logo
Конспект лекцій

Ручне зварювання та наплавлення

При ремонті машин операції зварювання та наплавлення порівняно з іншими методами відновлення мають більш широке застосування та дозволяють отримувати:

Зварювання та наплавлення займають понад 70% робіт по відновленню деталей.

Фізико-металургійні і технологічні основи зварювання. Зварю­ванням називають технологічний процес одержання нероз’ємного з'єднання твердих матеріалів через встановлення міжатомних зв'язків між зварювальними деталями.

Для цього необхідно атоми матеріалу однієї деталі наблизити до атомів матеріалу другої деталі на відстані порядку 10-10 м, яка приблизно дорівнює від­стані між атомами матеріалу зварювальних деталей. У випадку такого наближення зовнішні електрони атомів утворюють загальну (колективну) електронну систему.

При кімнатній температурі метали не з'єднуються навіть від стискання значними зусиллями. У випадку прикладання зусилля у декілька десятків тонн в окремих контактних точках виника­ють міжатомні зв'язки, але після знімання навантаження вони руйнуються за рахунок дії сил пружності. Чим більша пластич­ність і менша твердість матеріалу, тим нижчий питомий тиск, за якого можливе з'єднання деталей.

Загальноприйнятим способом зниження твердості і підвищення пластичності є нагрівання металу. Для одержання міцного зва­рювального, шва метал, нагрітий до пластичного стану, осаджують (піддають пластичному деформуванню). Якщо температуру зва­рювальних деталей довести до температури плавлення, то процес проходить без осадження за рахунок сплавлення об'ємів розплав­леного металу деталей у загальній зварювальній ванні.

Таким чином, залежно від способу зближення атомів, зварю­вальні процеси можна розділити на зварювання плавленням і пла­стичним деформуванням (тиском).

Наплавлення — різновидність зварювання, яке полягає в нане­сенні шару металу на поверхню деталі.

Зварювання і наплавлення металів класифікується за фізични­ми, технічними та технологічними ознаками.

Фізичні ознаки характеризують форму підведеної при зварюванні та наплавленні енергії і дозволяють виділити три кла­си зварювальних процесів:

термічний, який характеризується підведенням теплової енергії (дугова, газова, високочастотна, термітна, електрошлакова, плаз­мова, електронно-променева і лазерна);

термомеханічний — поєднання підведення теплової і механічної енергії тиску (електроконтактна, дифузійна, газопресова, вибу­хом) ;

механічний — з використанням механічної енергії (тертя, уль­тразвукової, холодної).

Технічні ознаки характеризуються способом захисту зони зварювання від взаємодії з оточуючим середовищем, безпе­рервністю процесу і механізацією подачі та переміщення електро­ду відносно деталей.

Технологічні ознаки характеризують особливості тех­нологічного процесу зварювання (дугове, газове, плазмове, лазер­не тощо).

Під час вибору способу відновлення деталі необхідно врахову­вати умови її роботи, властивості матеріалу та процеси, які від­буваються під час утворення зварювального з'єднання.

Найважливішим, з точки зору кінцевих властивостей виробу, є зміна хімічного складу, структури, властивостей матеріалу де­талі і рівень внутрішніх напруг та деформацій у зоні з'єднання.

У зварювальному з'єднанні можна виділити три зони (рис. 1).

До І зони відносяться зони шва і сплавлення, де метал при зварю­ванні нагрітий до температури плавлення і знаходиться в рідкому і твердо-рідкому стані. Ця зона характеризується зміною хімічного складу і будови матеріалу деталі за рахунок дифузійних процесів з металом присадного матеріалу, взаємодії з навколишнім середо­вищем, флюсом і особливостями кристалізації.

II зона — термічного впливу, включає зони перегрівання, пере­ кристалізації і відпускання. В ній температура нагрівання до­ статня для протікання фазових перетворень і рекристалізації основного металу. Характерним є утворення гартівних структур і відповідно схильність до утворення тріщин, особливо при значно­ му вмісті у металі вуглецю і легуючих елементів.

На периферії цієї зони діє міжкристалічна корозія, яка проті­кає при утворенні карбідів хрому на межах зерен. Схильність до виділення хрому знижується при додаванні в присадний дріт тита­ну, ніобію і цирконію.

III зона — механічного або термомеханічого впливу. Темпера­ тура металу недостатня для протікання процесів фазових перетво­ рень і рекристалізації. Відбуваються зміни, викликані пластичною і пружною деформаціями металу під дією внутрішніх сил.

Рис. 1. Будова зварного зєднання.

І – Зона шва і наплавлення; ІІ – Зона термічного впливу; ІІІ – Зона механічного або термомеханічного впливу

Тобто в результаті зварювання в металі проходять термічні та термомеханічні процеси, що призводять до негативних явищ таких як зміна хімічного і структурного складу металу, виникнення горячих та холодних тріщин а також пор у зварювальному шві.

Для зменшення цих негативних явищ необхідно:

Для зниження зварювальних напружень і деформацій застосовують: відпускання, аргонодугову обробку, проковку шва, термічну та механічну правку.

При відпусканні деталь нагрівають до температури 600-650 С, а потім повільно охолоджують, при цьому відбувається зниження напруження внаслідок того, що при таких температурах границя текучості матеріалу близька до нуля і матеріал практично не оказує опору пластичним деформаціям. Але дана операція досить дорога, тому на практиці при зварювання високовуглицевих та легованих сталей попередній нагрів деталі.

Аргонодугова обробка – це розплавлення електродом, що не плавиться зони біля шва в середовищі аргона, що порушує напружений стан і призводить до зниження напружень до 60-70%.

При проковці шва та біля шовної зони знімають значну кількість напружень за рахунок створення додаткової пластичної деформації. Її проводять в процесі застигання матеріалу 400 С або 150 та нижче. Проковка також знижує втомлювальну міцність.

Самого широкого застосування на ремонтних підприємствах здобули електродугове зварювання і наплавлення. Під час електродуго­вого зварювання метал деталей і присадного дроту плавиться за, рахунок тепла електричної дуги.

У джерел створення дугового зврювання стояли російські інженери Василь Володимирович Петров, Микола Миколаєвич Бенардос, Микола Гаврилович Славянов.

Електрична дуга це електричний розряд в повітряному проміжку. Але оскільки повітря являється діалектриком то необхідною умовою виникнення дуги являється іонізація повітряного проміжку.

Дуга складається з стовпа дуги та анодного і катодного пятна. Горіння зварювальної дуги супро­воджується виділенням великої кількості тепла. Температура дуги на осі її стовпа досягає 6000 — 7500 °С. Вона залежить від сили струму, що припадає на одиницю поперечного перерізу електро­ду — щільності струму.

Для електродугового зварювання можна використовувати змін­ний та постійний струми. Зварювальна дуга на змінному струмі горить нестійко. Для підвищення стабільності горіння дуги збільшують щільність струму. При зварюванні на постійному струмі дуга горить стабільно. На позитивному полюсі виділяється близь­ко 43 % тепла і температура дуги досягає 4200 °С, на негативному полюсі виділяється 36 % тепла і температура значно нижча (3500 °С).

Тому, якщо необхідно збільшити глибину проплавлення деталі, то зварювання ведуть на прямій полярності (деталь підключають до позитивного полюса). Для зварювання деталей, які мають ма­лу товщину або виготовлені із вуглецевих і легованих сталей, по­зитивний полюс з'єднують з електродом (зворотна полярність). Під час зварювання на змінному струмі на електроді і деталі виділяє­ться приблизно однакова кількість тепла.

Для зварювання використовують зварювальні проволоки та електроди.

Зварювальну проволоку випускають за ГОСТ 2246-70 та розділяють на низько вуглецеву, леговану та високолеговану. Всього випускається 75 марок діаметром 0,3...12 мм.

Умовна позначення включає індекс СВ зварювальна та наступних цифр, що вказують на доля вмісту вуглецю в сотих долях, та літерних і цифрових позначень вмісту хімічних елементів.

Також випускаються проволики для зварювання алюмінію, міді та чавуну.

Для зварювання застосовуються електроди, що плавляться та ті що не плавляться.

Електроди для зварювання позначають літерою Э та цифрою, що вказую на мінімальне значення границі міцності шва на розрив. .

По видам покрить та змісту обмазок електроди розділяються на:

А – з кислим покриттям (ОММ-5, ЦМ-7)Ц

Б – з основним покриттям (ЦОНИ-13/45, АНО-8)

Ц – целюлозні покритя (ОЗС-1, ВСЦ-4)

Р – рутилові покриття (АНО-4, АНО-5) входить окис титану

В залежності від матеріалу, що зварюються бувають для зварювання

У – вуглецевих сталей

Л – легованих конструкційних

Т – легованих теплостійких

В - високо легованих

Для допустимих просторових положень їх позначають цифрами

1 – для всіх положень

2 – всі положення, окрім вертикально зверху вниз

3 – для нижнього та горизонтального в вертикальній площині.

4 – для нижнього положення

Породу та полярності струму та по номінальному напруженні холостої напруги

0 – для постійного струму оберненої полярності

1,2,3 – 50В

4,5,6 -70 В

7,8,9 – 90 В.

По товщині покриття

М – тонке покриття;

С – середнє покриття;

Д – товсте;

Г – особливо товсте.

Для живлення зварювальної дуги застосовуються джерела живлення: зварювальні трансформатори, перетворювачі, випрямлячі, інвертори.

Газове зварювання і наплавлення — це один із універсальних способів ремонту деталей, бо дозволяє обробляти метали товщи­ною від десятих часток міліметра до десятків міліметрів. Газо­зварювальні процеси, розтягнуті у часі, легко контролюються зварником, що дозволяє навіть при відносно низькій його кваліфікації одержувати достатньо високу якість шва. Крім того, відносно низь­кі швидкості нагрівання і охолодження металу під час зварюван­ня дозволяють зменшити зварювальні напруги і уникнути утворен­ня тріщин.

Газове зварювання найчастіше застосовують для зварювання низько- і середньовуглецевих сталей товщиною до 3 мм (кабіни, облицювання, кожухи тощо) і при ремонті деталей з чавуну і ко­льорових металів.

Зварювальне полум'я. Джерелом тепла для нагрівання деталей при газовому зварюванні є полум'я, утворене від згорання суміші газу з киснем. Для зварювання найчастіше використовують аце­тилен (С2Н2), значно рідше пропан-бутан (СзН8 + С4Н10). В остан­ні роки великі успіхи досягнуті у використанні воднево-кисневих сумішей.,

Зварювальне полум'я складається з трьох зон (рис. 2). Зона «А» (ядро полум'я) обмежена світлою оболонкою, у зовніш шарі якої згорає вуглець, утворений під час розпаду молекул палива. Зона «В» — відновлювана, або зона неповного згоряння. Вона складається з окису вуглецю і водню, утворених на першій стадії горіння газу. Ці продукти згоряння розкислюють розплавле­ний метал, віднімаючи кисень від його окислів. Зона «С» — повно­го згоряння, (або факел). Являє собою видимий об'єм газів. У цій

зоні відбувається догорання продуктів горіння за рахунок кисню, ежектованого з повітря.

Максимальна температура ацетилено-кисневого полум'я (3150 °С) значно вища максимальної температури пропан-бутан-кисневого полум'я (2400 °С). Як показують дослідження, проведе­ні в ХІМЕСГ, максимальна температура воднево-кисневого полу­м'я (3000 °С) близька до температури ацетилено-кисневого.

Від співвідношення газу і кисню у горючій суміші залежить характер полум'я. Нейтральне полум'я характеризується відсут­ністю вільного кисню і вуглецю у відновлюваній зоні «В». Для ацетелено-кисневого полум’я воно складає 1-1,2.

Окисне полум'я отримується при більших значеннях наведених вище співвідношень. Таке полум'я має вищу температуру, однак надлишок кисню сприяє окисленню заліза. Метал шва отримується пористий і крихкий. Тому в даному випадку потрібно застосову­вати дріт марок СВ-08ГС і СВ-12ГС, які містять розкислювачі — марганець і кремній.

Навуглецьовувальне полум'я характеризується надлишком го­рючого газу, зниженою температурою і сприяє насиченню металу шва вуглецем.

Для зварювання і наплавлення деталей із сталі, яка має мен­ше 0,5 % вуглецю і кольорових металів, використовують нейтраль­не полум'я; для деталей з .високовуглецевих і легованих сталей, чавуну, наплавлення твердих сплавів — Навуглецьовувальне полу­м'я; для різання металу — окислювальне.

Потрібно враховувати, що при взаємодії розплавленого металу із зварювальним полум'ям змінюється його склад. Кисень, який потрапив у шов, знижує його міцність, ударну в'язкість, стійкість проти корозії. Водень сприяє утворенню тріщин. Азот, взаємодію­чи при високій температурі з залізом, утворює нітриди, які нада­ють наплавленому металу підвищеної твердості і крихкості. У про­цесі зварювання вигорає кремній, марганець, інші легуючі добавки матеріалу зварюваних деталей

Щоб не змінювався склад наплавленого шару, матеріал присадного дроту за своїми фізико-механічними властивостями і хі­мічним складом повинен бути "таким, як і матеріал деталі, але із збільшеною кількістю легкоокислювальних компонентів.

Для захисту розплавленого металу від шкідливого впливу кис­ню, азоту, водню та інших елементів застосовують флюси.

Для газового зварювання і наплавлення застосовується віднос­но просте і недороге обладнання.

Ацетилен одержують безпосередньо на робочому місці зварювальника в ацетиленовому генераторі шляхом взаємодії карбіду кальцію з водою або зберігають у спеціальних ацетиленових ба­лонах. У сільськогосподарському виробництві найпоширеніші пе­ресувні ацетиленові генератори продуктивністю 0,8—3,2 м3/год, тиском 0,1—0,15 МПа, наприклад АСП-1,25, ГВР-1.25М4, ГНВ-1,25 тощо.

Кисень зберігається в балонах високого тиску (15—20 МПа) об'ємом 10—60 л., Пропан-бутан зберігається у балонах середньо­го тиску (1,6 МПа) об'ємом 5—50 л.

Зниження і підтримання в необхідних межах робочого тиску газів здійснюється за допомогою газових редукторів (наприклад, КРР-61 тощо).

Газ і кисень подаються по шлангах до газового пальника, в якому відбувається їх змішування і дозування. Найпоширеніші пальники малої Г2-04 і середньої ГЗ-04 і великої ГЗ-05 потужності, а також наплавлювальні пальники, які дозволяють подавати в зону наплавлення гранульовані самофлюсуючі порошки ГН-2, ГН-3 тощо.

Режим газового зварювання (наплавлення) визначається на­прямком переміщення і кутом нахилу пальника, потужністю і ха­рактером полум'я, діаметром присадного дроту.

При лівому способі зварювання пальник переміщують справа наліво, а присадний дріт—попереду полум'я. Цей спосіб найпо­ширеніший і застосовується для наплавлення і зварювання мате­ріалів малих товщин (рис. 4).

При правому способі пальник переміщують зліва направо, а присадний дріт слідом за пальником. Це дозволяє найповніше ви­користовувати тепло полум'я і зварювати деталі товщиною біль­ше 5—6 мм. Кут нахилу пальника (між площиною зварюваного металу і віссю нахилу пальника) вибирають залежно від товщини зварюваних деталей (рис. 3.6). Чим він більший, тим більший теп­ловий вплив полум'я на деталь.

Газове зварювання доцільно використовувати для зварювання деталей малих товщин. При збільшенні товщини деталей спостері­гається різке падіння продуктивності процесу.