§ 30. СУЩНОСТЬ ПРОЦЕССА НАПЛАВКИ

Наплавка — одна из разновидно­стей сварки — служит для нанесения слоя металла заданного состава на поверхность изделия. Нанесенный металл прочно связывается с основным, обра­зуя надежное соединение.

Наплавку применяют для восста­новления и упрочнения деталей ма­шин и оборудования путем нанесения на их рабочие поверхности металли­ческих покрытий, обладающих необхо­димым комплексом свойств: износостой­костью, термостойкостью, кислотоупор­ностью и т. п. С помощью наплавки создают биметаллические изделия, у которых выгодно сочетаются свойства наплавленного и основного металлов. Номенклатура наплавляемых деталей весьма разнообразна по массе, форме, материалам и условиям работы. Это вызвало появление различных видов и способов наплавки.

Например, для наплавки автомо­бильных клапанов двигателей внутрен­него сгорания используют плазменную наплавку, так как другие способы наплавки в этом случае неэффективны. Конусы и чаши загрузочных устройств доменных печей наплавляют дуговым способом самозащитными порошковыми лентами; шарошки буровых долот на­плавляют индукционным способом с применением сплава — связки и. туго­плавких зерен карбида вольфрама; лопатки вентиляторов упрочняют газо­пламенным напылением с последующим оплавлением, т. е. в каждом конкретном случае выбирают наиболее эффективный способ наплавки. Также учитывают производительность выбранного способа наплавки, в зависимости от массы наплавляемого металла и возможности деформации изделия. Для упрочнения небольших деталей предпочитают газо­вую или плазменную наплавку. Дуговую или электрошлаковую наплавку чаще всего применяют для массивных изделий.

§ 31. СПОСОБЫ НАПЛАВКИ

Различают дуговую, газовую, элек­трошлаковую, плазменную, индукцион­ную наплавку.

Дуговая наплавка. В большинстве случаев процессы наплавки основа­ны на применении дуговой сварки плавящимся электродом. Эти процессы отличаются способами защиты наплав­ляемого металла от вредного воздейст­вия воздуха и степенью механизации, хотя сущность их одинакова: под дейст­вием высокой температуры электричес­кой дуги, горящей между электродом и изделием, к которым подведен ток, электродный и основной металлы рас­плавляются, создавая на поверхности изделия общую ванну. С отдалением электрической дуги расплавленный ме­талл затвердевает, образуя наплавлен­ный валик.

Ручную наплавку покрытыми электродами применяют в тех слу­чаях, когда использование механизиро­ванных способов невозможно или не­целесообразно. Для получения мини­мальной глубины проплавления основ­ного металла электрод наклоняют в сторону, обратную направлению наплав­ки. Ручную наплавку выполняют элек­тродами диаметром 2—6 мм на постоян­ном токе 80—300 А обратной полярно­сти (плюс на электроде) с производи­тельностью 0,8—3 кг/ч.

При ручной наплавке требуется наи­более высокая квалификация электро­сварщиков, так как процесс необходимо вести на минимально возможном токе и напряжении с целью уменьшения доли основного металла в наплавленном, однако при этом должно обеспечиваться сплавление наплавленного и основного металлов. Главные параметры режима ручной наплавки: сила тока, напряже­ние на дуге и скорость наплавки. Тип электрода выбирают в зависимости от состава металла, который необходимо наплавить. Диаметр электрода опреде­ляют в зависимости от толщины и формы изделия, пространственного по­ложения наплавляемой поверхности.

Дуговая наплавка под флюсом — один из основных видов механизиро­ванной наплавки. Главное ее преиму­щество — непрерывность процесса, вы­сокая производительность, незначитель­ные потери электродного металла, от­сутствие открытого излучения дуги, что значительно улучшает условия труда электросварщиков.

Коэффициент наплавки под флю­сом почти равен коэффициенту рас­плавления, так как потери на разбрыз­гивание не превышают 1,5%. При использовании одной электродной про­волоки коэффициент наплавки под флю­сом колеблется в пределах 14— 20 г/(А-ч) и может быть повышен за счет увеличенного вылета электрода. Общие потери при наплавке под флюсом не превышают 3%. Наплавку под флюсом осуществляют механизирован­ным и автоматизированным способами.

Широко применяют в промышлен­ности наплавку самозащнтными про­волоками и лентами открытой дугой в атмосфере воздуха. В состав сердеч­ника этих электродных материалов, кроме порошков легирующих компонен­тов, вводят газо — и шлакообразующие вещества, защищающие при наплавке ванну расплавленного металла от вред­ного воздействия воздуха. С целью по­вышения производительности процесса наплавку можно осуществлять одно­временно несколькими проволоками или лентами. Для наплавки самозащит — нымн проволоками и лентами характер­ны повышенные световое излучение дуги, газовыделенне и разбрызгивание.

Наплавка плавящимся электродом в защитном газе отличается от механи­зированной и автоматизированной на­плавки под флюсом тем, что в качестве защитной среды вместо флюса исполь­зуют инертные или углекислый газы. Из инертных газов наиболее широкое распространение получил аргон. Его применяют при наплавке высоколегиро­ванных хромоникелевых и коррозионно — стойких сталей, сплавов на основе меди и др. Чаще осуществляют на­плавку плавящимся электродом в угле­кислом газе.

Для предотвращения окисления ме­талла в процессе наплавки кисло­родом, образующимся из углекислого газа при его разложении, в электрод­ные проволоки вводят элементы —рас — кислителн (титан, кремний, марганец, углерод). Для наплавки в углекислом газе обычно используют кремнемарган­цевые проволоки, например, Св-08Г2С, Св-10ХГ2С и др. Наплавку в защитных газах применяют в тех случаях, когда невозможна наплавка под флюсом в связи с затруднениями его подачи и удаления шлаковой корки, например, при наплавке внутренних поверхно­стей глубоких отверстий или мелких деталей, а также при восстановлении и упрочнении деталей сложной. фор­мы. Наплавку в защитных газах, как правило, ведут короткой дугой, на постоянном токе обратной полярности с использованием источников питания с жесткой внешней характеристикой. К недостаткам этого процесса следует отнести открытое световое излучение дуги и повышенное разбрызгивание металла (5—10%).

Импульсно-дуговая наплавка плавя­щимся электродом расширяет техноло­гические возможности наплавки в за­щитных газах. При этом процессе на основной сварочный ток непрерывно горящей дуги с помощью специального генератора налагают кратковременные импульсы тока, которые ускоряют пере­нос капель металла и уменьшают таким образом их размер. При наложении на дугу импульсов определенной энергии и частоты можно достичь мелкокапель­ного переноса металла с минималь­ным разбрызгиванием. Это позволяет осуществлять наплавку в вертикальном положении. Импульсно-дуговую наплав­ку следует вести на постоянном токе обратной полярности, так как наплавка на прямой полярности, ведет к увеличе­нию длины дуги за счет более высокой скорости расплавления электрода и к повышенному разбрызгиванию.

Вибродуговая наплавка — прерыви­стый дуговой процесс, при котором электрод вибрирует вдоль своей оси, вызывая короткие замыкания в свароч­ной цепи и кратковременные периоды существования дуги. Подаваемая в зону наплавки проволока с помощью элек­тромагнитного или механического устройства совершает возвратно-посту­пательные движения с частотой до 100 раз в секунду и размахом 0,5—3 мм.

Вибродуговую наплавку осуществ­ляют под флюсом, в различных газовых средах, но чаще всего в водных раство­рах (раствор кальцинированной соды или 25%-ный раствор технического глицерина в воде). Наличие жидкости обеспечивает высокую скорость охлажде­ния, что способствует уменьшению де­формации детали, а также закалке наплавленного металла. Эти особенности процесса послужили основанием для его применения прн наплавке деталей небольшого размера, износ которых составляет менее I мм. При силе тока 100—200 А и напряжении дуги 18—25 В производительность процесса составляет 1—2 кг наплавленного металла в часч

К недостаткам этого способа сле­дует отнести часто возникающие дефек­ты в наплавленном металле в виде мелких газовых пор, трещин, а также неравномерную его твердость.

Газовая наплавка. В качестве ис­точника теплоты для наплавки ис­пользуют газовое пламя. Газовым пламе­нем специальных горелок можно про­водить наплавку и напыление покрытий, а также их оплавление. В качестве горючего газа чаще всего применяют ацетилен, максимальная температура пламени которого в смеси с кислородом составляет 3150 °С. Используют также и пропан-бутан. Газовую наплавку широко применяют в промышленно­сти. Ее можно подразделить на га­зовую наплавку с присадкой прут­ков или проволоки, газопорошковую и газопламенное напыление с последу­ющим оплавлением. Технология нане­сения покрытий этими способами проста и доступна.

Электрошлаковая наплавка (ЭШН).

Процесс наплавки, при котором источ­ником теплоты для плавления основного и присадочного металлов служит шлако­вая ванна, разогреваемая проходящим’ через нее электрическим током, назы­вается электрошлаковым. Ток, проходя между электродом и изделием, нагревает шлаковую ванну до температуры свыше 2000 °С, в результате чего электродный и основной металлы оплавляются, обра­зуя металлическую ванну, при затверде­вании которой создается наплавлен­ный металл.

Плазменная наплавка. В качестве материалов при плазменной наплавке используют порошки, проволоку, прутки. Преимущества этого процесса — малая глубина проплавления основного ме­талла, возможность наплавки тонких слоев,. высокое качество наплавленного металла.

При плазменно-порошковой наплавке используют три вида плазменной дуги: прямого, косвенного действия и ком­бинированную. Лучшими технологичес­кими возможностями обладает комби­нированная дуга. Такая схема позволяет в широком диапазоне осуществлять раздельное регулирование степени на­грева присадочного материала и основ­ного металла.

Если при однослойной наплавке под флюсом доля основного металла в наплавленном составляет «60%, то плазменная наплавка позволяет полу­чать в первом слое долю основного металла до 5%. При наплавке плазмен­ная струя окружена соосным потоком защитного газа, обеспечивающим за­щиту наплавленного металла. Ввиду от­сутствия резких колебаний давления дуги наплавленная поверхность полу­чается гладкой, с минимальным припус­ком на механическую обработку. Плаз­менно-порошковую наплавку осущест­вляют также с подачей порошка в хвостовую часть ванны. В этом случае обеспечивается более надежная подача присадочного порошка, а при наплавке порошков карбида отсутствует их разло­жение, так как они, попадая в ванну, минуют разрушающее действие электри­ческой дуги. При этом наплавленный металл получает строение композицион­ного сплава. Для наплавки применяют порошки шаровидной формы с размером частиц 40—400 мкм, а для подачи порошка в хвостовую часть ванны — более крупную фракцию.

Плазменная наплавка с токоведущей присадочной проволокой обеспечивает минимальное проплавление основного металла при достаточно высокой про­изводительности процесса. При наплав­ке хромоникелевых коррозионно-стойких сталей на углеродистые глубина про­плавления основного металла составляет 0,2— 0,5 мм, высота наплавленного валика 4,5—5 мм. При наплавке меди на сталь проплавление основного метал­ла вовсе отсутствует. При этом способе косвенная дуга горит между вольфра­мовым электродом и соплом, дуга пря­мого действия горит между вольфра­мовым электродом и проволокой. Ос­новной металл получает теплоту от пе­регретого металла плавящейся прово­локи и от плазменной дуги. Изменяя силу тока, регулируют долю основного металла и производительность наплавки.

Индукционная наплавка. Расплавле­ние основного и присадочного ме­таллов происходит за счет теплово­го действия индуктируемого тока. Для нагрева над изделием размещают ин­дуктор, представляющий собой один или несколько витков медной трубки или шины. По индуктору протекает ток высокой частоты, создающий переменное магнитное поле, которое возбуждает вих­ревые токи в поверхностном слое детали, что, в свою очередь, вызывает оплавление этого слоя и расплавление присадоч­ного материала. С увеличением частоты тока глубина проплавления уменьша­ется. Основные преимущества индукци­онной наплавки — возможность получе­ния минимального проплавления и высо­кая производительность процесса.