ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ СВАРКИ ПЛАВЛЕНИЕМ

ФОРМИРОВАНИЕ СВОЙСТВ НАПЛАВЛЕШГОГО МЕТАЛЛА

Процессы наплавки занимают важное место в сварочной технике при ремонте и восстановлении первоначальных (необходимых) размеров и свойств изделий (деталей), изготовлении новых изде­лий в целях обеспечения надлежащих свойств конкретных поверх­ностей и т. п.

В первом случае (при восстановлении, ремонте) наплавку выполняют примерно тем же металлом, из которого изготовлено изделие, однако такое решение не всегда целесообразно. Иногда при изготовлении повых деталей (и даже при ремонте) целесооб­разней на поверхности получить металл, отличающийся от металла детали.

Действительно, в ряде случаев условия эксплуатации поверх­ностных слоев значительно отличаются от условий эксплуатации всего остального материала изделия. Так, например, если деталь (изделие) должна определять общую прочность, которая зависит от свойств металла и его сечения, то поверхностные слон часто дополнительно должны работать на абразивный или абразивно­ударный износ (направляющие станин, зубья ковшей землерой­ных орудий, желоба валков канатно-подъемных устройств и др.). Условия работы могут усложняться повышенной температурой, эрозионно-коррозионным воздействием окружающей среды — мор­ской воды, различных реагентов в химических производствах и др. В качестве примера можно указать клапаны двигателей, уплотнительные поверхности задвижек, поверхности валков горя­чей прокатки и т. п.

Иногда такие детали и изделия целиком изготовляют из металла, который обеспечивает и требования к эксплуатационной надеж­ности работы его поверхностей. Однако это не всегда наилучшее и, как правило, не экономичное решение. Часто оказывается целе­сообразней все изделие изготовлять из более дешевого и доста­точно работоспособного металла для конкретных условий эксплуа­тации и только на поверхностях, работающих в особых условиях, иметь необходимый по толщине слой другого материала. Иногда
это достигается применением биметаллов (низкоуглеродистая сталь + коррозионно-стойкая сталь, сталь титан и др.), а также поверхностным упрочнением (поверхностной закалкой, элект­роискровой обработкой и др.), нанесением тонких поверхностных слоев (металлизацией, напылением и пр.) или наплавкой слоев значительной толщины на поверхность.

В последнем случае для изготовления деталей обычно приме­няют относительно простые стали (например, низкоуглеродистые), а на рабочие поверхности наплавляют, например, бронзу, заме­няя тем самым целиком бронзовую деталь, кислотостойкую сталь (для работы в условиях воздействия соответствующей химически агрессивной среды) или материал, хорошо работающий на исти­рание (при наличии трения с износом) и т. п.

Такие слои можно наносить на наружные поверхности дета­лей (например, валы, валки прокатного оборудования, рельсовые крестовины и др.) или внутренние поверхности — обычно цилинд­рических изделий (корпуса химических и энергетических реак­торов, оборудование химических производств и др.).

Наплавку осуществляют нанесением расплавленного металла на поверхность изделия, нагретую до оплавления или до темпе­ратуры надежного смачивания жидким наплавленным металлом. Наплавленный слой образует одно целое с основным металлом (металлическая связь). При этом как правило (кроме некоторых случаев ремонтной наплавки, применяемой для восстановления исходных размеров деталей), химический состав наплавленного слоя может значительно отличаться от состава основного ме­талла.

Толщина наплавленного металла, образованного одним или несколькими слоями, может быть различной: 0,5—10 мм и более.

Необходимые свойства металла наплавленного слоя зависят от его химического состава, который, в свою очередь, определяется составом основного и дополнительного металлов и долями их участия в образовании шва. Влияние разбавления слоев основ­ным металлом тем меньше, чем меньше доля основного металла в формировании слоя (у0). В связи с этим для случаев (а их боль­шинство), когда желательно иметь в наплавленном слое состав, максимально приближающийся к составу наплавляемого металла, необходимо стремиться к минимальному проплавлению основного металла, т. е. к уменьшению у0.

При многослойной наплавке состав каждого слоя различен, так как различна доля участия основного металла (на который наплавляют) в образовании наплавленного слоя. Если при наплавке 1-го слоя основной металл непосредственно участвует в формиро­вании шва, то при наплавке 2-го и последующих слоев он участ­вует косвенно, определяя состав предыдущих слоев. При наплавке большого числа слоев при некоторых условиях наплавки состав металла поверхностного слоя может быть идентичен дополнитель­ному наплавляемому металлу.

Доля участия основного металла в формировании наплавлен­ного металла зависит как от принятого способа, так и от режима наплавки.

Различные дуговые методы наплавки отличаются друг от друга тепловой подготовкой основного и наплавляемого метал­лов. Так, например, при плазменной наплавке с токоведущей присадочной проволокой тепловложение преимущественно осу­ществляют в присадочную проволоку, основной металл подо­гревается достигающими его поверхности остывающими потоками плазмы дуги и теплотой перегретого жидкого наплавляемого металла. Проплавление основного металла в зтом случае может быть заметно уменьшено.

Наоборот, при дуге прямого действия, когда на основном металле располагается катодное или анодное пятно дуги, огра­ничить расплавление основного металла значительно труднее, особенно при значительном сосредоточении дугового разряда (уменьшении диаметра плавящегося электрода, увеличении плот­ности тока в электроде). Рассредоточение тепловложения в основ­ной металл, например при ленточном электроде, когда дуга пере­мещается по торцу лепты от одного конца к другому и иногда возникает одновременно в нескольких местах, может заметно снизить долю расплавляемого основного металла.

При ручной дуговой наплавке покрытыми электродами, а осо­бенно при механизированной наплавке плавящейся электродной проволокой в среде защитных газов или под флюсом, доля основ­ного металла в наплавленном слое у0, как правило, не может быть, без опасности получения непровара, снижена менее чем на 0,2.

Сопоставление долей участия основного металла в 1-м слое применительно к наплавке хромоникелевой аустенитной стали на низкоуглеродистую различными способами наплавки на обыч­ных режимах приведено в виде диаграммы на рис. 177.

Естественно, что уо зависит также от свойств основного и наплавляемого металлов, в частности от их температуры плавле­ния. Например, дуговая наплавка покрытыми электродами, обес­печивающими наплавленный металл типа алюминиевой бронзы (Т’пл ^ 1000° С), на пизкоуглеродистую сталь дает меньшую долго Yo, чем показано на рис. 177 для того же способа наплавки, но высоколегированной стали (Тпп = 1420е С). Определенную роль в этом снижении Yo играет и увеличение коэффициента на­плавки а„ (г/А • ч), который при бронзовых электродах состав­ляет ~ 18 г/А • ч, а при электродах из высоколегированной стали ~ 13 г/А • ч.

Аналогично может влиять и применение при наплавке, выпол­няемой под флюсом или в защитных газах, электродной ленты, спрессованной из порошков, по сравнению с прокатной. Большее электрическое сопротивление спрессованной лепты и ее меньшая теплопроводность приводят к более быстрому ее расплавлению (большему а„ при том же, как при прокатанной ленте, режиме

1 — автоматическая под флюсом: г — руч­ная дуговая покрытыми электродами; 3 — автоматическая под флюсом с допол­нительной присадочной проволокой; 4 — автоматическая под флюсом ленточным электродом; 5 — плазменной струей с токо­ведущей проволокой

наплавки) и возможному уменьшении? доли основного металла в наплавленном слое.

Естественно, что на долю основного металла в наплавленном слое влияет н интенсивность теплоотвода в наплавляемом изде­лии, который зависит от теплофизических свойств металла этого изделия, его геометрических размеров (Б частности, толщины металла вблизи наплавляемой поверх^ости), а также наличия искусственного регулирования термического режима наплавляе­мой детали (сопутствующего наплавке подогрева или интенсифи­кации охлаждения различными приемами). На рис. 178 показано влияние на величину толщины наплавляемой детали (алюми­ниевой бронзы) при наплавке монель-ДОеталла покрытыми элект­родами разного диаметра. При увеличении толщины детали уси­ливается теплоотвод и уменьшается проплавление основного металла.

Обеспечение в наплавленном металле (особенно при одно­слойной наплавке) требуемого состава Р некоторых случаях может потребовать использования дополнительных (присадочных элек­тродных) металлов таких составов, при которых ухудшается их деформируемость. Поэтому оказываете^ невозможным из таких сплавов изготовить электродную проволоку, прокатать ленту. В этом случае наплавочные материалы могут быть получены в порошкообразном либо зернообразном виде.

Использование порошков и зерен затрудняет наплавку, в частности в связи с возможным раздуврнием порошков и отсутст­вием стабильности легирования по длрне наплавки из-за сепара­ции частиц получить необходимый состав металла даже в 1-м слое (правда, в основном для небольшой площади наплавки на дета-

Рис. 179. Схемы основных спо­собов дуговой п электрошла­ковой наплавки:

а — угольным (графитовым) электро­дом (!) расплавлением слон сыпу­чего зернистого наплавочного спла­ва (£); б — ручной дуговой покры­тым электродом (I) с легирующим покрытием (2); е — неплавящимся вольфрамовым электродом (!) в за­щитных инертных газах с подавае­мым в дугу присадочным прут­ком (2); г — плавящимся электро­дом проволокой (1) в защитных (инертных, активных) газах; д — ме­ханизированная (автоматическая, полуавтоматическая) дуговая пла­вящейся электродной (обычно леги­рованной) проволокой (1) под флю­сом (2); е — плавящейся лентой (і) катаной, литой или прессованной из порошков в защитных газах или под флюсом; ж — расплавлением плазменной струей плазмотрона (!), предварительно наложенного лито­го или спеченного из порошков кольца (2) наплавочного материала; З — електрошлаковая наплавка плавящимися электродами (1) с пе­ремещаемым составным медным ползуном (2); во всех случаях; 3 — наплавляемая деталь; 4 — на­плавленный слой

лях малых размеров) можно наложением на наплавляемую поверх­ность предварительно спрессованных из порошков (иногда спе­ченных или скрепленных какой-нибудь связующей добавкой) наплавочных заготовок (колец и пр.) с последующим их расплав­лением и подплавлением располагающегося под заготовкой основ­ного металла.

Для этого наиболее часто в качестве источника нагрева исполь­зуют дугу с неплавящимся, обычно вольфрамовым, электродом, плазму или токи высокой частоты (т. в. ч.). При соответствующем подборе режима основной металл, получающий подогрев за счет теплопередачи через наплавочный металл, может расплавляться ограниченно, не приводя к большим значениям у0 в наплавлен­ном слое.

Значительно менее стабильные результаты получаются при наплавке зернистых твердых сплавов угольной дугой.

Схемы наиболее распространенных способов наплавки при­ведены на рис. 179.

В зависимости от условий эксплуатации поверхностных слоев различных изделий требования к наплавленному слою (его хими­ческому составу, свойствам и пр.) различны. Наибольшее рас­пространение получили наплавочные слои, которые можно клас­
сифицировать в основном по пяти группам: 1 — стали (углеро­дистые и высокоуглеродистые, хромомарганцевистые, хромистые и высокохромистые, хромоникелевые, высоковольфрамовые и молибденовые); II — специальные сплавы на основе железа (высокохромистые чугуны, сплавы с хромом и бором, сплавы с кобальтом, молибденом и вольфрамом); III — сплавы на основе никеля и кобальта (хромопикелевые сплавы с бором и кремнием, никелевые сплавы с молибденом, кобальтовые сплавы с хромом и вольфрамом); IV — карбидные сплавы (с карбидами вольфрама, ванадия, хрома); V — сплавы на медной основе (бронзы алюми­ниевые, оловянно-фосфористые).

Внутри каждой из этих групп имеется большое количество раз­личных вариантов составов, которые обеспечивают те или иные характеристики, требуемые для конкретных условий эксплуатации изделия. Как правило, задача наплавки — получение достаточно однородного по требуемым характеристикам (техническим усло­виям) слоя наиболее экономичными и производительными методами.

Обычно наплавляют на конструкционные углеродистые или низко - и среднелегированпые стали.

При наплавке мартенситных сталей, аустенитных сталей на низкоуглеродистые или низколегированные возможно обра­зование хрупких прослоек промежуточных составов, зон с вы­падением твердых и малолластичпых интерметаллидов, зон с ослабленными границами зерен в связи с прониканием жидкого наплавляемого металла, малорастворимого в основном металле (при наплавке медных сплавов на ряд сталей).

При наличии таких прослоек возможны хрупкие разрушения (образование трещин, отслаивание слоя от основного металла) еще при изготовлении изделия. В результате часто приходится отказываться от выполнения наплавки одним составом наплав­ляемого материала (обеспечивающего требуемые свойства поверх­ности), п применять усложненную технологию — предварительно наплавлять подслой, т. е. промежуточный слой из другого напла­вочного материала, который может обеспечить надежные свойства в зоне сплавления с основным материалом детали, а затем тот материал, который требуется на поверхности наплавленной детали по условиям ее надежной эксплуатации.

При наплавке медных сплавов на ряд сталей могут образо­ваться межзеренные трещины в основном металле, распростра­няющиеся обычно перпендикулярно границе сплавления. При­менение подслоя из хромопикелевой ферритно-аустенитной стали (с содержанием в структуре не мепее 40% ферритпой фазы) пол­ностью исключает вознпкновенпе подобных трещин при последую­щей наплавке на такой подслой сплавов на медной основе.

Иногда необходимость подслоя может вызываться и другими причинами. Например, при эксплуатации наплавленной детали в условиях частых теплосмен в результате различных значений коэффициентов линейного расширения основного металла и металла первого слоя в зоне сплавления возникают иногда очень большие термические напряжения, вызывающие после воздействия опре­деленного числа циклов разрушения в результате термической усталости.

В целях уменьшения локализации напряжений целесообразно предварительно на основной металл наплавлять подслой с проме­жуточным значением коэффициента линейного расширения. Такой подслой ограничивает развитие диффузионных прослоек (обез­углероживание в углеродистой стали и появление карбидной прослойки в более легированной аустенптнші стали возле линии оплавления), которые после длительной работы наплавленной детали цри высоких температурах (или после термообработки изделия) в некоторых случаях могут снижать эксплуатационные характеристики изделия.

Таким образом, в различных случаях при наплавке необхо­димо комплексно решать ряд сложных вопросов: выбор материала, обеспечивающего соответствующие условиям эксплуатации свойст­ва; возможность наплавки этого материала непосредственно на основной металл детали или подбор материала для наплавки подслоя; выбор способа и режима наплавки, формы и методов изготовления наплавочных материалов; выбор термического режима для выполнения наплавки (сопутствующего подогрева для исклю­чения получения хрупких подкаленных зон в металле детали или в хрупком наплавленном слое; интенсификации охлаждения наплавляемой детали, когда для металла нежелательно длитель­ное пребывание при высоких температурах); установление необ­ходимости последующей термической (общей или местной) обра­ботки (для получения необходимых эксплуатационных характе­ристик или возможности промежуточной механической обработки).

При возможности получения желаемых результатов путем использования нескольких способов наплавки (если необходимо — и последующей механической обработки) важны и технико-эко­номические показатели сопоставляемых способов.