СВАРКА И НАПЛАВКА ПОД СЛОЕМ ФЛЮСА

Сущность процесса сварки и на­плавки.Сварка(наплавка)под слоем флюса представляет собой разновид­ность электродуговой сварки, при ко­торой дуга горит под слоем сварочно­го флюса, обеспечивающего защиту сварочной ванны от воздуха. Наряду •с защитными функциями флюс ста­билизирует горение дуги, обеспечи­вает раскисление, легирование и ра­финирование расплавленного сплава сварочной ванны.

Схема процесса наплавки под сло­ем флюса приведена на рис. 7.5. Вос­станавливаемая деталь вращается в процессе наплавки с определенной скоростью. Электродная проволока автоматически подается в зону свар­ки. Дуга горит между концом элект­рода и восстанавливаемой поверхно­стью изделия под слоем флюса, кото­рый непрерывно подается из бунке­ра. Под действием теплоты, выделяе­мой сварочной дугой, плавятся элек­тродная проволока и основной ме­талл, а также часть флюса, попавше­го в зону горения дуги. В зоне горения дуги образуется полость, заполнен­ная парами металла, флюса и газа­ми. Их давление поддерживает флю­совый свод, образующийся над сва­рочной ванной. Под влиянием давле­ния дуги жидкий металл оттесняется в сторону, противоположную направ­лению сварки, образуя сварочную ванну. Расплавленный флюс в ре­зультате значительно меньшей плот­ности всплывает на поверхность рас­плавленного металла шва и покрыва­ет его плотным слоем.

Оболочка из расплавленного флю­са предохраняет металл наплавки и околошовной зоны от кислорода и азота воздуха и, кроме того, препят­ствует разбрызгиванию жидкого ме­талла. Благодаря тому, что расплав­ленный флюс обладает низкой тепло­проводностью, замедляется процесс охлаждения наплавленного металла. Это облегчает всплытие на поверх­ность ванны шлаковых включений и растворенных в металле газов, что резко повышает качество наплавлен­ного слоя сплава.

К, достоинствам сварки (наплавки) подслоем флюса относится: высокая производительность процесса, благо­даря применению больших токов, большой глубины проплавления, а также почти полного отсутствия по­терь металла на угар и разбрызгива­ние; возможность автоматизации процесса; высокое качество наплав­ленного металла в результате надеж­ной защиты флюсом сварочной ван­ны; улучшение условий труда свар­щика.

К недостаткам этого процесса сварки следует отнести: значитель­ный нагрев детали; невозможность наплавки деталей диаметром менее 40 мм по причине стекания расплав­ленных наплавляемого металла и флюса с поверхности восстанавлива­емой детали; необходимость в отдель­ных случаях повторной термической обработки детали.

Наплавку цилиндрических поверх­ностей деталей выполняют, как пра­вило, по винтовой линии с перекрыти­ем предыдущего валика последую­щим на 1/2 — 1/З ширины. Для пред­отвращения стекания расплавлен­ных флюса и металла с восстанавли­ваемой поверхности наплавку ведут со смещением А электрода с зенита в сторону, обратную направлению вра­щения детали (см. рис. 7.5). Смеще­ние электродной проволоки зависит в основном от диаметра наплавляемой детали и определяется опытным пу­тем. Для деталей диаметром 50— 150 мм смешение электрода лежит в пределах 3 — 8 мм.

Рис. 7.5. Схема наплавки под слоем флюса: а — поперечный разрез; б — продольный разрез; 1—ванна расплавленного металла; 2— расплавленный флюс; 3 - электродная проволока; 4 — наплавленный слой металла; 5 — деталь; 6 — шлако­вая корка; А — смешение электродной проволоки с зенита

При сварке под слоем флюса про­изводительность процесса по машин­ному времени повышается в 6 — 12 раз по сравнению с ручной дуговой сваркой. Это достигается за счет ис­пользования больших плотностей то­ка в электродной проволоке (табл. 7.2). Такое повышение абсолютного значения тока и его плотности в элек­троде возможно благодаря наличию

Таблица 7.2. Сила и плотность тока я электроде при ручной дуговой сварке и сварке под слоен флюса

плотного слоя флюса вокруг зоны сварки, что предотвращает выдува­ние жидкого металла шва из свароч­ной ванны и сводит потери на угар и разбрызгивание до 1—3 %. Коэф­фициент наплавки при сварке под флюсом составляет 14—18 г/А*ч против 8— 12г/А-ч при сварке электродами.

Производительность сварки опре­деляется массой металла, наплавля­емого в единицу времени в граммах в час

Q=k_HI_СВ

где k_H — коэффициент наплавки, г/А*ч; I_СВ — сила сварочного тока, А.

Производительность наплавки под флюсом одним электродом составля­ет 9 — 15 кг/ч, а лентой 5 — 30 кг/ч.

Сварочные флюсы и электродные проволоки. Сварочным флюсом (ГОСТ 9087 — 81) называется неме­таллический материал, расплав ко­торого необходим для сварки и улуч­шения качества шва.

К флюсам для автоматической и полуавтоматической сварки предъ­являют ряд следующих требований:

обеспечение стабильности горения дуги в процессе сварки;

получение заданного химического состава наплавленного металла;

обеспечение требуемого формиро­вания металла;

получение швов без трещин и с ми­нимальным (допустимым) числом шлаковых включений и пористостью;

обеспечение легкой отделяемости шлаковой корки от поверхности на­плавленного металла.

Решение этих задач связано с со­ставом свариваемого материала и ис­пользуемой электродной проволоки. Поэтому используемые для наплавки флюсы весьма разнообразны.

Химический состав наплавленного металла формируется в результате расплавления основного и электрод­ного материалов, а также зависит от степени защиты от воздуха. Степень защиты от воздуха определяется как образующимся в результате горения дуги шлаковым куполом над реакци­онной зоной, так и высотой слоя твер­дых частиц флюса над этой зоной. Вы­сота слоя насыпаемого на место свар­ки флюса с определенным грануло­метрическим составом частиц зави­сит от режимов сварки. Для наиболее распространенных флюсов, применя­емых при сварке (наплавке) конст­рукционных малоуглеродистых и ма­лолегированных сталей, которые ши­роко используются в автомобильном производстве, рекомендации по коли­честву флюса, насыпаемого на место сварки, приведены в табл. 7.3.

Таблица 7,3. Высота слоя флюса и грануляции частиц для сварки на различных режимах

Флюсы классифицируют по следу­ющим основным признакам.

1. Назначению:

флюсы общего назначения приме­няют для сварки и наплавки углеро­дистых и низколегированных сталей; флюсы специального назначения применяют для специальных спосо­бов сварки, таких как электрошлако­вая сварка, сварка легированных сталей и т. д.

2. Способу изготовления:

плавленые, т. е. получаемые сплавлением шихты в электрических или пламенных печах, и неплавленые — т. е. изготовленные без расплавления шихты. К неплавленым относятся флюсы, изготовленные измельчением и смешиванием отдельных компонен­тов, а также керамические флюсы, которые получают смешиванием по­рошкообразных шлакообразующих, легирующих, раскисляющих и других компонентов.

3. Химическому составу: оксидные флюсы, состоящие из окислов металлов и фтористых соединений, применяемые для сварки и на­плавки углеродистых и низколегиро­ванных сталей; солевые флюсы, со­стоящие из фтористых и хлористых солей, применяемые для сварки ак­тивных металлов; солеоксидные флюсы, применяемые при сварке и наплавке высоколегированных ста­лей.

4. Химическому составу шлакообразующей части:

кислые флюсы, содержащие кис­лые окислы SiO₂ и TiO₂; нейтральные флюсы, содержащие в основном фто­риды и хлориды; основные флюсы, со­держащие окислы основного харак­тера, такие как СаО, МgО и FеО.

Таблица 7.4. Некоторые флюсы, применяемые при сварке углеродистых и малолегированных сталей

Плавленые флюсы различают по строению частиц: стекловидные, пемзовидные и кристаллические флюсы.

По размеру частиц (зерен) флюсы делятся на: тонкозернистые(с зерном доО,8мм);мелкозернистые(0,1 — 1,6 мм); среднезернистые{0,25 — 3,0 мм) и крупнозернистые (0,35 — 5,0мм).

Плавленые флюсы, в сравнении с керамическими, обладают более вы­сокими технологическими свойствами (лучшая защита от воздуха, фор­мирование наплавляемого сплава, отделимость шлаковой корки). Кроме того, плавленые флюсы более деше­вые. Однако керамические флюсы позволяют в более широких пределах легировать наплавленный металл по­средством элементов, входящих в флюс. Для механизированной на­плавки наиболее широко использу­ются плавленые флюсы.

Плавленые флюсы различают по содержанию в них окислов различных элементов. По количеству окиси кремния флюсы разделяются на: вы­сококремнистые (38 — 44% SiO₂); низкокремнистые (до 0,5 SiO₂); бес­кремнистые. По содержанию окиси марганца на: высокомарганцевые (более 30 % MnО); среднемарганцевые (15 — 30 % МnО); низкомарган­цевые (менее 0,5 % МnО).

Высококремнистые плавленые флюсы предназначены в основном для сварки и наплавки деталей из уг­леродистых и низколегированных сталей (табл. 7.4). Наиболее широко в ремонтном производстве для восстановления деталей наплавкой исполь­зуют высококремнистые марганцо­вистые флюсы ОСЦ-45, ОСЦ-45М, АН-348А и АН-348АМ.

Чтобы уменьшить окисление ме­талла в результате его реакций с флюсом, для сварки легированных сталей используют флюсы с ограни­ченной концентрацией окиси крем­ния и окиси марганца. Состав некото­рых таких флюсов приведен в табл. 7.5.

Рассмотренные плавленые флюсы являются системами, состоящими из неметаллических составляющих, окисных и галогенных соединений. Легирование наплавленного метал­ла в этих случаях может иметь место только в результате диссоциации со­единений, входящих в состав флюса, или в результате обменных реакций, которые сопровождаются либо повы­шением в металле концентрации кис­лорода, либо потерей им других по­лезных легирующих составляющих. Поэтому вводить таким способом большое количество легирующих элементов в наплавленный металл через флюс затруднительно, и оно ог­раничивается, как правило, десяты­ми долями процента.

Более эффективным способом ле­гирования через флюсы является вве­дение в их состав свободных металли­ческих составляющих. В этих случаях флюс представляет собой смесь ме­таллических и неметаллических со­ставляющих. Такие флюсы называют керамическими. Составы керамиче­ских флюсов могут быть весьма раз­нообразными, включающими различ­ные окислы, карбонаты, галогениды,

металлические порошки, различные сложные соединения и связующие. В качестве основного вида связующего обычно используют жидкое стекло.

Имея неоспоримое преимущество в виде возможности широкого диапа­зона легирования наплавленного сплава, керамические флюсы имеют и серьезные недостатки. Осуществ­ляемое ими легирование связано с ко­личеством флюса, переводимого в жидкую фазу, а оно в сильной степени зависит от сварочного режима и одно­родности химического состава флю­са. Это приводит к значительной неод­нородности наплавленного металла по химическому составу. Кроме того, к недостаткам керамических флюсов следует отнести .низкую механиче­скую прочность и большую гигроско­пичность.

Однако, несмотря на отмеченные недостатки, керамические флюсы до­статочно широко используются для восстановления деталей наплавкой. Чаще применяют флюсы АНК.-18 и АНК.-19- Например, химический со­став металла, наплавленного недоро­гой низкоуглеродистой электродной проволокой СЬ-08 под слоем флюса АНК-19 содержит: 0,49 % С; 0,66% Мn; 0,34% Si; 3,15 %Сr. При этом твердость наплавленного металла лежит в пределах ИКС 45 — 49.

Таблица 7.5. Состав флюса для сварки легированных сталей

Электродная проволока для свар­ки под флюсом выпускается по Госу­дарственному стандарту, который распространяется на горячекатаную и холоднокатаную проволоку из угле­родистых, легированных и высоколе­гированных сталей. В ГОСТе указы­вается диаметр проволоки, химическиq состав, размеры мотков и другие данные. Примерный химический со­став материала проволоки можно оп­ределить по буквам и цифрам, входя­щим в обозначение марки проволоки. Сварочная проволока имеет индекс "СЬ", а наплавочная "Нп". Цифры указывают среднее содержание угле­рода в сотых долях процента. Марку проволоки выбирают в соответствии с химическим составом свариваемой стали. Например, для сварки малоуг­леродистых сталей используют низ­коуглеродистые проволоки СЬ-08, СЬ-08А, СЬ-08ГА и др. Легирующие элементы, входящие в состав прово­локи, имеют те же обозначения, что и при маркировке стали. Буква "А" указывает на повышенную чистоту металла по содержанию серы и фос­фора. Проволока, изготовленная из стали, выплавленной электрошлако­вым или вакуумно-дуговым способом или же в вакуумно-индукционных пе­чах, обозначается буквами Ш, БД и ВИ,

Наплавочную проволоку разделя­ют на три группы: из углеродистой стал и типа Нп-30, Нп-40, Нп-80 и дру­гие, всего 8 марок; из легированной стали, например Нп-ЗОХ5, Нп-ЗОХГСА, всего 11 марок; из высоколе­гированной стали, например Нп-4X13, Нп-45Х4ВЗФ, Нп-45Х2В8Т, всего 9 марок.

Для наплавки под слоем флюса ис­пользуют также и порошковые прово­локи марки ПП-ЗХ2В8, ПП-10ХВ14.

Для повышения производительно­сти процесса наплавки под флюсом последнее время в .качестве напла­вочного электродного материала ис­пользуют сплошные или порошковые ленты толщиной 0,3— 1 мм и шири­ной 20 — 100 мм. Однако для исполь­зования данных материалов для на­плавки автомобильных деталей тре­буется проведение дополнительных исследований.

Режимынаплавки. Качество свар­ного соединения и наплавленной де­тали во многом определяется режи­мами наплавки, которые характери­зуются размером сварочного тока,

напряжением, родом тока и его по­лярностью, скоростью сварки, диа­метром и скоростью подачи элект­родной проволоки: К дополнитель­ным параметрам, режима относится вылет электрода, наклон электрода к наплавляемой поверхности, марка флюса.

Параметры режима наплавки. вы­бирают исходя из толщины слоя на­плавляемого металла, размеров де­тали, требуемой формы наплавляе­мого валика. Режим сварки выбира­ют по экспериментальным таблицам или расчетом.

Силу сварочного тока ориентиро­вочно можно определить по эмпири­ческой форме

J_св=110d+10d²

где d— диаметр электрода, мм.

Скорость наплавки в метрах в ми­нуту

υ_н=α_нJ_св/60M

где α_н — коэффициент наплавки, г/(А- ч); J_св— сила сварочного тока. А; М - масса 1 м метал­ла наплавки, г.

Скорость подачи электродной про­волоки в метрах в минуту

υ_п=4α_нJ_св/(60πd²γ)

где d — диаметр электродной проволоки, мм; γ — плотность наплавленного металла, г/см³.

Частота вращения наплавляемой детали в оборотах в минуту

N=[250 υ_п d² υ_п d²/(ΔsD)]η

где υ_п — скорость подачи электродной проволоки, м/мbн; Δ — толщина слоя наплавки, мм; s — шаг наплавки, мм/об; D — диаметр вос­станавливаемой детали, мм; η — коэффициент наплавления,

Обычно шаг наплавки s принима­ют равным от 2 до 6 диаметров элект­родной проволоки за один оборот де­тали. Наплавку плоских поверхно­стей осуществляют через валик или отдельными участками, что позволя­ет уменьшить коробление детали.

При наплавке автомобильных де­та лей, особенно таких, у которых дли­на значительно превышает диаметр наплавляемой поверхности, необходимо стремиться к минимальной глу­бине проплавления основного метал­ла. Это позволяет уменьшить дефор­мацию детали и зону термического влияния, а также снизить вероят­ность образования трещин в наплав­ленном металле. Поэтому при выборе режимов наплавки выбирают, как правило, минимально допустимый сварочный ток. Кроме того, увеличе­ние диаметра электродной проволо­ки при неизменном сварочном токе также уменьшает глубину проплав­ления и увеличивает ширину шва в связи с эффектом блуждания дуги.

При сварке на постоянном токе глубина проплавления будет зави­сеть и от полярности, что объясняется различной температурой на катоде и аноде дуги. При сварке на постоян­ном токе обратной полярности (ми­нус на деталь) глубина проплавления на 40 — 50 % меньше, чем при сварке током на прямой полярности. В опре­деленных пределах глубину проплав­ления можно изменять, регулируя вылет электрода. С увеличением вы­лета электрода интенсифицируется его подогрев и соответственно скорость плавления, в результате чего толщи­на расплава под дугой увеличивается и глубина проплавления уменьшает­ся.

Ширину наплавляемого валика ре­гулируют выбором диаметра элект­родной проволоки и изменением на­пряжения дуги, При увеличении на­пряжения возрастает длина дуги, в результате чего увеличивается ее по­движность и возрастает доля тепло­ты дуги, расходуемой на расплавле­ние флюса. При этом растет ширина валика наплавленного металла, а глубина проплавления остается практически постоянной.

В табл. 7.6 и 7.7 приведены режимы наплавки плоских и цилиндрических деталей.

Таблица 7.6. Режимы наплавки цилиндрических деталей под слоем флюса

Таблица 7.7. Режимы наплавки под слоем флюса плоских поверхностей

При использовании порош­ковой проволоки режимы наплавки необходимо выбирать по табл. 7.8.

Оборудование.Для восстановле­ния деталей наплавкой под слоем флюса наиболее широко использует­ся специальная установка УД-209. Наплавка осуществляется методом винтового или прямолинейного нало­жения сварочных швов на восстанав­ливаемую поверхность детали. Уста­новка обеспечивает практически все виды наплавочных работ:

наплавку цилиндрических поверх­ностей по спирали с шагом наплавки от 2,8 до 12,6 мм;

наплавку деталей с колебаниями электрона на ширину наплавляемой поверхности (до 60 мм);

линейную наплавку;

наплавку конусных поверхностей.

На установке возможна наплавка деталей диаметром от 25 до 360 мм и длиной от 100 до 800 мм. В качестве электродного материала используют проволоку сплошную и порошковую диаметром 1,2 — 3,2 мм.

Таблица 7.8. Режимы наплавки порошковой проволокой

Наплавочная установка обеспечи­вает фиксацию восстанавливаемой детали, ее вращательное движение, подачу электродной проволоки в зону горения дуги, поступательное пере­мещение электродной проволоки вдоль оси вращения детали и при не­обходимости приведение электрод­ной проволоки в колебательное дви­жение.

Наплавочная установка УД-209 (рис. 7.6) состоит из сварной станины, на которой размещены каретка, вра­щатель детали, механизм подачи электродной проволоки, мундштука, задней бабки с подвижной пиколью, устройства для отсоса газов, бункера для флюса и пульта управления.