Продолжение. Страница 3.
Н.В. Храмцов.Металлы и сварка.
 

Механизированная наплавка и сварка.

При производстве труб и строительных конструкций, при ремонте изношенных  шеек коленчатых валов, шпоночных канавок, шлицов и шеек валов редукторов и коробок перемены передач строительно-дорожных машин, деталей ходовой части гусеничных машин и других деталей широко применяется механизированная наплавка и сварка.

Наиболее распространены следующие способы наплавки: под слоем флюса, в средах углекислого газа, аргона и смеси защитных  газов, электрошлаковая, электроконтактная, плазменная, вибродуговая, порошковая, приварка ленты.

Процесс наплавки под слоем флюса очень производительный по двум причинам:
1.Сварочный ток (150...200 А/ мм2  на единицу площади проволоки) из-за небольшого вылета электрода в 7...8 раз превышает значения  тока при ручной  электродуговой  сварке.
2.Коэффициент наплавки в 1,5...2 раза выше  чем при ручной электродуговой сварке,  т. к. флюс и расплавленный шлак снижают потери тепла и металла на разбрызгивание и угар( не превышают 2% от массы расплавленной проволоки).

В качестве электрода используют голую сварочную проволоку диаметром 1...6 мм. Подачу проволоки ( 100...300 м/час) регулируют с помощью специального устройства.
При наплавке под слоем флюса чаще всего используют обратную полярность : через медный мундштук плюс от  источника тока подводится к проволоке, а минус через станину и токосъемник — к детали.
Для увеличения производительности наплавки применяют многоэлектродную наплавку или наплавку ленточным электродом. В первом случае подаются через специальный мундштук или двумя полуавтоматами две проволоки. Ленточным электродом можно наплавлять слой металла шириной до 100 мм. В качестве защитных газов при сварке используются аргон, углекислый газ, смеси газов и водяной пар. Из-за высокой стоимости аргона  наибольшее распространение на заводах сварных строительных  и машиностроительных конструкций  получила наплавка в среде углекислого газа.
Углекислый газ, подаваемый в зону сварки, оттесняет воздух и тем самым защищает сварной шов от азота и кислорода. Однако углекислый газ при высокой температуре электрической дуги ( до 6000 °С)  разлагается на окись углерода и кислород, поэтому выгорают углерод и легирующие элементы в наплавляемом металле
Негативные последствия этого устраняются применением специальной сварочной проволоки Св-08ГС, Св-10ГС и др.  диаметром 0,8...1,2 мм., содержащие легирующие добавки кремния, титана и марганца.

В настоящее время для защиты сварочной дуги от вредного воздействия воздуха все шире начинают использовать защитные газовые смеси, состоящие из углекислого газа СО2 и аргона Аr.

Электрошлаковая наплавка используется для ремонта деталей, имеющих большой износ (катки и гусеницы трактора,...), дает наибольшую из всех видов сварки плавлением производительность наплавки (Кн = 25...30 г/А ч по сравнению с 7...2  г/А ч ручной электродуговой сварки) и позволяет получить наплавленный металл высокого качества.

Вибродуговая наплавка выполняется колеблющимся электродом с частотой 50...100 гц и с амплитудой 1...3 мм. Колебания электрода оказывают существенное влияние на протекание процесса наплавки, состоящего из чередования циклов горения дуги, холостого хода и короткого замыкания.

Сварка трением используется при изготовлении деталей, имеющих  форму тел вращения, и  в крупносерийном ремонтом производстве. Этим способом восстанавливаются шаровые пальцы, тяги. Широко применяется сварка трением при изготовлении и ремонте режущего инструмента (сверл, метчиков, фрез, разверток).Этим способом свариваются круглые стержни и трубы, выполняется их приварка к  поверхностям деталей.

Электронно-лучевая сварка из-за технологической сложности не получила широкого распространения, но является перспективной вследствие высокой производительности, малой зоны термического влияния и хорошего качества сварного шва.Сварка проводится  в вакуумной камере, где и помещается деталь перемещающаяся со скоростью сварки. Переменный ток низкого напряжения нагревает вольфрамовый катод, который испускает электроны, электрическим или магнитным полем фокусирующие в электронный луч. Для усиления эмиссии к детали и катоду подводится выпрямленный ток высокого напряжения. В результате получается узкий и глубокий шов и малая зона термического влияния.
 
Плазменная сварка и наплавка.
Плазменная сварка и наплавка  является наиболее прогрессивным способом восстановления изношенных деталей машин и нанесения износостойких покрытий (сплавов, порошков, полимеров,...) на рабочую поверхность при изготовлении деталей.
Плазмой называется высокотемпературный сильно ионизированный газ, состоящий из молекул, атомов, ионов, электронов , световых квантов и др.
При дуговой ионизации газ пропускают через канал и создают дуговой разряд, тепловое влияние которого ионизирует газ, а электрическое поле создает направленную плазменную струю. Газ может ионизироваться также под действием электрического поля высокой частоты.
Газ подается при 2...3 атмосферах, возбуждается электрическая дуга   силой  400...500 А и напряжением  120...160 В. Ионизированный газ достигает температуры 10...18 тыс.°С, а скорость потока - до 15000  м/сек. Плазменная струя образуется  в специальных горелках - плазмотронах. Катодом является неплавящий вольфрамовый электрод.
Достоинствами плазменной наплавки являются :
1.Высокая концентрация тепловой мощности и возможность минимальной ширины зоны термического влияния.
2.Возможность получения толщины наплавляемого слоя от 0,1 мм до нескольких миллиметров.
3.Возможность наплавления различных износостойких материалов (медь, латунь, пластмасса) на стальную деталь.
4.Возможность выполнения плазменной закалки поверхности детали.
5.Относительно высокий К. П. Д.  дуги (0.2 …0.45).
 
Контактная электрическая сварка. 
Контактная сварка -это один из наиболее  эффективных, экономичных, высокомеханизированных и автоматизированных способов сварки, обеспечивающих высокую  прочность, качество и надежность сварного соединения и широко используемых  в строительстве для  сварки  арматуры, трубопроводов, рельсов и т.д. Изготовление наиболее дорогих и сложных узлов легковых и грузовых автомобилей - кузовов и кабин тоже основывается на электроконтактной сварке.
Многие конструктивно сложные детали в машиностроении изготовляются путем точечной сварки штампованных из листового проката заготовок.
Способы электроконтактной сварки подразделяются на три группы: стыковая, точечная и шовная.
 
Электроконтактная сварка деталей выполняется следующим образом: детали сжимают усилием  Р, через стык их пропускается электрический ток J в течении времени t , происходит нагрев металла в зоне контакта до температуры плавления,  выключается электрический ток, деталь охлаждается и кристаллизуется  сварной шов, снимается  нагрузка. Количество тепла, выделившегося  при прохождении электрического тока находится по формуле:
Q= J2 R t, Дж.

Стыковой  сваркой свариваются арматурные стержни, полосы, трубы, фланцы, швеллера, рельсы. Применяются  три разновидности стыковой сварки:
сопротивлением, непрерывным и периодическим оплавлением.
При сварке непрерывным оплавлением после сжатия  деталей производят нагрев стыка до его оплавления электрическим  током. С торца выдавливается жидкий металл, а с ним окислы  и загрязнения с поверхности контакта, поэтому особой подготовки детали перед сваркой не надо. После выключения электрического тока кристаллизуется расплавленный металл и образуется сварной шов.

Точечная сварка используется в основном для сварки листовых конструкций, соединения пересекающих стержней (арматура железобетонных конструкций). Суммарная толщина листов обычно не превышает 10...12 мм (возможна до 20 мм  для листовой  сварки), а других элементов до 30 мм.

Шовная контактная сварка применяется для получения прочных и герметичных швов (тонкостенные сосуды, тонкостенные сварные трубы...) Листы толщиной 0,3...3 мм собирают внахлестку, сжимают двумя медными роликами, пропускают через них электрический ток, ролики вращаются, листы или ролики перемещаются, происходит контактная сварка.
Два способа шовной сварки: непрерывная и прерывистая.
При непрерывной контактной сварке изделий из малоуглеродистой стали  толщиной менее  1мм выполняется  непрерывная подача электрического тока. Для более толстых изделий используется прерывистая сварка: ролики вращаются непрерывно, а ток подается периодическими импульсами; образуется ряд непрерывных точек, которые перекрывая  друг друга в итоге образуют  сплошной сварной шов.
 
Конденсаторная сварка. Энергия накапливается в конденсаторах, которые разряжаются или непосредственно через  изделие или через дополнительный  трансформатор на изделие.
Чаще всего используется второй способ. Конденсаторной сваркой соединяют металлические детали  толщиной 0,005...2 мм., но можно приварить тонкий металл (толщиной  0,2...0,3 мм ) к металлическим деталям большой толщины (до  10...15 мм). Конденсаторные установки имеют маленькую  мощность и обеспечивают высокое качество сварных соединений.
 
Металлизация.
Металлизация это процесс нанесения мелких частиц металла, нагретого каким либо способом до расплавления, и распыленных  газом, на поверхность детали.
Металлизация в основном используется для декоративных целей, для заделки трещин и пор в корпусных деталях и реже — для восстановления деталей.
Процесс является высокопроизводительным и экономичным, позволяет наносить покрытия от долей миллиметра и до нескольких миллиметров, не вызывает тепловых деформаций (деталь нагревается не свыше 200 °С).

Проволока или порошок непрерывно подаются в зону нагрева, где расплавляются, подхватываются и распыляются струей инертного газа или воздуха на частицы размером от 3 до 300 мкм , которые  со скоростью 150...300 м/сек ударяются в специально подготовленную (рваная резьба, канавки, пескоструйная обработка, анодно-механическая обработка и др.) поверхность детали, где расплющиваются  и заклиниваются в неровностях поверхности  с образованием молекулярных связей.
Величина молекулярных связей между частицами больше, чем между частицами и деталью, поэтому слабым участком является недостаточное сцепление покрытия с деталью.
При полете частица окисляется и закаляется, вследствие этого покрытие имеет большую твердость и хрупкость. Из-за этого, а также особой подготовки поверхности к металлизации покрытие, имея хорошую износостойкость (поры пропитываются маслом, а поверхность имеет  высокую твердость), не может работать в условиях знакопеременных нагрузок.

Металлизация в зависимости от способа расплавления металла разделяется на газовую, электродуговую, высокочастотную и плазменную.
При электродуговой металлизации две изолированные проволоки подаются с одинаковой скоростью, между ними возбуждается электрическая дуга, металл плавится, газ распыляет металл и подает частицы металла  к детали.
При газовой металлизации чаще всего используется ацетилено-кислородное пламя, которое расплавляет сварочную проволоку, а сжатый воздух или инертный газ распыляет и наносит частицы на поверхность. При газовой металлизации получается мелкий распыл, но оборудование относительно сложнее, чем при электродуговой металлизации.
Электродуговая металлизация это высокопроизводительный процесс, однако разбрызгивается металла  до 40…60%.
 
Пайка и заливка металлов.
Пайка является широко распространенным процессом, как при изготовлении, так при ремонте деталей. Этот способ известен людям уже 3...5 тысячь лет. При раскопках находят паянные медно - серебренным припоем трубы, украшения, оружие. Пайка является незаменимым процессом в радиоэлектронике, самолето- и ракетостроении, автотракторостроении. С помощью пайки изготовляются радиаторы, трубопроводы, электрооборудование и др. Процесс пайки легко поддается механизации и автоматизации. Пайкой называется процесс соединения металлических поверхностей, находящихся в твердом состоянии, расплавленными припоями, которые заполняют зазор между поверхностями и образуют паянный шов при кристаллизации.

Пайка выполняется в следующей последовательности:
нагрев спаиваемых деталей до температуры, близкой к температуре плавления припоя;
расплавление припоя и нанесение его на предварительно обработанные детали;
заполнение припоем шва;
растворение основного металла в расплавленном шве и взаимная диффузия металлов, кристаллизация шва.
Для выполнения пайки необходимо, чтобы частицы расплавленного припоя вступали в прочный контакт с поверхностями соединяемых деталей. Капля расплавленного припоя растекается по поверхности до определенного предела. Пайка возможна, когда припой хорошо смачивает твердое тело. Если жидкость не смачивает твердое тело, то пайка невозможна. Хорошего смачивания можно добиться соответствующей подготовкой поверхности ( механическая обработка для удаления окислов, обезжиривание для удаления жировых загрязнений)  и подбором припоя и флюса.

Хотя процесс пайки является в некоторой степени родственным сварке, но имеет ряд отличий:
1. При пайке не плавится основной металл, а только припой, в то же время  при сварке плавится свариваемый и присадочный материал. Шов образуется без расплавления кромок паяемых деталей.
2. Образование шва при пайке происходит за счет заполнения расплавленным припоем капиллярного зазора между поверхностями и взаимной диффузии металлов.
 
Газовая сварка и наплавка.
Источником тепла при газовой сварке является пламя, получаемое при сгорании горючих газов в технически чистом кислороде.
В качестве горючих газов применяются ацетилен, природный газ, пропан-бутан, пары бензина и керосина и др. Из-за простоты выполнения сварки и получения высокой температуры пламени чаще всего используется ацетилено-кислородная сварка.
Газовая сварка и наплавка уступает электродуговой по следующим позициям.
1.Большая зона теплового влияния приводит к большим деформациям детали при сварке.
2.Расходы  на газ выше, чем расходы на электроэнергию.
3.Трудность механизации и автоматизации.
4.Ниже по производительности, т.к. максимальная температура в зоне горения газа (ацетилена) - 3150 °С, а в зоне горения электрической дуги-6000 °С
5.Взрывоопасность горючих газов и кислорода.

Несмотря на эти недостатки газовая сварка широко используется при ремонте машин, т.к. эффективна при сварке тонколистового материала кабин, кузовов, баков и  радиаторов, чугунных и алюминиевых деталей, при ремонте и монтаже трубопроводов. Достоинствами газовой сварки являются простота  и высокая транспортабельность оборудования, возможность выполнения работ при отсутствии электросети, удобство регулирования процессом во время сварки. Немаловажной является возможность использования газового пламени для пайки и резки металлов.
 
Резка металлов.
При изготовлении строительных конструкций, при монтажных работах и ремонте машин необходимо разрезать сортовой прокат, элементы конструкций, детали машин.
Используются следующие способы резки.
1. Механические:
-ручные ( зубило, ножовка, ножницы по металлу,...);
-механизированные ( фреза, резец, сверло, механическая ножовка, штамп, отрезной круг, механические ножницы-«гильотины»,...).
2. Электродуговая резка.
3. Газовая (кислородная) резка.
4. Плазменная резка.

Ручные способы резки металлов применяются в основном в бытовых условиях.
При небольших объемах работ эффективно использование отрезных (бакелитовых  и др. ) кругов: шов получается ровный, нет деформаций металла, но относительно низкая производительность процесса и требуются повышенные меры безопасности при резке металлов.
При резке в условиях строительной площадки, при монтаже и  демонтаже конструкций наиболее  эффективна кислородная резка.

На машиностроительных заводах и заводах строительных конструкций применяются в основном штампы для листовой штамповки металла и «гильотины» для разделки проката ( листов, круга,  шестигранника, швеллера,...).
Применяются три способа кислородной резки металлов:
1. Разделительная для получения сквозных резов при  раскрое листов, вырезки заготовок из сортового проката, фланцев и т.д. На нижней части шва образуется «грат»-приваренные окислы,шлаки. Безгратовая  резка получается при использовании кислорода высокой  (0,995) степени очистки.
2. Поверхностная  грубая стружка или обточка металла при  разделке металла под сварные швы, получение канавок и пр. Струя газа направляется под углом 10...30 ° к поверхности.
3. Резка кислородным копьем  для получения отверстий в металле.
 
Сварка стальных строительных конструкций.
Первые металлические конструкции выполнялись с помощью клепки. Инженером Шуховым Б.Г в 1883 году в г.Баку был предложен первый цилиндрический  резервуар для нефтепромыслов. Далее им были созданы перекрытия зданий Нижегородской выставки,  ГУМа в Москве, мартеновских цехов, мостов  и др.
 
Сварка стальных трубопроводов.
Выбор материалов для изготовления и технология сварочных работ определяются назначением трубопроводов, характером  транспортируемой среды и значениями рабочих параметров (температура, давление и т.д.).
По рабочим параметрам транспортируемого продукта трубопроводы делятся на 5 категорий и 3 группы. Наиболее сложные и ответственные по качеству сварочные работы выполняются для 1 категории трубопроводов.
Стальные технологические трубопроводы изготовляются из сталей : низкоуглеродистых ( Ст10, Ст20, ВСт2сп, Вст2пс, ВСт3сп, Вст3пс), ферритно-перлитных ( 10Г2, 15ГС,...), мартенситных ( 15Х5, 15Х8ВФ,...), мартенситно - ферритных  (12Х13,...), ферритных ( 08Х13, 15Х25,...) и аустенитных ( 08Х18Н10Т, 10Х23Н18, 10ХПН13МВ).

Перед сваркой разделывают концы труб в зависимости от толщины ее стенок  и вида сварки.
Наиболее эффективна подготовка кромок механизированной резкой.
После газопламенной резки кромки реза надо зачищать шлифовальными кругами.
На специализированных трубоотрезных станках одновременно отрезаются трубы, делаются фаски и нарезаются резьбы.
Низколегированные стали режут газовым резаком, а легированные — плазмой.
 
Перед резкой поверхность труб должна очищаться от масла, краски, грунтовки и загрязнений.
Качество стыковых сварных соединений во многом определяется качеством корневого шва.
Для обеспечения надежного провара корневого шва используют следующие виды сварки:
1. Ручную электродуговую сварку электродами диаметром менее 3 мм (наиболее распространенный способ).
2. Ручную аргонно-дуговую сварку неплавящими электродами малого диаметра 0,8...1,2 мм (обеспечивается лучшее качество, чем при ручной электродуговой сварке).
3. Механизированная сварка плавящим электродом  в защитных газах (особенно СО2 ) для низкоуглеродистых и низколегированных сталей.
4. Автоматическая аргонно-дуговая сварка ( требуется высокое качество подготовки стыка) .
5. Комбинированный способ  (корень шва одним из этих способов, а шов - другими способами).
6. Сварка на съемных, остающихся или  расплавляемых подкладках . Съемные подкладки используются при сварке магистральных трубопроводов. Остающиеся подкладки используются редко, т.к. они  конструктивно сложны, а имеющийся зазор приводит к трещинам из-за  динамических нагрузок  и коррозии металла. Перед использованием сварных подкладок трубы центрируются.  При сварке накладка полностью  расплавляется, исключается непровар, обеспечиваются повышенная прочность и коррозионная стойкость сварного шва.
7. Сварка с применением флюса-пасты ФП-8 для труб аустенитных коррозионно-стойких сталей. Обмазывается  флюсом внутренняя поверхность трубы, формируется при сварке хороший  шов.
8. Сварка с поддувом защитного газа (аргона) во внутреннюю полость трубы.
9. Сварка на флюсовой подушке. На внутренную  подкладку наносится флюс или используется флюсомедная подкладка с канавкой, заполненной флюсом .
10. Подварка корневого шва изнутри трубы. После наружной сварки изнутри трубы подрубают (шлифовальным  кругом, пневмозубилом ) корень шва и вновь проваривают. Применяется при сварке труб диаметром более 700 мм.
11. Сварка на съемных эластичных неметаллических подкладках из жаропрочного композиционного материала. После сварки подкладки убирают. Они могут  быть одно- и многоразового использования.

Сборка труб при  имеющемся смещении кромок труб выполняется следующими способами:
1.Подбивкой (подкаткой) кромок в холодном состоянии или с нагревом до 850...900 °С.
2. Предварительной калибровкой концов с помощью холодного обжима или раздачи.
3.Применением центраторов, совмещающих кромки  изменения  труб без изменения их периметра.

При ручной электродуговой сварке прихватка и сварка первых слоев должна выполнятся электродами диаметром менее 3 мм.
Число слоев наплавки: 1...2 при h = 3...6 мм ; 3...4 при h = 10...12 мм; 12...16 при h = 28...32 мм.
Каждый последующий слой очищается от шлака и брызг металла.
В зависимости от марки легированных сталей выбирается тип электрода и необходимые режимы предварительного подогрева сварки и термической обработки после сварки.
 
Контроль качества сварки. 
Качество — это степень удовлетворения заказчика свойствами изделия или предоставленными ему услугами. Качество — понятие многогранное.
Нельзя сказать по какому-то одному  частному показателю о качестве в целом.
Качество сварки  определяется уровнем дефектов при сварке, зависит от особенностей протекания  технологического процесса и  включает в себя ряд единичных показателей:
-структуру, твердость и другие механические  показатели  сварного шва;
-наличие в сварном шве внутренних дефектов (поры, трещины, шлаковые включения и т.д.);
-геометрические размеры шва;
-эстетические показатели;
-коробления и структурных изменений  в свариваемых деталях;
-свойств переходной зоны (наличие трещин, крупнозернистости, закалочных явлений,...);
-усталостную  прочность  и долговечность;
-коррозийную  стойкость сварного шва;
-экономические показатели.

Качество сварки зависит от многих технологических факторов: сварочные материалы (электроды, сварочная проволока, флюсы, защитные газы ,...), режимы сварки (сила тока, напряжение,...), материалы свариваемых деталей и качество их подготовки перед сваркой, профессионально-личностный уровень сварщика (квалификация, отношение к работе, дисциплина труда ,...), условия труда, охрана труда и т.д.
Контроль может и должен быть  предварительным (контроль электродов, флюсов, оборудования, режимов работы и т.д.) и окончательным ( оценка качества сварного шва).
 
Первый вид контроля является основой для высокого качества сварки, т.к. создает предпосылки  для качественного выполнения работ, а второй-фиксирует достигнутые результаты технологического процесса.
Контролерами являются  все участники технологического процесса: инженеры-механики  ОГМ — контролирует состояние оборудования; инженеры-технологи ОГТ —  контролирует выполнение технологического процесса; работники  ОТК — контролирует все стадии технологического процесса и выполняют заключительный контроль; сварщик- обеспечивает и непрерывно контролирует качество сварки.
Основой качества сварки и главным контролером должен быть исполнитель работ.
Качество сварки в его руках, в его отношению к работе.
Квалификация сварщика, его опыт, знания, отношение, исполнительная дисциплина и другие его профессионально-личностные признаки — основные факторы обеспечения  качества труда и  качества сварного шва.

Имеется пять принципов обеспечения производительной и качественной работы: 
а.исполнители должны знать, что делать; 
б.уметь и
в.успевать это делать; 
г.работа их должна оцениваться и 
д.стимулироваться.
 
Первые три принципа обеспечивают потенциальную возможность успешной работы исполнителей, а два последних - желание качественно работать.
Естественно, что желание реализуется только при условии, если в достаточной мере обеспечены первые три принципа.

Читать...
Н.В. Храмцов.Металлы и сварка.pdf


 
« предыдущая следующая »