Наплавка металла

Содержание:

I Введение

1.1 История развития наплавки и сварки

Развитие современных методов  наплавки связано с появлением электрической  дуги и газового пламени. Н.Г. Славянов считал одним из важнейших применений дуговой сварки «наливание слоя металла на изношенные поверхности или для какой-либо другой цели». Под его руководством производилась наплавка различных легированных сталей, чугуна, бронзы и др., был выполнен ряд сложных ремонтных работ.

Почти одновременно возникла газовая сварки. Первые десятилетия ХХ века были периодом состязания газовой и дуговой наплавок, причем первоначально преобладала газовая наплавка, позволяющая обойтись более простым и дешевым оборудованием.

В 30-х годах ХХ века все больше распространяется ручная дуговая наплавка покрытыми электродами. Появление электродов с легирующим покрытием (для наплавки металла повышенной прочности) позволило возвращать в строй изношенные и поврежденные детали машин.

Постепенно выявились и недостатки ручной наплавки: низкая производительность, тяжелые условия труда, непостоянное качество наплавленного слоя, зависящее от индивидуального мастерства наплавщика. Поэтому механизация дуговой наплавки явилась важным условием ее дальнейшего совершенствования.

Новый этап в развитии наплавки начался в конце 40-х годов, когда для выполнения различных наплавочных работ стали использовать сварку под флюсом. Первоначально этот процесс был применен для восстановления изношенных деталей (для чего используется и в настоящее время). Важной предпосылкой было создание флюсов с хорошими технологическими свойствами, позволяющих вести наплавку непрерывно и длительно, получать высокое качество наплавленного металла и большую производительность.

Ранее только газовая наплавка применялась в машиностроении для изготовления особо износостойких деталей, например к/г а панов автомобильных двигателей, шарошек буровых долот, уплотнительных поверхностей арматуры и др. Появление наплавки под флюсом, отличающейся высокой производительностью и надежностью, способствовало использованию наплавки в машиностроении, особенно после 1957 г., когда в качестве электрода начали применять ленту малой толщины и большой ширины, предложенную в СССР независимо от патента. На внутренние поверхности химических, нефтехимических и энергетических реакторов с помощью электродной ленты наплавляют слой нержавеющей стали весьма надежно и производительно.

Автоматическая наплавка под флюсом становится эффективным технологическим  процессом изготовления биметаллических  деталей, а также надежным способом восстановления изношенных деталей. При помощи наплавки можно одновременно увеличить размеры и работоспособность наплавленных деталей. Это нашло большое применение в металлургической промышленности для повышения стойкости прокатных валков, роликов, рольгангов и многих других деталей.

Первым обобщением теоретических  и технологических основ наплавки под флюсом явилась книга И.И. Фрумина «Автоматическая электродуговая наплавка», вышедшая в 1961 году.

Опыт промышленного применения показал, что далеко не все задачи могут быть решены посредством наплавки под флюсом. Иногда серьезные затруднения создает необходимость подавать флюс и непрерывно удалять шлаковую корку. В других случаях трудно управлять движением невидимой дуги и наплавлять детали сложной формы. Дуговая наплавка в инертном газе сравнительно мало применяется вследствие дороговизны и дефицитности аргона. Новые технологические возможности и новые области применения открыла наплавка самозащитной порошковой проволокой и лентой. Первые самозащитные наплавочные проволоки появились в начале 60-х годов и тотчас получили признание ремонтников. Восстановление наплавкой деталей дробильно-размольного и горного оборудования, черпаков драг и колес землесосов позволило резко повысить производительность труда.

Электрошлаковая наплавка была впервые  осуществлена в конце 50-х годов. Большие  преимущества этого процесса — высокая  производительность, возможность эффективной  очистки металла от неметаллических  включений и придание наплавленному  слою благоприятной кристаллической структуры. Предложены различные виды электрошлаковой наплавки.

Плазменная наплавка получила развитие в 60-х годах, когда были разработаны  надежные горелки-плазмотроны. Наплавка с неподвижной присадкой в  виде металлического кольца оказалась удобной и успешно используется для увеличения долговечности клапанов двигателей внутреннего сгорания и подобных им изделий. Весьма технологична плазменно-порошковая наплавка, при которой присадочным материалом является гранулированный порошок. Этот способ очень ценен для наплавки жаростойких сплавов на основе никеля и кобальта. Успешно применяется наплавка цветных металлов с присадкой проволоки.

Индукционная наплавка находит  применение в массовом производстве некоторых изделий. Расплавление порошковой шихты, нанесенной на поверхность тонкостенного изделия, позволяет создать биметаллическое лезвие, что используется для лемехов плугов, лап культиваторов и других деталей сельскохозяйственных машин. Индукционная наплавка применяется также при изготовлении выпускных клапанов легковых автомобилей, шарошек буровых долот и других изделий.

Наварка давлением – прямой потомок  древней кузнечной сварки – приобрела  новые формы. Широко применяется  производство биметаллического листа  так называемым пакетным способом, т.е. способом печной сварки прокаткой. Так плакируют конструкционную сталь нержавеющей, низкоуглеродистую – инструментальной и др.

В 70-х годах получил практическое применение процесс плакирования взрывом: наварка пластичных металлов, стойких  против коррозии, на поверхность стальных изделий и заготовок.

Общей особенностью современного этапа  развития наплавки является повышение  требований к качеству наплавленного  слоя и его стойкости в сложных  условиях эксплуатации. Рост скоростей, температур и давлений, характерный для технологического оборудования всех видов, ужесточает требования к наплавленному слою. Стремление к максимальной механизации и автоматизации процессов наплавки, к всемерному увеличению производительности труда уже привело к созданию автоматических поточных линий и наплавочных установок, длительно работающих без вмешательства оператора. Развитие в этом направлении несомненно будет продолжаться.

От процессов наплавки следует  отличать смежные процессы, направленные на образование поверхностного слоя, обладающего теми или иными специальными свойствами» но не создающие сварного соединения между нанесенным слоем и основным металлом. К таким смежным процессам относятся, например, металлизация, плазменное напыление, диффузионные покрытия» горячие металлопокрытия, биметаллическое литье, напыление в вакууме, детонационное покрытие, гальванические покрытия и проч.

1.2 Виды сварки и наплавки

Сваркой  называется технологический  процесс получения  неразъёмных соединений посредством установления межатомных  связей  между  свариваемыми частями при их местном или общем нагреве, или  пластическом  деформировании, или совместным действием того и другого.

Все  существующие  способы  сварки можно разделить на две основные группы:

1. Сварку давлением –  контактная, газопрессовая –  трением,  холодная  –  ультразвуком;

2. Сварку плавлением – газовая, термитная, электродуговая, электрошлаковая, электронно-лучевая, лазерная.

Самое широкое распространение  получили различные способы  электрической сварки плавлением, а ведущее место  занимает  дуговая  сварка,  при  которой источником теплоты служит электрическая дуга.

Электрическую сварку плавлением в  зависимости от  характера  источников нагрева и расплавления  свариваемых  кромок  можно  разделить  на  следующие основные виды сварки:

1. электрическая дуговая,  где источником тепла является  электрическая дуга;

2. электрошлаковая, где основным  источником теплоты  является  расплавленный   шлак, через который протекает электрический ток;

3. электронно-лучевая, при которой нагрев и расплавление кромок  соединяемых   деталей   производят   направленным   потоком   электронов,    излучаемых  раскаленным катодом;

4. лазерная, при которой нагрев  и расплавление  кромок  соединяемых   деталей производят направленным сфокусированным мощным световым лучом микрочастиц-фотонов.

При электрической дуговой сварке основная часть теплоты, необходимая  для нагрева  и  плавления  металла,  получается  за   счет   дугового   разряда, возникающего между свариваемым металлом и электродом. Под действием  теплоты дуги   кромки   свариваемых   деталей   и   торец   плавящегося   электрода расплавляются, образуя сварочную ванну, которая некоторое время находится  в расплавленном  состоянии.  При  затвердевании  металла  образуется   сварное соединение. Энергия, необходимая  для  образования  и  поддержания  дугового разряда, получается от источников питания дуги постоянного  или  переменного тока. Классификация дуговой сварки производится  в  зависимости  от  степени механизации процесса сварки, рода тока  и  полярности,  типа  дуги,  свойств электрода, вида защиты зоны сварки от атмосферного воздуха и др.

По степени механизации различают  сварку  вручную,  полуавтоматическую  и автоматическую сварку. Отнесение процессов к тому или иному способу  зависит от того, как выполняются зажигание и поддержание  определенной  длины  дуги, манипуляция электродом для придания шву нужной формы, перемещение  электрода по линии наложения шва и прекращения процесса сварки.

При ручной сварке указанные операции, необходимые для  образования  шва, выполняются рабочим-сварщиком вручную без применения механизмов.

При  полуавтоматической  сварке  плавящимся  электродом   механизируются операции по подаче электродной  проволоки  в  сварочную  зону,  а  остальные операции процесса сварки осуществляются вручную.

При  автоматической  сварке  под  флюсом  механизируются   операции   по возбуждению дуги, поддержанию определённой длины дуги, перемещению  дуги  по линии наложения шва. Автоматическая  сварка  плавящимся  электродом  ведется сварочной проволокой  диаметром 1-6  мм;  при этом  режим сварки   (ток, напряжение,  скорость  перемещения дуги  и   др.)   более   стабилен,   что обеспечивает  однородность  качества  шва по  его длине,  в то  же  время требуется большая точность в подготовке и сборке деталей под сварку.

По роду тока различают дуги, питаемые постоянным током прямой (минус  на электроде) или  обратной  (плюс  на  электроде)  полярности  или  переменным током. В зависимости от способов сварки применяют ту  или иную  полярность.

Сварка под флюсом и в среде  защитных газов обычно производится  на  обратной полярности.

По типу дуги различают  дугу прямого действия  (зависимую  дугу)  и  дугу косвенного действия (независимую дугу). В первом  случае  дуга  горит  между электродом и основным металлом,  который также является  частью  сварочной цепи, и для сварки используется теплота,  выделяемая  в столбе  дуги  и на электродах; во втором - дуга горит между двумя электродами. Основной  металл не является частью сварочной цепи и расплавляется  преимущественно  за  счет теплоотдачи от газов столба дуги. В этом случае питание дуги  осуществляется обычно переменным  током,  но  она  имеет  незначительное  применение  из-за малого коэффициента полезного действия дуги (отношение полезно  используемой тепловой мощности дуги к полной тепловой мощности).

По свойствам электрода различают  способы сварки плавящимся электродом  и неплавящимся  (угольным,  графитовым  и  вольфрамовым).  Сварка   плавящимся электродом является самым распространенным способом сварки;  при  этом  дуга горит между основным металлом и металлическим стержнем,  подаваемым  в  зону сварки по мере плавления.  Этот  вид  сварки  можно  производить  одним  или несколькими электродами. Если два электрода подсоединены  к одному  полюсу источника питания дуги, то такой метод называют двух электродной сваркой,  а если больше - многоэлектродной сваркой пучком  электродов.  Если  каждый  из электродов  получает  независимое  питание  -  сварку  называют  двухдуговой (многодуговой) сваркой. При дуговой сварке  плавлением  КПД дуги  достигает 0,7-0,9.

По условиям наблюдения за процессом  горения  дуги  различают  открытую, закрытую и полуоткрытую дугу. При открытой  дуге  визуальное  наблюдение  за процессом горения дуги производится  через  специальные  защитные  стекла  - светофильтры. Открытая дуга применяется  при  многих  способах  сварки:  при ручной сварке металлическим  и  угольным  электродом  и  сварке  в  защитных газах. Закрытая дуга располагается полностью в расплавленном флюсе -  шлаке, основном металле и под гранулированным флюсом, и она невидима.  Полуоткрытая дуга характерна тем, что одна  её  часть  находится  в  основном  металле  и расплавленном флюсе, а другая над ним. Наблюдение за процессом производится через светофильтры.  Используется  при  автоматической  сварке  алюминия  по флюсу.

По роду защиты зоны сварки от окружающего  воздуха  различают  следующие способы сварки: без защиты (голым электродом, электродом со  стабилизирующим покрытием), со шлаковой защитой (толстопокрытыми электродами,  под флюсом), шлакогазовой (толстопокрытыми электродами), газовой защитой (в среде  газов) с  комбинированной  защитой   (газовая   среда   и   покрытие   или   флюс).

Стабилизирующие покрытия представляют собой материалы, содержащие  элементы, легко  ионизирующие  сварочную  дугу.  Наносятся  тонким  слоем  на  стержни электродов (тонкопокрытые электроды),  предназначенных  для  ручной  дуговой сварки. Защитные покрытия представляют собой  механическую смесь различных материалов, предназначенных ограждать расплавленный  металл  от  воздействия воздуха, стабилизировать горение  дуги,  легировать  и  рафинировать  металл шва.

Наибольшее  применение  имеют  средне -  и  толстопокрытые   электроды, предназначенные для  ручной  дуговой  сварки  и  наплавки,  изготовляемые  в специальных цехах или на заводах.

Применяются также магнитные  покрытия, которые наносятся на  проволоку  в процессе сварки за счет электромагнитных сил, возникающих между  находящейся под током электродной проволокой и ферромагнитным  порошком,  находящемся  в бункере,    через    который    проходит    электродная    проволока     при полуавтоматической или автоматической сварке. Иногда это еще  сопровождается дополнительной подачей защитного газа.

Наплавкой называется нанесение с  помощью сварки слоя металла на поверхность  изделия. Обычно наплавляемый слой имеет  неравновесную структуру, состоящую  из тончайших частиц твердых зерен  карбидов. В зависимости от состава  карбидов можно получать наплавку с особыми свойствами (износостойкой, кислотоупорной, жаростойкой, антифрикционной и др.). Такую наплавку используют при ремонте и изготовлении новых деталей.

Применяется дуговая, газовая, плазменная, электрошлаковая и другие виды наплавки. Наибольший объем наплавочных работ выполняется сварочной дугой.

При наплавке в отличие от сварки в процессе участвует небольшое  количество основного металла в  связи с небольшой глубиной проплавления, поэтому внутренние напряжения и  деформации изделия, склонность к образованию трещин относительно незначительны.

Заданные особые свойства наплавленного  слоя получают введением в его  состав легирующих элементов. Способы  легирования различны: за счет взаимодействия расплавленного металла и шлака, поглощения некоторых элементов из газовой среды, введения в сварочную ванну легирующих добавок. Чаще всего применяют последний способ, как наиболее надежный и обеспечивающий нужный состав наплавленного слоя.

Особенно важно при наплавке получить однородность химического  состава наплавленного металла, а следовательно, его свойств на всей поверхности наплавляемой детали.

II Передовые методы труда, прогрессивные инструменты и приспособления

2.1 НОТ по организации рабочего места

Для сварки, наплавки и резки металлов и их сплавов в зависимости от условий производства рабочее место может быть организовано в сварочном цехе, в специальной кабине, на открытой площадке или в технологическом потоке производства. Рационально оборудованное рабочее место существенно влияет на производительность труда и его безопасность, а образцовое содержание рабочего места и размещенного на нем оборудования исключает возможность производственного травматизма и профессиональных заболеваний. При организации рабочего места надо учитывать, чтобы площадь была не менее 4,5 м². В эту площадь не включают площадь, занимаемую сварочным, наплавочным оборудованием, а также площадь проходов между оборудованием, степами здания и оборудованием. Ширина проходов должна быть не менее 1 м, а высота помещения от уровня пола до низа выступающих конструктивных элементов перекрытия над рабочими местами — не менее 3,2 м. Некоторые вредные газы и пары окислов металлов, выделяющиеся при сварке, наплавке и резке металлов, тяжелее воздуха, они скапливаются в низких местах. Поэтому не следует организовывать рабочие места в подвальных помещениях, на втором и более высоких этажах многоэтажных зданий. Полы на рабочих местах должны быть из несгораемого, малотеплопроводного и нескользкого материала, допускающего легкую очистку. Если полы покрыты бетоном или асфальтом, их надо застилать сухими деревянными, подножными решетками.

Стены, перегородки  и двери, сделанные из горючих  материалов и расположенные на расстоянии менее 5 м от сварочных, наплавочных  и резательных постов, штукатурят или обивают листовым асбестом или листовой сталью по войлоку, смоченному в глинистом растворе.

В зимнее время  температура в помещении должна быть в пределах 16-20° С.

Образующиеся  при сварочно-наплавочных работах  вредные для здоровья человека газы, пыль, пары окислов металлов и другие аэрозоли из рабочей зоны сварщиков и наплавщиков удаляются вентиляцией. Вентиляция может быть естественной и искусственной с механическим нагнетанием воздуха. Естественная вентиляция обычно общеобменная. Она наиболее распространена в помещениях сварочных цехов большого объема с относительно малым количеством рабочих мест и вредных выделений, то есть в тех цехах, где расход сварочного материала ниже 0,2 г/ч на 1 м3 цеха. При естественной вентиляции обмен воздуха происходит сквозь неплотности дверей, окон, открытые форточки, оконные фрамуги. Движение воздуха при естественной вентиляции вызывается разностью температур внутри и вне помещения. Эффективность естественной вентиляции значительно увеличивается при наличии ветра, при устройстве вытяжных шахт со специальными насадками – дефлекторами. В этом случае можно использовать ветер для усиления вентиляции помещения. Естественной вентиляцией оборудуют ацетиленовые станции, склады карбида кальция, баллонов с различными газами, иловые ямы и т. д.

Вопросы организации и оборудования рабочих мест сварки и наплавки должны решаться в каждом конкретном случае в зависимости от типа и мощности ремонтного предприятия, его производственных возможностей, объектов ремонта, принятой технологии, санитарных норм, техники безопасности и других факторов.

2.2 Новинки техники

Сварочный трансформатор МОСКИТ ТСБ 200

Предназначен для ручной дуговой  сварки, наплавки и резки углеродистых сталей обыкновенного качества толщиной от 2 до 8 мм 
Счетчик электрической энергии, установленный в сети, должен быть на ток 32А. Трансформатор предназначен для работы в помещениях с естественной или искусственной вентиляцией в стационарных и полевых условиях, на строительстве, на промышленных производствах, в гараже, на дачном участке. Рабочая температура окружающей среды от минус 30 до плюс 40 ^оС.

Эксплуатация в режиме: один час работы и один час перерыва с целью охлаждения.

Охлаждение естественное, атмосферным воздухом.

Технические характеристики:

Сварочный аппарат Мастер АС-200А 11.2 кВт 220/380v

Аппарат предназначен для ручной дуговой сварки, наплавки и резки  штучными покрытыми электродами  на переменном токе изделий из низкоуглеродистых и низколегированных сталей толщиной от 2 до 8 мм.

Сварочный аппарат МАСТЕР АС-250А универсален, надежен, прост в эксплуатации. Предназначен для работы в помещениях с естественной и искусственной вентиляцией. Допускается работа на открытых площадках в сухую погоду. Окружающая среда должна быть не взрывоопасной, не содержащей токопроводящей пыли, агрессивных паров и газов.

Продолжительность непрерывной сварки не более 10 минут. Аппарат имеет встроенную термозащиту. Выполнен в виде переносного  напольного прибора, на переднюю панель которого выведены ручки органов  управления.

На верхней части корпуса  размещена информация по продолжительности нагрузки при 10 минутном рабочем цикле для бытовой сети в зависимости от диаметра электрода.

  Технические характеристики:

III Расчетно-технологическая часть

3.1 Выбор химического состава наплавленного металла

Свойства наплавленного металла, зависящие в основном от его химического  состава, должны соответствовать условиям работы детали. Деталь при работе испытывает комплекс разрушающих воздействий, однако всегда существует ведущий вид изнашивания, которому главным образом обязан сопротивляться наплавленный металл.

Для    восстановления   и    упрочнения и    деталей  применяют  разнообразные  наплавочные  материалы, способные сопротивляться   различным    видам   изнашивания (таблица 1).

Низкоуглеродистые     низколегированные   стали   используют   для   восстановительной наплавки различных роликов, колес электромостовых кранов, посадочных мест под подшипники, осей, валов и многих других   деталей, а также для создания подслоя при, наплавке износостойкими сплавами.

Углеродистые низколегированные  стали, содержащие более 0,4% С и до 5% легирующих примесей, применяют для износостойкой наплавки штампов холодной и горячей штамповки, ножей грейдеров и бульдозеров, ножей для резки бумаги и других деталей.

Высокомарганцевые аустенитные  стали, содержащие до 13% Мn, обладают высокой стойкостью против ударов и способностью наклепываться, в результате чего твердость их поверхности возрастает до НВ 450—500, при этом сердцевина остается вязкой. Этими сталями наплавляют детали дробильно-размольного оборудования, железнодорожные крестовины и другие изделия, работающие в условиях абразивного изнашивания с ударными нагрузками.

Хромоникелевые аустенитные  стали, обладающие высокой стойкостью к коррозии, используют в качестве наплавочных материалов при изготовлении аппаратов в химическом и нефтяном машиностроении. При легировании марганцем стали этой группы приобретают высокую вязкость и способность сильно наклепываться, поэтому их применяют для наплавки деталей, подверженных кавитационному изнашиванию, таких, как лопасти гидротурбин, плунжеры гидропрессов и др.

Хромистые стали, обладающие высокими стойкостью к коррозии и прочностью при повышенных температурах, применяют для наплавки уплотнительных поверхностей задвижек для пара и воды, плунжеров гидропрессов, штампов и других деталей.

Хромовольфрамовые и  хромомолибденовые стали, обладающие высокой стойкостью к термической усталости и изнашиванию, применяют для наплавки валков горячей прокатки, штампов горячей штамповки и других деталей.

Высокохромистые чугуны применяют для наплавки деталей, работающих в условиях абразивного, газоабразивного и гидроабразивного изнашивания при обычных и высоких температурах, например детали засыпных аппаратов доменных печей, броневые плиты лотков, валки коксовых дробилок, ножи бульдозеров, зубья ковшей экскаваторов и т. п.