Тема 6 – Наплавка изношенных поверхностей

1 Общие сведения

В целях продления срока эксплуатации деталей узлов и конструкций разрешается при капитальном и деповском ремонтах, а также при изготовлении запасных частей применять различные способы наплавки.

К способам наплавки относятся механизированная наплавка под флюсом, порошковой проволокой, в среде защитных газов, ручная штучным электродом, плазменная, вибродуговая, газопорошковая, индукционная, лентой и др.

Выбор способа восстановления или упрочнения должен определяться требованиями, предъявляемыми к качеству нанесенного металла, характером эксплуатационной нагрузки, производительностью и его стоимостью.

Наплавка имеет два основных назначения – восстановление изношенных поверхностей до первоначальных геометрических размеров и нанесение материалов, придающих рабочему слою деталей повышенные свойства.

Конструкции деталей вагонов, имеющие большой износ (от 2 мм и более) и подвергающиеся в эксплуатации трению качения (например, гребни колес), абразивному изнашиванию, а также динамической (ударной) нагрузке (например, автосцепка), рекомендуется восстанавливать и упрочнять, как правило, дуговыми методами наплавки. Может использоваться и индукционная наплавка.

По физическому принципу наплавка изнашиваемых поверхностей при ремонте деталей вагонов относится к термическому способу.

Наплавка имеет два основных назначения:

– восстановление изношенных поверхностей до первоначальных геометрических размеров;

– придание рабочему слою деталей повышенной износостойкости.

Электродуговая наплавка изношенных деталей грузовых вагонов производится следующими основными способами:

– под флюсом;

– в среде защитных газов;

– покрытым электродом.

Таблица 1 – Материалы, которые следует использовать для восстановления деталей наплавкой

Наименование деталей	Требование к металлу наплавки	Способ наплавки	Наплавочные материалы
			Электроды	Сварочная проволока	Флюсы
Литые детали тележки и автосцепного устройства (кроме корпуса поглощающего аппарата), пятник рамы	Твердость 240-300 НВ	в углекислом газе	-	Св-10ХГ2СМФ, ПП-АН180МН	-
		под флюсом	-	Св-10ХГ2СМФ	АН-348А, АН-60, ФКН-7
		покрытыми электродами	ЭЖТ-1	-	-
Ось (резьбовая часть), триангель (резьбовая часть)		под флюсом	-	Св-08ГА, Св-10Г2	АН-348А, АН-60, ФКН-7
		в углекислом газе	-	Св-08Г2С	-

Перед проведением наплавочных работ порошковая проволока, электроды и флюс должны быть прокалены при температуре, указанной в технических условиях на эти материалы. Сплошная проволока, особенно применяемая для сварки в защитных газах, должна быть очищена от грязи, масел и продуктов коррозии. Защитные газы должны отвечать требованиям стандартов.

2 Ручная дуговая наплавка

Ручная дуговая наплавка наиболее распространена и проводится электродами во всех пространственных положениях объекта наплавки и с любой конфигурацией наплавляемого слоя, имеет простое в эксплуатации оборудование.

При толщине наплавляемого слоя менее 1,5 мм используются электроды диаметром 3 мм.

При толщине наплавляемого слоя более 1,5 мм используются электроды диаметром 4-6 мм.

Для обеспечения минимального проплавления основного металла в устойчивой дуге плотность тока должна составлять 11-12 А/мм².

То есть для электродов ∅3 мм рекомендуется использовать ток – 80-140 А.

Для электродов ∅4 мм рекомендуемый ток 140-220 А.

Для электродов ∅6 мм рекомендуемый ток 310-350 А.

Детали и узлы, у которых основной причиной выхода из строя является износ сопрягаемых деталей (увеличение зазора) в подвижных соединениях (например, детали типа вала), не требуют при ремонте большой толщины и высокой прочности наносимого слоя покрытия.

Для механизированной наплавки применяются наплавочные, сварочные и порошковые электродные проволоки, порошковая и холоднокатаная электродная лента, порошки, плавленые и керамические флюсы и др.

При выборе электродной проволоки необходимо учитывать химический состав наплавляемой детали и проволоки, условия работы, величину износа и требуемую износостойкость.

Таблица 2 – Рекомендуемые параметры наплавки в зависимости от величины восстанавливаемого наплавкой слоя

Износ детали, мм	2-3	3-4	4-5
Диаметр электродной проволоки, мм	2	2	2
Ток, А	160-220	340-350	360-400
Напряжение дуги, В	26-28	28-30	30-32
Скорость подачи проволоки, м/ч	100-126	191	191
Скорость наплавки, м/ч	20-25	20-25	20-25
Род тока	=	= или ~	= или ~

Таблица 3 – Изменение характеристик направляемого шва при изменении параметров наплавки

Характеристика шва	Изменение характеристики шва при увеличении
	тока	диаметра электрода	напряжения, В, в диапазоне		скорости наплавки, м/ч, в диапазоне
			24-34	36-46	до 17	17-40	41-150
Глубина провара	увеличивается	уменьшается	незначительно увеличивается	незначительно уменьшается	незначительно увеличивается	не изменяется	уменьшается
Ширина шва	незначительно увеличивается	уменьшается	интенсивно увеличивается		уменьшается
Высота утолщения	интенсивно увеличивается	уменьшается	уменьшается		незначительно увеличивается
Доля основного металла в металле шва	интенсивно увеличивается	уменьшается	незначительно увеличивается		незначительно увеличивается

3 Влияние сварочного тока, напряжения дуги и скорости сварки на форму и размеры шва

Влияние сварочного тока на форму и размеры сварочного шва

С увеличением сварочного тока глубина провара увеличивается, ширина шва почти не изменяется.

Влияние напряжения дуги на форму и размеры сварочного шва

С повышением напряжения ширина шва резко увеличивается, а глубина провара уменьшается. Это важно учитывать при сварке тонкого металла. Несколько уменьшается и выпуклость (усиление) шва. При одном и том же напряжении ширина шва при сварке на постоянном токе (особенно обратной полярности) значительно больше, чем ширина шва при сварке на переменном токе.

Влияние скорости сварки на форму и размеры сварочного шва

С увеличением скорости сварки сначала глубина провара возрастает (до 40-50 м/ч), а затем уменьшается. При скорости более 70-80 м/ч основной металл не успевает прогреваться, и по обеим сторонам сварного шва возможны подрезы.

4 Наплавка под флюсом

Диаметр электродной проволоки желательно выбирать таким, чтобы он обеспечил максимальную производительность сварки (наплавки) при требуемой глубине проплавления.

Зависимость напряжения дуги от силы сварочного тока (флюс АН-348А) следующая:

Сила сварочного тока, А	180-250	250-300
Напряжение дуги, В	26-28	28-30

Наплавку рекомендуется выполнять на постоянном токе обратной полярности. Вылет электродной проволоки принимается 30 ÷ 60 мм, при этом более высокие его значения соответствуют большему диаметру проволоки и силе тока.

Толщина слоя флюса зависит от силы сварочного тока:

Сила сварочного тока, А	200-250	250-300
Толщина слоя флюса, мм	25-35	35-45

При наплавке под флюсом F_B – площадь поперечного сечения одного валика, см², укладываемого за один проход можно принять равной 0,3 ÷ 0,6 см².

При наплавке под флюсом (рисунок 1) дуга горит между сварочной проволокой 1 и свариваемым изделием 5 под слоем гранулированного флюса 4. Ролики 2 специального механизма падают в электродную проволоку в зону дуги 6.

Сварочный ток (переменный или постоянный прямой или обратной полярности) подводится к проволоке с помощью скользящего контакта 3, а к изделию – постоянным контактом. Сварочная дуга горит в газовом пузыре, который образуется в результате плавления флюса и металла.

Кроме того, расплавленный металл защищен от внешней среды слоем расплавленного флюса 8. По мере удаления дуги от зоны сварки расплавленный флюс застывает и образует шлаковую корку 10, которая впоследствии легко отделяется от поверхности шва.

Флюс засыпается впереди дуги из бункера. Нерасплавленный флюс после сварки, просеивают и используют повторно. Расплавленные электродный и основной металлы 7 в сварочной ванне перемешиваются и при кристаллизации образуют сварной шов 9.

5 Наплавка деталей в среде защитных газов

При сварке и наплавке в среде защитных газов в зону горения дуги под небольшим давлением подается газ, который вытесняет воздух из этой зоны и защищает сварочную ванну от кислорода и азота воздуха.

В зависимости от применяемого газа сварка разделяется на сварку в активных (СО₂, Н₂, О₂ и др.) и инертных (He, Ar, Ar+He и др.) газах. Сварку (наплавку) можно осуществлять как плавящимся, так и неплавящимся электродами.

Наибольшее распространение при восстановлении деталей подвижного состава получили сварка и наплавка в среде углекислого газа (СО₂) – сварка плавящимся электродом (проволокой) с защитой сварочной ванны от воздуха углекислым газом. Такой способ является самым дешевым при сварке углеродистых и низколегированных сталей. Поэтому по объему производства он занимает одно из первых мест среди механизированных способов сварки плавлением.

При наплавке в среде углекислого газа (рисунок 2) из сопла горелки 2, охватывающей поступающую в зону горения дуги электродную проволоку 4, вытекает струя защитного газа 6, оттесняет воздух из сварочной ванны.

В основу выбора диаметра электродной проволоки положены те же принципы, что и при выборе диаметра электрода при ручной дуговой сварке:

Толщина листа, мм	1-2	3-6	6-24 и более
Диаметр электродной проволоки dЭ, мм	0,8-1,0	1,2-1,6	2,0

Расчет сварочного тока, А, при сварке проволокой сплошного сечения в среде защитных газов производится по формуле:

где а – плотность тока в электродной проволоке, А/мм² (при сварке в СО₂ a = 110 ÷ 130 А/мм²; d_Э – диаметр электродной проволоки, мм.

Механизированные способы сварки позволяют применять значительно большие плотности тока по сравнению с ручной сваркой. Это объясняется меньшей длиной вылета электрода.

Напряжение дуги и расход углекислого газа выбираются в зависимости от силы сварочного тока по таблице 4:

Сила сварочного тока, А	50÷60	90÷100	150÷160	220÷240	280÷300	360÷380
Напряжение дуги, В	17-28	19-20	21-22	25-27	28-30	30-32
Расход СО2, л/мин	8-10	8-10	9-10	15-16	15-16	18-20

При сварочном токе 200 ÷ 250 А длина дуги должна быть в пределах 1,5 ÷ 4,0 мм. Вылет электродной проволоки составляет 8 ÷ 15 мм (уменьшается с повышением сварочного тока).

В зависимости от требований к механическим свойствам наплавленного металла необохдимо применять сварочные материалы в соответствии с таблицей 5:

Марка стали по ГОСТ 977	Требования к металлу наплавки	Материалы
		Флюс по ГОСТ 9087	Проволока для наплавки под флюсом	Проволока для наплавки в защитных газах	Защитный газ	Электроды
15Л 20Л 25Л 20ГЛ 20Г1ФЛ 20ФЛ 30Л 35Л 30ГСЛ 32Х06Л 25ЛК20	С восстановлением механических свойств основного металла	АН-348А	Св-08А, Св-08ГА ГОСТ 2246	Св-08Г2С ГОСТ 2246	Двуокись углерода по ГОСТ 8050, смесь 80 % аргона газообразного высшего сорта по ГОСТ 10157 и 20 % двуокиси углерода по ГОСТ 8050	Тип Э50А ГОСТ 9467, ГОСТ 9466
	С увеличенной износостойкостью (твёрдость от 240 до 300 НВ)		Св-10ХГ2СМФ ПП-АН180МН	Св-10ХГ2СМФ ПП-АН180МН		ЭЖТ-1

Рекомендуемые режимы наплавки стальных литых деталей указаны в таблице 6:

Способ наплавки	Сварочный материал		Положение наплавки	Материалы
	Марк	Диаметр, мм		Ток, А	Напряжение, В	Вылет электрода, мм	Расход защитного газа, л/мин
В защитном газе (двуокись углерода)	ПП-АН180МН	2,0	нижнее	330-380	27-28	25-30	14-16
			горизонтальное вертикальное	250-280	26-27	25-30	8-10
	Св-10ХГ2СМФ, Св-08Г2С	1,6	нижнее	320-360	31-33	20-25	18-20
			горизонтальное вертикальное	250-270	27-30	25-30	16-18
		1,2	нижнее	180-250	22-26	12-18	10-12
			горизонтальное вертикальное	140-210	20-24	12-18	10-12
Под флюсом	Св-10ХГ2СМФ, ПП-АН180МН, Св-08ГА, Св-08Г2С	2,0	нижнее	300-350	30-32	25-30	-
			горизонтальное вертикальное	280-320	30-32	25-30	-
Покрытыми электродами	ЭЖТ-1	4,0	нижнее	180-220	-	-	-
		5,0		260-280

Положение наплаки подразделяют на три вида (рисунок 3): нижнее (0-60°), горизонтальное (вертикальное) (60-120°), потолочное (120-180°). Варианты положения наплавки в пространстве представлены на рисунке 3.