Технология дуговой и газовой наплавки металла

В процессе наплавки в изделии  появляются значительные внутренние напряжения, которые приводят к его короблению, а иногда и к разрушению. К мерам, применяемым для предотвращения возникновения напряжений или снятия их в целях уменьшения деформации изделия, относятся:

• предварительный подогрев до 200-400 °С;
• ведение наплавки с погружением изделия в воду без смачивания наплавляемой поверхности;
• ведение наплавки при жестком закреплении изделия в приспособлении;
• предварительный изгиб изделия в направлении, обратном ожидаемому изгибу;
• высокотемпературный отпуск после наплавки с нагревом до 650-680 °С.

Износостойкую наплавку на поверхность  изделий производят по предварительно наплавленным промежуточным валикам  с низкой твердостью. Промежуточный  слой с низкой твердостью обеспечивает высокую прочность изделия, а  верхний слой - высокую износостойкость.

Контроль качества наплавки имеет целью проверить наличие  внешних и внутренних дефектов, твердость, однородность структуры, химический состав слоя и деформацию детали. Результаты контроля сравнивают с техническими требованиями.

Предотвращение  возникновения напряжений

В процессе наплавки в изделии появляются значительные внутренние напряжения, которые приводят к его короблению, а иногда и  к разрушению. К мерам, принимаемым  для предотвращения возникновения  напряжений или снятия их с целью  уменьшения деформации изделия, относятся  следующие: предварительный подогрев до 200...400 °С; ведение наплавки с погружением изделия в воду без смачивания наплавляемой поверхности; ведение процесса при жестком закреплении изделия в приспособлении; предварительный изгиб изделия в направлении, обратном ожидаемому изгибу; высокотемпературный отпуск после наплавки с нагревом до 650...680 °С.

 

 

 

Выбор материалов

 

Для электродуговой наплавки специальными электродами используют большое количество марок покрытых электродов различного назначения. ГОСТ 10051—75* предусматривает 44 типа таких  электродов. Основными характеристиками электрода каждого типа, согласно ГОСТ, являются химический состав наплавленного  металла и твердость в рабочем  состоянии. Кроме того, электроды  разделяются по их назначению, например наплавку изношенных деталей машин (осей и валов), работающих на смятие и интенсивные ударные нагрузки, производят электродами Э15Г5 марки  ОЗН-400У. Наплавленный металл, как видно из наименования типа электрода, обеспечивает содержание в среднем 0,15% (0,12—0,18) углерода, 5% (4,1—5,2) марганца и твердость по Роквеллу (HRC) 40—44 Подвергаемые износу, смятию и интенсивным ударным нагрузкам, концы рельсов, оси, автотранспортные и другие детали наплавляют электродами Э11ГЗ марки ОЗН-300У с содержанием 0,11 % (0,08— 0,13) углерода, 3% (2,8—4) марганца и твердость по Роквеллу 28—35. Для наплавки металлорежущего инструмента применяют электроды марок ОЗИ-4, ОЗИ-5, ЦИ-1М и ЦИ-2У. Используется большое количество других марок электродов для наплавки изношенных штампов и рабочих поверхностей штампов холодной, горячей штамповки, горячей и холодной обрезки, кузнечно-прессового и режущего инструмента, ножей дорожных машин и т.д. Ручная дуговая наплавка покрытыми электродами на поверхности деталей широко распространена, так как ее можно применять при различных конфигурациях деталей и типовом сварочном оборудовании — нужны только наплавочные электроды и навыки сварщика.

 

Для наплавочных электродов используют специальную электродную  проволоку, изготовляемую в соответствии с ГОСТ 10543—82*. Из различных марок  этой проволоки изготовляют стержни  и наносят на них специально подобранное  покрытие. Отдельные марки электродной  проволоки используют при аргонодуговой  наплавке вольфрамовым электродом. Для  наплавки твердых сплавов применяют  литые стержни, так называемые стеллиты марок В2К, ВЗК и их заменители стеллктоподобиые сплавы сормайт-1 и сормайт-2. Стеллиты получают в индукционных печах сплавлением кобальта, вольфрама, хрома и других элементов, а сормайты плавят без вольфрама и кобальта. На полученные литые стержни наносят покрытие и используют для ручной электродуговой наплавки. Электроды марки ЦН-2 со стержнем марки ВЗК употребляют для наплавки уплотиительных и трущихся частей арматуры, работающей при температуре до 600 °С в агрессивных средах. Электроды марки ГН-1 со стержнем из сплава сормайт-1 используют для ремонта и изготовления быстроизнашивающихся деталей засыпных аппаратов доменных печей, а марки ЦС-1 с таким же стержнем—для ремонта и изготовления зубьев и ковшей экскаваторов, ножей автогрейдеров и др. Литые стержни, кроме того, используются для аргонодуговой наплавки вольфрамовым электродом.

Для уменьшения доли основного  металла в наплавке применяют  пониженный сварочный ток, обеспечивающий устойчивое горение дуги. При однослойной  наплавке использование таких режимов  уменьшает долю основного металла  до 0,3—0,45. При поперечном колебании  электрода эта доля может быть уменьшена до 0,25. Для дальнейшего  уменьшения присутствия основного  металла в наплавке ее следует  вести в 2—3 слоя. В случаях, когда  металл наплавки и зоны термического влияния склонны к закалке  и образованию трещин, необходимо применять предварительный и  сопутствующий подогрев — при  наплавке твердых сплавов до температуры 300—600 °С в зависимости от состава металла. Необходимо отметить, что электродуговая ручная наплавка покрытыми электродами — трудоемкий и низкопроизводительный процесс в связи с пониженными режимами и работой вручную. Производительность такой наплавки 0,8—3 кг/ч, а при автоматической наплавке под флюсом 2—15 кг/ч и электрошлаковой— до 150 кг/ч. Однако ручную наплавку продолжают широко применять благодаря простоте и доступности процесса.

Для наплавки твердых сплавов  применяют порошкообразные зернистые  материалы, например сталинит, который  приготовляют перемешиванием порошков ферромарганца, углеродистого феррохрома, чугунной стружки и нефтяного  кокса. Этот материал используют для  наплавки ножей бульдозеров, деталей  ковшей экскаваторов и т.д. Твердость  наплавки по Роквеллу HRC 52. Для наплавки бурильного инструмента применяют смесь вольфрама и углерояа — Вокар. В промышленности применяют и другие смеси.

Для наплавки порошкообразной  смеси подготавливают плоскость  наплавляемой детали, очищая ее от ржавчины, масла и грязи. Затем на подготовленную поверхность насыпают тонкий слой (0,2—0,3 мм) прокаленной буры (флюса) и на него слой порошкообразной смеси  высотой 2—7 мм, который разравнивают и уплотняют гладилкой. Наплавку производят угольной или графитизированной дугой прямой полярности либо  переменным   током с осциллятором,   совершая плавные движения электрода поперек полосы на 40— 50 мм с постепенным продвижением вдоль нее (21.1). После расплавления порошка высота его уменьшается в 2—4 раза. Возможна многослойная наплавка, но общая толщина наплавленного слоя для разных смесей ограничена: например для сталинита — 5—6 мм, вокара — 3—4 мм. Рекомендуются предварительный подогрев до 500 °С и медленное охлаждение в горячем песке, закрытом асбестом.

Некоторое применение нашла  аргонодуговая наплавка неплавяшимся (вольфрамовым) электродом высоколегированных сталей и сплавов. Для наплавки используют высоколегированную наплавочную проволоку и литые стержни.

 

Дефекты наплавки

 

Основные дефекты наплавки: трещины в наплавленном слое и  в зоне сплавления с основным металлом детали, поры и раковины, шлаковые включения, несплавления слоя с основным металлом детали, подрезы и др.

Дефекты могут быть внешними, выходящими на поверхность наплавок, и внутренними, располагающимися внутри наплавленного слоя. Внешние дефекты  обнаружить сравнительно легко путем  осмотра наплавок, с помощью магнитной  дефектоскопии и пр. Обнаружение  внутренних дефектов представляет сложную  и не всегда надежно разрешимую задачу. В этом случае пользуются методом  контроля: просвечиванием рентгеновскими или гамма-лучами, методом магнитной  и ультразвуковой дефектоскопии, металлографическими  исследованиями макро- и микрошлифов  и др.

Трещины являются наиболее опасным дефектом наплавок, так как  под воздействием быстроизменяющихся нагрузок или тепловых колебаний  они могут развиваться, т. е. увеличиваться  в размерах, что может привести к преждевременному выходу детали из строя. Поэтому контролю на обнаружение  трещин необходимо уделять весьма серьезное  внимание.

Возникновение трещин зависит  от содержания углерода и серы в  наплавленном металле, от недостаточного предварительного подогрева детали при наплавке, жесткости изделия  и пр. Холодные трещины могут возникать  при отсутствии замедленного охлаждения детали после наплавки.

Поры могут образовываться при использовании влажного или  отсыревшего флюса, при наличии  ржавчины на наплавляемых поверхностях, при недостаточном слое флюса  и пр. Поры появляются при наплавке по металлу, ранее наплавленному  электродами с меловой обмазкой, который содержит повышенное количество азота.

Поры являются менее опасным  дефектом, чем трещины, но их наличие  снижает износостойкость и прочность  наплавленного металла.

Шлаковые включения чаще наблюдаются при многослойной наплавке. Они являются результатом наплавки по неудаленной или плохо удаленной шлаковой корке с предыдущих слоев. При этом шлак не успевает расплавиться и всплыть на поверхность металла, вследствие чего остается в металле в виде шлаковых включений.

Несплавления наплавленного металла с основным металлом детали могут образоваться при несоответствии выбранной скорости наплавки, неправильной установке электрода, загрязнениях наплавляемых поверхностей, нарушении режима наплавки и пр. Наличие этих дефектов может привести к отколу наплавленного слоя в процессе работы восстановленной детали.

Часто наплавленные детали устанавливают на машины без последующей  механической обработки (ножи бульдозеров, опорные катки тракторов и  др.). В этом случае важным требованием  является гладкая поверхность наплавленного  слоя. Причиной наплывов и углублений в наплавленном слое является нарушение  режима наплавки — силы тока, напряжения дуги, скорости наплавки, смещения электрода  с зенита при наплавке цилиндрических деталей, величины вылета электрода  и пр.

Причиной поверхностных  дефектов наплавленного слоя может  явиться и плохая устойчивость дуги.

 

Устранение дефектов

Все дефекты сварного шва  подлежат обязательному устранению, а если это невозможно, сварное  изделие бракуется. В конструкциях из стали допускается устранение дефектов плазменно-дуговой или  воздушно-дуговой строжкой с последующей  обработкой поверхности абразивами. Можно устранять наружные дефекты  шлифовкой. Если производится заварка  выборок в швах, подлежащих обязательной термической обработке (из легированных и хромистых сталей), то приступать к исправлению дефектов следует  только после отпуска сварного соединения (при 450—650°С).

При удалении дефектных мест целесообразно соблюдать определенные условия. Длина удаляемого участка  должна быть равна длине дефектного места плюс 10— 20 мм с каждой стороны, а ширина разделки выборки должна быть такой, чтобы ширина шва после  заварки не превышала его двойной  ширины до заварки. Форма и размеры  подготовленных под заварку выборок  должны обеспечивать возможность надежного  провара в любом месте. Поверхность  каждой выборки должна иметь плавные  очертания без резких выступов, острых углублений и заусенцев. При заварке  дефектного участка должно быть обеспечено перекрытие прилегающих участков основного  металла. После заварки участок  необходимо зачистить до полного  удаления раковин и рыхлости в  кратере, выполнить на нем плавные  переходы к основному металлу.

Удаление заглубленных наружных и внутренних дефектов (дефектных  участков) в соединениях из алюминия, титана и их сплавов следует производить  только механическим способом — вышлифовкой абразивным инструментом или резанием, а также вырубкой с последующей зашлифовкой.

Подрезы принято устранять  наплавкой ниточного шва по всей длине дефекта. Однако это ведет  к повышению расхода сварочных  материалов. В таких случаях целесообразно  применять оплавление подреза аргонодуговыми горелками, что позволяет «сгладить» дефекты без дополнительной наплавки.

Наплывы и неравномерности  формы шва исправляют механической обработкой дефекта по всей длине.

Кратеры швов заваривают.

Прожоги в швах наблюдаются  редко, их зачищают и заваривают.

Заварку дефектного участка  производят одним из способов сварки плавлением (ручной дуговой, дуговой  в среде инертных газов и др.).

Исправленные швы сварных  соединений должны быть повторно проконтролированы  в соответствии с требованиями, предъявляемыми к качеству изделия. Если при этом вновь будут обнаружены дефекты, то производят их повторное исправление  с соблюдением необходимых требований. Число исправлений одного и того же дефектного участка, как правило, не превышает трех раз.

 

Используемая литература

1) Сварочные работы: учебное пособие для начального профессионального образования / В.И. Маслов. - 6-е изд., стер. - М.: Издательский центр "Академия", 2007. - 240 с.

2) "Справочник сварщика". Под ред. В.В. Степанова

3) "Электросварка" В.П.  Фоминых, А.П. Яковлев

4) Сварочные работы: учебное  пособие для начального профессионального  образования / В.И. Маслов. - 6-е  изд., стер. - М.: Издательский центр  "Академия", 2007. - 240 с.

5) http://www.shtorm-its.ru/tehnologiya-dugovoy-naplavki-metallov