Metod_2542

Основное преимущество процесса дуговой сварки вольфрамовым электродом — высокая устойчивость горения дуги. Поэтому становится возможным применение переменного тока.

Высокая устойчивость горения дуги объясняется интенсивной термоэлектронной эмиссией при оптимальном разогреве вольфрамового электрода.

Для закрепления вольфрамового электрода, подвода к нему сварочного тока и подачи защитного газа в зону плавления металла применяют горелки ГРАД-200 и ГРАД-400.

Горелки оборудованы водяным охлаждением. Цифровые индексы в маркировке горелок указывают на номинальную величину сварочного тока, поэтому горелку ГРАД-200 с током 200 А можно отнести к классу малых. Горелка ГРАД-400 — большая сварочная горелка.

Защитный газ — чистый аргон марки А (ГОСТ 10157–79). Он содержит примеси, %:

кислород — не более 0,003–0,005;

азот — не более 0,01–0,04.

Аргон поставляется в баллонах емкостью 40 л под давлением 15 МПа. Расход аргона принимается в зависимости от толщины свариваемого металла (табл. 3.10).

Присадочный материал тот же, что и при газовой сварке алюминиевых сплавов, т.е. проволока марок Св-АК5, Св-АК10 и Св-АК12.

Диаметр присадочной проволоки берут несколько меньше, чем при газовой сварке.

Аргонно-дуговую сварку ведут на установках типа УДАР и УДГ. Более совершенными являются установки УДГ-301 и УДГ-501. Технические данные установок УДГ-301 и УДГ-501 представлены в табл. 3.11.

123

Аргонно-дуговой сваркой можно устранять дефекты практически всех деталей машин, изготовленных из алюминиевых сплавов: блоков цилиндров, головок блоков, кожухов и др.

Режимы аргонно-дуговой сварки на установках типа УДГ приведены в табл. 3.12.

Таким образом, ремонтное производство располагает достаточным набором технологий для сварки (наплавки) алюминиевых сплавов.

3.2.6. Устранение дефектов деталей автоматической электродуговой наплавкой под слоем флюса

Эта технология относится к числу широкораспространенных в ремонтном производстве, так как при ее использовании помимо улучшения качества наплавленного металла заметно (примерно в 10 раз) возрастает производительность наплавочного процесса за счет увеличения сварочного тока и лучшего его использования. Автоматическая сварка под флюсом была разработана в Институте электросварки под руководством академика Е.О. Патона.

Процесс наплавки происходит при горении дуги между электродом и деталью под слоем сыпучего флюса. Слой флюса покры-

124

вает ванну расплавленного металла, благодаря чему доступ воздуха к нему ограничивается.

На рис. 3.12 представлена схема процесса наплавки под слоем флюса.

Рис. 3.12. Схема процесса наплавки под слоем флюса:

1 — бункер; 2 — флюс; 3 — мундштук; 4 — электродная проволока; 5 — дуга; 6 — жидкий шлак; 7 — расплавленный металл; 8 — шлак; 9 — наплавленный металл; 10 — подложка

Электродная проволока 4 из кассеты роликовым механизмом подается в зону горения дуги 5, теплом дуги металл электрода и подложки 10 плавится и формирует жидкую ванну 7.

Давлением дуги металл из зоны плавления вытесняется в зону кристаллизации и формирует наплавленный слой толщиной Н. При этом толщина слоя наплавки больше глубины проплавления металла детали (подложки) h. Отсюда следует, что наплавленный слой формируется главным образом за счет металла подложки.

Большое проплавление подложки нежелательно, так как здесь возможны такие дефекты, как прожог металла, деформация детали, выгорание углерода и легирующих элементов, т.е. разбалансирование химического состава подложки и наплавленного металла.

Проволока подается в зону горения дуги автоматически со скоростью подачи vп, м/мин. Деталь при наплавке перемещается (цилиндрические детали имеют вращательное движение) со скоростью vн, м/с. Эта скорость называется скоростью наплавки.

Дуга 5 горит под слоем флюса толщиной 40–60 мм, который поступает из бункера 1. Флюс над дугой подплавляется и образует пленку жидкого шлака, которая защищает жидкую ванну от кислорода и азота воздуха и формирует полость, заполненную газами и парами металла.

125

Жидкий флюс кристаллизуется и образует шлаковую корку 8, которая способствует снижению скорости кристаллизации и охлаждению наплавленного металла 9. Малая скорость кристаллизации обеспечивает дегазацию жидкого металла, т.е. исключает «засорение» наплавленного металла раковинами и порами.

Охлаждение наплавленного металла со скоростью меньше критической исключает закалку наплавленного металла и образование термических (холодных) трещин.

Введением в состав флюсов легирующих добавок можно регулировать химический состав наплавленного металла. В качестве легирующих добавок используют ферросплавы: Fe-Cr; Fe-Ti; Fe-Mn; Fe-W и др.

Таким образом, применение флюсов при электродуговой сварке (наплавке) позволяет предотвратить широкораспространенные и трудноустранимые дефекты (трещины и образование закалочных структур — мартенсита, троостита, сорбита), достигнуть высокой производительности наплавочного процесса, сформировать наплавленный слой металла с заданными химическим составом и физико-механическими свойствами.

3.2.6.1. Флюсы. По технологии изготовления флюсы делятся на две группы:

плавленые;

неплавленые (керамические).

Плавленые флюсы получают расплавлением шихты в электропечах с последующим размельчением расплава.

Плавленые флюсы представляют собой сложные силикаты, свойства их близки к свойствам стекла. Зернообразная масса флюсов имеет размеры частиц от 0,5 до 3,0 мм. Температура плавления не превышает 1200 °С. Благодаря низкой температуре плавления вязкость их в расплавленном состоянии невысокая, что обеспечивает высокую жидкотекучесть шлака, делает шлак «коротким». Для уменьшения вязкости, т.е. для разжижения шлака, в состав флюса вводится плавиковый шпат CaF2. Марки и химический состав плавленых флюсов, % по массе, приведены в табл. 3.13.

126

Из табл. 3.13 видно, что основными компонентами плавленых флюсов являются окиси кремния SiO2 и марганца MnO. Это объясняется тем, что при наплавочном процессе марганец частично выгорает и испаряется. Поэтому флюс должен пополнять естественную убыль марганца в жидкой ванне. Это пополнение идет за счет восстановления марганца металла из окисла MnO, т.е.

MnO Fe FeÎ Mn .

Одновременно идет процесс восстановления кремния: SiO2 2Fe FeO Si.

Из уравнений реакций восстановления марганца и кремния видно, что параллельно идет процесс окисления железа с образованием закиси FeO. Это химическое соединение может стать вредным неметаллическим включением в наплавленном металле.

Кремний придает шлаку кислый характер, благодаря этому свойству шлак связывает закись железа FeO и не дает ей возможности попасть в жидкий металл.

В качестве примесей в плавленых флюсах можно встретить окиси кальция СаО, калия К2О, магния MgO и алюминия Al2O3, а также серу S и фосфор Р.

Из сказанного следует, что роль плавленого флюса преимущественно сводится к созданию защитного шлака и частичного легирования наплавленного металла марганцем. Обеспечение заданного химического состава наплавленного металла, т.е. легирование, осуществляется электродной проволокой.

Рассмотренные марки плавленого флюса относятся к группе высокомарганцовистых.

Кроме того, промышленностью выпускаются среднемарганцовистые (10–25 % Mn) и низкомарганцовистые флюсы (2–3 %

127

Mn), например, флюс марки АН-20. Такие флюсы требуют электродных проволок с повышенным содержанием марганца.

Неплавленые флюсы состоят из свободных металлов, ферросплавов, карбонатов. Эти компоненты оказывают сильное влияние на металлургический процесс и осуществляют легирование, раскисление и модифицирование. Таким образом, неплавленые флюсы являются мощным средством управления металлургическим процессом и качеством наплавленного металла.

Исходные материалы флюса тонко измельчаются, смешиваются в расчетных пропорциях и замешиваются на водном растворе жидкого стекла Na2SiO3. Сырая масса перерабатывается в зерна размером 1–3 мм. Полученная зернообразная масса подсушивается и прокаливается при температуре 350–400 °С в течение 2–3 ч.

Как было отмечено, легирование жидкой ванны осуществляется через флюс; при наплавке под слоем неплавленого флюса применяется простая и дешевая сварочная проволока Св08, Св10 и др.

Наибольшее распространение в ремонтном производстве получили неплавленые (керамические спеченные) флюсы марок КС-Х12Т, КС-3Х2В8 и др.

Цифровые и буквенные индексы характеризуют состав и количество в процентном отношении легирующих элементов.

Флюсы типа «КС» применяются для наплавки деталей, изготовленных из низко- и среднелегированных сталей: 30ХГС, 30ХГСНА, 25ХГФА, 12Г2А и др.

В состав флюса, например, марки КС-Х12Т входят, % по массе:

карбонат кальция (мрамор) СаСО3 — 49–53;

плавиковый шпат СаF2 — 20;

двуокись титана TiO — 15;

ферросплавы (феррохром, ферротитан, ферромарганец) — остальное.

Защита жидкой ванны от кислорода и азота воздуха наряду с

жидкой шлаковой оболочкой осуществляется газом СО2, образующимся при разложении карбоната кальция под действием тепла дуги:

CaCO3 CaO CO2 .

128

Для предотвращения образования окислов железа (FeO, Fe2O3, Fe3O4) во флюс вводится активный раскислитель — титан, иногда алюминий или кремний.

Титан кроме раскисления выполняет функцию модификатора. Модифицирование предотвращает образование крупнозернистой дендритной структуры наплавленного металла, т.е. титан оказывает активное влияние на процесс зарождения центров кристаллизации при первичной кристаллизации наплавленного металла. Легирование наплавленного металла через флюс КС-Х12Т осуществляется хромом.

Таким образом, неплавленые (керамические) флюсы, наряду с образованием защитных шлаков и газов, осуществляют раскисление, модифицирование и легирование наплавленного металла.

3.2.6.2. Технологический процесс наплавки изношенных деталей под слоем флюса. Данный процесс включает следующие операции

1. Подготовка изношенных поверхностей деталей. Детали,

полученные при разборке изделия и сборочных единиц, проходят очистку, мойку на разборочно-моечном участке. Очистку проводят с целью удаления дорожной грязи, нагара, накипи, старой краски и др. Для выполнения этой операции применяют различные моечные машины и моющие растворы на основе щелочных компонентов или синтетических моющих средств. Затем деталь проходит техническое освидетельствование (дефектацию) и попадает на склад деталей, ожидающих ремонта (ДОР).

На наплавочном участке деталь проходит тщательную зачистку наплавляемых поверхностей, завариваемых трещин. В отдельных случаях деталь проходит механическую обработку: обтачивание, фрезерование, строгание и т.д. — для удаления с наплавляемой поверхности следов наклепа, коррозии и предшествующей наплавки. Неудаление указанных дефектов приводит к концентрации растягивающих напряжений на таких участках после наплавки.

Поверхности, не подлежащие заплавлению, изолируют установкой медных, графитовых или угольных вкладышей, заделывают огнеупорными пастами. К числу защищаемых поверхностей можно отнести канавы, отверстия, шпоночные пазы и т.п.

Наплавочную операцию характеризуют следующие параметры:

129

химический состав материала электродной проволоки и ее диаметр;

марка и грануляции флюса;

скорость подачи электродной проволоки vп;

скорость наплавки (скорость перемещения дуги) vн;

величина, род и полярность сварочного тока, напряжение на дуге;

расположение электрода по отношению к наплавляемой поверхности.

Наплавка цилиндрических поверхно-

наплавки и может быть доведена до 6–8 мм для деталей сплошного сечения.

Наплавку пустотелых деталей ведут двумя способами:

укладкой валиков с большим шагом за два прохода;

наплавкой сплошным слоем за один проход с принудительным охлаждением.

На рис. 3.14 представлена схема выполнения наплавочной операции с укладкой валиков за два прохода (1, 2). При этом способе шаг наплавки выбирается с таким расчетом, чтобы валики второго

прохода перекрывали валики первого прохода. Для наплавки пустотелых деталей за один проход с расчетным перекрытием и толщиной необходимо обес-

печить принудительное охлаждение наплавляемой поверхности путем прокачки охлаждающей жидкости через полость детали 3.

Наплавка плоских поверхностей ведется отдельными участ-

ками или через валик с малым проваром широкими валиками.

130

Такой прием наплавки исключает локальный нагрев и уменьшает провар и коробление детали.

Для уменьшения провара электрод наклоняют под углом 40– 50° к поверхности наплавки, работу ведут на увеличенном вылете электрода, на постоянном токе обратной полярности. С увеличением вылета электродная проволока нагревается и плавится быстрее. Таким образом, наплавленный слой формируется главным образом за счет металла электродной проволоки.

Скорость наплавки vн, м/ч, — скорость перемещения дуги относительно наплавляемой поверхности.

Этот параметр режима наплавки определяется по формуле

где Кн — коэффициент наплавки, г/(А ч); J — величина сварочного тока, А; Fн — площадь поперечного сечения наплавляемого валика,

см2; — плотность металла, г/см3.

Величина коэффициента наплавки зависит от многих факторов: рода тока, полярности, вылета электрода и др. Эта величина может быть рассчитана или принята по справочным таблицам. Например, при наплавке постоянным током обратной полярности

без учета вылета электрода Кн = 11,6 г/(А ч).

В технологической документации рекомендуется применять vн = 20…40 м/ч. При этой скорости отмечается стабильный провар

(рис. 3.15).

Рис. 3.15. Влияние скорости наплавки на параметры валика и на провар

Из рис. 3.15 видно, что наплавка при малых скоростях дает низкий и широкий валик при недостаточном проваре. Этот результат можно объяснить повышенным количеством энергии дуги, отдаваемым на единицу длины наплавленного валика, и пере-

131

гревом жидкого металла ванны. Перегретый металл, обладая повышенной жидкотекучестью, формирует низкий и широкий валик. Жидкая ванна надежно закрывает подложку от тепла дуги, поэтому провар отмечается небольшой.

При скорости наплавки 20–40 м/ч дуга сильно отклоняется, горизонтальная составляющая вектора давления дуги увеличивается, что вызывает активное вытеснение жидкого металла из ванны и обнажение твердого металла подложки, теплоизолирующее действие жидкого металла в ванне заметно уменьшается, дуга погружается в металл подложки.

При увеличении скорости наплавки до 80 м/ч и более уменьшение погонной энергии дуги становится заметным: в наплавленном слое отмечаются непровар и разрывы валика.

Скорость подачи электродной проволоки vп рассчитывается по формуле

vï 4Kí2 J ,

d

где vп — скорость подачи проволоки, м/ч; d — диаметр электродной проволоки, мм, принимается 1,2–3,0 мм.

Обычно скорость подачи принимают равной от 100 до 300 м/ч. В производственных условиях при отработке режимов наплав-

ки эти параметры уточняют экспериментальным путем.

Силу сварочного тока можно определять графическим путем

(рис. 3.16).

На графике заштрихованная область соответствует предпочтительным значениям сварочного тока. Штриховые линии ограничивают

го вала коробки переменных передач диаметром 58 мм, изготовленного из стали 40Х, сила тока должна быть 160–170 А;

132