При производстве труб и строительных конструкций, при ремонте изношенных шеек коленчатых валов ,шпоночных канавок ,шлицов и шеек валов редукторов и коробок перемены передач строительно-дорожных машин , деталей ходовой части гусеничных машин и других деталей широко применяется механизированная наплавка и сварка. Наиболее распространены следующие способы наплавки: под слоем флюса, в средах углекислого газа, аргона и смеси защитных газов, электрошлаковая, электроконтактная, плазменная, вибродуговая, порошковая, приварка ленты.
Наплавка под слоем флюса (рис. 2.27) хорошо защищает расплавленный металл от вредного воздействия воздуха, по сравнению с ручной электродуговой сваркой облегчаются условия и повышается производительность труда . Кроме того, Рис. 2.27. Наплавка под слоем флюса.
есть возможность улучшить качество наплавленного металла за счет легирования флюса.
Электрическая дуга горит под слоем гранулированного флюса в газовом пузыре, избыточное давление в котором надежно предохраняет металл от отрицательных воздействий воздуха (давление в газовом пузыре чуть выше атмосферного , за счет этого образуется свод расплавленного флюса и воздух не попадает к сварочной ванне). Кроме того, флюсовая оболочка не дает разбрызгиваться металлу электрода и позволяет лучше использовать тепло.
Процесс наплавки под слоем флюса очень производительный по двум причинам:
1. Сварочный ток (150 … 200 А/ мм2 на единицу площади проволоки ) из-за небольшого вылета электрода в 7 … 8 раз превышает значения тока при ручной электродуговой сварке .
2. Коэффициент наплавки в 1,5 … 2 раза выше чем при ручной электродуговой сварке, т. к. флюс и расплавленный шлак снижают потери тепла и металла на разбрызгивание и угар( не превышают 2% от массы расплавленной проволоки).
В качестве электрода используют голую сварочную проволоку диаметром от 1 до 6 мм . Подачу проволоки ( 100 …300 м/час ) регулируют с помощью специального устройства.
По способу приготовления флюсы делятся на плавленые и неплавленые или керамические.
Плавленые флюсы получают сплавлением силикатов в печах и размельчением, они имеют стеклообразный вид. Эти флюсы сами не участвуют в формировании химического состава расплавленного металла, а только предохраняют его от воздуха. Наиболее распространен и дает хорошие результаты флюс АН - 348А. Однако, при использовании обычной сварочной проволоки типа Св-08, Св-10 получается малоуглеродистый слой наплавленного металла, имеющий низкую прочность и износостойкость. Введением в этот флюс (1 % )графита или феррохрома можно получить износостойкий слой.
Неплавленые флюсы (АНК – 18, АНК-40, ЖСН-5,…)это (аналогично обмазке электрода) механическая смесь легирующих, газо- и шлакообразующих, связывающих и раскисляющих компонентов, влияющих на протекание металлургического процесса.. Хотя эти флюсы дают очень высокое качество наплавки, но они относительно дорогие.
При наплавке под слоем флюса чаще всего используют обратную полярность : через медный мундштук плюс от источника тока подводится к проволоке, а минус через станину и токосъемник — к детали. Для увеличения производительности наплавки применяют многоэлектродную наплавку или наплавку ленточным электродом. В первом случае подаются через специальный мундштук или двумя полуавтоматами две проволоки. Ленточным электродом можно наплавлять слой металла шириной до 100 мм.
В качестве защитных газов при сварке используются аргон, углекислый газ, смеси газов и водяной пар. Из-за высокой стоимости аргона наибольшее распространение на заводах сварных строительных и машиностроительных конструкций получила наплавка в среде углекислого газа ( рис. 2..28). Восстановление деталей сваркой и наплавкой в среде углекислого газа используется в основном для ремонта тонкостенных деталей кабин, кузовов и оперения.
Рис.2.28. . Схема наплавки в среде углекислого газа
Углекислый газ, подаваемый в зону сварки, оттесняет воздух и тем самым защищает сварной шов от азота и кислорода. Однако углекислый газ при высокой температуре электрической дуги ( до 6000 °С) разлагается на окись углерода и кислород, поэтому выгорают углерод и легирующие элементы в наплавляемом металле . Негативные последствия этого устраняются применением специальной сварочной проволоки Св-08ГС, Св-10ГС и др. диаметром 0,8 …1,2 мм., содержащие легирующие добавки кремния, титана и марганца.
Достоинствами наплавки в среде углекислого газа являются :
1-плотный, ровный и красивый сварной шов, нет шлаковой корки и не требуется последующая механическая обработка ,металл шва менее чувствителен к коррозии;
2-высокая производительность труда ( в 1,5…2,5 раза выше, чем при ручной электродуговой сварке);
3-хорошие условия для визуального наблюдения сварщиком за процессом сварки;
4-небольшое коробление детали из-за хорошего охлаждения ее газом.
В качестве недостатков можно назвать относительно большое разбрызгивание металла и сравнительно низкие механические свойства сварного шва.
Для сварки (рис. 2. 29 ) пользуются углекислотой, поставляемой в баллонах объемом 40 литров. Этого количества газа достаточно на 15 … 20 часов работы. Чтобы влага, содержащаяся в углекислоте, не вызывала разбрызгивание металла при сварке предусмотрен осушитель газа (медный купорос). В качестве редуктора используется обыкновенный кислородный редуктор. Сварка производится током обратной полярности. Расход углекислого газа 400 … 500 л/мин. получается узкий и глубокий шов и малая зона термического влияния.
В настоящее время для защиты сварочной дуги от вредного воздействия воздуха все шире начинают использовать защитные газовые смеси, состоящие из углекислого газа СО2 и аргона Аr.
Из-за снижения потерь металла до 70…80 % на разбрызгивание по сравнению с традиционной ( в защитной среде СО2 ) производительность сварки (рис. 2.30 ) существенно ( до 2 раз) возрастает и на 10…15% уменьшаются расходы электроэнергии и материалов. Смеси поставляются (завод «Уралтехгаз», г. Екатеринбург) в 40-литровых баллонах .
Электрошлаковая наплавка. (рис. 2.31.) используется для ремонта деталей, имеющих большой износ (катки и гусеницы трактора,…), дает наибольшую из всех видов сварки плавлением производительность наплавки (Кн = 25 …30 г/А ч по сравнению с 7…12 г/А ч ручной электродуговой сварки)) и позволяет получить наплавленный металл высокого качества.
Сначала флюс расплавляется электрической дугой и далее является электрическим проводником, нагревающим при прохождении через него электрического тока, вследствие этого расплавляется металл электрода и детали,
Рис. 2.31. Схема электрошлаковой наплавки.
образуется металлическая ванна. При движении кристаллизатора кверху со скоростью соответствующей скорости расплавления электрода, которая в свою очередь определяется размером электрода и силой тока, происходит перемещение металлической ванны с флюсом кверху с остыванием нижних слоев металла. Флюс полностью предохраняет ванну от воздействия воздуха, позволяет вводить легирующие элементы, концентрирует тепло на расплавление металла.
Вибродуговая наплавка выполняется колеблющимся электродом с частотой 50 …100 гц и с амплитудой 1 …3 мм. Колебания электрода оказывают существенное влияние на протекание процесса наплавки, состоящего из чередования циклов горения дуги, холостого хода и короткого замыкания.
Важной особенностью процесса является то, что вследствие наличия индуктивности в цепи при сравнительно низком напряжении источника тока (12 … 20 В) дуговой разряд протекает при напряжении устойчивого горения дуги (30… 35 В). В период дугового разряда выделяется 80 … 90 % всего тепла (при коротком замыкании всего 10 … 20%).
Вибродуговую наплавку выполняют на постоянном токе обратной полярности в среде охлаждающей жидкости. В качестве её используется 4…5%-ый раствор кальцинированной соды или 10% -ый раствор технического глицерина в воде. Раствор подается на расстоянии 20 … 40 мм от электрода. Вода переходит в пар, её пары и продукты разложения (кислород и водород защищают металл от азота). Подача охлаждающей воды также, как и прерывистый характер процесса, способствует уменьшению термического влияния. При разложении соды кальций способствует стабилизации горения дуги, а глицерин способствует уменьшению трещин при наплавке высокоуглеродистой проволокой.
Несмотря на ряд преимуществ ( маленькая зона термического влияния, снижение выгорания легирующих элементов, возможность получения тонких и прочных покрытий) при вибродуговой наплавке имеет место существенный недостаток - снижение усталостной прочности деталей из-за неоднородности структуры и наличия пор. Поэтому этот способ в настоящее время используется редко, в частности, он не рекомендуется для наплавки деталей, работающих при знакопеременных нагрузках.
Сварка трением ( рис 2.32) используется при изготовлении деталей, имеющих форму тел вращения, и в крупносерийном ремонтом производстве. Этим способом восстанавливаются шаровые пальцы, тяги. Широко применяется сварка трением при изготовлении и ремонте режущего инструмента (сверл, метчиков, фрез, разверток) .Этим способом свариваются круглые стержни и трубы, выполняется их приварка к поверхностям деталей.
При вращении, прижатые усилием Р, торцевые поверхности детали нагреваются до 900 …1300 °С; вращение прекращается, а усилие прижима увеличивается в 2 … 3 раза и происходит сварка деталей давлением.
Сварка трением выполняется быстро, имеет высокий К.П.Д. и высокую производительность. Так для сравнения , электроконтактная сварка деталей поперечного сечения 750 мм2 выполняется за 12 секунд при потребляемой мощности 110 кВт, а при сварке трением такой же детали время сварки почти такое же- 10 секунд , но достаточно всего 5,4 кВт мощности. Недостатками этого способа является ограниченная область применения ( только для тел вращения) и сравнительно небольшие размеры деталей.
Электронно-лучевая сварка (рис. 2.33) из-за технологической сложности не получила широкого распространения, но является перспективной вследствие высокой производительности, малой зоны термического влияния и хорошего качества сварного шва.
Сварка проводится в вакуумной камере, где и помещается деталь перемещающаяся со скоростью сварки. Переменный ток низкого напряжения нагревает вольфрамовый катод, который испускает электроны, электрическим или магнитным полем фокусирующие в электронный луч. Для усиления эмиссии к детали и катоду подводится выпрямленный ток высокого напряжения. В результате получается узкий и глубокий шов и малая зона термического влияния.
2.9. Плазменная сварка и наплавка.
Плазменная сварка и наплавка является наиболее прогрессивным способом восстановления изношенных деталей машин и нанесения износостойких покрытий (сплавов, порошков, полимеров,…) на рабочую поверхность при изготовлении деталей.
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 2 …3 атмосферах, 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.
Рис. 2.34. Схема плазменной сварки открытой и закрытой плазменной струей.
В зависимости от схемы подключения анода различают (рис. 2. 34) :
1. Открытую плазменную струю (анодом является деталь или пруток). В этом случае происходит повышенный нагрев детали. Используется эта схема при резке 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 напыливания порошков.
3. Комбинированная схема (анод подключается к детали и к соплу горелки). В этом случае горят две дуги, Схема используется при наплавке порошком.
Наплавку металла можно реализовать двумя способами :
1-струя газа захватывает и подает порошок на поверхность детали;
2-вводится в плазменную струю присадочный материал в виде проволоки, прутка, ленты.
В качестве плазмообразующих газов можно использовать аргон, гелий, азот, кислород, водород и воздух. Наилучшие результаты сварки получаются с аргоном.
Достоинствами плазменной наплавки являются :
1. Высокая концентрация тепловой мощности и возможность минимальной ширины 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 К. П. Д. дуги (0.2 …0.45).
Очень эффективно использовать плазменную струю для резки металла, т.к. газ из-за высокой скорости очень хорошо удаляет расплавленный металл, а из-за большой температуры он плавится очень быстро.
Установка (рис. 2.35) состоит из источников питания, дросселя, осциллятора, плазменной головки, приспособлений подачи порошка или проволоки, системы циркуляции воды и т.д.
Для источников питания важно выдержка постоянным произведение J U, т.к. мощность определяет постоянство плазменного потока. В качестве источников питания применяют сварочные преобразователи типа ПСО - 500. Мощность определяется длиной столба и объемом плазменной струи. Можно реализовать мощности свыше 1000 кВт.
Подача порошка осуществляется с помощью специального питателя, в котором, вертикально расположенный, ротор лопатками подает порошок в струю газа. В случае использования сварочной проволоки подача ее выполняется аналогично как и при наплавке под слоем флюса .
Путем колебания горелки в продольной плоскости с частотой 40 …100 мин -1 за один проход получают слой наплавленного металла шириной до 50 мм. У горелки имеется три сопла : внутреннее для подачи плазмы, среднее для подачи порошки и наружное для подачи защитного газа.
Рис. 2.35. Схема плазменного наплавления порошка.
При наплавке порошков реализуется комбинированная дуга, т. е. одновременно будут гореть открытая и закрытая дуги . Регулировкой балластных сопротивлений можно регулировать потоки мощности на нагрев порошка и на нагрев и оплавление металла детали. Можно добиться минимального проплавления основного материала, следовательно будет небольшая тепловая деформация детали.
Поверхность детали необходимо готовить к наплавке более тщательно чем при обычной электродуговой или газовой сварке, т.к. при этом соединение происходит без металлургического процесса, поэтому посторонние включения уменьшают прочность наплавленного слоя. Для этого производится механическая обработка поверхности (проточка, шлифование, пескоструйная обработка,...) и обезжиривание. Величину мощности электрической дуги подбирают такой, чтобы сильно не нагревалась деталь, и чтобы основной металл был на грани расплавления.