книги из ГПНТБ / Технология ремонта танков [учебник]

жидком металле, при охлаждении детали. Известно, что выделив­ шийся водород скапливается в пустотах шва, создавая высокие напряжения.

Для уменьшения внутренних напряжений, микроскопических трещин и деформации, которые ухудшают качество ремонта дета­ ли, принимают следующие меры: медленно охлаждают детали; производят отжиг пли отпуск детали после сварки; используют спе­ циальные приемы сварки и подбирают определенный химический состав электродной проволоки и обмазки.

Ответственные детали сложной конструкции или детали, ма­ териал которых способен воспринять закалку, перед сваркой подо­ гревают. Температура подогрева устанавливается в зависимости от материала и конструкции детали.

При предварительном подогреве уменьшается разность темпе­ ратур между основным и наплавленным металлом. Кроме того, предварительный подогрев способствует медленному охлаждению детали. При таком охлаждении наплавленный металл приобре­ тает менее напряженную структуру. Он получается более вязким. С повышением вязкости металла уменьшаются внутренние напря­ жения.

Медленное охлаждение наплавленного металла обеспечивается также применением электродов с толстой обмазкой, содержащей! шлакообразующие компоненты, и многослойной сварки с отжигаю­ щим валиком. Легкоплавкие шлаки, всплывая на поверхность рас­ плавленной ванночки металла, обеспечивают надежную ее защиту от потоков воздуха. В ряде случаев после наплавки детали поме­ шают в песчаные бани или засыпают асбестовой крошкой.

Внутренние напряжения можно снять путем термической обра­ ботки (высокий отпуск или отжиг). При этом выравнивается структура основного и наплавленного металлов и, следовательно, уменьшаются внутренние напряжения. Однако деформации, полу­ ченные деталью при наплавке, в процессе термической обработки не устраняются.

Для уменьшения деформации деталей применяют мероприятия: предотвращающие возникновение деформаций и обеспечивающие исправление деформаций.

В комплекс мероприятий, предотвращающих возникновение де­ формаций входят: сварка способом уравновешивания деформа­ ций; обратно ступенчатый способ сварки; блочный способ сварки и жесткое закрепление детали. При сквозной сварке тонких сталь­ ных листов в стык в результате неравномерного охлаждения' от­ дельных участков шва в средней части свариваемых листов возни­ кают напряжения растяжения, а по краям — напряжения сжатия. Вследствие того, что эти напряжения достигают значительных раз­ меров, свариваемые листы деформируются. Для уменьшения на­ пряжений, вызывающих коробление листов, прибегают к способу уравновешивания деформаций. Шов делят на участки длиной 100— 150 мм, а затем их заваривают в разброс. Такой способ сварки

:206

листового материала способствует изменению эпюры и уменьше­ нию размеров напряжений, вследствие чего детали меньше дефор­ мируются.

Сущность обратно ступенчатою способа заключается в том, что сварку производят по ступеням (участкам). Каждую ступень сва­ ривают в направлении, обратном общему направлению сварки

(рис. 123).

При правильном выборе длины ступени деталь получает мини­ мальные коробления, так как температура по сечению шва распре­ деляется более благоприятно и внутренние напряжения, завися­ щие от длины шва, невелики. Длину ступени выбирают из такого расчета, чтобы при окончании сварки каждой последующей ступе­ ни начало предыдущей ступени имело температуру около 300°С.

Общее напрдбление сборки

Рис. 123. Схема обратно ступемча того способа сварки:

7, 2 и 3 — шиы; I — длинл ступени

Для сварки деталей из специальных сталей (например, броне­ вых листов) применяют блочный способ. Швы разбивают на бло­ ки (участки) длиной 100— 150 мм. Каждый блок шва заполняют сразу путем наплавки нужного числа валиков. После сварки пер­ вого блока переходят к заполнению второго и т. д.

Для исправления деформированных деталей применяют горя­ чую или холодную правку.

Выбор электродов и электродного покрытия. Свойства сварочно­ го шва или наплавленного слоя определяются главным образом ка­ чеством применяемых электродов.

Металлические электроды подразделяют на две группы: элект­ роды для сварки п электроды для наплавки изношенных деталей. Сварочные электроды обеспечивают получение прочного шва с вы­ соким коэффициентом относительного удлинения, а наплавочные электроды— необходимую твердость и износостойкость наплав­ ленного металла. Для получения высокой механической прочности сварного соединения или наплавленного слоя стальная проволока, применяемая для изготовления сварочных и наплавочных элект­ родов, должна обеспечивать получение плотного наплавленного металла требуемого химического состава.

Плотный наплавленный металл получается при спокойном (без разбрызгивания) плавлении проволоки. Для этого электродная проволока должна быть чистой, без ржавчины и окалины, которые вызывают усиленное газообразование, содержать малое количест­ во углерода и иметь в своем составе марганец, способствующий спокойному плавлению металла. Марганец восстанавливает окис­

207

лы железа, и вследствие чего уменьшается возможность их вос­ становления углеродом, способствующим газообразованию.

Для получения наплавленного металла требуемого химическо­ го состава и определенных механических свойств в составе элек­ тродной проволоки должны содержаться в достаточном количест­ ве компоненты, выгорающие в процессе сварки, и легирующие на­ плавленный металл. К таким компонентам относятся хром, марганец и др.

Температура плавления электродной проволоки должна быть близка к температуре плавления основного металла.

Несоответствие температур плавления электрода и металла мо­ жет привести к пережогу металла, если температура плавления электрода будет выше температуры плавления основного металла и к непровару, если температура плавления электрода будет ниже температуры плавления основного металла.

Для получения наплавленного слоя с высокими физико-механи­ ческими свойствами необходимы надежная защита расплавленной ванночки от воздуха и легирование металла марганцем, кремнием и другими элементами. При ручной электродуговой сварке это до­ стигается путем покрытия металлических электродов толстой (ка­ чественной) обмазкой.

Качественное покрытие в сочетании со сварочной проволокой должно обеспечить:

— устойчивое горение сварочной дуги;

208

—надежную защиту металла от кислорода и азота воздуха; •

—требуемый химический состав наплавленного металла;

•— хорошее формирование валика и очищение металла от вред­ ных примесей (шлаков и газов).

Эти требования обеспечиваются включением в состав качест­ венных электродных покрытий стабилизирующих, защитных и леги­ рующих компонентов.

Стабилизирующие компоненты электродного покрытия обеспе­ чивают наибольшую устойчивость сварочной дуги, которая зави­ сит от степени ионизации дугового промежутка между электродами.

Для стабилизации дуги в зону ее горения вводят легко ионизи­ рующиеся элементы: мел (СаС03), поташ (К2СО3) и титановый концентрат (основа ТЮг).

Защитные компоненты, кроме надежной защиты расплавленно­ го металла от вредного действия кислорода и азота воздуха, обес­ печивают медленное охлаждение наплавленного слоя и создают условия для удаления газов, растворенных в наплавленном ме­ талле.

В состав защитных компонентов входят газообразующие, шла­ кообразующие и раскисляющие элементы.

Газообразующие вещества при сгорании или диссоциации об­ разуют вокруг электрической дуги газовую завесу восстановитель­

Шлакообразующие компоненты электродного покрытия, рас­ плавляясь, образуют жидкие шлаки, которые защищают расплав­ ленный металл от действия воздуха и способствуют хорошему формированию валика.

Кроме того, шлаки, обладая малой теплопроводностью, предо­ храняют наплавленный металл от быстрого охлаждения. Это спо­ собствует наиболее полному удалению газов растворенных в ме­ талле.

Расплавленные шлаки представляют собой комплексные хими­ ческие соединения окислов металлов и металлоидов. Эти окислы, взаимодействуя между собой и с металлом, раскисляют его,, очи­ щают от серы и фосфора и регулируют химический состав наплав­ ленного металла.

Для лучшего выполнения своих функций шлаки должны обла­ дать следующими свойствами:

—удельный вес шлаков должен быть меньше удельного веса расплавленного металла. Такие шлаки всплывают на поверхность расплавленного металла и защищают его от действия воздуха;

—температура застывания шлаков должна быть ниже темпе­ ратуры застывания металла. Это необходимо для удаления газов, выделяющихся из ванны жидкого металла;

— остывший шлак должен легко удаляться с поверхности на­ плавленного металла.

По химическим свойствам шлаки подразделяют на основные и кислые.

У основных шлаков в процессе охлаждения быстрее, чем у ки­ слых, повышается вязкость. С повышением вязкости уменьшается их химическая и физическая активность. Однако основные шлаки, обладая повышенной вязкостью, более надежно закрывают рас­ плавленную ванночку металла. Основные шлаки получаются из марганцовой руды, плавикового шпата, мрамора и мела.

Кислые шлаки образуют кварц, полевой шпат и титановый кон­ центрат.

Раскисление металла при сварке производится за счет взаимо­ действия окислов с углеродом, кремнием, марганцем, титаном и алюминием. Поэтому в качестве раскисляющих и легирующих ком­ понентов в состав электродного покрытия вводят ферросплавы: ферромарганец, ферросилиций, ферротитан и др.

Одним из раскислителей является марганец. Раскисление метал­ ла марганцем протекает по реакции

FeO + Mn ^ MnO -f- Fe.

Окись марганца МлО в металле не растворяется и легко обра­ зует комплексные соединения со шлаками. Не менее важным свой­ ством марганца является его способность активно удалять серу. При взаимодействии марганца с серой образуются сульфиды мар­ ганца

FeS + Mn = MnS - f Fe

FeS -f- MnO = MnS -f- FeO.

Сульфид марганца не растворяется в металле и, всплывая на поверхность расплавленного металла, соединяется со шлаками.

Кремний более активно раскисляет металл

Si -|—20 —>■Si02.

Окись кремния в металле не растворяется и всплывает в виде шлака.

Кроме того, кремний в сварочной ванне подавляет реакцию между закисью железа и углеродом и поэтому способствует мень­ шему выделению окиси углерода.

Титан раскисляет металл по реакции

Ti + 2Fe0 = Ti02+ 2Fe.

Окись титана не растворима в железе и имея малый удельный вес, легко переходит в шлаки. Кроме того, титан связывает азот и из­ мельчает зерна кристаллизирующегося металла.

Алюминий является сильным раскислителем; окись алюминия не растворяется в жидком металле и переходит в шлак.

210

Учитывая, что фосфор ухудшает механические свойства наплав­ ленного металла и вызывает хладноломкость стали, его из расплав­ ленной ванночки металла удаляют путем окисления с последующим связыванием в прочное химическое соединение. Окисление фосфо­ ра происходит по реакции

2Fe3P + 5FeO = P2Os+ 9Fe.

В дальнейшем фосфорный ангидрид Р2О5 связывают окислами СаО и FeO. Этот процесс протекает по реакции

ЗСаО + Р2О5= СазРгОя.

Полученные стойкие соединения переходят в шлаки. Следова­ тельно, для удаления фосфора в составе шлака необходимо иметь достаточное количество FeO и СаО.

В качестве связующего вещества при приготовлении электрод­ ного покрытия применяют жидкое стекло.

Согласно ГОСТ 2523—61 различают типы и марки электродов. Марка электрода присваивается в зависимости от состава покры­ тия (табл. 1 2 ).

Для наращивания изношенных деталей применяют наплавоч­ ные электроды, обеспечивающие получение плотного наплавлен­ ного слоя металла необходимой твердости и высокой износостой­ кости.

Промышленность выпускает наплавочные электроды диамет­ ром 4—5 мм следующих марок: ЦН-250, ЦН-350, ОЗН-ЗОО; ОЗН350 и др.

Выбор режима наплавки. Правильный выбор режима наплавки оказывает большое влияние на качество сварного соединения или на­ плавленного слоя, а также на экономичность и производительность процессов.

Выбор режима ручной электродуговой наплавки заключается в определении величины сварочного тока и полярности. Величину тока устанавливают в зависимости от диаметра электрода и его химического состава.

Диаметр электрода определяют в зависимости от толщины сва­ риваемого металла (табл. 13).

Величину сварочного тока для углеродистых сталей можно оп­ ределить также пользуясь эмпирической формулой

1СВ~ ^

где daIi — диаметр электродного стержня в мм.

Для уменьшения зоны термического влияния и выгорания леги­ рующих элементов при наплавке легированной стали величину то­ ка, определенную по формуле или таблице, уменьшают на 1 0— 15%. При наплавке переменным током величину также уменьшают на 1 0 %.

ЭЛЕКТРОДУГОВАЯ АВТОМАТИЧЕСКАЯ И ПОЛУАВТОМАТИЧЕСКАЯ СВАРКА И НАПЛАВКА СТАЛЬНЫХ ДЕТАЛЕЙ ПОД СЛОЕМ ФЛЮСА

При электродуговой автоматической наплавке (рис. 124) дуга горит под слоем флюса. Сварочная проволока по мере оплавления автоматически подается к детали. Она также автоматически пере­ мещается вдоль шва. Автоматическая электродуговая наплавка под слоем флюса по сравнению с ручной обладает значительными преимуществами.

-<г

о

<М r\J

-0

Рис. 124. Принципиальная схема автоматической электро­ дуговой наплавки под слоем флюса

Вследствие того, что ток к электродной проволоке подводится на расстоянии 45—55 мм от места горения дуги, электрод нагре­ вается незначительно и представляется возможность повысить при наплавке ток до 140—160 а на 1 мм диаметра электрода. Так как сварочная дуга горит под слоем флюса, ее тепловая энергия ис­ пользуется более концентрированно, что увеличивает глубину про­ плавления металла наплавляемой детали. Концентрированный нагрев металла и возможность применения большого сварочного тока позволяют повысить скорость сварки до 40 м/ч и более. Про­ изводительность наплавки по сравнению с ручной повышается в не­ сколько раз.

В результате уменьшения разбрызгивания металла значительно повышается экономия сварочной проволоки.

Концентрированный нагрев металла также способствует повы­ шению коэффициента полезного действия дуги до 0,65 (при ручной сварке к. п. д. 0,35). Коэффициент наплавки составляет 16— 17 г/а-ч; при ручной наплавке он равен 7—10 г/а-ч. Поэтому обес­ печивается экономия электрической энергии.

Следующим технологическим преимуществом автоматической электродуговой наплавки под слоем флюса является высокое ка­ чество сварного шва; наплавленный металл отличается повышен­ ной плотностью и пластичностью. Технологические преимущества определяются металлургическими особенностями процесса.

Полуавтоматическая электродуговая наплавка под слоем флю­ са (рис. 125) отличается от автоматической наплавки только тем, что перемещение электрода вдоль наплавляемой детали произво­

214

дится вручную. Флюс в зону дуги поступает из небольшого бунке­ ра, укрепленного на держателе.

При полуавтоматической электродуговой наплавке под слоем флюса качество наплавленного металла, при прочих равных усло­ виях, зависит от равномерности перемещения электрода вдоль де­ тали. Опытом установлено, что достаточно высокая равномерность перемещения проволоки вдоль детали обеспечивается при скорости наплавки 30—40 м/ч.

Следующей отличительной особенностью полуавтоматической наплавки под слоем флюса является применение электродной про­ волоки малого (1,6—2,0 мм) диаметра.

При использовании тонкой электродной проволоки увеличи­ вается доля тепла, расходуемого на плавление электрода, и повы­ шается коэффициент наплавки. Кроме того, несколько увеличи­ вается глубина провара. Это объясняется значительным повыше­ нием плотности тока. При больших плотностях тока и малом диа­ метре проволоки повышается интенсивность выгорания углерода. Поэтому при полуавтоматической наплавке под слоем флюса уменьшается опасность образования горячих (кристаллизацион­ ных) трещин в металле валика.

Рис. 125. Схема полуавтоматической электродуговой наплавки под слоем флюса:

Учитывая все эти особенности полуавтоматической наплавки, для уменьшения глубины проплавления основного металла на 25— 30% снижают ток по сравнению с автоматической наплавкой. С уменьшением глубины проплавления значительно уменьшается до­ ля основного металла в наплавленном валике.

215

Особенности металлургических процессов при автоматической и полуавтоматической наплавке под слоем флюса. Вследствие эффек­ тивной защиты металла слоем расплавленного флюса примерно в 10 раз уменьшается содержание азота и кислорода в расплавленном металле. Исследованиями установлено, что содержание азота в ме­ талле не превышает 0,002%- Кроме того, резко уменьшается выгора­ ние легирующих компонентов металла. Поэтому металл шва отли­ чается высокой пластичностью.

Расплавленный металл под слоем шлака более продолжительное время, чем при ручной наплавке, находится в жидком состоянии, вследствие чего создаются благоприятные условия для выхода газа из ванночки расплавленного металла. Шов получается плотный и вязкий.

Постоянство режима автоматической наплавки под слоем флюса обеспечивает стабильный химический состав и высокие механиче­ ские свойства металла'шва.

При высокой температуре в зоне сварочной дуги металлургиче­ ские реакции между металлом и шлаком протекают энергично. В результате этих реакций изменяются составы обеих фаз. Поэтому, изменяя состав флюса, можно регулировать (уменьшать или увели­ чивать) содержание отдельных элементов в наплавленном металле.

Наиболее существенное значение имеет взаимодействие атомов железа, находящихся в металле, с ионами марганца и кремния, присутствующими в шлаке. В результате обмена зарядами по­ ложительные ионы марганца и кремния восстанавливаются и пе­

зультате взаимодействия металла и шлака.

Как известно, марганец и кремний оказывают положительное влияние на металл шва. Марганец уменьшает опасность образова­ ния горячих трещин и улучшает механические свойства наплавлен­ ного металла. Кремний способствует спокойному плавлению ме­ талла и обеспечивает получение плотного шва. Поэтому желатель­ но в состав флюса вводить кремнезем и закись марганца.

В процессе наплавки наблюдается также частичное окисление углерода электродной проволоки и удаление его в атмосферу в виде окиси углерода.

Кислород в расплавленную ванночку металла может поступать из флюса или из окалины и ржавчины на поверхности электродной проволоки или детали. Исследованиями установлено, что интенсив­ ность перехода кислорода в металл увеличивается при повышенном содержании во флюсе окислов марганца, кремния и железа или влаги.

216