Ремонтная сварка и наплавка. Учебно-методическое пособие

УДК 621.791.9

ББК Ж616

К68

Рецензенты:

зам. главного сварщика ОАО НПК «Уралвагонзавод», заслуженный машиностроитель, лауреат премии Правительства РФ

Б. Л. Головизнин;

замдиректора ООО «Инженерный центр сварочных технологий», почетный машиностроитель И. Д. Михайлов

Научный редактор:

д-р техн. наук Е. Н. Сафонов

Коротков, В. А.

К68 Ремонтная сварка и наплавка : учеб.-метод. пособие /

В. А. Коротков. — Саратов: Издательство «Вузовское образование», 2013. — (Высшее образование). — 39 с. — Док. опубл. не был. — Доступ с сайта ЭБС

IPRbooks.

В пособии рассмотрены особенности ремонтной сварки, виды износа и основы технологии наплавки.

Предназначено для специалистов профиля ОТСП всех форм обучения по направлению «Машиностроение».

УДК 621.791.9

ББК Ж616

Библиогр.: 20 назв. Рис. 19. Табл. 11.

© Коротков В. А.

2

ОГЛАВЛЕНИЕ

1.2.Разделка трещин ……………………………………………………. 7

1.3.Способы сварки, сварочные материалы и оборудование ………... 8

1.4.Подогрев при сварке и проковка швов ……………………………. 11

1.5.Заполнение разделок ……………………………………………….. 12

1.6.Отпуск ………………………………………………………………. 15

Вопросы для проверки знаний ………………………………………………….. 16

2.НАПЛАВКА …………………………………………………………….. 17

2.1.Виды износа и износостойкие материалы ………………………... 17

2.1.1.Основные понятия ……………………………………………... 17

2.1.2.Схватывание, диспергирование, безызносность …………….. 18

2.1.3.Контактная усталость …………………………………………. 21

2.1.4.Термическая усталость ………………………………………... 23

2.1.5.Абразивный износ ……………………………………………... 24

2.1.6.Эрозия, кавитация ……………………………………………... 25

2.1.7.Коррозия ………………………………………………………... 26

2.1.8.Комплексное изнашивание ……………………………………. 28

2.2.3.Подготовительные операции …………………………………. 31

2.2.4.Назначение режимов наплавки ……………………………….. 33

2.2.5.Операции после наплавки …………………………………….. 34

Вопросы для проверки знаний ………………………………………………….. 36

3.ЭКОНОМИКА ВОССТАНОВЛЕНИЯ И УПРОЧНЕНИЯ …………... 36

Вопросы для проверки знаний ………………………………………………….. 38

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК …………………………………….. 38

3

ВВЕДЕНИЕ

Основными причинами (более 80 %) выхода из строя механического оборудования является износ и поломки.

Детали, получившие поломку или локальные трещины, приводят в исправное состояние ремонтной сваркой. Условия ремонтной сварки могут существенно отличаться от условий сварки при изготовлении новых деталей, что позволяет выделить ремонтную сварку для обособленного рассмотрения.

Износ представляет собой потерю деталью массы или очертаний. При этом тело детали сохраняет способность воспринимать нагрузки. Материала для восполнения износа (очертаний) требуется в десятки раз меньше, чем при изготовлении новых деталей. Поэтому сразу с появлением машин стали разрабатываться способы восстановления износа. Сначала износ восполняли клепкой накладок, а если это цилиндрические поверхности – то запрессовкой втулок. Впоследствии для этого стали применяться: а) гальванические покрытия с 30-х гг. XIX в.; б) наплавка с 80-х гг. XIX в.; в) напыление с 20-х гг. XX в.; г) полимерные композиты (эпоксидная смола с наполнителем) с 60-х гг. XX в. Наибольшее применение для восстановления износа нашла наплавка (электродуговая, газопламенная, лазерная и проч.), которая обеспечивает надежное сцепление наплавленного слоя с основой, и позволяет наносить на изношенную поверхность слои различной толщины (2–30 мм) практически всех машиностроительных сталей и сплавов.

Вработе [1] указывается, что недостатки машин особенно наглядно выявляются при ремонте, и доводка машин, по существу, начинается только после ввода их в эксплуатацию. Отсюда следует, что ремонтную сварку и наплавку це-

лесообразно производить с корректировкой, направленной на улучшение рабо-

тоспособности изделий. В этом направлении во второй половине XX в. были достигнуты значительные успехи. Если раньше восстановленные детали преимущественно работали хуже новых, и к восстановлению прибегали только при нехватке новых запасных частей, то теперь они работают не только не хуже, но даже лучше новых. Например, наплавка жаропрочной проволокой увеличила стойкость прокатных валков в 10 раз [2], а плазменное напыление деталей авиационного двигателя – в 2 раза [3].

В90-х гг. XX в. был выработан индустриальный кодекс рециклинга. Со-

гласно ему восстанавливать надо все изношенные детали, а чтобы восстановление было удобным и дешевым его надлежит предусматривать уже при проектировании. При этом, если не удается использовать восстановленные детали по прямому назначению, им следует изыскивать альтернативное применение. Та-

4

ким образом принцип «секонд хенд» из бытовой сферы перешел в промышленную.

В 2002 г. индустриальный кодекс рециклинга был закреплен в виде международного стандарта ISO 22628:2002, а в 2003 г. его приняла Морская организация (IMO) при ООН резолюцией А.962(23) о рециклинге судов. В апреле 2005 г. Европарламент, следуя кодексу рециклинга, вынес запрет на переплавку в «третьих» странах списанных танкеров. Их теперь разбирают в Европе для восстановления и повторного употребления составляющих частей и агрегатов. Таким образом, кодекс рециклинга стал частью экономической политики развитых государств. Во исполнение его сервисным центрам вменяют прием изношенных деталей для восстановления.

Вопросы для проверки знаний

1.Каковы основные причины выхода из строя механического оборудования?

2.Как проявляется износ?

3.Перечислите способы восстановления износа.

4.Какую дополнительную задачу можно решить ремонтной сваркой и наплав-

кой?

5. В чем заключается кодекс рециклинга и его применение?

5

1. РЕМОНТНАЯ СВАРКА

1.1. Особенности ремонтной сварки

В настоящее время во всем мире, и в том числе в РФ, эксплуатируется значительное количество инженерных сооружений и технологических агрегатов, которые имеют в своем составе крупногабаритные и дорогостоящие элементы большой массы, поврежденные трещинами различного происхождения (усталостными, от перегрузки, от дефектов изготовления и др.). Их замена сопряжена не только с большими затратами на приобретение новых, но и с потерями объемов основного производства во время монтажного простоя. Это побуждает прибегать к ремонтной заварке трещин в условиях действующего производства.

Одна из трудностей проведения ремонтной сварки в действующем производстве состоит в том, что на нее отводится ограниченное время. Это заставляет изыскивать меры по ускорению сварки, причем часто используются недопустимые, дающие ожидаемое снижение качества. Распространено закладывание разделок прутками. Многие ремонтные бригады всегда имеют в наличие набор таких прутков разного диаметра. Заложенные прутки обнаруживаются даже в швах, прошедших ультразвуковой контроль. Это наихудший способ ускорения сварочных работ, от которого следует воздерживаться.

Другая трудность выполнения ремонтной сварки заключается в том, что сварка ведется по поврежденному металлу, что приводит к появлению сварочных (горячих и холодных) трещин. Эти повреждения имеют вид:

пластических деформаций, образовавшихся при разрушении;

структурных превращений от старения металла при эксплуатации;

дефектов металла, не выявленных при изготовлении проката и литья. Ремонтная сварка нередко исключает возможность проведения операций

предварительного подогрева, отпуска после сварки, кантовки конструкции в удобное для сварки положение. При ремонтной сварке часто выдвигается требование исключения сварочных деформаций, ибо их исправление бывает невозможным.

Вышеперечисленное приводит к тому, что используемые при изготовлении изделий технологии сварки могут оказаться непригодными для ремонтов. Отсюда проистекает необходимость разработки специальных технологий ремонтной сварки.

6

1.2. Разделка трещин

При ремонтной сварке много времени расходуется на разделку трещин и подготовку кромок. Наиболее быстро разделка трещин осуществляется воздушнодуговой строжкой (ВДС). Она проста в осуществлении, не требует дорогого оборудования и высокой квалификации персонала. В результате ДВС формируется разделка с гладкой поверхностью (рис. 1.1), которая способствует качественному сплавлению шва с основным металлом.

При разделке трещин актуальна проблема их полного удаления. Предварительное выявление трещин методами неразрушающего контроля еще не гарантирует, что они будут полностью удалены. Для этого требуется повторный контроль, что замедляет работы. В этом отношении разделка трещин ВДС имеет неоспоримое преимущество. Трещины в процессе ВДС хорошо просматриваются и вероятность, что они будут удалены не полностью, чрезвычайно мала.

Однако, производители изделий тяжелого машиностроения (Уралмашзавод и др.) в своих рекомендациях указывают механическую разделку трещин, а если и допускают термическую (газовым резаком или ВДС), то с последующим механическим удалением слоя, испытавшего термическое воздействие. Оба варианта более

трудоемкие, чем ВДС, поэтому рассматривались возможности отказа от их применения [4].

Какие же недостатки имеет ВДС, что от нее рекомендуется воздерживаться? Это термические напряжения, вызывающие распространение разделываемых трещин, закалка зоны термического влияния (ЗТВ) и науглероживание кромок.

Чтобы избежать роста трещин, применяют сверловку или прожигание методом ВДС отверстий вблизи концов трещин в направлении их возможного распространения. Кроме того, выбирается оптимальное направление разделки трещин: от их концов (отверстий) к середине.

Науглероживание кромок и закалка ЗТВ при ВДС создает предпосылку к охрупчиванию сварного соединения. Избежать этого позволяет предварительная облицовка кромок наплавкой. В ходе ее ЗТВ от ВДС переплавляется, а ЗТВ от облицовочной наплавки получается уже без науглероживания, а значит без закалки.

7

Контроль ЗТВ на предрасположенность к образованию трещин можно проводить путем измерения твердости переносным ультразвуковым твердомером, типа УЗИТ-3. Если твердость на кромках разделки ≤ НВ250 – то трещин не образуется; при НВ 250…350 – трещины маловероятны; при НВ 350…450 – трещины вероятны; при твердости свыше НВ450 – трещины образуются [5]. Замеры твердости следует выполнять на узком участке, не далее 1–4 мм от кромки.

Примечание. В скобках – для электродов ОЗР-1, Ø 5мм при токе 300 А

Для осуществления ВДС требуется сжатый воздух и угольный (графитовый) электрод. В отсутствие сжатого воздуха разделка производится сварочными или специальными разделочными электродами ОЗР-1. Характеристики различных видов дуговой строжки приведены в табл. 1.1.

1.3. Способы сварки, сварочные материалы и оборудование

Ручная сварка

Наиболее распространено проведение ремонтной сварки покрытыми электродами, т. е. вручную. Она может производиться во всех пространственных положениях и в труднодоступных местах. Для организации рабочих мест не требуется больших материальных и трудозатрат.

Покрытые электроды для ручной сварки выпускаются практически для всех сталей и сплавов, применяемых в машиностроении. Их выбирают по тем же принципам, что и при изготовлении новых изделий.

С учетом характера разрушения и условий выполнения сварки возможны отступления от этих принципов в пользу применения более дорогостоящих сварочных электродов. Например, вместо электродов из углеродистых сталей типа Э-50А (УОНИ 13/55) используются аустенитные электроды для сварки разнородных сталей (ОЗЛ-6), которые дороже, но позволяют отказаться от подогрева,

8

а выполненные ими швы при эксплуатации успешнее выдерживают ударные нагрузки и низкие температуры.

Сварка полуавтоматами

Недостаток ручной сварки покрытыми электродами (табл. 1.2) состоит в небольшой производительности (1 кг/ч). Когда объемы сварки значительные, а время, отводимое на сварку, невелико, целесообразно применять сварочные полуавтоматы. При этом сменная выработка возрастает с 7 кг (при ручной сварке покрытыми электродами) до 35 кг [6], что эффективно решает важную проблему ремонтной сварки – ускорения работ, с целью сокращения ремонтных простоев основного производства. Но организация сварки полуавтоматами сложнее и требует более квалифицированного персонала.

Механизированная сварка с помощью полуавтоматов выполняется порошковой самозащитной проволокой открытой дугой или стальной проволокой в защитных газах (табл. 1.2). Организация сварки, особенно на выезде, самозащитной проволокой проще, однако сваренные ею швы, за счет более высокой насыщенности водородом, менее стойки к образованию сварочных трещин и имеют меньшие значения ударной вязкости при низких температурах.

Таблица 1.2

Сварочные материалы для ремонтной сварки горно-металлургического оборудования

*Более дорогие, но с легкой отделимостью шлаковой корки из узких разделок

**Более прочная и менее дорогостоящая

9

Ручная аргонодуговая сварка W-электродом

Она по сравнению с ручной сваркой покрытыми электродами менее производительная, поэтому применяется при сварке небольших толщин и заварке корневых швов.

С помощью ее обеспечивается малое проплавление основного металла, а значит и небольшое участие основного металла в наплавленном металле. Это имеет значение при сварке разнородных сталей аустенитными материалами. При глубоком проплавлении основного углеродистого металла сварочный шов, за счет разбавления основным нелегированным металлом, может перейти из аустенитного в мартенситное (хрупкое) состояние, что приведет к появлению трещин. Поэтому, во избежание глубокого проплавления основного металла, корень шва заваривают аргонодуговой сваркой. С этой же целью прибегают к аргонодуговой облицовке кромок аустенитным материалом, прежде чем приступить к заварке разделки покрытыми аустенитными электродами.

Сварочное оборудование

Ремонтная сварка часто выполняется с выездом ремонтной бригады к месту нахождения ремонтируемого оборудования. В этих случаях предпочтительнее источники питания с небольшим весом. К таковым относятся инверторные выпрямители, масса которых приблизительно в 2 раза меньше массы обычных выпрямителей. Кроме того, в них предусматриваются функции улучшения качества горения дуги.

1.Задержка в снижении напряжения холостого хода при коротком замыкании в начале сварки обеспечивает возбуждение дуги с первого касания электродом изделия. Эта функция получила название «горячий старт», т. к. избавляет сварщика от необходимости при разжигании дуги многократными касаниями изделия разогревать кончик электрода.

2.Увеличение тока при достижении напряжением на дуге критично малого значения предупреждает «примерзание» электрода к изделию – функция «антипримерзание» – и облегчает сварку короткой дугой электродами с основным типом покрытия. Таким образом, при использовании инверторных источников питания от сварщиков требуется меньшее индивидуальное мастерство. Это позволяет привлекать к ответственным, а значит высокооплачиваемым, работам молодых рабочих, что способствует закреплению кадров.

Некоторые инверторные выпрямители в сварочных полуавтоматах имеют функцию создания импульсов тока. Импульсный ток применяется для сварки алюминиевых сплавов (алюминиевых и оловянных бронз) с целью предупреждения пористости швов. При сварке сталей импульсы тока снижают разбрызги-

10