В восстановительной технологии сварка занимает доминирующее положение. За последнее время малопроизводительная ручная электродуговая и газовая сварка вытесняется высокопроизводительными способами, к которым относятся: автоматическая наплавка под слоем флюса, электрошлаковая, виброконтактная и др.

 В настоящем разделе рассмотрено восстановление деталей высокопроизводительными способами сварки.

 Восстановление деталей автоматической наплавкой под слоем флюса

 В ремонтной технологии автоматическую сварку выгоднее всего использовать для наплавки под слоем флюса сравнительно больших изношенных поверхностей. Как и при ручной электродуговой сварке, автоматическую наплавку производят дуговым способом при помощи плавящейся металлической электродной проволоки. Расплавленный металл электрода и детали защищаются от вредного действия газов воздуха сыпучим флюсом, который одновременно сохраняет тепло дуги и предотвращает разбрызгивание металла. Подача электродной проволоки из мотков производится сварочной головкой. Флюс на поверхность детали поступает из бункера. Процесс наплавки подробно исследован в институте сварки им. Е.О. Патона.

 Схематическое изображение наплавки поверхности под слоем флюса в продольном и поперечных разрезах дано на рис. 39.

 Электрическая дуга расплавляет конец электродной проволоки и основной металл детали и вытесняет его из кратера (1). В образовавшийся сварочной ванне происходит перемешивание расплавленного металла электрода и детали и удаление растворенных газов (11). Начало кристаллизации расплавленного металла происходит на границе с нерасплавленным (III), после этого металл постепенно затвердевает во всем наплавленном объеме (IV, V).

 Флюс плавится позади электрода, образуя шлак. Жидкий флюс, надежно защищая расплавленную ванну от соприкосновения с воздухом, вместе тем не препятствует удалению тазов (II);

 Имея значительный запас тепла, расплавленный шлак обеспечивает постепенное охлаждение наплавленного металла. Сам же шлак, оставаясь до конца затвердевания металла, затем превращается в легкooтделяемую твердую корку (V).

 При автоматической наплавке можно наносить слой металла толщиной от 1 до 40 мм, составляющий одно целое с деталью.

 Производительность однодуговой автоматической наплавки от 4 до 15 кг/ч, что в 5-10 раз выше производительности ручной электродуговой наплавки. Объясняется это непрерывностью автоматического процесса и возможностью применения большого сварочного тока. Другим важным преимуществом автоматической наплавки является высокое качество наплавленного металла; обусловленное более совершенной защитой жидкой ванны от вредного воздействия воздуха и увеличенной продолжительностью пребывания расплавленного металла в жидком состоянии. Качество автоматической наплавки мало зависит от индивидуального мастерства рабочего. Ее можно вести беззащитных очков, щитков или шлемов и без специальной местной вентиляции.

Рисунок 39.

 В сварочных процессах важнейшим условием получения качественной наплавки является устойчивость дуги, которая зависит от многих факторов: рода тока, состава флюса, соотношения между силой тока и диаметром электрода и др. При автоматической наплавке на переменном токе из-за больших колебаний напряжения в промышленной сети дуга менее устойчива, чем при наплавке на постоянном токе от сварочного преобразователя.

 Поэтому чаще автоматическую наплавку ведут на постоянном токе. В этом случае напряжение холостого хода должно быть не ниже 60 в.

 При автоматической наплавке по неровной поверхности электрическая дуга способна саморегулироваться, т.е., не обрываясь удлиняться и укорачиваться. Однако такое саморегулирование осуществляется лишь при определенных соотношениях между силой тока (I), и диаметром (d) электродной проволоки. Институт сварки АН УССР рекомендует следующие соотношения между I и d (при постоянном токе и обратной полярности): при I = 180 + 400а d = 2,5 + 3 мм; при I = 200 + 500а d = 3 + 3,5 мм; при I = 280 + 600а d = 4 мм.

 Применять большой ток не всегда возможно. Наплавку цилиндрических деталей малого диаметра ведут на пониженном токе (100-120а), а для того чтобы дуга была устойчива, используют электродную проволоку диаметром 1,2-1,5 мм. Скорость плавления электродной проволоки (kn) зависит от ее химического состава, рода тока и полярности, а в ряде случаев и от состава флюса.

 Наиболее равномерное плавление достигается при наплавке на постоянном токе с обратной полярностью (электрод - положительный полюс, деталь - отрицательный). В этом случае при наплавке электродной проволокой из малоуглеродистой стали kn = 12 г/a-ч и не зависит от состава флюса. Скорость плавления при прямой полярности больше, чем при обратной полярности, но зависит от состава флюса. Для наиболее распространенного случая - наплавки малоуглеродистой сталью под слоем флюса АН-348А  - kn = 2,8 + 0,1 I /d г/а-ч. Для этого же случая, но при наплавке на переменном токе, k = 7,0 + 0,04 * I/ d г/а-ч.

 В отличие от ручной наплавки, при автоматической сварке коэффициент наплавки почти равен коэффициенту плавления, так как под слоем флюса потери от разбрызгивания не превосходят 1-1,5%.

 При обычных условиях автоматической сварки под слоем флюса происходит глубокий провар основного металла; доля (у) основного металла в наплавленном валике довольно большая (у = 0,6 + 0,65). При наплавке изношенной детали глубокий провар нежелателен. B этом случае стремятся значение у уменьшить  до 0,25 - 0,40, что достигается различными технологическими приемами и подбором соответствующих режимов наплавки. Рас смотрим некоторые из них.

 Пpoцесс наплавки протекает нормально, если разность уровней жидкого металла в картере поддерживается постоянной. Гидростатическое давление жидкого металла и флюса ypaвновешивается давлением дуги (рис. 40). Поэтому наклон восстанавливаемой детали в ту или иную сторону по отношению к направлению движения электрода  создает различные условия для формирования наплавленного валика. При наклоне детали в сторону перемещения электрода, т. е. при наплавке «на спуск» (pиc. 40 а), глубина провара уменьшается, а ширина валика увеличивается.

 Такая форма валика наиболее выгодна для наплавки изношенной  детали. Наилучшие результаты получаются при наклоне 6 - 8°, при больших углах получается непровар. В случае наклона детали в сторону, противоположную направлению движения электрода, т. е. при наплавке «на подъем» (рис.. 40,6), увеличивается глубина провара и уменьшается ширина наплавленного валика. Что, как отмечалось, нежелательно при наплавке изношенных деталей.

 Изменять глубину провара и ширину валика можно также наклоном электрода. При наплавке гладкой цилиндрической поверхности электрод располагают вертикально, а у буртов – под углом 15-30°. При наплавке плоских изношенных поверхностей электрод располагают наклонно. Если сварку производят с наклоном электрода «углом вперед», то давление столба дуги снижается, увеличивается толщина слоя жидкого металла под электродом, уменьшается глубина провара. В этом случае наивыгоднейшим углом наклона к горизонтали является угол 40-50°; при таком угле глубина провара уменьшается, а ширина валика увеличивается вдвое по сравнению с наплавкой вертикально расположенным электродом, производимой при аналогичном электрическом режиме.

 Влияние режима наплавки (силы тока, диаметра электрода, напряжения и скорости перемещения электрода) на формирование наплавленного валика проявляется следующим образом.

 Если при данных напряжении и скорости перемещения электрода повышать силу тока, то это вызывает увеличение глубины провара и общей высоты валика при сравнительно малом изменении его ширины, так как по мере увеличения силы тока возрастает объем жидкой ванны, повышается давление дуги и усиливается вытеснение жидкого металла из кратера. С изменением диаметра электродной проволоки меняется плотность тока, а следовательно, и давление дуги. При увеличении диаметра проволоки плотность тока и давление дуги падают, уменьшается глубина провара и уширяется наплавленный валик.

 Вместе с тем снижается устойчивость дуги. Чтобы избежать этого, вместо одной проволоки в дуговое пространство подают две проволоки равного суммарного сечения.

 По мере увеличения напряжения дуги (при прочих равных условиях) возрастает количество тепла, приходящееся на единицу длины валика, удлиняется дуга, уменьшается нагрев краевых участков ванны и повышается количество расплавленного флюса.

 В результате ширина наплавленного валика увеличивается, а глубина провара почти не изменяется. При значительном повышении напряжения дуги расплавляется чрезмерно большое количество флюса и он вытекает из зоны наплавки, нередко увлекая за собой и расплавленный металл. Поэтому при автоматической наплавке применяют напряжение дуги не свыше 50 в, тем более что при большем напряжении устойчивость дуги заметно падает.

 При различных скоростях наплавки изменяются количества наплавленного металла и тепла, приходящиеся на единицу длины валика. Когда наплавку ведут в диапазоне малых скоростей (в пределах до 20 м/ч), провар получается неглубокий, а ширина валика нормальная. В диапазоне средних скоростей (20 – 40 м/ч) глубина провара увеличивается, а ширина валика уменьшается.

 И наконец, в диапазоне больших скоростей (больше 50 м/ч) глубина провара и ширина наплавки резко уменьшаются. Примечательно, что как при очень малых (менее 1 м/ч), так и при очень больших скоростях наплавки (более 80 м/ч) почти не происходит сплавления электродного материала с основным.

 От формы поперечного сечения наплавленного валика в большой мере зависит характер кристаллизации металла и взаимное расположение кристаллов после затвердевания всего объема наплавленного металла. Так, в узком наплавленном валике с глубоким проваром возможно возникновение стыка кристаллов (рис. 40, В), в котором скапливаются примеси; это может привести к образованию трещин. Более благоприятная форма сечения валика, в котором указанные стыки не образуются, приведена на рис. 40, г. Схематическое изображение кристаллизации наплавленного валика дано на рис. 40, д; в правой части рисунка показана схема процесса кристаллизации, а в левой - закристаллизованный металл. Здесь же схематично изображена структура зоны термического влияния. Общая ширина этой зоны может составлять от 1,5 до 10 мм и более и зависит от погонной энергии (?), т. е. от количества тепла, выделяющегося при наплавке на единицу длины валика. Это количество определяется как отношение эффективной мощности дуги (q) к скорости перемещения электрода (v):

? = q/v                             (98)

в свою очередь и

q = 0,24?IU,                   (99)

где ?н - эффективный к. п. д. процесса нагрева детали дугой; при наплавке стальных деталей ? » 0,7 + 0,8;

         I - сварочный ток в а;

        U - напряжение дуги в в.

 Служебные свойства наплавленного металла, в частности износостойкость, в значительной степени зависят от его химического состава. Состав наплавленного металла отличается от исходного электродной проволоки и ocновного металла детали, так как при наплавке металлы смешиваются и происходит химическое воздействие флюса.

 Обычно применяемый флюс, в виде заранее сплавленного шлака, содержит определенные количества кремнезема SiO₂, окиси алюминия Al₂O₃, окиси кальция СаО, окиси магния MgO, фтористого кальция CaF2 и в некоторых случаях закись марганца МпО. Содержание закиси железа FeO, серы, фосфора и других вредных примесей строго ограничено.

 В процессе наплавки в реакцию с железом и примесями стали вступают только некоторые из компонентов флюса – кремнезем, закись марганца, закись железа. Фосфор из флюса переходит в наплавленный металл в небольших количествах. По-разному ведут себя и примеси, входящие в состав основного металла детали и электродного металла. Окисляются и частично удаляются из металла такие элементы, как углерод, хром, ванадий и др. Слабо окисляются никель, молибден и медь. Кремний восстанавливаете из флюса и переходит в металл.

 Для получения наплавленного металла заданного химического состава выбирают электроды с повышенным содержанием тех элементов, которые в процессе наплавки окисляются и выгорают.

 Опыт показывает, что использование легированной или порошковой электродной проволоки гарантирует получение наплавки с заданным составом и свойствами.

 На некоторых предприятиях делались попытки получить качественную наплавку малоуглеродистой электродной проволокой путем добавления в флюс легирующих элементов. Но эти попытки успеха не имели.

Обычно наплавку изношенной детали ведут путем наплавки металла в несколько слоев. Содержание того или иного элемента в данном слое определяется по формуле

R_н = R_э - R_эyⁿ                                            (100)

где  R_н - содержание элемента я в наплавленном металле;

       R_э - содержание элемента я в электродном металле:

         y - доля основного металла в составе наплавленного металла;

         n - порядковый номер слоя.

 Эта формула справедлива при условии, что данная примесь не окисляется и не восстанавливается при наплавке и поступает в наплавленный металл только из электродного металла.

 Для того чтобы наплавленный металл обладал высокими служебными свойствами, недостаточно только того, чтобы он имел необходимые химический состав и микроструктуру. Очень важно также, чтобы в нем не было пор и трещин.

 Поры образуются главным образом вследствие растворения водорода в жидком металле в зоне высоких температур и образования пузырьков водорода, не успевших всплыть до завершения кристаллизации наплавленного металла. Водород, поступающий в зону плавления, выделяется из влажного флюса, из ржавчины, оказавшейся на поверхности восстанавливаемой детали, и электродной проволоки. Водород может проникнуть в зону плавления также и с воздухом при плохой защите, например при слишком крупных зернах флюса. По этой же причине поры возникают вследствие растворения и выделения азота.

 Чтобы предотвратить образование пор в наплавленном металле, применяют ряд мер.

 Перед наплавкой восстанавливаемые детали очищают от ржавчины, масляных и других загрязнений. Используют флюсы неувлажненные и не загрязненные маслом или другими органическими веществами. Обеспечивают хорошую защиту дуги от воздуха. Кроме того, применяют некоторые специальные меры. Уменьшая скорости охлаждения расплавленного металла и скорости перемещения электрода, облегчают тем самым удаление газов из зоны наплавки. Этому же способствует и широкая, пологая форма ванны (рис. 40, г), чего нельзя сказать о более глубокой и узкой форме ванны (рис. 40, в). Вводя в дуговое пространство газы, нейтральные по отношению к металлу, максимально снижают содержание водорода и азота.

 Одной из действенных мер, предупреждающих образование пор в наплавляемом металле, является создание таких условий, при которых водород окажется связанным в прочных химических соединениях, стойких при 7000-8000°С и нерастворимых в расплавленном металле. Такими соединениями является, например, гидроксил ОН и фтористый водород HF. Фтористый водород - продукт взаимодействия водорода с газообразным тетрафторидом кремния (SiF 4) образующимся в процессе наплавки при взаимодействии содержащихся в флюсе фтористого кальция и кремнезема.

Трещины, возникающие в наплавленном металле, делятся на горячие и холодные. Горячие трещины образуются в процессе кристаллизации наплавленного металла. Склонность к горячим трещинам при наплавке деталей из углеродистой стали обусловливается наличием в ней серы и углерода. Марганец, образуя сульфиды, более тугоплавкие, чем сульфиды железа, препятствует образованию трещин.

 Уменьшить опасность возникновения трещин можно путем ведения наплавки на малых токах с минимальным проплавлением основного металла детали. Другой способ, позволяющий избежать горячих трещин, - это предварительный подогрев детали перед наплавкой. На рис. 41 дан график, показывающий влияние предварительного нагрева на вероятность появления трещин в зависимости от содержания углерода в месте наплавки.

 Холодные трещины возникают под действием остаточных напряжений (главным образом в процессе охлаждения наплавленной детали) вследствие низкой пластичности и малого сопротивления отрыву остываемого наплавленного металла.

 Возникновение холодных трещин предупреждают путем сквозного прогрева всей или большей части детали с последующим медленным охлаждением. Охлаждение производят тем медленнее, чем больше масса восстанавливаемой детали. Этим достигают плавного и одновременного сокращения: наплавленного слоя и детали. К флюсам, используемым при автоматической наплавке, предъявляются более жесткие требования в части формирования наплавленного металла, устойчивости горения дуги и отделимости шлаковой корки, чем к флюсам, применяемым при автоматической сварке.

 Выбор флюса для наплавочных работ зависит прежде всего от материала восстанавливаемой детали. Для наплавки деталей из низко- и среднеуглеродистой стали применяют высококремнистые марганцевые флюсы марок АН-348А и OCЦ-45; из легированной стали с небольшим содержанием марганца - низкокремнистые безмарганцевые флюсы марок АН-20 и АН-30; из легированной стали с повышенным содержанием марганца - низкокремнистый марганцевый флюс марки АН-22.

 Химический состав наиболее часто применяемого флюса АН-348А следующий (в %): 41-43,5 SiO₂; 34,5-37,5МnO; 0,1-0,3 Mn₂O₃; 5,5-7,5 MgO; 3,5-5,5 CaF₂; до 3,0 AI₂O₃; до 5,5 СаO, до 0,12 Р, до 0,15 S.

 Выбор марки электродной проволоки производят в зависимости от требований, предъявляемых к восстанавливаемой детали.

 Состав металла, наплавленного электродной проволокой Св-08 и Св-15 (по ГОСТ 1246-54), близок к составу малоуглеродистой стали. Твердость этого металла не превышает 170 нв. Такой металл не обеспечивает достаточной износостойкости. Его твердость и износостойкость могут быть заметно повышены путем цементации и термообработки.

 Получение наплавленного слоя, по составу соответствующего среднеуглеродистой стали, возможно, если применяется предварительный нагрев детали. При наплавке высокоуглеродистой проволокой твердость наплавленного металла не превышает 200-230 Н_в. Термообработкой она может быть повышена до 450 Н_в.

 Однако при наплавке такой проволокой возникают трещины; для их предупреждения необходимо применить подогрев детали и облегченные режимы наплавки; Все это усложняет процесс восстановления детали. Поэтому для повышения износостойкости наплавленного металла лучше легировать его не углеродом, а хромом, кремнием, марганцем и др. Повышенная твердость и износостойкость получается при наплавке проволокой марки Св-30ХГСА.

 При наплавке на сталь 45 твердость наплавленного металла составляет примерно 300 Нв, структура его сорбитная. Последующей термообработкой твердость наплавленного металла может быть повышена до 450-470 Н_в.

 Рекомендуется применять электродную проволоку (в мотках) нормальной точности диаметром 3; 3,5; 4 и 5 мм. Поверхность проволоки должна быть чистой, без окалины, ржавчины, грязи и масла.

 В последнее время вместо высоколегированных сортов электродной проволоки, предназначенных для получения наплавок, обладающих очень большой износостойкостью, применяют так называемую порошковую проволоку. Порошковая проволока представляет собой трубчатую оболочку из мягкой малоуглеродистой стали 08 или 10, плотно заполненную порошковой шихтой, состоящей из смеси ферросплавов, железного порошка, графита и кремнефтористого натрия. Путем подбора соответствующего состава шихты можно в наплавленном слое получить металл требуемых состава и свойств.

 Автоматическая наплавка изношенных деталей дает наибольший экономический эффект в том случае, если она механизирована.

 Для механизированной наплавки необходимо иметь наплавочный станок, оснащенный сварочным автоматом, и источник тока для питания дуги. Наплавочный станoк для восстановления цилиндрических деталей должен иметь конструкцию, обеспечивающую вращение детали с заданным числом оборотов и продольное перемещение сварочного автомата, закрепленного на суппорте станка, с заданной скоростью. Такой станок может быть изготовлен путем несложной переделки токарного станка.

 На рис. 42, а приведен общий вид токарного станка, приспособленного для наплавочных работ. Станок снабжен понизительным редуктором 1 (с передаточным отношением 1 : 200) для шпинделя, вертикальным суппортом 2, флюсоприемником 3 и поддоном 4 для флюса. Сварочная головка 5 (типа подающего механизма полуавтомата ПШ-5 со снятым гибким шлангом) укреплена на нижнем суппорте. Полуавтомат питается постоянным током через сварочный преобразователь ПС-500 или  ПС-300. При восстановлении цилиндрических деталей на станке металл наплавляется непрерывно и располагается по винтовой линии с определенным шагом между наплавленными валиками. Толщина наплавляемого металла регулируется путем изменения режима наплавки и величины продольной подачи суппорта.

 Таким образом, выбор режима механизированной наплавки зависит от величины износа детали. Наиболее эффективно выполнять наплавку в один проход. Восстановлению механизированной наплавкой поддаются детали с износом не менее 1 мм и диаметром не менее 40 мм. Детали с меньшим диаметром наплавлять на станке трудно из-за стекания расплавленного металла и шлака.

 Цилиндрическая деталь при непрерывной механизированной наплавке нагревается равномерно, поэтому ее деформация незначительна.

 Схема процесса непрерывной механизированной наплавки плоских деталей показана на рис. 42, б. Для придания наплавляемому металлу определенной формы и удержания флюса по краям восстанавливаемой детали 1 укрепляют пластины 2 из красной меди толщиной 5-8 мм. На наплавляемую поверхность насыпают слой флюса 3 толщиной 70-80 мм. После возбуждения дуги электроду 4 придают поперечные возвратно-поступательные перемещения по схеме, приведенной на рис. 42, в, а восстанавливаемой детали - продольное.