2336

ее помощью устанавливают режимы и способы сварки, технологическую последовательность выполнения сварочных работ.

Под эксплуатационной свариваемостью понимают прочность и пластичность сварных соединений при определенных условиях нагружения. Ее критерием считают разрушающее усилие, характеризующее механическую прочность при испытании на срез и растяжение.

Стали по свариваемости разделяют на четыре группы. К основным признакам групп стали относят склонность к образованию трещин и механические свойства сварного соединения.

В первую группу входят хорошо сваривающиеся стали Ст1…Ст6, стали 08, 10…15, 20…25 и низколегированные 15Х, 15ХГ, 12ХН2 и др. Их сваривают по обычной технологии, т.е. без предварительного подогрева, а также без последующей термообработки.

Ко второй относятся удовлетворительно сваривающиеся стали (стали 30 и 35, низколегированные с содержанием углерода 0,3…0,35 % – 20ХН3А, 20ХГСА И 30Х и высоколегированные – 12Х14А, 9Х14А, 30Х13 и др.). При их сварке и наплавке в нормальных условиях трещины не образуются, но желательна последующая термообработка.

Третья группа представляет собой ограниченно сваривающиеся стали, склонные в обычных условиях сварки к образованию трещин (углеродистые 40, 45 и 50, низколегированные с содержанием углерода до 0,45 % – 30ХГС, 40ХМЮ и 45Л, высоколегированные – 20Х18Н9, 36Х18Н25С2, 20Х23Н18 и др.). После сварки их подвергают термообработке.

К четвертой группе относят плохо сваривающиеся стали, которые наиболее трудно поддаются сварке и наплавке и склонны к образованию трещин (стали с содержанием углерода более 0,55% – стали 60...85, низко- и среднелегированные – 50Г, 50ХГСА и 45ХНЗМФА, высоколегированные с цементированными рабочими поверхностями – 18ХНЗА, 12Х2НЧА и ЗХ2В8Ф и др.). Чтобы предупредить образование трещин на границе наплавки с цементированным слоем, необходимо предварительно подогреть деталь до температуры 200...300 ºС и провести последующую термообработку.

Особенностисваркичугунов. Сваркавызываетзначительныетрудности:

отсутствие площадки текучести у чугуна, повышенная хрупкость и небольшой предел прочности на растяжение, часто служит причиной образования трещин;

отсутствие переходного пластического состояния при нагреве до плавления. Высокая жидкотекучесть затрудняет ремонт деталей даже с небольшим уклоном от горизонтального положения;

получение отбеленных участков карбида железа (Fe3C – цементит) затрудняет механическую обработку и вызывает образование трещин.

71

Чугунные детали можно восстанавливать дуговой сваркой металлическим или угольным электродом, газовой сваркой, порошковой проволокой, аргонодуговой сваркой и т.д.

Выбор способа сварки зависит от требований к соединению. При определении метода учитывают: необходимость механической обработки металла шва и околошовной зоны после сварки, получение однородности металла шва с металлом свариваемых деталей; требования к плотности шва; нагрузки, при которых должны работать детали.

На получение качественного соединения влияют технологические и металлургические факторы. К первым относят силу тока, напряжение дуги

искорость наплавки, ко вторым – графитизацию, удаление углерода и карбидообразование.

Холодную сварку выполняют как с подогревом, так и без предварительного подогрева деталей, для недопущения отбела чугуна и закалки сварного шва.

Для получения пластичного шва сваривать рекомендуется на низких режимах при силе тока 90...120 А электродами с малым диаметром (3 мм), короткими валиками (длиной 40...50 мм), с охлаждением деталей после наложения каждого валика до температуры 330...340 °С. Это позволяет в некоторой степени снизить долю основного металла в металле шва и значение сварочных напряжений посредством проковки валиков шва сразу же после окончания сварки.

Чтобы получить более мягкую перлитно-ферритную структуру, необходимо, чтобы процесс графитизации прошел более полно, т.е. до такой стадии, при которой осталось бы мало углерода в связанном состоянии. Ускорению графитизации способствуют такие элементы, как С, Si, Al, Ti, Ni и Сu, а также малая скорость охлаждения детали. Таким образом заваривают трещины в нижней части блок-картера, особенно в поперечинах, где расположены опорные гнезда для коренных подшипников коленчатого вала двигателей автомобилей ЗИЛ, КамАЗ, МАЗ, ВАЗ и др.

Введение в состав наплавочных материалов кислородсодержащих компонентов способствует максимальному удалению избыточного углерода.

Карбидообразующие элементы W, Cr, Vn, Мо связывают углерод в труднорастворимые карбиды.

Ручную дуговую холодную сварку чугуна стальными электродами подразделяют на сварку стальными электродами без специальных покрытий; с карбидообразующими элементами в покрытии; с окислительными покрытиями.

Стальными электродами без специальных покрытий сваривают тогда, когда не требуется механическая обработка и не оговариваются плотность

ипрочность соединения. В качестве электродного материала для сварки применяют электроды Э-34 и Э-42. Основной ее недостаток – появление трещин и отбеленных структур в самом шве и околошовной зоне.

72

При холодной сварке тонкостенных чугунных деталей (рубашки охлаждения блок-картеров, корпуса коробок передач) широко используют проволоки ПАНЧ-11 и ПАНЧ-12 (табл. 3.1).

Установлено, что наличие большого количества никеля при сочетании с редкоземельными элементами (литий, церий и др.) позволяет получить пластичный, без трещин и пор металл шва. В зоне сплавления отсутствует ледебурит.

Сварка и наплавка цветных металлов. Сварка деталей из алюминия

иего сплавов затрудняется по следующим причинам:

очень плохая сплавляемость металла из-за образования на его поверхности тугоплавкой оксидной пленки А12О3;

при нагреве до 400...450 ºС алюминий сильно теряет свою прочность

идеталь может разрушиться от легкого удара или от действия собственной массы;

металл, минуя пластическое состояние, при нагреве сразу переходит из твердого в жидкое состояние;

коэффициент линейного расширения алюминия в 2, а теплопроводность в 3 раза больше, чем у стали;

поглощение растворенным металлом воздуха способствует образованию пор.

Наиболее эффективные средства для удаления оксидной пленки – химическое взаимодействие с элементами из группы галогенов. В природе известно много соединений, содержащих галогены, но для использования в качестве сварочного флюса они должны иметь невысокую (600...700 °С) температуру плавления. Этим требованиям удовлетворяют соли щелочных

ищелочно-земельных металлов (NaF, NaCl, KC1, Na3AlFe6, BaCl2, CaF2 и

др.). У сварки с применением флюса много положительных сторон. Однако ее нельзя применять в различных пространственных положениях. Кроме того, коррозионная стойкость шва снижается из-за остатков флюса на его поверхности.

Алюминий и его сплавы сваривают дуговой, аргонодуговой и газовой сваркой. Поверхности обезжиривают растворителями и очищают от нагара, масла и грязи не более чем за 2...4 ч до сварки.

73

Дуговую сварку выполняют угольными или плавящимися электродами. Сварку угольными электродами ведут на постоянном токе прямой полярности. Детали толщиной до 2 мм сваривают без присадочного металла и разделки кромок, а свыше 2 мм и с зазором, составляющим 0,5...0,7 от толщины свариваемой детали, с разделкой кромок. Оксидную пленку уда-

ляют с помощью флюса АФ-4А.

Сварку плавящимися электродами проводят короткой дугой при обратной полярности из расчета не более 40 А на 1 мм диаметра электрода со скоростью 0,4...0,6 м/мин. Перед заваркой трещину разделывают в виде канавки по всей длине.

Аргонодуговую сварку выполняют неплавящимся вольфрамовым электродом на установках УД Г-301 и УДГ-501. В зависимости от толщины стенки свариваемой детали выбирают диаметр электрода и силу тока. Чем тоньше стенки, тем меньше диаметр электрода и сила тока.

Особые требования предъявляют к технике сварки. Угол между присадочным материалом и вольфрамовым электродом должен составлять примерно 90°. Размеры сварочной ванны должны быть минимальными. Сварку стенок толщиной до 10 мм обычно ведут справа налево, т.е. левым способом, при котором снижается перегрев металла. Дуга должна быть как можно короче.

Режим сварки при толщине стенки 4...6 мм: диаметр присадочного материала 3...4 мм; сила тока 150...270 А; напряжение 18...20 В; расход аргона 7...10 л/мин. При добавлении к аргону 10...12 % (по объему) углекислого газа и 2...3 % кислорода повышается устойчивость горения дуги и улучшается формирование металла.

Режим наплавки при диаметре электродной проволоки 0,8...1 мм: сила тока 70...90 А; напряжение 17...19 В; скорость подачи проволоки 160...200 м/ч; шаг наплавки 1,5...1,8 м/об; толщина наплавленного слоя за один проход 0,8...1,0 мм; расход аргона 2...3 л/мин.

Газовую сварку ацетиленокислородным нейтральным пламенем выполняют с помощью флюсов АФ-4А, АН-4А и других, содержащих хлористые и фтористые соли лития, натрия, калия и бария. В качестве присадочных прутков применяют сплав с содержанием 5...6 % кремния.

3.2. Механизированная сварка и наплавка

Механизированные способы сварки и наплавки наиболее широко используют на специализированных ремонтных предприятиях. Наряду с традиционными методами наплавок – под слоем флюса, в среде углекислого газа, вибродуговой, электроконтактной, электрошлаковой, индукционной разработаны перспективные способы наплавки: лазерная, плазменная и др.

74

Выбор способа наплавки обусловливается материалом детали, требуемыми физико-механическими свойствами наплавляемого слоя, геометрическими параметрами детали, износами и др.

Условно способы сварки и наплавки можно разделить на дуговые и бездуговые.

3.2.1. Дуговые способы сварки и наплавки

Дуговая сварка и наплавка под слоем флюса. Этот вид наплавки по сути является развитием ручной наплавки с электродами с толстым качественным покрытием. Наплавка под слоем флюса разработана коллективом под руководством акад. Е.О. Патона в 1938–1939 гг.

Сущность электродуговой наплавки под слоем флюса заключается в том, что сварочная дуга горит между голым электродом и изделием под слоем гранулированного флюса с размерами зерен 0,5…3,5 мм и толщиной

10…40 мм При использовании этого способа можно повысить мощность свароч-

ной дуги за счет увеличения допустимой плотности тока до 150...200 А/мм2 (при ручной дуговой сварке плавящимся электродом не превышает 15...30 А/мм2) без опасности перегрева электрода. Производительность сварочно-наплавочных работ повышается в 6...7 раз по сравнению с ручной дуговой сваркой.

Горение дуги под слоем флюса способствует резкому снижению теплообмена с внешней средой, в результате чего удельный расход электроэнергии при наплавке металла уменьшается с 6...8 до 3...5 кВт-ч/кг. Значительно улучшаются условия формирования наплавленного металла и его химический состав. Так, содержание кислорода в наплавленном слое в 20 раз и более, а азота – втрое ниже, чем при наплавке открытым электродом.

При механизации процесса сокращаются потери электродного материала на разбрызгивание с 20...30 до 2...4 %, а также снижается влияние квалификации сварщика на качество сварочно-наплавочных работ.

Между электродом 1 (рис. 3.8), проходящим через мундштук 2, и деталью 11 возбуждается электрическая дуга 5. В зону горения последней по флюсопроводу 4 поступает флюс 3. Тепловая энергия, возникающая при горении дуги, оплавляет электрод и расплавляет флюс. В результате образуется флюсовый пузырь, состоящий из газовой оболочки 7 и расплавленного флюса 6, что защищает дугу и расплавленный металл 8 от воздействия внешней среды. По мере перемещения сварочной ванны наплавленный металл 9 остывает и формируется под защитой шлаковой корки 10.

Наплавкой под слоем флюса восстанавливают и упрочняют детали с достаточно большими износами (до 3...5 мм).

Для этого используют наплавочные головки, устанавливаемые на обычные токарные станки или специализированные наплавочные полуав-

75

томаты, наплавляют детали типа «вал», а также детали сложного профиля (шестерни и т.п.), например шейки коленчатых валов, мелкомодульные зубчатые колеса и шлицевые валы коробок передач.

Наплавочная установка включает в себя вращатель (токарный станок), обеспечивающий закрепление и вращение деталей и перемещение наплавочной головки относительно ее.

Наплавочная головка состоит из механизма подачи проволоки, изменяющего ступенчато или плавно скорости подачи электрода, мундштука для подвода проволоки к детали, флюсоаппарата, представляющего собой бункер с задвижкой для регулирования количества подаваемого флюса. В некоторых случаях во флюсоаппарат входит устройство для просеивания и транспортирования флюса в бункер.

Наибольшее распространение получила наплавка при постоянном токе, так как она способствует получению более высокой стабильности и качества процесса.

Источниками постоянного тока служат сварочные преобразователи и выпрямители, рассчитанные на номинальный ток до

300...500 А.

При наплавке обычно применяют обратную полярность, т.е. на деталь подается отрицательный потенциал, а на электрод – положительный, что уменьшает ее нагрев и позволяет более рационально использовать теплоту.

В процессе наплавки можно в широких пределах изменять механические свойства наплавленного металла за счет выбора соответствующих флюсов с леги-

рующими элементами и электродных материалов.

Шлакообразующие вещества (марганцевая руда, полевой шпат, кварц, плавиковый шпат и др.) образуют шлаковую корку, необходимую для защиты металла от окисления и улучшения формирования металла шва.

Раскисляющие и легирующие вещества (ферромарганец, ферротитан, феррохром, алюминий и др.) способствуют раскислению сварочной ванны и легированию ее соответствующими элементами.

76

Газообразующие вещества (крахмал, декстрин, древесная мука и т.д.) при нагреве разлагаются с выделением значительного количества газов (СО и СО2), которые вытесняют воздух из зоны горения дуги.

Ионизирующие вещества (сода, поташ, диоксид титана) образуют легкоионизирующиеся газы, стабилизирующие горение дуги.

Различают плавленые и керамические флюсы.

Плавленые флюсы приготовляют сплавлением в печах компонентов, входящих в их состав, с последующей грануляцией.

Керамические флюсы, например АНК-18, 19, 40, включают в себя ферросплавы с температурой плавления в 1,5...2,0 раза выше, чем остальные компоненты. Поэтому они не могут быть приготовлены сплавлением.

Компоненты измельчаются, просеиваются и смешиваются в заданных пропорциях с добавлением связующего вещества (жидкого стекла). Полученная масса гранулируется, подсушивается и прокаливается при темпера-

туре 300...400 °С.

Различают мелкозернистые (0,4...2,5 мм) и крупнозернистые (1,6...4,0 мм) флюсы. Плавленые флюсы имеют низкую стоимость, обеспечивают качественную защиту металла и его легирование марганцем и кремнием (табл. 3.2, 3.3).

Посредством керамических флюсов за счет имеющихся в их составе ферросплавов можно легировать наплавленный металл хромом, титаном, алюминием и другими металлами. Однако стоимость таких флюсов выше.

Таблица 3 . 2 Содержание компонентов в плавленых флюсах, по массе в %

Силу сварочного така IСВ, А и напряжение U, В источника питания рассчитывают по формулам:

где D – диаметр детали, мм.

77

С ростом силы тока увеличивается глубина проплавления, в то же время повышение напряжения благоприятно сказывается на подвижности дуги, что снижает глубину проплавления и делает валик более широким.

Важный показатель, характеризующий удельное значение скорости наплавки, – коэффициент наплавки, г/(А-ч),

где d – диаметр электродной проволоки, мм.

Скорость перемещения дуги, или скорость наплавки, м/ч, обусловливается шириной валиков и глубиной проплавления и рассчитывается по формуле

где F – площадь поперечного сечения наплавленного валика, см2 (при d=1,2...2,0 мм F=0,06...0,2 см2);

γ – плотность металла шва, г/см3.

Скорость подачи электродной проволоки определяется возможностью ее полного расплавления и определяется по формуле

При увеличении вылета электродной проволоки повышается электрическое сопротивление цепи, что приводит к росту коэффициента расплавления, снижению тока наплавки, а следовательно, и глубины проплавления.

Вылет электрода, мм,

78

Шаг наплавки определяется перекрытием валиков и влияет на волнистость наплавленного слоя. Оптимальное его значение определяется из выражения

При смещении электрода от зенита в сторону, противоположную вращению детали, с одной стороны, улучшаются условия формирования наплавленного слоя, а с другой – гидростатическое давление жидкой ванны металла вытесняет дугу, что уменьшает глубину проплавления. Оптимальное его значение определяется из выражения

Выбранные режимы уточняют в процессе пробных наплавок. Разновидностями наплавки под слоем флюса являются наплавка под

лежачим электродом, многоэлектродная наплавка и по слою порошка. Наплавка лежачим электродом (прутковым или пластинчатым) из

низкоуглеродистой или легированной стали применяется для восстановления плоскостей (рис. 3.9). Часть флюса насыпают на восстанавливаемую поверхность (толщиной 3...5 мм), а часть – на электрод (толщина слоя флюса достигает 10...15 мм). В одном месте электрод замыкают с деталью для возбуждения дуги, которая при горении блуждает в поперечном направлении. Плотность тока составляет 6...9 А/мм2, напряжение – 35...45 В.

Рис. 3.9. Наплавка лежачим (пластинчатым электродом):

1 – пластинчатый электрод; 2 – слой флюса; 3 – восстанавливаемая деталь; 4 – покрытие; 5 – сварочная ванна

Повышение производительности и более высокое содержание легирующих элементов в покрытии обеспечиваются многоэлектродной наплавкой под флюсом на детали со значительным износом на большой площади (рис. 3.10). Блуждающая дуга горит между деталью и ближайшим к ней электродом.

Механизированная наплавка под слоем флюса применяется при восстановлении деталей (диаметром более 50 мм) из углеродистых и низколегированных сталей, требующих нанесения слоя толщиной более 2 мм, с

79

высокими требованиями к его механическим свойствам. Механизированная наплавка под слоем флюса обладает такими преимуществами:

повышенная производительность труда в 6...8 раз по сравнению с ручной электродуговой наплавкой с одновременным снижением расхода электроэнергии в 2 раза за счет более высокого термического КПД;

высокое качество наплавленного металла благодаря насыщению необходимыми легирующими элементами и рациональной организации тепловых процессов;

возможность получения покрытий большой толщины (более 2 мм);

улучшенные условия труда наплавщиков за счет механизации процесса и отсутствия открытой дуги.

появление силикатной пыли при загрузке флюса в бункер и его просеивании после использования, вредный фактор для организма человека.

Вибродуговая наплавка. Процесс разработан в Челябинском институте механизации и электрификации сельского хозяйства (ЧИМЭСХ) инж. Г.П. Клековниковым в 1950–1952 гг.

Отличительные особенности вибродуговой наплавки:

высокая производительность (до 2,6 кг/ч);

незначительный нагрев детали;

80