Организация ремонта строительнодорожных машин
 Скачать 4.41 Mb.
|
|
5.9. Газовая сварка и наплавка при ремонте деталей Газовая сварка в ремонтном производстве имеет широкое примене- ние, благодаря ее простоте и универсальности, возможности выполнять сложные и разнообразные сварочные и наплавочные работы. При ремонте кузовов газовая сварка преобладает по сравнению с другими видами и спо- собами сварки. Известны несколько видов горючих газов, у каждого газа своя тем- пература пламени: у городского газа – 2000 о С; у пропан-бутана – 2600 о С; у ацетилена – 3100 о С. Ацетилен, благодаря более высокой температуре пламени, применяется более широко. Ацетилен – бесцветный газ, благодаря наличию в нем примесей, имеет резкий специфический запах. Ацетилен взрывается при нагревании до температуры 450…500 о С и одновременном повышении давления до 152 055…196 200 Па. Кроме того, ацетилен взрывается в смеси с воздухом и кислородом при наличии искры, открытого пламени, нагретой поверх- ности или другого источника воспламенения, а также при длительном со- прикосновении с красной медью или серебром; при температуре воды в генераторе выше 60…70 о С. В промышленности ацетилен получают в основном в баллонах. 128 Кислород – бесцветный газ, не имеющий запаха. Масса одного куби- ческого метра при температуре 0 о С и давлении 98 100 Па равна 1,429 кг, а при температуре 20 о С и таком же давлении – 1,312 кг. В промышленности кислород добывается из воздуха методом глубокого охлаждения. Для сварочных работ применяется чистый кислород. Количество примесей в нем не должно превышать 0,8…1,5%. Для сварочных работ применяется кислород в баллонах под давлением 14 715·10 3 Па. Данные для выбора диаметра присадочной проволоки приведены ниже: Толщина, мм 1…2 2…3 3…5 5…10 10…15 Диаметр, мм 2 3…4 3…4 4…6 6…8 Сварочные горелки по конструктивному признаку делятся на инжек- торные (низкого давления) и безинжекторные (высокого давления). Наи- более универсальная горелка ГС–53 предназначена для сварки металлов толщиной 0,5…30 мм и рассчитана на работу со сменными наконечниками № 1…7. Наконечники горелки работают при давлении кислорода (981…3294) ·10 2 Па и ацетилена свыше 981 Па. Инжекторная сварочная головка ГСМ–53 малой мощности предна- значена для сварки малоуглеродистой стали толщиной 0,2…4 мм и пайки тонких изделий из черных и цветных металлов. Для выбора горелки и номера наконечника пользуются следующей формулой: Q = A· S, где Q – расход ацетилена, л/ч; A – опытный коэффициент, характеризующий металл и тип сварного соединения; S – толщина свариваемого металла, мм. Сварочное пламя состоит из зоны газовой смеси 2С 2 Н 2 + 2О 2 с температурой 300 – 900 о С, зоны неполного сгорания ацетилена 2С 2 Н 2 + 2О 2 = 4СО 2 + 2Н 2 с температурой 3100 о С, зоны догорания с температурой 1200…2500 о С. В зависимости от соотношения ацетилена и кислорода пламя бывает нормальным, науглероживающим и окислительным. В табл. 5.1 дается область применения вида пламени. Особенности газовой сварки – медленное нагревание свариваемого металла и большая зона термического влияния. Газокислородная резка основана на способности железа сгорать в струе кислорода с выделением значительного количества тепла. 129 Установлено, что количество тепла от сгорания железа при резке во много раз больше количества тепла, выделяемого ацетиленокислородным подогревающим пламенем. Процесс газокислородной резки происходит в таком порядке: нагре- вание металла до температуры горения (воспламенения) в струе кислоро- да; подача струи кислорода и начало горения металла; выдувание струей кислорода сгоревшего металла, шлаков, окислов. Таблица 5.1 Область применения нормального, науглероживающего и окислительного пламени Пламя отношение о 2 /с 2 н 2 температура пламени, ºс область применения Нормальное 1 3100 Сварка мало- и среднеугле- родистой стали, алюминие- вых сплавов, бронзы и меди Науглерожи- вающее 0,8 2700…3100 Сварка чугуна, наплавка твердых сплавов Окислительное 1,4 3100…1300 Резка, сварка латуни, чугунов и бронзы Для газокислородной резки необходимы следующие условия: 1. Температура воспламенения должна быть меньше температуры плавления металла. С увеличением содержания углерода в стали темпера- тура плавления падает, а температура воспламенения растет. При содер- жании углерода 0,8% температуры плавления и воспламенения становятся равными, поэтому сталь с содержанием углерода до 0,8% подвергается резке, при содержании углерода более 0,8% резка не получается. 2. Температура плавления окислов должна быть меньше температу- ры плавления металла. Этому условию не удовлетворяют алюминий, медь, высокохромистые стали. 3. Количество выделяющегося тепла от сгорания металла должно быть достаточным, чтобы поддержать процесс резки. Особенно это важно при резке металлов большой толщины. 4. Образующиеся при резке шлаки должны быть жидкотекучими и легко выдуваемыми из места резки. 5. Теплопроводность разрезаемого металла не должна быть слишком высокой. 6. Разрезаемый металл должен быть плотным, без пор, раковин и шлаковых включений. Этим условиям удовлетворяет сталь с содержанием углерода до 0,8%. Сталь с содержанием углерода до 0,4% режется хорошо, при содер- жании углерода от 0,4 до 0,8% – удовлетворительно. 130 С помощью обычных резаков невозможно резать чугун и цветные металлы. Чугун не подвергается резке вследствие низкой температуры плавления и высокой температуры воспламенения и сгорания в кислороде. Цветные металлы не поддаются газокислородной резке, так как очень теп- лопроводны и образуют тугоплавкие окислы. Для резки чугуна, меди, латуни, никеля необходимо применять спе- циальный резак, в котором в струю кислорода вводят ацетилен, чтобы обеспечить высокую температуру пламени. 5.10. Восстановление деталей металлизацией Металлизация или газотермическое напыление – это процесс нане- сения расплавленного и распыленного металла на восстанавливаемую по- верхность детали с целью компенсации ее износа. Распыленные частицы достигают поверхности с потоком воздуха или специального газа с боль- шой скоростью в пластическом состоянии. При контакте с поверхностью, на которой специально создана опре- деленная шероховатость, удалены окислы, жир, напыляемые частицы де- формируются, внедряются в шероховатости и микронеровности, сцепляют- ся механически с основным металлом. Сцепление покрытия с поверхностью детали является в основном механическим, и только в некоторых локальных точках отдельные частицы могут свариться с основным металлом. Данный способ имеет ряд недостатков. Наличие только механиче- ского сцепления покрытия с основным металлом и соответственно более низкая сцепляемость по сравнению с другими способами. Напыленный металл состоит из множества мельчайших частиц, связанных друг с дру- гом механическими связями. Необходимость предпринимать и вводить особые методы подготовки поверхности к нанесению покрытия и позабо- титься о методах обработки нанесенного покрытия. Напыленный металл не выдерживает ударные нагрузки. Достоинства способов металлизации – незначительное нагревание детали ( до температуры 200 о С), высокая производительность процесса, возможность получить требуемую толщину напыленного металла в боль- шом диапазоне (от 0,1 до 10 мм), простота технологического процесса. Известны следующие виды металлизации: газопламенная, электро- дуговая, высокочастотная, плазменная и др. Они имеют общую последова- тельность технологических методов и рассмотрены ниже. После разборки агрегатов детали поступают в моечное отделение и очищаются от грязи, ржавчины, жира и масла. Для создания на поверхно- сти требуемой шероховатости детали обезжиривают, при необходимости механически обрабатывают при наличии задиров или аварийных износов, затем подвергают покрываемую поверхность дробеструйной обработке. 131 Без создания требуемой шероховатости нет сцепляемости и покрытие мо- жет отслоиться. Дробеструйную обработку производят при давлении сжатого возду- ха 0,5…0, 7 МПа. В качестве абразивного материала применяют чугунную дробь ДЧК–01. После дробеструйной обработки детали обдувают сухим сжатым воздухом для удаления частиц абразива с поверхности. Перед процессом нанесения порошка его необходимо просушить и прокалить, чтобы избежать возникновения пор и низкой сцепляемости по- крытия с металлом детали. Между дробеструйной обработкой и покрытием должен быть про- межуток времени не более 30 мин, так как на поверхности могут образо- ваться новые окислы, которые будут снижать сцепляемость. Механическая обработка лезвийным инструментом или шлифовани- ем требует особых решений новых проблем, так как при шлифовании нет привычной искры, шлифовальные круги быстро засаливаются и т. д. По- этому только из–за более низкой обрабатываемости, более трудоемкой, чем шлифование наплавленного металла или основного при обработке под ремонтный размер, металлизация часто не внедрялась в производство. Газопламенное напыление. При газопламенном напылении рас- плавление электродной проволоки производится струей ацетиленокисло- родного пламени. Распыление расплавленного металла и нанесение его на изношенную деталь производится струей сжатого воздуха (рис. 5.3) Рис. 5.3. Газопламенное напыление: 1 – смесительная камера; 2 – канал подвода кислорода; 3 – проволока; 4 – направляющая втулка; 5 – канал подвода ацетилена; 6 – воздушный канал; 7 – ацетилено-кислородное пламя; 8 – газометаллическая струя; 9 – напыляемая поверхность детали 132 Электродуговое напыление. Процесс расплавления металла осуще- ствляется посредством горения электрической дуги между двумя элек- тродными проволоками, а распыление – струей сжатого воздуха (рис. 5.4). Скорость напыляемых частиц при пролете 250 мм от сопла до дета- ли снижается от 190 до 85 м/с, а время нахождения частиц в полете 0,003с. Высокая скорость и малое время полета позволяют им достигать поверх- ности детали, имея пластическое состояние. Промышленность выпускает электрометаллизаторы ЭМ–12, КДМ–2, ЭМ–15. Для металлизации применяют проволоку Св–Ак–5 диаметром 5 мм и следующие параметры режима: ток дуги 300 А; напряжение дуги 28…32 В; давление сжатого воздуха 0,4…0,6 МПа; расстояние от сопла до детали 80…100 мм; источник питания ВДГИ–301; толщина наносимого слоя до 5 мм; продолжительность операции 8…10 мин; потребляемая мощность не бо- лее 10,8 кВт. Рис. 5.4. Электродуговое напыление: 1 – напыляемая поверхность; 2 – направляющие наконечники; 3 – воздушное сопло; 4 – подающие ролики; 5 – проволока; 6 – сжатый воздух Высокочастотное напыление. При этом способе вместо проволоки используются стержни из углеродистой стали, которые помещают в высо- кочастотный индуктор. Стержни расплавляются токами высокой частоты, распыляются и напыляются струей сжатого воздуха (рис. 5.5). Недостатком этого процесса являются сложность, высокая стои- мость высокочастотных ламповых установок, сравнительно невысокая производительность по сравнению с другими способами металлизации. 133 Рис. 5.5. Высокочастотное напыление: 1 – напыляемая поверхность; 2 – газометаллическая струя; 3 – концентратор тока; 4 – индуктор, охлаждаемый водой; 5 – воздушный канал; 6 – проволока; 7 – подающие ролики; 8 – направляющая втулка Покрытия, нанесенные высокочастотной металлизацией, имеют бо- лее высокие физико-механические свойства, чем при других способах, кроме плазменной металлизации, поскольку имеются более благоприят- ные условия плавления проволочного стержня. Поэтому выгорание основ- ных химических элементов снижается в 4…6 раз, насыщенность покрытия окислами уменьшается в 2…3 раза, что увеличивает прочность сцепления и уменьшает расход материала. Плазменное напыление. Основным отличием плазменной металли- зации является более высокая температура по сравнению с другими ис- точниками расплавления и большая мощность, что обеспечивает значи- тельное повышение производительности процесса и возможность нано- сить и расплавлять любые жаростойкие и износостойкие материалы (рис. 5.6). Температура плазменной струи при использовании аргона – 15000…39000 о С, при использовании азота – 10000…15000 о С. Для плазменной металлизации широко применяют установки УПУ и УМН, в комплект которых входят вращатель, защитная камера, плазмо- трон, порошковый дозатор, источник питания и пульт управления. Основ- ной частью установки является плазмотрон, срок службы которого опре- деляется стойкостью сопла. 134 Рис. 5.6. Плазменное напыление: 1 – порошковый дозатор; 2 – катод; 3 – изоляционная прокладка; 4 – анод; 5 – транспортирующий газ; 6 – охлаждающая жидкость; 7 – плазмообразующий газ Период работы плазмотрона невелик, поэтому его быстроизнаши- вающиеся части делают сменными. Источниками тока являются свароч- ные генераторы ПСО–500 или выпрямители ИПН–160/600. В качестве плазмообразующего газа используют аргон и азот. Азот дешевле и менее дефицитен, но зажечь дугу на азоте сложнее и требуется значительно большее напряжение, что опасно для рабочих. Поэтому зажигают дугу на аргоне, для которого напряжение возбуждения и горения дуги меньше, а затем переходят на азот. Плазмообразующий газ ионизируется и выходит из сопла плазмотрона в виде струи небольшого сечения. Обжатию способствуют стенки канала сопла и электромагнитное поле, возникающее вокруг струи. Температура плазменной струи зависит от силы тока, вида газа, расхода газа и изменяется от 10000 до 30000 о С; скорость истечения газов 100…1500 м/с. Аргонная масса имеет темпера- туру 15000…39000 о C, азотная – 10000…15000 о С. 135 Технологические схемы плазменно-дуговых установок представле- ны на рис. 5.7. Рис 5.7. Технологические схемы плазменно-дуговых установок: а – открытая, б – закрытая, в – комбинированная При плазменной металлизации в качестве наносимого материала применяют гранулированный порошок с размером частиц 50…200 мкм. Порошок в зону дуги подается транспортирующим газом (азотом), рас- плавляется и переносится на деталь. Скорость полета 150…200 м/с, рас- стояние от сопла до поверхности детали 50…80 мм. Благодаря более высокой температуре наносимого материала и большей скорости полета, прочность соединения покрытия с деталью вы- ше, чем при других способах металлизации. Способ плазменной металлизации, благодаря очень высокой темпе- ратуре плазменной струи, позволяет наносить любые материалы, в том числе самые износостойкие. При этом возникает проблема обработки сверхтвердых и износостойких материалов. Материалы, применяемые при металлизации. При газопламен- ной, электродуговой, высокочастотной металлизации для нанесения по- крытия применяется проволока различного химического состава в зависи- мости от материала восстанавливаемой детали и требований к нанесенно- му металлу. При восстановлении неподвижных поверхностей можно при- менять проволоку с содержанием углерода 0,3%; для поверхностей, рабо- тающих в условиях трения, необходимо применять проволоку с повышен- ным содержанием углерода и легирующих элементов. Разработаны и изготовляются порошки для различных видов покры- тий. Для регулирования свойств порошков в них вводят никель, бориды, карбиды, железные порошки. Порошки, выпускаемые промышленностью на основе никеля (ПГ–ХН80СР2, ПГ–ХН80СР3, ПГ–ХН80СР4), обладают многими ценными свойствами, в том числе низкой температурой плавле- 136 ния (950…1050 о С), регулируемой твердостью (35…60 HRC), жидкотеку- честью, высокой износостойкостью и свойством самофлюсования. Однако эти сплавы очень дороги и трудно обрабатываются, поэтому стоимость восстановленной детали может превысить стоимость новой детали. Для уменьшения стоимости порошков (чтобы их можно было эконо- мически выгодно применять в ремонтном производстве) в МАДИ были раз- работаны композиционные порошки с добавлением дешевых железных по- рошков ПЖ–5М, алюминия АКП, медного порошка ПМС–2 в разных сочета- ниях в дорогие порошки типа ПГ–ХН80СР2–4, СНГН–1, КБХ, ФБХ–6–2, ПГ–У30Х28Н4С4, ПГ–У28Н4С4Р3 и др. при условии, чтобы свойства новых покрытий не отличались от допустимых данной детали. Это позволило сни- зить стоимость порошков в 4 раза с сохранением эксплуатационных свойств, требуемой износостойкости и прочности материала. Обработка деталей после металлизации затруднительна и по трудо- емкости выше, чем обработка наплавленных поверхностей или основного металла при обработке под ремонтный размер. Для токарной обработки нужно использовать резцы с пластинками из твердых сплавов и применять режимы с пониженными требованиями: скорость резания 15…20 м/мин, глубина резания 0,1…0,5 мм, подача 0,1…0,2 мм/об. Обычно применяе- мые электрокорундовые круги быстро засаливаются, и шлифование пре- кращается, поэтому при шлифовке металлизационных покрытий рекомен- дуется применять алмазные круги на вулканитовой основе, а при их отсут- ствии можно применять карборундовые круги на керамической связке. Оплавление металлизационных покрытий, работающих при контактных и ударных нагрузках. Металлизационные покрытия по сравнению с наплавленным металлом имеют невысокую прочность сцеп- ления с основным металлом и пористую структуру. При ударных нагруз- ках металлизационные покрытия растрескиваются и отслаиваются. Для улучшения свойств покрытий и обеспечения требуемой работо- способности необходимо провести оплавление покрытия, при котором по- является жидкая фаза, которая способствует интенсивному протеканию диффузии между покрытием и основным металлом. В результате повыша- ется прочность сцепления, исчезает пористость, повышается ударная вяз- кость и износостойкость. Для оплавления можно применять любые источ- ники тепла, в том числе ацетиленокислородное пламя, плазменную дугу, токи высокой частоты. Нормальный процесс оплавления происходит при определенных свойствах оплавляемого материала. Температура оплавле- ния должна быть не больше 1100 о С. При оплавлении должны использо- ваться материалы, хорошо смачивающие поверхность детали и обладаю- щие свойством самофлюсования. Таким требованиям удовлетворяют по- рошковые сплавы на основе никеля ПС–1 и ПС–3. Оплавленные покрытия из порошков ПС–1 имеют твердость HRC 54–58 и износостойкость не ни- 137 же закаленной стали 45. Оплавленные покрытия можно применять для де- талей, работающих при знакопеременных и контактных нагрузках, напри- мер кулачки распределительных валов, крестовины карданов, фаски кла- панов, шатунные шейки коленчатых валов. Рис. 5.8. Устройство сварочной горелки: 1 – наплавляемая поверхность; 2 – сварочная ванна; 3 – пламя; 4 – мундштук; 5 – камера смешивания; 6, 9 – инжекторы; 7 – смесительная камера; 8 – порошок; 10 – кислородная трубка; 11 – ацетиленовая трубка; 12 – канал; 13 – трубка |