21.03.20 группа 749 «Общие сведения о газовой наплавке»

Сущность процесса газопламенной наплавки

[context] Наплавка используется преимущественно для ремонта и восстановления сработанных деталей, а также для нанесения поверхностных слоев со специальными свойствами. Процесс во многом похож на газовую сварку. В отличии от сварки поверхность деталей расплавляется на меньшую глубину. При помощи газовой горелки можно контролировать степень расплавления присадочного и основного металла независимо друг от друга. Пламя горелки защищает расплавленный металл от окисления воздухом и испарения химических элементов.
Для нанесения наплавленного слоя необходимо разогреть основной металл. На разогретый металл направляют пламя, но не расплавляют его, и подают присадку. Расплавленная присадка должна растечься по нагретому металлу.

Недостатком газопламенной наплавки является низкая продуктивность в зависимости от дуговых методов наплавки и большая зона нагрева. Большая зона нагревания деталей увеличивает вероятность появления напряжений и деформаций, поэтому этот вид наплавки лучше использовать для небольших деталей.

Виды механизированной наплавки

Сегодня актуальны такие способы:

• • под флюсом;
• • в защитной газовой среде;
• • электроконтактный;
• • электрошлаковый;
• • вибродуговой;
• • плазменный.

Теперь рассмотрим каждый из них подробнее.

Работы под флюсом удобны тем, что при их осуществлении воздух не воздействует на разгоряченный металл, что помогает избежать пор и в целом облегчает труд. Плюс, отсутствует разбрызгивание, выделяющееся тепло используется более эффективно, можно выполнить легирование.

Сам процесс отличается своей производительностью, и тому есть две причины:

• • Вылет сравнительно малый, поэтому ток (не единицу площади стержня) в 7-8 раз выше, чем при ручной дуговой сварке.
• • Образующийся шлак помогает минимизировать потери основного материала, что положительно сказывается на итоговом коэффициенте напайки (увеличивает его в 1,5-2 раза).

Роль электрода выполняет сплошная проволока сечением 1-6 мм, скорость ее подачи регулируется автоматическим устройством и составляет от 100 до 300 км/ч. К ней подводится «плюс» от источника (через мундштук из меди), тогда как «минус» – к самой заготовке (но ток при этом еще проходит через станину и съемник).

При этом флюс может быть стеклообразным, представляя собой размельченную смесь силикатов (серия АН), и только оберегать основной материал от воздуха. Или содержать в себе легирующие, связывающие, шлакообразующие, раскисляющие добавки и изменять физико-химические свойства наносимого покрытия.

Механизированная наплавка поверхностей деталей в защитной газовой среде проводится в пространстве, заполненном смесью аргона и водяного пара или CO2. Первый дорого стоит, поэтому на заводах по умолчанию используют CO2, ремонтируя в нем кузова, элементы кабин и оперения и многие другие заготовки.

Процесс протекает следующим образом: поданный в рабочую зону, углекислый газ вытесняет собой воздух, не давая кислороду или азоту негативно воздействовать на созданный шов. Проблема только в том, что дуга нагревается до 6000 0С, а при такой температуре связи в CO2 нарушаются, и реакция его распада провоцирует выгорание легирующих веществ и углерода в наносимом покрытии. Чтобы нивелировать возможный вред, следует использовать специальную присадочную проволоку из серии Св, в составе которой содержатся добавки титана, кремния, марганца.

Этот вариант обладает сразу четырьмя преимуществами:

• • позволяет получить ровный, плотный и даже эстетичный слой (причем без шлака), не требующий какой-то последующей обработки;
• • дает возможность решить вопрос в 1,5-3 раза быстрее, чем вручную;
• • обеспечивает все условия для визуального контроля процесса;
• • способствует попутному охлаждению заготовки, из-за чего поверхность последней не коробится.

В число минусов запишем относительную непрочность шва и сравнительно большое разбрызгивание.

Зато метод просто реализуется на практике: стандартного 40-литрового баллона углекислоты хватает на 20 часов работы. Содержащуюся в ней влагу не проблема нейтрализовать осушителем – медным купоросом. Отличным редуктором станет обычный кислородный. Все операции нужно проводить с подачей тока обратной полярности.

Есть как классические, так и современные механизированные способы сварки и наплавки деталей. Электроконтактная относится, скорее, ко второй категории, так как выполняется на модернизированном оборудовании. Для ее реализации используются машины, приваривающие проволочный или ленточный металл, в один или несколько проходов, и таким образом создающие равномерное покрытие нужной толщины (до 3 мм). Рациональнее, если слоев будет 2-4: это позволит сохранить все физико-механические свойства, исключая перегрев при проведении работ.

Перемешивание основного и дополнительного материала стремится к нулю, особенно при использовании промежуточных присадок – порошков ПГ-СР. При этом вполне реально поддерживать производительность на уровне 2-4 кг/ч.

Электрошлаковый метод позволяет ремонтировать даже сильно изношенные элементы, например, Он обеспечивает высокое качество шва, причем работу можно проводить действительно быстро, показатель в 30 г/Ач вполне реален.

Схема следующая:

• • флюс нагревается дугой, после чего через него пропускается ток;
• • в таких условиях электрод плавится и образует ванну вместе с основным металлом;
• • кристаллизатор движется вверх с определенной скоростью, а нижние слои постепенно остывают.

Обратите внимание, рабочая зона в этом случае полностью защищена от влияния воздуха, поэтому ничто не мешает вводить легирующие добавки и использовать выделяющееся тепло с максимальной эффективностью.

Техника и технология механизированной наплавки вибродуговым способом сводится к использованию присадочного стержня, создающего колебания с амплитудой от 1 до 3 мм и частотой от 50 до 100 Гц. В результате весь процесс становится чередой из трех циклично повторяющихся этапов:

• • горение;
• • холостой ход;
• • замыкание.

Причем на первом шаге выделяется до 9/10 всего тепла, а на третьем – только 1/10. Это объясняется тем, что 12-20 В, т. е. при малом напряжении источника тока в цепи есть индуктивность, а значит дуга остается стабильной, и ее вольтаж уже 30-35 В.

Для максимальной эффективности стоит подключать ток обратной полярности и выполнять работу в охлаждающей жидкой среде. Хорошо подойдет водный раствор глицерина (10%) или кальцинированной соды (5%), поданный за 40 мм от присадочного стержня. В результате нагрева он обратится в пар, который и заберет вредные азотистые соединения. Кроме того, Ca сделает горение более стабильным, а C3H8O3 предотвратит появление трещин.

Да, метод хорош малой зоной повышения температуры и почти полным отсутствием потерь легирующих элементов и позволяет получить тонкое, но прочное покрытие, но у него есть и недостаток. Минус в том, что усталостная прочность заготовки снижается – из-за появления пор в нанесенном слое, что частично ограничивает случаи применения.

Если же рассматривать современные механизированные способы наплавки, то самой прогрессивной считается плазменная технология. В соответствии с ней восстановление изношенной поверхности осуществляется под воздействием сильно нагретого и богато ионизированного газа – аргона, гелия, воздуха, азота с добавками.

Может осуществляться по одной из трех схем – с открытой, закрытой и комбинированной струей. В первом случае роль анода выполняет заготовка, во втором – горелка или сопло, в третьем – и то и другое.

Варианта реализации тоже два:

• • плазма захватывает порошок и равномерно осаждает его на поверхность;
• присадка сразу вводится в струю.

Метод обладает пятью практическими преимуществами:

• • за счет концентрации высокой температуры зона термического влияния сужается;
• • благодаря ему на сталь реально наносить самые разные износостойкие материалы, даже пластмассу;
• • позволяет точно регулировать толщину слоя – от тонкой, в 0,1 мм, до 2-3 мм;
• • отличается сравнительно высоким КПД дуги – достигает 45%;
• • по нему можно выполнять еще и поверхностную закалку.

Газопламенная наплавка цветных металлов

Газопламенным методом направляют латунь. Для наплавки меди и бронзы целесообразно использовать дуговые методы наплавки. Латунь направляют на стальные и чугунные детали. Горючим газом может быть ацетилен и его заменители. Последние используют для наплавки кремнистой латуни с использованием флюсов.

Чтобы избежать образования трещин газовое пламя должны быть нормальным. В зависимости от высоты наплавляемого слоя который необходимо получить выбирается наконечник горелки и диаметр присадочной проволоки.

Смотрите режимы газопламенной наплавки на рисунку ниже.

Материалы для газопламенной наплавки латуни

Присадочная проволока. Для наплавки латуни на черные металлы подойдет подавляющее большинство латунных присадок, кроме тех что изготовлены из кремнистой латуни (ЛК62–05, ЛК80–3 и др.). Кремнистые латуни создают пористый слой на участке сплавления и не обеспечивают надежного соединения с черным металлом.

Хорошо подходят латуни марок ЛК62–02 — с пониженным содержанием кремния, и ЛНК56-03-6 — легированные никелем.

Флюсы. Наплавка металла простыми латунями выполняется с использованием газообразных флюсов БМ-1 или любых других, что и для сварки латуни. Флюс вводят прямо в пламя, поэтому процесс называется газофлюсовой наплавкой. Кремнистые латуни наплавляют с использованием флюс-пасты №3. Флюс вводят в расплавленный металл вручную (кроме газообразных).

Техника газопламенной наплавки латуни

Поверхность наплавляемых деталей подготавливают под наплавку — зачищают до металлического блеска. Поверхность присадочной проволоки очищают от грязи и окисли. Детали больших размеров необходимо подогревать до температуры 500 градусов. При использовании порошкообразных флюсов детали подогревают до 900-950° С. Их используют чаще для наплавки латуни на сталь и чугун.

Наплавку осуществляют левым способом, в нижнем положении. Для наплавки поверхностей разной длины можно наплавлять непрерывными или обратно ступенчатыми валиками. В последнем случае каждый следующий валик должен перекрывать окончание предыдущего на 15-20 мм.

Наплавка может быть одно и многослойной. После нанесения флюса первый слой делают высотой 0,3-0,5 мм. Последний слой делают исходя из необходимой высоты валика. Горелка наклонена под углом 45° к основному металлу.

Во время наплавки прямолинейными слоями можно наклонять деталь под углом до 15° для увеличения высоты наплавленного слоя. При наплавке кольцевых швов угол наклоне не должен превышать 40°. Чтобы избежать испарения цинка необходимо использовать науглероженное пламя. После наплавки швы проковывают при температуре 750-800° C.

Наплавку латуни на чугун следует делать в крайних случаях. Подогревание чугуна до температуры 900-950 градусов приводит к выгоранию графита, продукты сгорания которого трудно смачиваются. Поэтому необходимо сразу выпалить графит с поверхностных слоев чугуна науглероженным пламям и зачистить щеткой.

Что называют механизированной наплавкой

В общем случае это процесс нанесения специального слоя на изношенную поверхность, который, затвердев, не только восстановит начальную форму детали, но и станет своего рода защитным покрытием. Весь смысл (и главная особенность) здесь в том, как осуществляется данный вид работ, а реализовать его можно одним из двух вариантов:

• • автоматически – как подача электродного материала, так и его перемещение (и заготовки тоже) в пространстве выполняется оборудованием; многие установки обеспечивают еще и поперечные колебания направляемого стержня, что позволяет уменьшить количество проходов;
• • полуавтоматически – механическим путем выполняется только доставка проволоки (или другой присадки) в рабочую зону, по шлангу, после чего сварщик самостоятельно перемещает держатель с нею относительно заготовки.

У каждого есть свои особенности. Так, в первом случае может не хватить гибкости при позиционировании, во втором многое зависит от мастерства человека, решающего задачу. Хотя производительность труда в обеих ситуациях значительно выше, чем при любом из ручных методов (у них другие достоинства). Качество и равномерность покрытия, обычно, тоже лучше, что и обуславливает широту применения, особенно серийного.

Сварка высоколегированной и инструментальной стали

Основные затруднения при сварке

1. Образуются трещины в сварных швах вследствие сильной закаливаемости металла на воздухе.
2. Получаются швы с большой химической неоднородностью.

Особенности сварки

1. Заготовки перед сваркой должны быть в отожженном состоянии и тщательно очищены.
2. Заготовки перед сваркой должны подогреваться до температуры 250…300 °С.
3. При сварке должен обязательно применяться флюс.
4. Пламя должно быть с небольшим избытком ацетилена.
5. После сварки изделия в горячем состоянии необходимо помещать в печь для отжига.

Кроме различных сталей пламенем газовой горелки можно сваривать чугун, медь, латунь, бронзу. Широкое распространение газовое пламя нашло при ремонтной сварке чугуна, для наплавки, а также для пайки различных металлов. Газовое пламя может обеспечивать процесс разъединения металлов или газокислородную резку.

Минусы

• • В ряде случаев в результате смешивания основного материала с добавленным, наблюдается ухудшение практических свойств;
• • при неправильном выборе режима деформация, провоцируемая высокими температурами, может быть чрезмерной, что требует принятия дополнительных мер по сохранению геометрии заготовки;
• • решающему задачу мастеру нужно обладать теоретическими знаниями в области сочетаемости металлов, чтобы сделать покрытие не просто равномерным, а с нужными свойствами;
• • небольшое количество сочетаний по сравнению с тем же напылением;
• • трудно покрывать малые элементы сложных форм – ванну приходится постоянно переносить и не всегда удается осуществить это плавно.

Газовая сварка среднеуглеродистой и высокоуглеродистой стали

Основные затруднения при сварке

1. Происходит кипение сварочной ванны.
2. Металл закаливается в зоне шва, и образуются трещины в шве и околошовной зоне (ОШЗ).

Особенности сварки

1. Мощность горелки для сварки подбирается несколько меньшая, чем при сварке малоуглеродистой стали.
2. Рекомендуется применять флюс, особенно для сварки высокоуглеродистой стали (50 % NаСО3, 50 % Nа2СО3).
3. Перед сваркой заготовки рекомендуется отжигать.
4. Сварку следует выполнять с общим предварительным подогревом изделия, не допускаются перегрев и кипение сварочной ванны.
5. После сварки необходимо обеспечить наиболее замедленное охлаждение сварного соединения (укрывание песком, асбестом).
6. Во всех случаях сварки среднеи высокоуглеродистой стали рекомендуется последующая термическая обработка в виде отжига, нормализации или закалки с высоким отпуском.

Вварка заплат

При постановке заплат необходимо, чтобы материал заплаты соответствовал основному металлу по толщине и марке стали; углы отверстия и заплаты должны быть закруглены, так как при вварке заплат с острыми углами возникают трещины, начинающиеся от углов.

В основном металле и в заплате делают требуемый скос кромок. Размер заплаты берется таким, чтобы получить соответствующий зазор.

Кромки очищаются от ржавчины и грязи. После пригонки заплата закрепляется прихватками через каждые 200…250 мм. Сварка производится в порядке, указанном на рис. 7. Заплате придают выпуклую форму. Во время сварки такая заплата будет свободно деформироваться. После сварки нагретую заплату ударами молотка выправляют. Это предупреждает образование трещин от усадки при остывании металла шва.

Рис. 7. Схема вварки заплат

Сущность механизированной наплавки и ее назначение

В общем случае это нанесение слоя материала на поверхность заготовки. Это нужно:

• • для восстановления или изменения исходных размеров (геометрии) элемента, что особенно актуально, если это инструмент, например, режущая кромка;
• • или придания новых свойств, допустим улучшения антикоррозионных характеристик или для повышения стойкости к истиранию.

Ну и в рассматриваемой нами ситуации процесс еще и должен быть наполовину или полностью автоматизированным.

Оборудование для механизированной наплавки

Обычно это установки, «сердце» каждой из которых – переделанный токарный станок: вместо резцедержателя у него головка, также он оснащен источником питания и зачастую понижающим редуктором, уменьшающим вращение до 5 или даже до 2 об/мин.

Хотя для коленчатых валов есть техника, не требующая дополнительной доработки. Это машины вроде ОКС-5523 с универсальными центросмесителями, и они регулируют скорость бесступенчато.

Источники тока подключают самые разные, например, это может быть:

• • выпрямитель из серии ВКС-500-1 или ВС-600;
• • преобразователь вроде ПСУ-500-2 или ПСГ-500.

При выборе головок для подачи присадки традиционно отдают предпочтение моделям из семейств ОКС.

Наиболее распространенным электродом считается пружинная проволока сечением 1,6-2 мм, хотя также популярны серии Св и Нп, в том числе и низкоуглеродистые, и высоколегированные. Подбирать одну из них нужно так, чтобы наносимое покрытие по своему химическому составу было сходным с основным.

Флюс – это соединение из порошкового графита с феррохромом и жидкого стекла. Эти вещества смешивают в определенных пропорциях и прокаливают, потом дают настояться, а дальше добавляют к чистому и уже приготовленному. Затем остается лишь хранить его в сухой емкости и использовать по мере необходимости.

Плюсы

• • можно создавать покрытия значительной толщины (до 2-3 мм) и таким образом возвращать изначальную геометрию даже сильно изношенным изделиям;
• • производительность в 1,5-3 раза выше, чем при любом из ручных методов;
• • используемое оборудование сравнительно надежное и простое в транспортировке;
• • отсутствуют ограничения по габаритам предметов – конусы доменных печей, сосуды атомных реакторов и другие большие объекты тоже реально защитить и восстановить;
• • каждый метод достаточно легок в реализации;
• • наносимый слой может быть какого угодно состава, от чистой меди до комбинированной пластмассы;
• • наплавку не проблема сочетать с другими методами обработки, допустим, с азотированием или плазменной закалкой.

Сварка легированной стали

Основные затруднения

1. Металл закаливается, и образуются трещины в шве и ОШЗ тем больше, чем больше в составе стали углерода и легирующих добавок.
2. Происходит выгорание из расплавленного металла легирующих элементов.

Особенности сварки

1. Необходимо постепенно нагревать металл в месте начала шва.
2. Накладывать швы следует с максимально возможной скоростью, не допуская перегрева металла.
3. В месте окончания шва осуществлять медленный, постепенный отвод пламени, образуя усиление в конце шва, а также обогревая увеличенную площадь металла.
4. Не допускать сварку металла при низких температурах. Обеспечивать медленное охлаждение сварного соединения.
5. Перед сваркой заготовки должны быть в отожженном состоянии.