Технология дуговой и газовой наплавки металла

Технология дуговой и  газовой наплавки металла

Пуговкин Евгений Артурович

14.01.2014

 

 

 

 

Подготовка к сварке

Сущность процесса наплавки заключается в использовании  теплоты для расплавления присадочного материала и его соединения с  основным металлом детали. Используя  возможности дуговой наплавки, на поверхности детали можно получить наплавленный слой любой толщины, любого химического состава с разнообразными свойствами. 
 
Выбирая способ наплавки, вначале оценивают возможность его применения в данном конкретном случае, затем определяют возможность обеспечения технических требований, предъявляемых к наплавленному материалу, и, наконец, оценивают экономическую эффективность наплавки. При оценке экономической эффективности способа наплавки общую стоимость ручной дуговой наплавки принимают за 100%, наплавку под слоем флюса — 74 %, а вибродуговую наплавку—82 %.

Технологический процесс  наплавки начинается с подготовки детали. Для этого ее тщательно очищают  от грязи, масла, краски, окалины и  других загрязнений. Рекомендуется  поверхности, подлежащие наплавке, отжигать газовыми горелками. Применяют также  промывку горячим раствором щелочи с последующей промывкой горячей  водой, очистку стальной щеткой.

Поверхностные дефекты, в том числе и наклепанный  слой, удаляют механическим путем  или резаком для поверхностной  кислородной резки. В целях снижения сварочных напряжений необходимо добиваться равномерной толщины наплавляемого  слоя. Поверхность, имеющую неравномерную  выработку с большими колебаниями  по высоте, выравнивают механическим путем на металлорежущем оборудовании.

При подготовке под  наплавку поверхностей с локальными износами следует избегать плавных  переходов наплавляемого металла  к основному.

Для предупреждения больших внутренних напряжений и  образования трещин часто наплавляемые детали подогревают до температуры, зависящей от основного и наплавляемого металла. При наплавке больших поверхностей наплавку производят короткими валиками по схеме, приведенной на рис. 4. Технологические приемы и режимы наплавки зависят от формы и размеров деталей, а также от толщины и требуемых свойств наплавляемого слоя.

  
Рис. 4. Порядок наложения валиков  при наплавке больших поверхностей

 
Рис. 5. Перекрытие валиков при нанесении  слоя в виде отдельных валиков

При наплавке отдельными валиками каждый из них накладывается  на всю длину на расстоянии друг от друга, равном '/г ширины валика. После очистки наложенных валиков от шлака заполняют промежутки между ними. Применяют и другие способы наплавки валиками, например, как показано на рис. 5, с перекрытием Уз ширины валика, после очистки от шлака предыдущего валика.

 

Рис. 18.1. Правильная (П) и неправильная (Н) подготовка поверхностей под наплавку; 
1...6 — последовательность наложения валиков

Наплавку плоских  и фасонных поверхностей выполняют  отдельными валиками (рис. 18.2, а...г) или челночным способом (рис. 18.2, д). При наплавке отдельными валиками каждый из них накладывают на всю длину на расстоянии друг от друга, равном 1/3 ширины валика. После очистки наложенных валиков от шлака заполняют промежутки между ними (см. рис. 18.2, б,д). Применяют и другие способы наплавки валиками, например, как показано на рис. 18.2, а, — с перекрытием 1/3 ширины валика после очистки предыдущего валика от шлака.

 

 

 

Технология, процесс

Наплавка предусматривает  нанесение расплавленного металла  на оплавленную металлическую поверхность  с последующей его кристаллизацией  для создания слоя с заданными  свойствами и геометрическими параметрами. Наплавку применяют для восстановления изношенных деталей, а также при изготовлении новых деталей с целью получения поверхностных слоев, обладающих повышенными твердостью, износостойкостью, жаропрочностью, кислотостойкостью или другими свойствами. Она позволяет значительно увеличить срок службы деталей и намного сократить расход, дефицитных материалов при их изготовлении. При большинстве методов наплавки, так же как и при сварке, образуется подвижная сварочная ванна. В головной части ванны основной металл расплавляется и перемешивается с электродным металлом, а в хвостовой части 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. Наплавляемый металл выбирают с учетом эксплуатационных требований и свариваемости. 
   Наплавка может производиться на плоские, цилиндрические, конические, сферические и другие формы поверхности в один или несколько слоев. Толщина слоя наплавки может изменяться в широких пределах - от долей миллиметра до сантиметров. При наплавке поверхностных слоев с заданными свойствами, как правило, химический состав наплавленного металла существенно отличается от химического состава основного металла. Поэтому при наплавке должен выполняться ряд технологических требований. В первую очередь таким требованием является минимальное разбавление направленного слоя основным металлом, расплавляемым при наложении валиков. Поэтому в процессе наплавки необходимо получение наплавленного слоя с минимальным проплавлением основного металла, так как в противном случае возрастает доля основного металла в формировании наплавленного слоя. Это приводит к ненужному разбавлению наплавленного металла расплавляемым основным. Далее при наплавке необходимо обеспечение минимальной зоны термического влияния и минимальных напряжений и деформации. Это требование обеспечивается за счет уменьшения глубины проплавления регулированием параметров режима, погонной энергии, увеличением вылета электрода, применением широкой электродной ленты и другими технологическими приемами. 
 
                
 
             Рис.1  СХЕМА НАПЛАВКИ СЛОЕВ               Рис.2   НАПЛАВКА ТЕЛ ВРАЩЕНИЯ  

 Технология наплавки  различных поверхностей предусматривает  ряд приемов 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 взаимного перекрытия характеризуется шагом наплавки (рис.1). 
  

 
 
 
            

Рис.3   СМЕЩЕНИЕ ЭЛЕКТРОДА ПРИ 
                   НАПЛАВКЕ ТЕЛ ВРАЩЕНИЯ 
 
         а - наклонно расположенным электродом 
         б - вертикально расположенным электродом

 
 
 
 
   Наплавку криволинейных поверхностей  тел вращения выполняют тремя способами (рис.2): наплавкой валиков вдоль образующей тела вращения, по окружностям и по винтовой линии. Наплавку по образующей выполняют отдельными валиками так же, как при наплавке плоских поверхностей. Наплавка по окружностям также выполняется отдельными валиками до полного замыкания начального и конечного участков их со смещением на определенный шаг вдоль образующей. При винтовой наплавке деталь вращается непрерывно, при этом источник нагрева перемещается вдоль оси тела со скоростью, при которой одному обороту детали соответствует смещение источника нагрева, равное шагу наплавки. При наплавке тел вращения необходимо учитывать возможность стекания расплавленного металла в направлении вращения детали. В этом случае целесообразно источник нагрева смещать в сторону, противоположную направлению вращения, учитывая при этом длину сварочной ванны и диаметр изделия (рис.3). 
   Выбор технологических условий наплавки производят, исходя из особенностей материала наплавляемой детали. Наплавку деталей из низкоуглеродистых и низколегированных сталей обычно производят в условиях без нагрева изделий. Наплавка средне- и высокоуглеродистых, легированных и высоколегированных сталей часто выполняется с предварительным нагревом, а также с проведением последующей термообработки с целью снятия внутренних напряжений. 
   Нередко такую термообработку (отжиг) выполняют после наплавки для снижения твердости перед последующей механической обработкой слоя. Для выполнения наплавки в основном применяют способы дуговой и электрошлаковой сварки. При выборе наиболее рационального способа и технологии наплавки следует учитывать условия эксплуатации наплавленного слоя и экономическую эффективность процесса.

 
  Большое количество деталей машин и механизмов выходит из строя в процессе эксплуатации вследствие истирания, ударных нагрузок, эрозии и т. д. Современная техника располагает различными методами восстановления и упрочнения деталей для повышения срока их службы. Одним из методов восстановления и упрочнения деталей является наплавка. Различают наплавку восстановительную и изготовительную.

Восстановительная наплавка применяется для получения  первоначальных размеров изношенных или  поврежденных деталей. В этом случае наплавленный металл близок по составу  и механическим свойствам к основному  металлу.

Наиболее широко наплавка применяется при ремонтных работах. Восстановлению подлежат корпусные  детали различных двигателей внутреннего  сгорания, распределительные и коленчатые валы, клапаны, шкивы, маховики, ступицы  колес и т. д. Наплавку можно производить  почти всеми известными способами  сварки плавлением. Каждый способ наплавки имеет свои достоинства и недостатки. Важнейшие требования, предъявляемые  к наплавке, заключаются в следующем:

• минимальное проплавление основного металла;
• минимальное значение остаточных напряжений и деформаций металла в зоне наплавки;
• занижение до приемлемых значений припусков на последующую обработку деталей.

Однако не все способы  наплавки могут обеспечить выполнение предъявляемых требований. Выбор  способа наплавки определяется возможностью получения наплавленного слоя требуемого состава и механических свойств, а также характером и допустимой величиной износа. На выбор способа  наплавки оказывают влияние размеры  и конфигурация деталей, производительность и доля основного металла в  наплавленном слое. Несмотря на невысокие  показатели приведенных характеристик ручная дуговая наплавка штучными электродами является наиболее универсальным способом, пригодным для наплавки деталей различных сложных форм и может выполняться во всех пространственных положениях.

Основными достоинствами  ручной дуговой наплавки являются универсальность  и возможность выполнения сложных  наплавочных работ в труднодоступных  местах. Для выполнения ручной дуговой  наплавки используется обычное оборудование сварочного поста. Для наплавки используют электроды диаметром 3-6 мм. При толщине  наплавленного слоя до 1,5 мм применяются  электроды диаметром 3 мм, а при  большей толщине - диаметром 4-6 мм. Для  обеспечения минимального проплавления основного металла при достаточной  устойчивости дуги плотность тока составляет 11 - 12 А/мм2.

К недостаткам ручной дуговой  наплавки можно отнести относительно низкую производительность, тяжелые  условия труда из-за повышенной загазованности зоны наплавки, а также сложность  получения необходимого качества наплавленного  слоя и большое проплавление основного  металла.

Для ручной дуговой наплавки применяют как специальные наплавочные  электроды, так и обычные сварочные, предназначенные для сварки легированных сталей (ГОСТ 1005-75). Выбор электрода  для наплавки определяется составом основного металла. Например, для  наплавки слоя низколегированной стали  с содержанием углерода менее 0,4% применяются электроды следующих  марок: ОЗН-250У, ОЗН-300У, ОЗН-350У, ОЗН-400У  и др. В маркировке буква Н обозначает <наплавочный>. Для наплавки слоя низколегированной стали с содержанием углерода более 0,4% применяются электроды ЭН60М, ОЗШ-3, 13КН/ЛИВТ и др.

Наплавку производят короткой дугой постоянным током обратной полярности. При наплавке (особенно электродами ОЗН) перегрев наплавленного  слоя не допускается. Для этого слой наплавляют отдельными валиками с полным последовательным охлаждением каждого  валика. Положение электрода при  наплавке должно соответствовать изображенному на рис. 3.

  
Рис. 3. Положение электрода при  наплавке отдельными валиками

Челночный способ используют для наплавки поверхностей шириной 40-80 мм. Особенность способа заключается  в том, что шлак на предыдущем валике не успевает затвердеть, а следовательно, отпадает необходимость в удалении шлака с предыдущего валика.

При нанесении слоя в виде отдельных валиков должно быть обеспечено оптимальное перекрытие валиков: при  ручной наплавке - на 0,30-0,35 ширины, а  при автоматической и полуавтоматической - на 0,4-0,5 ширины валика.

Если после наплавки деталь подлежит обработке резанием, то наплавлять следует ровную поверхность с  минимальным припуском на обработку; твердость наплавленного слоя снижают  отжигом. После обработки резанием твердость слоя повышают закалкой и  последующим отпуском.

Наплавку фасонных поверхностей производят отдельными валиками. На рис. 6 приведен в качестве примера порядок  наплавки зуба и впадин шестерни.

 
Рис. 6. Схема наплавки отдельными валиками фасонных поверхностей: зуба (а) и впадины (б) шестерни; 1 - 14 - порядок наложения валиков

Наплавку тел вращения выполняют одним из трех способов: по образующим; по окружности и по винтовой линии. Наплавку по образующим ведут  отдельными валиками так же, как  и плоских поверхностей в нижнем положении, периодически поворачивая  наплавляемое изделие.

Наплавку по окружности выполняют  также отдельными валиками. Последующий  валик накладывается после очистки  от шлака предыдущего с перекрытием  на 30-35% ширины валика. Наплавку по винтовой линии осуществляют непрерывно, а  очистка предыдущего валика от шлака  может производиться подпружиненными  резцами.