Восстановление деталей сваркой и наплавкой

Общие сведения и основные источники теплоты

Наиболее широко применяемыми технологическими способами, используемыми в РП при БД, являются сварочно-наплавочные процессы. Этими способами восстанавливаются такие детали НТТС, как рамы, КВ, детали коробки передач, рулевого управления, передних и задних мостов, кузовов и кабин, деталей ходовой части гусеничных машин и др. Ее применяют при устранении трещин, сколов, изломов, пробоин и т. д.

Широкое распространение при ремонте НТТС сварки и наплавки объясняется быстротой выполнения операций, относительной несложностью технологического оборудования и экономичностью процессов. Однако сварка и наплавка имеют ряд недостатков: изменение структуры основного металла в зоне термического влияния и появление местных напряжений, приводящее к деформации деталей, снижению усталостной прочности и появлению трещин, трудности сварки и наплавки деталей из высокоуглеродистых и легированных сталей и деталей из чугуна.

Сварка — это процесс создания неразъемных соединений на основе обеспечения межатомных связей между основным материалом и присоединяемым при воздействии значительного количества теплоты различной природы, ПД, т. е. сварка давлением или совместным одновременным действием того и другого.

Наплавка — это процесс нанесения расплавленного металла, полученного различными способами, на оплавляемую металлическую поверхность детали с последующей его кристаллизацией для формирования поверхностного слоя с заранее заданными физико-механическими свойствами и геометрическими размерами.

Каждый атом внутри кристалла удерживают элементарные связи. Атом может быть неуравновешен только на свободной поверхности тела из-за отсутствия или ослабления связей с внешней стороны, поэтому, чтобы соединить тела, требуется (извне) энергия, необходимая для преодоления этих элементарных связей. Внешняя энергия — это механическая или тепловая энергия. Механическая энергия затрачивается на преодоление сил отталкивания, которые возникают между поверхностными атомами сближаемых тел, а тепловая — облегчает их соединение.

Для термических процессов сварки (наплавки) энергия вводится через расплавленный материал. Внешние носители энергии — это дуга, луч, газовое пламя. Термомеханические процессы сварки (наплавки) идут с введением теплоты и механической энергии сил давления. В основу механических процессов сварки (наплавки) положена ПД, которая может создаваться при помощи пневмогидрав- лических устройств, за счет энергии взрыва и т. д.

Реализация процессов сварки (наплавки) связана с нагревом материала детали различными видами источников теплоты, а эффективность процессов определяется условиями нагрева и охлаждения детали.

Электрическая дуга. В ходе ряда экспериментов в 1802 г. профессор Санкт-Петербургской медико-хирургической академии, физик Василий Владимирович Петров впервые в мире открыл явление электрического разряда в газах — электрическую дугу. В 1803 г. он впервые описал это явление в своей книге «Известия о гальва- ни-вольтовских опытах», в которой указал на возможность практического применения дуги для электроосвещения и плавления металлов.

Известно, что при низкой температуре газы не проводят электричество, а для дугового разряда в газах необходимо, чтобы в промежутке между электродами образовались электрически заряженные частицы (процесс ионизации газа), которыми могут быть молекулы газа и различные твердые и жидкие тела, имеющиеся в газе. Основная причина ионизации газа — высокая температура газа. Если осуществить соприкосновение двух электродов, которые находятся под напряжением и имеют большое омическое сопротивление, то в месте их контакта будет выделяться большое количество теплоты, а концы электродов нагреваются до высокой температуры.

Высокая температура придает электронам такую кинетическую энергию, которая позволяет преодолеть силу притяжения положительных ионов, начинающих вылетать с поверхности электрода за его пределы. Электроны, сталкиваясь на своем пути с молекулами и атомами газа, расщепляют их и заряжают элементарным зарядом. В результате газовый промежуток ионизируется и становится проводником электричества. Под действием электрического поля электроны и отрицательные ионы направляются к аноду, а положительные ионы — к катоду и ударяются о них, в результате чего кинетическая энергия переходит в тепловую энергию, а температура анода и катода становится значительной. Следует заметить, что в начальный момент необходимо более высокое напряжение источника тока при зажигании дуги, так как электроды и газовый промежуток недостаточно нагреты, а также для того, чтобы электроны получили больше кинетической энергии и ионизация газа в электродном промежутке происходила интенсивнее. Таким образом, величина напряжения должна быть больше, чем требуется энергии для освобождения электрона.

Сварочная дуга состоит из трех зон (рис. 14.1): катодной и анодной областей и столба. Размер катодной области равен /_кат = КН...10^-5 см. Катод эмитирует электроны за счет нагрева поверхности и в результате создания у нее электрического поля высокой напряженности, а также за счет термической ионизации нейтрального газа. В результате у поверхности катода создается положительный заряд и происходит катодное падение напряжения U_KaT — 5...25 В на небольшой длине катодной части.

Рис. 14.1. Модель сварочной дуги и распределение потенциала по ее длине

В столбе заряженные частицы появляются как из анодной, так и из катодной областей. Сварочный ток — это ток проводимости, который возникает в результате системного движения свободных электронов и ионов, причем электронная составляющая в сотни раз больше ионной. Длина столба равна 1_СТ = 0,1...4 см, а падение напряжение U_CT = 40 В. Температура дуги в столбе достигает t_CT = 6000 °С, в результате чего процесс сварки начинается сразу, как только возбуждается дуга. Тем самым обусловлена высокая скорость плавления электрода и основного металла, а как следствие — высокая скорость сварки.

Размер анодной области составляет 1_ан = 10~³...10“⁴ см, а анодное падение напряжения U_aH = 2... 10 В, т. е. ниже, чем катодной области. У поверхности анода наблюдается отрицательный заряд, а температура приблизительно равна температуре испарения материала электрода.

Поскольку длина столба значительно больше длин катодной и анодной областей, длина дуги равна

Баланс выделяющейся теплоты равен

где q_KaT, q_CT, q_aH — выделяющаяся теплота, приходящаяся на катод, сварочную дугу и анод, %.

Основная характеристика сварочной дуги — эффективная тепловая мощность q₃ — количество теплоты, которое вводится в металл детали в процессе сварки (наплавки) в единицу времени и затрачивается на его нагрев. Полная мощность дуги, Дж/с, рассчитывают по формуле

где 0,24 — тепловой (коэффициент) эквивалент энергии; К — коэффициент несинусоидальности напряжения, для постоянного тока К = 1, а для переменного — К = 0,7...0,97; /_д — сварочный ток, А; [А — напряжение дуги, В,

где а и (3 — опытные коэффициенты, которые зависят от типа металла, рода газа в дуговом промежутке.

Не вся выделяемая дугой теплота используется для нагрева поверхности детали. Она идет непосредственно на сварку и на нагрев нерасплавляющейся части электрода, а также теряется в окружающем пространстве из-за конвекции, т. е. нагреве газа, и создании светового потока.

Тогда г)_э = q₃/q_a будет являться эффективнъш КПД процесса нагрева, который, например, для сварки штучным электродом с покрытием составит — 0,7...0,85, а сварки под флюсом — 0,85...0,95.

Для восстановления поверхностей деталей используют электрические дуги в зависимости от количества электродов и способа их и детали включения в электрическую цепь. Если дуга горит:

• • между электродом и деталью, то ее называют дугой прямого действия (рис. 14.2, а);
• • между двумя электродами, а деталь не используется в виде электрода в цепи, то такая дуга называется дугой косвенного действия (рис. 14.2, б);

• если дуга возбуждается между двумя электродами и соответственно между каждым из электродов и деталью, то такая дуга называется дугой комбинированного трехфазного действия (рис. 14.2, в).

Рис. 14.2. Виды сварочных дуг

По роду тока различают электрические дуги, питаемые током:

• • постоянным. В этом случае наибольшее количество теплоты выделяется на положительном полюсе, так как поток электронов в дуге испускается катодом, а электроны как бы бомбардируют анод, поэтому он разогревается сильнее, чем катод и для плавления на нагрев металла тратится значительно больше теплоты, чем для обеспечения расплавления электрода. При постоянном токе сварка может быть различной полярности:
  • — прямой. При этой полярности отрицательный полюс источника питания присоединяют к электроду, а положительный — к металлу детали,
  • — обратной. При этой полярности отрицательный полюс источника питания присоединяют к металлу детали, а положительный — к электроду. Эта полярность используется редко и только в тех случаях, если необходимо получить меньший нагрев детали;
• • переменным. Если питание дуги осуществляется переменным током, то полярность тока многократно изменяется (50 раз в секунду), что дает возможность изменять направление движения потока электронов (то на деталь, то на электрод). В результате теплота между электродом и деталью распределяется равномерно.

Таким образом, механизм возникновения электрической дуги будет состоять из момента соприкосновения и размыкания электродов. В момент соприкосновения электродов в точках контакта вследствие большого омического сопротивления плотность тока достигает больших величин, металл детали под действием теплоты быстро нагревается и переходит в жидкое состояние, а часть металла испаряется. В этот период электрический ток достигает максимальной величины, а напряжение падает до нуля, в результате чего в сварочной цепи создается магнитное поле.

В момент размыкания электродов величина тока резко снижается, магнитная энергия сварочной цепи превращается в электрическую, а напряжение между электродами увеличивается. Зажиганию дуги способствует то, что часть металла находится в дуговом промежутке в парообразном состоянии, а нагретый воздух облегчает процесс ионизации дугового промежутка и эмиссию электронов.

При сварке (наплавке) осуществляется взаимодействие расплавленного и нерасплавленного металла в среде газа и жидкого шлака, формирующихся при расплавлении флюса, состоящего из шлакообразующих веществ, являющихся электродными покрытиями. В зоне сварки происходят реакции окисления и раскисления металла. Основными характерными условиями при металлургической реакции как при сварке (наплавке), так и при кристаллизации являются высокая температура нагрева, небольшой объем расплавленного металла, относительная кратковременность процесса.

Кислород в атомарном состоянии образует с железом соединение FeO, которое растворяется в жидком металле, а также оксиды Fe₂0₃ и Fe₃0₄, являющиеся шлаковыми включениями и дислоцирующие на поверхности сварочной ванны. В металл шва кислород попадает из воздуха из-за некачественной защиты шва, из ржавчины и окалины из-за недостаточной предварительной подготовки зоны сварки (наплавки) или же из влаги, выделяемой при использовании сырых электродов. Раскислителями являются кремний, марганец, титан, углерод и алюминий.

Из окружающего воздуха в наплавленный металл также попадает азот, который при сварочных температурах переходит в атомарное состояние и хорошо растворяется в жидком металле сварочной ванны, а при охлаждении выделяется из раствора и при взаимодействии с металлами образует нитриды (Fe₂N, MnN, SiN и др.), которые значительно снижают пластичность металла.

Из влаги, содержащейся в электродном покрытии, из ржавчины на поверхности детали или из флюса водород попадает в наплавленный металл, а при кристаллизации металла шва он не успевает выделиться из металла. Это приводит к образованию пор и небольших трещин, а также «флокенов», которые хорошо видны на поверхности излома (светлое пятно).

Сера и фосфор являются очень вредными примесями в наплавленном металле. Сера образует сернистое железо FeS, которое при кристаллизации, находясь в расплавленном состоянии, распространяется между кристаллами и, как правило, вызывает появление трещин на поверхности. Фосфор присутствует в наплавленном металле в виде фосфидов железа Fe₃P и Fe₂P, которые значительно снижают пластичность металла.

Поскольку нагрев при сварке (наплавке) является местным, присутствует резкий перепад температур — от температуры кипения металла в зоне сварочной ванны до температуры окружающей среды на некотором расстоянии от шва. При остывании наблюдается резкий отвод теплоты в направлении основного металла, т. е. происходит кристаллизация металла шва (образование крупных столбчатых кристаллов из жидкой фазы). Естественно, что в различных температурных условиях металл имеет различные структурные особенности, и на конечную структуру металла шва влияют способ сварки, условия ее проведения, химический состав основного и присадочного материалов.

Газовое пламя. Первые попытки применения для сварки и резки горючих газов в смеси с кислородом относятся к началу XX в. Появлению газовых сварки и резки предшествовали работы по исследованию процессов горения различных газовых смесей, проведенные французским исследователем Анри Луи Ле Шателье. В 1895 г. он доложил французской академии наук о получении им высокотемпературного пламени (свыше 3000 °С) при сжигании ацетилена и кислорода. Ацетилен был открыт еще в 1836 г., а в 1863 г. был синтезирован М. Бертло. Однако доступным техническим продуктом он стал лишь после того, как в первой половине 1890-х гг. химики Ф. Ф. Анри Муассан во Франции и Ральф Вильсон в Америке нашли способ приготовления карбида кальция из известняка и угля.

Если при сварке (наплавке) в качестве источника теплоты используют газовое пламя, то их называют газовой сваркой. Газовым пламенем проводят напыление поверхностей, а также их оплавление. Газовое пламя получают при сжигании газообразных продуктов в кислороде, и оно нагревает деталь за счет конвективного и лучистого теплообмена между продуктами сгорания и нагреваемой поверхностью, при этом вклад лучистого теплообмена составляет 10... 15 % общего теплового потока. В качестве горючих газов используют природные газы: ацетилен, пропан, бутан, метан и их смеси.

Важный фактор, который определяет тепловые свойства пламени, — его температура, которая в различных своих зонах неодинакова из-за неоднородного состава газов и неодинаковых реакций в этих зонах. На рис. 14.3 приведено распределение температур в ацетилено-кислородном пламени по различным его зонам.

Ядро (1_я = 900 °С) — это газовая смесь ацетилена и кислорода, имеющая резко очерченную бочкообразную форму с закругленным концом и ярко светящуюся оболочку. Длина ядра формируется в зависимости от скорости движения и объемов расхода горючей смеси, а его диаметр образуется в зависимости от диаметра мундштука. Если осуществить воздействие этой частью пламени на расплавленный металл, то свободный кислород вступит в соединение с металлом и образует оксиды, которые препятствуют сплавлению металла.

Восстановительная зона (t_B > 3000 °С) — это зона где происходит неполное сгорание ацетилена в кислороде. Она имеет темный цвет. Процесс сгорания смеси протекает по реакции С₂Н₂ + 0₂ =

= 2С0 + Н₂. В этой зоне пламени присутствуют оксиды углерода и водорода, которые обладают способностью отнимать кислород у оксидов, поэтому она восстанавливает окисленный металл. Если расплавленный металл будет находиться в этой зоне, то он получается без пор, газовых и оксидных включений и других дефектов. Таким образом, металл должен расплавляться пламенем восстановительной зоны.

Рис. 143. Зоны ацетелено-кислородного пламени и распределение в нем температуры:

• 1 — ядро; 2 — восстановительная (сварочная) зона;
• 3 — факел (оксидная зона)

Факел (?ф = 1200...2500 °С) — это зона, в которой протекает вторая стадия сгорания ацетилена за счет кислорода воздуха. Факел состоит из диоксида углерода, паров воды и азота. Процесс сгорания смеси протекает по реакции СО + Н₂ + 0₂ = С0₂ + Н₂0.

В зависимости от характера действия пламени на расплавленный металл оно бывает:

• • нормальным (рис. 14.4, а). Это пламя имеет резко очерченное ядро, плавно закругляющееся на конце. Нормальное ацетиленокислородное пламя — это пламя с соотношением кислорода и ацетилена в смеси 1,1..Л,2. Это пламя противодействует окислению поверхности металла в сварочной ванне;
• • науглероживающим (рис. 14.4, б). Ядро пламени имеет избыток ацетилена, теряет четкость очертаний, а граница между средней зоной пламени и факелом почти исчезает. Факел имеет красный оттенок и выделяет некоторое количество копоти;
• • окислительным (рис. 14.4, е). Ядро пламени имеет избыток кислорода, приобретает конусообразную форму, уменьшается по длине и становится менее отчетливым. Соответственно уменьшаются длина средней зоны и величина самого факела. Это пламя имеет голубоватый оттенок, горит с шумом и окисляет металл, его температура выше температуры нормального пламени. Этим пламенем режут металлы и нагревают детали.

Рис. 14.4. Сварочное пламя:

а — нормальное; б — науглероживающее; в — окислительное

Плазма (от греч. plasma — «вылепленное, оформленное») представляет собой четвертое агрегатное состояние вещества (после твердого, жидкого и газообразного). Это частично или полностью ионизированный газ, состоящий из нейтральных частиц, положительных и отрицательных зарядов с одинаковой концентрацией, обладающий электропроводимостью и имеющий высокую температуру.

В 1920-е гг. американские ученые И. Лэнгмюр и Л. Тонкс установили новое состояние вещества, которое растекалось и пульсировало подобно биологической плазме, поэтому новому состоянию было дано такое название. Плазма впервые была получена в 1922 г. В этот период советские ученые А. А. Власов, Н. Н. Боголюбов и Л. Д. Ландау сыграли основополагающую роль в развитии представлений о плазме.

Принципиальная схема процесса формирования плазмы представлена на рис. 14.5. Молекулы газа, образованные из двух атомов водорода и азота, имеют вид гантели (см. рис. 14.5, а) и совершают параллельное движение вдоль осей х, у и z при значениях температуры, равных нулю. При повышении температуры до 10 К у этих молекул появляется дополнительное вращательное движение. Далее наблюдается значительное повышение температуры до 1000 К, возникают довольно значительные колебательные движения атомов, которые представлены на рис. 14.5, б. Повышение частоты столкновения движущихся молекул приводит к их обратному распаду на атомы, что можно видеть на рис. 14.5, в. Значение температуры перехода обратно в атомарное состояние определяется видом газа и парциальным давлением. Например, температура возврата в атомарное состояние для кислорода составляет около 3000 К, а для азота такой переход характерен при 4500 К.

Плазменную струю получают перемещением газа через электрический разряд между двумя или несколькими электродами (электрическую дугу) и сжатием этой струи. В результате резко возрастает температура газа и значительно повышается напряжение дуги. Молекулы газа при нагреве распадаются на атомы (диссоциируют), а за счет энергетического воздействия электрического разряда от атома газа отрывается электрон, т. е. начинается процесс ионизации, в результате которого возникают две заряженные частицы (см. рис. 14.5, г): оторвавшийся электрон и остаточный ион. Если отрывается один электрон, то происходит однократная ионизация, а если несколько, то многократная. Таким образом, сущность ионизации газа в разряде заключается в возникновении электронной лавины. Естественно, такой процесс требует энергии. Поскольку сжатие струи осуществляют охлаждаемым соплом, происходит обратный процесс рекомбинации молекул с выделением энергии, которая равна энергии диссоциации и ионизации атомов.

Рис. 14.5. Механизм образования плазмы:

1 — положительный ион; 2 — электрон

Распределение температуры плазменной струи (рис. 14.6) по радиусу (г) и по длине (0 крайне неравномерны. Максимальная температура наблюдается в центре на оси плазменного потока, причем она значительно выше, чем у открытой дуги.

Рис. 14.6. Распределение температуры плазменной струи по радиусу г и по длине /

Таким образом, плазменная струя создается дуговым разрядом, размещенным в узком канале специального устройства, при обдуве электрической дуги потоком плазмообразующего газа.

Лазерное излучение. В 1939 г. советский физик В. А. Фабрикант указал на возможность использования вынужденного испускания для усиления электромагнитного излучения при его прохождении через вещество, а в 1951 г. подал заявку на изобретение способа усиления излучения с помощью вынужденного излучения.

В начале 1960-х гг. американский физик Ч. Таунс создал лазеры (квантовые генераторы) на основе теоретических работ советских ученых Н. Г. Басова и А. М. Прохорова, а Т. Мейман (США) получил первый лазерный луч при накачке маленького кубического кристалла рубина вспышками света.

Слово «лазер» составлено из начальных букв в английском сочетании Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, что переводится как «усиление света посредством вынужденного испускания».

Лазерный луч — это источник электромагнитных монохроматических волн, которые сконцентрированы в точку очень малых размеров — сотые доли миллиметров. Плотность энергии в такой точке достигает огромной величины: например, для непрерывного лазера — (1...8) • 10⁵ кВт/см².

Лазер представляет собой генератор электромагнитных волн в диапазоне ультрафиолетового, видимого и инфракрасного излучения. Он включает генератор, электрический блок питания, стеллаж с конденсаторами и стереоскопический микроскоп (рис. 14.7). Генератор преобразует энергию, накопленную в блоке конденсаторов, в световой пучок, который является узконаправленным, одноцветным с постоянным во времени соотношением между фазами световых волн (когерентным). Сам генератор устроен следующим образом: он имеет осветительную камеру 1 с вмонтированным в него кристаллом рубина 2. Также в камере параллельно рубину смонтирована импульсная лампа 3, к которой подключено высокое напряжение. Помимо этого, камера используется как отражатель света за счет того, что ее стенки тщательно отполированы. Для поддержания постоянной температуры кристалла рубина в камеру подведен сжатый воздух, который после охлаждения кристалла свободно уходит в атмосферу. В установке имеется фокусирующая оптическая система, которая состоит из призмы 4, линзы и сменяемого объектива. Эта система предназначена для фокусирования излучения, создаваемого кристаллом рубина, и последующего его направления в точку сварки.

Сменные объективы фокусируют пучок света, создаваемый генератором, в пятно диаметром от 0,25 до 0,05 мм. Настройка генератора осуществляется за счет использования оптического устройства, которое представляет собой осветитель 6, призму 7 и конденсаторную линзу 8. Для контроля и управления процессом сварки применяется стереоскопический микроскоп 9. Для защиты глаз оператора, от излучения в момент сварки используется затвор 10, который приводится в движение электромагнитным устройством. Рабочее напряжение лампы вспышки 18 кВ. Управление процессом сварки заключается в изменении времени разряда и, как следствие времени горения самой лампы, для чего в цепи установлены реле индуктивности, которые дают возможность корректировать время длительности самого импульса.

Рис. 14.7. Схема рубинового лазера

Лазерный луч легко транспортировать, с помощью зеркальных оптических систем его можно направлять в труднодоступные места и подавать на значительные расстояния без потерь энергии и использовать одновременно на нескольких рабочих местах.

Лазерное излучение, направленное на поверхность металла детали, частично отражается от поверхности, а частично поглощается во внешнем слое толщиной приблизительно 0,0001 мм. Поскольку лазерный луч может подвергаться высокой фокусировке на поверхности металла, будет происходить локальный его нагрев, а скорость его нагрева и охлаждения будет высока. В результате будет наблюдаться малый объем расплавленного металла, тепловая энергия не будет успевать проникнуть вглубь детали и, следовательно, будет оказываться незначительное термическое влияние.