Бабенко. Технологические процессы сварки, наплавки, обработки
 Скачать 1.79 Mb.
|
|
Министерство транспорта Российской Федерации Федеральное агентство железнодорожного транспорта Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Дальневосточный государственный университет путей сообщения» Кафедра «Технология металлов» Э.Г. Бабенко ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ СВАРКИ, НАПЛАВКИ, ОБРАБОТКИ СПЛАВОВ РЕЗАНИЕМ И ДАВЛЕНИЕМ Рекомендовано Методическим советом ДВГУПС в качестве учебного пособия Хабаровск Издательство ДВГУПС 2011 УДК 621.791 (075.8) + 621.91 (075.8) ББК К 64я73 Б 124 Рецензенты: Кафедра «Литейное производство и технология металлов» Тихоокеанского государственного университета (заведующий кафедрой доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки Российской Федерации РиХосен) Доктор технических наук, профессор Института водных и экологических проблем, заслуженный деятель науки Российской Федерации А.Д.Верхотуров Бабенко, Э.Г. Б 124 Технологические процессы сварки, наплавки, обработки сплавов резанием и давлением: учеб. пособие / Э.Г. Бабенко. – Хабаровск : Изд-во ДВГУПС, 2011. – 105 с.: ил. Учебное пособие соответствует ГОС ВПО направлений подготовки дипло- мированных специалистов 190300 «Подвижной состав железных дорог», 192000 «Транспортные машины и транспортно-технологические комплексы» специаль- ностей 190301 «Локомотивы», 190302 «Вагоны», 190303 «Электрический транс- порт железных дорог», 190205 «Подъемно-транспортные, строительные, дорож- ные машины и оборудование» по дисциплине «Материаловедение и технология конструкционных материалов». Рассмотрены теоретические основы технологических процессов электриче- ской дуговой сварки, наплавки, обработки сплавов резанием и давлением. Главное внимание уделено порядку расчетов режимов отмеченных технологий. Учебное пособие содержит задания на контрольные работы № 1, 2, 3. Предназначено для студентов 2-го и 3-го курсов всех форм обучения, выпол- няющих контрольные работы. Может быть полезно для инженерно-технических работников и аспирантов. УДК 621.791 (075.8) + 621.91 (075.8) ББК К 64я73 2  © ДВГУПС, 2011 ВВЕДЕНИЕ Увеличение объема перевозок имеющимся подвижным составом за счет повышения его работоспособности, увеличения ресурса деталей, улучшения качества текущих и капитальных ремонтов – актуальнейшая проблема железнодорожной отрасли в настоящее время. Одним из направлений решения этой проблемы является восстановление деталей технических устройств. Ведущая роль в этом отводится сварке, на- плавке и обработке металлов резанием, так как при ремонте подвижного со- става до 75 % всего объема работ приходится на отмеченные технологии. Высокую значимость при восстановлении узлов и агрегатов имеет обработка металлов давлением. По целому ряду наиболее металлоемких и дорого- стоящих изделий (рамы локомотивов и вагонов, блоки дизелей, колесные па- ры, автосцепки и др.) вторичное применение восстановленных деталей зна- чительно больше, чем потребление новых запасных частей. Себестоимость восстановления для большинства деталей не превышает 56...60 % стоимости новых, а расход материалов в 20...25 раз меньше, чем на их изготовление. Основной задачей наплавочных работ является формирование на по- верхностях изделий покрытий с высоким уровнем физико-механических свойств, соответствующих тяжелым условиям эксплуатации (большие вибрации, ударные нагрузки на стыках рельсов, абразивная среда, созда- ваемая завихрениями воздушного потока при значительных скоростях движения поездов, существенные колебания температур и т. д.). Кроме высоких эксплуатационных свойств, покрытия должны удовлетворять тре- бованиям рациональной технологии ремонта, обладать хорошей свари- ваемостью и обрабатываемостью, быть относительно дешевыми. В настоящее время промышленностью производится широкий ассорти- мент сварочно-наплавочных материалов: 30 марок стальной наплавочной проволоки, более 40 типов покрытых электродов, порошковая проволока, прутки, ленты, порошки, флюсы и др. Однако такое многообразие не облег- чает проблему формирования заданных эксплуатационных свойств покры- тий, так как каждый тип электродного материала предназначен для сварки или наплавки определенной группы сплавов с фиксированным химическим составом. Учитывая, что технические средства транспорта постоянно по- полняются новыми конструкционными сплавами, становится проблематич- ным подбор для их сварки и наплавки необходимого присадочного материа- ла. Кроме того, из-за небольшой продолжительности срока годности по- следних и ограниченных оборотных средств ремонтных предприятий боль- шинство из них не в состоянии иметь регулярно пополняемый запас. Существенное значение для формирования покрытий, соответствую- щих требованиям нормативной документации, имеет также разработка рациональных технологических процессов сварки и наплавки (расчет ре- жимов, выбор источников питания сварочной дуги, определение времени сварки и наплавки и др.). На работоспособность восстановленных поверхностей изделий принци- пиальное влияние оказывает точность геометрических параметров и чисто- та обработки после наплавки. Ещё на стадии зарождения науки о резании металлов первостепенное внимание исследователями уделялось материа- лам и геометрии режущего инструмента, подаче, глубине и скорости реза- ния. Расчет режимов при механической обработке, как правило, ведется по следующей схеме: t–s–v, т. е. устанавливаются глубина резания и подача с последующим определением наиболее рациональной скорости резания. При использовании технологий обработки металлов давлением можно существенно снизить стоимость ремонта за счет изготовления на пред- приятиях железных дорог, занимающихся восстановлением технических устройств, значительной номенклатуры деталей. Следовательно, для квалифицированного решения проблем восста- новления деталей подвижного состава, повышения их ресурса от инжене- ров-механиков требуется глубокий анализ систем: «сварочно-наплавоч- ные и инструментальные материалы – технологии – свойства покрытий» с последующим установлением на его основе наиболее рациональных тех- нологических процессов ремонта. Настоящее пособие преследует цель помочь студентам: освоить теоретические основы ведущих разделов дисциплины «Тех- нология конструкционных материалов» (сварка, обработка металлов ре- занием и давлением); приобрести практические навыки выбора сварочно-наплавочных и инструментальных материалов для формирования заданных свойств по- верхностей восстанавливаемых изделий, разработки наиболее рацио- нальных технологических процессов наплавки, обработки сплавов реза- нием и изготовлением деталей давлением Наряду с теоретическими положениями, в пособии приводятся задания на контрольные работы № 1, 2, 3 и методические рекомендации по их вы- полнению. ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ И НАПЛАВКИ Определение свариваемости сплавов Под свариваемостью понимается сочетание технологических свойств образовывать в процессе сварки соединения, отвечающие конструктивным и эксплуатационным требованиям, предъявляемым к сварным соединениям. В общем случае свариваемость материала есть комплексное свойство, определяемое его составом и физическими свойствами. Наиболее сильное влияние на свариваемость оказывают химический состав металла, теплофизические и механические свойства, а также спе- циальные физико-химические свойства, которые определяют активность реакций, протекающих в сварочной ванне и зоне термического влияния. Общим недостатком для металла, нагреваемого при сварке в зоне термического влияния до температуры выше температуры фазовых пре- вращений, является образование в закаливающихся сплавах закалочных структур, что приводит к снижению пластических свойств и хрупкому раз- рушению как в процессе формирования сварного соединения (холодные трещины), так и в процессе эксплуатации изделий. Наибольшая опасность образования закалочных структур представля- ется для углеродистых сталей с содержанием углерода более 0,25 %, низ- ко- и среднелегированных сталей, титановых сплавов и др. Следует отме- тить, что при одинаковом содержании углерода чувствительность стали к образованию закалочных структур и склонность к образованию трещин тем выше, чем больше в них содержится легирующих элементов, степень влияния которых не одинакова и может быть оценена по различным при- знакам, один из них – эквивалент по углероду (Сэ), показывающий чувст- вительность сварного соединения к образованию холодных трещин. Наи- более часто для его расчета используется следующая формула Сэ = С + Ni + Cu + Mn + Cr + V + Mo + P . 15 14 6 5 5 4 2При величине Сэ < 0,25 предварительного нагрева зоны сварки не тре- буется. Однако после сварки желательна термообработка для снятия внутренних напряжений. Если Сэ находится в пределах 0,25…0,35 желателен подогрев перед сваркой с обязательной термообработкой после сварки. При Сэ = 0,35…0,45 необходим подогрев перед сваркой, желателен сопут- ствующий сварке подогрев и обязательная термообработка после сварки. В случае если Сэ > 0,45 требуется создание термического цикла свар- ки, устраняющего образование закалочных структур (предварительный и сопутствующий подогревы, сварка короткими участками, термическая об- работка сварного соединения непосредственно после сварки и т. д.). Не- обходимо применение мер по снижению содержания водорода в металле сварного соединения (тщательная подготовка поверхностей кромок, ис- пользование флюсов и электродных покрытий с низким содержанием во- дорода и его соединений и др.). Желательно использование технологиче- ских приемов, снижающих остаточные напряжения (сварка каскадом, при- менение приспособлений, создающих напряжения сжатия и т. д.). Температура предварительного подогрева свариваемого изделия рас- считывается по формуле  Т = ,где Соб – общий эквивалент по углероду: Соб = Сэ (1 + 0,005 S); S – толщина свариваемого металла. Чувствительность сварного соединения к образованию горячих трещин HCS можно определить по формуле HCS = C S P Si / 25 Ni /100 3Mn Cr Mo V103. Если HCS < 4, то горячие трещины в сварном шве не образуются. Для высокопрочных сталей значительной толщины необходимо, чтобы значе- ния HCS были менее 1,6…2,0. Показателем, указывающим на охрупчивание стали из-за структурных превращений, является твердость зоны термического влияния. Для угле- родистых и низколегированных сталей твердость зоны термического влияния должна быть не выше HV 350. Возможная максимальная твер- дость определяется расчетным путем: HVmax = 90 + 1050 C + 47 Si + 75 Mn + 30 Ni + 31 Cr. Подготовка к сварочно-наплавочным работам В зависимости от характера сварочно-наплавочных работ выполняются следующие подготовительные операции: зачистка места сварки или наплавки металлическими щетками; удаление загрязнений, ржавчины, остатков масел. При наличии на детали отверстий, шпоночных канавок их необходимо за- крыть пробками или временными шпонками из малоуглеродистой стали. Концы трещин выявляются нагревом, накерниваются и производится их засверловка. Подготовку кромок под сварку следует выполнять механической обра- боткой (на токарном или строгальном станке, фрезерованием, пневмати- ческим или ручным зубилом, крейцмейселем и др.). При подготовке кро- мок у деталей из малоуглеродистой стали разрешается использование га- зовой резки с последующей механической зачисткой поверхности реза до получения чистого металла. При подготовке кромок газовой резкой на де- талях из сталей, содержащих более 0,3 % углерода, поверхность реза не- обходимо обработать механическим способом на глубину не менее 3 мм. При выборе формы разделки кромки (рис. 1.1) следует иметь в виду, что наиболее экономичной является I-образная без скоса кромок. В срав- нении с V-образной более экономичными являются Х-образные двухсто- ронние формы разделки кромки. Однако они могут быть реализованы при возможности доступа к обеим сторонам детали.  Рис. 1.1. Размеры и форма разделки кромок и сварного шва: а– I-образная (без скоса кромок), односторонний стыковой шов; б– то же с металлической (остающейся) под- кладкой 1; в – I-образная (без скоса кромок), двухсторонний стыковой шов; г – V-образная, стыковой шов с подваркой 2корня шва; д– V-образная, многопроходной стыковой шов (цифры указывают номер прохода – слоя); е– Х-образная, двухсторон- ний стыковой шов; ж– угловой шов (без скоса кромки вертикального элемента); и– расположение валиков при наплавке При заварке несквозных трещин чаще всего используется V-образная разделка, при заварке сквозных – Х-образная. Площадь поперечного сечения шва определяется геометрическим расчетом. При этом высота усиления шва hв при сварке назначается в пределах 0,1…0,3 толщины металла детали , а при заварке трещины – 0,2…0,3 от глубины трещины. Размеры валиков при однопроходной сварке можно принять равной 0,3…0,7 см2. При многопроходной заварке трещины сечение первого слоя не долж- но превышать 0,3…0,35 см2 и может быть определено по формуле F1 = (6…8) dэ . При многослойной наплавке наложение последующих слоев необхо- димо проводить после полного остывания предыдущих и зачистки послед- них до металлического блеска. Выбор источника питания Сварочная дуга является мощным дуговым разрядом в ионизирован- ной среде газов и паров металла. Характеристиками дуги являются ее ток Iд и напряжение Uд . Статическая вольт-амперная характеристика дуги (рис. 1.2) показывает зависимость Uд = f ( Iд ) при постоянной длине дуги ( Lд = const). Она имеет три характерных участка: падающий I, жесткий II и возрастающий III. Крутопадающая характеристика дуги (участок I) бывает при плотности тока не более 10…12 А/мм2. При увеличении Iд увеличиваются поперечное  |