книги / Ремонт подъемных кранов

ми включениями феррита (участок перегрева). В пределах участка II металл претерпел перекристаллизацию (нормали­ зацию) и обладает мелкозернистой структурой. На участке III наблюдается неполная перекристаллизация с неоднородной структурой (мелкие зёрна перлита и крупные зёрна ферри­ та). В пределах участка IV происходит процесс рекристалли­ зации с увеличением размера зёрен. Участок V — зона старе­ ния. Глубина зоны термического влияния зависит от усло­ вий сварки и может колебаться от 1,5 до 3,5 мм.

Из рассмотренных участков самую пониженную прочность имеет участок перегрева I, поэтому при сварке этот участок должен быть минимальным. Наиболее высокие механичес­ кие свойства отмечаются на участке нормализации II.

Внутренние напряжения и основные дефекты в швах. В

процессе сварки или наплавки наблюдается неравномерный нагрев и охлаждение шва и околошовной зоны, что приво­ дит к появлению в шве (валике) остаточных напряжений растяжения. Трещины могут зародиться как в интервале тем­ ператур кристаллизации металла (горячие трещины), что для углеродистых сталей соответствует температуре 1200-1350 °С, так и при температуре ниже 400 °С (холодные трещины).

Образование горячих трещин связано с действием растя­ гивающих напряжений, которые вызывают упругопластичес­ кую деформацию при затвердевании шва. Для уменьшения влияния сварочных напряжений производят предваритель­ ный подогрев основного металла и назначают рациональный режим сварки и порядок наложения отдельных участков шва. Температура подогрева может изменяться от 150 до 700 °С и зависит от химического состава наплавляемого металла и конструкции детали. Полезными ХимййеСКйАШ элементами, повышающими прочность сварного шва и уменьшающими возможность образования горячих трещин, являются марга­ нец, хром, никель. Вредными примесями в металле шва яв­ ляются углерод, кремний, фосфор, сера, водород.

Холодные трещины бывают закалочные и хрупкие. Зака­ лочные трещины возникают в средне- и высокоуглеродистых

сталях на границе сплавления шва с основным металлом в результате того, что при образовании мартенсита объём ме­ талла увеличивается, вызывая напряжения сжатия, а усадка шва при его остывании вызывает напряжения растяжения. Перепад напряжений и является причиной образования зака­ лочных трещин. Для предупреждения образования закалоч­ ных трещин следует уменьшить силу сварочного тока и уве­ личить скорость наплавки. Хрупкие трещины обычно возни­ кают вслед за наплавкой. Возникая в наплавленном слое, они распространяются в основной металл. Для предупреждения образования хрупких трещин применяют предварительный подогрев детали и медленное охлаждение после наплавки.

Одним из распространённых дефектов сварки (наплавки) является пористость шва, что объясняется возникновением в жидком металле пузырьков газов (С02; СО; Н2 и др.). Пу­ зырьки возникают на грани между твёрдым и жидким ме­ таллом. С целью уменьшения вероятности образования пор применяют ряд технологических способов: замедление про­ цесса кристаллизации сварочной ванны, что облегчает выде­ ление пузырьков газов; раскисление ванны, что задерживает реакцию образования окиси углерода или водяного пара; уменьшение содержания в сварочной ванне водорода и азота путём защиты дуги от окружающего воздуха; перевод водо­ рода и азота в сварочной ванне в соединения, переходящие в шлак, или удаление их пузырьками нерастворимых газов; применение при сварке постоянного тока обратной полярно­ сти, что снижает растворение протонов водорода в капле рас­ плава; снижение мощности сварочной дуги.

Газовая сварка и наплавка. При газовой сварке и на­ плавке металл расплавляется теплом, выделяемым при сго­ рании горючего газа (ацетилена, пропан-бутана, метана и др.) в кислороде. В ремонтном производстве наибольшее рас­ пространение получила ацетилено-кислородная сварка и на­ плавка. Используя ацетилено-кислородное пламя, выпол­ няют следующие работы: сварку чёрных и цветных метал­ лов и сплавов, наплавку твёрдых сплавов, резку металлов,

поверхностную закалку, пайку твёрдыми припоями, свар­ ку пластмасс.

Рассмотрим реакции при горении ацетилена. Ацетилено­ кислородное пламя состоит из трёх зон: ядра, восстанови­ тельной зоны и факела. В ядре вследствие нагрева происхо­ дит частичная диссоциация ацетилена. В восстановительной зоне ацетилен сгорает в кислороде неполностью по реакции

В факеле происходит догорание СО и Н2 за счёт кислорода воздуха по реакции

Наиболее высокая температура развивается в восстанови­ тельной зоне (примерно 3200 °С).

При газовой сварке и наплавке присадочный и основной металл окисляются. Выгорают марганец, кремний и другие элементы. Расплавленный металл поглощает газы (азот, во­ дород), образуя пористость. Азот также вступает в химичес­ кое соединение с расплавленным металлом, образуя нитри­ ды (Fe2N, Fe4N, MnN, SiN), которые повышают хрупкость и твёрдость наплавленного металла. Для уменьшения влияния кислорода, азота и водорода на качество наплавляемого ме­ талла применяют флюсы.

Флюсы бывают химически действующие и действующие как физические растворители. Флюсы первой группы обра­ зуют с оксидами металла легкоплавкие химические соедине­ ния, всплывающие на поверхность в виде шлака. К этой груп­ пе относятся флюсы на основе технической буры. Флюсы второй группы растворяют оксиды металлов и образуют шла­ ки, легко всплывающие на поверхность расплавленного ме­ талла. К этой группе относятся флюсы, имеющие в составе хлористый натрий, хлористый калий и фтористый натрий.

Режим газовой сварки и наплавки определяется следую­ щими факторами:

1)способом сварки;

2)видом пламени;

3)мощностью пламени;

4)диаметром присадочного прутка;

5)углом наклона горелки.

1. Существуют правый и левый способы сварки. Названия этих способов связаны с направлением перемещения газовой горелки. На рисунке 3.7, о показан правый способ сварки, а на рисунке 3.7, б — левый: 1 — мундштук горелки; 2 — пла­ мя; 3 — свариваемый металл; 4 — шов; 5 — присадочный пруток. Правый способ сварки обеспечивает более концентри­ рованный ввод тепла, поэтому он применяется для сварки ме­ таллов толщиной свыше 4 мм. Левый способ предупреждает прожог металла и целесообразен для сварки деталей толщи­ ной менее 4 мм.

Рис. 3.7 Правый (а) и левый (б) способы сварки

2. Газовое пламя в зависимости от соотношения расходов

тральное (а = 1-5-1,25), восстановительное (а < 1) и окисли­ тельное (а > 1,25). Обычно сварку и наплавку деталей из сталей с содержанием углерода до 0,5 %, цветных металлов и алюминиевых сплавов выполняют нейтральным пламенем. Пламя с избытком ацетилена применяют при наплавке твёр­ дых сплавов и при сварке чугунных деталей и деталей из легированных и высокоуглеродистых сталей (С > 0,5 %). В таком пламени избыток углерода во второй зоне частично переходит в металл, задерживается выгорание кремния и уменьшается возможность отбеливания чугуна. Окислитель­

ное пламя используют для резки металлов, нагрева деталей при закалке и сварки латунных деталей.

3. Мощность пламени зависит от номера наконечника го­ релки и характеризуется расходом ацетилена. Расход ацети­

где К — коэффициент, характеризующий материал сварива­ емой детали, способ сварки и тип соединения, дм3/ч на 1 мм толщины детали; S — толщина детали, мм. Для стали К = 100-5-120 дм3/(ч*мм), для чугуна К = 110-5-140 дм3/(ч'мм), для алюминия К = 60-5-100 дм3/(ч‘мм).

В зависимости от расхода ацетилена выбирают номер на­ конечника сварочной горелки.

4. Диаметр присадочного прутка выбирают в зависимости от толщины свариваемой детали. При толщине детали 1-2 мм сварку можно выполнять без присадочного прутка. При тол­ щине детали S = 2-5-3 мм диаметр проволоки d — 2 мм, при S = 3-5-10 мм d = 3-5-4 мм, при S = 10-5-15 мм, d = 4-5-6 мм, при S = 15 мм и более d = 6-5-8 мм.

5. Угол наклона горелки зависит от толщины сваривае­ мой детали. Например, при толщине детали до 1 мм угол наклона горелки к горизонтальной плоскости составляет а = 10 °, при толщине детали 5 - 7 мм а = 40 °, а при толщи­ не детали 15 мм и более а = 80 °. С ростом угла наклона возрастает тепловое воздействие пламени на процесс сварки.

Разновидности сварочно-наплавочных процессов по сте­ пени их механизации. Сварочно-наплавочные процессы раз­ деляют на ручные и механизированные. Ручные способы свар­ ки и наплавки выполняются сварщиком без применения ка­ ких-либо механизмов. При механизированной сварке и на­ плавке предусмотрено применение различных механизмов, облегчающих и ускоряющих выполнение операций.

Ручные способы сварки и наплавки. Эти способы исполь­ зуют при сварке швов незначительной длины и при наплав­ ке небольших поверхностей, т.е. в тех случаях, когда приме­ нение механизированных способов неэффективно.

Дуговая сварка и наплавка стальных деталей. При дуго­ вой сварке используют постоянный и переменный ток. При сварке постоянным током электрическая дуга горит более устойчиво, причём на положительном полюсе выделяется тепла больше, чем на отрицательном (температура соответ­ ственно 4200 и 3500 °С). В связи с этим для деталей из сред­ неуглеродистых и высокоуглеродистых сталей во избежание образования в результате перегрева закалочных трещин свар­ ку ведут при подключении детали к отрицательному полю­ су, т.е. при обратной полярности. На обратной полярности выполняют также сварку деталей небольшой толщины, что позволяет избежать прожога. При требовании повышенной глубины проплавления детали сварку выполняют на прямой полярности, т.е. к детали подключают положительный по­ люс. При сварке переменным током выделяется примерно одинаковое количество тепла на электроде и детали.

На переменном токе сваривают низкоуглеродистые и низ­ колегированные стали, так как детали из таких сталей мало­ чувствительны к перегреву и хорошо свариваются.

На качество сварки и наплавки деталей большое влияние оказывает правильный выбор электрода и режима работы. Для сварки конструкционных низкоуглеродистых и низко­ легированных сталей 15Х, 20Х применяют электроды Э-34, Э-38, Э-42, Э-42А, Э-46, а для наплавки поверхностей — элек­ троды ЭН-18Г4-35, ЭН-20Г4-40 и др. Для сварочных работ стержнями электродов обычно является низкоуглеродистая проволока Св.-08, Св.-08ГА и др.

Электроды различают с тонким (0,15-0,3 мм на сторону) и толстым (толщина слоя 0,25-0,35d, где d — диаметр элек­ трода, мм) покрытием; Тонкие покрытия, состоящие из сме­ си 80-85 % мела и 20-15 % стекла, способствуют устойчиво­ му горению дуги. Электроды с тонкими покрытиями приме­ няют для сварки малоответственных деталей. Толстые по­ крытия позволяют получить наплавленный металл с высо­ кими механическими свойствами. Толстые покрытия явля­ ются защитно-легирующими. В их состав входят следующие

компоненты: газообразующие (крахмал, древесная мука и др.), защищающие расплав металла от воздействия воздуха, шлакообразующие (кварцевый песок, полевой шпат и др.), раскисляющие (ферромарганец, ферросилиций, и др.), леги­ рующие (феррохром, ферромарганец и др.), связующие (жид­ кое стекло).

Электроды с толстыми покрытиями применяют для сварки и наплавки ответственных стальных деталей. Наиболее рас­ пространены электроды марок УОНИ-13/45; УОНИ-13/55 и др. Основное покрытие этих электродов фтористо-кальциевое следующего состава (в %): мрамор — 53-54; плавиковый шпат — 15-18; кварцевый песок — 9; ферромарганец — 2-5; ферросилиций — 3-5; ферротитан — 12-15, жидкого стекла добавляют 10-15 % к сумме компонентов. Электроды УОНИ-13 выпускаются диаметром 2-5 мм с толщиной покрытия от 0,6 до 1,2 мм в зависимости от диаметра электрода. Наплавку выполняют постоянным током обратной полярности.

Диаметр электрода (2-6 мм) зависит от толщины восста­ навливаемой детали, типа шва и его положения в простран­ стве. При вертикальном и потолочном швах диаметр элект­ рода не должен быть более 4 мм.

Необходимая сила сварочного тока может быть определе­ на по формуле

где I — сила тока, A; d3 — диаметр электрода, мм; а и (3 — опытные коэффициенты (при ручной сварке а = 6, /? = 20).

На качество сварного шва значительное влияние оказывает длина дуги. Она обычно составляет 0,5-1,2 диаметра электро­ да и зависит от условий сварки и марки электрода. При чрез­ мерно большой дуге в сварочном шве возрастает содержание азота и кислорода и увеличивается разбрызгивание металла. При короткой дуге плохо формируется сварочный шов.

Для получения при наплавке износостойкого покрытия на деталях из низкоуглеродистой, среднеуглеродистой и низко­ легированной сталей применяют электроды марок ОЗН-ЗОО,

O3H-350, ОЗН-400. Эти электроды имеют стержень из леги­ рованной проволоки соответственно ЭН-15ГЗ-25; ЭН-18Г4-35 и ЭН-20Г4-40. Покрытие электродов фтористо-кальциевое. При диаметре электрода 4 мм сила тока 170-220 А, а при диаметре 5 мм — 210-240 А.

Хорошая износостойкость деталей, работающих с безудар­ ной нагрузкой, обеспечивается наплавкой электродом Т-590, а деталей, работающих с умеренно ударной нагрузкой, — электродом Т-620. Эти электроды изготовляют из сварочной проволоки Св.-08А с обмазкой, имеющей легирующие эле­ менты. Наплавленный электродами слой представляет собой железоуглеродистый сплав, легированный хромом, бором, кремнием, марганцем и титаном. Электродом Т-590 можно наплавлять ножи бульдозеров, скреперов, грейдеров, ковши экскаваторов, работающие в песчаных и лёгких грунтах, элек­ тродами Т-620 — дробящие плиты камнедробилок, зубья ковшей экскаваторов, ножи бульдозеров, скреперов. Учиты­ вая повышенную хрупкость слоёв, наплавленных электрода­ ми Т-590 и Т-620, и склонность к образованию трещин, эти электроды используют для наплавки верхних слоёв деталей, подвергающихся абразивному изнашиванию. При диаметре электрода 4 мм сила тока 200-220 А, а при диаметре 5 мм — 250-270 А.

При ручной дуговой сварке основное время (в мин) рас­

где F — площадь поперечного сечения шва, см2; I — длина шва, см; у — плотность наплавленного металла, г/см3; К — коэффициент наплавки, г/(А-ч); I — сила сварочного тока, А.

При дуговой сварке и наплавке стальных деталей для уменьшения внутренних напряжений и деформаций наибо­ лее эффективным способом является предварительный подо­ грев детали до 200-300 °С, а после наплавки — отпуск мало­ габаритных деталей при температуре 630-650 °С с последу­ ющим медленным охлаждением.

Газовая сварка и наплавка стальных деталей. При газо­ вой сварке и наплавке в качестве горючего используют в ос­ новном ацетилен. Газовую сварку применяют главным обра­ зом для соединения листов толщиной менее 2 мм (кабины и оперения автомобилей, тракторов, баки, тонкостенные тру­ бы), так как газовое пламя не даёт прожога тонкого листа. По производительности газовая сварка в 3—5 раз ниже дуго­ вой и даёт значительные остаточные деформации. Материал присадочного прутка выбирают однородным по составу с ос­ новным металлом. Перед сваркой шов предварительно про­ гревают горелкой до температуры 650-700 °С.

Основное время (в мин) при ацетилено-кислородной свар­ ке определяют по формуле

#„ — коэффициент наплавки, г/мин. Кнзависит от мощнос­ ти горелки и от свариваемого металла.

Наплавка деталей твёрдыми сплавами. Из группы твёр­ дых сплавов наиболее распространены сормайты и сталинит (таблица 3.1). Сормайты применяют в виде стержневых элек­ тродов диаметром 5-7 мм двух марок: № 1 (ЦС-1) и № 2 (ЦС-2).

Сормайты можно наплавлять газовым пламенем или дуго­ вой наплавкой на постоянном и переменном токе. При на-

Таблица 3.1

Грунты твердых сплавов

плавке постоянным током применяют обратную полярность. Для газовой наплавки используют флюс (прокаленная бура 50 % , двууглекислая сода 47 % и кремнезём 3 %).

Сормайт № 1 после наплавки имеет твёрдость HRCa 48-52 и последующей термообработке не подлежит. Сормайт N° 2 после наплавки и отжига хорошо обрабатывается резанием, а после закалки и отпуска приобретает твёрдость HRCs 58-62. Сормайт № 1 отличается меньшей вязкостью и прочностью и может быть применён при восстановлении деталей, работаю­ щих при спокойной нагрузке. Сормайт № 2 используют для наплавки деталей, работающих при ударных нагрузках. Тол­ щина наплавленного слоя с учётом припуска на последую­ щую механическую обработку может быть 2,5-4 мм.

Сталинит (в виде порошкообразной смеси) применяют при наплавке рабочих органов строительных и дорожных машин (ножи бульдозеров, зубья ковшей экскаваторов, щёки кам­ недробилок и др.). Наплавку сталинитом выполняют четырь­

боких трещин и пор. Применяя смесь сталинита с карбидом бора (до 3 % ), получают наплавлен­ ный слой с более высокой твёрдостью.