Глава 13. восстановление деталей сваркой и наплавкой
Общие сведения
На сварку и наплавку приходится от 40 до 80% всех восстановленных деталей. Такое широкое распространение этих способов обусловлено: простотой технологического процесса и применяемого оборудования; возможностью восстановления деталей из любых металлов и сплавов; высокой производительностью и низкой себестоимостью; получением на рабочих поверхностях деталей наращиваемых слоев практически любой толщины и химического состава (антифрикционные, кислотно-стойкие, жаропрочные и т.д.).
Нагрев до температуры плавления материалов, участвующих при сварке и наплавке, приводит к возникновению вредных процессов, которые оказывают негативное влияние на качество восстанавливаемых деталей. К ним относятся металлургические процессы, структурные изменения, образование внутренних напряжений идеформаций в основном металле деталей.
В процессе сварки и наплавки происходит окисление металла, выгорание легирующих элементов, насыщение наплавленного металла азотом и водородом, разбрызгивание металла.
Соединение наплавленного металла с кислородом воздуха является причиной его окисления и выгорания легирующих элементов (углерода, марганца, кремния и др.). Кроме этого, из воздуха в наплавленный металл проникает азот, который является источником снижения его пластичности и повышения предела прочности. Для защиты от этих отрицательных явлений при сварке и наплавке используют электродные обмазки, флюсы, которые при плавлении образуют шлак, предохраняющий возможный контакт металла с окружающей средой. С этой же целью применяют и защитные газы.
Влага, которая всегда содержится в гигроскопичных электродных обмазках и флюсах, является источником насыщения металла водородом, который способствует повышению пористости наплавленного металла и возникновению в нем значительных внутренних напряжений. Исключить воздействие влаги можно тщательной сушкой электродных обмазок и флюсов.
При сварке и наплавке выделяются углекислый и угарный газы, которые бурно расширяются и являются источником разбрызгивания жидкого металла. Эти потери металла можно уменьшить, если использовать электроды с пониженным содержанием углерода, тщательно очищать детали от окислов или вводить в состав электродных обмазок и флюсов вещества, содержащие раскисляющие элементы (марганец, кремний).
Неравномерный нагрев детали в околошовной зоне (зоне термического влияния) приводит к структурным изменениям в основном металле детали. Механические свойства металла в этой зоне снижаются. Размеры зоны термического влияния зависят от химического состава свариваемого металла, способа сварки и ее режима. Размеры зоны термического влияния для газовой сварки составляют 25... 30 мм, а при электродуговой сварке — 3... 5 мм. Увеличение сварочного тока и мощности сварочной горелки приводит к расширению зоны термического влияния, а скорости сварки (выбором рационального режима) — к уменьшению.
Из-за неравномерного (местного) нагрева и структурных превращений, происходящих в зоне термического влияния, возникают внутренние напряжения деформации в деталях. Если внутренние напряжения превышают предел текучести материала детали, то возникают деформации. Они могут быть значительно снижены путем нагрева деталей перед сваркой и медленного охлаждения после сварки, применения специальных приемов сварки и наплавки. В технологический процесс восстановления деталей сваркой и наплавкой входят следующие операции — это подготовка деталей к сварке или наплавке; выполнение сварочных или наплавочных работ; обработка деталей после выполнения сварочных или наплавочных работ. Порядок выполнения сварочных и наплавочных работ зависит от выбранного способа.
Сварка и наплавка
Ручная сварка и наплавка плавящимися электродами(рис. 13.1). Параметры режима — это сила тока, напряжение и скорость наплавки. Для получения минимальной глубины проплавления основного металла электрод наклоняют в сторону, обратную направлению наплавки.
Общие потери при наплавке покрытыми электродами с учетом потерь на угар, разбрызгивание и огарки составляют до 30%.
Сила тока зависит от толщины материала ремонтируемого изделия и определяется по формуле
I=kδ, (13.1)
где к — коэффициент, зависящий от толщины свариваемого изделия (табл. 13.1); δ — толщина материала, мм.
Напряжение дуги составляет 22...40 В. Диаметр электрода равен (табл. 13.1) dэл = 0,5δ + (1 ...2) мм. Длина дуги не должна превышать диаметра электрода.
Рис. 13.1. Схема ручной наплавки:
1 — основной металл; 2 — наплавленный валик; 3 — шлаковая корка; 4 — электродный стержень; 5— покрытие электродного стержня; 6— газошлаковая защита; 7— сварочная ванна
Таблица 13.1
Зависимость коэффициента к от толщины материала изделия
| δ, мм | 1...2 | 3...4 | 5...6 |
| k | 25...30 | 30...45 | 45...60 |
| dэл | 2...3 | 3...4 | 4...5 |
Ручная сварка и наплавка используются для устранения трещин, вмятин, пробоин, изломов и т. д. В табл. 13.2 приведены способы подготовки поврежденного участка изделия.
Для уменьшения вредного последствия рассмотренных в разд. 13.1 явлений сварку и наплавку ведут электродами с обмазкой — тонкой или толстой.
Таблица 13.2
Способы подготовки деталей перед сваркой
| Дефект | Способ подготовки поврежденного участка к сварке | Инструмент |
| Трещина | Зачистка до металлического блеска поверхности вокруг трещины на ширину 12... 15 мм Вырубка канавки вдоль трещины на глубину 1/2 и ширину 2/3 от толщины стенки | Бормашина, стальная щетка, шабер, напильник Бормашина, зубило, крейцмейсель, сверло 3 мм |
| Пробоина | Зачистка до металлического блеска поверхности вокруг пробоины Изготовление заплаты из стали СтЗ толщиной 2...2,5мм (при расположении пробоины в стенке с необработанной поверхностью заплату изготавливать внахлест, в стенке с обработанной поверхностью — впотай) | То же, что и при зачистке трещины Механические ножницы, зубило, молоток |
| Облом | Изготовление ремонтной детали по форме обломанной части Зачистка скосов 3x45 ° в местах стыковки основной и ремонтной деталей | Ножовка, напильник Бормашина, напильник |
| Износ резьбовых отверстий | Рассверливание отверстия до полного снятия старой резьбы (при диаметре отверстия менее 12 мм — зенкование отверстия) | Сверло (зенкер) |
Малоответственные детали сваривают электродами с тонкой обмазкой, которые изготовляют из проволоки Св-08. Проволоку рубят на куски длиной 300...500 мм и покрывают обмазкой, состоящей из 3/4 мела и 1/4 жидкого стекла, разведенного в воде до сметанообразного состояния.
Определяющим при выборе толстых электродов является процесс — сварка или наплавка. Для сварки используют электроды, обозначаемые буквой «Э» с двузначной цифрой через дефис, например Э-42. Цифра показывает прочность сварочного шва на разрыв. Наплавочные электроды обозначают двумя буквами «ЭН» и цифрами, которые показывают гарантированную твердость наплавленного данным электродом слоя.
Каждому типу электрода соответствует несколько марок составов обмазок. По входящим в них веществам все электродные покрытия разделяют на следующие группы: рудно-кислое — Р, рутиловое — Т, фтористо-кальциевое — Ф, органическое — О и др. Наиболее распространены рудно-кислое (ОММ-5, ЦМ-7, ЦМ-8 и др.), рутиловое (АНО-1, АНО-3, АНО-4, АНО-12, ОЗС-3, ОЗС-4, ОЗС-6 и др.) и фтористо-кальциевое покрытия (УОНИ-13/45, УОНИ-13/55, ЦЛ-9, ОЗС-2, АНО-7 и др).
Газовая сварка и наплавка. Сущность процесса — это расплавление свариваемого и присадочного металла пламенем, которое образуется при сгорании горючего газа в смеси с кислородом. В качестве горючего газа используют ацетилен, что позволяет обеспечить температуру пламени 3100... 3300°С. Ацетилен получают с помощью ацетиленовых генераторов, а кислород сохраняют и транспортируют в стальных баллонах вместимостью 40 л под давлением 15 МПа.
Сварку и наплавку осуществляют сварочными горелками. Мощность пламени характеризуется массовым расходом ацетилена, зависящим от номера наконечника горелки (табл. 13.3). Расход ацетилена можно определить по формуле
А = SR',
где S — толщина детали, мм; R' — коэффициент, характеризующий удельный расход ацетилена на 1 мм толщины детали, м3/(ч-мм) (для чугуна R' = 0,11...0,14; для стали — 0,10...0,12; для латуни — 0,12...0,13; для алюминия — 0,06...0,10).
Расход кислорода на 10...20% больше, чем ацетилена.
При ручной сварке пламя направляют на свариваемые кромки так, чтобы они находились в восстановительной зоне на расстоянии 2... 6 мм от конца ядра. Конец присадочной проволоки также держат в восстановительной зоне или в сварочной ванне.
Угол наклона ее мундштука горелки к поверхности свариваемого металла зависит:
от толщины соединяемых кромок изделия. Углы наклона мундштука горелки в зависимости от толщины металла при сварке низкоуглеродистой стали приведены в табл. 13.4;
Таблица 13.3