаковой наплавке
Специальные свойства наплавленного металла достигаются за счет легирования, то есть, за счет введения в его состав соответствующих элементов в необходимом количестве. Наиболее распространенным является легирование наплавленного металла за счет введения в зону дуги металлов, сплавов и неметалловидных соединений в виде различных карбидов и интерметаллов.
При дуговой наплавке плавящимся или неплавящимся электродом, в среде защитных инертных газов, плазменной электрошлаковой наплавке химический состав наплавленного металла по всем основным легирующим элементам примерно соответствует химическому составу электродного материала. Дополнительного устойчивого легирования наплавленного металла в результате металлургических взаимодействий наплавляемого металла с газовой фазой (например, азотом или кислородом, которые можно добавлять к инертному газу, как правило, аргону) обычно достичь не удается.
Применение в качестве плавящегося электрода ленты весьма целесообразно. При этом уменьшается ? 0 (меньшее число слоев позволяет получить желаемый состав), ослабляется влияние режима наплавки на относительную массу переплавляемого шлака, достигается более ровная наплавленная поверхность. В качестве наплавочных применяют обычно холоднокатаные ленты толщиной 0,4.10 мм и шириной 20 .100 мм, а также ленты, получаемые прокаткой залитого в охлаждаемые валки жидкого металла (например, чугуна) и спрессованные холодной прокаткой из порошков и дополнительно спеченные — металлокерамические.
Наплавка валиков
... наплавочного материала для первого слоя коррозионно-стойкой наплавки с учетом влияния основного металла на состав наплавленного слоя. При наплавке углеродистых и низколегированных сталей вероятность образования ... (при постоянных скорости наплавки и напряжении) возрастают объем жидкой ванны и площадь проплавления металла, что приводит к увеличению высоты наплавленного валика. Однако при дальнейшем ...
При всех вышеуказанных методах легирования изменение параметров процесса наплавки влияет на уровень легирования наплавленного металла. Характер и величина изменения уровня легирования зависит от электродного металла и флюса. Возможность получения необходимого состава определяется исходной концентрацией элементов и степенью усвоения этих элементов металлом на стадиях капли и ванны.
Весьма разнообразные составы наплавленного металла могут быть получены посредством порошковых проволок, изготовляемых из низкоуглеродистой ленты и сердечника, состоящего из смеси металлических порошков или смеси металлических порошков и газошлакообразующих веществ.
Основной особенностью легирования металла при наплавке порошковой проволокой является внутреннее, относительно электродного металла, расположение легирующих компонентов в сердечнике проволоки. Взаимодействие металлических присадок с окислительными компонентами шихты протекает менее интенсивно, а шихта сердечника контактирует с металлом оболочки слабее, чем при наплавке покрытыми электродами.
Реализация процесса прямого легирования требует введения в ванну необходимого количества раскислителей и окислов легирующих элементов и может привести к снижению температуры капель и ванны, замедления и нарушения хода металлургических реакций и неравномерного распределения элементов в валике. При введении экзотермической смеси в состав сердечника порошковой проволоки появляется возможность равномерного расплавления оболочки и сердечника. Благодаря теплу экзотермической реакции, конвективному теплообмену с ванной, а также излучению осуществляется расплавление сердечника и предотвращается переход его твердых частиц в ванну.
При дуговой наплавке плавящимся или неплавящимся электродом, в среде защитных инертных газов, плазменной, электрошлаковой наплавке химический состав наплавленного металла по всем основным легирующим элементам примерно соответствует химическому составу электродного материала. Дополнительного устойчивого легирования наплавленного металла в результате металлургических взаимодействий наплавляемого металла с газовой фазой (например, азотом или кислородом, которые можно добавлять к инертному газу, как правило, аргону) обычно достичь не удается.
При использовании дуги с неплавящимся электродом (угольным без защиты от воздуха или вольфрамовым с защитой инертными газами) легирование обеспечивается в основном только наплавляемым материалом и его перемешиванием с основным металлом. При ручном процессе можно применять стержни из проволок сплошного сечения (согласно ГОСТ 10543-75 или 2246-70 или другого состава), литые прутки из недеформируемых сплавов (высокохромистый чугун — сормайт, а также кобальтовые стеллиты типа В3К и др.); порошковые присадки (трубка с сердечником из твердых термически стойких карбидов — ликар), а также порошкообразные (размером 100…750 мкм) и зернистые наплавочные материалы (сталинит — смесь феррохрома, ферромарганца, чугунной стружки и нефтяного кокса).
Технология наплавки твердыми сплавами
... придания специальных свойств (твердости, антикоррозионности, износоустойчивости и т. д.). Наплавка может выполняться металлическими штучными электродами, стальной наплавочной проволокой (лентой) и твердыми сплавами. Твердыми сплавами называют сплавы карбидо- и боридообразующих металлов - хрома, марганца, ...
В ряде случаев механизированной наплавкой аргонодуговым методом вольфрамовым электродом можно расплавлять уложенные на место наплавки заготовки наплавочного материала, выполненного в виде литья или из прессованных порошков. При достаточно хорошо подобранном режиме наплавки такая наплавочная заготовка (брикет, кольцо и пр.), расплавляясь, нагревает лежащую под жидким металлом поверхность до оплавления, в результате чего расплав соединяется с основным металлом.
По такой схеме можно получать наплавленные слои любой композиции, хотя при этом необходимо учитывать и возможность образования трещин в слое или по зоне сплавления. В качестве присадки при аргонодуговой наплавке можно использовать спеченные из порошков прутки.
Аналогично получается соединение и при плазменной наплавке при горении дуги на проволоке из наплавляемого сплава (например, медной или бронзовой).
В этом случае перегретый металл расплавленной проволоки осуществляет необходимую тепловую подготовку к оплавлению поверхности, не включенной в цепь дуги наплавляемой детали.
Имеются плазмотроны, в которых через дугу, горящую между электродом и соплом плазмотрона, вдувается мелкий порошок (обычно с размером частиц до 100 мкм) наплавляемого материала. Он расплавляясь, перегревается до необходимой температуры и, поступая на наплавляемую поверхность в виде капель, приводит к оплавлению основного металла и установлению металлической связи (свариванию) наплавляемого металла с основным. Возможности регулирования химического состава наплавляемого металла при таких способах очень широки.
При наплавке плавящимся электродом в углекислом газе приходится считаться с потерями легирующих элементов за счет их окисления.
Легирование наплавленного металла достигается в основном выбором соответствующего присадочного металла (электродная проволока сплошного сечения, порошковая и др.).
Или применением дополнительных наплавочных материалов (паст, перед наплавкой наносимых на кромки; присадочных прутков, порошков, засыпаемых на поверхность перед наплавкой или вдуваемых в сварочную ванну; дополнительных проволок, прутков, укладываемых на поверхность или подаваемых в сварочную ванну и др.).
Наплавка электродами, имеющими специальные покрытия, позволяет получать довольно значительное легирование через составляющие электродного покрытия (обычно вводимые в покрытия в виде порошков металлов, сплавов или углеродистых составляющих) или посредством выбора состава металлического стержня электрода.
Переход легирующих элементов из стержня и покрытия электрода зависит от свойств элемента (его сродства к кислороду, температуры испарения и др.), от композиции электродного покрытия металла стержня электрода, а также от коэффициента массы покрытия. Варьируя составы электродного стержня, количество и состав покрытия, можно получить множество составов наплавленного металла, легированных различными элементами и, следовательно, обладающими различными свойствами в исходном состоянии после наплавки или после последующей термообработки.
При наплавке покрытыми электродами состав наплавленного металла весьма незначительно зависит от режима наплавки (главным образом усиливается выгорание углерода при значительном увеличении силы сварочного тока и напряжения дуги).
Наплавка покрытий — сущность, специфика и современные методы
... металла, что не обеспечивает требуемой твердости наплавленного металла. Правильный выбор температуры предварительного нагрева особенно важен при наплавке твердых материалов. Наиболее интересными для проводимого исследования являются следующие виды наплавки: плазменная наплавка, электромагнитная наплавка, лазерная наплавка. ...
Таким образом, в различных случаях при наплавке необходимо комплексно решать ряд сложных вопросов: выбор материала, обеспечивающего свойства соответствующие условиям эксплуатации; возможность наплавки этого материала непосредственно на основной металл детали или подбор материала для наплавки подслоя; выбор способа и режима наплавки, формы и методов изготовления наплавочных материалов; выбор термического режима для выполнения наплавки (сопутствующий подогрев для исключения хрупких подкаленных зон в металле детали); интенсификации охлаждения наплавляемой детали, когда для детали нежелательно длительное пребывание при высоких температурах; установление необходимости последующей термообработки (общей или местной) для получения необходимых эксплуатационных характеристик.
При наплавке мартенситных и аустенитных сталей на низкоуглеродистые или низколегированные возможно образование хрупких прослоек промежуточных составов и возможны хрупкие разрушения, образование трещин, отслаивание слоя от основного металла (при наплавке медных сплавов на ряд сталей).
Поэтому применяется усложненная технология наплавки — предварительно наплавляется подслой из другого наплавочного материала, а затем тот материал, который требуется на поверхность наплавляемой детали по условиям ее надежной эксплуатации. Такой подслой ограничивает развитие диффузионных прослоек, обезуглероживание в углеродистой стали и появление карбидной прослойки в более легированной аустенитной стали возле линии сплавления.
1.4 Выбор состава наплавленного металла
Современная сварочная техника использует для наплавки сплавы весьма различного состава. Наплавленный металл можно классифицировать по разным признакам: структуре, химическому составу, назначению и т. п. В табл.1. приведен проект классификации наплавленного металла по химическому составу, предложенный Международным институтом сварки (МИС).
Каждому типу наплавленного металла соответствует много конкретных составов металла. Наиболее важные из них рассмотрены ниже.
Таблица.1.
Для характеристики наплавленного металла данных только о химическом составе и твердости недостаточно. В зависимости от скорости охлаждения, режима термообработки и, наконец, от ориентации первичных кристаллитов по отношению к разрушающим нагрузкам наплавленный металл одного и того же химического состава обладает разной работоспособностью.
Тип наплавленного металла выбирают на основе анализа условий службы рабочих поверхностей наплавляемой детали. Поэтому важнейшим свойством наплавленного металла является способность его сопротивляться определенным видам изнашивания. Однако пока не существует стандартных методов определения износостойкости материалов, подобных тем, при помощи которых определяют такие характеристики, как предел прочности, ударную вязкость, твердость и т. п. Изнашивание как процесс постепенного изменения размеров детали очень чувствителен к изменению условий внешнего воздействия, т. е. к условиям испытаний. Поэтому в литературе по вопросам износостойкости различных материалов содержится большое количество несопоставимых и противоречивых данных. Кроме того, условия службы различных деталей весьма разнообразны, часто одна и та же деталь подвергается одновременно нескольким видам изнашивания.
2. Разработка технологического процесса наплавки конструкции
2.1 Материалы, применяемые при наплавке
Порошковый электрод представляет собой стержень из порошковой проволоки, имеющий толстое основное покрытие. На свойства и состав наплавленного металла влияют изменения состава порошкового наполнителя. Порошковые электроды более производительные, чем стержневые. Они имеют коэффициент наплавки 11— 12 г/(А-ч).
Под коэффициентом усвоения понимают отношение содержания легирующего элемента в наплавленном металле к содержанию того же элемента в наплавляемом материале. При наплавке порошковым электродом коэффициент усвоения для марганца 0,8, а для углерода 0,9.
При наплавке порошковым электродом создается защита легирующих элементов за счет относительно более быстрого плавления наполнителя по сравнению со скоростью плавления оболочки электрода.
Наплавку высоколегированных сталей рекомендуется вести под низколегированными флюсами ФЦЛ-2 и АН-20, под безкислородными флюсами БКФ-1, БКФ-2 и под флюсами 48-ОФ-7 и АН-70. Коэффициент плавления ленточного электрода на 20—30 % выше той же характеристики обычного электрода.
Холоднокатаную ленту выпускают шириной 20—100 мм и толщиной 0,4—1 мм. Используя порошковую ленту, можно в широких пределах изменять химический состав наплавленного металла за счет изменения состава шихты ленты.
Сплавы, применяемые для дуговой наплавки, можно подразделить на литые (сормайт) порошкообразные или зернистые (вокар); плавленые карбиды и спеченные (карбиды вольфрама и титана).
Для ручной и механизированной наплавки выпускают большое количество различных наплавочных материалов (проволок, лент, электродов, флюсов и др.) различных химических составов и свойств. При выборе наплавляемого металла учитывают химический состав металла наплавляемой детали, условия работы, характер и вид нагрузки, износ, требуемую износостойкость.
Особое внимание при наплавке под флюсом уделяют свойствам флюсов: способствуют ли они формированию наплавленного металла, стабильности горения дуги, какой склонностью обладают к образованию пор в наплавленном металле, какие содержат легирующие элементы и др.
2.2 Выбор режимов наплавки
Выбор режимов наплавки зависит от толщины наплавленного слоя.
Выбор наплавочных материалов производится исходя из требований, предъявляемых к металлу трущихся поверхностей в зависимости от вида изнашивания. Например, для условий абразивного изнашивания требуется высокая твердость наплавленного металла, которая обеспечивается использованием наплавочных материалов с повышенным содержанием углерода, хрома, марганца, вольфрама.
Для условий коррозионного изнашивания коррозиостойкость достигается легированием металла хромом в количестве больше 12% (нержавеющие стали).
Выполнение наплавочных работ осуществляется различными способами, основными из которых являются ручная дуговая наплавка, автоматическая дуговая наплавка под флюсом, наплавка в среде углекислого газа, вибродуговая, плазменная и газовая наплавка.
Ручная дуговая наплавка применяется при индивидуальном способе выполнения ремонтных работ.
Для восстановления деталей типа валов, работающих при нормальных условиях, рекомендуются электроды ОЗН 400, обеспечивающие твердость НВ 375—425 без термической обработки.
Наплавка деталей, работающих при коррозионном изнашивании, выполняется электродами ЦН-6М, химический состав наплавленного металла 08 х 17 Н8 С6 Г или ЦН-5 (24 х 12)
Для деталей, работающих в условиях абразивного износа, рекомендуются электроды Т-590 (Э-320 х 25 С2ГР).
Режимы наплавки указываются на пачках электродов.
Для наплавки могут применяться и сварочные электроды, но механические свойства наплавленного металла низкие.
2.3 Техника и технология наплавки конструкции
Техника наплавки предусматривает наложение ниточных валиков с перекрытием предыдущего валика на 1/3 его ширины или валиков с поперечными колебаниями электрода.
Покрытые электроды. ГОСТ 10051—75 предусматривает 25 типов электродов, обеспечивающих твердость наплавленного слоя от 25 до 62 HRC. Стандарт устанавливает химический состав наплавленного металла и соответствующее обозначение электрода каждого типа, например ЦН-5-ЗН-20Х12-40-5,0 расшифровывается так: ЦН-5 — марка электрода; ЭН — электрод наплавочный; 20X12-40-5,0 обозначает содержание в наплавке в среднем 0,20% углерода, 12%, хрома; 40 HRC— твердость; 5,0 —диаметр стального стержня в мм.
Если в обозначении электрода стоит буква. У, то цифра после нее обозначает содержание углерода в наплавке в десятых долях процента. Например, ЭН-УЗХ23Р2С2ТГ-55 означает, что наплавленный металл содержит 0,3% углерода, 23% хрома, 2% бора, 2% кремния, титана и марганца до 1 % каждого, твердость 55 HRC.
Флюсы. Для автоматической и полуавтоматической наплавки применяются те же флюсы, что и для сварки. Наиболее распространены плавленые флюсы АН-348-А, ОСЦ-45, АН-60, АН-20, 48-ОФ-6, АН-26, АН-15М, АН-8, АН-25.
Для наплавки аустенитных хромоникелевых сталей применяют флюс АН-26. Для наплавки высокохромистых чугунов рекомендуется флюс АН-28. Наплавку электрошлаковым способом целесообразно выполнять с флюсами АН-8, АН-25.
При наплавке используются также керамические флюсы. Например, наплавку проволокой Св-08 и Св-08А колес мостовых кранов, опорных катков, роликов, натяжных колес гусеничных тракторов ведут с флюсом АНК-18. Флюс АНК.-19 применяют для наплавки рабочих кромок бульдозеров, скреперов и грейдеров. Керамические флюсы позволяют получать наплавленный металл Повышенной износостойкости при использовании низкоуглеродистой проволоки.
Порошковая проволока и лента. Порошковая проволока, представляющая собой оболочку из мягкой ленты, заполненную легирующими компонентами, заменяет дорогостоящую легированную проволоку. Сведения о порошковой проволоке приведены в гл. V. Применяется для наплавки также порошковая лента.
Порошковой проволокой можно наплавлять изделия под флюсом, в защитных газах и открытой дугой. В настоящее время разработано большое количество марок порошковой проволоки, например ПП-АН120, ПП-АН121, ПП-АН122 — для наплавки под флюсом деталей машин из углеродистых сталей, ПП-АН105 — для наплавки высокомарганцовистых сталей, ПП-АН170 — для наплавки высокохромистых сталей. Промышленностью выпускаются порошковые ленты ПЛ-АН101, ПЛ-АН102 — универсальные, предназначенные для наплавки, как под флюсом, так и открытой дугой.
При дуговой наплавке порошковой проволокой применяют токи меньшей величины, чем для сварки. В этом случае глубина проплавления металла изделия снижается, и наплавочный материал меньше перемешивается с основным, в результате чего твердость наплавленного металла возрастает. Литые прутки для наплавки. Для наплавки в защитной среде аргона или газокислородным пламенем выпускаются литые прутки диаметром 6—8 мм и длиной до 400 мм.
Литые прутки также идут на изготовление покрытых электродов для ручной дуговой наплавки, например, марки ГН-1 со стержнем из сплава сормайт (для ремонта и изготовления быстроизнашивающихся деталей горячих центробежных насосов, деталей засыпных аппаратов доменных печей, арматуры для нефтепродуктов); марки ЦН-2 со стержнем из стеллита ВЗК (для сварки арматуры котлов высоких параметров).
Химический состав литых прутков приведен в табл. 48.
Зернистые (порошкообразные) сплавы. Сталинит М приготовляется перемешиванием порошков углеродистого феррохрома, ферромарганца и нефтяного кокса с чугунной стружкой. Эту смесь используют для наплавки ножей бульдозеров, козырьков ковшей экскаваторов и др. Твердость наплавки сталинитом составляет не менее 52 HRC,
Вокар — зернистая смесь измельченного вольфрама и продукта прокалки сахара (углерода) применяется для наплавки бурового инструмента. Твердость первого слоя — 50—58 и второго слоя 61-63 HRC.
В исхом — дешевый сплав, состоящий из 5% феррохрома, 15% ферромарганца, 74% чугунной стружки и 6% графита. Широко Применяется в сельскохозяйственном машиностроении для наплавки лемехов, дисков, зубьев борон и т. д. Твердость наплавки 250— 320 НВ.
Боридная порошковая смесь БХ (50% боридов хрома и 50% железного порошка) создает твердость 82—84 HRA.
Карбидо-боридная порошковая смесь КБХ (5% карбида хрома, 5% борида хрома, 60% феррохрома, 30% железного порошка) нашла большее применение, чем смесь БХ.
Газокислородную наплавку часто применяют для белых чугунов (например, БЧ, ХЧ ГОСТ 2671—70), при этом твердость наплавленного слоя достигает 45—50 HRC. Газокислородную наплавку твердыми порошковыми сплавами ранее применяли редко из-за раздувания порошка пламенем горелки. В настоящее время для наплавки разработаны наплавляемые порошки ПГ-ХН80СР-2, ПГ-ХН80СР-3, не раздуваемые пламенем.
Наплавка производится горелкой ГАЛ-2-69 конструкции ВНИИ — автогенмаш. За один проход пламени наносится слой толщиной не более 1 мм. По производительности процесс порошковой наплавки не уступает наплавке прутковыми материалами.
Широкое применение в промышленности получила газокислородная наплавка латуни на стальные и чугунные изделия. Для наплавки латуни используются флюсы тех же марок, что и для сварки. Наплавка может быть как однослойной, так и многослойной.
3. Механизация наплавочных процессов
3.1 Применение и устройство шланговых полуавтоматов
Разработано много универсальных и специализированных аппаратов для полуавтоматической сварки. Как правило, каждый из них содержит отдельно расположенный механизм подачи (рис. 3 ) с катушкой для электродной проволоки, сравнительно длинный гибкий направляющий шланг с горелкой, которую сварщик перемещает вдоль шва, и источник питания (на рисунке не показан).
Рис.3 Принципиальная схема шлангового полуавтомата толкающего типа: 1 — катушка, 2 — механизм подачи, 3 — прижимной ролик, 4 — гибкий направляющий шланг, 5 — горелка, 6 — мундштук, 7 — подающий ролик, 8 — проволока
Электродная проволока, зажатая между прижимным и подающим роликами, вращаемыми приводом, сматывается с катушки и проталкивается через шланг и мундштук в зону сварки. Полуавтомат, в котором электродная проволока проталкивается через гибкий направляющий шланг, принято называть полуавтоматами «толкающего» типа. Хорошая маневренность полуавтомата достигается малыми размерами и массой горелки и достаточной длиной и гибкостью направляющего шланга.
Рис. 4 Горелка с шлангом для полуавтоматической сварки в СО 2
Гибкий направляющий шланг (рис. 4) содержит спираль или трубку, заключенную в оболочку, которая препятствует продольному растяжению шланга, и наружный изоляционный слой, исключающий замыкание электродной проволоки на массу. С гибким направляющим шлангом связана горелка — рабочий орган шлангового полуавтомата (иногда называется электрододержателем).
Она подводит сварочный ток к электродной проволоке, направляет ее в зону дуги и вводит защитный газ, или флюс. Сварочный ток подводится к горелке проводом. Электродная проволока в горелке проталкивается через мундштук и контактирующий наконечник. Наконечник обеспечивает постоянство точки подвода тока к электроду.
4.Технико-экономические показатели наплавочных процессов
4.1 Контроль качества наплавленного металла
Наплавленные детали подвергают неразрушающим или разрушающим методам контроля.
Неразрушающие методы контроля качества наплавленного металла.
Применяются следующие методы неразрушающего контроля:
- v визуальный контроль для определения качества формирования наплавленного металла, наличия трещин, отколов, свищей и других дефектов, выходящих на поверхность наплавленного металла;
- v люминесцентный или цветной контроль, с целью выявления дефектов выходящих на поверхность наплавленного металла, но не выявляемых визуально;
- v магнитный контроль для выявления дефектов на поверхности и на небольшой глубине под поверхностью наплавленного металла;
- v ультразвуковой контроль, гамма — и рентгенодефектоскопия для выявления дефектов в наплавленном слое и на границе сплавления;
Разрушающие методы контроля качества наплавленного металла.
Как правило, разрушающим методам контроля подвергают образцы-свидетели, которые наплавляют и одновременно подвергают термообработке со штатными изделиями. К этой группе методов контроля можно отнести:
v контроль химического состава наплавленного металла;
- v механические испытания и контроль твердости наплавленного металла (предел прочности, предел текучести, относительное удлинение и сужение, ударная вязкость, прочность сцепления основного и наплавленного металла на срез и отрыв);
- v коррозионные испытания.
Контрольные образцы для механических испытаний варят из того же металла, тем же методом и тем же сварщиком, что и основное изделие.
В исключительных случаях контрольные образцы вырезают непосредственно из контролируемого изделия. Варианты образцов для определения механических свойств сварного соединения показаны на рис.5
Рис. 5 Варианты образцов для определения механических свойств (размеры в мм.): А — Б — на растяжение наплавленного металла (А) и сварного соединения (Б); В — на изгиб; Г-на ударную вязкость.
5. Охрана труда
5.1 Основные требования техники безопасности при наплавке
Охрана труда представляется комплексом технических и организационных мероприятий, направленных на создание безопасных и здоровых условий труда работающих. Охрана труда, прежде всего предусматривает предотвращение производственного травматизма.
Главной материальной основой улучшения условий труда являются новые методы производства, новая техника, комплексная механизация и автоматизация производства. Трудовым законодательством предусмотрен ряд льгот для рабочих-сварщиков. К сварочным работам допускаются лица не моложе 18 лет после сдачи техминимума по правилам техники безопасности. Продолжительность рабочего дня сварщика, работающего внутри замкнутых сосудов, — 6 часов.
Сварщикам ежегодно предоставляется дополнительный оплачиваемый отпуск в зависимости от условий работы. Им выдаются спецодежда, защитные щитки и маски. При тяжелых и вредных работах сварщики получают специальное питание. Обязанность создания нормальных условий труда сварщикам непосредственно на производственных участках и рабочих местах возлагается на мастеров и начальников участков. Организация каждого рабочего места должна обеспечивать безопасное выполнение работ. Рабочие места должны быть оборудованы различного рода ограждениями, защитными и предохранительными устройствами и приспособлениями.
При правильно организованном производстве, обеспечении условий охраны труда и соблюдении правил техники безопасности и производственной санитарии сварка не представляет собой особо вредного и опасного технологического процесса. Однако для создания безопасных условий работы сварщиков необходимо учитывать кроме общих положений техники безопасности на производстве также и особенности выполнения различных сварочных работ.
Такими особенностями являются возможные поражения электрическим током, отравления вредными газами и парами, ожоги излучением сварочной дуги и расплавленным металлом, поражения от взрывов баллонов со сжатыми и сжиженными газами.
Электробезопасность:
1. Корпуса оборудования и аппаратуры, к которым подведен электрический ток, должны быть надежно заземлены.
2. Все электрические провода, идущие, от распределительных щитов и на рабочие места должны быть надежно изолированы и защищены от механических повреждений.
3. Запрещается использовать контур заземления, металлоконструкций зданий, а также трубы водяной и отопительной систем в качестве обратного провода сварочной цепи.
4. При выполнении сварочных работ внутри замкнутых сосудов (котлов, емкостей, резервуаров и т.п.) следует применять деревянные щиты, резиновые коврики, перчатки, галоши. Сварку необходимо проводить с подручным, находящимся вне сосуда. Следует помнить, что для осветительных целей внутри сосудов, а также в сырых помещениях применяют электрический ток напряжением не выше 12В, а в сухих помещениях — не выше 36 В. В сосудах без вентиляции сварщик должен работать не более 30 мин с перерывами для отдыха на свежем воздухе.
5. Монтаж, ремонт электрооборудования и наблюдение за ним должны выполнять электромонтеры. Сварщикам категорически запрещается исправлять силовые электрические цепи.
При поражении электрическим током необходимо немедленно выключить ток первичной цепи или освободить от его воздействия пострадавшего, обеспечить к нему доступ свежего воздуха, вызвать врача, а при необходимости до прихода врача сделать искусственное дыхание.
Защита зрения и открытой поверхности кожи:
Электрическая сварочная дуга излучает яркие видимые световые лучи и невидимые — ультрафиолетовые и инфракрасные. Световые лучи оказывают ослепляющее действие, так как их яркость значительно превышает норму, допускаемую для человеческого глаза (до 10 000 раз).
Ультрафиолетовые лучи даже при кратковременном воздействии в течение нескольких секунд вызывают заболевание глаз, называемое электроофтальмией. Оно сопровождается острой болью, резью в глазах, слезотечением, спазмами век. Продолжительное действие ультрафиолетовых лучей приводит к ожогам кожи. Инфракрасные лучи при длительном воздействии вызывают помутнение хрусталиков глаз (катаракта), что может привести к ослаблению и потере зрения, тепловое действие этих лучей вызывает ожоги кожи. Защита зрения и кожи лица при дуговой сварке обеспечивается применением щитков, масок или шлемов, в смотровые отверстия которых вставляют светофильтры, задерживающие и поглощающие излучение дуги. В зависимости от мощности дуги применяют различные светофильтры.
Для защиты окружающих от изучения дуги в стационарных условиях устанавливают закрытые кабины, а при строительных и монтажных работах применяют переносные щиты и ширмы. Для предохранения рук сварщиков от ожогов от излучения дуги, а также брызг расплавленного металла необходимо надевать защитные рукавицы, а тело прикрывать специальной одеждой (обычно брезентовые куртки и брюки).
При выполнении вертикальных, горизонтальных и потолочных швов рекомендуется надевать брезентовые нарукавники.
Правила обращения с баллонами для сжатых и сжиженных газов:
Электросварщику в процессе работы приходится пользоваться баллонами для сжатых (аргон, гелий и др.) и сжиженных (углекислый газ) газов. При работе с ними необходимо соблюдение следующих мер безопасности: хранить баллоны следует в вертикальном положении с плотно навинченными предохранительными колпаками в специальных гнездах или клетках с барьерами; не следует допускать падения баллонов, а также ударов их друг о друга; баллоны нужно переносить на носилках или перевозить на тележках; в летнее время баллоны необходимо защищать от нагрева солнечными лучами брезентом или другими средствами; открывать вентиль баллона следует плавно, без рывков, пользоваться специальным ключом; при замерзании баллонных вентилей и редукторов (что бывает при интенсивном отборе газа) отогревать можно только горячей водой (применять открытый огонь нельзя); для понижения давления до рабочего следует пользоваться исправными газовыми редукторами, предназначенными для данного газа и окрашенными в соответствующий этому газу цвет.
