Министерство народного образования России Волгоградский ордена

 «Знак почета» государственный педагогический институт им. А.С. Серафимовича.
Кафедра машиноведения

Курс «Эксплуатация и ремонт автомобиля и трактора»
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА.
ЭЛЕКТРОДУГОВАЯ И ГАЗОПЛАМЕННАЯ СВАРКА.
Методические указания для студентов специальности 2120

 «Общетехнические дисциплины и труд»
Рассмотрено и утверждено на

заседании кафедры машинове-

дения.
Составитель – доцент Макаров В.К.
Волгоград 1992г.

I. Тема: Электродуговая и газопламенная сварка и наплавка.

II. Цель работы:

1.     Изучить технологию проведения ручной электродуговой сварки и наплавки.

2.     Изучить газоплазменную сварку и наплавку.

3.     Автоматическая наплавка в среде защитных газов.

4.     Плазменно – дуговая сварка и наплавка.

5.     Металлизация.

6.     Восстановление деталей электроконтактной приваркой. Металлического слоя. Сварка трещин.

III. Общие положения.

3.1. Технология ручной электро – дуговой сварки.

В 1802г. русский физик В.В. Петров первым в мире открыл явления дугового разряда и возможность использования его для расплавления металла.

В 1888г. русский инженер Н.Г. Славянов изобрел дуговую сварку плавящимся металлическим электродом. Для получения электросварочной дуги используют постоянный и переменный ток. Этим способом можно наплавлять и сваривать углеродистые и легированные стали всех марок толщиной от 1 мм. и выше, чугун и цветные металлы, а также наплавлять твердые сплавы. Горение любой сварочной дуги сопровождается выделением большого количества тепла. Температура дуги на оси газового столба достигает 6000 – 7500 С, на участках поверхности угольных электродов – 3000…4000 С, стальных – 2200…2500 С. При сварке на постоянном токе угольными электродами температура дуги на аноде достигает 4000 С и на катоде 3200 С, при использовании стальных электродов – на аноде 2600 С, на катоде 2400 С. Поэтому при сварке тонкого или легкоплавкого металла, а также чувствительных к перегреву высокоуглеродистых, нержавеющих и легированных сталей электрическую дугу питают током обратной полярности, то есть минус источника тока подключают к изделию.

Температура дуги зависит от силы тока, приходящейся на единицу площади поперечного сечения электрода, плотности тока. Чем она больше, тем выше температура дуги. При ручной дуговой сварке плавящимся электродом плотность достигает от 10 до 20 А/мм² и напряжении 18…20 В.

Производительность сварки характеризуется количеством расплавленного электродного металла в единицу времени, которое определяется по формуле.
О_н = К * I

где О_н – количество расплавленного металла электрода, Г;

К – коэффициент наплавки, Г (а.ч)

I – сварочный ток А.

Коэффициент наплавки зависит от присадочного материала, материала электродов и состава их покрытия, рода и полярности тока, а также от потерь при сварке. Для различных условий коэффициент наплавки находят опытным путем. При ручной сварке он колеблется в пределах от 6 до 18г (А.Ч)

Под действием высокой температуры в зоне сварки молекулы кислорода и азота, попадающие из воздуха, частично распадаются на атомы. Кислород образует оксиды железа и способствует выгоранию ценных легирующих элементов (марганца, кремния и др.), тем самым резко ухудшая свойства наплавленного слоя. Азот образует нитриды, которые увеличивают твердость, снижают пластичность и способствуют образованию коробления и трещин. Водород, попадающий в зону сварки из влаги и ржавчины, способствует образованию пор и трещин. Чтобы уменьшить вредное воздействие этих элементов, место сварки зачищают, а зону сварки зачищают нейтральными газами и шлаками.

3.1.1. Оборудование электродуговой сварки.

Для сварки используют преобразователи типа ПСО, ПСГ или выпрямители типа ВДУ.

Наибольшее распространение получили трансформаторы типа ТС и ТКС (ТС – 120, ТС – 300, ТС – 500, ТСК – 300, ТКС – 500).

Число обозначает номинальный сварочный ток. Для ручной электродуговой сварки применяют выпрямители ВСС – 120 – 4 ВСС – 300 – 3 (селеновые ВКС – 120, ВКС – 300 и ВКС – 500 (кремневые).

3.1.2. Сварочная проволока и электроды.

Качество наплавляемого материала и производительность процесса сварки или наплавки во многом определяются материалом электродов и их покрытий. В зависимости от способа сварки применяют сварочную проволоку, плавящиеся и неплавящиеся электродные стержни, пластины и ленты. При механизированных способах сварки используют электродную проволоку без покрытия, а для ручной дуговой сварки проволоку рубят на стержни длиной 350 – 400 мм и на их поверхность наносят покрытие. Плавящийся стержень с нанесенным на его поверхность покрытием называют сварочным электродом.

Стальная сварочная проволока изготавливается диаметром от 0.3 до 12. В зависимости от химического состава стальную сварочную проволоку разделяют на низкоуглеродистую, легированную и высоколегированную.

Низкоуглеродистые проволоки СВ – 08, СВ – 08А, СВ – 08ГД, СВ – 10ГА и другие – всего шесть марок, содержание не более 0.12% углерода, предназначены для сварки мало – и среднеуглеродистых, а также некоторых низколегированных сталей.

Легированные проволоки Св – 08Г2С, СВ – 08ХН2М, СВ – 08ХГСМФА и другие включают в себя до шести легирующих элементов с общим содержанием не более 6%. Эти проволоки применяют для сварки и наплавки углеродистых и легированных сталей.

Высоколегированные проволоки СВ – 12Х13, СВ – 06Х19М9Т и другие, всего 41 марка – содержат в своем составе легирующих элементов более 60. Эти проволоки применяют для сварки нержавеющих, жаростойких и других специальных сталей.

Сварочные электроды выпускаются промышленностью как плавящиеся и неплавящиеся. Угольные неплавящиеся электроды изготавливают в виде стержней длиной до 30 мм. и диаметром от 6 до 30 мм. Плавящиеся электроды, занимающие ведущее место в сварке, выпускают покрытыми различными элементами для защиты сварки. По своему назначению покрытия электродов делят на стабилизирующие, или тонкие, и качественные, или толстые.

Стабилизирующие покрытия содержат вещества, атомы которых легко ионизируются и поддерживают устойчивое горение дуги, а также облегчают ее возбуждение, особенно при сварке на переменном токе. Лучше всего ионизируются пары кальция, а также кальция, который входит в состав мрамора и мела в виде углекислого кальция СаСО₃. Наиболее простое и распространенное стабилизирующее покрытие – меловое на 15…20 частей по массе натрового жидкого стекла берут 80…85 частей мела. Покрытие наносят на электрод тонким слоем -0.1 – 0.3 мм, и оно составляет 1…2% от массы электрода. Стабилизирующее покрытия не защищают наплавляемый металл от кислорода и азота, поэтому сварной шов получается сравнительно хрупким, со многими посторонними включениями.

Качественные защитные покрытия предохраняют наплавленный слой от кислорода и азота окружающего воздуха, а легирующие элементы, входящие в состав покрытия, позволяют получить сварной шов, не уступающий по механическим свойствам основному металлу, а иногда и превосходящий его. Эти покрытия наносят на электрод слоем 0.7…2.5 мм. и они составляют 30…75% массы электрода.

Электроды в зависимости от отношения наружного диаметра «Д» к диаметру его стержня «d_э» подразделяют на несколько групп:

М – с тонким покрытием (Д : d_э) < 1.2). б – со средним покрытием (Д : d_э) < 1.45.

Д – с толстым покрытием (Д : d_э) < 1.80).

Г – с особо толстым покрытием (Д : d_э) < 1.80)

Защитные качества покрытия по составу основных входящих в них веществ делят на группы: А – с кислым покрытием; Б – с основным покрытием; П –с покрытием прочих видов.

В соответствии с ГОС9467 – 75 электроды для ручной дуговой сварки подразделяются на несколько типов, в каждой из которых входит несколько марок, обеспечивающих определенное качество сварочного шва. Электроды типа 342, 342А, 346, 346А, 350 , 350А предназначены (марки АНО – 1, АНО – 5, УОНИ – 13/45, УОНИ – 13/55 и др.) для сварки углеродистых сталей с временным сопротивлением разрыву до 500 МПа. Буква А указывает на то, что электрод дает сварочный шов повышенного качества по пластичности ударной вязкости. 

Электроды типа 355 и 360 (марки УОНИ – 13/55 и ИОНИ – 13/65 используют для сварки сталей временным сопротивлением разрыву до 600 МПа.

Электроды типа Э70, Э85, Э100, Э150 (марки УОНИ – 13/85, НИПТ – 3, НИА – 3М и др.) используют для сварки сталей высокой прочности с временным сопротивлением разрыву свыше 600 МПа.

Электроды типа (-1012, Э – 12Г4, Э – Г2ХМ и другие (марки ОЗН – 300, ОЗ – 400У и др)

используют преимущественно для наплавки деталей, работающих в тяжелых условиях ударных нагрузок и повышенного износа.

3.1.3. Выборы электродов и род тока.

Он зависит от толщины и химического состава свариемого материала, от конфигурации детали, расположения накладываемых швов и других факторов. Поэтому марку электрода в каждом конкретном случае должен выбирать квалифицированный специалист по сварке. Общие положения по выбору электродов, силы и рода тока можно свести к следующему.

Стальные детали толщиной менее 5 мм., а также чугун и цветные металлы лучше варить на постоянном токе. При сварке на постоянном токе стабильно горение дуги на малых токах и, кроме того, можно маневрировать полярность тока. Если сваривают такие детали, то чтобы избежать пережога, их подключают к аноду (на минус), а в электрод – к катоду (на плюс). При сварке толстых деталей анод подключают к детали, а катод – к электроду.

Толщину стержня электрода выбирают в зависимости от толщины свариваемой детали. Для сварки металла большей толщины берут электрод с более толстым стержнем электрода. В ремонтной практике используют преимущественно электроды со стержнем диаметром от 2 до 5 мм.

Силу тока ( J ) выбирают в зависимости от толщины стержня электрода по формуле J = (40…50)

3.1.4. Подготовка деталей к сварке.

Важным условием получения качественных сварных соединений является чистота металла сварки. Наличие в металле любых загрязнений (масла, накипи, ржавчины, окислов) ухудшает свариваемость основного и присадочного металлов, шов получается пористым, а соединение непрочным.

Для удаления окисной пленки и поверхностных загрязнений зону вокруг любого дефекта (повреждения) необходимо зачистить до металлического блеска. Это лучше всего сделать ручной электрической и пневматической шлифовальной машиной.

В местах, не доступных для механической обработки, поверхность вокруг повреждения до металлического блеска стальными щетками, специально заточенными шаберами или другими инструментами.

При подготовке к сварке тонких малозаметных трещин зачистку производят не вдоль, а поперек трещин. (рис. 1). При такой зачистке риски, образованные на метал

ле от шлифовального круга, не совпадают с направлением трещины, а пыль, осаждающаяся на трещину, выявляет ее контуры даже в тех местах, где простым глазом можно трещину и не заметить.

Рис.1.

Схема зачистки поверхности круга вокруг трещины перед заваркой. 1 – зона зачистки, 2 – направление движения шлифовального круга, 3 – трещина.

Во всех случаях ширина зачистки должна быть в два – три раза больше ширины накладываемого шва. При заварке трещин в стенках рубашки охлаждения, когда шов предполагается герметизировать эпоксидным клеем, зачистку по обеим сторонам трещины производят на общую ширину не менее 30 мм. Малозаметные трещины необходимо еще накернить, чтобы не потерять их во время сварки из виду.

Если концы трещин расположены в местах где возможны значительные внутренние напряжения детали, то их необходимо засверлить. Это нужно для предупреждения дальнейшего распространения трещины во время сварки и при работе детали.

При толщине стенки (металла) в местах прохождения трещины более 5 мм. ее необходимо разделить, т.е. вдоль ее оси прорезать канавку. Подготовку трещин и других дефектов к заварке лучше всего выполнять непосредственно перед заваркой. Пробоину чаще всего заделывают наложением внахлест заплат. Ее вырезают толщиной 2.5 – 3 мм. Края заплат должны перекрывать пробоину не менее чем на 10 мм. В местах прилегания заплаты поверхность детали необходимо зачистить до металлического блеска. Перед приваркой заплаты по ее середине необходимо немного постучать молотком с тем, чтобы придать ей выпуклость для компенсации разности линейного расширения чугуна и стали при нагреве детали. Края заплаты необходимо плотно подогнать к поверхности детали.

Подготовка отверстий к заварке заключается в зачистке поверхности вокруг них, рассверливании до полного снятия старой резьбы. Глубокие резьбовые отверстия необходимо также рассверлить и разделать на конус с тем, чтобы можно было расплавить металл на всю глубину резьбы. Перед устранением сваркой любых повреждений, где металл находился в зоне соприкосновения с маслом, место сварки полезно подогреть пламенем газовой горелки до температуры 200 – 220 С. Эту операцию проводят быстрыми перемещениями горелки вдоль завариваемого повреждения в течение 1 – 2 мин.

3.1.5. Технология электродуговой сварки.

Основными элементами режима дуговой сварки являются: род, полярность и сила тока, диаметр электрода, напряжение дуги и скорость сварки. Увеличение тока увеличивает, а уменьшение – уменьшает глубину провара. Ширина шва зависит от скорости сварки: увеличение скорости уменьшает ширину шва, а уменьшение скорости увеличивает ее. Уменьшение диаметра электрода при этом тоже повышает плотность, тока и уменьшает подвижность дуги, что увеличивает глубину провара и сокращает ширину шва. При сварке стальных деталей необходимо поддерживать возможно короткой.

Хорошее качество сварки и наплавки стальных деталей во многом зависит от химического состава металла, от содержания в нем углерода и легирующих примесей. Многослойную заварку или наплавку этих сталей ведут так, чтобы при наложении последующего слоя предыдущий не успевал охладиться до температуры ниже 200 С. Углеродистые и низколегированные стали сваривают и наплавляют преимущественно электродами типов Э42 и Э46 с рутиловым покрытием марок АНО – 4, АНО – 5, ОЗС – 4 и др.

При сварке деталей из конструкционных сталей наилучшее качество дают электроды типа Э42А. С фтористокальциевым покрытием УОНИ – 13/45, ОЗС – 2. Для наплавки быстроизнашивающихся поверхностей работающих в абразивной среде, когда необходима их повышенная твердость, лучше применять электроды марок Т – 590, Т – 620, Х – 5. Шов получается менее пластичный , но с твердостью порядка НРС 56 – 62 без термообработки.

Детали с цементированными поверхностями и высокой твердостью восстанавливают электродами ОЗН – 400У и ЦН – 4 (кулачки распредвала, тарелки клапана и др.). Эти электроды обеспечивают твердость слоя НАС 45…55 без керамической обработки. При наплавке распределительный вал частично погружают в воду, чтобы уменьшить коробление и избежать нарушения термической обработки участков, расположенных близко к зоне сварки.

Стальные детали толщиной 2 мм до сотых долей миллиметра успешно сваривают дуговой сваркой неплавящимися электродом с применением специальных транзисторных источников питания типа ПА – 4, АП – 5, АП – 6. Они позволяют вести сварку постоянным импульсом тока прямой и обратной полярности. Пределы регулирования тока в этих аппаратах от 0,05 до 300А.

Баки, автоцистерны и другие сосуды из – под топлива перед сваркой тщательно очищают от следов нефтепродуктов или заполняют отработавшими газами карбюраторных двигателей, предварительно очистив их пропусканием через воду.

Восстановление чугунных деталей сваркой – трудный процесс, обуславливаемый химическим составом чугуна, его структурой и особыми механическими свойствами, которые во многом зависят от того в каком виде находится углерод. Если большая часть углерода содержится в связном состоянии в виде цемента (Fe₃C), то такой чугун более светлого цвета, очень тверд, хрупок и не поддается механической обработке. В сером чугуне часть углерода находится в структурно – свободном состоянии в виде пластичных включений графита. Серый чугун также хрупок, но достаточно мягок и легко поддается обработке. Приближенно все способы сварки чугунных деталей делят на два вида: горячую и холодную.

Горячая сварка. Деталь перед сваркой подогревают, а после медленно охлаждают. Лучшая температура обеспечивающая высокое качество сварки, 600 – 650 С. Скорость охлаждения от начала затвердевания наплавленного металла до 600С должна быть не более 4 С в секунду. При большей скорости охлаждения ухудшается процесс графинизации и проходит отбеливание чугуна. Мелкие детали подогревают до температуры 150 – 200С. Подогрев и охлаждение ведут медленно и равномерно.

Заварку дефекта ведут чугунными электродами больших диаметров (12 – 14 мм) на повышенном сварочном токе (1200 – 1300А), при большой ванне жидкого металла, чтобы создать необходимые условия для удаления газов и неметаллических включений из расплава. Сварку ведут только в нижнем положении шва и без перерыва до полного заполнения трещин. Перед сваркой концы трещин засверливают и вдоль трещин делают разделку швов. Чтобы предупредить растекание жидкого чугуна, их место заварки заформовывают графитными или угольными пластинками. Горячая сварка чугуна очень трудоемка, но обеспечивает хорошее качество наплавленного металла.

Холодная сварка чугуна. Для сварки чугуна стальными электродами применяют многослойную плавку электродами, так называемый способ отжигающих валиков.

Вдоль трещин чугунной детали наносят V – образную глубокую разделку кромок и по обе стороны снимают линейную корку на расстоянии, примерно равной ширине разделки. На первый сварочный валик длиной 40…50 мм. сразу же накладывают второй, отжигающий валик. При наложении второго валика первый больше прогревается и затем остывает с меньшей скоростью. Значительная часть цемента распадается, выделяется график, а закаленная часть шва частично отпускается и нормализуется. Верхний (отжигающий) валик уже меньше подвержен закалке, в результате чего резко снижается твердость всего шва и частично снимаются остаточные напряжения.

Для повышения надежности заварки трещин в сильно нагруженных деталях (КПП, трансмиссия и др.) на раздельных кромках трещин часто ставят в шахматном порядке на резьбе упрочняющие стальные шпильки или скобы. Диаметр шпилек рекомендуется брать в пределах 0.15…0.2 толщины стенки, но не менее диаметра электрода. Расстояние между шпильками берут равным 4…6 диаметра, глульину посадки 2 диаметра, расстояние от кромок не менее 1.5…2 диаметра шпилек. Сначала шпильки обравнивают кругом, а затем наплавляют весь сплошной шов. Первые слои в разделке трещин или обварку упрочняющих шпилек выполняют специальным электродом ЦЧ – 4, а все последующие электродами типа УОНИ – 13/55 или другими из стержней малоуглеродистой стали. Этот способ сварки трудоемок, малопроизводителен. Поэтому, когда не нужна высокая прочность сварочного шва, применяют сварку биметаллическими электродами.

Сварка чугуна электродами на основе никеля ПАНЧ – 11 и ЦЧ – 3А обеспечивают достаточно высокую прочность, отсутствие трещин и хорошую обрабатываемость наплавленного металла.

Сварку чугуна электродами на основе меди ведут во всех случаях, когда не требуются высокая прочность сварного шва. Медно – железные электроды 034 – 2 изготавливают из медного стержня с фтористокальциевым покрытием, в которое добавляют 50% железного порошка. Слой, наплавленный электродами 034-2, представляет собой медь, насыщенную железом с вкраплением закаленной стали, имеющей большую твердость. По границе шва отдельными участками располагаются зоны отбеливания. Несмотря на достаточно высокую твердость, шов можно обрабатывать твердым инструментом.

Медно – никелевые электроды МНЧ – 2 представляет собой стержни из монель – металла (28% меди, 2,5% железа, 1,5 марганца, остальное никель) или из сплава МНМц (40% никеля, 1,5%марганца, остальное медь). Никель этих электродов не образует соединений с углеродом, поэтому наплавленный шов имеет малую твердость и почти отсутствует зона отбеленного чугуна. Наплавленный шов легко поддается обработке, но прочность его низкая, поэтому медно – никелевые электроды часто применяют в сочетании с электродами ОЗЧ – 2. Первый слой, чтобы обеспечить плотность, и последний, чтобы улучшить обработку, наносят электродами МНЧ – 2, а остальное заплавляют электродами ОЗЧ – 2.

Хорошие результаты при холодной сварке чугуна дают электроды АНЧ1 со стержнем из аустенитно хромоникелевой проволоки. СВ – 04Х19Н9 или СВ – 06Х19Н9Т, снабженным медной оболочкой и фтористокальциевым покрытием.

Сварка цветных металлов и сплавов.

Медь и ее сплавы удовлетворительно свариваются электродами марок «Комсомолец – 100», МН – 5 и ОЗБ – 1, а также угольным электродом на постоянном токе прямой полярности и достаточно хорошо свариваются аргонно – дуговой сваркой вольфрамовым электродом.

При сварке латуни и других медно – цинковых сплавов применяют прутки с повышенным содержанием цинка. При сварке выделяются ядовитые пары цинка поэтому необходимы хорошая вентиляция рабочего места сварщика и применение респираторов.

Алюминий и его сплавы.

Легко окисляются на воздухе, и поверхности деталей всегда покрыты плотной пленкой оксида алюминия Al₂O₃, температура плавления которого 2050 С (в то время как температура плавления чистого алюминия 660С). Тугоплавкая и механически прочная пленка оксида алюминия создает основные трудности при его сварке. Кроме того, при нагревании алюминий и сплавы не изменяют цвета, а в расплавленном состоянии характеризуются большой жидкотекучестью что также затрудняют сварку.

В качестве электродов или присадочного материала при сварке чистого алюминия и его сплавов используют прутки или проволоку, по химическому составу близкие к свариваемому металлу. В покрытия электродов или в флюс вводят хлористые и фтористые соли лития, калия, энергично растворяющиеся и отшлаковывающие оксид алюминия. Сварку ведут постоянным током обратной полярности, при которой в результате катодного распыления улучшается условия разрушения оксидной пленки. После сварки во избежание разъединения металла шлак со шва удаляют, промывая горячей или подкисленной водой и тщательно протирая стальными щетками. Перед сваркой поверхность детали обезжиривают бензином или ацетоном и подвергают очистке механическим или ручным способом.

Для сварки чистого алюминия используют электроды ОЗА – 1. Алюминиево – кремнистые сплавы (типа слуин) сваривают электродами ОЗА – 2.  Чтобы избежать коробления, образования трещины и его сплавов перед сваркой подогревают до температуры 200…300°С. Концы трещин в деталях засверливают, а кромки разделывают под углом 60…90°. Для получения мелкозернистой структуры металла шва деталь после сварки медленно охлаждают, а шов слегка проковывают. Внутренние напряжения снимают нагревом до температуры 300…350°С с последующим медленным охлаждение.

Аргонно-дуговая сварка вольфрамовым электродом дает возможность поучать хорошие результаты сварки алюминия и его сплавов без применения флюса. Однако оксидную пленку и загрязнения с поверхности детали перед сваркой требуется удалять более тщательно, чем при использовании флюса.

Аргонно-дуговая сварка - разновидность сварки в инертных газах. Сущность ее заключается в том, что зону сварки в электрод защищают от воздуха аргоном, гелием или их смесями. Инертные газы хорошо ионизируются и создают условия для устойчивого горения дуги. Преимущества такой сварки: надежная защита зоны сварки от действия кислорода и азота окружающего воздуха, более высокая производительность сварки из-за большей тепловой мощности дуги и, самое главное, возможность сварки многих трудносваривающихся металлов и сплавов, в том числе разнородных. Этим способом сваривают нержавеющие стали, алюминий и его сплавы, магнитные и жаропрочные сплавы, титан, медь, латунь, бронху и другие металлы. При данной сварке используют неплавящиеся и плавящиеся электроды.

В качестве неплавящихся электродов применяют вольфрамовые стержни диаметром от 0,8 до 6 мм или также стержни с добавлением оксида циркония, лантана или тория, которые более стойкие, чем чисто вольфрамовые.

Для сварки цветных металлов и легированных сталей толщиной до  2,5 мм используют горелки ЭЗР-З-66 с естественным воздушным охлаждением. Для сварки крупных деталей из чугуна и легированных сталей применяют горелки с водяным охлаждением типа ГНР-100, ГНР-315 и др.
3.2.2.                                                                                                                                                                                                                                                                     Газоплазменная сварка и наплавка.


К газоплазменной сварке и наплавке относятся процессы нагрева и расплавления металлов пламенем, получаемых от горения различных горючих газов (ацетилена, метана, пропана и др) в технически чистом кислороде. Способ разработан в конце 19 столетия.
Недостатки газовой сварки – это меньшая, чем при дуговой сварке, скорость нагрева и расплавления металла, большая зона теплового воздействия в связи с этим большая возможность коробления свариваемого изделия. При сварке крупных изделий толщиной более 6…8мм. производительность по сравнению с дуговой сваркой значительно ниже, поэтому газовую сварку применяют преимущественно для соединения и наплавки тонких деталей. Себестоимость сварки выше.

Преимущества газовой сварки – сравнительно простое и недорогое оборудование. Для газовой сварки – сравнительно простое и недорогое оборудование. Для газовой сварки и наплавки в большинстве случаев используется, ацетилен, при сгорании в кислороде он дает температуру пламени до 3150С, а другие газы 2000…2300С.

Ацетилен получают при взаимодействии карбида кальция с водой в генераторе. Однако применение ацетилена ограниченно дороговизной (он в 15…20 раз дороже других горючих газов) и взрывоопасностью. Ацетилен и другие горючие газы смешивают с кислородом в необходимых количествах с помощью газовых горелок. Для полного сгорания ацителена кислорода требуется несколько больше (по объему), примерно на 10…30%. Ацетиленокислородное пламя имеет три ярко выраженные зоны с различной температурой и легко регулируется по внешнему виду. В зависимости от изменения подачи кислорода преобразуется форма пламени и всех трех его частей. Изменяя соотношение ацетилена и кислорода можно получить три основных вида пламени: нормальное, или восстановительное (кислорода 1.1…1.2), окислительное (с избытком кислорода более 1,3) и науглероживающее (с избытком ацетилена, соотношение менее 1,1). Наиболее ярко выражены все три части нормального пламени. Обычно этим пламенем и ведут сварку.

Особенности технологии газовой сварки и наплавки. Газовую сварку в основном используют для стыковых соединений и некоторых видов наплавочных работ. Особо удобное соединение для газовой сварки – стыковое с отбортовкой кромок, его выполняют без применения присадочной проволоки. Металл толщиной менее 4мм. можно сваривать без скоса кромок. При сварке металла толщиной 5 – 15мм. необходим скос кромок под V – образный шов с общим углом раскрытия 70 - 90º, а при толщине более 15мм. по Х – образный шов с таким же углом раскрытия по обе стороны.

Сварка и наплавка сталей большинства марок осуществляется нормальным пламенем. Наплавленный шов проковывают в горячем состоянии при температуре 850 - 900ºС (светло – красные) и затем нормализуют, то есть нагревают до 900ºС и охлаждают на воздухе. Малоуглеродистые стали сваривают пр. Углеродистые стали сваривают проволокой СВ – 08А и СВ – 08ГА. Для сварки высокоуглеродистых и легированных сталей, а также для получения шва наплавки повышенной твердости применяют проволоки СВ – 08Г2С, СВ – 12ГС, СВ – 18ХГСА и флюсы. В качестве флюсов используют буру, кремневую и борную кислоты и другие вещества. Перед сваркой детали нагревают до температуры 250 - 300ºС.

Сварка чугуна. При газовой сварке медленнее и равномернее нагревается и охлаждается деталь. В результате этого в наплавленном металле и на его границах создаются лучшие условия для графитизации углерода, уменьшается вероятность отбеливания чугуна, возникновения внутренних напряжений и появления трещин. Обычно газовую сварку сопровождают общим и местным подогревом детали. В качестве присадочного материала используют чугунные стержни диаметром 4, 6, 8, 10, 12мм. Для сварки мелких деталей применяют чугунные стержни марки Б, а для крупных стержней марки А. Сваривают чугун нормальным или науглероживающим пламенем при расходе ацетилена на 1мм. толщины металла 100 – 120 дм³/ч.

Для удаления из сварочной ванны оксидов кремния, железа и марганца используют флюс из смеси: буры 56%, соды и поташа по 22% или прокаленной буры 23%, углекислого натрия 27% и азотнокислого натрия 50%. Флюсы подсыпают в сварочную ванну, а пруток в процессе сварки чаще погружают в флюс. Хорошие результаты дает сварка чугуна газовым пламенем с применением прутка из латуни Л62, флюса из буры или смеси буры (50%) и борной кислоты (50%).

Сварка меди и ее сплавов. Медь и бронзу сваривают только нормальным пламенем. В качестве присадочного материала при сварке меди используют проволоку из чистой меди или меди, содержащей до 0,2% фосфора и до 0,3% кремния, а при сварке бронзы – проволоку, близкую по составу к свариваемой бронзе. Для раскисления оксидов применяю флюсы, содержащие чистую буру или смесь буры (50%) и борной кислоты (50%). Чтобы улучшить структуру наплавленного шва, его проковывают при температуре 200 - 300ºС, затем отжигают при температуре 500 - 550ºС и быстро охлаждают водой.

Латунь сваривают пламенем и избытком кислорода до 30 – 40%. Для удаления оксидов меди и цинка используют флюсы следующих составов: борная кислота – 35%, фосфорнокислый натрий – 15%, остальное – плавленая бура или борная кислота 80% и плавленая бура – 20%, или специальные жидкие флюсы БМ – 1 и БМ – 2. Последние через специальный сосуд – флюсопитатель – подают в горелку вместе с ацетиленом. Пары флюсов ядовиты, поэтому сварщик должен работать в респираторе, а место сварки следует оборудовать местной вытяжкой. В качестве присадочного материала используют проволоки ЛК62 – Ф5, ЛОК59 – 1 – 03,содержащие в своем составе раскислители – олово и кремний.

Сварка алюминия и его сплавов. Их сваривают газовой сваркой только нормальным пламенем. Присадочную проволоку применяют такого же состава как свариваемый металл. Для удаления пленки оксида алюминия используют флюсы АФ – 4А, АН – 4А, АН – А201, содержащие хлористые и фтористые соли лития, натрия, калия и бария. После сварки остатки флюса удаляют горячей водой. Оксидную пленку можно удалять так же специальным скребком. В этом случае сварщик должен иметь большой навык, так как в шов могут попадать остатки оксидной пленки и вызывать несплавление металла.

3.3. Механизированные способы электродуговой сварки и наплавки.

3.3.1. Автоматическая наплавка под слоем флюса один из прогрессивных и широко применяемых способов восстановления деталей на ремонтных предприятиях. Сущность способа заключается в следующем. К дуге 7, образующейся между электродами 6 и поверхностью вращающейся детали 1(рис.1), через мундштук 5 специальным устройством (автоматом) непрерывно подается электродная проволока, а из бункера 4 слоем 50 – 60мм насыпается гранулированный флюс. Дуга, утопленная в массе флюса, горит под жидким слоем 2 расплавленного флюса в газовом пространстве 3. Жидкий слой флюса 2 надежно предохраняет расплавленный металл от окружающего воздуха, в большей степени уменьшает разбрызгивание металла, улучшает формирование шва 9, использование теплоты дуги и материала электродной проволоки. Шлаковая корка 8, образующаяся при остывании, замедляет охлаждение расплавленного металла и улучшает условия формирования его структурных превращений. Небольшой вылет электрода (расстояние от мундштука до детали) дает возможность увеличить плотность применяемых сварочных токов до 150 – 200 А/мм². Значительно улучшаются условия труда сварщика. Потеря на угар и разбрызгивание металла при наплавке под слоем флюса не превышает 2% от массы расплавленного металла. Коэффициент наплавки составляет 14 – 16 г/А.час, т.е в 1,5 – 2 раза выше, чем при ручной сварке.

Недостатки сварки под слоем флюса – невидимость дуги и значительный расход стоимости флюса. Наплавка деталей диаметром менее 80мм. затруднительна, а диаметром менее 40мм. совсем невозможна.

При автоматической наплавке используются плавленые и наплавленные керамические флюсы, а так же флюсы – смеси. Плавленые флюсы  представляют собой сравнительно сложные силикаты, но своими свойствами близки к стеклу. Температура их плавления не более 1200 С. В состав плавленых флюсов не входят ферросплавы, свободные металлы, углеродистые вещества. Эти флюсы, как правило слабые раскислители. Применяют плавленые флюсы марок АН-348, ОСЦ-45 и АН-15, содержащие в своём составе 35-43%  закиси марганца.

Керамические флюсы по своему составу и способу приготовления во многом сходны с качественными (толстыми) покрытиями электродов. Эти флюсы наряду с защитными содержат легирующие и модернизирующие элементы. Наибольшее применение для наплавки деталей получили флюсы АНК-3, АНК-30, АНК-18, АНК-19 и ЖСН-1.

Флюсы смеси приготовляют преимущественно из плавленых и керамических, в различных соотношениях.

Электродная проволока для наплавки изношенных деталей под флюсом выбирается принципиально также, как и при ручной наплавке. Кроме сварочной проволоки типа СВ, используют специальную наплавочную проволоку типа Нп (Мп-30, Нп-50Г, НП-30Х5, НП-45Х4ВЭФ др.).

Порошковые проволоки представляют собой непрерывный электрод диаметром 2,5-5,0 мм, состоящий из металлической оболочки, заполненной порошком. В качестве наполнителя применяют смесь металлических порошков, ферросплавов, шлако- и газообразующих элементов. Изменение состава наполненных порошков позволяет с достаточно большей точностью получать необходимое качество наплавленного слоя без дополнительной защиты зоны наплавки флюсом или другим способом.

3.3.2. Автоматическая наплавка в среде защитных газов.

В случаях, когда невозможно или слишком дорого применять сварку под слоем флюса, используют другие защитные среды: аргон, углекислый газ, пар и т.п. Наибольшее применение получил углекислый газ. При сварке газ подаётся в зону сварки из специальных горелок, а также с помощью специального аппарата, предназначенного для сварки в средне углеродистого газа. Газ оттесняет воздух и защищает зону сварки от воздействия азота и кислорода.

Преимущества способа: обзор места сварки, отсутствие шлаковой корки, дешевизна углеродистого газа, возможность использования способа при ремонте кузова,  кабин машин..

Недостатки способа: повышенная податливость наплавленного слоя к образованию трещин, а также выгоранию легирующих элементов.

Вибродуговая наплавка-разновидность автоматической наплавки  под слоем флюса и в защитных газах.

Она отличается тем, что сварку ведут проволочным электродом с частотой 50-110 колебаний в секунду. Амплитуда колебаний электрода относительно наплавленной детали обычно составляет 1-3 мм.

При вибродуговой наплавке происходит мелкокапельный переход металла с электрода на деталь, образуется минимально возможная сварочная ванна, способствующая достаточно хорошему плавлению электродного металла с основным, небольшому нагреву детали и созданию малой по глубине зоны термического влияния.

Недостатки: пористость слоя и неоднородность по твердости и структуре металла, что снижает прочность деталей почти в 2 раза.

3.3.2. Плазменно-дуговая сварка и наплавка.

Плазма-это высокотемпературное сильнее ионизированное вещество. Ионизация вызывается либо действие высоких температур электрической дуги, либо действием электрического поля высокой частоты.

Устройство, в котором получают плазменную струю (сжатую дугу), называют плазменной горелки или плазмотроном. Возможны три схемы плазмообрабатывания, дугой косвенного действия и комбинированной дугой.

Горелка прямого действия.  Дуга, горящая между неплавящимися вольфрамовым электродом  и деталью подключенной к аноду, сжимаются узким каналом водоохлаждаемого сопла и  плазмообразующим газом, поступающим в пространство. Часть газа, проходя через столб сжатой дуги, ионизируется и выходит из сопла в виде плазменной струи. Температура плазменной струи, образующейся в горелке прямого действия, может достигается более 30000˚С. Такую схему применяют при резке металлов и других операциях, требующих повышенного нагрева детали.

Горелка косвенного действия. Дуга горит между неплавящимся соплом. Нагретый и в значительной степени ионизированный газовый поток выходит из сопла в виде яркого факела пламени температурой до 15000˚ С. Здесь большая часть энергии расходуется на нагрев газового потока, но интенсивность его теплового воздействия ниже, так как с возрастанием тока увеличивается поверхность столба свободной дуги и теплопередачи в окружающую среду, Схему косвенного действия применяют для поверхностной закалки, металлизации и напыления тугоплавких металлов и соединений.

Горелка комбинированного действия. Дуга горит – между неплавящемся вольфрамовым электродом и водоохлаждаемым каналом и между тем же электродом и деталью. Эта схема получила распространение при наплавке деталей порошком, вдуваемым в струю плазмы.

Характерная особенность плазменной струи высокая температура факела, возможность концентрации большой тепловой мощности на небольших объемах материалов, пригодность для плавления и даже испарения практически любых материалов, встречающихся в природе, меньше чем при других видах наплавки, зона термического влияния возможность  получения наплавленного слоя толщиной от 0. мм до нескольких миллиметров. Получены хорошие результаты  наплавки бронзы и латуни на сталь. Содержание их в слоях железа не превышает 0.5%. На малоуглеродистые и низколегированные стали наплавляют любые износостойкие материалы с минимальными примесями основного металла.

При помощи плазменной струи, кроме нанесения покрытий, выполняют сварку, резку и точение металлов, а также проводят металлургические процессы плазменным нагревом.

В качестве плазмообразующего газа используют аргон, а наиболее дешевым азотом. Для защиты зоны наплавки применяют эти же газы, их смеси, а также углекислый газ.

В качестве наплавляющего электрода в горелках всех типов используют  вольфрамовые стержни. Более стойкие – вольфрамовые стрежни с присадкой 1-2% оксида лантана.

Наплавочными материалами могут быть проволоки и металлические порошки всех видов.

При плазменной наплавке успешно применяют дорогостоящие порошки на никелевой основе ПГ-СР2, ПГ-СР3, ПГ-СР4, твердосплавные порошки на железной основе ПГ-ФБХ-Б-2, КХБ, ПГ-УС25 и другие, а также смесь различных порошков.

Оборудование для плазменной наплавки включает в себя источник питания тока (полупроводниковый выпрямитель типа ИПН-00/600), плазменную горелку, пульт управления и контроля, баластные реостаты (типа РБ-300), досель, Механизм для подачи порошка или проволоки, система циркуляции воды, баллоны с плазмообразующим и защитным газом и станок для перемещения детали к плазменной горелки.

3.3.3. Металлизация. Сущность процесса.

Расплавленный металл распыляется  струёй инертного газа или воздуха на частицы размером от   3 до 300 мкм и со скоростью 100-300 м/с наносится на специально подготовленную поверхность. Соединение с основным металлом детали происходит за счет механических и частично молекулярных связей. Нанесенное покрытие представляет собой пористый, хрупкий слой металла сравнительно высокой твердости и низкой механической прочности.

Слой хорошо пропитывается смазочным материалом и в условиях небольших линейных нагрузок имеет высокую износостойкость. Но при больших удельных нагрузках на сдвиг и сжатие (резьбы, зубья шестерен и др.), а также в условиях полного отсутствия смазочного материала (сцепление, тормоза) металлизационное покрытие быстро разрушается. Поэтому восстанавливать такие детали с металлизацией нельзя.

В зависимости от способа расплавления наносимого материала метализацию называют электрической (расплавления электрической дугой или т. в. ч.), газопламенной (расплавление газовым пламенем) и плазменной (рассплавление плазменной струей). Аппараты с помощью которых расплавляют и наносят металл, называют меттализатороми.

Поверхность под металлизацию тщательно очищают от грязи, влаги, оксидов и обезжиривают. Прочное сцепление покрытия получается главным образом за счет шероховатости поверхности, которая создается специальной обработкой.

Поверхность детали и пористость металла обезжиривают нагревом. Например, чугунные детали нагревают до температуры 200-250 С и выдерживают до полного удаления смазки в течении 2-8 ч.

Лучший способ подготовки поверхности детали любой твердости обдувка крошкой из оксида алюминия с размерами зерен 0.8-1.2 мм и нанесение промежуточного слоя из смеси никеля с алюминием. При нанесении этой смеси так же способом металлизации между никелем и алюминием происходит экзотермическая реакция и протекает она довольно медленно. В момент ударения наносимых частиц  о поверхность детали их температура достигает 1450 С.

В результате этого слой, состоящий из никеля и их оксидов, прочно приваривается к поверхности и образует  шероховатость, которая создает условия для надежного сцепления последующего металлизационного слоя с этой поверхностью. Смесь никеля с алюминием применяют в виде порошка и порошковой проволоки, оболочка которой выполнена из никеля, а в качестве наполнителя используется алюминиевый порошок, или наоборот.

Восстановление деталей электроконтактной приваркой

металлического слоя.

Для восстановления деталей применяют электроконтактные процессы, при которых присадочный материал в виде ленты толщиной 0.4-05 мм, проволоки диаметром до 2.0 мм или порошка приваривается или напекается контактным способом на поверхность детали. При этом присадочный металл расплавляется лишь частично в месте соприкосновения с поверхностью детали.

Благодаря наличию специального прерывающего устройства или с помощью конденсаторов ток подается кратковременным импульсом, который вызывает разогрев присадочной проволоки и детали в месте контакта, рас плавление их тончайших поверхностных слоев и сваривание. Основное преимущество этого способа состоит в том, что сварка происходит при небольшой глубине плавления и малом тепловом воздействии на деталь (не более 0.3 мм). К недостаткам следует отнести ограниченность наплавленного слоя изложенность установки.

Сварка трением. Одна из свариваемых деталей закрепляется в патроне и приводится во вращение, а вторая деталь установлена неподвижно, но прижимается к первой  с определенным усилием.

Под действием сил трения происходит разогрев свариваемых деталей в месте их контакта. Когда температура деталей достигает 100-300 С, мгновенно прекращается вращение и проводят осадку (проковку) одной из деталей, часть металла выдавливается из зоны сварки и образуется валик вокруг места сварки.

Достоинство сварки- хорошее качество соединения, малое потребление энергии, простота механизации и автоматизации и др.

Недостаток- ограниченность формы и размеров свариваемых деталей.





4. Содержание работы.

4.1. Пользуясь учебными материалами, находящимися в лаборатории (плакаты, диафильмы, учебные пособия) изучить восстановление деталей сваркой и наплавкой и другими специальными методами.

4.2. Составить отчет в письменном виде и сдать преподавателю.

5. Содержание отчета.

5.1. Отразить виды восстановления электродуговой сваркой, газовой сваркой и наплавкой.

5.2. Изучить газопламенную сварку и наплавку.

5.3. Ознакомится с контрольными вопросами и дать полный ответ (устно).

6. Контрольные вопросы.

1.                                                                                                                                                                                                                                                                                   Как выбрать электроды, придаточные материалы и режим для сварки или наплавки стальных деталей?

2.                                                                                                                                                                                                                                                                                   Как сваривать и наплавлять деталь, чтобы деформация их была

3.                                                                                                                                                                                                                                                                                   Каковы особенности сварки чугунных деталей?

4.                                                                                                                                                                                                                                                                                   Каковы общие правила холодной и горячей сварки чугуна?

5.                                                                                                                                                                                                                                                                                   Каковы особенности и технология сварки алюминиевых деталей?

6.                                                                                                                                                                                                                                                                                   Какова сущность электродуговой сварки под слоем флюса и какие электродные материалы, флюсы и режим наплавки применяют при этом?

7.                                                                                                                                                                                                                                                                                   Сущность вибродуговой наплавки.

8.                                                                                                                                                                                                                                                                                   В чем сущность и как осуществляется электроконтактная приварка проволоки (ленты) и напекания металлических порошков?

9.                                                                                                                                                                                                                                                                                   В чем сущность процесса плазменной наплавки?
Литература

1. Ульман И.Е. «Ремонт машин». Москва, «Колос», 1982г.

2. Бабусенко С.М. «Ремонт тракторов и автомобилей». М., «Агропромиздат»,1987г.