Наплавка металла

Помимо наплавки плазменный нагрев может использоваться также для  напыления поверхностных слоев. Процесс напыления отличается от наплавки рядом особенностей.  Напыление - это процесс нанесения металлических  слоев из частиц напыляемого материала, нагретых до температуры плавления или близких к оплавлению, на неоплавленную поверхность обрабатываемой детали. При напылении присадочный материал используется в виде проволоки или порошков, подаваемых в сжатую дугу, где он нагревается струей газового потока и с большой скоростью подается на поверхность изделия. Толщина напыленного слоя может изменяться от сотых до десятых долей миллиметра. Напыление более толстых слоев обычно не производится в связи с тем, что толстые слои склонны к отслоению от поверхности детали (откалывание). Напыление можно производить как металлами и сплавами, так и различного вида соединениями - оксидами, карбидами, нитридами и т. п.

Технологически в отличие от наплавки напыление выполняют по способу косвенного нагрева выделенной дуговой плазмой. Если при наплавке расстояние от сопла горелки до изделия составляет 6 - 25 мм, то при напылении – 50 - 120 мм и более. Напыленные слои обладают меньшей плотностью и большей пористостью по сравнению с наплавленными и более склонны к откалыванию от поверхности детали при нарушении технологии. Однако в них практически отсутствует разбавление основным металлом.

Электрошлаковая наплавка. При электрошлаковой наплавке для оплавления основного и присадочного металла служит шлаковая ванна, разогреваемая проходящим через нее электрическим током. Этот способ наплавки, как правило, сочетается с принудительным формированием наплавляемого слоя. Сущность процесса электрошлаковой наплавки (рис. 18) состоит в том, что в пространстве, образованном поверхностью наплавляемого изделия 1 и формирующим кристаллизатором 4, охлаждаемым водой, создается ванна расплавленного шлака 3, в которую подается электродная проволока 5.

Рис. 18 Схема электрошлаковой наплавки на вертикальную поверхность

 

 Ток, проходя между электродом  и изделием, нагревает шлаковую ванну до температуры выше 2000°С, в результате чего электродный и основной металлы оплавляются, образуя металлическую ванну, при затвердевании которой формируется наплавленный слой 2.

Для осуществления процесса электрошлаковой  наплавки различных поверхностей необходима достаточно глубокая шлаковая ванна, получение которой проще всего при вертикальном или наклонном расположении деталей. По сравнению с дуговой наплавкой это менее универсальный способ, но он весьма эффективен в тех случаях, когда на деталь необходимо наплавить слой металла большой толщины (более 14 - 16 мм). Благодаря применению большой силы тока и электродов большого сечения можно достичь высокой производительности - до 150 кг наплавленного металла в час.

Вибродуговая наплавка. Этот способ обычно используется для наплавки деталей типа тел вращения диаметром от 8 - 10 мм и более. Сущность этого метода наплавки заключается в том, что основной и электродный металл нагревается до расплавления теплотой, которая выделяется в результате возникновения периодически повторяющихся электрических разрядов, т.е. прерывисто горящей электрической дуги; Наплавленный слой образуется в процессе кристаллизации расплавленного основного и электродного металла (рис. 19). Малая длительность и прерывистость горения электрической дуги обусловлены вибрациями электродной проволоки, которые создаются с помощью электромагнитных или механических вибраторов. В процессе вибраций наблюдаются короткие замыкания вследствие прикасания электродной проволоки к наплавляемому изделию (основному металлу), а во время отрыва проволоки возникает большой силы ток и загорается электрическая дуга. При среднем значении тока Iд = 150 А экстраток достигает 1000 А.

Рис.19 Схема вибродуговой наплавки: 1 - вибрирующий наконечник, 2 - электродная проволока, 3 - деталь, 4 - наплавленный слой.

 

В качестве присадочного металла применяют  наплавочные проволоки (одну или  несколько), которые могут иметь  возвратно-поступательные перемещения  поперек сварочной ванны, а также  электродные ленты, пластины или стержни большого сечения, иногда и трубы, которые используют для наплавки цилиндрических поверхностей. При наплавке обычно применяют флюсы АН-8, АН-22 и др.

Длительность горения дуги составляет 0,002 - 0,003 с.

Наплавочная установка состоит из вибродуговой головки, аппаратуры управления, вращателя, источника тока. Во время наплавки выполняются следующие движения: вращение наплавляемой детали, поступательное движение вибродуговой головки вдоль продольной оси наплавляемой детали, подача проволоки в зону дуги и вибрация проволоки. Питание осуществляется от выпрямителей, сварочных генераторов, а также от низковольтных трансформаторов с вторичным напряжением 12 - 16 В и более. Более высокие показатели достигаются при наплавке на постоянном токе обратной полярности. Обычно в сварочную цепь включают индуктивность, значение которой выбирают в зависимости от частоты вибрации электродной проволоки, напряжения, рода тока и других факторов. Для наплавки пригодны сварочные проволоки диаметром 0,8 - 2,0 мм. С целью защиты расплавленного металла от взаимодействия с окружающей средой наплавка ведется в струях жидкостей или защитных газов, а также под слоем флюса. Применяются водные растворы кальцинированной соды; смеси кальцинированной соды, мыла и глицерина; эмульсии глицерина.

Прерывистость процесса позволяет  получать зону термического влияния  малой ширины, поэтому наплавленные детали имеют весьма малые деформации, что особенно важно при наплавке сложных изделий, изготовленных  с высокой точностью.

Если наплавка выполняется в струе жидкости, происходит ускоренное охлаждение наплавленного металла, поэтому он имеет повышенную твердость и износостойкость. Вибродуговая наплавка эффективна, если необходимо наплавлять слои металла небольшой толщины.

Недостатками вибродуговой наплавки являются сравнительно низкий коэффициент наплавки и невысокая производительность наплавки.

 

Техника выполнения наплавки

Наплавку плоских и фасонных поверхностей выполняют отдельными валиками или челночным способом (рис.20). При наплавке отдельными валиками каждый из них накладывают на всю длину на расстоянии друг от друга, равном ¹/₃ ширины валика. После очистки наложенных валиков от шлака заполняют промежутки между ними. Применяют и другие способы наплавки валиками, например, с перекрытием ¹/₃ ширины валика после очистки предыдущего валика от шлака.

 

Рис.20 Схемы наплавки плоских и фасонных поверхностей:

а, б – отдельными валиками соответственно маленьких и больших  плоских поверхностей, в,г – отдельными валиками соответственно зуба и впадин шестерни, д – челночным способом; 1...24 – последовательность наложения валиков

 

Челночный способ используют для наплавки поверхностей шириной 40...80 мм. Особенность способа заключается  в том, что шлак на предыдущем валике не успевает затвердеть, а следовательно, отпадает необходимость в удалении шлака с предыдущего валика.

Наплавку тел вращения производят вдоль образуюшей или круговыми  валиками. При наплавке покрытыми  электродами ось детали располагают  горизонтально, при наплавке открытой дугой шланговым полуавтоматом — вертикально. Наплавку по винтовой линии целесообразно выполнять при диаметре детали не более 100 мм.

Наплавку тел вращения выполняют одним из трех способов — по образующим, по окружностям и по винтовой линии (рис.21).

Наплавку по образующим ведут отдельными валиками так же, как и плоских поверхностей в нижнем положении, периодически поворачивая наплавляемое изделие.

Наплавку по окружностям  выполняют тоже отдельными валиками. Последующий валик накладывают  после очистки от шлака предыдущего с перекрытием ≈ ¹/₃ ширины валика.

Наплавку  по винтовой линии  осуществляют непрерывно, а очистка предыдущего валика от шлака может производиться подпружиненными резцами.

Рис.21 Схемы наплавки тел вращения:

а – по образующим, б  – по окружности, в – по винтовой линии; 1...6 – последовательность наложения валиков

 

При наплавке зернистых порошков (сталинита, вокара, боридной смеси, порошкообразного сормайта, порошков марок ПН-АН20, ПН-АН31, ПН-АН32 и др.) используют угольный электрод. Предварительно рабочая поверхность очищается от ржавчины, масла и грязи. Затем на поверхность детали насыпается тонкий слой (0,2—0,3 мм) прокаленной буры (флюса) и слой порошка сплава (шихты) высотой 2 — 7 мм и шириной 30 — 40 мм. Этот слой разравнивается и слегка уплотняется гладилкой.

Процесс сплавления крупинок сплава с поверхностью детали производится угольной дугой постоянного тока на прямой полярности или переменным током с осциллятором. Совершая плавные  поперечные и поступательные движения угольным электродом, можно достичь относительно ровной поверхности наплавленного слоя. Высота наплавленного слоя уменьшается по сравнению с высотой шихты на 60 — 65%, для сталинита, на 35 — 50% для вокара, на 70 — 80% для боридной смеси. Можно производить наплавку в несколько слоев, однако общая толщина наплавленного слоя (во избежание трещин и выкрашивания кусков сплава при эксплуатации) не должна превышать 5 — 6 мм для сталинита, 3—4 мм для вокара и 1,4 — 1,7 мм для боридной смеси.

Порошкообразные сплавы можно  наплавлять и металлическими электродами, например типа Э42, но в этом случае твердость наплавки понизится.

При ручной наплавке применяют также  трубчатые электроды из порошковой проволоки.

Предотвращение возникновения  напряжений. В процессе наплавки в изделии появляются значительные внутренние напряжения, которые приводят к его короблению, а иногда и к разрушению. К мерам, принимаемым для предотвращения возникновения напряжений или снятия их с целью уменьшения деформации изделия, относятся следующие: предварительный подогрев до 200...400°С; ведение наплавки с погружением изделия в воду без смачивания наплавляемой поверхности; ведение процесса при жестком закреплении изделия в приспособлении; предварительный изгиб изделия в направлении, обратном ожидаемому изгибу; высокотемпературный отпуск после наплавки с нагревом до 650...680 °С.

 

3.7 Контроль качества сварных изделий

 

 

Контроль качества контрольных  сварных соединений (наплавок) должен выполняться контролерами (дефектоскопистами, непосредственно выполняющими контроль, лаборантами), аттестованными в установленном порядке на выполнение контроля конкретными методами.

Контролируемый участок контрольного сварного соединения при контроле неразрушающими методами должен включать весь объем  шва, а также прилегающие к нему участки основного материала по обе стороны от шва:

для стыковых контрольных сварных  соединений, выполняемых дуговыми способами  сварки или электронно-лучевой сваркой  шириной не менее 5 мм при толщине  свариваемых деталей до 5 мм включительно, не менее номинальной толщины свариваемых деталей при толщине деталей свыше 5 до 20 мм включительно, не менее 20 мм при номинальной толщине свариваемых деталей свыше 20 мм;

для угловых и торцевых контрольных  сварных соединений и вварки труб в трубные решетки, выполняемых дуговыми способами сварки и электронно-лучевой сваркой, шириной не менее 3 мм независимо от толщины;

для контрольных сварных соединений, выполняемых электрошлаковой сваркой, шириной не менее 50 мм независимо от толщины.

Контроль выполняют с целью  выявления следующих дефектов:

отступлений по размерам и форме  швов от требований стандартов, чертежей, технических условий и инструкций по сварке изделий;

смешения кромок свариваемых деталей;

поверхностных трещин всех видов и  направлений;

наплывов, подрезов, прожогов, кратеров, непроваров, свищей, западаний между валиками, чешуйчатости, поверхностных включений и пор.

Визуальный контроль сварных швов производят по всей их протяженности  с двух сторон невооруженным глазом или с применением лупы 4 - 7-кратного увеличения. Перед контролем сварной шов и прилегающие к нему поверхности контрольного сварного соединения по обе стороны шва должны быть очищены от шлака и других загрязнений, затрудняющих выполнение контроля. Ширина очищенной зоны должна соответствовать требованиям нормативной документации на сварку оборудования конкретных групп опасных технических устройств.

Визуальный и измерительный  контроль выполняют в соответствии с требованиями нормативных документов и методиками контроля конкретной продукции.

К радиографическому или ультразвуковому контролю, а также к контролю разрушающими методами (испытание на излом, испытание на изгиб, металлографические исследования) контрольных соединений разрешается приступать при условии удовлетворительных результатов визуального и измерительного контроля.

Магнитопорошковый контроль выполняют  с целью определения поверхностных  и подповерхностных дефектов, а капиллярный  контроль - с целью выявления поверхностных  дефектов в контрольных сварных  соединениях.

Магнитопорошковый контроль производят в соответствии с ГОСТ 21105, капиллярный контроль - в соответствии с ГОСТ 18442 и методиками контроля, согласованными в установленном порядке. Класс и уровень чувствительности контроля устанавливают по нормативным документам и указывают в технологической карте по сварке.

Радиографический и ультразвуковой контроль проводя для выявления  в сварных соединениях внутренних дефектов (трещин, непроваров, несплавлений, одиночных включений, скоплений  включений и др.).

Ультразвуковой контроль сварных  соединений образцов производят в соответствии с ГОСТ 14782 и/или другими документами, согласованными в установленном порядке.

По результатам контроля качества контрольных образцов должно быть оформлено  заключение (акт, протокол), в котором  указывают: наименование лаборатории, номер свидетельства об аттестации, телефон руководителя, фамилия сварщика, клеймо контрольного сварного соединения, вид сварки, размеры контрольных образцов, метод контроля, нормативный документ для оценки качества, размеры обнаруженных дефектов, нормативные требования и общую оценку результатов контроля.