3042

действие газовой смеси на жидкий металл увеличивается, но улучшается формирование наплавленного металла.

Крайне ограниченно для наплавки применяют водород, что объясняется сложностью процесса. При наплавке меди в качестве защитной среды используют азот, который нерастворим в меди и не взаимодействует с ней.

Находят также применение смеси инертных и активных газов. По сравнению с активными газами они позволяют повысить устойчивость горения дуги, улучшить формирование шва и условия переноса наплавленного металла в дуге, уменьшить разбрызгивание и химическое воздействие на металл сварочной ванны.

2.1.4. Технология и техника механизированной электродуговой наплавки

Технология и техника наплавки должны при максимальной производительности обеспечить хорошее формирование наплавленного слоя с целью уменьшения припусков на последующую механическую обработку наплавленных деталей.

Производительность наплавки, качество формирования наплавленного слоя, его химический состав и структура в значительной мере зависят от режима наплавки. Режим наплавки следует выбирать таким, чтобы были обеспечены хорошее формирование каждого наплавленного валика, максимальная производительность наплавки, минимальное (но надежное) проплавление основного металла или ранее наплавленного слоя, минимальный припуск для механической обработки.

Основные показатели режима наплавки: сила тока, напряжение дуги, скорость наплавки, вылет электрода, шаг наплавки, а при наплавке тел вращения - смещение с зенита (наплавка наружных поверхностей) или надира (наплавка внутренних поверхностей).

Сила тока определяет производительность наплавки. Чем больше сила тока, тем выше производительность. С увеличе-

31

нием силы тока растет длина сварочной ванны; при наплавке тел вращения возможно стекание металла. Очертания сечения наплавленного валика также зависят от силы тока - чрезмерное ее увеличение приводит к резкому увеличению глубины проплавления, образованию высоких и узких валиков.

Напряжение дуги при данной силе тока в значительной степени определяет форму наплавленного валика. При слишком малом напряжении получается узкий и высокий наплавленный валик, повышение напряжения увеличивает ширину и уменьшает высоту валика. При слишком большом напряжении получается очень широкий валик, что может привести к образованию продольных трещин по центру валика. При наплавке под флюсом повышение напряжения ведет к увеличению массы расплавленного шлака, что может повлиять на состав наплавленного металла, кроме того, в этом случае при наплавке тел вращения возможно стекание жидкого шлака. Напряжение дуги должно быть согласовано с силой тока: для выбора н а- пряжения в зависимости от силы тока можно руководствоваться данными графика (рис. 2.1), на котором оптимальный режим показан штриховкой.

Рис. 2.1. Зависимость напряжения дуги от силы тока

при наплавке под флюсом

Скорость наплавки (перемещение дуги) в отличие от скорости сварки напрямую не определяет производительность процесса, но влияет на распределение металла наплавляемой поверхности.

32

Производительность наплавки и форма сварочной ванны зависят также от числа электродов. При наплавке одним, двумя электродами оптимальное формирование получается на обратной полярности, при наплавке тремя, четырьмя электродами можно применять прямую полярность, что на 30 – 40 % увеличивает скорость плавления проволоки.

Оптимальная величина вылета электрода зависит от физических свойств проволоки или ленты, от их диаметра или толщины. Чем больше электрическое сопротивление и чем меньше диаметр проволоки, тем меньше должен быть вылет. Перегрев вылета приводит к изгибу проволоки и наплавке извилистых валиков, причем ухудшается и формирование наплавленного слоя. Обычно оптимальная величина вылета - около 30 мм.

Шаг наплавки, т. е. поперечное перемещение электрода при наплавке очередного валика, определяет гладкость наплавленной поверхности и долю основного металла в наплавленном. Слишком большой шаг наплавки может вызвать неровности и чрезмерное разбавление основным металлом, слишком малый шаг - дефекты в виде подворотов и непроваров. Для получения качественного слоя шаг наплавки должен составлять примерно от 0,4 до 0,75 ширины наплавленного валика.

Электродуговая наплавка деталей с цилиндрическими или коническими поверхностями. Автоматическую наплавку тел вращения, как правило, производят по винтовой линии или кольцевыми валиками с периодическим смещением на шаг (рис. 2.2). В первом случае деталь вращается, а электрод медленно движется параллельно оси вращения, во втором - электрод в конце каждого оборота детали перемещается на заданную величину шага наплавки. Преимущества этих способов: непрерывность процесса, обеспечивающая высокую производительность; хорошее формирование наплавленного слоя, что позволяет свести к минимуму припуск на обработку; симмет-

33

ричность остаточных напряжений по отношению к оси изделия, что уменьшает или совсем устраняет коробление; снижение до минимума доли основного металла в наплавленном, путем уменьшения шага наплавки.

Весьма эффективно применение широкослойной наплавки. При среднем диаметре изделий (100 - 300 мм) целесообразно применять перечные колебания электрода, а при большем - использовать многоэлектродную наплавку или наплавку лентами. Эти способы увеличивают производительность наплавки и в значительной степени снижают проплавление основного металла.

Рис. 2.2. Техника наплавки тел вращения: по винтовой линии;

кольцевыми валиками с периодическим смещением на шаг; широкослойными валиками

В некоторых случаях, например при опасности перегрева, для наплавки тел вращения применяют наплавку по образующей. Для уменьшения деформаций используют метод крестообразной компенсации - поворот изделия на 180° после наплавки очередного валика. При этом увеличивается время на установку детали в позицию наплавки, что снижает производительность процесса.

Качество формирования наплавленного слоя зависит от режима. Параметры режима наплавки должны быть выбраны такими, чтобы форма и размеры сварочной ванны соответствовали размерам наплавляемой детали, иначе возможно стекание жидкого шлака (при наплавке под флюсом) и металла.

Большое значение для формирования слоя, наплавленного на тело вращения, имеет правильный выбор смещения с зе-

34

нита, т.е. расстояния от зенита наплавляемой детали до оси электрода. Форма сечения наплавленного валика зависит от того, как уравновешиваются давление дуги и гидростатическое давление жидкой ванны. Если наплавленный участок поверхности наклонен в ту же сторону, куда перемещают дугу, уровень жидкого металла в кратере повышается. Расплавленный металл как бы вытесняет дугу. Глубина провара уменьшается, ширина наплавленного валика увеличивается, и он приобретает благоприятную форму. Наоборот, наклон наплавляемой поверхности в сторону, противоположную направлению перемещения электрода, ведет к снижению уровня жидкого металла в кратере. Глубина проплавления растет. Формируется узкий валик, возможно образование дефектов и стекание жидкого шлака и металла.

Величина смещения с зенита должна быть примерно равна длине сварочной ванны, зависящей от силы тока, напряжения, температуры изделия. С увеличением диаметра изделия и силы тока следует увеличить смещение с зенита. Например, при наплавке деталей диаметром 250 - 800 мм величину смещения с зенита устанавливают в пределах 20 - 60 мм.

Наплавка конических поверхностей не представляет особых затруднений, если образующая конуса наклонена по отношению к горизонтальной оси вращения не более чем на 20°. В этом случае коническую поверхность наплавляют аналогично цилиндрической. Для наплавки конических поверхностей с углом более 20° целесообразно применять специальное оборудование, с помощью которого конус устанавливают таким образом, чтобы его образующая была расположена в горизонтальном или близком к нему положении. Если при этом принять меры для сохранения постоянной окружной скорости и постоянного шага наплавки, то на конической поверхности можно получить практически тоже качество наплавленного слоя, как и на цилиндрической.

Электродуговая наплавка деталей сложной формы. На-

35

плавка тел вращения сложной формы наиболее качественно может быть выполнена при использовании специального наплавочного оборудования. Если рабочая поверхность изделия представляет собой сочетание различных поверхностей (цилиндрических, конических, тороидальных и т.д.), то их наплавку производят путем комбинирования движения электрода вдоль оси изделия и поворотов изделия. При этом удается к а- чественно наплавлять детали практически любой формы, кроме глубоких, «врезных» калибров валков некоторых прокатных станов.

При наплавке тел вращения сложной формы необходимо принять меры по предупреждению несплавлений и заклинивания шлаковой корки. При наплавке поверхностей, ограниченных вертикальной стенкой, процесс следует начинать так, чтобы избежать образования узкой щели между вертикальной стенкой и наплавленным валиком.

Наплавку внутренних цилиндрических поверхностей выполняют обычно в один слой при наклонной оси вращения. Способ облегчает подачу флюса, обеспечивается самопроизвольное удаление флюса и шлаковой корки. За один проход удается наплавить слой толщиной 2 - 4 мм. Проволоку подают через изогнутый мундштук. Наплавку начинают в самой нижней точке наплавляемой поверхности. Электрод медленно перемещают параллельно оси вращающегося изделия, и наплавленный валик ложится по винтовой линии.

Следует отметить, что наплавку под флюсом можно пр и- менять при восстановлении сравнительно неглубоких внутренних поверхностей. Если длина поверхности больше внутреннего диаметра в два раза и более, наплавка под флюсом становится практически невыполнимой. В этом случае целесообразно использовать наплавку открытой дугой в защитном газе или самозащитной порошковой проволокой.

При наплавке деталей сложной формы возможность визуального наблюдения за дугой и управления ею имеет боль-

36

шое значение. Ручная дуговая наплавка покрытыми электродами во многих случаях обеспечивает такие возможности. Однако это малопроизводительный процесс и качество наплавки во многом зависят от квалификации наплавщика. Лучшие результаты при восстановлении и упрочнении многих деталей сложной формы, а также деталей малого диаметра с глубокими внутренними поверхностями обеспечивают автоматическая и полуавтоматическая наплавка открытой дугой самозащитной порошковой проволокой. Простота процесса, маневренность, а также в 3 - 5 раз более высокая производительность по сравнению с наплавкой покрытыми электродами способствуют быстрому распространению этого способа наплавки.

При малом содержании шлакообразующих компонентов в шихте порошковой проволоки образующаяся на поверхности валиков тонкая пленка шлака в некоторых случаях не мешает наложению очередных валиков, а значит, нет необходимости непрерывно удалять шлаковую корку.

При наплавке крупных деталей вместо порошковой проволоки используют близкую по составу порошковую ленту, что дает дополнительный выигрыш в производительности. Наплавку деталей сложной формы также выполняют порошковой или сплошной проволокой в защитных газах. Например, наплавку в аргоне с успехом применяют в тех случаях, когда нужно нанести слой нержавеющей хромоникелевой, а также высоколегированной инструментальной стали.

Электродуговая наплавка плоских поверхностей. При на-

плавке плоских поверхностей стремятся наплавить большую площадь при наименьшей глубине проплавления основного металла и минимальном короблении детали.

При наплавке под флюсом плоских поверхностей простейшим способом является наплавка валиков на таком расстоянии друг от друга, чтобы не нужно было удалять шлак о- вую корку отдельно с каждого валика. Шлак удаляют со всех валиков сразу, затем наплавляют валики в свободных проме-

37

жутках, чтобы получить по возможности ровную поверхность. При этом получается достаточно глубокое проплавление основного металла, кроме того, при такой технике наплавки возможно значительное коробление наплавляемой детали.

Лучшие результаты дает широкослойная наплавка, при которой электрод совершает поперечные колебательные движения и в каждом крайнем положении электрод или изделие перемещается на шаг наплавки. Электрод при этом возвращается к краю наплавляемой полосы до затвердевания шлаковой корки. В зависимости от режима наплавки и вязкости применяемого шлака возможна наплавка полосы до 400 мм без удаления шлаковой корки и флюса. Глубина проплавления в данном случае может быть меньше по сравнению с наплавкой отдельными валиками, кроме того, снижаются затраты времени на удаление шлаковой корки.

Высокую производительность, небольшой провар и малое коробление обеспечивают многоэлектродная наплавка и наплавка электродной лентой.

Износостойкую наплавку плоских поверхностей больших размеров целесообразно также выполнять самозащитными порошковыми проволоками и лентами, сообщая электроду поперечные колебания с необходимым размахом. Так как в этом случае отсутствует шлаковая корка большой толщины, то размах колебаний электрода практически неограничен. Это обстоятельство, а также отсутствие затрат времени на удаление шлаковой корки и уборку флюса позволяют дополнительно повысить производительность наплавки.

2.2.Электрошлаковая наплавка

Воснове электрошлаковых технологий лежит процесс выделения теплоты в расплавленном шлаке при пропускании через него электрического тока. Электрошлаковая сварка была

разработана в начале 1950-х годов в ИЭС им. Е.О. Патона. Практически сразу электрошлаковый процесс начали приме-

38

нять и для наплавки.

Основные технико-экономические преимущества электрошлаковой наплавки (ЭШН) состоят в следующем:

-высокая производительность процесса наплавки (десятки и сотни килограммов наплавленного металла в час);

-высокая устойчивость процесса, мало зависящая от ро-

да тока;

-возможность использования ЭШН в широком диапазоне плотностей тока (0,2 - 300 А/мм2), а также применения для нее, как электродных проволок диаметром 2,0 мм и более, так

иэлектродов большого сечения (до 35000 мм2);

-возможность производить бездефектную наплавку ста-

лей и сплавов, склонных к трещинообразованию;

-возможность использования электродов и присадочных материалов различного сечения и формы, а также жидкого присадочного металла;

-более низкий по сравнению с дуговой наплавкой относительный расход электроэнергии и флюса;

-возможность регулирования и контроля проплавления;

-широкие пределы варьирования толщины наплавленно-

го слоя;

-возможность наплавки слоев большой толщины за один проход;

-возможность формирования заданных геометрических

размеров наплавленного слоя в процессе наплавки, что позволяет уменьшить припуски на механическую обработку или отказаться от нее.

ЭШН имеет и ряд недостатков. Для большинства процессов ЭШН основные из них - перегрев наплавленного металла и металла ЗТВ и снижение вследствие этого их ударной вязкости; сложность и металлоемкость оборудования; большая энергоемкость процесса; большой расход охлаждающей воды. С помощью большинства способов ЭШН невозможно наплавлять слои толщиной менее 10 - 15 мм и эти способы имеют от-

39

носительно сложное начало.

Однако, учитывая большую номенклатуру наплавляемых деталей, различные технологии ЭШН успешно применяют там, где указанные недостатки не являются существенными.

Для большинства способов ЭШН одним из условий обеспечения стабильности электрошлакового процесса является наличие достаточно глубокой шлаковой ванны. При ее малой глубине возможен переход процесса в электродуговой, при большой - увеличивается расход энергии на поддержание шлаковой ванны в расплавленном состоянии. Учитывая большой объем шлаковой и металлической ванн, при ЭШН, как правило, применяют формирующие устройства.

По технико-технологическим признакам ЭШН различа-

ют:

-со свободным или принудительным формированием;

-с жидким или твердым стартом;

-одноили многоэлектродную;

-с подвижными или неподвижными электродами;

-с горизонтальным, наклонным или вертикальным расположением наплавляемой поверхности;

-с питанием постоянным или переменным током.

При ЭШН возможно свободное или принудительное формирование наплавленного металла. В случае принудительного формирования используют как стационарные, так и подвижные формирующие устройства - ползуны и кристаллизаторы. Ползуны имеют простую геометрическую форму, чаще всего в виде прямоугольных водоохлаждаемых пластин. К кристаллизаторам относят формирующие устройства развитой формы, как правило, замкнутого сечения. Кристаллизаторы могут быть электрически нейтральными или токоподводящими, где необходимы меры для их защиты от электроэрозии.

ЭШН начинают с «твердого» или «жидкого» стартов. При твердом старте электрод закорачивается на изделие или на стартовую затравку, в некоторых случаях применяют флюсо-

40