Современное состояние и тенденции развития наплавки

ЮРГИНСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ  ИНСТИТУТ (ФИЛИАЛ)

ФЕДЕРАЛЬНОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО

БЮДЖЕТНОГО ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО УЧРЕЖДЕНИЯ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ  ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

____________________________________________________________

    Механико-машиностроительный  факультет

Оборудование  и технология сварочного производства

Кафедра сварочного производства

________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

 

КУРСОВАЯ  РАБОТА

по дисциплине «Методология научных исследований»

 

Тема: «Современное состояние и тенденции развития наплавки»

 

 

Студент гр.З-10690                      _________________                    А.В. Булдаков

                                                                                      (подпись)

 

Руководитель                           ________________             А.Г. Крампит

                                                              (подпись)

 

                                           ________________

                   (дата)

 

 

ЮРГА  – 2013

ЮРГИНСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ  ИНСТИТУТ (ФИЛИАЛ)

ФЕДЕРАЛЬНОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО

БЮДЖЕТНОГО ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО УЧРЕЖДЕНИЯ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО  ОБРАЗОВАНИЯ

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ  ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

____________________________________________________________

   

Оборудование  и технология сварочного производства

Кафедра сварочного производства

 

УТВЕРЖДАЮ

      Зав.КСП  _________ Зернин Е.А.

«____» ____________2013г.

 

ЗАДАНИЕ

на курсовую работу

 

студенту Булдакову Алексею Владимировичу

Тема курсовой работы Современное состояние и тенденции развития наплавки            

Срок начала работы _________________________________________________

Срок сдачи  работы __________________________________________________

Основные  разделы работы

 

 

 

 

Исходные данные к работе___________________________________________

__________________________________________________________________

Дата выдачи задания________________________________________________

Задания принял к исполнению «____» ____________2013г.

_______________

(подпись)

Руководитель    ________________ Крампит А.Г.

(подпись)

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

 

Введение	4
1 Перспективы развития сварки в XXI веке	5
2 Классификация цветных металлов и сплавов	7
2.1 Легкие цветные металлы	7
2.2 Тяжелые цветные металлы	10
2.3 Химически активные и тугоплавкие металлы	12
3 Виды наплавок	14
3.1 Ручная дуговая наплавка	14
3.2 Дуговая наплавка под слоем флюса	14
3.3 Электрошлаковая наплавка	15
3.4 Наплавка в среде защитных газов	16
3.5 Вибродуговая наплавка	17
3.6 Лазерная наплавка	19
Заключение	21
Список использованной литературы	23

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Существенное  значение имеет прогнозирование  развития сварочной науки и техники, сварочного производства на длительный период. Попытаемся оценить тенденции  развития сварки плавлением на ближайшее  десятилетие и наметить основные пути повышения производительности труда при этом виде сварки. Анализ современного состояния сварочного производства свидетельствует о том, что сварка плавлением занимает ведущие позиции во всех промышленно развитых странах. В дальнейшем роль этого вида сварки будет уменьшаться вследствие интенсивного развития сварки в твердой фазе. Однако еще долгое время сварка плавлением будет оставаться основным видом сварки металлов. Постоянное стремление к повышению производительности и эффективности сварки плавлением проявилось в непрерывном повышении мощности источников сварочного нагрева и увеличении концентрации энергии в зоне плавления металла.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Перспективы развития сварки в XXI веке

 

Во второй половине ХХ в. произошел переход от машинно-технической революции к научно-технической, которая характеризуется широким использованием наукоемких технологий. В начале третьего тысячелетия сварка является одним из ведущих технологических процессов создания материальной основы современной цивилизации.

Более половины валового национального продукта промышленно  развитых стран создается с помощью  сварки и родственных технологий. До 2/3 мирового потребления стального  проката идет на производство сварных  конструкций и сооружений. Во многих случаях сварка является единственно возможным или наиболее эффективным способом создания неразъемных соединений конструкционных материалов и получения ресурсосберегающих заготовок, максимально приближенных по геометрии к оптимальной форме готовой детали или конструкции. Непрерывный рост наукоемкости сварочного производства способствует повышению качества продукции, ее эффективности и конкурентоспособности.

Сегодня сварка применяется  для неразъемного соединения широчайшей гаммы металлических, неметаллических и композиционных конструкционных материалов в условиях земной атмосферы, Мирового океана и космоса. К началу ХХI в. мировой рынок сварочной техники и услуг оценивается примерно в 40 млрд. долларов, из которых около 70 % приходится на сварочные материалы и около 30 % – на сварочное оборудование.

Отмеченные особенности  определяют общую положительную  тенденцию роста мирового производства сварных конструкций, динамичного  развития мирового и регионального  рынков сварочной техники и материалов, а также объемов научных исследований и разработок по совершенствованию сварки и родственных технологий.

Технология  наплавки

 

Наплавка – это  процесс нанесения расплавленного металла на поверхность изделия, нагретую до оплавления. Наплавленный металл образует одно целое с основным металлом, связан весьма прочно и надежно. Путем наплавки можно получать непосредственно на рабочей поверхности изделия сплав, обладающий желательным комплексом свойств, - износостойкий, кислотоупорный, жаростойкий и т. п. Вес наплавленного металла не превышает нескольких процентов от веса изделия. При ремонте обычно восстанавливаются первоначальные размеры и свойства поверхности деталей.

Наплавка позволяет  создавать биметаллические изделия, у которых высокая прочность  и низкая стоимость сочетаются с большой долговечностью в условиях эксплуатации.

Наплавка — процесс нанесения на поверхность ремонтной заготовки слоя металла, который может сопровождаться образованием трещин в материале восстанавливаемой детали, прилегающем к наплавленному слою. Для предупреждения их появления применяют ряд специальных мер:

- удаляют перед наплавкой с поверхности восстанавливаемой детали дефектный слой или слой материала повышенной твердости;

- подогревают предварительно  восстанавливаемую деталь и в  процессе наплавки поддерживают заданную температуру;

- стремятся, по возможности,  уменьшить число слоев наплавляемого  металла;

- продолжают подогревать  восстанавливаемую деталь после  наплавки для обеспечения ее  медленного охлаждения;

- подвергают восстанавливаемую  деталь термической обработке.

 

 

 

 

 

2 Классификация цветных металлов и сплавов

 

Цветные металлы обладают разнообразными свойствами. Главными характеристиками конструкционных  цветных металлов являются плотность, температура плавления и кипения, химическая активность при высокой температуре и особенно в расплавленном состоянии. По этим причинам данные металлы можно разделить на следующие основные группы.

1. Легкие металлы –  алюминий, магний, бериллий. Плотность  металлов минимальна и не превышает  2,7 г/смБ3 . Наиболее легкий металл этой группы – магний.

2. Тяжелые металлы  – медь, никель, свинец, цинк, золото, серебро, палладий, платина. Плотность  металлов не менее 7 г/см3 . Металл  с максимальной плотностью –  платина. Последние четыре металла  образуют подгруппу благородных металлов.

3. Химически активные  и тугоплавкие металлы – ванадий,  вольфрам, гафний, молибден, ниобий, тантал, титан, хром, цирконий. Эти металлы  объединяет чрезвычайно большая  реакция способность соединения  с другими элементами (в первую  очередь с газами атмосферы) при высокой температуре, особенно в расплавленном состоянии.

 

2.1 Легкие цветные металлы

 

Алюминий

Алюминий хороший проводник  тепла и электричества. Электропроводность алюминия составляет 60 – 65 % электропроводности меди.

Алюминий – химически активный металл. Его поверхность легко покрывается окисной пленкой, предохраняющей металл от дальнейшего взаимодействия с окружающей средой.

Алюминий и его сплавы благодаря защитному действию окисной  пленки обладают высокой коррозионной стойкостью в атмосферных условиях. Устойчивость алюминия сохраняется и в тех средах, которые не разрушают эту пленку (сероводород, аммиак, пресная и морская вода, концентрированная азотная кислота, серная кислота). Многие сплавы на основе алюминия обладают достаточно высокой прочностью, сочетающейся с малой плотностью и удовлетворительной пластичностью, что делает их весьма ценными конструкционными материалами.

Алюминиевые сплавы используют в сварных конструкциях различного назначения. Их разделяют на литейные и деформируемые по пределу растворимости элементов в твердом растворе. Большинство элементов, входящих в состав алюминиевых сплавов, обладает ограниченной растворимостью, изменяющейся с температурой.

Окисная пленка на поверхности  алюминия и его сплавов затрудняет процесс сварки. Обладая высокой температурой плавления (2050 0С), окисная пленка не расплавляется в процессе сварки и покрывает металл прочной оболочкой, затрудняющей образованию общей ванны. Вследствие адсорбционной способности к газам и парам воды окисная пленка является источникам газов, растворяющихся в металле, и косвенной причиной возникновения в нем несплошностей различного рода. Частицы окисной пленки, попавшие в ванну, а также часть пленок с поверхности основного металла, не разрушенных в процессе сварки, могут образовывать окисные включения в швах, снижающие свойства соединений и их работоспособность.

Для осуществления сварки должны быть приняты меры по разрушению и удалению пленки и защите металла  от повторного окисления. С этой целью  используют специальные сварочные флюсы или сварку осуществляют в защитных газах.

При подготовке деталей  из алюминиевых сплавов под сварку профилируют свариваемые кромки, удаляют поверхностные загрязнения  и окислы. Обезжиривание и удаление поверхностных загрязнений осуществляют с помощью органических растворителей (уайта-спирит, технического ацетона, растворителей РС-1и РС-2) или обработкой в специальных ваннах щелочного состава.

Магний

Невысокая пластичность магния обуславливает плохую свариваемость  и технологичность при обработке. Магний хорошо обрабатывается резанием, однако механические и литейные свойства его низкие, что затрудняет применение магния в качестве конструкционного материала. В атмосферных условиях при нормальной температуре он имеет удовлетворительную коррозионную стойкость, так как на его поверхности образуется защитная окисная пленка из MgО. Но в присутствии влаги магний быстро корродирует, образуя гидроокись. Со многими металлами магний образует сплавы, которые обладают более высокими по сравнению с чистым магнием механическими свойствами и коррозионной стойкостью. Это значительно расширяет область применения магния, в том числе в качестве свариваемого конструкционного материала.

Магний является одним  из металлов с высоким сродством  к кислороду. Поэтому сплавы на основе магния в условиях сварки активно окисляются кислородом окружающей среды. В связи с высокой температурой плавления окисная пленка на поверхности кромок свариваемых деталей затрудняет образование общей сварочной ванны и должна быть разрушена или удалена в процессе сварки. Кроме кислорода, в атмосфере, окружающей ванну, могут присутствовать СО, СО2, пары воды, азот и водород. Магний взаимодействует с этими газами, образуя карбиды, нитриды и окислы.

Подготовка под сварку деталей заключается в удалении поверхностных загрязнений, окисных и защитных пленок, а также профилировании свариваемых кромок.

 

 

2.2 Тяжелые цветные металлы

 

Медь

Механические свойства меди в значительной степени зависят  чистоты металла и степени  предшествующей пластической деформации. Чистая медь обладает небольшой прочностью и высокой пластичностью, хорошо сваривается. С понижением температуры прочностные свойства меди уменьшаются, а пластичность сохраняется достаточно высокой вплоть до температуры жидкого азота. С повышением температуры прочность меди уменьшается.

Ценнейшие технические  свойства меди и ее сплавов (большая  электропроводность и теплопроводность, высокая коррозионная стойкость, отличная пластичность и способность подвергаться пластической деформации в холодном и нагретом состоянии, склонность к образованию многих сплавов с широким диапазоном различных свойств и др.) способствуют применению их в различных отраслях народного хозяйства.

Инертная при обычных  температурах медь при нагреве реагирует  с кислородом, серой, фосфором и галогенами. С водородом она образует неустойчивый гидрид СuН, с углеродом образует ацетиленистую медь Сu2С2 (взрывчатую); с азотом медь не реагирует, что позволяет азот использовать как защитный газ для сварки чистой меди. Газы, образующиеся в результате реакций, не растворяются в твердой меди и нарушают металлическую связь между зернами, приводя к образованию трещин – «водородная болезнь» меди.

Наплавку меди на сталь  можно производить, используя различные  способы сварки. Хорошие результаты можно получить при наплавке под флюсом плавящимся электродом, подающимся автоматической головкой, совершающей колебания в плоскости, перпендикулярной к поступающему движению.

Медные сплавы – латуни и бронзы – наплавляют на сталь и чугун, чтобы наиболее экономично использовать высокую стойкость против коррозии, низкий коэффициент трения и другие ценные свойства, присущие этим сплавам. Кремнемарганцевая бронза БрКМц3-1отличается мелкозернистой структурой и высокой вязкостью. Алюминиевые бронзы обладают антифрикционными свойствами, главная составляющая структуры – твердый раствор (α – фаза). Алюминиево - железные бронзы очень хорошо работают в узлах трения, их наплавляют на заготовки для изготовления червячных колес, сухарей и других деталей.

Никель

Никелевые сплавы – очень важная группа наплавочных сплавов. Эти сплавы сочетают жаростойкость, сопротивление износу, стойкость против коррозии с ценными технологическими свойствами. Они успешно используются для уплотнительных поверхностей арматуры пара высоких параметров, а также для различных направляющих, пресс- форм для стекла и проч.

Сплав ХН60ВУ служит для наплавки выхлопных  клапанов тяжелых грузов автомобилей, работающих при температуре до 800 0С.

Медно- никелевый сплав ДН70ГТЖ (монель) устойчив в таких агрессивных средах, как кипящая 10%-ная серная кислота Н2SO4 и кипящий раствор NH4Cl.

На свойства металла сварных  швов влияет содержание в нем серы и свинца. Сера обладает большим  химическим сродство к никелю. Низкоплавкая эвтектика (сульфид никеля), располагаясь вдоль границ зерен металла, охрупчивает его. Сульфид никеля может образовываться, если с никелем соприкасаются материалы, которые содержат даже небольшое количество серы, например горючие материалы, масло и др.

Повышенные требования при сварке никеля и его сплавов предъявляются к чистоте поверхности металла.

Для предупреждения образования в  швах пор необходимо предупреждать  контакт расплавленного металла  с атмосферным воздухом. Никель и  никелевые сплавы в расплавленном  состоянии могут растворять большое количество газов (азота, водорода, кислорода), которые, выделяясь при кристаллизации и охлаждении металла шва, могут приводить к образованию в них пор.

 

2.3 Химически активные и тугоплавкие металлы

 

Титан

Плотность титана почти  в 2 раза ниже, чем у железа, поэтому его можно также отнести к числу легких металлов. Титан обладает весьма высокими температурами плавления и кипения. Коэффициент теплопроводности титана примерно в 4 раза меньше, чем у железа, и в 13 раз, чем у алюминия. Удельное электросопротивление титана превосходит такой же показатель для железа в 6 раз, а для алюминия – более чем в 20 раз. При очень низкой температуре (около 0,5 К) титан становится сверхпроводимым.

Титан – химически  активный металл при высокой температуре, особенно в расплавленном состоянии.

При комнатной температуре  титан весьма устойчив против окисления. Взаимодействие металла с кислородом и азотом начинается при повышенной температуре. Титан обладает высокой коррозионной стойкостью на воздухе, в морской воде и во многих агрессивных средах. Это объясняется образованием на поверхности металла плотной защитной окисной пленки. Титан наиболее стоек в окислительных средах. В восстановительных средах он корродирует довольно быстро вследствие разрушения защитной окисной пленки.

Одним из недостатков  титана является небольшое значение модуля упругости.

Основная проблема свариваемости  титановых сплавов – получение сварных соединений с хорошей пластичностью, зависящей от качества защиты и чувствительности металла к термическому циклу сварки. Заметное насыщение металла шва кислородом, азотом и водородом в процессе сварки происходит при температурах ≥ 350 0С. Это резко снижает пластичность и длительную прочность сварных конструкций. Поэтому зона сварки должна быть тщательно защищена от взаимодействия с воздухом путем сварки в среде инертных газов высокой чистоты, под специальными флюсами, в вакууме.

Сварку деталей из титановых сплавов производят после того, как снимут газонасыщенный (альфированный) слой. Удаление альфированного слоя с применением травителей предусматривает:

а) предварительное рыхление альфированного слоя дробеструйной  или пескоструйной обработкой;

б) травление в растворе, содержащем 40% НF, 40% HNO3, 20% H2O;

в) последующую зачистку кромок на участке шириной 10 – 15 мм с каждой стороны металлическими щетками для удаления тонкого  слоя металла, насыщенного водородом  при травлении.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 Виды наплавок

 

3.1 Ручная дуговая наплавка

 

Применяется в тех случаях, когда использование механизированных способов наплавки невозможно или нецелесообразно. Ручная наплавка осуществляется электродами с толстым покрытием. Восстанавливаемые детали перед наплавкой следует прогреть до температуры, уровень которой зависит от материала электрода, используемого для наплавки.

 

3.2 Дуговая наплавка под слоем флюса

 

По сути, является модернизированным способом ручной наплавки электродом с толстым покрытием: электрическая дуга горит между электродом без покрытия и изделием под слоем сухого гранулированного флюса толщиной 10…40 мм. В данном методе наплавки электрод 5 (рис. 1), представляющий собой порошковую или сплошную проволоку, подается в зону наплавки одновременно с флюсом, который поступает в эту зону из бункера б.

Флюс при наплавке этим методом выполняет следующие  функции:

- обеспечивает устойчивое горение электрической дуги;

- защищает расплавленный металл от воздействия атмосферного воздуха;

- очищает расплавленный металл от посторонних включений и способствует его раскислению;

- обеспечивает легирование материала покрытия различными элементами;

- замедляет процесс затвердевания металла за счет образования теплоизоляционного слоя из флюса и его корки.

По составу и способу приготовления различают флюсы:

- плавленые. Получают сплавлением исходных материалов и последующей грануляцией; они хорошо защищают сварочную ванну, препятствуя образованию трещин в наплавленном покрытии;

- керамические (механическая смесь легирующих, модифицирующих и шлакообразующих компонентов, соединенных при помощи жидкого стекла). Получают смешением исходных материалов и последующим дроблением смеси на гранулы;

- флюсы-смеси. Получают смешением плавленых и керамических флюсов или плавленых флюсов с ферросплавами и графитом.

 

 

 

 

 

Рис. 1 Схема дуговой наплавки под слоем флюса:

1 - шлаковая корка; 2 - наплавленный слой; 3 - газовый пузырь; 4 - оболочка оплавленного флюса; 5 - электрод; 6 - бункер с флюсом.

Марки электродного материала  и флюса выбирают в зависимости  от требуемых физико-механических свойств  наносимого покрытия.

 

3.3 Электрошлаковая наплавка

 

Электрошлаковая наплавка (рис. 2) заключается в том, что на поверхности предварительно разогретой заготовки создается ванна расплавленного шлака 9 (флюса), в которую вводят электрод 10. За счет электрического тока, проходящего через жидкий шлак к детали, выделяется тепловая энергия, достаточная для расплавления материала электрода. Зона наплавки на восстанавливаемой поверхности ограничивается охлаждаемым водой кристализатором 8 и технологическими пластинами 3 и б. Этим методом могут быть наплавлены покрытия толщиной 12 мм и более.

 

Рис. 1.2. Схема электрошлаковой  наплавки: 1 - мундштук; 2 - дозатор легирующих добавок; 3,6 - технологические пластины; 4 - восстанавливаемая деталь; 5 - оправка; 7 - покрытие; 8 - кристаллизатор; 9 - шлаковая ванна; 10 – электрод.

 

В качестве электродов и присадочного материала используют проволоку, ленту  или порошковые присадочные материалы.

 

3.4 Наплавка в среде защитных газов

 

Наплавка в среде защитных газов (рис. 3) заключается в подаче под давлением защитного газа в зону горения электрической дуги, этим обеспечивается защита дуги и сварочной ванны от воздействия атмосферного воздуха. Защитная атмосфера создается инертными (аргон, гелий или их смесь), активными (диоксид углерода, азот, водород, водяной пар) газами или их смесями. Наиболее часто для создания защитной атмосферы применяют диоксид углерода (С02 — углекислый газ) и водяной пар (Н20), так как они существенно дешевле других защитных сред.

Наплавку в защитной среде диоксида углерода применяют  для нанесения покрытий на стальные и чугунные детали разных форм и  размеров.

Наплавка в среде защитных газов  по сравнению с наплавкой под  слоем флюса имеет ряд преимуществ:

- восстанавливаемая деталь меньше нагревается;

- производительность выше приблизительно в 1,5 раза;

- отсутствует необходимость в операциях отделения шлаковой корки (она не образуется) и зачистки швов;

- возможность проведения наплавки при любом пространственном положении восстанавливаемой детали;

- затраты на наплавку в 1,2— 1,5 раза меньше.

 

Рис. 1.3. Схема наплавки в среде  диоксида углерода:

1 - мундштук; 2 - восстанавливаемая деталь; 3 - покрытие; 4 - сварочная ванна; 5 - электрическая дуга; 6 - сопло горелки; 7 - наконечник; 8 - горелка; 9 - электродная проволока.

 

3.5 Вибродуговая наплавка

 

Вибродуговая наплавка как метод имеет следующие отличительные особенности:

- в нагрузочную цепь источника питания включена катушка индуктивности;

- напряжения источника питания недостаточно для поддержания непрерывного горения электрической дуги;

- электрод совершает колебательные движения относительно восстанавливаемой поверхности (амплитуда колебаний 1… 3 мм, частота колебаний 50… 100 Гц).

Применяется вибродуговая наплавка при  восстановлении стальных деталей, работающих в разных условиях при невысоких  требованиях к их сопротивлению  усталостным разрушениям, например при ремонте осей или толкателей.

Ручная газопорошковая наплавка —  процесс, применяемый для восстановления профильных поверхностей, например кулачков распределительных валов. Процесс  имеет небольшую производительность.

Для нагрева применяют газовые горелки для ацетиленокислородной смеси или смеси газов пропан-бутан, используя нейтральное или восстановительное газовое пламя. Основными этапами наплавления газопорошкового покрытия являются:

- равномерный нагрев нейтральным газовым пламенем восстанавливаемой поверхности с расстояния 10…30 мм до температуры 400° С (при этом пламя горелки должно равномерно перемещаться по всей восстанавливаемой поверхности);

- нанесение равномерного слоя порошка на подогретую поверхность восстанавливаемой детали;

- нагрев нанесенного порошка до полного его расплавления.

При использовании метода газопорошковой наплавки для нанесения покрытия на наружные и внутренние поверхности  цилиндрических деталей используют специальные установки.

 

 

 

 

3.6 Лазерная наплавка

 

Лазерная наплавка - высокоэнергетическая и высокопроизводительная технология, при которой наплавочный (присадочный) материал тем или иным способом депонирован на поверхности образца или детали и затем оплавлен лазерным излучением высокой мощности.  
Лазерная наплавка - процесс, идеально подходящий как для создания совершенно новой поверхности, так и восстановления поврежденных или изношенных поверхностей.