Благоприятно влияет на перенос металла, чистоту наплавляемого слоя уменьшение угла 7 (между осью проволоки и направлением вибрации). При вибродуговой наплавке под слоем флюса целесообразно сместить электрод от зенита детали на 2-7 мм в сторону, противоположную направлению вращения детали.
Марку проволоки выбирают в зависимости от требуемых свойств наплавленного слоя. Для получения поверхности с твердостью НВ 180-300 используют сварочную проволоку СВ-08. Более высокая твердость и износостойкость наплавленного слоя достигается применением высокоуглеродистой и легированной проволоки марок ПК, НП-40, НП-60, НП-80, ЗОХГСА, 12Х, 65Г и др. Однако следует иметь в виду, что при наплавке легированной и высокоуглеродистой проволокой увеличивается склонность к образованию трещин при закалке.
Для восстановления ответственных деталей вибродуговой наплавкой под слоем флюса или в среде углекислого газа применяют порошковую проволоку марок ПП-ЗХ2В8, ПП-Х12ВФ, ПП-4Х2В8Т, ПП-АН-1, ПП-АН-3 и др.
Детали после вибродуговой наплавки подвергают механической обработке на токарных или шлифовальных станках. Детали, наплавленные высокоуглеродистой или легированной проволокой, обычно шлифуют. Вместо шлифования можно применять электромеханический способ обработки.
Для повышения чистоты обработки, твердости, усталостной прочности после вибродуговой наплавки и предварительной механической обработки наплавляемые детали можно подвергать упрочнению накаткой. После упрочнения накаткой усталостная прочность деталей повышается на 15-35%.
К основным дефектам вибродуговой наплавки относятся низкая твердость и чистота наплавленного слоя, не сплавление между основным и наплавленным металлом, трещины, газовые поры, шлаковые включения, деформация наплавленных деталей. Контроль качества наплавленного слоя проводится в соответствии с требованиями технических условий на восстановление соответствующих деталей.
Внешним осмотром устанавливается чистота наплавленного слоя, наличие крупных трещин, открытых пор. Внешний осмотр сопровождается измерением и определением степени деформации восстановленной детали.
На приборах-твердомерах после чистовой обработки наплавленного слоя определяют твердость.
Наличие в слое трещин, газовых пор, шлаковых включений можно выявить методом травления шлифованной поверхности наплавленного слоя 10-20-процентным водным раствором азотной кислоты, а также методом магнитной дефектоскопии, используя магнитоэлектрические дефектоскопы МЭП, М-217 и др.
Для более полной оценки качества наплавки применяется металлографический анализ, позволяющий не только обнаружить внутренние дефекты в наплавленном слое и зоне термического влияния (непровары, трещины, газовые раковины, шлаковые включения), но и определить их размеры, установить место расположения. Металлографический анализ позволяет установить характер макро- и микроструктуры наплавленного слоя и зоны термического влияния.
Для выявления внутренних дефектов широкое распространение получил метод ультразвуковой дефектоскопии.
Газопрессовая сварка. В практике машиностроения и ремонтного производства газопрессовая сварка углеродистых сталей стала применяться в СССР с 1946 г. Однако газопрессовая сварка легированных сталей до последнего времени не была изучена и потому не производилась.
Ввиду все большего применения конструкционных легированных сталей на железнодорожном транспорте встал вопрос об исследовании сварки легированных сталей, отработке оптимальных режимов сварки и термообработки и внедрении ее в производство. Положительный опыт газопрессовой сварки деталей из углеродистой легированных и разнородных сталей накоплен на Даугавпилсском, Воронежском, Смелянском ремонтных заводах МПС.
При постройке гидропередач в основном применяются хромоникелевые, хромистые, хромокремнистые и хромомарганцовистые стали.
Детали гидропередач, имеющие местный износ или повреждения в пределах, допускаемых правилами ремонта, ремонтируются посредством восстановления изношенных мест наплавкой или гальваническим наращиванием с последующей механической обработкой. Если местный износ или повреждение детали выходит за допускаемые размеры, то она должна быть заменена новой или же отремонтирована путем замены изношенной части. В последнем случае изношенная часть детали отрезается и взамен ее приваривается новая с последующей обработкой по чертежу и техническим условиям.
При ремонте деталей гидропередачи как в заводских, так и в деповских условиях наиболее рационально применять газопрессовую сварку в пластическом состоянии металла.
Сварка в пластическом состоянии обеспечивает высокое качество, так как в этом случае по месту сварки не возникает дефектов, связанных с переходом металла из твердой фазы в жидкую и обратно: усадочных, раковин, газовых пор, рыхлости и трещин.
При газопрессовой сварке все параметры (величина осадки, усилие прессования, амплитуда колебания горелки, давление горючего газа и кислорода) легко управляемы и постоянно контролируются; длина свариваемой детали может быть легко выдержана, так как ее осадка может быть точно отрегулирована ввиду того, что производится безударно, на строго заданную величину. Положительным при газопрессовой сварке является и то, что процесс ведется под защитой газового пламени регулируемого состава.
Газопрессовая стыковая сварка в пластическом состоянии металла является наиболее приемлемой для сварки валов и других деталей гидропередачи, изготовленных из легированных сталей, так как дает соединение высокого качества, не требует сложного дорогостоящего оборудования и материалов.
Метод газопрессовой сварки в пластическом состоянии металла заключается в соединении свариваемых частей, нагретых в месте их стыкования до 1150-1200°С (для стали) и подвергаемых постоянному сдавливанию.
Подготовленные к сварке два стержня зажимают в захватах станка, центрируют и усилием Р, передаваемым подвижным захватом, сжимают друг с другом. После этого место стыка нагревают пламенем газокислородной многопламенной горелки, в патрубки которой К и А подают кислород и горючий газ. Для равномерного нагрева свариваемых частей и предотвращения оплавления поверхности металла горелку приводят в колебательное движение. Чтобы не допускать перегрева горелки, через патрубки В подводят и отводят охлаждающую воду.
При нагреве металла до пластического состояния концы свариваемых частей под действием сил Р осаживаются, в месте сварного стыка появляется утолщение. Процесс продолжается до тех пор, пока осадка под действием силы Р не достигнет заданной величины.
В гидравлических передачах тепловозов наиболее металлоемкими деталями, изготовляемыми из легированных сталей, являются валы. Вместе с тем они, имея круглое сечение, являются наиболее технологичными для восстановления или изготовления вновь с помощью газопрессовой сварки.
Схема газопрессовой сварки
Для экономии дорогостоящих легированных сталей большое значение может иметь применение газопрессовой сварки не только для восстановления изношенных деталей, но и для изготовления новых деталей из разнородных сталей. Например, шлицевые валы гидропередачи изготовляют из сталей 38ХС и 45ХН для того, чтобы обеспечить более высокую долговечность быстро изнашиваемой шлицевой части вала. В то же время остальная часть вала, как правило, работает в менее напряженных условиях и может быть выполнена из простой углеродистой стали.
Для обеспечения высококачественного соединения свариваемых частей при газопрессовой сварке необходимо строгое соблюдение режима сварки, который характеризуется мощностью пламени и амплитудой колебания горелки, усилием прессования, величиной осадки. Температура при газопрессовой сварке является одним из важнейших факторов, влияющих на механические свойства металла и его пластичность. В зависимости от температуры нагрева свариваемого металла идут процессы диффузии, аллотропические превращения, изменения величин зерна, окислительно-восстановительные и другие процессы и явления, влияющие на качество сварки. Температура нагрева зависит от мощности пламени горелки, которая подбирается таким образом, чтобы процесс сварки шел быстро, но без перегрева поверхностных слоев металла, с обеспечением равномерного нагрева металла по всему сечению свариваемого изделия.
Важную роль в обеспечении качества сварного соединения играет давление прессования. Давление обеспечивает плотное прилегание стыкуемых поверхностей, разрушает пленки окислов и загрязнений, вызывает пластическую деформацию, в процессе которой происходит рекристаллизация в зоне сварки. Рекристаллизация ведет к образованию новых кристаллов, что является основой механизма свариваемых частей.
Давление прессования существенно влияет на процессы адгезии (схватывания) и диффузии, имеющие место при газопрессовой сварке в пластическом состоянии. Обеспечивая плотное прилегание стыкуемых поверхностей, оно препятствует образованию и росту микропор, создает лучшие условия для роста зерна и улучшает процесс схватывания.
Однако повышение давления прессования вызывает увеличение деформации кристаллической решетки стыкуемых участков металла и тем самым препятствует процессам диффузии, замедляет их. Чрезмерное повышение давления вызывает ускоренную деформацию, при этом сварка завершается в момент, когда металл еще не нагрет до нужной температуры, что ведет к низкому качеству сварного соединения.
Повышение температуры и увеличение давления прессования создают предпосылки для усиления деформации металла, а величина амплитуды колебания горелки влияет на величину объема разогреваемого до пластического состояния металла и степень равномерности прогрева металла по всему свариваемому сечению. Объем нагретого металла определяет объем деформируемого при осадке металла и должен быть выбран таким, чтобы при сварке не получилось продольного изгиба свариваемых деталей, что может быть при больших амплитудах. При малой амплитуде колебания горелки внутренние слои металла не нагреются до нужной температуры и сварка не произойдет. Нагрев металла не должен быть слишком сосредоточенным, что зависит от мощности горелки и амплитуды колебания.
Нагрев и деформация в малом объеме могут вызвать не провар ввиду того, что нагретый до пластического состояния металл будет как бы выдавлен усилием прессования до соприкосновения с непрогретым до нужной температуры металлом. При высокой температуре и малом объеме нагретого металла деформация происходит так, что вызывает резкий поворот волокон. В таком случае механические свойства металла в месте стыка снижаются. На степень поворота волокон прокатки также влияет деформация металла, зависящая от величины осадки, которая является одним из основных параметров в технологии газопрессовой сварки и наряду с температурой и удельным давлением прессования определяет качество сварного соединения.
Механические свойства прокатанных и кованых сталей поперек волокон значительно ниже, нежели вдоль волокон. Поэтому деформация металла свариваемых изделий в зоне осадки должна быть такой, чтобы не допустить резкого поворота (искривления) волокон прокатки по отношению к продольной оси изделия. Это обстоятельство должно учитываться при выборе величины осадки свариваемого изделия, амплитуды колебания горелки.
Однако чрезмерное увеличение объема нагретого до пластического состояния металла также нежелательно, так как при этом увеличивается зона термического влияния, продолжительность сварки, снижается производительность, растет расход газов.
Качество сварки в значительной степени зависит от качества подготовки стыкуемых поверхностей. Степень перпендикулярности поверхности к продольной оси свариваемого изделия, класс шероховатости обработки, наличие окисных пленок и загрязнений существенно влияют на процесс диффузии, адгезии, на весь механизм получения неразъемного соединения.
Установлено, что с повышением класса шероховатости и уменьшением загрязнений и окисных пленок качество сварки улучшается. Однако имеются сведения, что излишне высокая чистота стыкуемых поверхностей приводит к снижению пластичности и вязкости металла сварного соединения. Необходимый класс шероховатости стыкуемых поверхностей, как правило, обеспечивается обработкой на металлорежущих станках, окисные пленки и загрязнения удаляются механическим путем и промывкой растворителями.
В процессе газопрессовой сварки металл нагревается до высоких температур, близких к линии ликвидуса, следовательно, претерпевает структурные изменения, которые происходят не только в месте сварки, но и во всем нагреваемом объеме и выражаются в росте зерна металла.
Для измельчения зерна, снятия внутренних напряжений, выравнивания структуры применяют термическую обработку, в результате которой улучшаются структура и механические свойства металла в месте стыка и в зоне термического влияния.
Проведенными исследованиями свойств металла сварных соединений деталей, изготовленных из сталей 20ХНЗА, 12ХНЗА, 45ХН и 38ХС, установлено, что оптимальным режимом газопрессовой сварки, обеспечивающим требуемое качество сварного соединения, является следующий:
Давление горючего газа на входе в горелку 0,35 кгс/см2
Давление кислорода……… 5,0»
Удельное давление усилия прессования. 1,5-1,75 кгс/мм2
Величина осадки………. 0,4 - r0,5 d
Размах колебания горелки……. 0,5 d
Здесь d - диаметр свариваемого вала.
На этих же режимах сваривают разнородные конструкционные стали - углеродистые с хромоникелевыми.
При газопрессовой сварке однородных углеродистых и легированных сталей горелка перед зажиганием и включением колебательных движений устанавливается по стыку. При таком расположении горелки при сварке разнородных сталей (углеродистая плюс хромоникеле-вая) шов как бы смещается от наибольшего диаметра сварочного утолщения в сторону части из легированной стали, что является нежелательной. При сварке углеродистых сталей давление газов принимается таким же, как и при сварке легированных сталей. Не отличаются и удельное давление осадки и размах колебания горелки. Величина осадки принимается 0,3d.
Сварка деталей производится на станках СГП_8У и машины для газопрессовой свар-МГП_11 с помощью МГП-11 горелок МГ_10ПГ, МГ_18ПГ и МГ_25ПГ.
В качестве горючего газа в последнее время, кроме ацетилена, применяется природный газ или пропанбутановая смесь. Пламя горелки регулируется таким образом, чтобы в нем не было избытка кислорода. Контроль качества сварки осуществляется проверкой качества подготовки деталей под сварку и соблюдения режима сварки.
Машина для газопрессовой сварки МГП-11
При сварке углеродистых сталей сварную деталь охлаждают в станке до 400-450°С, затем снова зажигают горелку, включают механизм колебания ее и нагревают место сварки до 880-900°. После этого деталь охлаждается на воздухе.
Термообработка металла сварного соединения деталей из легированных сталей (20ХНЗА, 40Х, 45Х, 45ХН, 38ХС) заключается в местной нормализации нагревом горелкой, а также может проводиться улучшение, т.е. закалка с последующим отпуском. Нагрев под закалку и отпуск можно осуществлять пламенем горелки или в электрических печах. Температура нагрева и среда охлаждения выбираются по типовым режимам термообработки той или иной легированной стали.
После термообработки сварных деталей производится механическая обработка с соблюдением чертежных размеров и технических условий.
Сварка и наплавка деталей из алюминиевых сплавов. Ряд деталей гидропередач тепловозов изготовляется из алюминиевых сплавов. К ним относятся, например, торы и уплотнительные диски унифицированной гидропередачи, турбинные и насосные колеса гидропередачи Л-60, колеса направляющего аппарата и др. Торы и уплотнительные диски изнашиваются по уплотняющим поверхностям, а турбинные и насосные колеса - по торцовым поверхностям за счет сближения колес в процессе эксплуатации. Указанные детали изготовляют из алюминиевого сплава марки АЛ_4 (ГОСТ 2685-63).
Алюминиевые сплавы обладают специфическими свойствами, которые обусловливают сравнительную сложность осуществления процессов их сварки и наплавки. Существенные затруднения возникают в связи с наличием на сплавах окисной пленки. Обладая высокой температурой плавления, окисная пленка не расплавляется в процессе сварки и покрывает металл, затрудняя образование общей сварочной ванны и сплавление ее с основным металлом, и попадая в шов, становится неметаллическим включением. Будучи малопластичной, окисная пленка внутри шва может способствовать образованию трещины.
Окисную пленку удаляют перед началом производства сварочных или наплавочных работ механическим или химическим способами. Но ограничиться лишь этими способами невозможно из-за высокой химической активности алюминиевых сплавов - на воздухе пленка мгновенно образуется вновь. Необходимо разрушить и удалить окисную пленку в процессе самой сварки или наплавки деталей. Это достигается применением дуговой сварки с неплавящимся вольфрамовым электродом в среде защитных газов.
Разрушение и удаление из сварочной ванны окисной пленки под действием дуги происходят в те полупериоды, когда деталь является катодом. Движущиеся с большой скоростью положительные ионы бомбардируют поверхность сварочной ванны, разрушают пленку, оттесняя ее к краям сварочной ванны, путем так называемого катодного распыления. Для того чтобы предупредить дополнительное окисление металла сварочной ванны, а при высоких температурах окисление происходит весьма интенсивно, применяется защитная среда в виде потока в сварочную ванну инертного газа аргона.
При сварке алюминия наблюдается также образование пористости в наплавленном металле. Основной причиной появления пор является присутствие водорода. В отличие от других газов водород обладает способностью растворяться в алюминии, т.е. поглощаться и удерживаться в объеме металла. Главным источником проникновения водорода в металл является влага, которая может быть в атмосфере, в защитном газе, в поверхностной окисной пленке. Образованию пор способствует также водород, уже растворенный в металле детали и сварочной проволоке.
По мере остывания наплавленного слоя растворимость водорода в металле резко падает, поэтому он стремится выделиться в виде газовых пузырей. Пока позволяет вязкость металла, эти пузыри всплывают. После кристаллизации не успевшие всплыть газовые пузыри остаются в металле в виде неплотностей - газовой пористости.
Для уменьшения пористости следует, прежде всего, строго соблюдать тепловой режим наплавки и сварки. Детали большой толщины и крупногабаритные перед наплавкой и сваркой следует подогревать, с тем, чтобы увеличить продолжительность существования жидкой ванны и этим самым создать условия для наиболее полного выделения водорода из металла. Детали малой толщины следует, наоборот, охлаждать в процессе наплавки или сварки, с тем, чтобы увеличить скорость кристаллизации металла шва. Это достигается, например, путем наплавки детали, уложенной на массивную медную подкладку.
