Сварка и наплавка

5.1. Сварка

Этот способ широко используют в промышленности для соединения металлов повышенной толщины: стали и чугуна различного состава, ме­ди, алюминия, титана и их сплавов. К преимуществам способа относится возможность сварки за один проход металла практически любой толщи­ны, что не требует удаления шлака и соответствующей настройки сва­рочной установки перед сваркой последующего прохода, как при других способах сварки. При этом сварку выполняют без снятия фасок на кром­ках. Для сварки можно использовать один или несколько проволочных электродов или электродов другого увеличенного сечения. В результате этого достигается высокая производительность и экономичность процес­са, повышающиеся с ростом толщины свариваемого металла [18, 22].

Рас­плавленные флюсы образуют шлаки, которые являются про­водниками электрического тока. При этом в объеме расплавлен­ного шлака при протекании сва­рочного тока выделяется тепло­та. Этот принцип и лежит в ос­нове электрошлаковой сварки (рис. 5.1).

Электрод 1 и основ­ной металл 2 связаны электри­чески через расплавленный шлак 3 (шлаковая ванна). Выделяю­щаяся в шлаковой ванне теплота нагревает его выше температуры плавления основного и электродного металлов. В результате металл электрода и кромки основного металла оплавляются и ввиду большей плотности металла, чем шлака, стекают на дно расплава, образуя ванну расплавленного металла 4 (металлическую ванну). Электродный металл в виде отдельных капель, проходя через жид­кий шлак,

Рис. 5.1. Схема процесса электрошлаковой сварки

взаимодействует с ним, изменяя при этом свой состав. Шлако­вая ванна, находясь над поверхностью расплавленного металла, препят­ствует его взаимодействию с воздухом. При правильно подобранной ско­рости подачи электрода зазор между торцом электрода и поверхностью металлической ванны остается постоянным.

Свариваемый металл, шлаковая и металлическая ванны удерживаются от вытекания обычно специальными формирующими устройствами с подвижными или неподвижными медными ползунами 5, охлаждаемыми водой 6, или остающимися пластинами. Верхняя кромка ползуна распо­лагается несколько выше зеркала шлаковой ванны. Кристаллизующийся в нижней части металлической ванны расплавленный металл образует шов 7. Шлаковая ванна, находясь над поверхностью металлической ван­ны, соприкасаясь с охлаждаемыми ползунами, образует на них тонкую шлаковую корку, исключая тем самым непосредственный контакт рас­плавленного металла с поверхностью охлаждаемого ползуна и предупре­ждая образование в металле шва кристаллизационных трещин.

Расход флюса при этом способе сварки невелик и обычно не превы­шает 5 % массы наплавленного металла. Ввиду малого количества шлака легирование наплавленного металла происходит в основном за счет элек­тродной проволоки. Доля основного металла в шве может быть снижена до 10... 20 %. Вертикальное положение металлической ванны, повы­шенная температура ее верхней части и значительное время пребывания металла в расплавленном состоянии способствуют улучшению условий удаления газов и неметаллических включений из металла шва. По срав­нению со сварочной дугой шлаковая ванна менее концентрированный источник теплоты. Поэтому термический цикл электрошлаковой сварки характеризуется медленным нагревом и охлаждением основного металла. Отклонение положения оси свариваемого шва от вертикали возможно не более чем на 15° в плоскости листов и на 30... 45° от горизонтали.

Так как выделение теплоты в шлаковой ванне происходит главным образом в области электрода, максимальная толщина основного металла, свариваемого с использованием одной электродной проволоки, обычно ограничена 60 мм. При сварке металла большей толщины электроду в зазоре между кромками сообщают возвратно-поступательное движение (до 150 мм) или используют несколько неподвижных или перемещаю­щихся (рис. 5.2) электродов. В этом случае появляется возможность сварки металла сколь угодно большой толщины.

а	б
Рис. 5.2. Схемы процесса многоэлектродной электрошлаковой сварки: а - тремя электродами (стрелками указано возможное возвратно-поступательное движение электродов); б - десятью неподвижными электродами

Техника электрошлаковой сварки — это совокупность приемов подачи электродного материала и флюса в зону сварки, способов формирования наружной поверхности шва, обеспечения непрерыв­ного устойчивого электрошлакового процесса, соблюдения заданных элементов режима сварки и приемов манипулирования изделием. Технику сварки обусловливают конструктивная особенность из­делия, тип сварного соединения и форма шва.

Многолетний опыт показал, что на технику сварки оказывает большое влияние качество сборки деталей, подготовка технологи­ческой оснастки и аппаратуры.

Применяя различные приемы техники сварки, можно изменять составляющие теплового баланса электрошлакового процесса, расход теплоты и условия кристаллизации металла шва в наиболее благоприятных направлениях. Это позволяет улучшить качество сварного соединения и повысить производительность сварки.

Способ электрошлаковой сварки — это сочетание отдельных приемов техники сварки, обеспечивающее успешное выполнение конкретной разновидности технологического процесса сварки.

Процесс электрошлаковой сварки (наплавки) можно осуществлять различными способами, зависящими прежде всего от типов элек­тродов и методов, введения их в разделку.

Один из способов электрошлаковой сварки, получивший наиболее широкое применение, — сварка проволочными электро­дами (рис. 5.3): одной электродной проволокой без колебаний (а); одной, двумя или тремя электродными проволоками с колеба­ниями (б); проволочным электродом без введения мундштука в зазор (в), с увеличенным вылетом электрода (г); подплавляющимся мундштуком (д), с присадкой крошки (е).

а б в г

д е

 

  Рис. 5.3. Варианты электрошлако­вой сварки проволочными электро­дами

Варианты а и б получили в настоящее время — наибольшее распространение в промышленности. Они позволяют сваривать металл толщиной 20—500 мм. Как правило, эти приемы предусмат­ривают применение проволоки диаметром 3 мм. При сварке металла толщиной до 120 мм с целью повышения производительности возможно применение варианта в. В этом случае используют проволоку диаметром 5 мм. Варианты г и е также направлены на повышение скорости сварки и улучшение качества сварного соеди­нения.

Сварку подплавляющимся мундштуком (вариант д) чаще всего применяют при выполнении протяженных швов, когда время сварки превышает 12—15 ч (максимальный срок надежной работы мундштуков) при отсутствии специальной дублирующей аппаратуры.

Все перечисленные приемы осуществляют на стандартной аппаратуре для электрошлаковой сварки при изготовлении сварных изделий из углеродистых и легированных сталей, а также титана.

Однако эти варианты практически не пригодны для сварки конструкций из алюминиевых и медных сплавов, отличающихся высокой теплопроводностью.

Второй способ — электрошлаковую сварку плавящимся мунд­штуком (рис. 5.4) обычно применяют для соединения металла большой толщины (до 2—3 м) при выполнении прямолинейных а и криволинейных б швов. Разновидность этого способа (рис. 5.3, в) — сварка трубчатым плавящимся мундштуком — позволяет осу­ществлять сварку металла малой толщины (20—60 мм).

При электрошлаковой сварке плавящимся мундштуком сталей и титана применяют обычно проволоку диаметром 3 мм, а для сварки алюминия, меди и сплавов на их основе — проволоку диаметром 5—6 мм.

Третий способ — электрошлаковая сварка электродами боль­шого сечения (рис. 5.4): одной, двумя и тремя пластинами сплош­ного сечения, подключенными к общему или разным источникам сварочного тока (г), одной, двумя или тремя пластинами, имею­щими продольные разрезы (д); контактно-шлаковая (е) с бифилярной схемой подключения электродов к источнику питания (ж).

а б в г д

е ж

 

Рис 5.4. Способы электро­шлаковой сварки плавящимся мундштуком и электро­дами большого сечения

Приемы г и д используют для сварки прямолинейных швов высотой до 1000 мм при толщине металла до 800 мм. Толщина пластинчатых электродов составляет, как правило, 10—15 мм для сварки сталей, меди, титана и 20—25 мм для сварки алюминия и его сплавов. Применение бифилярной схемы подключения позво­ляет соединять металл толщиной до 3000 мм. Контактно-шлаковой сваркой обычно соединяют цилиндрические детали диаметром до 300 мм.

Типы сварных соединений и вид сварных швов, получаемых при электрошлаковой сварке, показаны на рис. 5.5.

а б в г

  е

д

Рис. 5.5. Основные типы сварных соединений, выполняемых электрошлаковой сваркой:   а и б - стыковые; в и д - тавровые; г - угловое; е - переменного сечения

В процессе электрошлаковой сварки металл шва и околошовной зоны находится длительное время при высоких температурах и подвергает­ся значительному перегреву. В результате происходит разупрочнение сварочного соединения и снижение его ударной вязкости. Для восстанов­ления свойств применяется последующая термообработка. Для снижения длительности пребывания металла при высоких температурах в шлако­вую ванну вводят дополнительную присадку в виде порошкообразного материала (рубленая проволока с гранулами 0,2... 1,6 мм) или произво­дят соответствующее принудительное охлаждение поверхности шва и околошовной зоны водяным душем.

На рис. 5.6, 5.7, П.3.1 – П.3.3 изображены схемы установок для электрошлаковой сварки, на рис. 5.8 – 5.10 фотографии аппаратов для ЭШС.

  Рис. 5.6. Универсальная установка для электрошлаковой сварки двух швов одновременно:   1 – сборочный стенд; 2 – шаровые опоры; 3 – рельсовые аппараты типа А-535 или А-1170; 4 – рельсовые колонны; 5 – поворотные колонны; 6 – консоли; 7 – верхние и нижние суппорты; 8 – винтовые прижимы

  Рис. 5.7. Установка для ЭШС кольцевых швов двумя сварочными аппаратами:   1 — основной аппарат; 2 — дублирующий ап­парат; 3 — роликоопоры; 4 — тележка—пло­щадка для сварочного оборудования; 5 — фор­мирующее устройство наружной стороны шва; 6 — формирующее устройство внутренней сто­роны шва

Рис. 5.8. Аппарат А-13 04 для электрошлаковой сварки плавящимся мундштуком:   1 — механизм подачи; 2 — прижим подающего устройства; 3 — пульт переносной; 4 — фиксатор механизма подачи; 5 — направляющая; 6 — стойка; 7 — фиксатор направ­ляющей; 8 — основание; 9 — вход канала плавящегося мундштука; 10 — токоподвод; 11 — плавящийся мундштук; 12 — выходной карман; 13 — изделие; 14 — формирующая накладка; 15,16 — корректоры

Рис. 5.9. Автомат А-550У для электрошлаковой сварки пластинчатым электродом:   1 — винт; 2 — колонна; 3 — зажим токоподводящий; 4 — ползун; 5 — электрод; 6 — пульт; 7 — привод винтового механизма; 8 — корректор поперечный; 9 — дополни­тельный кронштейн; 10 — корректор продольный; 11 — станина

  Рис. 5.10. Установка А-1494 для электрошлаковой сварки плавящимся мундштуком  

5.2. НАПЛАВКА

Достаточно широкое применение электрошлаковый процесс нашел для наплавки (рис. 5.11). Электрошлаковую наплавку применяют, если площадь поверх­ности детали, подлежащей наплавке, достаточно велика.

Электрошлаковую наплавку можно выполнять электродной про­волокой, плавящимся мундштуком и электродами большого сече­ния (трубчатым и ленточным). В качестве дополнительного присадочного металла иногда используют крупку, металлический порошок и др.

Известны два основных способа электрошлаковой наплавки: в вертикальном и нижнем положениях. В вертикальном положении можно наплавлять слой металла толщиной 20– 90 мм. При наплавке слоя толщиной более 40 мм применяют плавящийся мундштук коробчатого сечения. Расстоя­ние между электродными проволоками должно составлять 50–70 мм. Скорость электрошлаковой наплавки на 20–30 % больше ско­рости электрошлаковой сварки металла равной толщины. Если использовать формирующее устройство с отштампованной фигу­рой, то поверхность наплавленного слоя повторит эту форму.

Таким образом можно избежать или существенно сократить после­дующую механическую обработку наплавленной заготовки. Схема электрошлаковой сварки в нижнем положении показана на рис. 5.12, б. По слою легирующей шихты, покрытой флю­сом, перемещают многоэлектродный наплавочный аппарат. Пла­вильное пространство ограничено с трех сторон специальным водоохлаждаемым ползуном. В него подают электродные проволоки. Глубина проплавления основного металла при оптимальных режимах составляет 1,5–2 мм. Если регулировать температуру шлаковой ванны, можно по­лучать биметаллические конструкции из меди или ее сплавов и стали. В нижнем положении можно наплавлять слой толщиной 3–15 мм.

Рис. 5.11. Схема электрошлаковой наплавки   Стрелками обозначено:   А - направление перемещения формирующего ползуна; Б - возвратно-поступательные движения электродов; В - направление подачи стержня в шлаковую ванну

а б в г д

  Рис. 5.12. Схемы электрошлакового процесса, используемые для наплавки:   а - плоских поверхностей в верти­кальном положении; б - плоских поверхностей в нижнем положе­нии; в, д - цилиндрических поверхностей; г - инструмента

Прием, показанный на рис. 5.11, г, носит название стыкошлаковой наплавки. Электрод представляет собой комбинацию заготовки изделия и расплавляемой надставки. Сначала расплавляется надставка, за­полняя формирующую полость кристаллизатора. Затем в шлако­вую ванну погружается заготовка, прогревается до оплавления и стыкуется с отлитой частью. После окончания кристаллизации изделие вынимают из кристаллизатора.

Получила распространение электрошлаковая наплавка с по­стоянной шлаковой ванной, которую разводят в отдельном кокиле с помощью неплавящегося электрода (рис. 5.13). Требуемые порции жидкого флюса вытесняют в основной кристаллизатор непосредственно перед наплавкой изделия путем погружения греющего электрода в шлак. В момент стыковки заготовка изделия вытесняет шлак и возвращает его в кокиль. Приведенные способы электрошлаковой сварки и наплавки, далеко не исчерпывая всех возможностей этого про­цесса, позволяют решать самые различные задачи производства.

Рис. 5.13. Схема стыкошлаковой наплавки с постоянной шлаковой ванной:   1 — плавящийся электрод; 2 — заготовка; 3 — кристалли­затор; 4 — греющий неплавящийся электрод; 5 — кокиль с расплавленным флюсом

5.3. ЭЛЕКТРОШЛАКОВАЯ СВАРКА

И НАПЛАВКА В РЕМОНТЕ

Ремонту подвергают детали машин, разрушившиеся при эксплуата­ции от дефектов или в результате естественного износа. Детали, разрушившиеся в результате усталостных явлений, ремонту не подлежат.

Трещину можно заварить, если она не имеет резких перегибов и ни в одном месте не отклонена от вертикали более чем на 20°. Если в стенках трещины имеются глубокие отколы и выступы, их тщательно устраняют с помощью ручной дуговой наплавки каче­ственными электродами, газокислородной резки или механической обработки. Глубина впадин после резки не должна превышать 4 мм. Сборку и последующую электрошлаковую сварку осуществляют таким образом, чтобы обеспечить точные размеры ремонтируемой детали. Для этого применяют метод компенсации деформаций или метод жесткого закрепления.

Например, при ремонте валка диаметром 750 мм из стали 60 деформации при сварке компенсировали путем дозированного противодействия (М. Г. Козулин, А. П. Сятишев). Части валка с обработанными на токарном станке свариваемыми кромками были собраны в стыковое соединение с зазором внизу 40 мм и вверху 53,5 мм. Отклонение от прямолинейности отремонтирован­ного валка, измеренное после местной термообработки сварного соединения, не превышало 2 %.

Ремонт электрошлаковой сваркой с жестким закреплением соединяемых частей применяют обычно в тех случаях, когда тре­щина распространяется на часть детали, либо разрушается один из элементов детали. В таком случае по трещине делают сквозные засверловки диаметром 50–70 мм, оставляя между отверстиями перемычки шириной 20–25 мм. Затем отверстия последовательно заваривают трубчатым плавящимся мундштуком (рис. 5.14) (Ю.И. Постовалов, В.Е. Дуркин).

Весьма перспективно применение электрошлаковой сварки при ремонте стального литья. При отливке крупных изделий возможно появление дефектов (усадочных раковин, рыхлот, трещин и т. д.) значительного объема (1–10 дм^3). Исправление таких дефектов дуговой сваркой не всегда приемлемо, да и неэкономично. Дефекты стального литья исправляют следующим образом.
Рис. 5.14. Подготовка к заварке трещины по методу «колодцев»

Вначале дефектное место механически обрабатывают. Дно дефекта разделывают под углом 100–120°. Учитывая жесткость ремонти­руемого изделия, его предварительно подогревают до температуры 300°С.

Начинают процесс одним из двух способов. По первому способу сплавление с дном дефекта обеспечивают дуговым про­цессом, наплавляя несколько валиков присадочного металла и одновременно расплавляя флюс до образования шлаковой ванны нормальной глубины. Далее переходят на электрошлаковый про­цесс с использованием плавящегося мундштука.

По второму способу шлак расплавляют с помощью неплавя­щегося электрода, например, медного водоохлаждаемого, а затем начинают наплавку с использованием плавящегося мундштука. В процессе расплавления флюса, наплав­ляемые кромки подогревают до температуры 800–1200°С и очи­щают шлаком от окислов и окалины. Рекомендуется исполь­зовать химически активные флюсы, например, содержащие фториды щелочных и щелочноземельных элементов. Силу тока поддер­живают 1000–1200 А, напряжение 25–30 В.

Сломанные зубья крупных шестерен восстанавливают электро­шлаковой наплавкой, используя формирующее устройство слож­ной формы, повторяющей форму зуба. Дефектный зуб, как пра­вило, удаляют огневой резкой. Наплавку зуба в вертикальном положении выполняют с применением плавящегося мундштука.

Поверхность прокатных валов наплавляют с помощью электро­да-трубы, устанавливая вал в вертикальное положение. По этой технологии можно наплавлять на стальную сердцевину слой чугуна. Проч­ность сцепления чугуна со сталью выше собственной прочности чугуна.

Производительность электрошлаковой наплавки, например валов диаметром 350 мм, в 15–20 раз выше, чем при одноэлек­тродной наплавке под флюсом, а стойкость биметаллических на­плавленных валков в 2–3 раза выше, чем таких же литых.

С помощью горизонтальной наплавки можно получать ком­позиционные слои, обладающие высокой износостойкостью. Это достигается путем введения в шлаковую ванну при наплавке по­рошков карбида. Зерна карбидов, проходя через расплавленный шлак, очищаются от поверхностных пленок и загрязнений и, попадая в жидкий металл, хорошо им смачи­ваются. Так как электрод при поступательном движении по на­правлению наплавки находится впереди бункера, карбиды ме­таллов попадают в зону шлаковой ванны с более низкой по сравне­нию с приэлектродной областью температурой, вследствие чего они не растворяются в жидкой ванне до ее кристаллизации.

Применение неплавящегося вольфрамового электрода позволяет наплавлять сплавы на основе тугоплавких соединений.

Горизонтальную наплавку успешно используют для упрочне­ния (износостойкость повышается в 4–5 раз) быстро изнашиваю­щихся деталей горнорудного, металлургического и энергетического машиностроения (зубья ковшей экскаватора, била рудоразмольных и др. мельниц и т. п.).

5.4. ТИПОВЫЕ УСТАНОВКИ ДЛЯ СВАРКИ И НАПЛАВКИ

По степени механизации и автоматизации современные установки для электрошлаковой сварки и наплавки принято делить на три класса.

К первому относят наиболее совершенные из них (например, рис. 5.15–5.17), на которых все или большинство сборочно-сварочных и наладочных операций выполняются с помощью механизмов. Цеховые краны используют только для укладки заго­товок и снятия готовых, сваренных изделий.

Ко второму классу относят установки, переналадка которых, а также сборка загото­вок под сварку выполняются с помощью цеховых кранов и обще­цеховых вспомогательных средств. К третьему классу относят установки, при эксплуатации которых для сборки заготовок под сварку и переналадки, а также для размещения сварочного аппа­рата используют общецеховые транспортные вспомогательные средства.

В простейшем виде сварочная установка третьего класса представляет собой стенд или несколько стендов, оборудованных стационарными или переносными аппаратами и источниками пита­ния. Сварщик обслуживает аппарат с простейших помостов, а иногда и с лестницы-стремянки. Простые установки третьего класса получили распространение в единичном производстве при сварке крупногабаритных изделий, деталей, содержащих сравни­тельно короткие прямолинейные швы, и т. д.

Рис. 5.15. Установка для электрошлаковой сварки одного или двух прямоли­нейных швов:   1 – растяжки; 2 – вращатель; 3 – планшайба; 4 – колонны; 5 – кабина для сварщика; 6 – кран – укосина; 7 – обечайка сосуда; 8 – сварочный аппарат; 9 – вертикальный рельсовый путь; 10 – крестообразный суппорт; 11 – гирлянды сварочных проводов и провода управления; 12 – рельсовые тележки; 13 – источники питания; 14 - подъемник; 15 – шкафы с аппаратурой контроля и управления

При использовании установок первого или второго классов доля вспомогательного времени может быть соответственно 10–30 % и 30–50 %; при использовании установок третьего класса она повышается до 90 %.

В зависимости от назначения установки могут быть универ­сальными, предназначенными для сварки различных типов швов или изделий, или специализированными.

В зависимости от типа свариваемых швов различают: установки для сварки прямолиней­ных швов плоских листовых конструкций; прямолинейных швов пространственных конструкций; кольцевых швов; компактных сечений; швов сложной конфигурации.

Дата добавления: 2015-08-20