Рисунок 10.1. Способы дуговой наплавки

Лекция 10

ВИДЫ НАПЛАВКИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭНЕРГИИ

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГИ

1. Электродуговая наплавка

2. Вибродуговая наплавка

3. Плазменная наплавка

4. Электрошлаковая наплавка

 

Электродуговая наплавка

Технологические особенности и теоретические основы электродуговой наплавки. Наплавка в отличие от других методов плакирования (прокаткой, ковкой, взрывом, наплылением и др.) сопровождается разбавлением металла плакирующего слоя с основным. Наплавка по сравнению с другими способами восстановления дает возможность получать на поверхности деталей слой необходимой толщины и нужного химического состава, высокой твердости и износостойкости.

Основные способы дуговой наплавки приведены на (рис. 10.1)

 

Рисунок 10.1. Способы дуговой наплавки

1 – присадочный материал; 2 – защитные покрытия; 3 – основной металл; 4 – наплавленный металл

А – ручная дуговая; Б – плазменно-дуговая; В – порошковой проволокой; Г – в среде защитных газов; Д – под слоем флюса; Е – лентой;  Ж – лежачим электродом; 3 – электрошлаковая

 

Технологические особенности электродуговой наплавки используют в целях ослабления нежелательных сопутствующих явлений, таких как окисление металла, поглощение азота, выгорание легирующих элементов и нагрев детали выше температуры фазовых превращений. Эти явления приводят к снижению прочности сварочного шва, нарушению термообработки материала, структурным и фазовым изменениям, короблению детали. Перемешивание материалов основы и покрытия ухудшает его свойства.

При электродуговой наплавке применяют, главным образом, плавящиеся электроды. Неплавящиеся угольные электроды с введением присадочного материала в дугу используют при сварке тонколистовой стали, свинца и при наплавке твердыми сплавами. Сварка неплавящимся вольфрамовым электродом применяется при аргонодуговой наплавке.

Дуга может гореть между электродом и изделием или между электродами. Полярность может быть прямая («+» на детали) или обратная («–» на детали).

Наплавке подвергают основной металл самых разнообразных классов и видов, включая стали: углеродистую, низколегированную, литую, высокомарганцовистую аустенитную, коррозионно-стойкую и другие.

При наплавке между покрытием и основой образуется металлическая связь, поэтому особое значение имеет свариваемость материалов, которая определяется как свойство создавать прочное сварное соединение без трещин, пор и других дефектов.

Проблемой электродуговой наплавки являются трещины двух видов: горячие и холодные (замедленного разрушения). Материал детали, прилегающий к наплавленному слою, характеризуется максимальной твердостью и склонностью к образованию трещин замедленного разрушения. Для предотвращения трещинообразования обычно применяют следующие меры:

- предварительный и сопутствующий подогрев во время наплавки для поддержания заданной температуры основного металла;

- наплавку после удаления с поверхности детали слоя, содержащего дефекты или отличающегося повышенной твердостью;

- подогрев изделия после наплавки и замедленное охлаждение наплавленного металла;

- последующую термическую обработку;

- наплавку эластичного подслоя на поверхность основного металла, обладающего удовлетворительной свариваемостью;

- уменьшение числа слоев при многослойной наплавке;

Выбор режимов наплавки. Назначают диаметр электрода в зависимости от толщины стенки детали или толщины покрытий. При восстановительных работах чаще назначают диаметр электрода d _эл=1,6–2,5 мм.

Принимают плотность тока при ручной наплавке j =10–30 А/мм² при автоматической наплавке под слоем флюса j =100–200 А/мм², а при наплавке в среде защитного газа j >200 А/мм².

Сила сварочного тока в амперах

.

Напряжение дуги U (в вольтах) зависит от силы сварочного тока. При наплавке под слоем флюса, например, напряжение дуги равно

U =21 + 0,04 I.

Масса наплавленного металла m _ч за 1 ч (в г/ч) равна

                                                    m _ч = α_н I_н,                                               

где α_н – коэффициент наплавки, определяющий массу наплавленного металла при силе тока 1 А за 1 г, г/(А·ч).

    Коэффициент наплавки на постоянном токе при ручной наплавке тонкообмазанными электродами равен α_н = 7,8–8,5 г/(А·ч), толстообмазанными электродами – α_н = 10–14 г/(А·ч), под слоем флюса – α_н = 14–16 г/(А·ч), электрошлаковой наплавке – α_н = 20–25 г/(А·ч), ленточными электродами под слоем флюса – α_н = 15–20 г/(А·ч), при вибродуговой наплавке – α_н = 8–10 г/(А·ч), в среде диоксида углерода – α_н = 12–14 г/(А·ч).

В среднем на 1 кг наплавленного металла при ручной дуговой наплавке на переменном токе затрачивается 3,5–4,5 кВт·ч, на постоянном токе – 7–8 кВт·ч.

Масса подаваемой в зону наплавки проволоки за 1 ч (в г/ч) равен массе наплавленного за это время металла

                                                          ,                                         

где γ – плотность металла проволоки, г/см³; v _пр – скорость подачи проволоки наплавки, см/ч.

    Приравнивая правые части двух вышеприведенных зависимостей определяют скорость подачи электродной проволоки v _пр (см/ч):                                

                                                                                                         

        

 

Площадь сечения наплавки F _н (cм²) равна

,

где v _н – скорость наплавки, см/ч.

    Отсюда находят скорость наплавки

,

где B и h – ширина и высота валика, см; k ₁ – коэффициент площади валика (0,5–0,7).

    Частота вращения детали n (мин^-1) при наплавке

,

где d _д – диаметр детали, мм.

Основное время наплавки t ₀ (мин) равно

,

где l – длина наплавляемой шейки, мм; S _н – шаг наплавки, мм/об.

Масса наплавленного слоя

.

    Глубина проплавления основного металла и производительность процесса зависят от сварочного тока, угла наклона электрода и скорости наплавки. Глубину проплавления h _пр определяют из выражения

,

где η – коэффициент использования тепла при наплавке, равный отношению количества тепла, затраченного на расплавление металла (зависит от рода тока и полярности), к количеству тепла, выделившегося из электрической дуги.

Ручная электродуговая наплавка. Наплавку, основанную на использовании электродов в виде стержней с покрытием, осуществляют обычно вручную, поэтому такой способ называют также ручной дуговой наплавкой (MMA - Manual Metal Arc). Ручная электродуговая наплавка выполняется в основном электродами с толстым покрытием и в тех случаях, когда применение механизированных способов невозможно или нецелесообразно. 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. 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.

Для получения минимальной глубины проплавления основного металла электрод наклоняют в сторону, обратную направлению наплавки. Наплавку выполняют электродами диаметром 2–6 мм на постоянном токе 80–100 А обратоной полярности с производительностью 0,8–3,0 кг/ч. Требуется высокая квалификация сварщиков, потому что наплавку необходимо вести на минимально возможном токе и напряжении с целью уменьшения доли основного металла в наплавленном слое при высокой степени сплавления основного и наплавленного металлов.

Дуговая наплавка покрытым электродом 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.

Электродуговая наплавка под слоем флюса. При дуговой сварке и наплавке под флюсом (Flux-cored wires for arc welding and surfacing) дуга скрыта под слоем гранулированного флюса, предварительно насыпаемого на поверхность основного металла.

При наплавке используются электродные материалы в виде проволоки или ленты.  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.

При такой наплавке в зону горения дуги (рис. 10.2) подают сыпучий флюс, состоящий из отдельных мелких крупиц (зерен). Под воздействием высокой температуры часть флюса плавится, образуя вокруг дуги эластичную оболочку, которая надежно защищает расплавленный металл от действия кислорода и азота. После того как дуга переместилась, жидкий металл твердеет вместе с флюсом, образуя на наплавленной поверхности хрупкую шлаковую корку. Флюс, который не расплавился, может быть снова использован.

Рисунок 10.2. Схема автоматической наплавки под слоем флюса:

1 – наплавляемая деталь; 2 – оболочка жидкого флюса; 3 – эластичная оболочка;

4 – бункер с флюсом; 8 – мундштук; 6 – электрод; 7 – электрическая дуга; 8 – шлаковая корка; 9 – наплавленный металл; а – смещение от зeнита

 

Дуговая наплавка под флюсом имеет следующие преимущества:

- высокая производительность процесса при наплавке изделий простой формы с большой площадью наплавляемой поверхности;

- простота осуществления процесса, не требующего высокой квалификации сварщика;

- возможность получения хорошего внешнего вида валика;

- хорошие условия труда, связанные с отсутствием разбрызгивания электродного металла (поскольку дуга скрыта под слоем флюса).

 Вместе с тем этому способу наплавки присущи следующие недостатки:

- более высока стоимость оборудования, чем для ручной дуговой наплавки покрытыми электродами;

- непригодность для наплавки мелких изделий сложной формы.

Автоматическая наплавка эффективна в тех случаях, когда нужно наплавить слой толщиной более 3 мм (например, при выполнении наплавки на деталях ходовой части тракторов и сельскохозяйственных машин — катках, цапфах, роликах, осях и т. д.), глубокое проплавление нежелательно, так как оно увеличивает деформацию детали. Главным фактором, влияющим на глубину про- плавления, является сила тока:

,

где h – глубина проплавления, мм; К – коэффициент; I – сила тока, А; v _н – скорость на плавки, мм/мин; U – напряжение, В.

Влияние на глубину проплавления оказывает относительное размещение электрода и детали. В практике применяют наплавку углом вперед, при которой глубина проплавления меньше, чем при наплавлении углом назад. Глубина проплавления также уменьшается с увеличением вылета электрода.

При электродуговой наплавке под слоем флюса применяют постоянный ток обратной полярности. При наплавке цилиндрических поверхностей электрод смещают от зенита в сторону, противоположную вращению на угол ~ 10 % диаметра наплавляемой детали. Электрод должен составлять угол с нормалью к поверхности 6–8º. Флюс в зону наплавки подают из бункера. Расход флюса регулируют открытием шибера. После зажигания дуги одновременно плавятся электрод, поверхность детали и флюс. Сварочная дуга с каплями металла оказывается в объеме газов и паров, ограниченном жидким пузырем из расплавленного флюса. Этот пузырь обволакивает зону наплавки и изолирует ее от кислорода воздуха.

Жидкий металл в сварочной ванне постоянно движется и перемешивается. Металл сварочного шва, полученного под флюсом, состоит из расплавленного присадочного (1/3) и переплавленного основного (2/3) металла. Массы флюса и присадочного металла примерно одинаковы.

Флюс при электродуговой наплавке является вспомогательным материалом, он вместе выбором материала электрода и режимов наплавки играет важную роль в обеспечении необходимых свойств получаемого покрытия. Флюсы применяют как в виде сухих зерен, так и в виде пасты из зерен со связующим. Элементы флюса выполняют свои функции после расплавления, сгорания и разложения. Расплавленный флюс должен быть жидкотекучим. Температура плавления присадочного материала должна превышать на 100–150 ºС температуру плавления флюса. Однако флюс не должен кипеть при рабочей температуре наплавки.

Флюс при наплавке осуществляет следующие функции:

- устойчивое горение дуги;

- защиту расплавленного металла от кислорода и азота воздуха;

- очистку расплавленного металла от включений и его раскисление;

- легирование необходимыми элементами материала покрытия;

- образование в дальнейшем теплоизоляционного слоя из флюса и его корки, что замедляет процесс затвердевания металла.

Для выполнения этих функции в составе флюса имеются такие вещества:

- стабилизирующие процесс горения дуги (сода, поташ, диоксид титана, мел, мрамор и др.);

- газообразующие из органических соединений (крахмал, мука пищевая и древесная, декстрин) для создания защитной атмосферы;

- шлакообразующие и раскисляющие (титановый концентрат, марганцевая руда, полевой и плавиковый шпаты, кварц и др.), которые очищают и раскисляют металл;

- легирующие (ферромарганец, ферросилиций, ферротитан, алюминий и др.);

- связующие добавки (жидкое стекло, декстрин и др.)

Флюсы по составу и способу приготовления делятся на плавленые, керамические (неплавленные) и смешанные.

Плавленые флюсы подразделяются на виды в зависимости от массовой доли оксидов кремния и марганца. Марганцовистые флюсы содержат >12% MnO, низкокремнистые флюсы включают <30 %, а высококремнистые – >30 % SiO₂. Керамические флюсы представляют собой механическую смесь легирующих, модифицирующих и шлакообразующих составляющих, соединенных жидким стеклом (17­–18 мас.% сухих компонентов). Наиболее распространены для наплавки деталей керамические флюсы АНК-18, АНК-19, АНК-30 и ЖСН-1. Флюсы-смеси получают смешиванием плавленых и керамических флюсов или плавленых с ферросплавами и графитом. Чаще всего флюсы-смеси состоят из флюса АН-348А с добавлением феррохрома, ферромарганца и графита. Применение легирующего флюса позволяет получать наплавленный слой однородного химического состава, высокой твердости и износостойкости.

Марку электродного материала, как и флюса, выбирают с учетом требуемых физико-механических свойств наплавленного покрытия. Применяют следующие электродные материалы: проволоку сплошного сечения (углеродистую, легированную, высоколегированную) и порошковую проволоку (легированную, высоколегированную).

Основные технологические параметры наплавки: состав электродного материала и флюса, напряжение дуги U, сила I и полярность тока, скорость наплавки v _н и подачи электродного материала v _п, шаг наплавки S, смещение электрода от зенита e, диаметр d _э и вылет электрода.

Наплавка электродной проволокой под флюсом может быть осуществлена во многих вариантах с использованием наплавочной проволоки разнообразного состава и различных флюсов (наплавка лежачим электродом, многоэлектродная наплавка, нагрев проволоки электросопротивлением и др.).

Наплавку под слоем флюса применяют для восстановления многих деталей тракторов, автомобилей и сельскохозяйственных машин.

При наплавке могут возникнуть такие дефекты: неравномерность ширины и высоты наплавленного валика из-за износа мундштука или подающих роликов; чрезмерного вылета электрода; наплыв металла вследствие чрезмерной силы сварочного тока или недостаточного смещения электродов из зенита; поры в наплавленном металле из-за повышенной влажности флюса (его необходимо просушить в течение 1–1,5 ч при температуре 250–300 ºС); неустойчивая дуга как следствие ненадежного контакта.

Наплавка порошковой проволокой. Наплавка без защитной среды, осуществляется порошковой проволокой при отсутствии подачи флюса или защитного газа в зону дуги. Наплавка открытой дугой порошковой проволокой обладает следующими преимуществами:

- простота используемого оборудования и технологии, связанная с отсутствием необходимости применения защитного газа и флюса;

- возможность наплавки в полевых условиях, поскольку ветер практически не оказывает влияния на процесс наплавки;

- сравнительная простота введения легирующих элементов в наплавленный металл, состав которого можно регулировать в широких пределах.

Хорошие результаты при наплавке дает использование порошковой проволоки, в состав которой входят феррохром, ферротитан, ферромарганец, графитовый и железный порошки. Наплавку выполняют под слоем флюса или в среде защитного газа, но при введении в проволоку соответствующих компонентов возможна наплавка и без флюсовой или газовой защиты.

Используют два типа порошковой проволоки для наплавки под флюсом и для наплавки открытой дугой без дополнительной защиты.

Для наплавки порошковой проволокой используют токарные станки с головками А-580М, ОКС-1252М, А-765, А-1197, а также специальные станки УД-139, УД-140, УД-143, УД-144, УД-209, УД-233, У-651, У-653, ОКС-11200, ОКС-11236, ОКС-11238, ОКС-14408. Источниками питания дуги являются преобразователи ПСГ-500, выпрямители ВДУ-504, ВДУ-301, ВДУ-1001, ВС-600, ВДМ-1001. Использование порошковой проволоки позволяет снизить расход сварочной проволоки. Для большинства марок порошковой проволоки коэффициент наплавки составляет 13–15 г/(А·ч), т.е. значение коэффициента значительно выше, чем при наплавке обычными электродами.

Электродуговая наплавка в среде защитных газов. Сущность наплавки в среде защитных газов (MIG/MAG) состоит в том, что в зону наплавки подают под давлением защитный газ, в результате чего столб дуги и сварочная ванна изолируются от кислорода и азота воздуха (рис. 10.3).

Для создания защитной атмосферы используют: инертные газы (аргон, гелий и их смеси), активные газы (двуокись углерода, азот, водород, водяной пар и их смеси. Наилучшую защиту металла при наплавке обеспечивают инертные газы, однако их применение ограничивается высокой стоимостью. Чаще применяют пищевую углекислоту, сварочный диоксид углерода и водяной пар.

Наибольшее применение в ремонте машин получила наплавка в среде диоксида углерода плавящимся электродом. Используют электродные проволоки диаметром 0,8–2,0 мм и токи относительно большой плотности.

Рисунок 10.3. Схема наплавки в среде диоксида углерода:

1 – мундштук; 2 – электродная проволока; 3 – горелка; 4 – наконечник; 5 – сопло горелки;

6 – электрическая дуга; 7 – сварочная ванна; 8 – покрытие; 9 – восстанавливаемая деталь

 

Важной особенностью наплавки в среде диоксида углерода является образование атомарного кислорода при диссоциации CO₂ в условиях высокой температуры

СО₂ → СО + О.

   Оксид углерода частично диссоциирует

СО → С + О.

   Атомарный кислород высокоактивен и способен окислять все элементы, входящие в состав материала проволоки и детали, в том числе железо

Fe + O → FeО.

   Выделение газообразного оксида приводит к образованию пор. Это объясняет необходимость применения при сварке раскислителей типа кремния, марганца, хлора, титана. Эти элементы связывают кислород, мешая образованию оксида железа

FeO + Mn → Fe + MnO

2FeO + Si → 2Fe + SiO₂.

Присутствие в металле шва >0,2 % Si и >0,4 % Mn препятствует образованию пор.

При наплавке используют материалы: электродную проволоку Св-12ГС, Св-0,8ГС, Св-0,8Г2С, Св-12X13, Св-06Х19Н9Т, Св-18ХМА, Нп-30ХГСА; порошковую проволоку ПП-Р18Т, ПП-Р19Т, ПП-4Х28Г и др. Ответственные детали с твердостью рабочих поверхностей 45–55 HRC наплавляют проволокой Нп-30ХГСФ диаметром 1,2–1, 8 мм с последующей термической обработкой поверхности – закалкой ТВЧ.

Режимы наплавки: напряжение 18–22 В; ток 120–180 А; скорость наплавки 25–50 м/ч; шаг наплавки 2,5–8,5 мм/об; вылет электродной проволоки 15–20 мм; скорость подачи проволоки 100–180 м/ч; расход диоксида углерода 10–15 л/мин.

По сравнению с наплавкой под слоем флюса процесс обладает следующими преимуществами:

- меньшим нагревом детали;

- возможностью наплавки деталей меньшего диаметра;

- более высокой производительностью (в 1,2–1,5 раза по массе и 30­–40 % по площади);

- исключение необходимости отделения шлаковой корки и зачистки швов;

- возможностью сварки и наплавки в любых пространственных положениях.

Электродная проволока диаметром 0,8–­2,0 мм подается в дугу с постоянной скоростью. Защитный газ под избыточным давлением подается из сопла, расположенного концентрично электроду. Давление газа 0,05–0,20 МПа, его расход 0,60–1,0 м³/ч.

Для наплавки в среде защитных газов применяют:

- наплавочный станок с газоэлектрической горелкой;

- источники питания с жесткой характеристикой УД-209, УД-294, ВС-200, ВС-400, ВДГ-301, ПСГ-350, АЗД-75/30 (для аргонодуговой наплавки СВу-300, УДГ-301, УДГ-501, УПС-301);

- полуавтоматы типов А-348, А-409, А-537, А-547У и др.

Аргонодуговая наплавка – это разновидность наплавки в среде защитных газов, применяется для нанесения покрытий на детали из алюминиевых сплавов и коррозионно-стойких сталей. Способ состоит в дуговой наплавке при защите зоны дуги аргоном, гелием или иным инертным газом. Наплавку в среде инертного газа осуществляют в двух вариантах: плавящимся и вольфрамовым электродами. Наплавка плавящимся электродом в среде защитного газа характеризуется тем, что дуга возникает между основным металлом и электродным наплавочным материалом. Наплавка протекает в условиях автоматической подачи электродной проволоки. В качестве защитного газа чаще всего используют аргон, хотя при работе в среде чистого аргона дуга теряет стабильность при наплавке любого металла, кроме алюминиевых сплавов. С целью стабилизации дуги при наплавке стали к аргону добавляют до 20 % кислорода или углекислого газа, что существенно влияет на процесс наплавки.

Применение инертного газа исключает необходимость использования флюса, поэтому данный способ особенно эффективен при наплавке цветных металлов, высоколегированных сталей и других материалов, чувствительных к окислению и азотированию.

К недостаткам наплавки в среде защитных газов относятся:

- повышенное разбрызгивание металла (5–10 %) и потери защитного газа;

- ограниченное легирование наплавленного металла;

- открытое световое излучение дуги и необходимость защиты от него сварщика.