Восстановление деталей сваркой и наплавкой

При ремонте машин сварка и наплавка является наиболее распространенными способами восстановления деталей. Из общего количества ремонтируемых деталей около 50 ... 60% восстанавливают сваркой и наплавкой. Наибольшее рас­пространение в ремонтном производстве получили сварка и наплавка плавящими­ся металлическими электродами.

Газовая сварка ацетиленокислородным пламе­нем находит применение для ремонта деталей, изготавливаемых из тонкого лис­тового материала, а также для заварки трещин в чугунных деталях.

На долю ручных способов сварки приходится от 35 до 65% общей трудоем­кости сварочных работ. Сваркой устраняют такие дефекты: трещины, пробоины, разрывы, отколы, обломы, а также наращивание изношенных поверхностей дета­лей.

Широкое распространение при ремонте машин сварка получила из-за быст­роты выполнения сварочных операций относительной несложности технологиче­ского процесса и его экономичности, высокой производительности.

Процесс сварки, наплавки в общем случае можно представить в виде трех стадий:

• нагрев и расплавление основного и присадочного материала;

• сплавление металлов и их рафинирование;

• охлаждение и кристаллизация металла и образова­ние сварочно-наплавочного валика.

При газовой сварке-наплавке первая стадия осуществляется за счет выделения тепла при сгорании газа, а при электродуговой мощным источником тепла - электрической дугой.

Общее выделение энергии в столбе дуги пропорционально силе тока и оп­ределяется по зависимости

где I - сила тока, А; Е - падение напряжения, В/мм; L - длина столба дуги в мм.

Большая часть этой энергии идет на нагрев и плавление основного металла и материала электрода (плавящегося). Однако, как при газовой, так и при дуговой сварке тепло используется не только на плавление, но и на нагрев остального материала детали. Это приводит к возникновению зоны термического влияния и, следовательно, к изменению структуры в зоне наплавки. Зона термического влияния участок основного метал­ла детали, прилегающий сварному или наплавленному шву и изолирующий от действия тепла свою структуру или механические свойства. Воздействием этих причин значительно снижается усталостная прочность восстанавливаемых дета­лей.

Как уже отмечалось, наибольшее распространение в ремонтных предпри­ятиях получила ручная электродуговая сварка и наплавка, которая имеет опреде­ленные особенности применения при ремонте машин по сравнению с машино­строением.

Перед сваркой, наплавкой детали должны быть предварительно подготов­лены. Если заваривается трещина, то сначала:

• засверливают по краям трещины от­верстия диаметром 3 ... 5 мм для предупреждения ее дальнейшего распростране­ния.

• Затем, при толщине стенки до 5 мм, очищают прилегающие к трещине по­верхности шириной до 20 мм с каждой стороны. Если толщина стенки от 5 до20 мм, то разделывают трещину под V-образный профиль.

При наплавке деталей из­ношенные поверхности предварительно обрабатывают до удаления дефектного слоя. При электродуговой сварке и наплавке применяют постоянный или пере­менный ток.

При работе на постоянном токе дуга горит более устойчиво. На по­ложительных полюсах выделяется больше тепла, чем на отрицательных. Поэтому если надо увеличить глубину проплавления и количество расплавленного метал­ла, то сварку производят на прямой полярности, подключая деталь к положитель­ному полюсу.

Для наплавки и сварки переменным током используются сварочные типа ТС-300, ТС-500 и др., а также источники постоянного тока (преобразователи) ПС-300, ПС-500, ПСО-300, ПСО-500 и др., сварочные выпрямители ВС-300, ВС-600 и др.

Чтобы горение дуги было устойчивым, ее статические характеристики должны соответствовать внешней характеристике источника тока. При крутопа­дающей характеристике с увеличением тока напряжение вначале уменьшается плавно, а затем падает до нуля. Такие источники применяют при ручной сварке. Они предохраняют цепь от больших токов короткого замыкания. Напряжение хо­лостого хода при крутопадающей характеристике всегда выше рабочего напряже­ния дуги, поэтому облегчает ее возбуждение. У источников с другими характери­стиками возможны короткие замыкания, так как в этом случае ток растет до больших величин.

Динамической характеристикой источника питания называется изменение тока во времени, отсчитываемое со времени включения нагрузки. Основным па­раметром динамической характеристики считается постоянная времени нараста­ния τ_п.

Постоянной времени источника тока называется отрезок времени, отсчитывае­мый от включения нагрузки до момента, когда ток в цепи достигнет 0,63 установ­ленного значения.

Внешняя и динамическая характеристика они имеют большое значение при автоматической и полуавтоматической сварке и наплавке. Они влияют на ста­бильность и устойчивость горения дуги.

Статической характеристикой дуги называется зависимость напряжения от силы сварочного тока при постоянном диаметре электрода и длине дуги.

При малых значениях тока дуга горит только в случае высокого напряже­ния. С увеличением тока напряжение падает и затем стабилизуется. При увеличении тока сверх 1000А напряжение растет.

Для сварки и устранения дефектов деталей из конструктивных сталей по ГОСТ 9467. В зависимости от химического состава и механических свойств наплавленного металла электроды делятся на типы, а в зависимости от химиче­ского состава покрытия на марки, например, тип Э-42. Цифра показывает проч­ность сварочного шва на разрыв. Марки электродов этого типа могут быть 0 мм-5, ЦМ-6, ЦМ-8, и др.

Электроды для наплавки обозначаются двумя буквами «ЭН» и цифрами по
ГОСТ 10051-75. Цифры в этом случае показывают содержание углерода в сотых
долях, а последующие буквы и цифры содержание легирующих элементов и две
последние цифры твердость без термообработки, например, ЭН-15Г3-25, ЭН-
18Г5-35, ЭН-350 и др. |

Покрытие электродов служит для стабилизации процесса горения дуги, за­щиты от кислорода и азота воздуха и легирования наплавленного слоя. Они бы­вают толстые (0,25÷0,35)d и тонкие (0,15÷0,3)d на сторону, где d- диаметр стержня.

Выбор электродов происходит в зависимости от материала восстанавливае­мой детали и предъявляемых к ней технических требований после восстановле­ния, толщины восстанавливаемой детали.

Режим ручной сварки и наплавки характеризуется силой тока и скоростью сварки. Сила тока определяется в зависимости от диаметра электрода по формуле

где J - сила тока, А; k - коэффициент, 35-55 А/мм²; d - диаметр электрода, мм.

Диаметр электрода выбирается в зависимости от толщины свариваемой де­тали по справочникам. При сварке порошковыми проволоками J=(70 ... 100)d.

Количество тепла, введенное в единицу времени в металл, определяется по уравнению, Дж/с

где U - КПД процесса нагрева, равный 0,50 ... 0,75 при сварке открытой ду­гой, и равный 0,80 ... 0,85 при сварке под флюсом.

Количество наплавленного металла определяется по формуле,

где а_н - коэффициент наплавки, показывающий количество электродного материала, расплавленного током в 1А в единицу времени, Г/А-ч и перенесенного в материал шва, t - время горения дуги, с.

Длина дуги считается нормальной, если же равна 0,5 ... 1,2 d.

При сварке малоответственных деталей из малоуглеродистых и низколеги­рованных сталей применяют электроды типа Э-34, Э-42, Э-46 марок ОММ-5, ОМА-2 и др. Если углерода меньше 0,3%, то сварка ведется без подогрева, если выше, то детали подогревают до t=100 ... 200°С.

Детали среднеуглеродистых легированных сталей 40Х, 30ГСА и др. свари­вают электродами Э-42А, марки УОНИ 13/55 с подогреванием до t=300 ... 400°С с последующим отпуском при температуре 600 ... 650°С. Если термообработку проводить нельзя, то применяют электроды типа Э-256, марки ОЗА-9А и др.

Для восстановления изношенных поверхностей деталей средней твердости применяют электроды марки ОЗН-300, 350, 400. Наплавка ведется при обратной полярности.

Для наплавки деталей из высокоуглеродистых низколегированных сталей применяют электроды HP. При ручной дуговой сварке основное время (мин) рассчитывается по формуле

T=60F·l·γ/K_m·J, (189)

где F - площадь поперечного сечения шва, см2; 1 - длина шва, см; γ - плот­ность наплавленного металла, г/см2; Кт - коэффициент наплавки, г/А-ч.