Технология дуговой наплавки металлов

Технология дуговой наплавки металлов

Наплавка предусматривает  нанесение расплавленного металла  на оплавленную металлическую поверхность  с последующей его кристаллизацией  для создания слоя с заданными  свойствами и геометрическими параметрами. Наплавку применяют для восстановления изношенных деталей, а также при изготовлении новых деталей с целью получения поверхностных слоев, обладающих повышенными твердостью, износостойкостью, жаропрочностью, кислотостойкостью или другими свойствами. Она позволяет значительно увеличить срок службы деталей и намного сократить расход, дефицитных материалов при их изготовлении. При большинстве методов наплавки, так же как и при сварке, образуется подвижная сварочная ванна. В головной части ванны основной металл расплавляется и перемешивается с электродным металлом, а в хвостовой части происходят кристаллизация расплава и образование металла шва. Наплавлять можно слои металла как одинаковые по составу, структуре и свойствам с металлом детали, так и значительно отличающиеся от них. Наплавляемый металл выбирают с учетом эксплуатационных требований и свариваемости. Наплавка может производиться на плоские, цилиндрические, конические, сферические и другие формы поверхности в один или несколько слоев. Толщина слоя наплавки может изменяться в широких пределах - от долей миллиметра до сантиметров. При наплавке поверхностных слоев с заданными свойствами, как правило, химический состав наплавленного металла существенно отличается от химического состава основного металла. Поэтому при наплавке должен выполняться ряд технологических требований. В первую очередь таким требованием является минимальное разбавление направленного слоя основным металлом, расплавляемым при наложении валиков. Поэтому в процессе наплавки необходимо получение наплавленного слоя с минимальным проплавлением основного металла, так как в противном случае возрастает доля основного металла в формировании наплавленного слоя. Это приводит к ненужному разбавлению наплавленного металла расплавляемым основным. Далее при наплавке необходимо обеспечение минимальной зоны термического влияния и минимальных напряжений и деформации. Это требование обеспечивается за счет уменьшения глубины проплавления регулированием параметров режима, погонной энергии, увеличением вылета электрода, применением широкой электродной ленты и другими технологическими приемами.

Технология наплавки различных поверхностей предусматривает  ряд приемов нанесения наплавленного  слоя: ниточными валиками с перекрытием  один другого на 0,3 - 0,4 их ширины, широкими валиками, полученными за счет поперечных к направлению оси валика колебаний электрода, электродными лентами и др. Расположение валиков с учетом их взаимного перекрытия характеризуется шагом наплавки (рис. 1). 

Рис. 1. Схема наплавки слоев:

В, hн, hпр - соответственно ширина валика, а - по образующей, б - по окружности. в - высота наплавки, глубина проплавления, Sн - по винтовой линии шаг наплавки. 

Наплавку  криволинейных поверхностей тел вращения выполняют тремя способами (рис. 2): наплавкой валиков вдоль образующей тела вращения, по окружностям и по винтовой линии. 

Рис. 2. Наплавка тел вращения:

В, hн, hпр - соответственно ширина валика, а - по образующей, б - по окружности, в - высота наплавки, глубина проплавления, Sн - по винтовой линии шаг наплавки.  

Наплавку  по образующей выполняют отдельными валиками так же, как при наплавке плоских поверхностей. Наплавка по окружностям также выполняется отдельными валиками до полного замыкания начального и конечного участков их со смещением на определенный шаг вдоль образующей. При винтовой наплавке деталь вращается непрерывно, при этом источник нагрева перемещается вдоль оси тела со скоростью, при которой одному обороту детали соответствует смещение источника нагрева, равное шагу наплавки. При наплавке тел вращения необходимо учитывать возможность стека-ния расплавленного металла в направлении вращения детали. В этом случае целесообразно источник нагрева смещать в сторону, противоположную направлению вращения, учитывая при этом длину сварочной ванны и диаметр изделия (рис. 3). 

Рис. 3. Смещение электрода при наплавке тел вращения: а - наклонно расположенным электродом, б - с вертикальным расположением электрода 

Выбор технологических  условий наплавки производят, исходя из особенностей материала наплавляемой детали. Наплавку деталей из низкоуглеродистых и низколегированных сталей обычно производят в условиях без нагрева изделий. Наплавка средне- и высокоуглеродистых, легированных и высоколегированных сталей часто выполняется с предварительным нагревом, а также с проведением последующей термообработки с целью снятия внутренних напряжений. Нередко термообработку (отжиг) выполняют после наплавки для снижения твердости перед последующей механической обработкой слоя. Для выполнения наплавки в основном применяют способы дуговой и электрошлаковой сварки. При выборе наиболее рационального способа и технологии наплавки следует учитывать условия эксплуатации наплавленного слоя и экономическую эффективность процесса.  

Способы и технология наплавки

Дуговая наплавка под флюсом. Нагрев и расплавление металла, так же как при сварке, осуществляются теплом дуги, горящей между плавящимся электродом и основным металлом под слоем флюса. Наплавка под флюсом является одним из основных видов механизированной наплавки. Основными преимуществами являются непрерывность и высокая производительность процесса, незначительные потери электродного металла, отсутствие открытого излучения дуги. Отличительной особенностью наплавки под флюсом является хороший внешний вид наплавленного слоя (гладкая поверхность и плавный переход от одного наплавленного валика к другому). В процессе наплавки возможны четыре основных способа легирования наплавленного металла (рис. 4). 

Рис. 4. Способы легирования наплавленного  металла:а - через сварочную проволоку, б - порошковую проволоку, в - керамический флюс, г - укладка легированной присадки.  

1. Применение  легированной проволоки или ленты  и обычных плавленых флюсов. Для  наплавки используют легированные сварочные проволоки, специальные наплавочные проволоки и легированные ленты, в том числе спеченные. Наплавка производится под флюсами АН-20, АН-26 и др., которые выбирают в зависимости от состава электродного металла.

2. Применение порошковой проволоки или порошковой ленты и обычных плавленых флюсов. Порошковая проволока или лента расплавляется в дуге и образует однородный жидкий расплав. Этот способ позволяет получить наплавленный металл с общим содержанием легирующих примесей до 40 - 50%. Марка порошковой проволоки или ленты выбирается в зависимости от необходимого типа наплавленного металла и его требуемой твердости.

3. Применение  обычной низкоуглеродистой проволоки  или ленты и легирующих наплавленных  флюсов (керамических). Этот способ позволяет ввести в наплавленный металл до 35% легирующих примесей. При наплавке наибольшее применение получили керамические флюсы АНК-18 и АНК-19, обеспечивающие хорошее формирование наплавленного металла, легкую отделимость шлаковой корки, высокую стойкость наплавленного металла против образования пор и трещин.

4. Применение  обычной низкоуглеродистой проволоки  или ленты и обычных плавленых  флюсов с предварительной укладкой  легирующих материалов на поверхность  наплавляемого изделия. 
Здесь возможна предварительная засыпка или дозированная подача легирующих порошков, а также предварительная укладка прутков или полосок легированной стали, намазывание специальных паст на место наплавки и др. Во всех случаях нанесенный легирующий 
материал расплавляется дугой и переходит в наплавленный металл.

В связи  с тем что в технологии выполнения между наплавкой и сваркой  много общего, для наплавки применяется  то же оборудование, что и при  сварке соответствующими способами.

Наплавку  углеродистых и низколегированных  сталей выполняют под плавлеными флюсами ОСЦ-45, АН-348-А. Флюс АН-60 пригоден для одно- и многоэлектродной наплавки низкоуглеродистых и низколегированных сталей на нормальных и повышенных скоростях, а также для наплавки электродными лентами.

Наплавку  легированных сталей производят под низкокремнистыми плавлеными флюсами АН-22, АН-26 и др., а высоколегированные хромоникелевые стали и стали других типов с легкоокисляющимися элементами (титан, алюминий) - под фторидными флюсами АНФ-1 и АНФ-5.

Для предупреждения образования шлаковых включений и непроваров в наплавленном слое при многослойной наплавке необходимо тщательно удалять шлаковую корку с предыдущих слоев.

Дуговая наплавка в защитных газах. Наплавку в защитных газах применяют в тех случаях, когда невозможны или затруднены подача флюса и удаление шлаковой корки. Преимуществами данного вида наплавки являются визуальное наблюдение за процессом и возможность его широкой механизации и автоматизации с использованием серийного сварочного оборудования. Ее применяют при наплавке деталей в различных пространственных положениях, внутренних поверхностей, глубоких отверстий, мелких деталей и сложных форм и т.п. Технология выполнения наплавки в защитных газах во многом сходна с технологией наплавки под флюсом, отличие лишь в том, что вместо флюсовой применяют газовую защиту зоны сварки. Помимо перечисленных преимуществ это освобождает сварщика от необходимости засыпки флюса и удаления шлака. С целью уменьшения разбрызгивания металла наплавка в защитном газе производится самой короткой дугой. Наплавку плоских поверхностей во избежание коробления деталей производят отдельными участками «вразброс». Цилиндрические детали можно наплавлять по винтовой линии как непрерывным валиком, так и с поперечными колебаниями электрода: Короткие участки могут наплавляться продольными валиками вдоль оси цилиндрической детали, но здесь возможно возникновение деформаций, которые в процессе наплавки следует уравновешивать. Для этого наплавка каждого последующего валика должна производиться с противоположной стороны по отношению к уже наплавленному. При наплавке внутренних цилиндрических и конических поверхностей применяют специальные удлиненные мундштуки.

Наплавка  может производиться в углекислом газе, аргоне, гелии и азоте. Высоколегированные стали, а также сплавы на алюминиевой и магниевой основе наплавляются в аргоне или гелии. Наплавка меди и некоторых ее сплавов может производиться в азоте, который ведет себя по отношению к ней нейтрально. При наплавке углеродистых и легированных сталей используют более дешевый углекислый газ. Наплавка может производиться как плавящимся, так и неплавящимся электродами. Неплавящийся вольфрамовый электрод обычно применяют при наплавке в аргоне и гелии. Наибольшее распространение получила наплавка в углекислом газе плавящимся электродом на постоянном токе обратной полярности. Учитывая, что углекислый газ окисляет расплавленный металл, в наплавочную проволоку обязательно вводят раскислители (марганец, кремний и др.). При наплавке применяют как проволоку сплошного сечения, так и-порошковую. Для наплавки деталей из углеродистых и низколегированных сталей с целью восстановления их размеров применяют сварочные проволоки сплошного сечения Св-08ГС, Св-08Г2С, Св-12ГС, а также наплавочные Нп-40, Нп-50, Нп-30ХГСА и др. При необходимости получения наплавленного слоя с особыми свойствами применяют порошковые проволоки.

Недостатком способа является то, что в процессе наплавки в углекислом газе наблюдается  сильное разбрызгивание жидкого  металла, приводящее к налипанию  брызг на мундштук и засорению сопла горелки. Кроме того, возможность сдувания газовой струи ветром затрудняет наплавку на открытом воздухе.

Дуговая наплавка порошковыми проволоками. Наплавка порошковой проволокой с внутренней защитой основана на введении в сердечник проволоки кроме легирующих компонентов также шлакообразующих и газообразующих материалов. Применение флюсовой и газовой защиты при наплавке такой проволокой не требуется. Легирующие элементы порошковой проволоки переходят в шов, а газо- и шлакообразующие материалы создают защиту металла от азота и кислорода воздуха. В дуге тонкая пленка расплавленного шлака покрывает капли жидкого металла и изолирует их от воздуха. Разложение газообразующих материалов создает поток защитного газа. После затвердевания на поверхности наплавленного валика образуется тонкая шлаковая корка, которая может не удаляться при наложении последующих слоев. При наплавке используют различные самозащитные порошковые проволоки. Для наплавки низкоуглеродистых слоев используют сварочные проволоки типа ПП-АН3 и др. Для получения слоев с особыми свойствами применяют специальные проволоки. Так, для наплавки деталей, работающих при больших давлениях и повышенных температурах, применяют порошковую проволоку ПП-3ХВ3Ф-О, наплавку деталей, подвергающихся интенсивному абразивному износу, производят самозащитной порошковой проволокой ПП-У15Х12М-О (буква О в обозначении марки порошковой проволоки указывает, что данная порошковая проволока предназначена для наплавки открытой дугой).

Технология  выполнения наплавки самозащитной порошковой проволокой в основном ничем не отличается от технологии наплавки в углекислом газе. Открытая дуга дает возможность точно направлять электрод, наблюдать за процессом формирования наплавляемого слоя, что имеет большое значение при наплавке деталей сложной формы. Одним из преимуществ этого способа является применение менее сложной аппаратуры по сравнению с аппаратурой, применяемой при наплавке под флюсом и защитном газе, а также возможность выполнять наплавочные работы на открытом воздухе; увеличивается производительность по сравнению с наплавкой под флюсом и в защитных газах, снижается себестоимость наплавляемого металла.

Плазменная наплавка и напыление. Сущность этого метода заключается в том, что нагрев присадочного металла и основного осуществляется сжатой дугой или газовой плазмой, выделенной или совпадающей со столбом дуги. Механизм образования наплавленного слоя такой же, как и при других способах дуговой наплавки. Из наплавочных материалов при плазменной наплавке используют проволоку,  прутки и порошки. Схема плазменной наплавки с вдуванием порошка в дугу показана на рис. 5. Между вольфрамовым электродом 1 и внутренним соплом 2 возбуждают дугу. Плазмообразующий газ, проходя через нее, создает плазменную струю 3 косвенного действия, которая обеспечивает расплавление присадочного порошка.