741 рдс 06.04.2020

06.04.2020 Технология наплавки при изготовлении новых деталей.

Наплавка — это процесс сварочного производства, при котором на рабочую поверхность изделия, нагретую до оплавления, наносят расплавленный металл. Таким образом можно получить поверхностный слой на изготовляемых деталях с заданными свойствами (износостойкостью, кислотоупорностью или жаростойкостью) или восстановить слой и размеры изношенного изделия. Наплавкой создаются биметаллические изделия, высокая прочность и долговечность которых сочетаются с низкой стоимостью их изготовления и меньшим расходом дефицитных материалов. При наплавке (большинством способов), так же как и при сварке, образуется подвижная сварочная ванна. В ее головной части основной металл расплавляется и перемешивается с электродным металлом, а в хвостовой — происходят кристаллизация расплава и образование металла шва. Наплавлять можно слои металла как одинаковые по составу, структуре и свойствам с металлом детали, так и значительно отличающиеся от них. Металл наплавки выбирают с учетом его эксплуатационных требований и свариваемости.

Наплавка слоя с заданными свойствами затрудняется из-за перемешивания наплавляемого металла с металлом самого изделия. Перемешивание и изменение свойств наплавляемого металла тем больше, чем больше глубина проплавления металла изделия. Поэтому при наплавке необходимо стремиться получить минимальную глубину проплавления. Для этого следует использовать источники теплоты, обеспечивающие равномерный нагрев поверхности металла с минимальной глубиной проплавления. Обычно используют ацетилено-кислородное пламя, электрическую дугу, электрошлаковый процесс, а в ряде случаев высокочастотный нагрев.

Различают ручную, механизированную и автоматическую наплавку. Две последние являются предпочтительными. Они позволяют получить более высокие качество и производительность.

Обеспечение заданных свойств наплавленного металла при механизированной наплавке достигается использованием электродной и наплавочной проволок, а также специальной порошковой проволоки и порошковых лент. Наплавку при этом производят под флюсом (плавленым и керамическим) или в среде защитных газов. Порошковые проволоки, в шихту которых вводят минералы и газообразующие вещества, обеспечивают выполнение наплавки без дополнительных защитных средств.

Наплавку можно производить на плоские, цилиндрические, конические, сферические и другие поверхности в один или несколько слоев. Слой наплавки может изменяться по толщине от долей миллиметра до сантиметров. При наплавке слоев с заданными свойствами, как правило, химический состав наплавленного металла значительно отличается от основного металла. В связи с этим при наплавке необходимо выполнять ряд технологических требований. Основным из них является минимальное разбавление наплавленного слоя основным металлом, расплавляемым при наложении валиков. Поэтому при наплавке нужно обеспечить получение наплавленного слоя с минимальным проплавлением основного металла. В противном случае увеличивается доля основного металла в формировании наплавленного слоя, он вызывает ненужное разбавление наплавленного металла расплавляемым основным. Необходимо также обеспечить минимальную зону термического влияния и минимальных напряжений и деформаций. Это достигается путем уменьшения глубины проплавления регулированием параметров режима, погонной энергии, увеличением вылета электрода, использованием широкой электродной ленты и другими технологическими приемами.

Существуют различные приемы нанесения наплавленного слоя: ниточными валиками с перекрытием один другого на 0,3...0,4 их ширины, широкими валиками, полученными за счет поперечных к направлению оси валика колебаний электрода, электродными лентами и др.

Расположение валиков с учетом их перекрытия t_n характеризуется шагом наплавки (рис. 5.62).

Рис. 5.62. Схема наплавки слоев:

В — ширина валика; h_n — высота наплавки; h_nр — глубина проплавления; 5_Н — шаг наплавки

Рис. 5.63. Наплавка тел вращения: а — по образующей; б — по окружности; в — по винтовой линии

Наплавку криволинейных поверхностей тел вращения производят тремя способами (рис. 5.63): по образующей тела вращения, по окружности и по винтовой линии. Наплавку по образующей осуществляют отдельными валиками, как при наплавке плоских поверхностей. Наплавку по окружностям также выполняют отдельными валиками до полного замыкания их начального и конечного участков со смещением на определенный шаг вдоль образующей линии. Деталь при наплавке по винтовой линии вращается непрерывно, а источник нагрева перемещается вдоль оси заготовки со скоростью, при которой одному ее обороту соответствует смещение источника, равное шагу наплавки. При наплавке тел вращения следует учитывать возможность стекания расплавленного металла в направлении вращения заготовки. В этом случае источник нагрева нужно смещать в сторону, противоположную направлению вращения, учитывая при этом длину сварочной ванны и диаметр изделия (рис. 5.64).

Рис. 5.64. Смещение электрода при наплавке тел вращения: а — наклонно расположенный электрод; б — вертикально расположенный

Технологические условия наплавки выбирают исходя из свойств материала наплавляемой заготовки. Заготовки из низкоуглеродистых и низколегированных сталей обычно наплавляют без их нагрева. Наэлектрод плавку деталей из средне- и высокоуглеродистых, легированных и высоколегированных сталей часто выполняют с предварительным нагревом, а также с последующей термообработкой для снятия внутренних напряжений. Термообработку (отжиг) часто производят после наплавки для снижения твердости перед последующей механической обработкой наплавленного слоя. Для наплавки в основном применяют способы дуговой и электрошлаковой сварки. При выборе рационального способа и технологии наплавки необходимо учитывать условия эксплуатации наплавленного слоя и экономическую эффективность процесса.

06.04.2020 Лекция. Технология наплавки при восстановлении узлов

При дуговой наплавке под флюсом, так же как при сварке, нагрев и расплавление металла производятся теплом дуги, которая горит между плавящимся электродом и основным металлом под слоем флюса. Это один из основных видов механизированной и автоматической наплавки. К его преимуществам можно отнести непрерывность и высокую производительность, малые потери электродного металла, отсутствие открытого излучения дуги. Наплавка под флюсом обеспечивает хороший внешний вид наплавленного слоя (гладкая поверхность и плавный переход от одного наплавленного валика к другому). В процессе наплавки легирование наплавленного металла может осуществляться четырьмя основными способами (рис. 5.65).

1. Использование легированной проволоки или ленты и обычных плавленых флюсов. При этом применяют легированные сварочные проволоки и специальные наплавочные проволоки и легированные ленты, в том числе спеченные. Наплавку осуществляют под флюсами

Рис. 5.65. Способы легирования наплавляемого металла: а — при помощи сварочной проволоки; б — с использованием порошковой проволоки; в — с применением керамического флюса; г — посредством укладки легированной усадки

• (АН-20, АН-26 и др.), которые выбирают в зависимости от состава электродного металла.

• 2. Применение порошковой проволоки или порошковой ленты и обычных плавленых флюсов. Порошковая проволока или лента расплавляется в дуге и образует однородный жидкий расплав. Эго дает возможность получить наплавленный металл с общим содержанием легирующих примесей до 40...50 %.

• 3. Применение обычной низкоуглеродистой проволоки или ленты и легирующих флюсов (керамических). Этот способ позволяет вводить в наплавленный металл до 35 % легирующих элементов. При наплавке наиболее часто используют керамические флюсы АНК-18 и АПК-19. Они обеспечивают хорошее формирование наплавленного металла, легкую отделимость шлаковой корки, высокую стойкость наплавленного металла против образования пор и трещин.

• 4. Использование обычной низкоуглеродистой проволоки или ленты и обычных плавленых флюсов с предварительной укладкой легирующих материалов на поверхность наплавляемого изделия. При этом возможны предварительная засыпка или дозированная подача легирующих порошков, предварительная укладка прутков или полосок легированной стали, а также намазывание специальных паст на место наплавки и т.д. Во всех случаях нанесенный легирующий материал расплавляется дугой и переходит в наплавленный металл.

Между сваркой и наплавкой много общего. Поэтому при наплавке используют то же оборудование, что и при сварке соответствующими способами.

Для предупреждения образования шлаковых включений и непроваров в наплавленном слое при многослойной наплавке следует тщательно удалять шлаковую корку с предыдущих слоев.

К дуговой наплавке в защитных газах прибегают в тех случаях, когда невозможны или затруднены подача флюса и удаление шлаковой корки. Преимуществами этого вида наплавки являются возможность визуального наблюдения за процессом, возможность механизации и автоматизации с применением серийного сварочного оборудования (при наплавке заготовок в различных пространственных положениях, глубоких отверстий, внутренних поверхностей, мелких заготовок и т.п.).

Наплавка в защитных газах во многом аналогична наплавке под флюсом, отличие заключается лишь в том, что вместо флюсовой осуществляется газовая защита зоны наплавки. Это освобождает сварщика от необходимости засыпки флюса и удаления шлака. Для уменьшения разбрызгивания металла наплавку в защитном газе следует выполнять самой короткой дугой. Во избежание коробления заготовок наплавку плоских поверхностей коробчатых заготовок нужно производить отдельными участками «вразброс». Заготовки цилиндрической формы наплавляют по винтовой линии как непрерывным валиком, так и с поперечными колебаниями электрода. Короткие участки можно наплавлять продольными валиками вдоль оси заготовки. Однако при этом могут возникнуть деформации, которые требуется уравновешивать. Для этого наплавку каждого последующего валика необходимо выполнять с противоположной стороны по отношению к уже наплавленному. При наплавке внутренних цилиндрических и конических поверхностей следует использовать специальные удлиненные мундштуки.

Наплавку можно выполнять в среде углекислого газа (углеродистые и легированные стали), аргона и гелия (высоколегированные стали, а также сплавы на основе алюминия и магния) и азота (медь и некоторые ее сплавы, поскольку азот ведет себя по отношению к ним нейтрально). При этом можно применять как плавящийся, так и неплавящийся электрод. Неплавящийся вольфрамовый электрод обычно используют для наплавки в среде аргона и гелия. Наиболее часто наплавку выполняют в углекислом газе плавящимся электродом на постоянном токе обратной полярности. Углекислый газ окисляет расплавленный металл. Поэтому в наплавочную проволоку обязательно добавляют раскислители (марганец, кремний и др.). Наплавку производят как проволокой сплошного сечения, так и порошковой. Для наплавки заготовок из углеродистых и низколегированных сталей с целью восстановления их размеров используют сварочные проволоки сплошного сечения Св-08ГС, СВ-08Г2С, CB-12FC, а также наплавочные Нп-40, Нп-50, Нп-ЗОХГСА и др. Для получения наплавленного слоя с особыми свойствами применяют порошковые проволоки.

Недостатком описанного способа является то, что при наплавке в среде углекислого газа жидкий металл сильно разбрызгивается. Это приводит к налипанию брызг на мундштук и засорению сопла горелки. Помимо этого возможность сдувания газовой струи ветром осложняет наплавку на открытом воздухе.

Дуговая наплавка порошковыми проволоками с внутренней защитой основана на введении в сердечник проволоки кроме легирующих компонентов шлакообразующих и газообразующих материалов. Флюсовая и газовая защита при наплавке такой проволокой не нужна. Легирующие элементы порошковой проволоки переходят в шов, а газо- и шлакообразующие материалы обеспечивают нужную защиту металла от азота и кислорода воздуха. Тонкая пленка расплавленного шлака в зоне дуги покрывает капли жидкого металла и изолирует последние от воздуха, а разложение газообразующих материалов приводит к образованию потока защитного газа. На поверхности наплавленного валика после его затвердевания формируется тонкая шлаковая корка, которую можно удалять при наплавке последующих слоев. Для наплавки используют различные самозащитные порошковые проволоки: для создания низкоуглеродистых слоев — сварочные (типа ПП-ЛНЗ и др.), для получения слоев с особыми свойствами — специальные.

Технология выполнения наплавки самозащитной порошковой проволокой аналогична технологии наплавки в среде углекислого газа. Открытая дуга позволяет точно направлять электрод, следить за формированием наплавленного слоя. Это имеет большое значение при наплавке заготовок, имеющих сложную форму. Данный способ не требует сложной аппаратуры по сравнению с наплавкой под флюсом и в среде защитного газа. Наплавку можно выполнять на открытом воздухе. При этом увеличивается производительность процесса по сравнению с наплавкой под флюсом и в защитных газах, снижается себестоимость наплавляемого металла.

Рис. 5.66. Схема плазменной наплавки с вдуванием порошка в дугу

Плазменная наплавка и напыление заключаются в том, что нагрев присадочного и основного металлов производится сжатой дугой или газовой плазмой, выделенной или совпадающей со столбом дуги. Механизм образования наплавленного слоя аналогичен механизмам других способов дуговой наплавки.

В качестве наплавочных материалов также применяют порошки. Схема плазменной наплавки с вдуванием порошка в дугу показана на рис. 5.66.

Дуга возбуждается вольфрамовым электродом 1 и внутренним соплом 2. Плазмообразующий газ, проходя через дугу, создает плазменную струю 3 косвенного действия. Эта струя расплавляет присадочный порошок. Другая дуга прямого действия 4, которая горит между электродом 1 и основным металлом 5, совпадает с плазменной струей прямого действия, нагревающей поверхность до нужной температуры и тем самым обеспечивающей сплавление порошка и основного металла. Изменяя силу тока сжатой дуги прямого действия, проплавление основного металла можно свести до минимума. Толщину наплавленного слоя можно варьировать в пределах 0,3... 10,0 мм с разбавлением основным металлом от 3 до 30 %. От указанных дуг получает теплоту и основной металл. Регулировать долю основного металла и производительность наплавки можно путем изменения силы тока. В этом случае наплавляемое изделие в сварочную цепь не включают.

При плазменной наплавке в качестве защитных газов используют аргон, азот, углекислый газ, смеси аргона с гелием или азотом и др. В качестве плазмообразующего могут применяться аргон, гелий, углекислый газ, воздух и г.д. Стабильное протекание процесса наплавки обеспечивают неплавящиеся электроды из материала, позволяющего без разрушения выдерживать нагревание до высоких температур. Применяют электроды из чистого вольфрама или с присадками диоксида тория, оксидов лантана и иттрия. Этот вид наплавки обеспечивает малую глубину проплавления основного металла, возможность наплавки тонких слоев, высокое качество и гладкую поверхность наплавленного металла.

Плазменный нагрев можно также применять для напыления поверхностных слоев. Но сравнению с наплавкой оно имеет ряд особенностей. Напыление представляет собой процесс нанесения па неоплав- ленную поверхность изделия металлических слоев из частиц материала, нагретых до температуры плавления или близкой к плавлению. Присадочный материал в виде проволок подается в сжатую дугу и там нагревается струей газа, а затем с большой скоростью подается на поверхность изделия. Толщину напыленного слоя можно изменять от сотых до десятых долей миллиметра. Более толстые слои не напыляют, так как они склонны отслаиваться от поверхности изделия (откалываться). Напыление можно выполнять как металлами и сплавами, так и различного вида соединениями: оксидами, карбидами, нитридами и т.п.

Технологически в отличие от наплавки напыление производят по способу косвенного нагрева выделенной дуговой плазмой. Расстояние от сопла горелки до изделия при проплавке составляет 6...25 мм, а при напылении — 50... 120 мм и более. Напыленные слои материала имеют меньшую плотность и большую пористость по сравнению с наплавленными и более склонны к откалыванию от поверхности изделия при нарушении технологии. Однако в этих слоях практически отсутствует разбавление основным металлом.

Рис. 5.67. Схема электрошлаковой наплавки на вертикальную поверхность

Сущность процесса электрошлако - вой наплавки (рис. 5.67) заключается в том, что в пространстве, которое образовано поверхностью наплавляемого изделия 1 и формирующим кристаллизатором 4, охлаждаемым водой, создается ванна расплавленного шлака 3, в которую подается электродная проволока 5.

Ток, проходя между электродом и изделием, нагревает шлаковую ванну до температуры выше 2000 °С. В результате этого электродный и основной металлы оплавляются, образуя металлическую ванну. При затвердевании последней формируется наплавленный слой 2.

Для реализации электрошлаковой наплавки различных поверхностей нужно обеспечить достаточно глубокую ванну, которую проще всего получить при вертикальном или наклонном расположении деталей. По сравнению с дуговой наплавкой это менее универсальный способ. Однако он весьма эффективен в случаях, когда на изделие нужно наплавить слой металла значительной толщины (более 14... 16 мм). Использование большой силы тока, а также электродов большого сечения обеспечивает высокую производительность (до 150 кг наплавленного металла в час).

В качестве присадочного металла используют наплавочные проволоки (одну или несколько), электродные ленты, пластины, а также стержни большого сечения, иногда и трубы. Последние применяют для наплавки цилиндрических поверхностей изделий. Наплавку обычно осуществляют с флюсами АН-8, АН-22 и т.д.

Вибродуговая наплавка (рис. 5.68) обычно используется для наплавки заготовок типа тел вращения диаметром от 8 мм и более. Ее сущность заключается в том, что сварочная проволока 3 подается с постоянной скоростью в направляющий мундштук 5 и периодически соприкасается в точке А с поверхностью заготовки 1,которая равномерно вращается. Концу проволоки сообщается колебательное перемещение от вибратора 4.При наплавке через мундштук 2 непрерывно подается струя слабого раствора соды. Она охлаждает заготовку и защищает зону сварки от контакта с атмосферой.

Рис. 5.68. Схема вибродуговой наплавки

Нагрев основного и электродного металла до расплавления осуществляется теплотой, которая выделяется в результате периодически повторяющихся электрических разрядов, т.е. прерывисто горящей электрической дуги. Наплавленный слой образуется при кристаллизации расплавленного основного и электродного металла. Малая длительность и прерывистость горения электрической дуги обусловливается вибрациями электродной проволоки, создаваемыми электромагнитными или механическими вибраторами. При вибрациях возникают короткие замыкания из-за соприкосновения электродной проволоки и наплавляемого изделия (основного металла), а во время отрыва проволоки появляется ток большой силы и загорается электрическая дуга.

При наплавке осуществляются следующие движения: вращение наплавляемого изделия, поступательное движение вибродуговой головки вдоль продольной оси наплавляемого изделия, подача проволоки в зону дуги и вибрация проволоки. Питание производится от выпрямителей, сварочных генераторов, а также от низковольтных трансформаторов с вторичным напряжением 12...16 В и более. Высокие показатели достигаются при наплавке на постоянном токе обратной полярности. В сварочную цепь обычно включают индуктивность, значение которой выбирают в зависимости от частоты вибрации электродной проволоки, напряжения, рода тока и других факторов. Для наплавки используют сварочные проволоки диаметром 0,8...2,0 мм. Для защиты расплавленного металла от взаимодействия с окружающей средой наплавку выполняют в струях жидкостей или защитных газов, а также под слоем флюса. Применяются водные растворы кальцинированной соды; смеси кальцинированной соды, мыла и глицерина; эмульсии глицерина.

Для ручной дуговой наплавки па углеродистую сталь применяют электроды Э42...Э100. Наилучших результатов достигают при использовании фтористо-кальциевых покрытий УОНИ-13/50, У-340/50 и других покрытий этого типа. Наплавка такими электродами дает достаточную плотность и мелкозернистость наплавленного слоя. Хорошие результаты обеспечивают электроды ОЗС-4 и МР-3 типа Э-46 и электроды АНО-1, АНО-2, АНО-3 типа Э-42. Ими можно производить наплавку на переменном и постоянном токах.

Для получения наплавленного слоя, например, с износостойкими свойствами необходимо использовать специальные электроды. Режимы наплавки обычно указывают в паспорте для каждой марки электрода. Вибродуговую наплавку часто используют для восстановления изношенных шеек валов машин и механизмов различного служебного назначения.

Прерывистость наплавки обеспечивает зону термического влияния небольшой ширины, поэтому возникающие деформации весьма малы, что особенно важно при наплавке высокоточных сложных изделий.

При наплавке в струе жидкости наплавленный металл быстро охлаждается, поэтому он обладает повышенной твердостью и износостойкостью.

Вибродуговая наплавка особенно эффективна при нанесении слоев металла малой толщины. Недостатки этого процесса: сравнительно низкий коэффициент наплавки, низкая производительность.

Металлизация напылением — это процесс нанесения жидкого пылеобразного металла на поверхность изделия. Его сущность заключается в том, что к источнику нагрева (пламя, дуга, плазменная струя) подают проволоку, которую нагревают и расплавляют. Образовавшийся жидкий металл под давлением сжатого воздуха вылетает с большой скоростью из сопла металлизатора в виде распыленных капель. Капли металла, ударяясь о напыляемую поверхность, соединяются с нею и образуют слой покрытия.

Металлизация легко восстанавливает изношенные поверхности деталей машин. Ее используют для устранения внешних дефектов в отливках как из черных, гак и из цветных металлов, а также для восстановления изношенных шеек, валов, поршней, направляющих станин и т.д.

Напыление осуществляют металлическими материалами в виде проволок (стальные, алюминиевые, медные и т.д.) и неметаллическими материалами, подготовленными в виде порошков (стекло, эмаль, пластмассы и т.д.). Металлизация менее эффективна по сравнению с наплавкой. Металлизационный слой, состоящий из мелких поверхностно окисленных частичек металла, имеет малую плотность, пониженную пластичность и прочность.