Восстановление деталей сваркой и наплавкой своими руками
Наплавочные работы широко применяют при восстановлении
изношенных деталей. Применение наплавки рабочих
поверхностей позволяет не только восстановить размеры детали,
но и повысить их долговечность и износостойкость
путем нанесения металла соответствующих химического состава
и физико-механических свойств.
Процесс наплавки имеет достаточно высокую производительность,
прост по техническому исполнению, обеспечивает
высокую прочность соединения наплавленного металла
с основным.
Сущность процесса наплавки состоит в том, что одним
из источников нагрева присадочный металл расплавляется и
переносится на наплавляемую поверхность. При этом расплавляется
металл поверхностного слоя основного металла
и вместе с расплавленным присадочным металлом образует
слой наплавленного металла.
По химическому составу и физико-механическим свойствам
наплавленный металл будет отличаться как от основного,
так и от присадочного металла.
Одним из важных параметров процесса наплавки является
глубина проплавления основного металла: чем меньше
глубина проплавления, тем меньше доля основного металла
в наплавленном. Химический состав наплавленного металла
будет ближе к присадочному. Обычно химический состав
присадочного металла и металла наплавки выравнивается во
втором-третьем слое.
С другой стороны, на глубине проплавления располагается
переходная зона от основного металла к наплавленному.
Эта зона считается наиболее опасной, с точки зрения
разрушения металла. Металл переходной зоны охрупчен изза
большой скорости охлаждения металла шва, имеет повышенную склонность к образованию холодных трещин по
причине большой неоднородности химического состава металла
и соответственно большой разности коэффициентов
линейного расширения. Отсюда следует, что чем больше
глубина проплавления, тем больше зона ослабленного участка
и тем ниже прочность детали. И, наоборот, чем меньше
глубина проплавления, тем в меньшей мере теряется прочность
детали. Металл наплавки по химическому составу приближается
к присадочному, при этом отпадает необходимость
в наложении второго слоя.
Исходя из изложенного, выбор оборудования для наплавки,
режимов и технологии должен проводиться из условия
обеспечения минимальной глубины проплавления основного
металла.
Глубина проплавления металла hпр главным образом
определяется количеством наплавленного металла, т.е. высотой
наплавленного слоя hн. Высота наплавленного слоя
складывается из величины износа hи, толщины дефектного
слоя hд.с. и высоты неровностей hнер. .
hн = hи + hд.с. + hнер.
На практике величина дефектного слоя принимается равной
1,5—2,0 мм, высота неровностей — 1,0—1,5 мм.
hн = hи + (2,5—3,5) мм
При толщине наплавленного слоя больше 5 мм наплавку
желательно вести в два слоя для уменьшения глубины
проплавления.
Выбор режимов наплавки зависит от толщины наплавленного
слоя.
Выбор наплавочных материалов производится исходя из
требований, предъявляемых к металлу трущихся поверхностей
в зависимости от вида изнашивания. Например, для
условий абразивного изнашивания требуется высокая твердость
наплавленного металла, которая обеспечивается использованием
наплавочных материалов с повышенным содержанием
углерода, хрома, марганца, вольфрама.
Для условий коррозионного изнашивания коррозиостойкость
достигается легированием металла хромом в количестве
больше 12% (нержавеющие стали).
Режимы и технология наплавки назначаются в зависимости
от требуемой высоты наплавленного слоя. В понятие
режима входит выбор силы тока, напряжения и скорости
наплавки. Сила тока и напряжение должны быть минимальными,
но обеспечивать стабильное горение дуги.
Величина силы тока определяется в основном диаметром
электрода. Для наплавочных работ применяются
электродные материалы малых диаметров (1,0—2,0 мм).
Выбор сварочного оборудования производится в соответствии
с режимом наплавки. Параметры источника тока должны
обеспечивать заданные режимы наплавки.
Выполнение наплавочных работ осуществляется различными
способами, основными из которых являются ручная
дуговая наплавка, автоматическая дуговая наплавка под флюсом,
наплавка в среде углекислого газа, вибродуговая, плазменная
и газовая наплавка.
Ручная дуговая наплавка применяется при индивидуальном
способе выполнения ремонтных работ.
Выбор марки электродов производится исходя из требований,
предъявляемых к металлу поверхности в зависимости
от вида изнашивания, по ГОСТ 10051-75.
Для восстановления деталей типа валов, работающих при
нормальных условиях, рекомендуются электроды 03Н 400,
обеспечивающих твердость НВ 375—425 без термической обработки.
Наплавка деталей, работающих при коррозионном изнашивании,
выполняется электродами ЦН-6М, химический состав
наплавленного металла 08.I7 Н8 С6 Г или ЦН-5 (24.12).
Для деталей, работающих в условиях абразивного износа,
рекомендуются электроды Т-590 (Э-320.25 С2ГР).
Режимы наплавки указываются на пачках электродов.
Для наплавки могут применяться и сварочные электроды,
но механические свойства наплавленного металла низкие.
Наплавка плоских поверхностей выполняется в наклонном
положении способом сверху вниз.
Наплавка цилиндрических поверхностей выполняется по
винтовой линии или продольными валиками.
Автоматическая наплавка под флюсом рекомендуется при
большом объеме ремонтных работ.
Сущность процесса наплавки состоит в том, что дуга горит
под слоем флюса. Под действием тепла дуги расплавляются
электродная проволока, основной металл и часть флюса.
Расплавленный металл электрода переносится на основной,
образуя слой наплавленного металла. Перенос происходит
в зоне расплавленного флюса, который надежно защищает
жидкий металл от контакта с воздухом.
По мере удаления сварочной дуги расплавленный флюс
затвердевает, образует шлаковую корку, легко отделяющуюся
от металла наплавки. Неизрасходованная часть флюса
собирается и возвращается в дальнейшем для наплавки.
Процесс наплавки осуществляется с помощью наплавочных
установок, конструкция которых зависит от конфигураций
наплавляемых деталей. При ремонте автомобиля чаще
всего встречаются детали цилиндрической формы типа валов.
Для восстановления размеров таких деталей промышленностью
выпускается наплавочная установка типа А-580 М,
которая легко монтируется на месте резцедержателя на переоборудованном
токарном станке, имеющем частоту вращения
0,2—5 об/мин .
Проволока из кассеты (1) подающими роликами (2) через
направляющую (3) подается в зону горения дуги на деталь
(4), закрепленную в патроне токарного станка. Флюс из
бункера (5) подается на дозатор (6). Наплавка на вал осуществляется
по винтовой линии с заданным шагом.
Выбор марки наплавочной проволоки производится в зависимости
от требуемых физико-механических свойств наплавленного
металла. Легирование наплавленного слоя при
наплавке под флюсом производится в основном через
электродную проволоку, реже — через проволоку и флюс.
Для наплавки чаще всего применяют плавленный флюс
АН-348 А.
Для наплавки деталей из малоуглеродистых сталей применяют
проволоку Св-08А, Св-08ГС, Св-1-Г2; для деталей
из среднеуглеродистых сталей — Нп-65, Нп-30ХГСА.
Выбор режимов наплавки производится исходя из толщины
наплавляемого слоя, диаметр наплавочной проволоки
принимается в пределах 1,6—2,5 мм, при этом сила тока
колеблется 150—200 А, напряжение — 25—35 В, скорость
подачи сварочной проволоки — 75—180 м/ч, скорость наплавки
— 10—30 м/ч.
При выборе источника питания предпочтение отдается
источникам постоянного тока, преобразователям и выпрямителям
с падающей характеристикой. Наплавку ведут на
обратной полярности.
Наплавка под флюсом по сравнению с ручной дуговой
наплавкой имеет следующие преимущества: высокая производительность
процесса, возможность получения наплавленного
металла с заданными физико-механическими свойствами,
высокое качество наплавленного металла, лучшие условия
труда сварщиков, отсутствие ультрафиолетового излучения.
К недостаткам процесса относятся: большая глубина проплавления
из-за высокого нагрева детали, невозможность
наплавки деталей диаметром менее 50 мм из-за трудности
удержания флюса на поверхности детали.
Механизированная наплавка под флюсом применяется
для наплавки коленчатых валов, полуосей и других деталей.
Наплавка в среде углекислого газа довольно широко применяется
для восстановления размеров изношенных деталей.
Сущность процесса состоит в том, что сварочная дуга
горит в среде углекислого газа, который предохраняет расплавленный
металл от контакта с воздухом.
Оборудование для наплавки в среде углекислого газа
деталей цилиндрической формы состоит из вращателя —
модернизированного токарного станка и наплавочной головки
А-580 М, смонтированной на суппорте токарного станка.
Наплавочная проволока из кассеты (1) тянущими роликами
(2) через мундштук (3) подается в зону горения дуги с
основным металлом. Дуга горит в среде углекислого газа,
подаваемого из углекислотного баллона (5) через подогреватель
(6), редуктор (7), осушитель (8) в сопло (4), установленное
на конце мундштука через изоляционную втулку (9).
Вытекая из сопла, углекислый газ оттесняет воздух и предохраняет
расплавленный металл от окисления. Давление
газа 0,15—0,20 МПа. Деталь типа вала устанавливается в патроне
токарного станка с поджатием центром задней бабки.
Наплавка осуществляется по винтовой линии с определенным
шагом. Снизу на деталь подается жидкость (3—
5% водный раствор кальцинированной соды) для охлаждения
детали в процессе наплавки. Охлаждающая жидкость
может подаваться непосредственно на наплавленный металл
или рядом с ним, создавая различные скорости охлаждения.
Таким образом происходит совмещение процесса наплавки
с термической обработкой металла шва. Кроме того,
охлаждение значительно снижает коробление деталей, что
очень важно при наплавке валов значительной длины.
Выбор режимов наплавки в среде углекислого газа производится
в том же порядке, что и при наплавке под флюсом.
Однако имеется особенность назначения марки наплавочной
проволоки: содержание марганца и кремния в ней должно
быть не менее чем по 1% для предотвращения образования
пор. Для наплавки у малоуглеродистых сталей применяют
сварочную проволоку марок Св-С8Г2С, Св-12ГС и др.
Для среднеуглеродистых низколегированных сталей используют
проволоку Св-18ХГСА, Нп-30ХГСА. При наплавке
проволокой Нп-30ХГСА без охлаждения твердость наплавленного
металла составляет 30—35 HRC, с охлаждением —
50-52 HRC.
Для наплавки в среде углекислого газа используются малые
диаметры проволок в пределах 0,8—1,6 мм. Сила сварочного тока колеблется от 70 до 200 А, скорость наплавки
— до 100 м/ч. Для наплавки в среде углекислого газа применяются
источники постоянного тока, преобразователи и
выпрямители с жесткой характеристикой.
Механизированная наплавка в среде углекислого газа по
сравнению с наплавкой под флюсом имеет следующие преимущества:
меньший нагрев детали, возможность совмещения
наплавки с термической обработкой, более высокая производительность
процесса, возможность наплавки деталей
малых размеров.
К недостаткам процесса относится то обстоятельство, что
легирование наплавленного металла ограничено только химическим
составом электродной проволоки.
Для расширения диапазона легирования наплавленного
металла применяется порошковая проволока, представляющая
собой металлическую оболочку, внутри которой располагаются
легирующие, раскисляющие, ионизирующие и шлакообразующие
элементы. Такой комплекс легирования позволяет
проводить сварку и наплавку как с защитой сварочной
дуги, например — углекислым газом, так и без всякой
внешней защиты наплавленного металла от окисления.
Наличие шлакообразующих компонентов в составе порошковой
проволоки обеспечивает надежную защиту от окисления
расплавленного металла.
Для наплавки и сварки малоуглеродистых сталей применяют
порошковую самозащитную проволоку ПП-АН2М,
ПП-11 и др., выпускаемую диаметром 1,6—2,0 мм.
Выбор марки порошковой проволоки для наплавки среднеуглеродистых
низколегированных сталей производится в
зависимости от условий работы деталей. Например, металл,
наплавленный порошковой проволокой ПП-ЗХ2В8, сохраняет
высокую твердость и прочность при повышенных температурах.
Выбор режимов наплавки порошковыми проволоками
проводится в том же порядке, что и при наплавке в среде
углекислого газа. Параметры режимов наплавки следующие:
диаметр электродов 1,6—2,0 мм, сила тока 160—200 А,
скорость наплавки 10—40 м/ч. Оборудование для наплавки
— то же самое, что и в среде углекислого газа. В качестве
источника тока применяются преобразователи и выпрямители.
Достоинства наплавки порошковой проволокой состоят
в меньшей стоимости процесса и возможности выполнения
наплавочных работ во всех положениях.
Вибродуговая наплавка. Сущность способа вибродуговой
наплавки состоит в том, что электродной проволоке при
движении в зону дуги придаются дополнительные продольные
колебания большой частоты. Такие колебания обеспечивают
более высокую стабильность горения дуги и позволяют
значительно снизить параметры режима наплавки (силу
сварочного тока и напряжение) по сравнению с наплавкой в
среде углекислого газа. На этом принципе разработаны многие
конструкции наплавочных автоматов, одна из которых
приведена в интернете и без друда это можно найти воспользовавшись сервисом поисковых систем интернета.
Проволока из кассеты (1) тянущими роликами (2) через
мундштук (3) разрезной конструкции подается в зону горения
на детали (5). При вращении эксцентрика (4) проволоке
придаются возвратные продольные колебания. Наплавочная
установка устанавливается на суппорте токарного
станка на место резцедержателя. Деталь крепится в патроне
токарного станка. Снизу на деталь подается охлаждающая
жидкость (3—5% раствор кальцинированной соды) для
отвода тепла.
Выбор марки наплавочной проволоки ведется в зависимости от требований, предъявляемых к рабочей поверхности. Для обеспечения твердости 50—55 HRC применяется проволока Нп-65 или Нп-30ХГСА с охлаждением.
Меньшая твердость 35—40 HRC достигается наплавкой проволокой Нп-30ХГСА без охлаждения наплавленного слоя.
Наплавка выполняется как без внешней защиты для неответственных
деталей, так и в среде углекислого газа — для ответственных.
Режимы наплавки должны обеспечить получение наплавленного
слоя заданной толщины. Диаметр электрода принимается
равным 1,2—2,0 мм. Напряжение дуги составляет
16—18 В. Сила тока колеблется в пределах 100—200 А. Скорость
наплавки 1—2 м/мин.
Источниками питания дуги служат преобразователи и
выпрямители с жесткой внешней характеристикой. Полярность
обратная.
Достоинством вибродуговой наплавки является то, что
это один из немногих способов восстановления деталей малых
размеров. Кроме того, вибродуговая наплавка отличается
малой глубиной зоны термического влияния и незначительным
нагревом детали.
Плазменная наплавка. Сущность плазменной наплавки
состоит в расплавлении присадочного металла струей плазмы
и перенесении его на основной металл. Плазма представляет
собой направленный поток ионизированных частиц
газа, имеющего температуру (10—30) · 103 °С. Получают
плазму в специальных устройствах — плазмотронах
при пропускании газа через столб электрической дуги.
Принцип работы следующий. Вначале зажигают так называемую
дежурную дугу (3), которая горит между вольфрамовым
электродом (1) (катод) и медным водоохлаждаемым
соплом (2) в газовой среде. В качестве плазмообразующих газов
применяются чаще всего аргон или азот. Для ионизации
аргона напряжение дежурной дуги должно быть не менее 90 В,
сила тока — 40—50 А, для чего в сварочную цепь включается
сопротивление R. Расход аргона при горении дежурной дуги
незначительный (давление 0,03—0,05 МПа).
При использовании в качестве ионизирующего газа азота
напряжение для горения дежурной дуги должно быть не
ниже 180 В, давление азота — 0,03—0,05 МПа. Дежурная
дуга выдувается из канала сопла в виде газового пламени.
Диаметр канала сопла 4—5 мм. Для зажигания основной
плазменной дуги прямого действия (5) газовым пламенем
дежурной дуги касаются основного металла (4) .
Происходит переброс дуги с сопла на основной металл, минуя
сопротивление R. Ток резко возрастает до 300—500 А. В
этот момент необходимо резко увеличить расход газа (давление
газа 0,3—0,4 МПа). Температура внутри столба дуги
при использовании в качестве плазмообразующего газа аргона
до 20 000°С.
Для осуществления процесса наплавки электродную проволоку
подают в зону плазменной дуги, металл электрода
плавится и переносится на деталь.
Для прекращения процесса наплавки плазмотрон отрывают
от детали, основная дуга гаснет, но продолжает гореть
дежурная дуга.
В качестве наплавляемого материала могут использоваться
не только порошки металлов, но и неметаллов (керамический
порошок). Это позволяет нанести керамику на металлы.
Режимы наплавки изменяются при изменении силы тока
и расхода плазмообразующего газа в зависимости от толщины
наплавляемого слоя, толщины основного металла и др.
Для наплавки на неметаллические поверхности и детали
с небольшой толщиной стенки применяются плазмотроны с
плазменной дугой косвенного действия .
Зажигание дежурной дуги и обеспечение ее устойчивого
горения осуществляется так же, как и для плазмотрона с
плазменной дугой прямого действия. Для зажигания основной
плазменной дуги косвенного действия (4) замыкаются
контакты (5) и включается основная сварочная
цепь. Резко возрастает ток, увеличивается мощность дуги,
одновременно включается и повышенный расход газа. Плазменная струя ионизированного газа выходит из сопла в виде
мощного газового пламени.
Для осуществления наплавки электродный материал в
виде порошка подается в струю плазмы, разогревается до
температуры плавления и в виде капель переносится на основной
металл. Подача порошков в струю плазмы производится
с помощью инертных газов: аргона, азота и др.
Режимы наплавки определяются требуемой толщиной наплавленного
металла, исходя из которой назначаются скорость
перемещения детали относительно плазмотрона и силы
тока. Величина напряжения зависит от применяемого ионизирующего
газа.
В состав оборудования для наплавки входят плазмотрон
со шкафом управления, источник питания постоянного тока
(обычно выпрямитель) с падающей характеристикой. Для наплавки
деталей цилиндрической формы плазмотрон устанавливается
на суппорт токарного станка, переоборудованного
на низкое число оборотов.
К достоинствам плазменной наплавки относятся возможность
регулирования температуры нагрева металла, высокая
производительность процесса, малая глубина зоны термического
влияний, высокое качество наплавленного металла.
К недостаткам процесса необходимо отнести более высокие
требования по электробезопасности при выполнении
наплавочных работ.
Газовая наплавка деталей автомобиля. Газовая наплавка
при ремонте применяется сравнительно редко, в основном
при индивидуальном способе выполнения ремонтных
работ, из-за трудности механизации процесса.
Плавление металла осуществляется газовым пламенем,
образующимся при сгорании кислорода в среде ацетилена.
Температура пламени в зоне ядра составляет 3100—3200 °С.
Защита расплавленного металла от окисления осуществляется
самим газовым пламенем и флюсами. В качестве
флюса используют буру или смесь буры и борной кислоты.
В качестве присадочного металла при газовой наплавке
используют прутки того же состава, что и основной металл.
Режим наплавки определяется мощностью газовой горелки,
т. е. расходом ацетилена. Мощность зависит от толщины
наплавляемого слоя.
Газовая наплавка чаще всего применяется для заплавления
дефектов на корпусных деталях.
При наплавке на чугунные изделия в качестве наплавочных
материалов используют чугунные прутки примерно того
же состава. Процесс выполняется науглероженным пламенем,
т. е. с большим расходом ацетилена.
При наплавке металла на алюминиевые изделия присадочным
материалом служат алюминиевые прутки. Процесс
осуществляется под флюсом, основу которого составляют
хлористые и фтористые соединения, нейтральным пламенем
при соотношении кислорода и ацетилена 1:1 .
Достоинством газовой наплавки по сравнению с дуговой
является возможность регулирования температуры нагрева
и проведения последующей термической обработки.
К недостаткам способа газовой наплавки относятся высокая
трудоемкость процесса, большая зона термического
влияния и высокая стоимость.