Инженерный анализ особенностей восстановления сваркой

К общим критериям выбора вида сварки, наплавки относятся: хи­мические, фазовые превращения и зоны термического влияния; ма­териал и диаметр сварочной, наплавочной проволоки, электродов; трудоемкость реализации.

Химические превращения свариваемого (наплавляемого) металла связаны с окислением их кислородом воздуха, образованием нитри­дов (действие азота); повышением хрупкости (наводороживание); науглероживанием; легированием (за счет реакций замещения) или, наоборот, выгоранием легирующих элементов.

В процессе нагрева — плавления — охлаждения металлы и сплавы претерпевают фазовые превращения. Высокотемпературное же воздействие фаз приводит к изменению металла детали и, значит, изме­нению свойств сварного соединения (наплавленного слоя). Поэтому с целью получения заданных свойств металла в шовной и околошов­ной зонах необходимо предпринимать в ряде случаев дополнитель­ные технологические приемы: предварительный и/или окончатель­ный отжиг; отпуск; быстрое, медленное, ступенчатое охлаждение (нагрев); проковку; оплавление и др.

Получение сварного шва с заданными свойствами и необходимы­ми производительностью и затратами определяется химическим со­ставом и размерами сварочных материалов — проволоки, электродов, флюсов.

Современный уровень практической и теоретической проработки рассмотренных видов сварки и наплавки позволяет сформулировать технологические и технико-экономические их особенности и крите­рии выбора.

Частные критерии выбора способов сварки, наплавки непосред­ственно связаны с особенностями свариваемых, наплавляемых мате­риалов и требуемых эксплуатационных свойств восстанавливаемых деталей.

Одним из критериев целесообразности применения в конкретных условиях ремонта конкретного вида сварки, наплавки является сва­риваемость различных материалов. Различают технологическую и физическую свариваемость.

Технологическая свариваемость — это технологическая способ­ность материала к свариванию — образованию неразъемного сварно­го соединения.

Физическая свариваемость — совокупность процессов, протекаю­щих в зоне сварки материала и приводящих к образованию неразъ­емного соединения. Все однородные металлы обладают физической свариваемостью, а для разнородных металлов обеспечение физичес­кой свариваемости требует дополнительных усилий.

К таким условиям относятся: температурный режим нагрева, сварки и охлаждения деталей; специальная подготовка места сварки; использо­вание соответствующих сварочных материалов; использование соответ­ствующих видов энергии, количества и характера ее проявления.

Свариваемость деталей зависит от количества химических элемен­тов в ее составе и оценивается эквивалентным содержанием углерода по формуле

где С, Мn, Ni, Cr и др. — процентное содержание химических эле­ментов в составе стали.

Практика показала, что свариваемость стали при С_э < 0,25 хоро­шая; при С_э = 0,25-0,35 — удовлетворительная; при С_э= 0,35-0,45 — ограниченная (для предупреждения трещин необходимо проводить предварительный или сопутствующий подогрев, термообработку пос­ле сварки и применять специальные виды сварки); при С_э > 0,45 — плохая (требуется подогрев до и после сварки, специальная ее техно­логия). С учетом толщины свариваемых деталей эквивалентное со­держание углерода корректируется и равно

где N= 0,005δ × С_э - поправка на толщину δ (мм) детали. С учетом (3.54) температура предварительного подогрева определяется по формуле

Качественная оценка свариваемости сталей и влияние на нее от­дельных химических элементов сводится к следующему.

Хром при сварке образует карбиды, ухудшающие коррозионную стойкость стали и резко повышающие твердость в зонах термическо­го влияния, а также содействует образованию тугоплавких окислов, затрудняющих процесс сварки.

Никель увеличивает пластические и прочностные свойства стали, способствует образованию мелкозернистой структуры шва.

Молибден способствует повышению несущей способности стали при ударных нагрузках и повышенных температурах, а также образо­ванию мелкозернистой структуры. Однако молибден способствует появлению трещин в наплавленном металле и околошовной зоне тер­мического влияния. В процессе сварки, наплавки молибден спо­собен к выгоранию и образованию окислов.

Ванадий способствует образованию закалочных структур в сталях, затрудняющих сварочные процессы, активно окисляется и выгорает.

Вольфрам способствует значительному повышению твердости и работоспособности сталей даже при высоких температурах, но, вмес­те с тем, сильно окисляясь, затрудняет сварочные процессы.

Углерод при содержании в сталях более 0,25% резко ухудшает их свариваемость; способствует образованию закалочных структур, тре­щин, пористости.

Марганец при малом содержании в сталях (до 0,8%) существенно­го влияния на сварочные процессы не оказывает, при большем содер­жании способствует образованию закалочных структур и трещин.

Кремний, аналогично марганцу, оказывает негативное влияние на сварочные процессы лишь при больших его содержаниях (более 0,8%) в сталях вследствие образования тугоплавких окислов и жидкотекучести высококремнистых сталей.

Титан и ниобий при сварке коррозионностойких сталей (Х18Н9Т и др.) способствует образованию горячих трещин.

Свариваемость чугуна и эксплуатационные свойства сварного шва чугунных деталей зависят от структуры чугуна. Хорошо свариваются чугуны со светлой мелкозернистой перлитной структурой, включаю­щей мелкопластический или глобулярный графит. Образование та­кой структуры зависит от температур нагрева и времени выдержки стали. При длительной выдержке и температуре более 500 °С в чугуне происходит распад цементита — очень твердого и хрупкого соедине­ния белого чугуна. Поэтому горячая сварка чугуна более предпочти­тельна, нежели холодная. Недостатком горячей сварки чугуна явля­ется большая трудоемкость и тяжелые условия труда сварщиков. Плохо свариваются чугунные детали, длительно работающие при вы­соких температурах (окисление углерода и кремния приводит к обра­зованию так называемого горелого чугуна) или соприкосновении с маслом и керосином.

Особенностью сварки меди являются ее способность к окислению и образованию монооксида меди Сu₂О, взаимодействующего с водо­родом, что приводит к образованию паров воды и, как следствие, микротрещин — водородной болезни меди. Снижению этого способ­ствует прокалка электродов, флюсов, осушение защитных газов.

Трудность сварки алюминия заключается в наличии в сварочной ванне тугоплавкой пленки оксида алюминия А1₂О₃, температура плавления которого 2050 °С, а чистого алюминия всего 658 °С, что крайне затрудняет управление процессом сварки и формирования шва. Поэтому предпочтительна сварка алюминия в среде защитных газов и на постоянном токе обратной полярности (катодное распы­ление окисной пленки).

При выборе способа газовой сварки металлов и сплавов необходи­мо учитывать, что качество сварного шва зависит от возможности его науглероживания и одновременно обеднения (выгорания) легирую­щими элементами. Так, при сварке хромоникелевой стали при нагре­ве до температуры (400—800) °С происходит выпадение карбидов и сталь теряет устойчивость к межкристаллитной коррозии. При свар­ке меди сварной шов склонен к красноломкости, хрупкости, образо­ванию микротрещин. При сварке латуни наблюдается выгорание цинка и образование пористости шва. При сварке безоловянных бронз образуются тугоплавкие окислы алюминия и хрома. При свар­ке алюминия и его сплавов в большей степени, чем при электродуго­вой сварке, наблюдается образование поверхностной тугоплавкой окисной пленки.