ВОССТАНОВЛЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ СВАРКОЙ — Технологические процессы в техническом сервисе машин и оборудования

Сваркой называют технологический процесс получения неразъемных соединений твердых металлов посредством установления межатомных связей между свариваемыми деталями при их местном нагреве или пластическом деформировании, или совместном действии того и другого.

Согласно ГОСТ 19521 сварку металлов классифицируют по физическим, техническим и технологическим признакам.

К физическим признакам относят форму вводимой энергии, наличие давления и вид инструмента как носителя энергии. В зависимости от вводимой энергии сварочные процессы разделяют на три класса:

• 1) термический — виды сварки, которые выполняют плавлением с использованием тепловой энергии (дуговая, газовая, высокочастотная, термитная, электрошлаковая, плазменная, электронно-лучевая и лазерная);
• 2) термомеханический — с применением тепловой энергии и давления (контактная, диффузионная, газопрессовая и взрывом);
• 3) механический — с использованием механической энергии и давления (трения, ультразвуковая и холодная).

К техническим признакам относят:

• • способ защиты металла — сварка в воздухе, вакууме, защитных газах, под флюсом, в пене и комбинированной защите. В качестве защитных газов можно использовать активные газы (углекислый газ, азот, водород, водяной пар и их смеси), инертные газы (аргон, гелий, их смеси) и смеси активных и инертных газов;
• • непрерывность процесса — непрерывные и прерывистые виды сварки;
• • степень механизации — ручные, механизированные и автоматические.

По технологическим признакам сварка может быть дуговая, газовая, термитная, электрошлаковая, плазменная, электронно-лучевая, лазерная, контактная, диффузионная, газопрессовая, ультразвуковая, взрывом, трением и холодная.

При ремонте машин операции сварки и наплавки более распространены, чем другие методы восстановления, так как с их помощью можно получить на рабочих поверхностях деталей слой любой толщины и химического состава, наплавленные слои с высокой твердостью и износостойкостью, антифрикционные, кислотостойкие, жаропрочные и др.

При ремонте машин наиболее широко применяются ручная газовая сварка и элекгродуговая.

Газовая сварка основана на использовании теплоты, выделяемой при сгорании в среде кислорода горючих газов — ацетилена, водорода, пропан-бутановой смеси, паров керосина и бензина, природного и других газов. В ремонтном производстве наибольшее распространение получила ацетилен-кислородная сварка. Газовая сварка применяется для сварки деталей из малоуглеродистой низколегированной стали толщиной 2—3 мм, деталей из чугуна и цветных металлов, а также для наплавки твердых сплавов. Стальные детали сваривают нормальным пламенем. Для деталей из низколегированных сталей и при наплавке твердыми сплавами используют восстановительное пламя. Окислительное пламя используют при резке металлов.

На прочность сварочного соединения большое влияние оказывает качество присадочного материала, в качестве которого при газовой сварке применяют углеродистые и легированные сварочные проволоки Св-08, Св-08ГА, Св-18ХГСА, Св-18ХМА, Св-10Х13, а при наплавке — специальные наплавочные прутки из сормайта, стеллита, карбида вольфрама и других твердых сплавов.

Для защиты расплавленного металла деталей из легированных сталей от окисления применяют флюсы, действующие химически (бура, борная кислота и др.) или как физические растворы (хлористый натрий, хлористый калий, фтористый натрий).

Газовая сварка может проводиться левым или правым способом (рис. 2.18). Сварка левым способом создает лучшие условия для формирования шва и рекомендуется для металлов толщиной до 3 мм. При большей толщине свариваемого металла используется правый способ сварки, при котором пламя горелки постоянно направлено на шов, что исключает соприкосновение расплавленного металла с воздухом, а также создает благоприятные условия для охлаждения расплавленного металла.

Рис. 2.18. Способы газовой сварки деталей:

7 — сварочный шов; 2 — наконечник горелки; 3 — присадочный пруток; 4 — деталь

Диаметр проволоки, мм, выбирают в зависимости от способа сварки:

• • при левом = 5/2 2;
• • при правом = 5/2 2, где 5 — толщина детали, мм.

Основными достоинствами газовой сварки являются возможность регулирования температуры нагрева детали и присадочного материала и небольшое окисление наплавленного металла благодаря защите сварочной ванны факелом пламени.

Недостатками газовой сварки (наплавки) являются: сравнительно большая зона термического влияния на детали; применение дефицитных и дорогостоящих газов — ацетилена и кислорода, громоздкость оборудования, сложность выполнения работ при низких температурах в полевых условиях; кроме того, для выполнения газовой сварки и наплавки требуются сварщики высокой квалификации.

Дуговую сварку классифицируют:

• • по степени механизации — сварка ручная, механизированная и автоматизированная;
• • роду тока — сварка постоянным, переменным и пульсирующим током;
• • состоянию дуги — сварка свободной и сжатой дугой;
• • числу дуг — одно- и многодуговая сварка;
• • полярности сварочного тока — сварка прямым и обратным током;
• • виду электрода — сварка плавящимся (металлическим), непла- вящимся (угольным, вольфрамовым и др.) электродом.

Питание дуги может осуществляться как постоянным током, так

и переменным, причем применение постоянного тока обеспечивает более устойчивую дугу и лучшие прочностные характеристики наплавленного металла.

При сварке постоянным током около 43% теплоты выделяется на положительном полюсе и 36% — на отрицательном. Поэтому при сварке массивных деталей для лучшего их прогрева положительный полюс источника тока соединяется с деталью — прямая полярность.

Обратная полярность сварочного тока применяется при восстановлении тонкостенных деталей, деталей из легированных сталей и при наплавке износостойких сплавов.

Для сварки и наплавки деталей постоянным током используются сварочные преобразователи ПСО-120, ПС-300, ПСО-ЗОО, ПС-500, ПСО-500. Преобразователь состоит из асинхронного коротко- замкнутого электродвигателя и сварочного генератора.

При ручной дуговой сварке деталей из тонкого металла широко применяются сварочные выпрямители. Они просты и надежны в эксплуатации, при малом сварочном токе обеспечивают высокую стабильность горения дуги.

При сварке деталей переменным током для понижения напряжения применяются сварочные трансформаторы, а изменение сварочного тока осуществляется регулятором.

Качество ручной дуговой сварки и наплавки в значительной степени зависит от выбора электродов и режимов сварки.

Электроды бывают:

• • неплавящиеся — графитовые и вольфрамовые; в качестве присадочного материала используют сварочную проволоку;
• • плавящиеся, классифицируемые по различным признакам и различающиеся по видам покрытия.

Для сварки и наплавки деталей используют электроды со специальными покрытиями. По толщине покрытия в зависимости от отношения их диаметра /) к диаметру стального стержня электроды бывают с тонким покрытием М (/)Д/ < 1,20); средним — С (/)Д/ = 1,2—1,45), толстым — Д (= 1, 45—1,80) и особо толстым — Г {В/(1 > 1,8).

На рис. 2.19 приведена структура условного обозначения электродов.

Рис. 2.19. Структура условного обозначения электродов:

7 — тип; 2 — марка; 3 — диаметр стальной проволоки; 4 — назначение; 5 — толщина покрытия; 6 — группа электродов; 7 — группа индексов, характеризующих наплавляемый металл шва; 8 — вид покрытия; 9 — допустимое пространственное положение сварки; 10 — род тока и его полярность

Электроды для сварки обозначаются буквой Э с двухзначной цифрой через дефис, характеризующей прочность сварного шва на растяжение, например Э-42. Наплавочные электроды обозначают обычно двумя буквами ЭН и цифрами, которые показывают гарантированную твердость наплавленного слоя.

По видам покрытия и составам обмазок электроды бывают:

• • А — с кислым покрытием, содержащим оксид железа, марганца, кремния, иногда титана (ОММ-5, ОММ-5Ц, ЦМ-7, ЦМ-8 и др.). Сварку ведут постоянным (прямой и обратной полярности) и переменным током;
• • Б — с покрытием, имеющим в качестве основы фтористый кальций (плавиковый шпат) и карбонат кальция (мрамор, мел). Сварку ведут постоянным током обратной полярности. Электроды с этим покрытием (УОНИ-13/45, УОНИ-13/55, ЦЛ-9, ОЗС-2, АНО-7 и АНО-8) используют для сварки деталей с толстыми стенками;
• • Ц — с целлюлозным покрытием, создающим газовую защиту дуги (ВСЦ-4, ВСЦ-4А, ОМА-2, ОЗС-1 и др.). Электроды с этим покрытием используют для сварки стали малой толщины на переменном токе любой полярности;
• • Р — с рутиловым покрытием (ОЗС-4, ОЗС-6, АНО-1, АНО-3, АНО-4, АНО-5, АНО-12 и др.). Основной компонент покрытия — оксид титана (ТЮ₂). Электроды с рутиловым покрытием используют для сварки постоянным (любой полярности) и переменным током во всех пространственных положениях;
• • П — прочие виды покрытий (АНО-6, АНО-10 и др.).

В зависимости от свариваемых материалов электроды делят на пять групп и по допустимым пространственным положениям обозначают:

• • У — для сварки углеродистых и низкоуглеродистых сталей;
• • Л — для сварки легированных конструкционных сталей;
• • Т — для сварки легированных теплоустойчивых сталей;
• • В — для сварки высоколегированных сталей с особыми свойствами;
• • Н — для наплавки поверхностных слоев с особыми свойствами;
• • 1 — для всех положений;
• • 2 — для всех положений, кроме вертикального сверху вниз;
• • 3 — для нижнего положения, горизонтального на вертикальной плоскости и вертикального снизу вверх;
• • 4 — для нижнего положения.

Приведем пример.

Условное обозначение электрода расшифровывается следующим образом: Э-46 — электрод сварочный с минимально гарантируемым пределом прочности металла шва на растяжение 46 кгс/мм² (460 МПа); А — гарантируется получение повышенных пластических свойств металла шва; УОНИ-13/45 — марка; 3 — диаметр стальной проволоки, мм; У — электроды для сварки углеродистых сталей; Д2 — с толстым покрытием второй группы; Е432(5) — характеристика наплавленного металла шва (временное сопротивление разрыву не менее 430 МПа, относительное удлинение не менее 22%, ударная вязкость не менее 34,5 Дж/см² при температуре —40°С); Б — основное покрытие; 1 — для сварки во всех пространственных положениях; 0 — постоянный ток обратной полярности.

Свариваемость материалов — способность металла образовывать соединения по установленной технологии сварки с механическими свойствами, близкими в шве и основном металле. Стали по свариваемости бывают:

• • хорошо сваривающиеся — Ст.1—Ст.6, стали 0,8; 10—15, 20—25 и низколегированные 15Х, 15ХГ, 12ХН2 и др.;
• • удовлетворительно сваривающиеся — стали 30 и 35, низколегированные 20ХНЗА, 20ХГСА, 30Х и высоколегированные 12Х14А, 9Х14А, 30X13 и др.;
• • ограниченно сваривающиеся — углеродистые 40, 45 и 50, низколегированные 30ХГС, 40 ХМЮ и 45Л, высоколегированные 20X18Н9, 36Х18Н25С2 и др.;
• • плохо сваривающиеся — стали 60—85, низко- и среднелегированные 50Г, 50ХГСА и 45ХНЗМФА, высоколегированные 18ХНЗА, 12Х2НЧА и др.

Сварка чугунных деталей осложняется склонностью чугуна к тре- щинообразованию, его жидкотекучести, трудностями последующей механической обработки.

Чугунные детали можно сваривать дуговой сваркой металлическим или угольным электродом, аргонодуговой сваркой, газовой сваркой, заливать жидким чугуном, порошковой проволокой. При выборе метода сварки учитывают необходимость механической обработки металла шва и околошовной зоны после сварки, требования к плотности шва, нагрузки, при которых должны работать детали.

Если не требуется механическая обработка и не оговариваются плотность и прочность соединения чугунных деталей, применяют стальные электроды Э-34 и Э-42. Однако при этом появляются трещины и отбеленные структуры в самом шве и околошовной зоне.

В середине XX в. изобретатель Л.И. Вититлов предложил метод отжигающих валиков для сварки чугунных деталей, что позволяет расширить возможности использования стальных электродов. При этом методе трещину предварительно разделывают (рис. 2.20). Наносят короткими участками (15—20 мм) вразброс вначале на одну кромку разделанной трещины, подготовленные 1—3 и отжигающие 4 и 5 валики, а затем на другую — соответственно валики 6—10, не соединяя их.

Валики высотой 4—5 мм наплавляют снизу, покрывая предыдущий валик на 60—70%. После того как они будут наложены по всей длине трещины, деталь охлаждают до 70-80°С, а затем заваривают также вразброс промежутки между ними соединительными валиками 11—14.

Недостаток способа — весьма высокие трудоемкость процесса и требования к квалификации сварщика.

Рис. 2.20. Схемы заварки трещин методом отжигающих валиков:

а — разделка трещин; б — последовательность наложения валиков; в — последовательность участков заварки; 1-3, 6-8 — подготовительные валики; 4, 5, 9, 10 — отжигающие валики; 11-14 — соединительные валики; I—V — номера участков заварки

Технология заварки трещин в стенках водяных рубашек чугунных блоков цилиндров дизелей, обеспечивающая герметичность и прочность сварного шва, заключается в следующем. Трещины заваривают проволокой ПАНЧ-11 на обратной полярности в следующих режимах: / = 100—140 А; II = 14—18 В; V-0,15—0,25 см/с; диаметр проволоки ?/=1,4 мм.

Место расположения трещины зачищают до металлического блеска. Рядом с трещиной 2 по обе стороны от нее на расстоянии 7—10 мм шлифовальным кругом разделывают канавки 1 по всей длине трещины (рис. 2.21). Глубина разделки канавки 1,5—3 мм и ширина 3—5 мм.

Рис. 2.21. Схема заварки трещины:

1 — канавки; 2 — трещина; 3 — валик; 4 — наплавленный металл

Заварку выполняют короткими участками (20—50 мм) поперек трещины с заполнением металлом подготовленных канавок. Валики 3 накладывают поочередно с перекрытием на 1/3 ширины от краев трещины к середине и охлаждают до 40-60°С, прежде чем будет нанесен следующий валик. Разделанные канавки вдоль трещины служат упорами в усадке шва и стягивают ее.

Сварка деталей из алюминия и его сплавов вызывает затруднения по следующим причинам:

• • очень плохая свариваемость металла из-за образования тугоплавкой оксидной пленки А1₂О_э;
• • при температуре 400—500°С алюминий теряет свою прочность, и деталь может разрушиться даже от небольших нагрузок;
• • металл при нагреве сразу переходит из твердого состояния в жидкое и не имеет пластического состояния;
• • значительная остаточная деформация свариваемых деталей (коэффициент линейного расширения алюминия в 2 раза выше, чем у стали, а теплопроводность в 3 раза выше);
• • образование пор из-за растворимости водорода в расплавленном алюминии.

Алюминий и его сплавы сваривают дуговой (угольными или плавящимися электродами), аргонодуговой и газовой сваркой. В любом случае поверхность деталей очищают от нагара, масла и грязи, а затем обезжиривают растворителями и не более чем за 2—4 ч до процесса сварки.

Дуговую сварку угольными электродами ведут на постоянном токе прямой полярности. Детали толщиной до 2 мм сваривают без присадочного металла и разделки кромок, а свыше 2 мм — с зазором 0,5—0,7 толщины свариваемой детали или с разделкой кромок. Оксидную пленку удаляют с помощью флюса АФ-4А.

Дуговую сварку плавящимися электродами проводят короткой дугой при обратной полярности из расчета не более 40 А на 1 мм диаметра электрода со скоростью 0,4—0,6 м/мин при напряжении холостого хода 60—70 В. Перед заваркой трещины по всей ее длине вырубают канавку. При сварке сплавов А6, АД0, АД1 и АД применяют электрод ОЗА-1 или флюс АФ-4А, а сплавов АМц, АМг и АЛ-9 — электрод ОЗА-2. При использовании электродов ОЗА-1 и ОЗА-2 получают сварные соединения с удовлетворительными механическими и эксплуатационными свойствами.

Аргонодуговую сварку выполняют неплавящимся вольфрамовым электродом. Диаметр электрода и силу тока выбирают в зависимости от толщины стенки детали. Чем тоньше стенки, тем меньше диаметр и сила тока. Особые требования предъявляют к технике сварки. Угол между присадочным материалом и вольфрамовым электродом должен составлять примерно 90° (рис. 2.22).

Рис. 2.22. Схема аргонодуговой сварки деталей:

7 — деталь; 2 — присадочная проволока (пруток); 3 — вольфрамовый электрод; 4 — струя газа; 5 — сварочная дуга; 6 — наплавленный металл; 7 — ванна расплавленного металла

Размеры сварочной ванны должны быть минимальными, а дуга — как можно короче. Сварку стенок толщиной до 10 мм обычно ведут левым способом, при котором снижается нагрев металла.

Аргонодуговую наплавку ведут электродной проволокой диаметром 0,8—1,0 мм. При скорости подачи проволоки 160—200 м/ч и шаге наплавки 1,5—1,8 м/об толщина наплавленного слоя за один проход составляет 1 мм.

Газовую сварку ацетиленокислородным нейтральным пламенем выполняют с помощью флюсов АФ-4А, АН-4А и др., содержащих хлористые и фтористые соли лития, натрия, калия и бария. В качестве присадочных прутков применяют сплав с содержанием кремния 5—6%. Флюс насыпают на кромки трещины и в процессе сварки вводят прутком в сварочную ванну. После сварки остатки флюса промывают горячей водой.

Медь и ее сплавы характеризуются хорошей свариваемостью, которую несколько снижают их легкая окисляемость в расплавленном состоянии, а также низкая стойкость к образованию трещин и повышенная способность образовывать газовые включения. Применяют дуговой способ сварки током прямой полярности, сварку под флюсом (94—96% буры и 4—6% магния), в защитных газах и плазменную. Электроды могут быть угольные, медные МСр-1, МО и М1 диаметром 0,5—0,7 мм толщины свариваемого металла или специальные АНЦ-1 и АНЦ-2. После сварки выполняют проковку шва; для придания сварочному соединению более высокой вязкости металл нагревают до температуры 550—600°С и быстро охлаждают в воде. В качестве защитных используют инертные газы, азот и водород.

Латунь (сплав меди с цинком) сваривается труднее, чем медь, поскольку сварочная ванна активно поглощает газы, образуются поры и трещины, а также испаряется цинк. Для газовой защиты латуни в пламя горелки вместе с ацетиленом подают пары борсодержащих жидкостей. Борный ангидрит, возникающий на поверхности сварочной ванны, образует сплошной слой шлака. В состав ряда присадочных материалов вводят 2—3% кремния, который, окисляясь, создает тугоплавкую оксидную пленку, предохраняющую цинк от испарения.

Возможна также газовая сварка латуни окислительным пламенем. При сварке угольным электродом в качестве присадочного материала применяют кремнистые и марганцовистые бронзы или латунь с повышенным содержанием цинка. Латунь можно также сваривать контактной сваркой.

Бронзы в большинстве случаев сваривают дуговой сваркой металлическим электродом, близким по химическому составу к основному металлу. Газовую сварку оловянистых бронз ведут нормальным пламенем, так как при избытке в нем кислорода выгорает олово, а при избытке ацетилена увеличивается пористость шва. Фосфор при сварке бронз служит хорошим раскислителем, поэтому в качестве присадочного материала рекомендуется фосфористая бронза БрОФ 6,5-0.4. Флюсы используют те же, что и при сварке меди.

Свинец трудно сваривается, так как при температуре плавления 327°С образуются тугоплавкие оксиды с температурой плавления 888°С. Сварку проводят нормальным ацетилен-кислородным пламенем или с применением газов — заменителей ацетилена. Присадочным металлом служит свинцовая проволока или полоса. В качестве флюса применяют стеарин, которым натирают присадочный материал, или смесь из равных частей стеарина и канифоли.