Контактная сварка и наплавка

Обновлено: 19.05.2024

По форме выполняемых соединений различают три основных вида контактной сварки : стыковую, точечную и шовную или роликовую.

При стыковой сварке через стык соединяемых деталей пропускают электрический ток. После разогрева зоны сварки производится осадка.

При точечной сварке соединяемые детали, чаще всего листы, собирают внахлёстку и зажимают между двумя медными, охлаждаемыми изнутри проточной водой электродами, подводящими ток к месту сварки и имеющими вид усечённого конуса. Ток проходит от одного электрода к другому через толщу соединяемых металлов и контакт между ними и производит местный нагрев их(вплоть до температуры расплавления). Давлением Р, приложеныым к электрода, производят осадку. Полученное сваренное соединение в плане имеет форму пятна диаметром в несколько миллиметров. Это пятно называют точкой.

При шовной сварке электроды, подводящие ток к изделию и осуществляющие сварку, имеют форму роликов, катящихся по изделию, в связи с чем эту разновидность контактной сварки называют также роликовой. При шовной сварке листы соединяются непрерывным плотным швом.

Энергия, выделяемая на контактах между электродами и основным металлом, расходуется на подогрев поверхности свариваемых деталей и ускоряет износ электродов, в связи с чем является вредной. Для уменьшения износа электродов обычно предусматривается водяное охлаждение их.

Все разновидности электрической контактной сварки широко используют в промышленности, а в ряде отраслей (например в автомобилестроении и др.) находят наибольшее по сравнению с другими способами сварки применение.

Сущность способа ЭКН заключается в нагреве присадочного материала и приконтактного объема металла восстанавливаемой детали импульсами электрического тока и их совместной пластической деформации, обеспечивающей образование физического контакта, активацию контактных поверхностей и объемное взаимодействие покрытия и материала основы.

В качестве присадки при ЭКН применяются как порошковые материалы, так и компактные материалы (сплошные металлические ленты и проволоки, порошковые ленты и проволоки). В случае использования в качестве присадки порошковых материалов процесс называется электроконтактное припекание (ЭКП). Припекание – технологический процесс, заключающийся в нанесении на поверхность восстанавливаемой детали порошковой формовки или слоя порошка с целью получения двухслойного материала путем нагрева до температуры, обеспечивающей спекание порошкового материала и образования прочной диффузионной связи с деталью.

Наварка стальной ленты. Металлическая лента используется для восстановления деталей типа тел вращения (валы, оси, ролики). Для этого используют отожженные СЛ. В этом случае теплота выделяется в основном на переходном сопротивлении лента – деталь. Наплавленный слой (определение «наплавленный слой» в принципе некорректно.) формируется в результате соединения СЛ с поверхностью детали. Его толщина практически равна толщине СЛ. Ленты почти всех марок стали при наварке значительно упрочняются (наблюдали даже упрочнение слоя, наплавленного лентой стали 08). Получаемая твердость пропорциональна содержанию углерода в стали.

Упрочнение происходит неравномерно. Наиболее интенсивно упрочнение происходит в зонах наплавленного слоя, не подвергающихся термическому воздействию последующих импульсов тока . Площадь этих зон составляет 50–90% от общей площади наплавленной поверхности. Остальная часть наплавленного слоя разупрочняется при наварке смежных участков в результате повторного термического воздействия. Степень разупрочнения повышается при увеличении содержания углерода в стали и снижении содержания легирующих элементов.

При правильном выборе режима наплавленные слои являются практически беспористыми. Однако с повышением содержания углерода возрастает вероятность образования в наплавленном слое сетки трещин. Поэтому электроконтактную наварку СЛ наиболее целесообразно применять для восстановления и упрочнения деталей, имеющих большой запас усталостной прочности.

Недостатками наплавки металлической лентой являются сравнительно низкая прочность сцепления покрытия с основой, тонкий слой наплавленного металла. Увеличить толщину наплавки в данном случае не представляется возможным. Более толстое покрытие позволяет получить ЭКН сварочной проволокой.

Наплавка сварочной проволокой .Электроконтактную наплавку осуществляют на специальной установке совместным деформированием наплавляемого металла и поверхностного слоя металла основы, нагретых в очаге деформации до пластического состояния короткими (0,02–0,04 с) импульсами тока 10–20 кА. В результате каждого из последовательных электромеханических циклов процесса на поверхности металла основы образуется единичная площадка наплавленного металла, перекрывающая соседние. Деформация наплавляемого металла за цикл составляет 40 – 60%. Наличие пластической деформации присадочного материала дает возможность повысить прочность сцепления покрытия с основой.

Наварка порошковых материалов. Использование свободных порошков позволяет готовить широкую гамму композиций различных технологических и эксплуатационных свойств, имея в наличии небольшую номенклатуру порошков матричных, технологических и упрочняющих материалов. Наварку производят сухими порошками со свободной их подачей под сварочные ролики.

Для уменьшения износа электрода, а также для устранения налипания порошковых материалов на контактную поверхность роликового электрода между последними и порошковым слоем целесообразно вводить технологическую медную или латунную ленту толщиной 0,1–0,2 мм (рис. 10, в). При нанесении твердосплавных металлических порошков, когда требуется приложение к слою значительных давлений (DР>О,7 МН/м), возможен токоподвод непосредственно через технологическую прокладку. Верхний ролик выполняется из жаропрочной стали.

В настоящее время широко применяется ЭКПП предварительно сформированных покрытий. Порошок с помощью плазмы или газопламенного устройства напыляют на поверхность заготовки , после чего она подвергается воздействию давления с одновременным пропусканием электрического тока. Указанный способ позволяет эффективно упрочнять крупногабаритные детали, оплавление которых после напыления практически невозможно. Электроконтактное припекание предварительно напыленных покрытий дает возможность получать слои с высокими физико-механическими свойствами, которые существенно превосходят характеристики оплавленных покрытий.

Применяющиеся в настоящее время дозирующие устройства для электроконтактной наплавки металлических порошков не позволяют решить поставленную задачу. Это связано с тем, что требуемый расход порошкового материала определяется сечением крана бункера и давлением порошка, масса которого изменяется в процессе упрочнения. Вследствие значительного удельного веса металлических порошков давление на слои, прилегающие к отверстию крана, в процессе наплавки существенно изменяется. Кроме того, требуемая величина толщины слоя порошка регулируется вручную, что приводит к ошибкам, снижающим качество металлопокрытия.

НАПЕКАНИЕ И НАПЛАВКА

Электроконтактное напекание металлических порошков применяют для восстановления деталей типа валов и осей. Технология этого процесса разработана в Челябинском институте механизации и электрификации сельского хозяйства. Сущность его заключается в следующем:
Между вращающейся деталью 4 (рис. 4), установленной в шпиндель токарного станка, и медным роликом-электродом 2, подают присадочный порошок 3. Ролик 2, при помощи

пневмо- или гидро - цилиндра 1 прижимается к детали с усилием 0,75. 1,2 кН. При прокатывании детали и ролика и в результате большлого электрического сопротивления в месте их контакта порошок нагревается до температуры 1000. 1300'С. Раскаленные частицы порошка спекаются межд собой и с поверхностью детали. Для напеканияпорошка применяют большуюсилу тока 2500. 3500 А напряжение 0,7. 1,2 В от трансформатора 6.
Качество слоя во многом зависит от размеров детали и ролика, от давления, создаваемого роликом, химического состава порошка и окружной скорости детали. При диаметрах восстанавливаемых деталей от 0 до 100 мм электроконтактным напеканием можно получить слой толщиной от 0 до 1,5 мм. С увеличением диаметра детали толщина наносимого слоя возрастает. Скорость напекания составляет 0,11. 0,25 м мин. Преимущества процесса — высокая производительность, малая глубина теплового воздействия и высокая износостойкость напеченного слоя. К недостаткам можно отнести ограниченность толщины напекаемого слоя и сложность оборудования.

Восстановление деталей сваркой и наплавкой

По статистике при восстановлении деталей в 60% случаев используется сварка и наплавка. Сваркой устраняют механические повреждения. Наплавкой восстанавливают изношенные поверхности деталей.

Сущность восстановления сваркой и наплавкой

Оба метода основаны на тепловом воздействии, отличаются только настройки используемого оборудования. Наплавка ― это нанесение на поверхность деталей слоя из сплава основного и присадочного металла. Наплавкой восстанавливают не только геометрические размеры, но также наносят покрытия для повышения жаростойкости, прочности, износоустойчивости и т. д. Процедура выполнятся на поверхности любой формы― от плоской до конической и сферической.

Сварка ― это процесс создания соединения металлических элементов методом плавления или давления. Этим способом заделывают трещины, сколы, отверстия от пробоин, крепят отломившиеся элементы. С такими повреждениями рам, поддонов, кузовов, обоих мостов постоянно сталкиваются при ремонте автомобилей. Сварку также применяют совместно с другими восстановительными процедурами.

Для качественного восстановления деталей сваркой и наплавкой необходимо:

не допускать сильного смешивания основного металла с наносимым;
плавить основной металл на минимальную глубину;
не делать больших припусков на последующую обработку;
принимать меры по снижению остаточных напряжений и деформации.

Подготовка деталей

Перед восстановлением детали сваркой или наплавкой с поверхности удаляют ржавчину, окалину, грязь металлической щеткой или пескоструйной обработкой до блеска. Обезжиривание выполняют растворителем или нагревом поверхности до 300⁰C. На кромках закрепляемых элементов снимают фаски. У трещин разделывают края под углом 120 — 140⁰, на концах сверлят отверстия диаметром 3 — 4 мм. Глухие трещины углубляют насквозь, чтобы газы при сварке не образовывали поры.

С деталей, которые уже восстанавливались, сначала удаляют остатки нанесенного ранее слоя. Затем проводят процедуру очистки. Если износ не больше 1 мм, с места восстановления снимают слой на глубину 0,5 — 1 мм шлифовальным кругом или резцом. Это обеспечит однородность структуры нанесенного сплава.

Электродуговая сварка и наплавка

Это самая распространенная технология восстановления в промышленности и на дому. Она легко выполняется на обычном сварочном оборудовании. Работу выполняют плавящимися покрытыми электродами и неплавящимися с присадочной проволокой.

Качество конечного результата определяется параметрами электродов. Для ремонта сваркой площадь поперечного сечения стержней выбирают в зависимости от размера повреждения, толщины металла. Для создания слоя с заданными параметрами выбирают марки электродов с легирующими присадками. Они могут содержаться в металле и обмазке стержней.

Наплавку на детали из низкоуглеродистых сталей, которые не подвергались термической обработке, проводят сварочными электродами. Форму изделий из закаленной легированной, высокоуглеродистой стали восстанавливают наплавочными электродами с присадками или стержнями из твердых сплавов. Ими же наносят слои на режущие кромки инструмента для обработки металла.

Важно!

Для предотвращения деформирования, детали из высокоуглеродистой легированной стали предварительно нагревают до 300⁰C.

После окончания работы проводят отпуск для снятия внутренних напряжений в сварочных швах. Для низкоуглеродистой, низколегированной стали предварительный нагрев не требуется.

На цилиндрическую поверхность валики накладывают тремя способами:

в виде спиралей;
в форме замкнутых окружностей;
параллельно оси вращения.

На плоские поверхности наплавляют рядом расположенные широкие валики либо узкие с перекрытием 0,3 — 0,5 по ширине. На место большого износа сначала накладывают слой из низколегированной стали. Наплавку и сварку элементов небольшой толщины выполняют на постоянном токе обратной полярности. Толстостенные детали сваривают переменным или постоянным током с прямой полярностью.

Восстановление деталей в среде защитных газов

Этим способом восстанавливают детали наплавкой и сваркой толщиной от 0,6 мм и валов диаметром до 5 см. Поступающий под давлением к месту сварки газ защищает расплавленный металл от соприкосновения с воздухом. Самые качественные швы получаются в среде аргона или гелия, однако из-за их высокой цены чаще пользуются углекислым газом. В среде азота восстанавливают детали из меди.

При нагреве до высокой температуры из углекислого газа выделяется кислород, который способствует выгоранию углерода, марганца, кремния. Поэтому для работы со сталью применяют сварочную или присадочную проволоку с высоким содержанием этих элементов. Выбор диаметра в диапазоне 0,5 — 2,5 мм зависит от толщины деталей. Наплавку на нержавеющую сталь проводят проволокой из нержавейки, желательно той же марки.

Восстановление в среде углекислого газа выполняют на постоянном токе обратной полярности. Чтобы процесс протекал стабильно, выбирают сварочное оборудование с жесткими характеристиками. Автоматической наплавкой восстанавливают детали диаметром от 10 мм из низкоуглеродистых сортов стали.

Подачу проволоки настраивают так, чтобы не возникали короткие замыкания или обрывы дуги. Скорость наплавки определяется по толщине создаваемого слоя. Валики накладывают с шагом 2,5 — 3,5 мм.

Сварка и наплавка под слоем флюса

Восстановление этим способом проводят электрической дугой, которая горит под расплавленным флюсом. Таким образом, создается эластичная оболочка, защищающая расплавленный металл от соприкосновения с воздухом. Флюсы также поддерживают стабильность горения дуги, раскисляют, легируют, рафинируют наплавляемый металл.

Для сварки и наплавки применяют два вида флюсов:

Керамические, состоящие из металлических и неметаллических компонентов, что позволяет проводить легирование в большом диапазоне.
Плавленые не содержат металлических компонентов, поэтому возможности легирования ограничены десятыми долями процента. По сравнению с керамическими видами эти флюсы дешевле, лучше защищают, со швов легче отделяется шлак. Плавлеными флюсами с высоким содержанием кремния пользуются при нанесении слоев из углеродистых, низколегированных сортов стали.

Наплавку металла под флюсом проводят сварочной проволокой без покрытия. Диаметр (1 — 6 мм) определяют по толщине создаваемого слоя, формы валиков, габаритов деталей. Чтобы увеличить производительность, восстановление ведут ленточными электродами шириной до 10 см или одновременно двумя проволоками с подачей разными механизмами.

Восстановление выполняют на постоянном токе с обратной полярностью. На круглых деталях валики располагают с шагом 2 — 6 диаметра проволоки. Для уменьшения деформации на плоской поверхности наплавку ведут через валик или поочередно на разных участках.

Другие способы восстановления

Также популярны альтернативные методы восстановления:

Вибродуговая наплавка отличается от обычной электросварки тем, что электрод кроме поступательного движения совершает перпендикулярные колебания частотой 90 — 100 кол/сек. В ходе процесса металл переносится мелкими каплями в сварочную ванну небольшого размера. Этим достигается незначительная глубина проплава, высокая прочность сцепления материала электрода с металлом детали.
Пламенная наплавка проводится за счет нагрева основного металла и присадочной проволоки струей ионизированного газа, направляемой в рабочую зону соплом горелки.
Электроконтактную наплавку выполняют методом пластической деформацией после нагрева металла детали и присадочного материала импульсным током. Отличается высокой производительностью (до 150 см²/мин), незначительным термическим воздействием, малым проплавлением.

Перспективными считают способы наплавки (сварки), прошедшие экспериментальную проверку:

электронно-лучевая;
высокочастотным током;
лазерная;
пропиткой композиционных сплавов;
взрывом;
самораспространяющимся высокотемпературным синтезом.

Особенности восстановления деталей из чугуна

Сложность восстановления чугунных деталей связана с тем, что при быстром остывании шов становится чрезмерно хрупким, так как в металле остается много углерода. Поскольку у материалов деталей и швов коэффициенты усадки разные, во время и после окончания сварки образуются трещины. При высокой температуре углерод и кремний выгорают с образованием шлака и газов, которые при быстром остывании остаются внутри швов в виде пор, включений.

Для получения прочных однородных швов восстановление выполняют методом горячей сварки. Деталь предварительно медленно нагревают до 650 — 700⁰C в течение 1,5 — 2 часов в печи. Затем переносят в термос, чтобы температура во время работы не упала ниже отметки 500⁰C. Сварку или нанесение слоя ведут через люк. После окончания восстановления деталь отжигают при 600 — 650⁰C в печи или термосе. Инструкция рекомендует снижать температуру со скоростью 50 — 100⁰C/час.

Обратите внимание!

Если ремонт выполняют газовой горелкой, в качестве присадочного материала применяют стержни из чугуна.

Электросварку проводят чугунными электродами с покрытием, в состав которого входит до 50% графита. Из-за низкой производительности, сложности оборудования, этим способом пользуются редко.

Восстановление холодной сваркой выполняют без предварительного нагрева. Поэтому принимают меры для предотвращения деформирования и образования дефектов. Газовой горелкой чугун плавят медленно, но без перегрева. Электросварку проводят постоянным током обратной полярности, диаметр электродов 3 — 4 мм. Валики при наплавке накладывают вразброс участками по 40 — 50 мм. Прежде чем начать следующий, предыдущий шов охлаждают до 50 — 60⁰C.

В зависимости от решаемых задач для холодной сварки применяют присадочные стержни и электроды:

чугунные;
стальные;
комбинированные;
пучковые;
монелевые;
медно-стальные.

При восстановлении деталей, следует учитывать, что независимо от метода наплавки, нанесенный металл будет неоднороден по механическим параметрам, структуре, химическому составу. Поэтому если деталь работает в условиях больших нагрузок, рекомендуется заменить ее новой.

Общие понятия. Сварка и наплавка являются прогрессивными и наиболее широко распространенными способами восстановления деталей

Сварка и наплавка являются прогрессивными и наиболее широко распространенными способами восстановления деталей.

Сваркой называется процесс получения неразъемного соединения металлических деталей путем местного нагревания их до расплавленного (сварка плавлением) или пластичного (сварка давлением) состояния. Сварка применяется для соединения и закрепления отломанных и дополнительных деталей (втулок, зубчатых венцов, пластин и т.п.) для устранения трещин и отверстий.

Наплавкой называется процесс нанесения на поверхность детали слоя расплавленного металла или сплава. Чаще всего наплавленный слой образуется в результате использования различных процессов сварки плавлением. Наплавка применяется с целью восстановления размеров изношенных деталей, а также повышения износостойкости поверхностей трения.

При восстановлении деталей используют следующие способы сварки и наплавки: а) газовую и ручную электродуговую; б) механизированные.

В зависимости от характера дефекта, материала, термической обработки, назначения и конфигурации детали применяют тот или иной вид сварки или наплавки.

При газовой сварке плавление металла происходит за счет тепла, выделяющегося при сгорании горючего газа (ацетилена, природного газа и др.) в струе кислорода. Наибольшее распространение получила газовая сварка ацетиленокислородным пламенем.

В зависимости от соотношения кислорода и ацетилена различают три вида пламени: нормальное (1,0— 1,2), науглероживающее (0,8—0,9) и окислительное (1,2—1,5).

Вид пламени оказывает непосредственное влияние на качество сварки и наплавки. Сварка и наплавка деталей науглероживающим пламенем (при избытке ацетилена) приводит к повышению твердости и хрупкости металла и применяется для восстановления деталей из низколегированных сталей, а также при наплавке твердыми сплавами. Сварка деталей окислительным пламенем приводит к образованию окислов в расплавленном металле, которые ухудшают качество соединения. Окислительное пламя непригодно для сварки и наплавки деталей. Обычно сварку и наплавку деталей ведут нормальным пламенем.

При газовой сварке создается большая зона теплового влияния (температура ацетилено-кислородиого пламени находится в пределах 3000°С), что вызывает деформацию отдельных частей деталей вследствие их неравномерного нагрева или охлаждения. Для устранения или уменьшения деформации (коробления) приходится принимать специальные меры — предварительный подогрев всей детали и последующее медленное ее охлаждение.

С целью предохранения расплавленного металла от окисления и растворения образующихся окислов применяют флюсы. Флюсы раскисляют расплавленный металл и, образуя шлаки, всплывают на его поверхность, защищая тем самым металл от окисления.В зависимости от рода свариваемого металла применяют различные флюсы.

При электродуговой сварке и наплавке плавление металла происходит за счет тепла, выделяющегося в электрической дуге (температура сварочной дуги около 6000°С).

Ручная электродуговая сварка и наплавка могут быть осуществлены неплавящимся угольным или плавящимся металлическим электродом. Оба способа сварки были предложены русскими инженерами: первый —Н.Н.Бенардосом в 1885г. и второй — Н.Г.Славяновым в 1890г. Сварка и наплавка угольным электродом производится постоянным током.

В практике восстановления деталей дуговая сварка угольным электродом постоянным током находит применение главным образом для сварки цветных металлов и их сплавов, например, для сварки деталей из свинца, алюминия.

В зависимости от того, с каким электродом соединяется деталь при сварке постоянным током, различают прямую и обратную полярности. При прямой полярности свариваемая деталь соединяется с положительным полюсом сварочного генератора, а электрод — с отрицательным полюсом. При обратной полярности с деталь соединяется с отрицательным полюсом сварочного генератора, а электрод — с положительным полюсом. В первом случае деталь нагревается больше, что имеет большое практическое значение. Током обратной полярности ведут сварку тонкостенных деталей (толщиной до 2,5 мм), чтобы их не прожечь, а также сварку деталей из легированных сталей некоторых марок и холодную сварку деталей из чугуна стальными электродами, так как в этом случае нежелателен нагрев свариваемых деталей до высокой температуры.

При сварке постоянным током электродами без покрытий дуга горит более устойчиво, чем при сварке переменным током и шов получается более высокого качества. Однако если для сварки переменным током применяют электроды с покрытием, устойчивость горения вполне удовлетворительна, а шов такой же, как и при сварке постоянным током.

В процёссе сварки, наряду с расплавлением металла и его последующим затвердеванием, происходят структурные изменения в основном металле, прилегающем к сварочному шву. Характер этих изменений зависит от состава металла, температуры нагревания и скорости охлаждения.

Сварочный шов имеет структуру литого металла. Рядом со швом находятся зоны перегрева с крупнозернистой структурой, снижающей пластические свойства металла. К зонам перегрева примыкает зона нормализации с мелкозернистой структурой и, следовательно, повышенными механическими свойствами, по сравнению с основным металлом. Металл второй и третьей зон в процессе сварки нагревается до температуры 900…950С. Зона нормализации граничит с основным металлом, не претерпевшим структурных изменений.

Сварку и наплавку многих ответственных деталей ведут с предварительным подогревом и медленным охлаждением после сварки.

Читайте также: