2336

Таблица 3 . 8 Рекомендуемые режимы наплавки порошковой проволокой

Наплавка сжатой дугой (плазменная наплавка). Одна из разновид-

ностей дуговой наплавки – наплавка сжатой дугой. С помощью такой наплавки можно получать наплавленные слои толщиной 0,2...5,0 мм с припуском на последующую механическую обработку 0,4...0,9 мм. Производительность процесса – 1...12 кг/ч. При малой глубине проплавления (0,3…3,5 мм) обеспечивается доля основного металла в наплавленном слое до 30 % при зоне термического влияния 3...6 мм. Наплавляют детали диаметром более 12 мм, снижая на 10...15% предел выносливости (при вибродуговой наплавке – на 35...40 %).

Между центральным вольфрамовым катодом 4 (рис. 3.16) и внутренним соплом 6 с помощью дросселя LL возбуждается электрическая дуга. Продуваемый между ними плазмообразующий газ 5 сжимает дугу, повышая ее температуру. В результате происходят термическая диссоциация газа и образование высокоионизированного потока частиц – плазмы, которая служит высококонцентрированным источником тепловой энергии с температурой 10 000...30 000 ºС. Процесс протекает с малым проплавлением и большим термическим КПД.

Наибольшее применение нашли плазмотроны прямого действия с комбинированным способом сжатия дугового разряда, однодуговые с тангенциальной подачей инертного газа, работающие на постоянном токе прямой полярности и с радиальной подачей материала. У плазмотрона различают основную дугу – между анодом и деталью и вспомогательную – между анодом и соплом. Самые теплонапряженные детали плазмотрона – это электрод и сопло. Материал электрода определяется составом плазмообразующей среды. В плазмотронах, работающих с применением инертных и нейтральных газов (аргон, азот, гелий, смеси: аргон и азот, аргон и водород, азот и водород), используют электроды из вольфрама. В плазмотронах, работающих в кислородсодержащих средах, применяют катоды из гафния и циркония. Водоохлаждаемое сопло выполнено из меди. Сопло, рассчитанное на ток силой 260...310 А, имеет диаметр отверстия для выхода плазмы 3...4 мм. Диаметр насадки для подачи защитного газа 10...13 мм.

91

Плазменная наплавка нашла применение при восстановлении ответственных деталей, к которым, например, относятся: коленчатые и распределительные валы, валы турбокомпрессоров, оси, крестовины карданных шарниров и др.

Рис. 3.16. Схема наплавки с вдуванием порошка в плазменную струю: 1 – привод; 2 – деталь; 3 – наружное сопло; 4 – вольфрамовый катод; 5 – плазмообразующий газ; 6 – внутреннее сопло – анод; 7 – питатель;

8 – транспортирующий газ; 9 – защитный газ; С – сварочный преобразователь; R1 и R2 – реостаты; LL – дроссель

Наплавляют по винтовой линии, однако при наличии специального механизма колебаний, перемещающего плазмотрон вдоль детали, есть возможность получения наплавленных слоев шириной до 50...60 мм. Частота колебаний плазмотрона – 40...100 в 1 мин.

Силу тока косвенной и прямой дуг регулируют с помощью балластных реостатов R1 и R2 (см. рис. 3.16).

Вкачестве плазмообразующих газов наиболее часто используют аргон

иазот, а транспортирующих и защитных – азот, углекислый газ и их смеси

(табл. 3.9)

Выбор материалов для наплавки зависит от свойства наплавленного слоя как с точки зрения высокой адгезии к поверхности детали, так и с точки зрения износостойкости слоя, которая может быть в 1,5...2 раза и более выше, чем у исходной детали. В этих целях применяют порошковые твердые сплавы ПР-Н80Х13С2Р, ПР-Н65Х25СЗРЗ, ПГ-СР4 (ПГ-ХН80СР4), ПГ-ФБХ-6-2 (У45Х35ХСР) и др., с помощью которых можно получить твердость наплавленного слоя 25...60 HRC. Оптимальная грануляция порошков – 200...600 мкм с разбросом до 30 мкм. Для наплавки используют и легированные сварочные и наплавочные проволоки.

При наплавке порошковыми твердыми сплавами наряду с высокой твердостью и износостойкостью у наплавленного металла высокая хрупкость и он плохо работает в условиях знакопеременных нагрузок. Наплавка проволочными электродами не обеспечивает высокой износостойкости,

92

но металл достаточно пластичен. При комбинированной наплавке может быть достигнуто оптимальное сочетание физико-механических свойств.

Режимы наплавки влияют на свойства слоя. Так, с увеличением сварочного тока повышается производительность процесса, но увеличиваются нагрев детали и глубина проплавления. От напряжения холостого хода зависит устойчивость наплавки: при наплавке порошком оно должно быть не менее 100 В, а электродной проволокой – 70 В.

Таблица 3 . 9

Состав плазмообразующих газов

Снижение скорости наплавки приводит к увеличению толщины наплавленного слоя и повышению тепловыделения в деталь. При чрезмерном увеличении скорости уменьшаются ширина и толщина наплавленного металла и ухудшается прочность его сцепления с деталью.

При наплавке плазмотрон смещают с зенита в сторону, противоположную направлению вращения детали (на 3...5 мм для деталей диаметром до 100 мм). Расстояние от сопла плазмотрона до поверхности детали 12...20 мм (при комбинированном способе – 8...16 мм). Расстояние от сопла плазмотрона до электропроводной проволоки – 5...8 мм.

Плазменной наплавкой восстанавливают детали типа «вал» (коленчатые и распределительные валы, фаски клапанов газораспределительного механизма и т.д.).

Технологические расчеты плазменной наплавки порошка выполняются в такой последовательности.

Определяют диаметр детали до наплавки DО, мм, после наплавки DН, мм, и длину наплавленной шейки l, мм.

Толщина наплавленного слоя, мм:

93

Число наплавленных слоев nC при h<2,5 мм принимают равным едини-

це, при 2,5<h< 5 мм nC=2 и при 5<h<7,5 nC=3.

Назначают расход наносимого порошка в зависимости от диаметра восстанавливаемой детали из отрезка значений QП=0,3...3,0 кг/ч. Меньшее значение расхода порошка соответствует наплавке детали диаметром от 10 мм. Большее значение можно применять для деталей начиная с диаметра 50 мм.

Сила плазмообразующего тока, А:

Выбирают марку плазменной горелки по силе тока. Для определения скорости наплавки необходимо провести некоторые промежуточные расчеты. Масса mВ (кг) одного валика

где SП – подача плазменной горелки, мм/об;

ρ – плотность порошка, кг/м3. Число валиков металла nВ, наносимых в одну минуту (мин-1), равно:

94

Импульсно-дуговая сварка и наплавка. Импульсно-дуговая наплав-

ка состоит в том, что на наплавочный ток малого значения накладывают импульсы тока с частотой 30 – 100 импульсов/с генератора импульсов. Наплавка осуществляется от источника постоянного тока и импульсного генератора, дающего кратковременные импульсы. Установка для импульснодуговой наплавки (сварки) (рис. 3.17) состоит из сварочного выпрямителя СВ, импульсного генератора ИГ и индуктивной катушки L. Питание сварочной дуги осуществляется от сварочного выпрямителя СВ. На постоянный ток накладывают импульсы от генератора ИГ, состоящего из конденсатора С, выпрямителя В, сопротивления R и контактов К1, К2. Замыкая контакт К1, конденсатор заряжается до определенной величины емкости. Замыкая контакт К2, конденсатор разряжается, посылая импульс тока на дугу.

Зарядка конденсатора идет через сопротивление R. Выпрямитель СВ защищен от импульсного тока индуктивной катушкой L. Конструкция импульсного генератора упрощается в том случае, если частота импульсов соответствует промышленной частоте тока 50 или 100 Гц.

Рис. 3.17. Схема установки для импульсно-дуговой наплавки (сварки)

Кривые тока и напряжения при импульсно-дуговой наплавке (сварке) показаны на рис. 3.18.

Рис. 3.18. Кривые напряжения (а) и тока (б) при импульсно-дуговой наплавке

Наложение на постоянный ток импульсов тока упорядочивает перенос металла в сварочной дуге. Так, если силу тока в импульсе увеличить в 5 раз, то усилие, воздействующее на металл, увеличивается в 25 раз.

95

Электродинамические силы, возникающие в дуге, облегчают наплавку, увеличивая глубину проплавления, и в целом улучшают формирование и качество сварного шва.

3.2.2. Бездуговые способы наплавки

Электрошлаковая сварка и наплавка. Разработана в 1974 г. в Ин-

ституте электросварки имени Е.О. Патона. Электрошлаковая сварка (наплавка) является бездуговым процессом. Расплавление основного и электродного металла при электрошлаковой сварке осуществляется за счет тепла, выделяемого при прохождении электрического тока через расплавленный электропроводный флюс – шлак. Электрошлаковая сварка выполняется в вертикальном положении или с наклоном от вертикали до 30° (рис. 3.19).

плавляет кромки свариваемых деталей и электрод. Расплавленный металл стекает на дно шлаковой ванны, образуя металлическую ванну 5, которая, затвердевая, образует сварной шов. По мере заполнения зазора металлом поднимается шлаковая ванна и производится подъем всей системы, состоящей из формующих приспособлений, электрода и сварочного аппарата.

Преимущества электрошлаковой сварки:

1.Отсутствие дугового процесса исключает разбрызгивание металла и шлака.

2.Возможность сварки деталей за один проход практически неограниченной толщины без разделки кромок.

3.Вертикальное положение шва и длительность пребывания металла в жидком состоянии способствуют лучшему удалению газа и шлака и обеспечивают меньшую чувствительность процесса к влажности, ржавчине и другим загрязнениям кромок, благодаря чему обеспечивается получение наиболее плотных сварных швов.

96

4.Малый расход флюса снижает расход электроэнергии на его плавление и способствует получению швов с более постоянным химическим составом.

5.Равномерный нагрев металла по всей толщине устраняет угловые деформации

6.Производительность сварки выше автоматической сварки под флюсом в 5–15 раз, при этом с увеличением толщины возрастает экономичность электрошлаковой сварки.

Диаметр и число электродов (рис. 3.20) при электрошлаковой наплавке определяют исходя из толщины и ширины наплавленного шва. Диаметр обычно принимают равным 3 мм, толщину наплавленного металла можно увеличивать до 20...30 мм и ширину шва до 60 мм. Для расширения диапазона перечисленных значений применяют перемещение электрода по ванне со скоростью 30...40 м/ч и многоэлектродный процесс.

Рис. 3.20. Схема электрошлаковой наплавки:

1 – кристаллизатор; 2 – шлаковая ванна; 3 – электрод; 4 – мундштук; 5 – дозатор легирующих добавок; 6 –диск; 7 – восстанавливаемая деталь; 8 – оправка; 9 – покрытие

Силу сварочного тока I и напряжение устанавливают по количеству теплоты, необходимой для расплавления соответствующего объема металла с учетом потерь. Сила сварочного тока, А:

где С – эмпирический коэффициент (С – 1,6...2,7 А-ч/м).

97

Глубина шлаковой ванны существенно влияет на процесс. Недостаточное ее значение нарушает устойчивость процесса, приводит к кипению и разбрызгиванию шлака, а слишком большое – уменьшает проплавление основного металла детали. Оптимальной считают глубину, равную 40...60 мм. Сухой вылет электрода – 100...500 мм.

Электроконтактная приварка металлического слоя. Сущность электроконтактной приварки металлического слоя состоит в закреплении

наносимого металла и поверхностного слоя детали, нагретых в очагах пла-

где k – коэффициент пропорциональности;

I – ток, A;

R – сопротивление участка цепи, Ом; t – время действия тока, с.

Деформирующее усилие составляет 1000...1600 Н. Слой приваривают ко всей поверхности детали перекрывающимися точками, которые располагаются по винтовой линии. Сварные точки перекрываются как вдоль рядов, так и между ними. Перекрытия точек достигают частотой импульсов тока, пропорциональной частоте вращения детали и скорости продольного перемещения сварочной головки. Такое расположение сварных точек обеспечивает высококачественную приварку. При электроконтактной приварке материал детали прогревается на малую глубину, что обеспечивает неизменность его химического состава и исключает применение флюсов и защитных газов. Для уменьшения нагрева детали и улучшения условий за-

98

калки приваренного слоя в зону приварки подают охлаждающую жидкость.

По сравнению с дуговыми способами наплавки электроконтактная приварка металлического слоя с охлаждением рабочей зоны позволяет:

увеличить производительность труда в 2...3 раза;

сократить расход материалов в 3…4 раза за счет сокращения потерь на разбрызгивание метала и создания минимально необходимого припуска на обработку;

исключить нагрев и деформацию детали;

обеспечить закалку слоя непосредственно в процессе приварки;

достичь высокой прочности сцепления покрытия с восстанавливаемой поверхностью (100…250 МПа);

наплавлять черные и цветные металлы на различные марки сталей и чугунов;

исключить выгорание легирующих элементов;

обеспечить различные сочетания присадочных материалов;

Зона термического влияния не более 0,5 мм и при нанесении второго слоя распространяется лишь на толщину первого слоя, не достигая основного металла. Разновидности способа определяются видами основного материала, применяемого для нанесения покрытий. Металлический слой создают из проволоки, ленты, порошков, сочетания порошков с лентой.

На твердость и прочность покрытия наибольшее влияние оказывает его материал (табл. 3.10).

Таблица 3 . 1 0 Твердость приваренного слоя в зависимости от материала ленты

Проволочный материал нашел широкое применение при восстановлении резьбы и шеек валов, ленточный – при восстановлении шеек валов и поверхности отверстий в корпусных деталях, а порошковый – при восстановлении шеек валов и конических поверхностей клапанов.

Электроконтактная приварка проволоки обеспечивает хорошее соединение покрытия с восстанавливаемой поверхностью, постепенное изменение свойств в зоне перехода между приваренным и основным металлом, наличие зоны сплавления между витками проволоки, проникновение металла последующего валика в предыдущий, что повышает прочность соединения по сравнению со способами сварки, где имеется зона пережога, характеризующаяся низкой прочностью, формированием мелкодисперсной структуры, которая способствует не только увеличению твердости, но и

99

ударной вязкости металла, а в конечном итоге уменьшает интенсивность изнашивания.

Диаметр проволоки при восстановлении резьбы выбирают из расчета, чтобы при нагреве и осадке проволока полностью заполнила впадину между витками и обеспечила припуск на механическую обработку. Этому условию удовлетворяет превышение диаметра проволоки на 5...10 % шага резьбы. Зависимость между усилием сжатия Q (в ньютонах) и силой сварочного тока I (в амперах) выражается формулой

Приварка проволоки обеспечивает высшую износостойкость покрытий, но отрицательно влияет на усталостную прочность восстановленных элементов. Приварка проволок Св-08ГС и 65Г снижает усталостную прочность на 10...25 % по сравнению с этими показателями у нормализованной стали 45 и чугуна ВЧ-50. В отличие от стали 45, закаленной ТВЧ, снижение этого показателя у образцов с покрытием, нанесенным электроконтактной приваркой, значительно больше и достигает 50 %. Режимы приварки проволоки приведены в табл. 3.11. Длительность импульса составля-

ет 0,02...0,04 с, а пауза 0,06...0,08 с. Скорость приварки 1,6...2,0 м/мин.

Таблица 3 . 1 1 Режимы электроконтактной приварки проволоки на наружные поверхности цилиндрических деталей

Большое распространение среди способов приварки получила электроконтактная приварка ленты. Режимы электроконтактной приварки ленты приведены в табл. 3.12. Этот способ требует применения оборудования для мерной отрезки ленты и ее предварительной гибки. К такому оборудованию относятся установка 02.11.157 «Ремдеталь» для продольной и поперечной размерной резки ленты и гибочный станок 01.08.001. Применение установки 02.11.157 «Ремдеталь» повышает производительность труда в 5 раз по сравнению с изготовлением ленты вручную.

100