Исправление дефектных участков аргонодуговой сваркой

Исправление дефектных участков с помощью сварки производится на всех деталях в местах, доступных для сварки и контроля. С помощью сварки можно устранить поверхностные и внутренние дефекты металлургического характера, а также механические повреждения и дефекты, выявленные при механической обработке.

Согласно действующим нормативным документам участки с трещиной, выявленные на деталях и отливках, могут подвергаться исправлению при соблюдении следующих условий:

• 1) снятие напряжений в отливках с помощью отжига;
• 2) при полном и гарантированном удалении трещины;
• 3) при возможности применение сопутствующего подогрева при сварке и последующей термообработки.

Отливки, поступающие на заварку, необходимо очистить от формовочной земли и других загрязнений. После очистки детали необходимо обработать в соответствии с технологией, представленной в табл. 5.1. При невозможности применения общего травления допускается по решению главного металлурга предприятия местное обезжиривание и механическая зачистка.

Таблица 5.1

Технология подготовки отливок к заварке дефекта.

Форму разделки дефектного участка отливки выбирают в зависимости от вида дефекта. Границу дефекта выявляют визуально или с помощью рентгеноконтроля.

Участок детали, подлежащий сварке, необходимо зачистить от литейной корки, оксидов, черноты и других загрязнений на расстоянии не менее 30 мм от границ разделки. В случае сквозных дефектов зачистку проводят с двух сторон, не допуская уменьшения толщины стенок отливки. При этом необходимо руководствоваться следующими положениями:

• а) глубина разделки дефекта должна превышать на 2—3 мм глубину залегания дефекта и быть на 5 мм больше ширины дефекта;
• б) дефекты, расположенные друг от друга на расстоянии не менее 50 мм, необходимо выбирать порознь. При расстоянии менее 50 мм производится сплошная разделка;
• в) разделку дефектного места следует выполнять до получения плавных очертаний и переходов. Переход от поверхности к основанию разделки должен быть плавным (с радиусом не менее 8 мм), без острых углов и заусенцев, с выходом на поверхность под углом, указанным в схеме форм разделки (рис. 5.5);
• г) при сквозных дефектах разделку следует вести до притупления, равного 2—3 или 1,5—2 мм;
• д) при сквозных разделках или возможности провала оставшейся стенки (менее 8 мм) в процессе заварки следует до подогрева отливки подклеивать с обратной стороны мокрый асбест. При сквозных отверстиях в асбесте выполняют углублении для формирования провара с обратной стороны разделки (рис. 5.6).

Рис. 5.5. Форма разделок при подварке дефектов в виде поверхностных незаливов, газовых раковин, шлаковых включений, рыхлот, спаев и трещин

Рис. 5.6. Разделка под подварку сквозных незаливов, газовых раковин, мест со шлаковыми включениями, рыхлот и спаев:

1 — литая деталь; 2 — подкладка из асбеста Острые углы поверхностных дефектов закругляют до плавного перехода (радиусом не менее 10 мм); сквозные трещины в отливках любых толщин подготавливают с односторонней или двухсторонней разделкой с плавным переходом у ее основания (радиусом не менее 5 мм). Концы трещин предварительно засверливают сверлом диаметром 2—3 мм. Трещины (несквозные) в отливках вырубают до здорового металла (рис. 5.7).

Дефекты в отливках из всех алюминиевых сплавов в малонапряженных и толстостенных местах у краев отливок разрешается устранять без предварительного подогрева. Общий подогрев применяется для отливок, расположены в местах, ограниченных переплетами или ребрами жесткости, особенно при толщине стенок менее 6 мм. Температура подогрева составляет 300—380 °С. Подогрев отливок осуществляется в электрических или газовых печах.

Рис. 5.7. Форма разделки под подварку трещины в отливке:

а — зачистка отливки в зоне расположения трещины; б — засверловка концов трещины; в — выборка дефектного участка При отмеченной технологии подварки деталь, в которой в процессе устранения трещины наблюдается вторичное ее появление, дальнейшему исправлению не подлежит. Как правило, это сложные и дорогостоящие отливки. Поэтому можно заключить, что совершенствование технологии подварки дефектов в отливках, особенно трещин, является достаточно актуальной задачей.

Наиболее часто при устранении дефектов в отливках из алюминиевых сплавов применяются аргонодуговая сварка, сварка с перемешиванием металла сварочной ванны продольным магнитным полем и плазменная сварка.

Сварку в защитных газах можно выполнять неплавящимся электродом (рис. 5.8), при этом дуга горит между неплавящимся электродом и изделием. Электрод в процессе сварки не расплавляется и не попадает в шов. Дуга, передвигаемая вдоль свариваемых кромок, оплавляет их. По мере удаления дуги расплавленный металл затвердевает, образуя шов, соединяющий кромки детали.

Рис. 5.8. Схема сварки в защитных газах неплавящимся электродом:

1 — деталь; 2 — дуга; 3 — защитный газ; 4 — сопло; 5 — неплавящийся электрод; 6 — сварочная ванна К особенностям дуговой сварки в защитных газах относятся: высокая концентрации энергии дуги, обеспечивающая минимальную зону термического влияния и небольшие деформации изделия; высокая производительность процесса; эффективная защита расплавленного металла, особенно при использовании в качестве защитной среды инертных газов; отсутствие необходимости применения флюсов или обмазок; возможность сварки в различных пространственных положениях.

В качестве защитных газов используют инертные газы (аргон, гелий и их смеси), не взаимодействующие с металлом при сварке.

Основной защитный газ — аргон. Горение дуги в гелии происходит при более высоком напряжении (в 1,4—1,7 раза выше, чем в аргоне). Применение аргоногелиевых смесей целесообразно в тех случаях, когда требуется повысить проплавляющую способность дуги без увеличения сварочного тока.

Аргонодуговая сварка вольфрамовым электродом может выполняться с местной или общей защитой, без подачи или с подачей присадочной проволоки, на постоянном или переменном токе. Сварку алюминия и его сплавов ведут на переменном токе.

Процесс удаления поверхностных оксидов получил название катодного распыления (катодной очистки). Указанное свойство используют при сварке переменным током алюминия, магния, бериллия и их сплавов, имеющих на поверхности прочные оксидные пленки. Удаление пленки происходит в полупериод с обратной полярностью сварочного тока, когда свариваемое изделие является катодом. Таким образом, при сварке вольфрамовым электродом на переменном токе реализуются преимущества дуги прямой и обратной полярностей и обеспечиваются устойчивость электрода и разрушение поверхностных оксидов на изделии.

При сварке на переменном токе рабочий конец вольфрамового электрода затачивают в виде полусферы. При сварке на постоянном токе конец электрода затачивают под углом 60° на длине 2—3 диаметров или в виде четырехгранной пирамиды. Расход вольфрамовых электродов невелик. Для его уменьшения подачу защитного газа следует начинать за 10—15 с до возбуждения дуги, а заканчивать через 5—10 с после обрыва дуги для охлаждения электрода в струе газа. Для предупреждения загрязнения вольфрамового электрода дугу возбуждают, не касаясь концом электрода изделия, а используя осцилляторы или разряд конденсаторов.

С точки зрения предотвращения вторичного появления дефектов при устранении сваркой дефектов литых деталей из алюминиевых сплавов перспективным направлением представляется технология сварки с перемешиванием металла сварочной ванны продольным магнитным полем (рис. 5.9).

Рис. 5.9. Схема установки соленоида на сопло сварочной горелки:

• 1 — свариваемые детали; 2 — соленоид; 3 — сопло горелки;
• 4 — электрод

Применение магнитных полей для увеличения концентрации энергии дуги в пятне нагрева и повышении эффективности плавления основного и электродного металлов при подварке дефектов отливок вследствие бесконтактного воздействия на процессы в зоне горения дуги и простоты технического использования следует считать перспективным и требует более тщательных исследований.

Из всех конфигураций магнитных полей, которые можно генерировать в зоне сварки, только аксиальное продольное магнитное поле способно повысить степень сосредоточенности дуги в пятне нагрева и эффективность плавления основного и электродного металлов.

Для ремонта литых деталей из алюминиевых сплавов эффективно использование плазменной сварки. Плазма — ионизированный газ, содержащий электрически заряженные частицы и способный проводить ток.

Ионизация газа происходит при его нагреве. Степень ионизации тем выше, чем выше температура газа. В центральной части сварочной дуги газ нагрет до температур 5000— 30 000 °С, имеет высокую электропроводность, ярко светится и представляет собой типичную плазму. Плазменную струю, используемую для сварки и резки, получают в специальных плазмотронах, в которых нагревание газа и его ионизация осуществляются дуговым разрядом в специальных камерах.

Дуговую плазменную струю для сварки получают по двум основным схемам (рис. 5.10). При плазменной струе прямого действия изделие включено в сварочную цепь дуги, активные пятна которой располагаются на вольфрамовом электроде и изделии. При плазменной струе косвенного действия активные пятна дуги находятся на вольфрамовом электроде и внутренней или боковой поверхности сопла. Плазмообразующий газ может служить также и защитой расплавленного металла от воздуха. В некоторых случаях для защиты расплавленного металла используют подачу отдельной струи специального, более дешевого защитного газа. Газ, перемещающийся вдоль стенок сопла, менее ионизирован и имеет пониженную температуру. Благодаря этому предупреждается расплавление сопла. Однако большинство плазменных горелок имеет дополнительное водяное охлаждение.

Ручная плазменная сварка с успехом используется при ремонте конструкций из алюминиевых сплавов. Ремонт габаритных сварных конструкций требует наличия мобильного оборудования. При использовании традиционных технологий трудно обеспечить приемлемое качество монтажных и ремонтных сварных швов на таких конструкциях. Дополнительными трудностями при выполнении работ в монтажных условиях являются: пониженное качество очистки металла под сварку, необходимость высокой мощности в зоне сварки для получения качественного шва, при большой толщине металла и значительных габаритах изделия, обеспечение качественной защиты при работе на открытых площадках. Например, ремонтные сварные швы, выполненные при заварке дефектов, возникших в процессе эксплуатации на кислородном регенераторе (рабочее давление 0,6 МПа), с толщиной стенки 16 мм аргонодуговой сваркой неплавящимся электродом (горизонтальный шов на вертикальной стенке), содержат большое количество недопустимых дефектов. Эти дефекты обусловлены малой мощностью источника нагрева, большим количеством проходов, пониженным качеством подготовки металла под сварку. Ручная плазменная сварка обеспечивает получение бездефектных сварных швов металла данной толщины.

Рис. 5.10. Схема плазмотронов:

а — косвенного действия; б — прямого действия Ручная плазменная сварка обеспечивает высокое качество ремонтных работ при восстановлении деталей машин, агрегатов автои сельхозтехники и др. Ремонтные работы условно можно разделить по видам выполняемых работ на две группы: ремонт корпусных несущих конструкций, получивших повреждения в результате аварийных ситуаций (трещины, сколы, потеря части конструкции и проч.), и восстановление исходной геометрии деталей, изнашиваемых в процессе эксплуатации. Материалами таких изделий являются, как правило, литейные сплавы, имеющие сложный состав и неудовлетворительную свариваемость при использовании традиционных способов сварки. Ремонт дефектов первой группы плазменной сваркой проводится по следующей технологии:

• 1) очистка зоны сварки от загрязнений механическим способом не менее 30 мм в каждую сторону от поврежденных кромок;
• 2) выжигание сжатой дугой из зоны дефекта остатков масла, горючего и прочих продуктов;
• 3) разделка дефекта (если конструкция несущая), или повторная зачистка, если от сварного шва требуется только герметичность;
• 4) заварка дефекта.

Технологию восстановления изношенных деталей машин можно рассмотреть на примере ремонта корпусов шестеренчатых насосов. Ремонту подвергалось несколько типоразмеров корпусов массой 1—5 кг. Материал изделий — сплав АЛ9. Попытка использовать для ремонта традиционные способы сварки (аргонодуговую плавящимся и неплавящимся электродом) не дала положительных результатов. Причиной этого явилась повышенная загрязненность восстанавливаемых поверхностей. Очистка зоны наплавки химическим травлением не дала положительных результатов вследствие насыщения металла продуктами перекачки на значительную глубину. В процессе наплавки присадочный металл не сплавлялся с металлом изделия, и отсутствовало формирование наплавленного слоя заданной толщины. Удаление перед наплавкой поверхностного слоя на глубину 2—3 мм механической обработкой с последующей наплавкой слоя повышенной толщины снижает экономическую целесообразность ремонта. Попытка выжигания масла из деталей в печи также не дала положительного результата вследствие загрязнения поверхностного слоя продуктами сгорания.

Пример ремонта литых деталей из алюминиевых сплавов показан на рис. 5.11.

Рис. 5.11. Картер защиты двигателя до и после ремонта с применением ручной плазменной сварки.

Для выполнения ремонтных работ разработано и успешно используется оборудование для плазменной обработки металлов. Это оборудование представляет собой мобильный блок для сварки цветных металлов и сплавов. Блок (рис. 5.12) может использоваться как для автоматической, так и ручной плазменной сварки на прямой и обратной полярности. Он позволяет производить сварку конструкций из металла любого профиля толщиной 1—30 мм и более как в цеховых, так и монтажных условиях, исправлять дефекты алюминиевого, магниевого и другого литья и проч. В состав блока входят плазменные горелки для сварки на прямой и обратной полярности и блок управления.

Рис. 5.12. Блок для ручной плазменной сварки литейных алюминиевых сплавов.

Основным элементом, дающим преимущества, являются плазмотроны. Благодаря особенностям конструкции и высокой эффективности охлаждения теплонагруженных элементов плазмотроны обеспечивают надежную работу на прямой и обратной полярности. Плазмотроны сочетают простоту устройства и эксплуатации, малые габариты и массу с высокой мощностью и надежностью. Любой элемент, отработавший ресурс, легко заменяется, что обеспечивает неограниченный ресурс работы плазмотрона. По совокупности технических параметров разработанные плазмотроны аналогов не имеют. Блок может комплектоваться несколькими типоразмерами плазмотронов: диаметр 22 мм, 29 мм, 33 мм, высота 60—70 мм, масса 0,16—0,35 кг, сварочный ток 15—200 А и 20—400 А. Блок управления обеспечивает работу плазмотронов в сочетании с любым сварочным источником питания постоянного тока с напряжением холостого хода не ниже 65 В. Габариты блока: 170 X 180 X 350 мм, масса 7 кг. Преимущества: возможность использования неспециализированных сварочных источников для сварки алюминиевых, магниевых и титановых сплавов; высокое качество и производительность сварки большинства сплавов; высокая надежность оборудования и простота эксплуатации и обслуживания.

Макроструктура сварного шва, выполненного ручной плазменной сваркой на детали из сплава АЛ9, представлена на рис. 5.13.

Рис. 5.13. Макроструктура сварного соединения сплава АЛ9 толщиной 5 мм (хЗ).