Технология машиностроений

2. Нагрев наплавочной  электродной проволоки теплотой  электросопротивления за счет  увеличения вылета электрода  способствует повышению скорости  подачи электродного наплавочного  материала и уменьшению глубины  проплавления основного металла.

3. Применение присадочных  материалов в виде прутков, проволоки или порошка наплавляемого металла увеличивает поступление их в наплавленный слой, способствует уменьшению глубины проплавления основного металла. Этот технологический прием можно использовать также для введения дополнительных легирующих элементов в наплавленный металл. Указанный способ применяют главным образом при наплавке вольфрамовым неплавящимся электродом в среде инертного газа.

4. Поперечные колебания  электрода, осуществляемые перпендикулярно  направлению перемещения головки, способствуют образованию ровного  широкого валика при малой  глубине проплавления основного  металла. При сварке обычно используют  колебания малой амплитуды при  большой частоте, а при наплавке  – колебания большой амплитуды  при малой частоте.

 

 

13.1.1 Газовая  наплавка

 

Газовая наплавка – один из способов сварки плавлением, протекающей в условиях частичного оплавления основного металла при использовании высокотемпературного пламени, получаемого при сжигании смеси горючего газа с кислородом. Горючий газ, используемый при газовой наплавке, должен удовлетворять следующим трем требованиям: 1) высокая температура пламени при сгорании; 2) высокая скорость горения; 3) высокая теплота сгорания. Ацетилено-кислородное пламя, обеспечивающее нагрев до высоких температур, наиболее приемлемо для газовой наплавки (или сварки), поэтому само понятие газовой сварки обычно ассоциируется именно со сваркой этим пламенем.        

При наплавке, в отличие от сварки, желательна малая глубина проплавления основного металла, поэтому наплавку выполняют способом скоростной сварки (способом Линда). При сварке (наплавке) таким способом используют горелку с соплом большого диаметра, нагревая основной металл науглероживающим пламенем. На рисунке 13.1.1.1, б показан способ сварки Линда. При сварке с использованием горючей смеси, обогащенной ацетиленом, на поверхности металла оседают частицы восстановленного углерода, образуя тонкий науглероженный слой толщиной ~0,02 мм. Вследствие снижения точки плавления металла науглероженного слоя происходит расплавление только в тонком поверхностном слое. Возникновение этого явления, называемого запотеванием, свидетельствует о готовности основного металла к газовой наплавке. Запотевание основного металла в сочетании с применением присадочного материала создает особо благоприятное условие для газовой наплавки с незначительным проплавлением основного металла. Появление запотевания позволяет также определить момент нагрева до температуры наплавки и точнее выбрать время подачи наплавочного – материала.

Рисунок 13.1.1.1 – Схема дуговой сварки (наплавки) стали:

а — нормальное пламя; б — науглероживающее пламя (с избытком ацетилена); 1 — сечение по А—А; 2— присадочный материал; 3— нормальное пламя; 4 — направление сварки; 5 — науглероживающее пламя; 6 — оксиды, попадающие в наплавленный металл; 7 — выпуклый мениск; 8 — поверхностная оксидная пленка; 9 — вогнутый мениск; 10 — высокоуглеродистый шлак (выполняет роль флюса); 11— подвергаемый плавлению основной металл; 12 — наплавленный металл (сплав основного и присадочного металлов); 13 — закристаллизовавшийся наплавленный металл; 14 — плавящийся шлак; 15 — плавящийся присадочный материал

 

Вместе с тем науглероживание поверхности при наплавке этим способом вызывает повышение содержания углерода в наплавленном металле, что оказывает неблагоприятное влияние на его механические свойства и коррозионную стойкость. В связи с этим в настоящее время рассмотренный способ применяют только при наплавке высокохромистого сплава на основе железа, стеллита и других высокоуглеродистых наплавочных материалов, тогда как при нанесении покрытий из коррозионно-стойкой стали, для которой науглероживание противопоказано, применяют стробы дуговой наплавки плавящимся и вольфрамовым электродами в среде инертного газа.

Газовая наплавка обеспечивает следующие преимущества: 1) незначительное проплавление основного металла; 2) возможность наплавки мелких деталей сложной формы; 3) уменьшение опасности возникновения

 

трещин, поскольку процесс, наплавки включает предварительный подогрев и последующее замедленное охлаждение изделия; 4) низкая стоимость сварочного оборудования.

Вместе с тем для газовой наплавки характерны и недостатки: 1. Низкая производительность при наплавке массивных деталей, требующих продолжительного предварительного подогрева; 2. Высокая квалификация сварщика.

Газовую наплавку в настоящее время применяют только в специальных областях (при изготовлении клапанов высокотемпературных систем высокого давления, двигателей внутреннего сгорания и т. д. Вместе с тем при наплавке мелких деталей одинаковой формы возможна автоматизация такого процесса путем внедрения специализированных машин, применение которых обеспечивает резкое повышение производительности и устраняет необходимость в квалифицированном ручном труде.

 

13.1.2. Дуговая наплавка покрытыми электродами

 

Наплавку этим способом, основанным на использовании электродов в виде стержней с покрытием, осуществляют обычно вручную, поэтому такой способ называют также ручной дуговой наплавкой.

Электродное покрытие служит для защиты ванны жидкого металла от кислорода и азота воздуха, стабилизации дуги, повышения технологичности процесса наплавки и введения легирующих элементов в состав наплавленного металла. Применяют следующие виды электродного покрытия: ильменитное, содержащее более 30% ильменита (FeO-TiO2); высокоцеллюлозное с содержанием 20— 30% целлюлозы; карбонатно-рутиловое; основное (фтористо-кальциевое), основными компонентами которого являются карбонат кальция и флюорит (плавиковый шпат) при минимальном содержании влаги; высокорутиловое с содержанием до 35% TiO2; покрытие системы железный порошок — рутил с высоким содержанием первого компонента; порошковое основное, содержащее

 

железный порошок; покрытие системы железный порошок — оксид железа; некоторые специальные покрытия, содержащие, в частности, графит. Широкое применение в практике дуговой наплавки имеют покрытия карбонатно-рутиловое, основное и высокорутиловое. В состав электродного покрытия вводят также шлакообразующие и газообразующие компоненты, раскислители, стабилизирующие и легирующие добавки.

Дуговая наплавка покрытыми электродами отличается низкой стоимостью оборудования, возможностью выполнения наплавки вручную, что обеспечивает этому способу самое широкое применение для наплавки не только черных, но и цветных металлов.

Ручная наплавка уступает автоматическим и полуавтоматическим способам по скорости выполнения процесса, однако она имеет ряд преимуществ, обеспечивающих ей наиболее широкое распространение среди всех известных способов наплавки черных и цветных металлов: 1) возможность наплавки изделии сложной формы; 2) возможность выбора наплавочного материала, наиболее пригодного для конкретного назначения, из широкого ассортимента покрытых наплавочных электродов; 3) транспортабельность оборудования, позволяющая выполнять наплавку в полевых условиях.

 

13.1.3. Дуговая  наплавка пол флюсом

 

Преимущества и недостатки дуговой наплавки под флюсом. Название этого способа связано с тем, что дуга при наплавке электродными материалами (проволокой, лентой и др.)   скрыта  под слоем гранулированного флюса, предварительно насыпаемого на поверхность основного металла.

Возможность наплавки при большой силе тока и высокой погонной энергии обеспечивает этому способу высокую производительность при хорошем качестве наплавляемого металла, и благодаря этому данный способ занимает господствующее положение в области автоматической наплавки. Дуговая наплавка под флюсом имеет следующие преимущества:

 

1) высокая производительность  процесса при наплавке изделий  простой формы с большой площадью наплавляемой поверхности; 2) простота осуществления процесса, не требующего высокой квалификации сварщика; 3) возможность получения хорошего внешнего вида валика; 4) хорошие условия труда, связанные с отсутствием разбрызгивания электродного металла (поскольку дуга скрыта под слоем флюса).

Вместе с тем этому способу наплавки присущи следующие недостатки: 1) более высокая стоимость оборудования, чем для ручной дуговой наплавки покрытыми электродами; 2) непригодность для наплавки мелких изделий сложной формы.

Наплавка электродной проволокой под флюсом может быть осуществлена во многих: вариантах с использованием наплавочной проволоки разнообразного состава и различных флюсов. При наплавке этим способом в полную меру используют названные выше технологические приемы повышения производительности, включая применение многоэлектродных сварочных головок, нагрев наплавочной проволоки электросопротивлением и применение присадочных материалов.

Многоэлектродную наплавку осуществляют обычно способом, при котором дуга возникает между двумя электродами. Преимущество этого способа связано с косвенным дуговым нагревом основного металла, обеспечивающим небольшое его проплавление в сочетании с высокой скоростью плавления электродной проволоки.

Использование нагрева проволоки электросопротивлением при дуговой наплавке под флюсом характеризуется тем, что увеличение вылета электродной проволоки (рисунки 13.1.3.1 и 13.1.3.2) сопровождается повышением скорости наплавки и снижением степени влияния основного металла на состав наплавленного слоя. Значительное увеличение производительности наплавки, получение широкого валика наплавленного металла при малой глубине проплавления основного металла достигаются посредством дополнительной подачи присадочного порошкового материала в сочетании с колебанием

 

электродной проволоки перпендикулярно направлению наплавки. При этом равномерная дозированная засыпка присадочного порошка на наплавляемую поверхность основного металла согласуется со скоростью подачи проволоки.

При обычной одноэлектродной наплавке под флюсом во избежание чрезмерного проплавления основного металла необходимо применение следующих мер: 1) тщательный выбор наплавочного материала с учетом влияния основного металла на состав наплавленного слоя; 2) ограничение глубины проплавления путем более плотной укладки наплавляемых валиков; 3) обеспечение должной толщины наплавленного слоя за счет многослойной наплавки.

 

Рисунок 13.1.3.1 – Зависимость скорости v плавления электродной проволоки и производительности V наплавки от длины l вылета электродной проволоки и силы тока (наплавка переменным током с использованием проволоки Ф 4 мм, скорость наплавки 50 см/мин)

Рисунок 13.1.3.2 – Зависимость между длиной вылета электрода и долей участия P0 основного металла в составе наплавленного слоя

 

Наплавка электродной лентой под флюсом. В 50-х годах в СССР был разработан способ наплавки ленточным электродом, согласно которому дуговую наплавку под флюсом, как показано на рисунке 13.1.3.3, осуществляют с помощью электрода в виде широкой стальной ленты, располагаемого в процессе наплавки практически под прямым углом к основному металлу. Наплавка ленточным электродом обладает следующими преимуществами: 1) получение плоского валика наплавленного металла, достаточно большой ширины (примерно равной ширине ленточного электрода); 2) возможность наплавки слоя требуемой толщины за один-два прохода, что обусловлено малой глубиной проплавления основного металла и в связи с этим незначительным влиянием его на состав наплавленного слоя (доля разбавления составляет 10—20%);   3) высокая производительность в связи с возможностью наплавки с высокой скоростью при большой силе тока.

Рассматриваемый способ получил быстрое развитие и нашел широкое применение для наплавки коррозионно-стойкой стали, сплава «инконель» и других коррозионно-стойких наплавочных материалов.

Производительность способа может быть еще более повышена, в частности путем увеличения ширины ленточного электрода и применения многоэлектродных головок.

 

На практике используют ленточные электроды шириной до 180 мм, однако при наплавке постоянным током увеличение размеров наплавочной ванны сопровождается нарушением формы наплавляемого валика под действием магнитного дутья. В поиске путей решения этой проблемы предложен способ наплавки в магнитном поле.

Рисунок 13.1.3.3 – Схема процесса наплавки ленточным электродом под флюсом:

1 — источник питания; 2 — ленточный электрод; 3 — ролики  подачи электрода; 4 — мундштук (токоподвод); 5 — флюс; 6 — шлак; 7 —наплавленный  металл; 8 — основной металл; 9 —направление  наплавки

 

13.1.4 Наплавка  открытой дугой

 

Наплавка без защитной среды, в среде воздуха, осуществляется проволокой сплошного сечения или порошковой проволокой при отсутствии подачи флюса или защитного газа в зону дуги. Наплавка проволокой сплошного сечения сопряжена с большими практическими трудностями и уступает способу наплавки порошковой проволокой с флюсовой сердцевиной. (Вместе с тем следует отметить, что для выполнения покрытий из высокохромистого сплава на основе железа предпочтительно использование для наплавки проволоки сплошного сечения из высокохромистого сплава, если только существует технологическая возможность производства такой проволоки металлургическим переделом.)

 

 

Наплавка открытой дугой порошковой проволокой обладает следующими преимуществами: 1) простота используемого оборудования и технологии, связанная с отсутствием необходимости применения защитного газа и флюса; 2) возможность наплавки в полевых условиях, поскольку ветер практически не оказывает влияния на процесс наплавки; 3) сравнительная простота введения легирующих элементов в наплавленный металл, состав которого можно регулировать в широких пределах.