Вопросы, рассмотренные в материале:
- 4 способа дуговой сварки
- Механизированные дуговые способы наплавки
- Способ дуговой наплавки под слоем флюса
- Вибродуговая наплавка: описание технологии
- Способ дуговой наплавки в среде защитных газов
Различные дуговые способы сварки и наплавки чаще всего применяются при ремонте изношенных или поврежденных деталей. Благодаря своей универсальности, простоте в освоении и работе, относительной дешевизне расходников и оборудования данные методы металлообработки получили наибольшее распространение.
Тот или иной способ работы с металлом выбирается, исходя из характера поломки, типа металла, свойств обрабатываемой поверхности и других параметров. Из нашего материала вы узнаете о технологии выполнения различных видов сварки и наплавки, их преимуществах и недостатках.
4 способа дуговой сварки
Сварка металла электрической дугой (также ее называют электродуговой или просто дуговой) является на данный момент самым распространенным способом неразъемного соединения различных металлов методом плавления. При такой технологии используется процесс сильного локального нагрева свариваемых кромок деталей до жидкого состояния с помощью электрической дуги. После затвердевания эти части образуют сварочный шов. Самое массовое применение в различных производственных отраслях нашли четыре способа дуговой сварки.
- Ручная дуговая сварка металла.
Такая технология выполняется двумя способами: с использованием неплавящихся или плавящихся электродов.
При ручном дуговом способе сварки неплавящимся электродом свариваемые кромочные поверхности заготовок располагаются впритык между собой. Возбуждается дуга между предназначенными для соединения частями изделия и неплавящимся (графитовым или угольным) электродом. Стыки деталей и присадка, которая подается в зону дуги, разогреваются до температуры плавления, в результате образуется ванна из расплавленного металла. После их затвердевания в ванночке образует сварной шов. Такой вид сварки применяют при наплавке твердых сталей, а также при сваривании цветных металлов и их сплавов.
Ручную дуговую сварку плавящимся электродом проводят при помощи так называемого штучного электрода, имеющего специальное покрытие. При такой технологии этот способ является наиболее распространенным. Электрическая дуга возбуждается аналогично варианту, рассмотренному выше, но в этом случае осуществляется плавление не только кромок, но и самого электрода. В результате образуется общая ванна расплавленного металла, которая затвердевает при охлаждении и формирует сварной шов.
- Автоматическая и полуавтоматическая сварка металла под флюсом.
Полуавтоматическая и автоматическая способы сварки под слоем флюса предназначены для механизации двух главных движений, производимых вручную при обычном типе сварки, – передвижение электрода вдоль линии свариваемых кромок изделия и его подача в зону дуги. При полуавтоматической сварке автоматизируется только подача электрода в зону дуги, а его перемещение по линии свариваемых стыков сварщик производит самостоятельно.
Автоматический дуговой способ сварки металла включает в себя механизацию всех необходимых основных операций. Расплавленный шлак, появившийся при плавлении флюса, который подается в зону дуги, выполняет функцию защиты расплавленного металла от воздействия азота и кислорода. Такой способ сварки обеспечивает качественное сварное соединение и высокую производительность.
- Дуговая сварка металла в защитном газе.
Дуговой способ сварки металла в защитном газе производится с помощью неплавящихся (вольфрамовых) или плавящихся электродов. При первом варианте сварной шов формируется за счет плавления кромок металлического изделия. В некоторых случаях используется подача присадочного материала в зону дуги. Второй вариант подразумевает расплавление электродной проволоки и ее участие в формировании шва. Подача струи защитного газа, выталкивающего воздух из зоны дуги, исключает процессы азотирования и окисления расплавленного шва.
- Электрошлаковая сварка металла.
Электрошлаковый дуговой способ сварки основан на выделении теплоты при прохождении электрического тока через расплавленный шлак. Взаиморасположение электрода и свариваемых кромочных поверхностей изделия производится под углом 45° или вертикально. Шлак выполняет функцию защиты расплавленного металла от негативного влияния воздуха. С нижней стороны к свариваемым деталям ручным способом приваривают металлический поддон. По обе стороны зазора между изделиями устанавливают формирующие шов подвижные медные ползуны, охлаждаемые водой с внутренней полости. После этого на поддон насыпают специальный флюс, сверху которого размещены одна или две электродные проволоки.
Под слоем флюса между поддоном и электродом возбуждается дуга. Специальный механизм подает электродную проволоку в область горения дуги. В результате образовавшейся высокой температуры происходит расплавление флюса и проволоки, появляется ванна расплавленного металла со шлаковым слоем над ней. При прохождении тока через расплавленный шлак, обладающий высоким сопротивлением (по закону – Джоуля Ленца), создается необходимая для сварки температура. Пропорционально объему накопленного в ванне шлака и жидкого металла механизм подачи флюса и электродной проволоки вместе с медными ползунами автоматически снизу вверх перемещаются с той же скоростью, с какой поднимается жидкий металл.
Рекомендуем статьи по металлообработке
Механизированные дуговые способы наплавки
При выборе дугового способа наплавки необходимо учитывать такие важные параметры, как характеристики материала детали, предназначенной для реставрации, физико-механические свойства наплавляемого покрытия, геометрические параметры заготовки, уровень износа и некоторые другие.
Существует два вида механизированной сварки (наплавки) – автоматическая и полуавтоматическая. В первом случае происходит механическая подача как электродных расходных материалов (лент или проволок) в область обработки, так и относительное перемещение детали и электрода. При полуавтоматическом способе сварки механическим способом перемещаются только электроды. Подача электродной проволоки производится по шлангу к держателю, который перемещается самим сварщиком по необходимой траектории вручную.
Для выполнения работ при автоматическом дуговом способе наплавки требуется следующая базовая комплектация оборудования: сварочная головка, токарный или специальный станок, источник питания и аппаратный ящик.
Конструкция сварочной головки (автомата) состоит из механизма подачи ленты или электродной проволоки (чаще всего применяются тяговые ролики) с блоками регулировки скорости подачи, опускания, подъема, поворота головки.
Некоторые модели установок для наплавки, помимо устройства подачи электрода к заготовке, оснащаются механизмом, производящим поперечные колебания электрода, что позволяет получать за один проход слой наплавления значительно большей ширины. Это способствует повышению производительности и качества шва.
Способ дуговой наплавки под слоем флюса
В отличие от ручного дугового способа наплавки, при этом методе показатель допустимой плотности тока увеличивается до 10 раз (может быть в диапазоне от 150 до 200 А/мм2), что допускает применять повышенные мощности сварочной дуги без риска перегреть электрод. При этом производительность наплавки может возрасти до семи раз.
Горение дуги происходит под слоем флюса, благодаря которому происходит значительное снижение теплового обмена с внешней средой. В итоге происходит существенное понижение удельного потребления электроэнергии в процессе наплавки металла с 6–8 кВт∙ч/кг до 3–5 кВт∙ч/кг. Кроме этого, обеспечивается защита сварочной ванны от негативного воздействия азота и кислорода воздушной среды. По сравнению с методом наплавки штучным электродом, при данной технологии наличие кислорода в наплавленном слое сокращается более чем в 20 раз, а азота становится в три раза ниже.
При дуговом способе наплавки под слоем флюса, по сравнению с ручной дуговой сваркой, процентный показатель потерь электродного материала на огарки и разбрызгивание сокращается с 20–30 до 2–4 %.
Между концом электродной проволоки и поверхностью детали происходит возбуждение сварочной дуги. Проволока поступает к зоне сваривания через мундштук механизма подачи, а основной металл и флюс – из флюсопровода. При высокой температуре сварочной дуги происходит плавление проволоки, флюса и основного металла и образуется сварочная ванна. Над зоной сварки образовывается жидкая пленка из флюса, то есть происходит горение дуги в газовом пузыре под расплавленной оболочкой из флюса.
Способность оболочки из флюса поддерживать тепло дуги позволяет сократить потери на угар наносимого металла и защитить расплавленную ванну от соединения с азотом и окисления. Помимо этого, флюс (как сыпучий, так и жидкий) осуществляет давление на расплавленный металл, что способствует качественному формированию шва.
На основном металле толщина флюса находится в пределах от 20 до 80 мм, притом та часть, которая не была задействована в процессе сварки, возвращается в бункер. При перемещении сварочной ванны происходит остывание уже наплавленного металла с образованием поверх него шлаковой корки, которую впоследствии легко отделить легкими ударами заостренного молотка. Шлак дробят и в смеси со свежим флюсом повторно применяют для сварки.
С помощью дугового способа наплавки под слоем флюса можно восстанавливать и упрочнять довольно изношенные детали – с износом до 5 мм. Такую технологию используют для наплавки металлических поверхностей с цилиндрической формой (различных осей, валов, опорных катков), плоских изделий (фланцев) и деталей с криволинейными формами (лопасти гидротурбин, зубья звездочек и т. д.).
К недостаткам можно отнести следующие моменты: не используется при наплавлении деталей диаметром меньше 50 мм, не видно сварочную ванну, большой расход флюса и его высокая стоимость.
При наплавке применяется постоянный ток, так как это позволяет обеспечивать устойчивость горения дуги и, соответственно, стабильный и качественный сварной шов. Полярность используют обратную, т. е. на электрод подают положительный потенциал, а на металлическую заготовку – отрицательный. При таком способе происходит меньший нагрев детали, значит, сокращаются тепловые потери.
Вибродуговая наплавка: описание технологии
Вибродуговой способ наплавки является разновидностью автоматической сварки в среде защитных газов и под слоем флюса. При такой технологии применяют постоянный ток с обратной полярностью напряжением от 12 до 20 В и плотностью от 50 до 70 А/мм2.
В качестве источников питания применяют выпрямитель с жесткой внешней характеристикой и сварочный преобразователь. Для дополнительной индуктивности и стабилизации сварочного тока используют дроссель низкой частоты.
В конструкции наплавочной головки имеется механизм подачи, с помощью которого в зону горения дуги с заданной скоростью подается электродная проволока. При помощи электромеханического вибратора мундштук совершает возвратно-поступательные движения (вибрации) с частотой колебаний от 100 до 120 Гц.
Значение амплитуды колебаний электрода относительно детали находится в диапазоне 1–3 мм. Периодическое прерывание дуги является причиной мелкокапельного переноса металлических частиц с поверхности электрода на заготовку. По этой причине формируется предельно минимальная сварочная ванна, обеспечивающая довольно надежное сплавление основного и электродного металла, небольшую глубину области термического воздействия и невысокое нагревание заготовки, намного меньшее по сравнению с обычной дуговой наплавкой выгорание легирующих элементов.
Метод вибродуговой наплавки широко используется для восстановления износа наружных и внутренних поверхностей деталей из стали и чугуна, имеющих цилиндрические и конические формы, а также плоские заготовки. Диапазон диаметральных размеров деталей, обрабатывающихся таким способом, составляет от 8 до 200 мм.
Однослойная наплавка обеспечивает толщину слоя от 0,3 до 3 мм, а при нанесении нескольких слоев ее можно произвести любой толщины.
Функцию защиты расплавленного металла могут выполнить также пар, флюс и углекислый газ.
Способ дуговой наплавки в среде защитных газов
Для сварки различных марок металла используются следующие виды защитных газов:
- азот – для меди и сплавов на ее основе;
- углекислый газ, водяной пар – для чугуна и стали;
- гелий и аргон – для любых металлов;
- различные смеси газов.
Высокая стоимость инертных газов вынуждает ограничивать их применение при дуговом способе наплавки деталей из высоколегированных сталей и сплавов из алюминия.
Подача электродной проволоки в зону горения дуги через наконечник и мундштук, которые расположены внутри газоэлектрической горелки, происходит с определенной скоростью при помощи специального механизма.
Во время контакта детали и сварочной проволоки возникает дуга. Сразу же начинается перемешивание расплавленного металла детали и электрода. По трубке в зону горения дуги под давлением 0,05–0,2 МПа осуществляется подача углекислого газа, который вытесняет воздух и тем самым защищает расплав от негативного воздействия азота и кислорода.
При дуговом способе наплавки может использоваться токарный станок, деталь устанавливают и зажимают в патроне, на суппорте крепится наплавочная головка. Углекислый газ из баллона подается в зону горения дуги. При выходе газа из баллона происходит его быстрое расширение и понижение температуры, по этой причине остаточная влага в баллоне может привести к обмерзанию понижающего редуктора и его преждевременной поломке. В целях исключения такого отрицательного момента применяют осушитель и подогреватель.
Газ проходит по змеевику, подогревается при помощи электрического тэна. После этого он поступает в осушитель, в котором методом взаимодействия с поглотителями влаги (может быть медный купорос или силикагель) происходит его обезвоживание. Расходные параметры углекислого газа контролируются при помощи расходомера.
Из-за относительно небольшой стоимости углекислого газа дуговой способ наплавки в среде СО2 постепенно вытесняет вибродуговой метод и в какой-то степени наплавку под слоем флюса, а, помимо всего, и сварку штучными электродами при сваривании дугой стального тонколистового материала. Если сравнить со сваркой под слоем флюса, такой способ наплавки обладает производительностью на 25–30 % выше, причем его стоимость ниже на 10–20 %. Процесс можно довольно просто автоматизировать и механизировать, так как сварка и наплавка производится в любом пространственном положении. При отсутствии флюса исключается операция по отбиванию зоны сварного шва от шлаковых включений и остатков флюса, что особенно характерно при наплавке в несколько слоев.
С уменьшением зоны термического влияния обеспечивается высокое качество сварки, появляется возможность реставрировать детали с меньшими диаметрами (10–12 мм), а также сваривать металлы небольшой толщины. Механизированный дуговой способ наплавки в углекислом газе широко используют при ремонтах кузовов, кабин и других деталей из листовой стали небольшой толщины, а также для реставрации поверхностей шеек валов, пальцев, зубьев различных шестеренок и звездочек, осей, резьбы и др.
К минусам такого метода наплавления и реставрации поверхностей можно отнести относительно большие потери электродного материала (8–12 %) и открытое световое излучение дуги. На наплавленном слое часто появляются различные трещины и выгорание легирующих элементов. Это происходит по причине разложения углекислого газа при высоких температурах на атомарный кислород и оксид углерода. Чтобы избежать таких процессов, используют электродную проволоку с высоким содержанием кремния, хрома, марганца и некоторых раскислителей, таких как Св-15Х12НМВФБ, Св-08ХГСМА, Св-08Г2С.
Наплавка дуговым способом в среде углекислого газа производится на обратной полярности и постоянном токе.
