Особенности сварки чугунных деталей

При восстановлении деталей из чугуна методом сварки возникают значительные трудности:

- из-за отсутствия площадки текучести у чугуна, хрупкости и небольшого предела на растяжение, что часто служит причи­ной образования трещин;

- отсутствия переходного пластического состояния при на­греве до плавления: из твердого состояния чугун сразу перехо­дит в жидкое. Жидкотекучесть затрудняет ремонт деталей даже с небольшим уклоном от горизонтального положения;

- получения отбеленных участков карбида железа (F₃C - цементит), трудно поддающихся механической обработке.

При восстановлении чугунных деталей применяют два ос­новных способа сварки: «горячую» (с подогревом детали) и «хо­лодную» (без подогрева).

При горячем способе сварки сначала производят механиче­скую подготовку детали к сварке (засверливание концов трещин, разделку кромок и т.п.), а затем в специальных печах ее подог­ревают до температуры 550...600°С.

Сварку производят ацетилено-кислородным пламенем.

В качестве присадочного материала используют стержни диаметром 6...8 мм, отлитые из серого чугуна с повышенным со­держанием кремния (до 3...3,5%).

Для защиты наплавленного металла от окисления и удаления окислов используют флюс, состоящий из 50%-ной смеси буры и двууглекислого натрия.

Режим сварки рекомендуется следующий: мощность сварочной горелки выбираю т из расчета расхода 0,10...0,12 м³/ч ацетилена на 1 мм толщины свариваемого металла; сварочное пламя должно быть нейтральным или с небольшим избытком ацетилена.

После сварки детали медленно охлаждают в термостатах (копильниках).

Холодный способ сварки чугуна в технологическом отноше­нии проще и поэтому в авторемонтном производстве нашел ши­рокое применение. Холодную сварку выполняют без предвари­тельного подогрева деталей.

Чугун можно сваривать дуговой сваркой металлическим или угольным электродом, газовой сваркой, заливкой жидким чугу­ном, порошковой проволокой, аргонно-дуговой сваркой и т.д.

Выделяют:

- заварка трещин косвенной дугой;

- сварка стальными электродами;

- сварка биметаллическими, комбинированными электрода­ми или пучком электродов;

- сварка электродами из специальных сплавов или цветных металлов (электроды с содержанием никеля, меди);

- пайка твердыми припоями и специальными флюсами.

Заварка трещин косвенной дугой (горячая) заключается в том, что между двумя стальными электродами возбуждается дуга. Тепловой поток расплавляет поверхность чугунных деталей. Выдуваемая большая часть расплавленного чугуна образует своеобразную разделку (канавку) необходимой глубины. Сварку выпол­няют сразу после разделки, пока деталь нагрета.

При разделке трещины деталь устанавливают вертикально для стекания расплавленного металла, а для сварки ее переводят в горизонтальное положение, удалив предварительно наплывы и подтекания металла. Допускается заваривать трещины на дета­лях с толщиной стенки до 6 мм без разделки. Канавку глубиной 6….8 мм, полученную после разделки, заваривают в один слой. Более глубокую канавку заваривают в два и более слоя, удаляя шлаковую корку после каждого из них. Такая сварка - лучшая по качеству. Недостаток - энергоемкость.

Сварка методом отжигающих валиков (стальными электродами)

 

Трещину предварительно разделывают.

Вначале на одну кромку разделанной трещины наносят ко­роткими участками (15...25 мм) вразброс подготовительные и отжигающие валики.

Валики наплавляют высотой 4...5 мм снизу, покрывая пре­дыдущий на 60...70%. После того как они будут наложены по всей длине трещины, деталь охлаждают до температуры

70….80°С, а затем заваривают также вразброс промежутки между ними соединительными валиками.

Разработана высокоэффективная технология заварки трещин в стенках водяных рубашек чугунных блоков цилиндров дизе­лей. Она заключается в следующем. Рядом с трещиной по обе стороны от нее на расстоянии 7... 10 мм шлифовальным кругом разделывают канавку по всей длине трещины. Глубина разделки 1,5....3 мм и ширина 3...5 мм. Заваривают короткими участками (20...50 мм) поперек трещины с заполнением металлом подго­товленных канавок.

Валики накладывают поочередно от краев трещины к сере­дине. Каждый из них охлаждают до температуры 40...60°С, пре­жде чем будет нанесен последующий. Обязательное условие - перекрытие предыдущего валика последующим на 1/3 его ши­рины. Разделанные канавки вдоль трещины служат упорами в усадке шва и стягивают ее. Данный способ удовлетворяет требо­ваниям на сварной шов по герметичности и прочности.

Сварка чугуна стальными электродами является наиболее простым и экономичным способом сварки, однако при этом воз­можны науглероживание и закалка шва, что ухудшает его обра­батываемость. При этом способе сварки рекомендуется приме­нять электроды марки ТДЧ-4, изготовленные из сварочной прово­локи св.08 с толстым покрытием, содержащим титан.

Сварка чугуна электродами из цветных металлов менее эконо­мична, но дает хорошие показатели с точки зрения прочности, пластичности и плотности шва. Наиболее широкое применение по лучили медные электроды марки ОЗЧ-1 с покрытием, содержащим железный порошок и медно-никелевые электроды марки МНЧ-1, с покрытием типа УОНИ-55. Наилучшие результаты дает сварка электродами МНЧ-1. Сварочный шов при этом состоит из железо- никелевого сплава и обладает высокой прочностью и пластичностью.

Холодную сварку чугуна рекомендуется производить элек­тродами диаметром 3...4 мм на постоянном токе обратной полярности при напряжении 20-25 В и силе тока 120-150 Л.

Наиболее хорошие результаты дает применение пайки-сварки латунными электродами марок: ЛОМНА-54-10-4-0, ЛОК-59-1-03 и Л-62. Пайко-сварку чугунных деталей производят ацетиленокислородным пламенем с использованием флюса марки ФГТСИ-2, содержащего 50% борной кислоты, 25% углекислого лития и 25% углекислого натрия. При пайке-сварке кромки деталейнагревают до 700...750°С.

 

Восстановление деталей пайкой

 

Пайкой называют процесс получения неразъемных соедине­ний деталей в твердом состоянии при помощи расплавленного сплава, называемого припоем.

По температуре плавления все припои подразделяются на низко- и высокотемпературные. К низкотемпературным относятся припои с температурой плавления ниже 450°С, а к высокотемпературным - выше 450°С.

Оловянно-свинцовые припои относятся к низкотемператур­ным. Их температура плавления не более 280°С. Они обладают достаточно высокой противокоррозионной стойкостью и высо­кими технологическими свойствами - прочность пайки этими припоями по пределу прочности на разрыв не превышает 50 - 80 МПа. Из оловянно-свинцовых припоев наибольшее применение ни шли ПОС-40 и ПОС-61.

Медно-цинковые припои относятся к высокотемпературным. Их температура плавления 825...905°С. Эти припои содержат от 16 до 65% меди (остальное - цинк).

Серебряные припои, имеющие высокую стоимость, применяют­ся только в тех случаях, когда шов должен обладать большой меха­нической прочностью, повышенной стойкостью против коррозии и когда место пайки не должно снижать электропроводность детали. Серебряный припой представляет собой сплав серебра с медью и цинком. Содержание серебра в припое в пределах 10-70%.

Припои для пайки алюминия и его сплавов подразделяются на две группы: высокотемпературные на основе алюминия и низкотемпературные на основе олова, цинка и кадмия.

 

Восстановление деталей напылением

 

Сущность процесса напыления состоит в том, что расплав­ленный тем или иным способом металл наносится струей сжатого воздуха или инертного газа с большой скоростью на специально подготовленную поверхность детали. Для восстановления изно­шенных поверхностей применяют напыление без последующего оплавления и напыление с одновременным или последующим оп­лавлением. Последующее оплавление осуществляется газовым пламенем, токами высокой частоты или плазменной струей. Мелкие частицы распыленного металла достигают поверхности детали в пласти­ческом состоянии, имея большую скорость полета. При ударе о поверхность детали они деформируются и, внедряясь в ее поры и неровности, образуют покрытие. Соединение металлических частичек с поверхностью детали и между собой носит, в основ­ном, механический характер, и только в отдельных точках имеет место их сваривание.

Газоплазменное напыление осуществляется при помощи спе­циальных аппаратов, в которых плавление напыляемого металла производится ацетилено-кислородным пламенем, а его распыле­ние - струей сжатого воздуха. При проволочной металлизации напыляемый материал поступает через центральное отверстие горелки и расплавляется в пламени горючего газа. Струя сжато­го воздуха (азота) распыляет (диспергирует) материал на мелкие частицы, которые наносятся на предварительно подготовленную поверхность с образованием покрытия нужной толщины.

Проволока подается электродвигателем через редуктор или ролики, приводимые в движение встроенной в горелку воздуш­ной турбинкой. Последняя работает на сжатом воздухе, исполь­зуемом для напыления.

При порошковой металлизации поступающий из бункера порошок разгоняется потоком транспортирующего газа и на вы­ ходе из сопла попадает в пламя, где и нагревается до необходи­мой температуры.

Горючим газом может быть ацетилен или пропан-бутан. Транспортирующим газом служит кислород.

Достоинства:

- Небольшое окисление металла;

- Мелкое его распыление;

- Достаточно высокая прочность покрытия.

Недостатки:

- Невысокая производительность.

Область применения

Газопламенное напыление применяют для восстановления посадочных мест под подшипники на валах коробки передач, опорных шеек распределительного вала, постелей коренных подшипников в блоке цилиндров и др.

 

Электродуговое напыление.

Сущность процесса заключа­ется в расплавлении электрической дугой проволоки и нанесении ее частиц на поверхность детали с помощью сжатого воздуха.

Электродуговое напыление производится аппаратами, в которых расплавление металла осуществляется электрической тугой, горящей между двумя проволоками, а распыление - стру­ги сжатого воздуха.

 

 

Схема электродугового напыления:

1- проволока; 2 - подающий механизм; 3 - направляющие наконечники;

4 — воздушное сопло; 5 — напыляемая поверхность

Электродные проволоки подаются двумя парами изолиро­ванных один относительно другого роликов, контактируют, вы­ходя из латунных наконечников. Последние находятся под на­пряжением, что приводит к возникновению электрической дуги, в которой плавятся проволоки. Струя сжатого воздуха распыляет образующиеся капельки жидкого металла на мельчайшие частицы и с силой подает их на поверхность детали.

Раскаленные частицы, соприкасаясь со струей сжатого воздуха, охлаждаются, но достигают поверхности детали в пластическом со­стоянии. Ударяясь в нее с большой скоростью (до 200 м/с), они рас­плющиваются, заполняя неровности (образуется пористое по­крытие).

Достоинства:

- простота применяемого оборудования;

- низкая удельная себестоимость.

Недостатки:

- выгорание легирующих элементов;

- повышенное окисление металла.

Область применения

Для восстановления изношенных поверхностей деталей ци­линдрической и плоской формы из стали, чугуна, цветных ме­таллов, работающих в условиях трения скольжения и подвиж­ных посадок, и для нанесения антикоррозионных покрытий. Высокочастотное напыление основано на использовании прин­ципа индукционного нагрева при плавлении исходного материа­ла покрытия (проволоки).

Детонационное напыление. При этом способе напыления расплавление металла, его распыление и перенос на по­верхность детали достигаются за счет энергии взрыва смеси га­зов, ацетилена и кислорода.

 

Схема детонационного напыления:

1 - электрическая свеча;! «8 - подача соответственно кислорода и ацетилена; 3 - сжатый азот; 4 - металлический порошок; 5 – ствол

Детонационное напыление позволяет наносить любые материалы на любые подложки без изменения свойств материала основы. Сущность этого способа заключается в следующем: в трубу – ствол вводят заряд взрывчатой газовой смеси и определённую дозу напыляемого порошка. Фронт пламени подожжённой смеси распространяется вдоль ствола с возрастающей скоростью и порождает детонационную волну, скорость которой составляет 2-4 км/с. Этот поток придаёт необходимое ускорение напыляемому порошку и наносит его на изношенную поверхность детали. При этом предварительной обработки изношенных поверхностей не требуется. Покрытия обладают высокой твёрдостью и прочностью сцепления, низкой пористостью. Недостатками этого способа являются значительный шум, неэкологичность, низкая производительность и высокая стоимость.

 

Ионно-плазменное напыление. При этом способе напыления детали, на которые наносится покрытие, помещают в вакуумную камеру. В этой камере напыляемый металл за счет тепла элек­трической дуги переводится в плазменное состояние. Положи­тельно заряженные ионы металлической плазмы перемещаются на поверхность деталей, которые являются катодом. В вакуум­ную камеру вводится реактивный газ (азот), за счет взаимодей­ствия которого с частицами металлической плазмы происходит улучшение свойств покрытия. Ионно-плазменная установка ПУСК-77 применяется для уп­рочнения режущего инструмента путем нанесения покрытия из нитрида титана и для улучшения прирабатываемости и повышения износо­стойкости поршневых колец двигателя за счет нанесения покрытия из нитрида молибдена. Эта установка может быть применена также при восстановлении деталей с небольшим износом в пре­делах 10... 15 мкм.

Плазменное напыление - это такой способ нанесения металлических покрытий, при котором для расплавления и переноса металла на поверхность детали используются тепловые и дина­мические свойства плазменной дуги. При открытой плазменной дуге ток течет между электродом и деталью.

Схема плазменного напыления:

1 - порошковый дозатор; 2 - катод; 3 - изоляционная прокладка;

4 - анод (сопло); 5 - транспортирующий газ; 6 - охлаждающая вода;

7 - плазмообразующий газ

 

Плазмообразующий газ совпадает с дуговым разрядом на всем пути его следования от катода до анода. Такой процесс сопровож­дается передачей большего количества теплоты детали, поэтому открытая плазменная дуга необходима при резке металлов.

При закрытой плазменной дуге плазмообразующий газ течет соосно с дугой лишь часть пути и, отделяясь от нее, выходит из сопла плазмотрона в виде факела плазмы. Температура такой дуги (ее сжатой части) на 25...30% выше, чем открытой. Ее используют при плавлении подаваемых в сжатую часть дуги тугоплав­ких порошков, напыляемых на поверхность детали.

При комбинированной плазменной дуге горят две дуги: ме­жду вольфрамовым электродом и деталью, тем же электродом и водоохлаждающим соплом.

При добавке алюминия образуется прочная оксидная пленка, что позволяет восстанавливать детали без защитных газов.

Достоинства:

- высокая производительность;

- возможность нанесения покрытий из любых материалов толщиной 0,1-10 мм.

Недостатки:

- высокие требования к производственному помещению по пожаробезопасности и взрывобезопасности;

- высокое энергопотребление процесса

Область применения.

Восстановление кулачков и опорных шеек распределитель­ных валов, фаски тарелки и торца клапана, юбки толкателя, шейки поворотного кулака, отверстия под подшипники в короб­ках передач и редукторах и т.д.