Восстановление деталей сваркой и наплавкой

В ремонтном производстве сварка и наплавка получили весьма широкое применение. Более 40 % деталей восстанавливают данными методами. Это связано с высокой производительностью и простотой процессов.

Часто применяется ручная дуговая электросварка. Используются аппараты и электроды как для постоянного, так и переменного тока. Сваривают данным методом стальные, чугунные и алюминиевые изделия.

Перед сваркой восстанавливаемую деталь очищают от грязи, ржавчины и масла, имеющиеся трещины по концам засверливают. При толщине стенки детали более 8 мм трещину разделывают, то есть снимают фаски.

Наплавку шеек восстанавливаемого вала чаще всего осуществляют на токарных станках по спирали, то есть с вращением вала, или наплавляемые швы наносятся вдоль оси вала, когда он неподвижен.

Для сварки и наплавки используется проволока диаметром от 0,3 до 2 мм, либо электроды диаметром от 3 до 6 мм. При этом диаметр проволоки или электрода должен примерно соответствовать толщине свариваемой детали.

Для получения сварочного шва средней твёрдости и прочности применяют электроды марки ОЗН-250... ОЗН-400 при использовании аппаратов переменного тока, либо электроды У-340 ПБ при использовании аппаратов постоянного тока.

Сила сварочного тока ориентировочно выбирается по зависимости

I = (45 ± 10) d,

где d - диаметр электрода.

Автоматическая наплавка под флюсом - это такой сварочный процесс, при котором подача электродной проволоки, защитных и легирующих материалов, перемещение сварочной дуги осуществляется механизированным способом. Разработан данный метод в 1941 году академиком Патоном Е.О. Основными преимуществами такой наплавки по сравнению с ручной являются: 1) стабильно высокое качество сварочного шва; 2) высокая производительность; 3) использование рабочих сравнительно низкой квалификации. Схема данного процесса следующая.

При данном методе, подбирая диаметр проволоки и частоту вращения шпинделя, можно за один проход наплавить от 0,5 до 5 мм металла на одну сторону.

Используя легирующий флюс или легированную проволоку, получают металл требуемой структуры и твёрдости от HRC 30 до HRC 64. Например, при наплавке шеек стальных коленчатых валов используют пружинную проволоку Нп-65Г и флюс АН-348 с легирующими добавками из графита и феррохрома. В результате наплавленный слой металла имеет структуру мартенсита с твердостью HRC 64, то есть нет необходимости такой вал закаливать. Его сразу после наплавки шлифуют и полируют.

Для наплавки деталей из углеродистых и малолегированных сталей применяют флюсы АН-348, ОСЦ-45, ФН-9 и другие.

Параметры режима наплавки существенно влияют на качество шва. Так при отклонении дуги от вертикальной оси детали уменьшается глубина проплавления. С увеличением напряжения электропитания U увеличивается ширина шва, а глубина не меняется. С увеличением шага наплавки уменьшается перекрытие соседних швов и увеличивается глубина проплавления. С ростом тока I эта глубина также растёт.

На автоматических установках сила тока I зависит от диаметра применяемой проволоки и заданной её подачи, которые выбирают в зависимости от толщины наплавляемого слоя и диаметра детали.

Наплавку деталей из среднеуглеродистых сталей 30, 40, 45 производят проволоками марок Нп-30, Нп-40, Нп-50, Нп-65, Нп-80, а также легированными, например, Нп-30ХГСА.

Перед наплавкой важно хорошо просушить флюс при температуре 350... 400° C. Это существенно уменьшает пористость шва.

После наплавки закалённых сталей их обрабатывают ТВЧ для получения твёрдости не менее HRC 45.

Можно рекомендовать такие параметры некоего среднего режима наплавки: частота вращения наплавляемой детали n = 2,5... 4 об/мин; шаг наплавки (продольная подача) s = 3,5... 4 мм/об; диаметр электродной проволоки d = 1,6... 1,8 мм; скорость подачи электродной проволоки v = 1,7... 2,0 м/мин; сила сварочного тока I = 160... 180 А; напряжение дуги U = 24... 26 В.

Для получения требуемого химического состава наплавляемого слоя металла применяют следующие методы:

1) легированную электродную проволоку или ленту и обычный флюс;

2) порошковую проволоку с требуемым химсоставом и обычный флюс;

3) обычную сварочную проволоку (нелегированную) и легирующий флюс, состоящий из обычного с добавками феррохрома, ферромарганца и т.д.;

4) наплавка обычной электродной проволокой и обычного флюса с расплавлением нанесённых ранее легирующих материалов на поверхность детали одним из следующих способов:

а) обёртывание легирующей лентой;

б) укладка легирующего прутка;

в) намазывание легирующих паст;

г) насыпка легирующего порошка.

Первый указанный способ применяется ограниченно, так как в электрической дуге существенно изменяется химсостав проволоки. Второй способ перспективный, так как шихту можно подобрать какую угодно. Третий способ широко применяется в ремонтном производстве и в частности при восстановлении коленчатых валов. Четвёртый способ применяется в ремонтном производстве редко, но часто используется в машиностроении.

Одним из отрицательных свойств метода электродуговой наплавки под слоем флюса является то, что над наплавленным швом образуется защитная корка шлака. Она не электропроводна и весьма тугоплавка. Поэтому её удаляют ударным способом. При наплавке деталей диаметром менее 50 мм шлаковую корку отделить весьма затруднительно без повреждения изделия. К тому же такие детали при нагреве от сварочной дуги существенно деформируются. В связи с этим шейки диаметром менее 50 мм наплавляют другим способом, а именно, с помощью вибродуговой наплавки в среде жидкости или защитного газа СО₂.

Этот метод разработан в 1948 году инженером Клековкиным Г.П. специально для восстановления деталей диаметром менее 50 мм. С целью уменьшения нагрева и деформации наплавляемой детали было предложено, во-первых, обеспечить вибрирование электрода, что позволяет снизить напряжение дуги U, во-вторых, для охлаждения детали осуществлять процесс наплавки в жидкости, а не в воздухе под флюсом.

Схема установки Клековкина следующая.

Процесс вибродуговой наплавки протекает в следующей последовательности: 1) сначала электрод касается детали и так как напряжение холостого хода трансформатора питания понижено до U_хх = 12... 18 В, то электрическая дуга на загорается, а напряжение падает до нуля, но ток короткого замыкания I _к.з возрастает до максимума, что определяется параметрами электрического дросселя L и резистора R; 2) от I _к.з оплавляется конец электрода и он отрывается от детали, оставляя на ней каплю металла; 3) при отрыве электрода в катушке L возникает ЭДС самоиндукции, которая складывается c напряжением источника питания U_хх и данной добавки хватает для возбуждения сварочной дуги, горящей до следующего касания электродом детали.

С увеличением индуктивности L уменьшается сила тока короткого замыкания I _к.з и увеличивается продолжительность горения дуги.

В качестве охлаждающей жидкости используется смесь воды с 2,5... 6 % кальцинированной соды или 20 % глицерина.

Чаще всего применяют сварочную проволоку Нп-65Г, которая обеспечивает получение высококачественного наплавленного слоя металла без пор и трещин.

Параметры вибродуговой наплавки: 1) напряжение питания U_хх = 12... 18 В; 2) сварочный ток I = 100... 120 А; 3) шаг наплавки s = 2,0... 2,5 мм/об; 4) частота вращения детали n = 4... 10 об/мин; 5) скорость подачи электродной проволоки v = 1,0... 1,6 м/мин.

Вибродуговую наплавку применяют при восстановлении деталей из углеродистых сталей, а также серого, ковкого и высокопрочного чугунов. Наплавке подвергают как наружные, так и внутренние поверхности, как гладкие, так и резьбовые, шлицевые и другие.

Детали из серого чугуна наплавляют в два слоя, так как первый слой насыщается углеродом и кремнием, поступающими из основного металла. Этот слой является очень твёрдым и не обрабатывается лезвийным инструментом. Второй слой по составу близок к стали 40.

Главным преимуществом данного метода является отсутствие нагрева, а значит и коробления детали. к тому же имеет место закалка наплавленного слоя до HRC 64, что исключает дополнительную термообработку.

Недостатком вибродуговой наплавки является снижение до 40 % усталостной прочности s _r из-за действия внутренних напряжений. Поэтому с особой осторожностью надо рекомендовать этот метод для деталей, работающих при знакопеременных нагрузках.

Наплавка в среде углекислого газа CO₂ имеет следующие преимущества: 1) проще оснастка; 2) качество наплавленного металла выше по сравнению с вибродуговой в жидкости; 3) меньше снижение s _r - всего на 15... 20 %.

При данном методе применяют сварочную проволоку марок Св-08ГС; Св-08Г2С; 30ХГСА и др.

Учитывая, что углекислый газ в 1,5 раза тяжелее воздуха, он хорошо удерживается в зоне дуги, а расхода Q_CO2 = 10 л/мин вполне достаточно для обеспечения качественного шва.

Углекислый газ поставляется в баллонах в сжиженном состоянии. При испарении 1 л жидкого СО₂ при нормальных параметрах среды (p₀ = 0,1 МПа и t₀ = 20° С) получается 506 л газа. Всего в стандартном баллоне ёмкостью 40 л помещается 25 л жидкой углекислоты, которая даёт 12500 литров или 12,5 м³ газа.

В ремонтном производстве широко применяется сварочный полуавтомат А-547-У и ему подобные. Для таких аппаратов используют сварочную проволоку диаметром 0,6... 1,2 мм. Скорость подачи проволоки регулируется в диапазоне 2,5... 10 м/мин. Максимальная сила тока 300 А. Кроме наплавки такими аппаратами сваривают металл от 0,6 до 4 мм, то есть применяют для ремонта кузовов и кабин.

Для уменьшения пористости сварочных и наплавленных швов и уменьшения количества микротрещин в них при любом методе сварки и наплавки необходимо правильно подбирать режимы и материалы. Так для уменьшения трещин весьма желательно заготовку предварительно нагреть до 350... 400° С, а флюс или сварочная проволока (электрод) должны содержать такие легирующие элементы как хром, никель, титан. Для уменьшения пористости в зоне дуги должны присутствовать фтористый кальций CaF, который связывает водород H и воду, а также такие раскислители как марганец, кремний, титан, алюминий, цирконий, церий.

Газовая сварка и наплавка широко применяются в ремонтном производстве. В качестве горючего может применяться:

1) природный газ метан CH₄, имеющий максимальную температуру горения t _max = 2000° С;

2) сжиженный газ пропан C₂H₆ c t _max = 2600° C;

3) ацетилен C₂H₂ с t _max = 3300° C.

Наиболее часто применяется последний, то есть ацетилен. Реакция его горения следующая

C₂H₂ = 2C + H₂ + 54 ккал/кмоль

2С + 2O₂ = 2CO₂ + 195,8 ккал/кмоль

2H₂ + O₂ = 2H₂O + 57 ккал/кмоль

Итого в сумме имеем 306,8 ккал/кмоль.

Получают ацетилен в специальных газовых генераторах из карбида кальция

CaC₂ + H₂O = C₂H₂ + Ca(OH)₂

Карбид кальция получают в печах путём обжига известняка

CaO + 3C = CaC₂ + CO

При газовой сварке в качестве окислителя используется кислород O₂ с количеством примесей не более 1,5 %. Получают технический кислород из воздуха методом глубокого охлаждения (t _кипО2 = -183° С при p = 0,1 МПа). Давление кислорода в полностью заряженных баллонах составляет 15 МПа.

Диаметр присадочной проволоки d при газовой сварке выбирают в зависимости от толщины d свариваемых деталей по таблице

d, мм	2... 3	3... 10	10... 15	< 15
d, мм		3... 4	4... 6	6... 8

Важное значение при газовой сварке играет тип горелки и наконечник на ней. Наиболее часто используют универсальную горелку ГС-53 с наконечником от № 1 до № 7. В этом случае сваривают детали толщиной от 0,5 до 30 мм.

В зависимости от соотношения кислорода и ацетилена различают пламя горелки:

1) нормальное при соотношении O₂ / C₂H₂ = 1, имеющее максимальную температуру t = 3100° С (применяют для сварки и наплавки мало и среднеуглеродистых сталей, алюминиевых сплавов, бронзы и меди);

2) науглероживающее при соотношении O₂ / C₂H₂ = 0,8, имеющее максимальную температуру t = 2700° С (применяют для сварки и наплавки чугуна и припаивания твёрдосплавных пластин);

3) окислительное при соотношении O₂ / C₂H₂ = 1,4, имеющее максимальную температуру t = 3300° С (применяют для резки стали и сварки латуни).

Важными особенностями газовой сварки являются, во-первых, сравнительно медленное нагревание металла, во-вторых, большая зона термического воздействия.

Наплавка деталей твёрдыми сплавами используется для повышения твёрдости и износостойкости некоторых деталей, например, испытывающих сильное абразивное воздействие - это ножи землеройных машин и т.п.

Для наплавки используют специальные высокоуглеродистые сплавы - сормайты и сталинит. Первый в виде электродов ЦС-1 и ЦС-2 диаметром от 5 до 7 мм для электросварки или в виде присадочной проволоки для газовой сварки. Сталинит используется в виде порошкообразной смеси.

После наплавки указанными сплавами твёрдость поверхности составляет от HRC 48 до HRC 62.

Химический состав данных сплавов следующий

Марка сплава	C, %	Mn, %	Si, %	Cr, %	Ni, %	Fe
Сормайт-1 (ЦС-1) Сормайт-2 (ЦС-2) Сталинит		1,5	3,5		-	Остальное

Сормайт-1 отличается меньшей ударной вязкостью a _к и прочностью s_в по сравнению с остальными указанными сплавами. Сормайт-2 применяют для упрочнения деталей, работающих при ударных нагрузках. Сталинит чаще используют для покрытия рабочих органов землеройных машин.

Сормайты как правило наплавляют электродуговой ручной сваркой. Реже используется газовая сварка. При наплавке сталинита сначала на поверхность детали насыпают флюс (буру) слоем 0,2... 0,3 мм. Затем насыпают сталинит толщиной 3... 5 мм. Наплавку осуществляют угольным электродом на постоянном или переменном токе. Иногда вместо угольного используют обычный электрод. Тогда наплавленный слой получается более мягким.

Лазерная сварка и наплавка применяется для получения высококачественных сварочных швов путём расплавления присадочных порошков, лент и т.п. В качестве источника энергии используется лазер с интенсивностью излучения света не менее 10¹² кВт/мм².

Перед наплавкой на поверхность детали наносят шихту, которая чаще всего представляет собой порошкообразную смесь металлов и неметаллических материалов. Закрепление шихты на поверхности детали осуществляют с помощью клеев.

В качестве квантового генератора чаще используют рубиновые, реже газовые (CO₂ + N₂ + He) лазеры. Схема установки следующая.

В данной установке рубиновый стержень или газонаполненная колба облучается импульсной лампой, которая запитывается электроэнергией от конденсаторной батареи. Отражатель (корпус) и заднее зеркало направляют луч на полупрозрачное зеркало, а затем на поворотное, линзу и деталь, на которой нанесена шихта. Для защиты зоны расплава от окисления используют аргон.

Всероссийское научно-производственное объединение “Ремдеталь” разработало и выпускает комплект оборудования для лазерной наплавки, в который входит газовый лазер ЛГП-702 мощностью 0,8 кВт, установка для наплавки СКС-011-1-02 с оснасткой, приспособление для управления лазерным лучом, система газообеспечения. Наплавляют либо порошок СНГН, либо порошок ПГ-СР.

При данном методе наплавки весьма мала зона теплового воздействия на деталь. Поэтому деформации её практически отсутствуют, что позволяет ремонтировать самые разные по размерам детали. Данным методом восстанавливают клапаны и распределительные валы ДВС, золотники гидрораспределителей СДМ и др.