Восстановление деталей сваркой и наплавкой
Основные виды сварки и наплавки, используемые при ремонте деталей и область их использования, представлены в таблице 3.5. Физическая сущность этих видов сварки и наплавки, перечень необходимых при этом оборудования, материалов, инструментов, приспособлений представлены в табл.3.8.
Каждый из приведенных в табл. 3.8 видов сварки и наплавки характеризуется комплексом общих и частных показателй, параметров, критериев качества, знание и сравнительный анализ которых необходим инженеру-механику в практической работе.
К общим критериям выбора вида сварки, наплавки относятся: химические, фазовые превращения и зоны термического влияния; материал и диаметр сварочной, наплавочной проволоки, электродов; трудоемкость реализации.
Химические превращения свариваемого (наплавляемого) металла связаны с окислением их кислородом воздуха, образованием нитридов (действие азота); повышением хрупкости (наводороживание); науглероживанием; легированием (за счет реакций замещения) или, наоборот, выгоранием легирующих элементов.
В процессе нагрева - плавления - охлаждения металлы и сплавы претерпевают фазовые превращения [36]. Высокотемпературное же воздействие фаз приводит к изменению металла детали и, значит, изменению свойств сварного соединения (наплавленного слоя). Поэтому, с целью получения заданных свойств металла в шовной и околошовной зонах необходимо предпринимать в ряде случаев дополнительные технологические приемы: предварительный и (или) окончательный отжиг; отпуск; быстрое, медленное, ступенчатое охлаждение (нагрев); проковку; оплавление и др.
Получение сварного шва с заданными свойствами и необходимыми производительностью и затратами определяется химическим составом и размерами сварочных материалов - проволоки, электродов, флюсов.
Основные виды сварочных и наплавочных материалов приведены в табл. 3.9 и 3.10.
Условное обозначение марок и типов электродов определяется по ГОСТ 9467-75. Например, обозначение (неполное) Э55А-УОНИ-13/55-3.0-УД2 расшифровывается следующим образом: Э - электрод; 55 - минимальный гарантируемый предел прочности металла шва в кгс/мм2 (460 МПа); А - гарантируется получение повышенных пластических свойств металла шва; УОНИ-13/55 - марка электрода; 3.0 - диаметр электрода; У - для сварки углеродистых и низколегированных сталей; Д2 - с толстым покрытием второй группы.
Диаметр электрода назначают в зависимости от толщины свариваемого металла, типа сварного соединения, положения шва в пространстве, состава свариваемого металла. Так, при сварке материалов толщиной более 4 мм применяют электроды диаметром 4-8 мм при условии обеспечения провара, толщиной до 4 мм - диаметр электрода принимается в среднем равным толщине.
Условное обозначение проволоки определяется по ГОСТ 2246-70 и ГОСТ 10543-82. Например, обозначение проволоки 2,5 Св-08 ХГСМФА-ВИ-Э-О ГОСТ 2246-70 расшифровывается так: 2,5 - диаметр в мм; Св-08 ХГОМФА - марка проволоки с содержанием углерода 0,08%, хрома (Х), марганца (Г), кремния (С), молибдена (М), ванадия (Ф) до 1% и повышенной частоты металла по содержанию серы и фосфора (А); из стали, выплавленной в вакуумно-индукционной печи (ВИ), с омедненной поверхностью (О), электродная (Э).
Для сварки меди и ее сплавов применяют проволоку из меди и сплавов на ее основе: М1, МНЖ5-1; Бр КМц 3-1; Бр ОЦ4-3; БрХНТ; Л63; ЛК62-05. Используют также прутки марок М1р; ЛМц58-2 и др.
Условное обозначение проволоки и прутков из меди и ее сплавов определено по ГОСТ 16130-90. Например, проволока сварочная ДКРТ2.0БТБрОЦ-4-3 расшифровывается так: холоднодеформирован-ная (Д); круглая (КР); твердая (Т); диаметром 2,0 мм; из сплава марки БрОЦ-4-3.
Таблица 3.8.
Сущность и обеспечение основных видов сварки и наплавки
| Виды сварки и наплавки | Характеристика используемой энергии | Потребность _________________________________________________ Оборудование Материалы | |
| 1. Сварка дуговая а) ручная на переменном токе б) тоже, на постоянном токе прямой или обратной полярности в) то же, на осциллирую-щем токе | Разряд электричества в газообразной среде элек-тронов и ионов То же Разряд электричества вы-сокой частоты и высокого напряжения в газообраз-ной среде электронов, ионов | Трансформаторы ТС-120, СТШ-250,ТСП-2,ТД-300, преобразователь ПС-100-1 и др. Генераторы и преобразователи типа ПСО-120, ПС-500, выпрямители ВСС-120-4, ВС-300 и др. Осцилляторы типа ТУ-2, ОСЦН, М-2, ОС-1 | Проволока сварочная, электроды, флюс соот-ветственно свариваемым материалам То же То же |
| 2. Сварка дуговая механи-зированная | Аналогично по п.1 | Сварочные аппараты типа ПШ-5.1, ТС-35, АДФ-501, А-384 | Электродная проволока, сварочные флюсы типа АН-348-А, ОСЦ-45, АН-17,АНФ-1,КВС-19,МАТИ-1 и др. |
Продолжение табл. 3.8.
| 3. Сварка аргонодуговая: а) на постоянном токе б) то же, на переменном токе | Аналогично по п.1 То же | Источники питания по п.1(б), установка типа УДАР-300, УДГ-300 Источники питания по п.1(а,в), горелки типа АР, А-408 | Аргон чистый (99,8%), вольфрамовые и плавя-щиеся электроды, при-садочная проволока, соот-ветственно свариваемым материалом |
| 4. Сварка газовая | Высокотемпературное газокислородное пламя | Газовые генераторы ГВД-0,8, ГВН-1,25, МГ, баллоны, редукторы типа РК-53, РА-553, РД-1БМ, горелки типа ГС-2 “Москва” | Газы: кислород (О2), водород (Н2), ацетилен (С2Н2), пропан-бутановая смесь, коксовый, природ-ный и др. Бензин |
Продолжение табл. 3.8.
| 5. Сварка контактная электрическая: а) стыковая б) то же, шовная на постоянном токе | Энергия сопротивления движению электрического тока (более 6300 А) и механическая энергия сжатия деталей То же | Машины стыковые типа МС-403, аппаратура управления Машины типа МШ, МШВ и аппаратура управления | Электродные вставки в губки стыковых машин из элконайта ВМ (20-30% Сu, 70-80% W) Электроды-диски из бронз Бр Кд 1, БрХ, Бр НТБ, БрНК хромоциркониевые, растворы для травления и нейтрализации деталей |
| 6. Трением сварка | Механическая энергия, преобразованная в тепло-вую при осевом сжимаю-щем усилии | Машины типа МСТ-1 или токарные, сверлильные станки | |
| 7. Термитная сварка | Экзотермическая реакция горения термической сме-си алюминиевого порош-ка и железной окалины | Тигли | Термитная смесь (76% -Al, 24% -Fe3O4) |
| 8. Электрошлаковая свар- ка | Энергия электрического тока при прохождении его через расплав флюса | Источники постоянного и переменного тока (п.1), А-681, А-730, А-645 | Флюс, электроды соответственно материалу детали |
Продолжение табл. 3.8.
| 9. Электронно-лучевая сварка | Энергия торможения по-тока ускоренных электро-нов в свариваемых мате-риалах | Установка типа ЭЛУ-4, 456 (Франция), ЕВ-2 (США), ГЕВ-2В (Япония) | Обычные для очистки деталей | ||
| 10. Ультразвуковая сварка | Энергия колебаний высо-кой частоты, передавае-мая частицами твердого тела | Установка типа УЗСМ-3, УТ-4, источники питания типа УЗГ-2,5 | Растворы для обезжи-ривания деталей | ||
| 11. Давлением сварка | Усилие сжатия деталей для сближения их поверхностей до (2-8)×10-7 мм и образование металлических связей сое-диняемыми материалами | Машины типа МСХС-5-3, оборудование для очистки деталей | Растворы для обезжи-ривания деталей | ||
| 12. Сварка диффузионная в вакууме | Энергия токов высокой частоты и механическая сжатия свариваемых в вакууме деталей | Установки типа СДВУ-15-1, высокочастотные генераторы типа ЛЗ-13, ЛЗ-67 | Материалы для предвари-тельной очистки деталей | ||
| 13. Сварка кузнечная | Высокотемпературное газокислородное пламя, энергия т.в.ч. и энергия динамического сжатия деталей | Молоты ковочные и др. | Газы по п.4, кокс | ||
Продолжение табл. 3.8.
| 14. Наплавка дуговая: а) под слоем флюса б) в среде углекислого газа на постоянном токе обратной полярности в) в среде аргона г) в среде водяного пара | Разряд электричества в газообразной среде элект-ронов и ионов, давление расплавленного флюса Разряд электричества в среде окиси углерода и атомарного кислорода Разряд электричества в среде атомарного аргона Разряд электричества в среде атомарных водоро-да и кислорода | Токарный станок, преоб-разователи ПСО, ПСБ, выпрямители типа ВС-300, ВДГ-301, установки типа А-580, ОКС-1031Б, ОКС-1252М Наплавочные головки типа АБС, А-384, ОКС-1252М, источники пита-ния типа ВС-200, ПСГ-350, подогреватели газа, осу-шитель, редукторы, рота-метры, токарный станок Автоматы, полуавтоматы типов АДСП-1, ПДС-305, источники питания типа ВГД-302, ВДУ-504 Токарный станок, дообо-рудованные головки нап-лавочного типа ОКС-6569, ОКС-1252 | Электродная проволока типа Св-08Г, Нп-80, Нп-30ХГСА, флюс типа АН-348Ф, ОСУ-45, АН-28, АНК-18, ЖСН-1 Проволока электродная типа Св12ГС, Нп-30ХГСА, ПП-Р18Т, углекислый газ (СО2) Аргон чистый (99,9%) или смесь (Аr+СО2). Сва-рочная или порошковая проволока Водяной пар, электродная проволока типа Св 10 ГС, ПК, НП30Х5СА | ||
Продолжение табл. 3.8.
| 15. Наплавка вибродуго-вая | Импульсные разряды электричества в газо-образной среде элект-ронов, ионов и энергия сопротивления движению электричества в месте контакта | Токарный станок, головка типа ОКС-6569, ОКС-1252, источники питания ПСГ-500, ВС-300 и др. | Электродная проволока Св-08, 60С2 и др., (2,5-6)-ти процентный водный раствор кальцинирован-ной соды Na2CO3 или 20-ти процентный водный раствор глицерина, или флюс АН-348А с добав-ками | ||
| 16. Наплавка плазменная | Энергия плазмы-высоко-ионизированного элект-рическим разрядом и разогретого (до 30000) 0С газа | Установка типа УПСР-300-2, ПА-4, токарный станок | Электродная проволока, прутки, порошки типа карбидов ПГ-ХН80СР2-12 из чистых материалов и сплава | ||
Таблица 3.9.
Электроды для ручной дуговой сварки и наплавки
| Электрод ________________________ Марка Тип | Твердость НВ (НRC) поверхности после _____________________ наплавки закалки | Область применения | Род тока | ||
| ОММ-5 | Э-42 | 120-140 | - | Маслоуглеродистые стали | Постоянный |
| ОМА-2 | Э-42 | 120-140 | - | Маслоуглеродистые стали | Постоянный и переменный |
| ЦМ7 | Э-42А | То же | |||
| УОНИ-13/45 | Э-46 | 140-200 | - | Наплавка поверхностей, не требующих высокой твер-дости | Постоянный, обратной полярности |
| УОНИ-13/55 | Э-55 | 140-210 | Наплавка поверхностей, не требующих высокой твер-дости | Постоянный, обратной полярности | |
| МР | Э-46 | 160-200 | То же | То же и переменный | |
| ОЗН-300 | ЭН-15ГЗ-75 | 250-300 | 250-300 | Наплавка деталей, рабо-тающих при ударных и контактных нагрузках | Постоянный, обратной полярности |
| ОЗН-400 | ЭН-20Г4-40 | 370-430 | - | То же | То же |
| ОМГ | ЭН70Х11-25 | 250-320 | - | Наплавка поверхностей, работающих при интенсив-но-абразивном изнашив. | То же |
Продолжение табл. 3.9.
| ОМГ-Н | ЭН-70Х11НЗ-25 | 250-310 | - | То же | То же |
| ЦН-5 | ЭН-25Х12-40 | (41,5) | (50) | Наплавка быстроизнаши-вающихся поверхностей, требующих обработки резанием, штампов | То же |
| ЭН-60М | ЭН-60Х20М-50 | (51,5) | (61) | То же | То же |
| ЦШ-1 | ЭН-30ХЗВ8 | (41,5 после отжига) | То же | То же |
Таблица 3.10.
Сварочная и наплавочная проволока и флюсы
| Марки проволоки | Рекомендуемые флюсы и защитные газы | Твердость (НRС) после наплавки | Восстанавливаемые детали |
| Св-08 | АН-348 А АН-60 АНК-18 | Из низкоуглеродистых и низколегированных сталей | |
| Св-18 ХГС | АН-348 А в среде СО2 | То же | |
| Нп-30 | АН-348 А | 16-22 | Оси, валы из типичных сталей |
| Нп-65 | То же | 22-30 | Опорные катки, ролики и т.п. |
| Нп-65Г | То же | 25-32 | Коленчатые валы, кресто-вины карданных передач |
| Нп-30ХГСА | То же | 30-34 | Шестерни |
| Нп-Х20Н80Т | То же | 18-22 | Клапаны |
Для сварки титана используют сварочную проволоку из сплавов на основе титана: ВТ1; ВТ5; ВТ5-1 и др.
Для сварки чугуна используют чугунные (или из других материалов в зависимости от способа сварки) прутки.
Современный уровень практической и теоретической проработки рассмотренных видов сварки и наплавки позволяет сформулировать технологические и технико-экономические их особенности и критерии выбора.
Частные критерии выбора способов сварки, наплавки непосредственно связаны с особенностями свариваемых, наплавляемых материалов и требуемых эксплуатационных свойств восстанавливаемых деталей.
Одним из критериев целесообразности применения в конкретных условиях ремонта конкретного вида сварки, наплавки является свариваемость различных материалов. Различают технологическую и физическую свариваемость.
Технологическая свариваемость - это технологическая способность материала к свариванию - образованию неразъемного сварного соединения.
Физическая свариваемость - совокупность процессов, протекающих в зоне сварки материала и приводящих к образованию неразъемного соединения. Все однородные металлы обладают физической свариваемостью, а для разнородных металлов обеспечение физической свариваемости требует дополнительных усилий.
К таким условиям относятся: температурный режим нагрева, сварки и охлаждения деталей; специальная подготовка места сварки; использование соответствующих сварочных материалов; использование соответствующих видов энергии, количества и характера ее проявления.
Свариваемость деталей зависит от количества химических элементов в ее составе и оценивается эквивалентным содержанием углерода по формуле:
(3.53)
где 
и др. - процентное содержание химических элементов в составе стали.
Практика показала, что свариваемость стали при Сэ<0,25 хорошая; при Сэ = 0,25...0,35 -удовлетворительная; при Сэ=0,35...0,45 - ограниченная (для предупреждения трещин необходимо проводить предварительный или сопутствующий подогрев, термообработку после сварки и применять специальные виды сварки); при Сэ>0,45 - плохая (требуется подогрев до и после сварки, специальная ее технология). С учетом толщины свариваемых деталей эквивалентное содержание углерода корректируется и равно:
, (3.54)
где N =0,005d×Сэ - поправка на толщину d (мм) детали. С учетом (3.54) температура предварительного подогрева определяется по формуле:
tпод = 350( 
- 0,25)0,5 , 0С. (3.55) 
Качественная оценка свариваемости сталей и влияние на нее отдельных химических элементов сводится к следующему.
Хром при сварке образует карбиды, ухудшающие коррозионную стойкость стали и резко повышающие твердость в зонах термического влияния, а также содействует образованию тугоплавких окислов, затрудняющих процесс сварки.
Никель увеличивает пластические и прочностные свойства стали, способствует образованию мелкозернистой структуры шва.
Молибден способствует повышению несущей способности стали при ударных нагрузках и повышенных температурах, а также образованию мелкозернистой структуры. Однако, молибден способствует образованию трещин в наплавленном металле и околошовной зоне термического влияния. В процессе сварки, наплавки молибден способен к выгоранию и образованию окислов.
Ванадий способствует образованию закалочных структур в сталях, затрудняющих сварочные процессы, активно окисляется и выгорает.
Вольфрам способствует значительному повышению твердости и работоспособности сталей даже при высоких температурах, но вместе с тем сильно окисляясь, затрудняет сварочные процессы.
Углерод при содержании в сталях более 0,25% резко ухудшает их свариваемость; способствует образованию закалочных структур, трещин, пористости.
Марганец при малом содержании в сталях (до 0,8%) существенного влияния на сварочные процессы не оказывает, при большем содержании способствует образованию закалочных структур и трещин.
Кремний, аналогично марганцу, оказывает негативное влияние на сварочные процессы лишь при больших его содержаниях (более 0,8%) в сталях вследствие образования тугоплавких окислов и жидкотекучести высококремнистых сталей.
Титан и ниобий при сварке коррозионностойких сталей (Х18Н9Т и др.) способствует образованию горячих трещин.
Свариваемость и технологические особенности сварки основных типов сталей приведены в табл. 3.13.
Технологические особенности электродуговой и газовой сварки приведены в табл. 3.11 и 3.13. Исходя из степени технологической и технической оснащенности конкретного предприятия, используя из таблиц необходимые сведения, выбирают конкретный вид и способ сварки.
Свариваемость чугуна и эксплуатационные свойства сварного шва чугунных деталей зависят от структуры чугуна. Хорошо свариваются чугуны со светной мелкозернистой перлитной структурой, включающей мелкопластический или глобулярный графит. Образование такой структуры зависит от температур нагрева и времени выдержки стали. При длительной выдержке и температуре более 500 0С в чугуне происходит распад цеменита - очень твердого и хрупкого соединения белого чугуна. Поэтому горячая сварка чугуна более предпочтительна, нежели холодная. Недостатком горячей сварки чугуна является большая трудоемкость и тяжелые условия труда сварщиков. Плохо свариваются чугунные детали, длительно работающие при высоких температурах (окисление углерода и кремния приводит к образованию так называемого горелого чугуна) или соприкосновении с маслом и керосином.
Особенностью сварки меди являются ее способность к окислению и образованию монооксида меди Сu2O, взаимодействующего с водородом, что способствует образованию паров воды и, как следствие, микротрещин - водородной болезни меди. Снижению этого способствует прокалка электродов, флюсов, осушение защитных газов.
Трудность сварки алюминия заключается в наличии в сварочной ванне тугоплавкой пленки оксида алюминия Al2O3, температура плавления которого 2050 0С, а чистого алюминия всего 658 0С, что крайне затрудняет управление процессом сварки и формирования шва. Поэтому предпочтительны сварка алюминия в среде защитных газов и на постоянном токе обратной полярности (катодное распыление окисной пленки).
При выборе способа газовой сварки металлов и сплавов необходимо учитывать, что качество сварного шва зависит от возможности его науглероживания и, одновременно, обеднения (выгорания) легирующими элементами. Так, при сварке хромоникелевой стали при нагреве до температуры 400-800 0С происходит выпадание карбидов и сталь теряет устойчивость к межкристаллитной коррозии. При сварке меди сварной шов склонен к красноломкости, хрупкости, образованию микротрещин. При сварке латуни наблюдается выгорание цинка и образование пористости шва. При сварке безоловянных бронз образуются тугоплавкие окислы алюминия и хрома. При сварке алюминия и его сплавов, в большей степени, чем при электродуговой сварке, наблюдается образование поверхностной тугоплавкой окисной пленки.
Трудоемкость выполнения сварочных, наплавочных работ в основном зависит от продолжительности основной операции (to), которая определяется для электродуговой сварки, наплавки:
tорд=КшQн / Jсв ×aн, ч, (3.56)
где Qн=F× 
×g - масса наплавленного металла при площади поперечного сечения шва F, его длине и плотности наплавляемого металла g; aн - коэффициент сварки, наплавки (табл. 3.14), зависящий от марки электрода; Кш=(1,0-1,2) - коэффициент, учитывающий длину шва и способ сварки; Jсв - величина сварочного тока, А, определяемая по зависимостям:
Jсв = kdэ или Jсв = (20 + 6dэ)dэ , (3.57)
где k=40-60 - коэффициент, учитывающий пространственное положение шва; dэ - диаметр электрода, мм.
Таблица 3.11.
Характеристика способов электродуговой сварки металлов сплавов
| Наименование металла, сплава, способа сварки | Материалы _________________________________ электродные прочие | Технологические особенности ___________________________________________ собственно сварки специальные | ||
| Чугун серый, ковкий: - сварка холодная - стальными электрода-ми - стальными электрода-ми с покрытием - то же, с помощью шпилек - то же, методом отжигающих валиков - чугунными электрода-ми | Низкоуглеродистая Стальная проволо-ка ОММ-5 УОНИ-13/45 Те же Те же Чугунные прутки марки Б | - - - - - - | На малом токе (90-180 А в зависимости от диаметра электрода) На переменном и постоянном токе малой величины Ток обратной поляр-ности Те же Те же Постоянный, перемен-ный ток; возможен отбел | - Разделка кромок; сварка участками (100-200 мм); их охлаждение (60-80) 0С То же То же То же, но охлаждение до 20-25 0С Только в нижнем положении |
Продолжение табл. 3.11.
| - комбинированными электродами из монель-металла, константана и пр. - сварка горячим уголь-ным электродом | ОЗ4-2, МНЧ-2, ЦЧ-3А, ПАНЧ-11 Прутки ПЧ1, ПЧН-2, ПЧВ и др. | - Бура безводная прокаленная | Ток обратной полярности величиной 30-40А на 1 мм диаметра Постоянный ток прямой полярности (280-600)А. Температура металла не ниже 500 0С | Хорошая обрабатывае-мость. Короткие валики, проковка Предварительный подогрев (650-680) 0С. Медленное охлаждение после сварки |
| Металлическим электродом | Чугунные прутки марок А и Б (6-15 мм) | Обмазка: мел 25%, графит 4,1%, пол. шпат 25%, ферромарга-нец | Постоянный ток об-ратной полярности. Температура металла не ниже 400 0С | Ступенчатый подогрев (до 300 0С за 0,5 ч и до 650 0С за 15 мин.) |
Продолжение табл. 3.11.
| Медь и ее сплавы: - электродуговая сварка угольным электродом - то же, металлическим электродом - то же, в среде защитных атмосфер | Прутки М1, М2, М3, Л90, БрОФ4-0,25 То же и электроды АНЦ-1, АНЦ-2 Прутки из МНЖКТ-5-1-0,2-0,02, БрОЦ4-3, БрКМц3-1 | Флюсы на основе буры, магния и др. То же Аргон, гелий, азот | Постоянный ток Постоянный ток обратной полярности Постоянный ток прямой полярности (до 700А) | Проковка шва при 135-550 0С Предварительный подогрев (2500С) Предварительный подогрев (800 0С) |
| Алюминий и его сплав.: -электродуговая сварка уголным электродом - металлич. электродом | Угольный электрод, проволока травл. марка АК Электроды с покр. ЭА-1(ОЗА-1, ОЗА-2) | Флюс АФ-А4, криолит | Постоянный ток прямой полярности Пост. ток обратной по- лярности (60А на 1 мм диаметра электрода | Удаление пленки ок- сида; для дюралю-миния, силумина отжиг (3500С) с мед-ленным охлаждением Предварительный по-догрев (250-4000С) |
| - аргонодуговая | Электрод вольфра-мовый, присадоч-ная проволока трав-леная марки АК | Аргон | Переменный осцилли-рующий ток (45-320 А) | Расход аргона (4-10 л/мин) |
Таблица 3.12.
Характеристика способов газовой сварки металлов и сплавов (на 1 мм толщины)
| Свариваемый материал | Присадоч-ный материал | Флюс __________________ состав со- держ. | Характеристика пламни и способа сварки | Расход ацетилена дм3/ч | Температура нагре-ва,0С | Обработка после сварки | |
| Сталь: низкоуглеродис-тая среднеуглеродис-тая высокоуглеродис-тая хромокремнени-келемедистая хромомолибдено-вая хромомарганцево-кремнистая хромистая хромоникелевая | Св-08 Св-08А Св-12ГС Св-08Г2С То же То же Св-08 Св-08А Св-10Г2 Св-08ХНМ Св-08 Св-18ХГСА Св-18ХМА Св-10Х13 Св-20Х13 Св-Х14 Св-10Х18НДТ Св-08Х18Н9 Св-08Х19Н10Б Св-06Х19Н9Т Св-02Х19Н9 | Не применяется -”- -”- Борная к-та Окись крем-ния Ферромарга-нец Феррохром Ферротитан Титановая ру-да Плавиковый шпат Плавиковый шпат Ферротитан | - - - - | Нормальное: правый или ле-вый способы Нормальное или слегка науглеро-живающее, то же То же Нормальное; левый -”- -”- - - | 90-100 75-100 75-130 75-100 75-100 Не более 70 70-75 | - 250-300 - 250-300 250-300 200-250 280-300 | - - Проковка с последующей нормализацией Нагрев до темпе-ратуры 930-950 0С, выдержка - 1,5 мин. на 1 мм толщины стали, охлаждение до температуры 3000С со скоро-стью 250С/мин, охлаждение на воздухе Закалка в отпуск То же Нагрев до темпе-ратуры 1050-13000С и охлаж-дение в воде |
Продолжение табл. 3.12.
| Медь | М1, М1р, М2р, МСр1 | Бура | Нормальное; любой | 100-150 | - | Проковка с пос-ледующим отжи-гом при тем-пературе 550-600 0С | |
| Латунь | Л62, Л060-1, ЛК62-05 | Тетраметил-борат | Нормальное или слегка окислен-ное; любой | 100-120 | - | То же при температуре 600-650 0С | |
| Бронза | БрХ-07, Бр-ХНТ, БрОЦ4-3, БрОФ6,5 | То же | Нормальное; любой | 70-120 | 500-600 | Отжиг при тем-пературе 750 0С с последующим охлаждением | |
| Алюминий и его сплавы | Того же сос-тава, что и свариваемый материал | Хлористый калий, хлористый литий, хлористый цинк, фтористый Na | Нормальное или слегка науглеро-живающее; левый | 75-100 | 250-400 | Легкая проков-ка, отжиг при температуре 300-350 0С с после-дующим охла-ждением |
Таблица 3.13.
Технологические особенности сварки, наплавки сталей
| Свариваемость | Марка стали | Особенности режима сварки | Примечание |
| Хорошая | Ст1кп, Ст1пс, Ст1сп,..., БСт4кп, БСт4сп; Стали 0,8,10,15,20,25 15Х, 20Х, 20ХГСА, 12ХН2, 12Х2Н4А, 15НМ 15Л, 20Л | Без термообработки -”- -”- Отжиг, высокий отпуск при большом объеме наплавленного металла Отжиг, отпуск промежуточный | Электроды: Э42А Э50 Э50 Э55 |
| Удовлетвори-тельная | БСт5сп, БСт5Гсп; 30, 35; 20ХН3А; 30Л, 35Л 15ХСНД | Термообработка до сварки, при большом объеме - промежуточный отжиг, высокий отпуск Отжиг | Электроды: Э42, Э42А, Э50, Э55, ЦЛ-2. ЦЛ-4 |
| Ограниченная | Ст6пс, Ст6сп, БСт6пс, БСт6сп; 40. 45, 50; 35ХМ, 30ХГС, 30ХС, 20Х2Н4А; 40Л, 45Л, 50Л | Предварительный нагрев до 200 0С, отпуск с нагревом до температуры 50-100 0С ниже точки А3 Отжиг | Электроды: Э42А, Э50А, Э55 |
| Плохая | 60Г, 65Г, 70Г 50ХН, 50-ХГ, 55С2А, 65, 75 60С2, 9Х, 55Л, У7-У13А | Предварительный отжиг, предвари-тельный подогрев до 200 0С, после-дующая термообработка | Электроды: те же, отжиг перед обработкой резанием |
| ЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ | |||
| Хорошая | 0820Н14С2, 20Х23Н18, 12Х18Н9Т, 08Х18Н10 | При наклепе закалить до 1100 0С | Электроды: Э60, Э60А Обработка резанием затруднена |
Таблица 3.14.
Значения коэффициентов электродуговой сварки, наплавки
| Марка электрода | Коэффициент наплавки, г/(А×ч) | Коэффициент перехода металла в шов |
| МР-3 | 9,0 | 0,80 |
| УОНИ-13/45 | 9,0 | 0,95 |
| УКР | 10,7 | 1,04 |
| К-5 | 9,0 | 0,73 |
| АНО-11 | 10,5 | 1,03 |
| ЦМ-7 | 11,0 | 0,90 |
| ОММ-5 | 7,25 | 0,80 |
Вспомогательное время при этом виде сварки, наплавки принимают в зависимости от условий работы в пределах 1,5-3 мин; дополнительное - в пределах 8-13% от оперативного (8% - при удобном положении шва, 10% - при неудобном и 13% - при напряженном); подготовительно-заключительное время принимается в объеме 15-25 мин.
Для газовой сварки основное время (tог) определяется по зависимости:
tог = Kd , мин, (3.58)
где K - коэффициент, зависящий от типа сварного соединения, вида шва и свариваемого металла (табл. 3.15); d - толщина свариваемого металла, мм.
Ориентировочно время газовой сварки, наплавки можно принимать, ориентируясь на данные табл. 3.16
Вспомогательное время устанавливается в пределах 8-11 мин (в том числе на смену баллона 6-8 мин); дополнительное время принимается равным 8-12% от оперативного; подготовительно-заключительное время в стационарных условиях принимается равным 15-25 мин, а в передвижных условиях от 25 до 40 мин.
При выборе вида наплавки технолог, инженер-механик руководствуются заданными эксплуатационными свойствами деталей и технико-технологическими возможностями того или иного вида наплавки.
Таблица 3.15.
Значение коэффициента учета особенностей газовой сварки
| Тип соединения и вид шва | Метод сварки | Свариваемый металл _____________________________________________ Сталь ______________ (уг- (угле- Медь, Алю- Маг- Сви- Цинк леро- рода ни- ми- ний нец да 0,25%) кель ний и 0,25%) чугун, спла- медн. вы сплавы | ||||||
| Стыковые и угловые с присадоч-ным мате-риалом | Левый Пра-вый | 5,0 4,0 | 4,5 3,5 | 4,0 3,5 | 4,0 3,5 | 3,0 - | 3,5 - | 3,5 - |
| С отбор-товкой и угловой без присадоч-ного мате-риала | Левый | 4,0 | 3,5 | 3,5 | 3,0 | 2,0 | 3,0 | |
| Тавровые | Левый Пра-вый | 6,5 5,5 | 6,0 5,0 | 6,0 5,0 | 5,0 4,5 | 4,0 - | 4,0 - | 4,0 - |
| Внахлестку | Левый | - | - | - | 4,5 | - | 2,5 | 3,0 |
Таблица 3.16
Время наплавки 1 см3 присадочного материала при ацетиленокислородной сварке, наплавке, мин.
| Толщина наплавляемой детали, мм | Номер наконечника горелки | Время наплавки, включая подогрев |
| 1-1,5 | 1,3 | |
| 2-4 | 1,1 | |
| 5-7 | 0,73 | |
| 8-9 | 0,62 |
Продолжение табл. 3.16.
| 10-12 | 0,52 | |
| 13-18 | 0,42 | |
| 19-30 | 0,38 |
Автоматическая электродуговая наплавка под слоем флюса позволяет наплавлять слой металла толщиной более 3 мм на тела вращения типа валов, которые устанавливаются в патроне специального или токарного станка и центрах. Токарный станок дополнительно оснащается токосъемниками, оборудуется понижающей передачей для обеспечения требуемой частоты вращения детали ( 
=0,25-4,0 мин-1). Продольная подача наплавочной головки, устанавливаемой на суппорте станка, принимается равной 3-6,5 мм/об, но с условием перекрытия предыдущего валика последующим на 0,3-0,5 его ширины. Ориентировочные значения параметров режима наплавки представлены в табл. 3.17.
Таблица 3.17.
Режимы автоматической наплавки под слоем флюса
| Диаметр детали, мм | Диаметр проволоки, мм | Сила тока, А | Напряже-ние дуги, В | Скорость подачи, м/ч | Скорость наплавки, м/ч |
| 1,2 | 110-120 | 24-25 | 70-75 | 14-16 | |
| 1,6 | 130-170 | 25-26 | 80-95 | 18-20 | |
| 1.6 | 170-180 | 26-28 | 100-115 | 20-24 | |
| 1,8 | 180-200 | 26-29 | 120-150 | 20-26 | |
| 2,0 | 180-200 | 26-32 | 180-200 | 20-28 |
Вылет электродной проволоки в зависимости от диаметра детали и величины тока принимается в пределах 10-25 мм, а его смещение с зенита - в пределах 2-7 мм.
Эксплуатационные и физико-механические свойства наплавленного металла зависят от состава флюса, материала электродной проволоки и указанных выше параметров режима наплавки, величины проплавления детали, которая определяется по зависимости:
h=k(J4/Vн ×U2)1/3 , (3.59)
где k=(0,2-0,3) - коэффициент; J - сила тока, А; Vн - скорость наплавки, мм/мин; U напряжение, В.
К преимуществам автоматической наплавки под слоем флюса относятся: возможность получения поверхностного слоя детали с необходимыми механическими свойствами (твердость до НRС 56-62, высокая износостойкость, плотность и однородность покрытия) и химическим составом; возможность защиты зоны дуги и расплавленного металла от воздействия кислорода и азота воздуха; высокая устойчивость процесса образования покрытия вследствие его механизации и управляемости.
Недостатками автоматической наплавки под слоем флюса являются: возможность перегрева основного металла детали и изменение вследствие этого структуры и механических свойств; ограничение по диаметру (более 45 мм) номенклатуры восстанавливаемых деталей вследствие их температурных деформаций и стекания медленно затвердевающих шлака и металла шва; необходимость в дорогостоящих флюсах, электродной проволоке, специальной оснастке.
Наплавка в среде инертных газов (аргона, гелия) из-за высокой стоимости последних применяется редко.
Наплавка в среде углекислого газа применяется, в основном, при ремонте деталей, изготовленных из мало- и среднеуглеродистых сталей и чугунного литья. С целью получения наплавленной поверхности заданной твердости, в ряде случаев используется направленное охлаждение этой поверхности струей жидкости. Ориентировочные значения параметров режима наплавки приведены в табл. 3.18.
Таблица 3.18.
Режимы наплавки в среде углекислого газа
| Диаметр детали, мм | Толщина наплав-ки слоя, мм | Диаметр элект-рода, мм | Сила тока, А | Напря-жение, В | Скорость наплав-ки, м/ч | Расход углек. газа, л/мин |
| 10-20 | 0,5-0,8 | 0,8 | 70-90 | 16-18 | 40-45 | 6-8 |
| 20-30 | 0,8-1,0 | 1,0 | 85-110 | 18-20 | 20-45 | 6-8 |
| 30-40 | 2,0-1,2 | 1,2 | 90-150 | 19-23 | 35-40 | 6-8 |
| 40-50 | 1,2-1,4 | 1,4 | 110-180 | 20-24 | 40-45 | 8-10 |
| 50-60 | 1,4-1,6 | 1,6 | 140-200 | 24-28 | 24-28 | 8-10 |
При этом принимают: шаг наплавки в пределах 2,5-6,0 мм; вылет электрода равным 7-20 мм; смещение электрода в пределах 3-10 мм. Углекислый газ, диссоциируя при наплавке на атомарный кислород и окись углерода, оказывает окислительное действие на материал детали, что устраняется применением электродной проволоки, содержащей раскислители (титан, кремний, марганец) и соответствующие легирующие элементы. Наплавку ведут с взаимным перекрытием валиков на постоянном токе обратной полярности.
К преимуществу наплавки в среде углекислого газа относятся: отсутствие вредных выделений и шлаковой корки на покрытии; открытая для обзора зона наплавки, что дает возможность оперативно корректировать процесс; возможность наплавки деталей малых диаметров; более высокая, по сравнению с автоматической наплавкой под слоем флюса, производительность процесса (коэффициент наплавки равен 15-16 г/А ч).
Недостатками этого вида наплавки являются большое разбрызгивание (потери) металла электродной проволоки и сравнительно низкие механические свойства наплавленного слоя.
Наплавка в среде водяного пара используется для наплавки стальных деталей. В процессе наплавки водяной пар диссоциирует, образуя атомарный водород, который и служит в данном случае защитным газом. При наплавке детали диаметром 40-50 мм электродной проволокой диаметром 1,6 мм примерные значения параметров режима следующие: величина постоянного тока обратной полярности 150-200 А; напряжение 35-36 В; скорость наплавки 18-36 м/ч; давление пара (6-7)×10-2 МПа.
К преимуществам данного вида наплавки относятся такие, как: дешевая, недефицитная защитная среда; устойчивость наплавленного металла к трещинам; отсутствие вредных газов.
Вместе с тем активное выгорание кремния, марганца, углерода, образование пор в наплавленном слое, ограничивают область применения этого метода и ведут к его удорожанию за счет необходимости использования специальной электродной проволоки ( с повышенным содержанием марганца, кремния).
Наплавка вибродуговая, представляющая собой разновидность рассмотренных ранее видов электродуговой наплавки, осуществляется за счет придания электродной проволоке осевых колебаний с частотой (50-100)с-1 и амплитудой 1-3 мм. Наплавка ведется, как правило, на постоянном токе обратной полярности, с охлаждением наплавленного металла 4-6-процентным раствором кальцинированной соды в воде, являющейся одновременно и защитной средой. Наличие охлаждающей жидкости и прерывистый характер нанесения металла способствуют закалке наплавляемого валика и частичному его отпуску, что приводит к образованию неоднородной структуры от мертенсита закалки до тростосорбита отпуска с твердостью 26-55 НRC.
Ориентировочно значения параметров режима наплавки приведены в табл. 3.19.
Таблица 3.19.
Значения параметров режима вибродуговой наплавки
| Диаметр детали, мм | Толщина наплав-ляемого слоя, мм | Диаметр проволо-ки, мм | Величи-на тока, А | Скоро-сть наплав-ки, м/ч | Скоро-сть подачи проволо-ки, м/ч | Расход жидкос-ти, л/мин |
| 0,3 | 1,6 | 120-150 | 2,2 | 0,6 | 0,2 | |
| 0,7 | 1,6 | 120-150 | 1,2 | 0,7 | 0,4 | |
| 1,1 | 2,0 | 150-210 | 1,0 | 0,8 | 0,5 | |
| 1,5 | 2,0 | 150-210 | 0,6 | 1,0 | 0,6 |
Надежное сплавление наплавленного слоя с основным металлом детали обеспечивается обычно при толщине слоя в 2,5 мм. Параметры режима наплавки взаимосвязанны между собой зависимостью:
n= 250×d2×Vн×h/SДh, (3.60)
где n - частота вращения детали, мин-1; d - диаметр электродной проволоки, мм; V - скорость подачи проволоки, м/мин; S - шаг наплавки, мм/об; Д -диаметр детали, мм; h - толщина наплавляемого слоя, мм; h - коэффициент наплавки (h=0,85-0,9).
К преимуществам вибродуговой наплавки относятся: слабый нагрев восстановливаемой детали и возможность восстановления поверхности диаметром от 15 мм без существенных структурных изменений основного металла; возможность получения поверхностного слоя детали с заданным химическим составом, закалочными структурами, твердостью и толщиной (от 0,5 до 3,0 мм).
Однако, этот метод имеет существенные недостатки, например: образование поверхности с неравномерной (“пятнистой”) твердостью, что значительно снижает усталостную прочность деталей, особенно при знакопеременных нагрузках; наличие пор и трещин в наплавленном слое.
С целью частичного устранения указанных недостатков вибродуговую наплавку проводят также под слоем флюса или в среде защитных газов; используют ультразвуковые колебания; проводят термомеханическую обработку наплавочного слоя; осуществляют пластическое деформирование наплавленного металла с помощью ролика или бойка.
Для механизированных видов сварки, наплавки основное время определяется раздельно по плоским (tомп) и цилиндрическим (tомц) поверхностям соответственно:
tомп = Lшп / Vсв , мин; (3.61)
tомц = Lц ×ipd/SVн , мин; (3.62)
где Lшп, Lц - соответственно общая длина швов данного размера наплавляемых на плоскую поверхность и длина цилиндрической поверхности, м; Vсв, Vн - соответственно скорость сварки и наплавки, м/мин; S - продольная подача наплавочной головки или шаг наплавки, мм/об; d - диаметр наплавляемой поверхности, мм; i - число проходов.
Вспомогательное время при этом принимают равным 0,5 мин на один проход, дополнительное - 15% от оперативного, а подготовительно-заключительное - 15 мин.
При плазменной наплавке возможно получение прочно сплавленного с главным металлом детали слоя наплавленного материала шириной от 8 до 45 мм и толщиной от 0,5 до 6 мм. Установка плазменной наплавки содержит целый комплекс оборудования: дозаторы наносимого материала; источники питания; системы газоснабжения и охлаждения плазмотрона. В общем случае плазменная наплавка характеризуется следующими значениями параметров процесса: диаметр проволоки - от 2,0 до 3,0 мм; сила тока - от 150 до 500 А; напряжение дуги - от 18 до 28 В; скорость наплавки - от 10 до 55 м/ч; шаг наплавки - от 3 до 6 мм; производительность - от 5 до 30 кг/ч.
Плазменная наплавка в общем случае может удовлетворить самые разнообразные технологические и эксплуатационные требования по восстановлению работоспособности деталей. Основным ограничением широкого применения в ремонтном производстве этого вида наплавки является ее энергоемкость, относительные сложность и большая стоимость оборудования для ее осуществления.
Лазерная наплавка и электронно-лучевая наплавка выполняются на установках высокоинтенсивного нагрева не в качестве основной, технологической наплавочной операции, а в качестве последующей отделочной операции, в результате которой происходит оплавление поверхности наплавленного материала и улучшение его эксплуатационных и физико-механических свойств. В ремонтном производстве используется редко, например, при восстановлении кулачков распределительных валов, хвостовиков клапанов; для борирования поверхностей.
Кроме рассмотренных методов в ремонтном производстве иногда целесообразно использовать и такие, как: литейную наплавку; намораживание металла; электроискровое наращивание; электроимпульсное наращивание; электроконтактную приварку ленты; электроконтактную приварку проволоки; электроконтактное напекание порошков.