ЭЛЕКТРОКОНТАК1НАЯ ПРИВАРКА МЕТАЛЛИЧЕСКОГО СЛОЯ

Процесс электроконтактной при­варки.Электроконтактная приварка металлического слоя имеет значи­тельные преимущества по сравнению с традиционными способами наплав­ки (под флюсом, в защитных газах, порошковыми проволоками). Важ­нейшими ее преимуществами являет­ся отсутствие нагрева восстанавли­ваемых деталей, повышение произво­дительности процесса в 2 — 3 раза, снижение расхода металла в сравне­нии с электродуговой наплавкой в 3— 4 раза, возможность использования для приварки материала в виде лен­ты, проволоки и порошка, одновре­менная с приваркой закалка нане­сенного слоя материала. При контак­тной приварке отсутствует выгора­ние легирующих элементов в наплав­ленном слое, улучшаются санитарно-гигиенические условия труда.

Исследователями установлено, что 70 — 80 % деталей автомобилей, тракторов и других машин выбрако­вывают при износах до 0,3 мм, а у дви­гателей число деталей с таким значе­нием износа достигает 90 %. Контак­тная приварка позволяет проводить регулируемую по толщине приварку металлического слоя в пределах 0,1 — 1,5 мм, что значительно умень­шает припуски на механическую об­работку, Поэтому восстановление де­талей определенной номенклатуры электроконтактной приваркой ме­таллического слоя является одним из лучших вариантов малоотходной тех­нологии.

Сущность процесса восстановле­ния заключается в приварке мощны­ми импульсами тока к изношенной

поверхности детали компактных (лента, проволока) или порошковых материалов. Процесс отличается тем, что в сварочной точке, образую­щейся от действия импульса тока, происходит соединение основного (деталь) и присадочного металлов. Сплошная приварка металлического слоя происходит в результате воздей­ствия сварочных импульсов, образу­ющих сварочные точки, которые пе­рекрывают друг друга вдоль и между рядами. При этом металл ленты рас­плавляется только в тонком поверх­ностном слое в месте ее контакта с восстанавливаемой деталью.

Процесс контактной приварки ленты(рис. 8.1)осуществляется совмест­ным деформированием приваривае­мой ленты иповерхностного слоя ос­новного металла (деталь), нагретых в зоне деформации до пластического состояния короткими 0,02 — 0,16 с импульсами тока 4 — 30 кА. Пере­крытие сварочных точек между собой достигается вращением деталей со скоростью, пропорциональной часто­те импульсов тока, и продольной по­дачей цилиндрических электродов.

Электроконтактная приварка лен­ты к цилиндрической поверхности де­тали характеризуется следующими параметрами: импульсами тока (J_св), продолжительностью импульса (t_св), усилием сжатия электродов (Q_сж), частотой вращения шпинделя (п) и по­дачей сварочных электродов.

Чтобы обеспечить требуемый вы­сококачественный уровень восста­новления деталей необходимым усло­вием является образование в свароч­ной точке общих зерен (для однород­ных или близких по химическому со­ставу соединяемых материалов) или новых фаз (для сварки разнородных материалов). Прочностные свойства сварного соединения, содержащего вновь образованные фазы, определя­ются свойствами этих фаз. При опти­мальных параметрах электроконтак­тной приварки прочность соединения основного (деталь) и присадочного (лента) материалов достигает значе­ний, соизмеримых с прочностью одно­го из соединяемых материалов. В этом случае разрушение образцов происходит не по зоне соединения, а по наименее прочному основному или присадочному материалу.

Оборудование для электроконтак­тной приварки.Для восстановления широкой номенклатуры деталей с ис­пользованием в качестве присадоч­ного материала металлической лен­ты, проволоки и порошка серийно вы­пускаются наплавочные головки, ко­торые монтируются на токарный ста­нок или специализированные уста­новки, снабженные унифицирован­ными узлами: вращателем, приводом подач, суппортом со сварочной голо­вкой, прерывателем, источником пи­тания, пневмопиколью и пультом уп­равления.

Среди сварочных головок наиболее широкое распространение получила головка типа ГКН-Р1 (рис. 8.2) для электроконтактной наплавки прово­локи. В комплект поставки головки входит источник питания (трансфор­матор мощностью 75 кВт) и свароч­ный прерыватель типа ПИЩ, обеспе­чивающий регулировку импульсов и пауз в заданном режиме. В качестве базового вращателя используется токарный станок 1К62 или 16К.20.

По конструкции головка представ­ляет собой два кронштейна, которые жестко закреплены на основании. В верхней части кронштейнов приваре­ны опоры, на которые при помощи болтов прикреплены рессоры. На свободных концах рессор жестко за­креплены бронзовые оси, соединен­ные гибкими токоведущими шинами со вторичной обмоткой трансформа­тора. На бронзовых осях через кон­тактные втулки установлены свароч­ные ролики. Присадочная проволока подается в контакт между сварочным роликом и восстанавливаемой повер­хностьюдетали. Требуемое направ­ление подачи проволоки устанавли­вается при помощи направляющего мундштука, закрепленного на план­ке. На двух суппортах закрепляется основание головки, электрически изолированной от них при помощи текстолитовых прокладок.

Наплавочная головка обеспечива­ет качественное восстановление на­ружных цилиндрических гладких поверхностей, а также резьб.

При восстановлении резьбы контактной приваркой присадочную проволоку укладывают во впадины

резьбы и зажимают проволоку и де­таль между сварочными роликами (рис. 8.3). После включений питания, ток, проходя через проволоку и резь­бу, нагревает их в месте контакта до сварочной температуры. После при­ложения усилия к роликовым элект­родам нагретая присадочная прово­лока заполняет впадину между вит­ками резьбы и сваривается с ее боко­выми поверхностями, образуя сплош­ной наплавленный слой. При выборе диаметра проволоки исходят из того, чтобы при нагреве и осадке проволо­ка полностью заполняла впадину между витками и при этом оставался припуск на последующую механиче­скую обработку. Обычно берут про­волоку диаметром, равным шагу резьбы или больше его на 5 — 10 %.

На ремонтных заводах и в авто­транспортных предприятиях (АТП) наиболее часто используют установ­ки для контактной приварки металлического слоя, разработанные в на­учно-производственном объединении "Ремдеталь".

Установка модели ОКС-011-02 "Ремдеталь" предназначена для вос­становления посадочных мест под подшипники деталей типа вал. Изно­шенную поверхность восстанавлива­ют приваркой стальной ленты пере­крывающимися точками при помощи регулируемых импульсов тока (до 14 к А). При этом восстанавливаемая деталь и сварочные ролики охлажда­ют водой, что обеспечивает закалку наносимого слоя металла. При помо­щи данной установки можно вести также приварку металлокерамических твердых сплавов под слоем ме­таллической ленты, материал кото­рой служит при этом связкой. Осо­бенностью конструкции установки является бесступенчатое регулиро­вание частоты вращения и скорости подачи, обеспечиваемое тиристорными электроприводами постоянного тока. При помощи установки можно восстанавливать детали диаметром 20 — 150мм и длиной до 1200 мм. Тол­щина приваренного слоя может регу­лироваться в пределах 0,3 — 1,2 мм и определяется толщиной присадочной ленты. Широкий диапазон частоты вращения шпинделя (0,15— 15 мин^-1) и скорости перемещения сварочной головки (4,5 — 450 мм/мин) по­зволяет выбирать наиболее опти­мальные режимы наплавки. Произ­водительность установки достигает 100 см²/мин.

Для восстановления рабочих по­верхностей наиболее дорогостоящих деталей двигателей внутреннего сго­рания разработана гамма специали­зированных, высокопроизводитель­ных установок для контактной при­варки компактного и порошкообраз­ного материала.

Установка ОКС-011-1-06 "Ремде­таль" предназначена для восстанов­ления внутренней поверхности гильз цилиндров автомобильных и трак­торных двигателей приваркой ленты или порошка, а также может быть ис­пользована для закалки гильз. Деталь в процессе приварки вращается, а сварочные клещи имеют, продоль­ное перемещение.

Для восстановления опор блоков цилиндров под коренные шейки ко­ленчатых валов служит установка ОКС-ОИ-Ы! "Ремдеталь". Особен­ностью конструкции установки явля­ется использование вращающейся сварочной головки и поворотного сто­ла, имеющего продольную подачу. Это позволяет восстанавливать так­же отверстия (диаметром 80 — 300 мм и глубиной до 350 мм) в других крупногабаритных корпусных дета­лях.

Установка ОКС-ОП-1-08 "Ремдеталь" предназначена для восстанов­ления внутренних поверхностей верх­ней головки шатунов диаметром от 55 — 150 мм, а также стаканов под­шипников и других деталей. Привар­ка слоя осуществляется импульсами тока определенной длительности и силы. Время прохождения сварочно­го тока регулируется прерывателем. Работа на установке производится в полуавтоматическом режиме, произ­водительность достигает 60 см²/мин. Благодаря охлаждению водой нагрев и деформация деталей отсутствуют.

Кроме перечисленных выше разра­ботаны также установки для восста­новления клапанных гнезд головок цилиндров наваркой порошкообраз­ным материалом, для восстановле­ния зубьев шестерен гидронасосов и другие специализированные устрой­ства.

Наплавочные материалы. В каче­стве наплавочных материалов ис­пользуют компактные (ленты, проволоки) и порошкообразные материа­лы. Выбор материала определяет фи­зико-механические свойства покры­тий. Наиболее широкое распростра­нение в качестве материала при вос­становлении автомобильных деталей приваркой нашли стальные ленты.

В процессе восстановления деталей приваркой зона сварки охлажда­ется водой, что способствует образо­ванию в наплавленном слое закалоч­ных структур и предотвращает на­грев и деформацию детали. Твер­дость приваренного слоя зависит от содержания углерода и легирующих элементов в материале ленты. Для восстановления каждой конкретной детали выбирают ленту из такого сплава, который после приварки с од­новременной закалкой- обеспечивал бы твердость наплавленного слоя, от­вечающую твердости, указанной в ра­бочем или ремонтном чертеже на дан­ную деталь. Выбирая ленты с тем или иным содержанием углерода, можно в широких пределах (от 30 до 65 ИКС) изменять твердость приваренного слоя. Твердость приваренного слоя в НКС в зависимости от используемого материала ленты приведена ниже:

Сталь 20 ........................ 30 — 35

40.................................... 40 — 45

45.................................... 45 — 50

55.................................... 50 — 55

40Х ................................. 55—60

65 Г ............................... 60 — 65

При электроконтактной приварке проволоки используют проволоки сплошного сечения (Св-08, Св-08ГС, Св-08Г2С, НП-ЗОХГСА и др.) и по­рошковые (ПП-АН-10, ПП-АН-128). Для восстановления резьб применя­ют проволоки из малоуглеродистых сталей.

В качестве материалов для роли­ковых электродов наплавочных уста­новок используют специальные брон­зы, содержащие хром, цирконий и другие элементы.

Для приварки порошковых материа­лов используют порошковые сплавы ПХ20Н80, механические смеси КБХ и ФБХ-6-2 и самофлюсующиеся порошки ПГ-Ю-01, ПГ-СР-2. Однако использо­вание порошкообразных материалов при восстановлении автомобильных де­талей контактной приваркой слоя встречается еще достаточно редко. Это объясняется относительно низкой проч­ностью сцепления (усилие на разрыв 150—300 МПа) нанесенного покрытия с основой и его пористостью.Режимы приварки. По принятой классификации параметры, опреде­ляющие режимы наплавки, разделя­ются на электрические и механиче­ские.

К электрическим параметрам от­носятся сила сварочного тока и дли­тельность сварочного цикла. При не­достаточной силе тока полной сварки ленты и детали в сварной точке не происходит.

Увеличение силы тока и продолжи­тельности сварочного цикла стабили­зирует процесс сварки. При повыше­нии этих параметров до значений, превышающих номинальные, появ­ляются выплески металла, и на по­верхности восстанавливаемой дета­ли образуются поры и трещины.

К механическим параметрам отно­сятся: частота вращения детали, по­дача электродов, усилие сжатия электродов. Подача электродов, час­тота вращения детали и частота им­пульсов — важные параметры, соот­ношение которых следует подбирать

так, чтобы обеспечить 6 — 7 сварных точек на 1 см длины сварного шва. Этот показатель определяют мето­дом подбора частоты импульсов на эталонных образцах при постоянной скорости их вращения. Подача элек­тродов влияет на перекрытие свар­ных точек. Недостаточное перекры­тие ухудшает свариваемость прива­риваемого слоя с материалом детали. Повышенное перекрытие точек уве­личивает зону отпуска, что приводит к уменьшению средней твердости приваренного слоя. Оптимальные режимы контактной приварки ленты приведены в табл. 8.1.

При недостаточном усилии сжатия электродов на поверхности ленты и детали образуются эрозионные раз­рушения, сопровождающиеся силь­ным искрением в зоне контакта. С увеличением усилия сжатия электро­дов до определенной величины про­цесс приварки ленты улучшается. В приведенном в табл. 8.1 диапазоне усилий сжатия на поверхностях дета­лей наблюдается минимальное число пор, глубина вмятин — 0,08 — 0,1 мм. Дальнейшее увеличение усилий сжатия электродов приводит к ухуд­шению качества сварки, деформации рабочей части и снижению стойкости электродов. При износе электродов происходит увеличение площади кон­такта электрода с деталью, что при­водит к уменьшению плотности тока и давления электродов, ухудшая тем самым условий формирования свар­ного шва. Высокая плотность тока на контактирующих поверхностях вы­зывает нагрев и деформацию, а так­же способствует налипанию матери­ала ленты на электроды. Поэтому электроды необходимо зачищать от налипшего металла и править про­филь.

При разработке технологического процесса восстановления резьбовых участков валов контактной сваркой следует установить правильное соот­ношение между усилием сжатия Q_сж и силой сварочного тока J_св в зависи­мости от шага резьбы и диаметра де­тали. Оптимальная зависимость между силой сварочного тока и уси­лием сжатия Q_сж =0,64

Сила сварочного тока должна быть такой, чтобы создать высокую температуру в месте контакта проволоки с деталью, достаточную для сварки ме­талла в твердой фазе, но в то же вре­мя не расплавить витки. Усилие сжа­тия приводит проволоку и деталь в тесное соприкосновение, способствуя разрыву оксидных пленок и слоев ад­сорбированных газов, обеспечивает возможность сварочного процесса и оказывает значительное влияние на качество сварного соединения. Дав­ление в месте контакта проволоки с деталью составляет Р= Q_сж/F = = 0,8—1,0 МПа (при плотности тока 300 — 400 А/мм²). При таком соотно­шении сварочного давления и плотно­сти тока продолжительность свароч­ного цикла принимается 0,08—0,12 с. С увеличением шага резьбы продол­жительность сварочного цикла увеличивается. Уменьшение сварочного цикла приводит к недостаточному оплавлению проволоки и детали. Каче­ственное восстановление резьбы обеспечивается в том случае, когда последующая точка перекрывает предыдущую неменеечемна25~-30 %.

Чередование включения и выклю­чения тока происходит в виде свароч­ных импульсов и пауз между ними. В этом случае перекрытие сварных то­чек определяется совокупностью трех параметров: скорости сварки, продолжительности сварочного цик­ла t_св и продолжительности паузы t_п. Наилучшие результаты при сварке среднеуглеродистых сталей достига­ются, если соотношение между про­должительностью сварочного цикла и паузы составляет t_св/ t_св + t_п = 0.5. При этом t_п = t_св т.е. чередование вклю­чения сварочного тока происходит че­рез равные промежутки времени.

Технологические особенности вос­становления деталей контактной приваркой. Технология включает операции подготовки деталей и лен­ты, приварку ленты и механическую обработку приваренного слоя.

Подготовка детали под наварку заключается в тщательной ее очистке и обезжиривании, исправлении цент­ровых поверхностей и последующей механической обработке (шлифовке, точению) восстанавливаемой поверх­ности шейки до диаметра меньше но­минального на 0,154-0,3 мм.

Заготовки для восстановления ше­ек валов изготавливают вырубкой из ленты при помощи штампа или наре­зают на ножницах. Перед наваркой ленты очищают от грязи и обезжири­вают. Длина заготовки должна быть равна длине окружности восстанав­ливаемой шейки, при этом зазор в ме­сте стыка более 0,5 мм не допускает­ся. Ширина заготовки ленты должна на 1 —2 мм быть меньше ширины восстанавливаемой поверхности. Толщина ленты выбирается в зависи­мости от требуемой толщины нава­ренного слоя (учитывают износ вос­станавливаемой шейки, предваритель­ную ее обработку, припуск на последу­ющую механическую обработку).

Ленту приваривают в два приема: предварительно и окончательно. Пе­ред приваркой устанавливают вы­бранные режимы сварки. Затем де­таль закрепляют в патроне, а лента подводится под верхний контактный ролик и прихватывается к восстанав­ливаемой поверхности несколькими сварочными точками. После чего включают вращение детали и подачу электродов и окончательно привари­вают ленту.

Механическая обработка наварен­ных поверхностей осуществляется на любых круглошлифовальных стан­ках типа ЗМ132, ЗМ152 и др.

Рассмотренный способ использу­ется на ремонтных предприятиях для восстановления десятков Наименова­ний деталей, в том числе блоков ци­линдров, гильз цилиндров, валов ко­робок передач, шкивов, крестовин дифференциалов, разжимных кула­ков и пр. Однако отсутствие надежно­го оборудования, дефицитность мате­риала в виде лент сдерживают широ­кое внедрение этого прогрессивного способа восстановления на ремонт­ных предприятиях.