Ремонт деталей сваркой и наплавкой
Эксплуатация и ремонт машин и оборудования НиГ промыслов.
Лекция 10.
6. Ремонт деталей сваркой и наплавкой.
Сваркой называется процесс неразъемного соединения деталей или их отдельных частей вследствие действия сил молекулярного сцепления. При сварке металлов, за исключением холодной сварки, производят местный нагрев соединяемых частей до перехода их в пластическое или расплавленное состояние. Металл шва должен обладать одинаковыми свойствами с основными металлом. Это определяет подбор присадочного материала и режима сварки. На ремпредприятиях нефтегазовой промышленности для ремонта стальных деталей в основном применяют ручную электродуговую и реже ручную газовую сварку. Оборудование, используемое при ремонте деталей сваркой, такое же как и при сварке новых деталей.
Наплавка – процесс нанесения расплавленного металла необходимого состава не поверхность детали, нагретой до температуры плавления. Наплавку применяют для восстановления размеров детали и придания заданных свойств её поверхности путем правильного выбора химического состава и структуры наплавленного металла. Наплавка является разновидностью сварки. однако отличие в том, что при наплавке процесс используется для наращивания на основной металл слоя металла или сплава со свойствами, иногда отличающимися от свойств основного металла. В этой связи к процессу наплавки предъявляются следующие основные требования:
1) Доля основного металла (детали) в наплавленном слое должна быть минимальна.
2) Для сохранения прочности ремонтируемой детали процесс наплавки не должен изменять её исходного химического состава, структуры и напряженного состояния.
3) Наплавленный слой должен обладать достаточно высокой прочностью сцепления с основным металлом.
Рекомендуемые материалы
На практике это решают путем соответствующего выбора технических режимов наплавки, стараясь обеспечить достаточную прочность соединения основного и наплавленного металлов и в то же время в минимальной степени изменить их исходное состояние.
Виды наплавки: ручная и механизированная.Ручная – газовая, электродуговая, аргонно-дуговая. Механизированная – под слоем флюса, в среде защитных газов, вибродуговая, плазменно-дуговая, электрошлаковая, индукционная, наплавка трением.
Наибольшее распространение получили ручная газовая и электродуговая наплавки, автоматическая и полуавтоматическая наплавки электрической дугой под слоем флюса и вибродуговая наплавка.
Выбор наплавляемого материала производят с учетом материала ремонтируемой детали, её форм, размеров, технических требований, условий работы и применяемого вида наплавки. Широко применяется стальная сварочная проволока. Углеродистая и легированная проволоки для восстановления размеров изношенных деталей. Высокохромистые – обеспечивают высокую износостойкость и коррозионную стойкость наплавленного слоя. Широко применяют наплавку перочинной проволокой при наплавке высоколегированных и высокоуглеродистых сплавов. Порошковые проволоки широко используют при наплавке в углеродистом газе и под слоем флюса.
Для ручной газовой электродуговой наплавки используются металлические электроды. регулирование химического состава и свойств наплавленного слоя осуществляется через покрытие или через электродный стержень или комбинированным методом. Для предотвращения появления деформаций и трещин при наплавке применяют предварительный нагрев детали (200-4000С) и другие технологические приемы.
6.1 Ручная газовая сварка и наплавка.
При ручной газовой сварке и наплавке расплавление основного и присадочного материала осуществляется теплом, выделяющимся в процессе сгорания газов (пропанбутановых смесей, ацетилена и др.) в среде кислорода. Качество шва и наплавленного слоя в значительной степени зависит от состава присадочного материала. При сварке следует применять присадочные материалы близкие по химическому составу к материалу ремонтируемой детали. Для защиты металла шва от окисления, а так же для удаления окислов образующихся при сварке применяют флюсы в виде порошка или пасты. Нагрев основного и присадочного металлов при газовой наплавке легко регулируется, что позволяет избежать нежелательного глубокого проплавления основного металла и смешивания его с наплавочным материалом. Толщина наплавляемого слоя обычно колеблется от 2,5 до 4 мм. К недостаткам газовой наплавки следует отнести неравномерность толщины наплавленного слоя.
Сварка чугунных деталей является сложным процессом, что связано с большим содержанием углерода и кремния в чугуне, неоднородностью его структуры и чувствительностью к температурным изменениям. Сварку деталей из чугуна производят с подогревом и без подогрева. При сварке с подогревом деталь нагревают до 650 - 7000С для предупреждения отбеливания чугуна и возникновения остаточных напряжений. При сварке вследствие выгорания углерода и кремния происходит отбеливание чугуна и для получения качественного сварного шва в присадочных материалах должно быть 3 - 3,6 % углерода, 3 – 4 % кремния, 0,5 – 0,8 % марганца.
Особенность сварки деталей из алюминия и его сплавов определяется их свойствами:
1) Низкой (6000С) температурой плавления и большой жидкотекучестью.
2) Высокой теплопроводностью.
3) Способностью окислятся на воздухе с образованием тугоплавкой окисной пленки с температурой плавления 20500 С.
4) Высокой растворимостью водорода в расплавленном алюминии, приводящей к пористости.
Для борьбы с этими явлениями применяют специальные флюсы и технологии сварки.
4.2 Ручная электродуговая сварка и наплавка.
При электродуговой сварке и наплавке источником тепла для расплавления металлов является электрическая сварочная дуга, возникающая между электродом и свариваемым металлом. качество сварного шва и наплавленного слоя определяется диаметром электрода, характеристикой тока, маркой электрода, скоростью сварки, положением шва в пространстве.
При ручной электродуговой сварке и наплавке чаще всего используются металлические электроды, представляющие собой металлический стержень со слоем покрытия, предназначенного для стабилизации дуги горения, защиты расплавленного металла от кислорода и азота воздуха, легирования наплавленного металла. В состав электродных покрытий входят следующие компоненты: стабилизирующие, шлакообразующие, газообразующие, раскисляющие, легирующие и связующие. Электроды изготавливают Ø 1,6-12 мм и длиной 225 – 450 мм. В зависимости от химического состава ремонтируемой детали и требований предъявляемых к сварному шву или наплавленному слою. Для сварки и наплавки применяют типовые электроды определенного назначения. Для наплавки изношенных поверхностей применяют электроды обеспечивающие получение слоя необходимой твердости и высокой износостойкости. Диаметр электрода выбирается в зависимости от толщины наплавляемого слоя и размеров шва. Величина сварочного тока выбирается в зависимости от электрода:
IСВ=(20+4dЭЛ) dЭЛ
IСВ – сварочный ток величина силы;
dЭЛ – диаметр электрода.
Ручную электродуговую сварку и наплавку целесообразно применять при небольшом объеме работ, а также в трудоемких местах. К преимуществам ручной электродуговой сварки и наплавки относится простота и удобство процесса.
Недостатки – низкая производительность, низкая стабильность дуги и невысокое качество.
4.3 Электрическая электродуговая наплавка под слоем флюса.
При указанном виде наплавки электрическая дуга горит под слоем флюса, подаваемого в зону наплавки. В зоне горения дуги оплавляются поверхность детали, электрод и прилегающий слой флюса. Электродная проволока по мере оплавления автоматически подается в зону дуги одновременно с флюсом. При плавлении флюса образуется газовая оболочка, защищающая расплавленный металл от взаимодействия с окружающим воздухом и выгорания легирующих элементов. Флюсовое покрытие способствует сохранению тепла дуги и препятствует разбрызгиванию жидкого металла. Шлаковая корка, образующаяся при остывании, снижает скорость охлаждения наплавленного металла, что создает благоприятные условия для формирования шва. Этим способом можно наплавлять разные поверхности в несколько слоев. Толщина слоя наплавки практически не ограничена. Для питания дуги используется постоянный ток обратной полярности. Наплавку можно производить как на универсальном оборудовании так и на специализированных установках. Для получения требуемых свойств наплавленного металла необходимо вводить в него легирующие элементы.
Преимуществами автоматической наплавки под слоем флюса перед ручной электродуговой являются:
1) Высокая производительность процесса.
2) Высокое качество наплавленного слоя.
3) Возможность регулирования свойств наплавленного слоя.
4) Наличие закрытой дуги, что улучшает условия труда.
5) Лучшее использование эл. энергии и материала проволоки.
Автоматическую наплавку целесообразно применять при ремонте большого числа однотипных деталей, когда требуется наплавить значительный слой металла толщиной 5-40 мм.
4.4 Наплавка в среде защитных газов.
При этом виде наплавки защитный газ, подаваемый в зону наплавки под избыточным давлением, изолирует сварочную дугу и плавильное пространство от кислорода и азота воздуха. наплавку углеродных, легированных сталей и чугуна производят в среде углекислого газа; для высоколегированных сталей применяют аргон. Для наплавки в среде защитных газов применяется серийное оборудование используется постоянный ток. Этот метод применяют, когда затруднена или невозможна подача флюса и удаление шлаковой корки, например при наплавке мелких деталей, внутренних поверхностей и деталей сложной формы. Преимущества: высокая производительность и простота ведения и управления процессом. Недостатки6 сложность работы на открытом воздухе из-за срыва струи углекислого газа под действием ветра и окислительная способность углекислого газа.
4.5 Вибродуговая наплавка.
Автоматическая вибродуговая наплавка основана на использовании тепла кратковременной электрической дуги, возникающей в момент разрыва цепи между вибрирующим электродом и наплавляемой поверхностью. Отличительной особенностью этого вида наплавки является возможность получения наплавленного слоя малой толщины 0,3 – 0,25 мм, охлаждение поверхности наплавки в результате прерывистого характера процесса, что снижает нагрев детали и остаточные напряжения в ней.
Качество наплавленного слоя во многом зависит от материала электродной проволоки, которую выбирают в зависимости от требуемых механических свойств наплавленного слоя. автоматическую вибродуговую наплавку применяют для наращивания изношенных наружных и внутренних цилиндрических поверхностей (шеек валов, штоков, замков бурильных труб и других деталей). К преимуществам вибродуговой наплавки относятся: возможность получения тонких и прочных покрытий, малая глубина зоны термического влияния, небольшой нагрев детали и незначительное выгорание легирующих элементов электродной проволоки.
4.6 Наплавка металлов трением.
Сущность процесса наплавки металлов трением заключается в плавлении наносимого металла за счет теплоты трения и соединения его с деталью при повышенных температуре и давлении. Наносимый металл или сплав, в гранулированном состоянии, плавится в закрытом пространстве за счет трения о наплавляемую деталь или специальный инструмент. Трение обеспечивается вращением наплавляемой детали или инструмента относительно массы наносимого сплава или металла.
Основным условием для обеспечения плавления наносимого металла или сплава является изготовление инструмента (с помощью которого осуществляется трение) из материала с более высокой температурой плавления по сравнению с температурой плавления наносимого материала. Во избежании прилипания металла или сплава к рабочей поверхности инструмента его изготавливают из соответствующего материала. Основные технологические параметры процесса наплавки трением – это окружная скорость и давление на поверхности трения. Величины этих параметров определяются физическими характеристиками основного и наплавляемого материалов, в особенности коэффициентом трения и температурой плавления материала, а также материала детали и инструмента. Оптимальные значения параметров V=2,5-6 м/с, Р=2-6 кг/мм2. наплавка трением отличается от существующих методов наплавки полезным использованием теплового эффекта трения, отсутствием расплавлением основного и перегрева наплавляемого металлов, отсутствием их перемешивания, образованием металлического соединения между жидким и твердым металлами в условиях всестороннего сжатия и возможностью эффективного использования отходов механической обработки.
Преимущества: стабильность химического состава и сохранение исходных механических свойств в наплавленном слое; получение надежного соединения основного и наплавляемого металлов возможность наплавки комбинированным составом для получения заданных свойств в наплавленном слое; высокая экономичность процесса.
Недостатки: невозможность нанесения металлов более тугоплавких, чем основной металл; ограниченные размеры наплавляемых поверхностей; необходимость изготовления специальных приспособлений для наплавке деталей каждого типа. Процесс наплавки трением целесообразно применять для ремонта изношенных и изготовления биметаллических деталей, а также для поверхностного упрочнения деталей.
7. Ремонт деталей металлизацией.
Процесс металлизации заключается в нанесении расплавленного металла на специально подготовленную поверхность детали распылением его струёй воздуха или газа. Частицы расплавленного металла, ударяясь о поверхность детали, заполняют предварительно созданные на поверхности неровности, в результате чего происходит их механическое закрепление, а так же возникает молекулярное схватывание между наплавляемым и основным металлом. В результате закалки, окисления и наклепа частиц напыляемого металла твердость материала покрытия повышается. Различают газовую, электродуговую, высокочастотную, тигельную и плазменную металлизацию. Напыляемый материал применяется в виде проволоки, ленты или порошка. Наибольшее применение на ремпредприятиях получила электродуговая металлизация. Две электрически изолированные друг от друга электродные проволоки, к которым подведен электрический ток, перемещаются механизмом подачи. При их пересечении возникает ток, и проволоки расплавляются. Струя сжатого воздуха распыляет расплавленный металл на мельчайшие частицы и при скорости 75-200 м/с они наносятся на подготовленную поверхность детали, создавая напыленный слой. Для электродуговой металлизации выпускают стационарные и ручные металлизаторы.
Преимущество электрометаллизации – производительность.
Недостатки: выгорание легирующих элементов, окисление напыляемого металла, низкие механические свойства напыляемого слоя и большие потери металла при напылении.
При газовой металлизации проволоку напыляемого металла расплавляют ацетиленокислородным пламенем, а распыление осуществляется сжатым воздухом или инертным газом. Газовая металлизация обеспечивает получение покрытий высокого качества из-за меньшего выгорания легирующих элементов. Недостаток : необходимость горючего газа, большая стоимость покрытия. Газовая металлизация широко используется для напыления тугоплавких сплавов и металлов, например, титана.
Одним из прогрессивных методов является плазменно-дуговая металлизация. При пропускании эл.тока большой плотности через газовую среду, находящуюся под повышенным давлением, газ ионизируется. Наряду с положительно и отрицательно заряженными ионами в газе содержатся электроны и нейтральные атомы. Такое состояние вещества называется плазмой. Плазма обладает высокой электрической проводимостью и образует вокруг себя магнитное поле, которое заставляет частицы плазмы сжиматься и двигаться узким пучком. Плазменная струя служит интенсивным источником тепла, температура её достигает 150000С.
Схема плазменного металлизатора: между вольфрамовым электродом и соплом горелки создается дуговой разряд, в зону дуги подается инертный газ, который ионизируясь выходит из сопла виде плазменной струи. В зону плазменной струи непрерывно подается напыляемый материал, расплавленные частицы которого увлекаются плазменной струей и с высокой (900 м/с) скоростью напыляются на поверхность детали.
Плазменная металлизация применяется для напыления тугоплавких металлов и соединений ( вольфрам, окиси алюминия, карбиды, бориды и т.д. ).
Преимущества: предотвращается окисление напыляемых металлов; процесс производителен; достигается прочное сцепление напыляемого слоя с металлом детали.
Недостатки: высокая хрупкость напыленного слоя.
После металлизации производят механическую и термическую обработку детали для получения необходимых параметров восстанавливаемой поверхности.
8. Ремонт деталей гальваническим наращиванием.
Гальваническое наращивание металла на поверхность основано на процессе электролиза. Под действием постоянного электрического тока положительно заряженные ионы движутся к катоду, в качестве которого используется восстанавливаемая деталь, на которой выделяется металл и водород. Электролиз металлов может осуществляться с растворимыми и нерастворимыми анодами. Растворимые изготавливают из губчатого железа, меди или никеля в зависимости от вида электролитического процесса; нерастворимые из свинца, платины и других металлов. В комплект оборудования для гальванического наращивания входят: источник постоянного тока, ванны с химически стойкими облицовками, специальные контактные подвесные приспособления, нагревательные устройства, вентиляционное оборудование.
Для восстановления размеров изношенных поверхностей наибольшее применение находят электролитическое хромирование, осталивание, меднение и твердое никелирование.
Хромированиеприменяют для восстановления размеров деталей и получения декоративных, коррозиостойких и износостойких покрытий. Электролитический хром обладает высокой коррозионной стойкостью, низким коэффициентом трения, высокой твердостью, жаростойкостью, высоким пределом текучести. При тщательной подготовке поверхности прочность сцепления хрома со сталью, чугуном, медью и латунью достигает при сдвиге 30кгс/мм2. однако стали с высоким содержанием вольфрама и кобальта, а также высокоуглеродистые стали и высококремниевые чугуны хромировать нельзя, вследствие низкой прочности сцепления. Прочность сцепления резко снижается с увеличением толщины покрытия в связи с ростом остаточных напряжений. После хромирования снимается также усталостная прочность деталей вследствие значительной величины остаточных напряжений в покрытии. Усталостная прочность углеродистых сталей в результате хромирования снижается на 25-40%.
Электрохимическое осаждение хрома отличается от других процессов, как по составу электролита, так и по условиям протекания процесса. Осаждение хрома осуществляется в электролите, содержащем хромовый ангидрид с добавкой серной кислоты.
При хромировании применяют нерастворимые аноды из свинца или сплава свинца с сурьмой. Концентрацию хромового ангидрида в электролите можно изменять в широких пределах, распространение получили горячие электролиты с концентрацией CrO3 от 150 до 350 г/л. Условно хромовые покрытия разделяют на три вида: молочные, блестящие и матовые.
Блестящие покрытия отличаются высокой твердостью, высокой износостойкостью и хрупкостью, имеют на поверхности мелкую сетку трещин.
Молочные – более мягкие и вязкие. Без трещин. По сравнению с блестящими имеют большую износостойкость.
Матовые имеют повышенную твердость и хрупкость, низкую износостойкость, трещины на поверхности.
Для повышения износостойкости применяют пористое хромирование. Оно отличается от твердого дополнительной анодной обработкой (дехромирование) после наращивания хромового покрытия. В результате на покрытии образуется сеть углубленных трещин обеспечивающих большую маслоемкость при работе. Контроль хромового покрытия осуществляется путем наружного осмотра с простукиванием медным молотом.
Преимущества:
§ Высокая прочность сцепления покрытия с основным металлом.
§ Возможность получения покрытия с высокой износостойкостью, с химической тепловой стойкостью.
Недостатки : длительность, сложность, трудоемкость технологического процесса, высокая стоимость.
Хромирование применяют при ремонте штоков насосов, гильз цилиндров ДВС и насосов, гнёзд подшипников, шеек валов и других деталей.
Электролитическое осталивание. При прохождении постоянного тока низкого напряжения через раствор солей железа происходит осаждение на катоде (ремонтируемой детали) электролитического железа. Прочность и твердость осажденного слоя приближаются к аналогичным свойствам среднеуглеродистой стали, поэтому процесс получил название осталивание.
Для осталивания применяют горячие и холодные электролиты. В зависимости от состава электролита и режима осталивания получают мягкие покрытия с твердостью (НВ 120-220) и твердые покрытия с твердостью (НВ 250-600). Прочность сцепления на отрыв покрытия со сталью, медью и чугуном достигает 15 МПа, благодаря чему восстановленная деталь надежно работает при больших нагрузках. Прочность сцепления покрытия с металлом зависит от предварительной подготовки наращиваемой поверхности.
Преимущества:
§ Недефицитность и дешевизна исходных материалов.
§ Выход металла на тонну 75-95%.
§ Скорость осаждения металла и толщина покрытия значительно выше, чем при хромировании. Для твердых покрытий толщина 1-1,2 мм, для мягких 2-3 мм.
§ Механическую обработку покрытия после осталивания производят при обычных процессах резания.
§ Процесс устойчив и может быть автоматизирован.
Недостатки:
§ Высокая коррозионная активность электролита.
§ Сложность технологического процесса.
§ Необходимость частой фильтрации электролита.
Осталивание применяют для наращивания изношенных поверхностей гнезд подшипников, шеек валов, наружных поверхностей бронзовых втулок и т.д.
Меднение. Для меднения деталей применяют два типа электролитов: сернокислые и цианистые, последние токсичны и применяются редко. Аноды при медении применяют растворимые – медные пластины, катодом является ремонтируемая деталь.
На ремпредприятиях меднение применяют при восстановлении размеров бронзовых втулок, вкладышей подшипников, для облегчения приработки трущихся поверхностей и т.п.
Твердое никелирование. Электролитический процесс осаждения никеля называется твердым никелированием. Гальванически осажденный никель порист и имеет пониженную пластичность. Твердость никелированных покрытий составляет 30-60МПа. В зависимости от содержания в электролите получают матовые и блестящие осадки. Процесс ведется при температуре электролита 75-950С. Применяются растворимые аноды из никеля. Вследствие невысокой твердости и малой износостойкости никелирование применяют для восстановления размеров в неподвижных сопряжениях, например, для восстановления посадочных поверхностей деталей под подшипники.
9. Ремонт деталей с применением клеевых соединений.
Склеивание металлов основано на способности некоторых неметаллических материалов образовывать достаточно прочные связи с металлом. Клей для металлов приготавливают на основе термореактивных и термопластичных полимеров. Клей на основе термореактивных полимеров позволяет получить прочные и теплостойкие соединения. Клей на основе термопластичных полимеров позволяет получать менее прочные и с более низкой теплостойкостью соединения.
По внешнему виду клеи для металлов разделяют на жидкие, пастообразные, пленочные и порошкообразные. Они могут быть одно и много консистентными. Выбор клея в каждом конкретном случае должен определятся конструкцией склеиваемого узла, условиями эксплуатации и производительными возможностями предприятия. Физико-механические свойства клеевых соединений металлов зависят от технологии склеивания:
§ Подготовки металлических поверхностей.
§ Приготовления клеевого состава.
§ Технологии нанесения клея на поверхность.
§ Процесса отвердения клея.
Значительное влияние на прочность клеевого соединения оказывают конструктивные факторы и в частности форма и размеры клеевого соединения. На ремпредприятиях склеивание применяют для следующих работ:
§ Соединение частей разрушенных деталей.
§ Заделка трещин, свищей и раковин.
§ Посадка втулок и гнезд взамен запрессовки, приварки и пайки.
§ Восстановление и упрочнение прессовых насадок подшипников.
§ Фиксация сменных деталей.
§ Наложение заплат.
§ Герметизация неплотностей в резьбовых, фланцевых и сварных соединениях.
§ Наклеивание фрикционных накладок.
На практике ремонта бурового и НП оборудования клеи используют для ремонтов резервуаров, трубопроводов и арматуры, насосного и компрессорного оборудования, ДВС. Применение клеевых соединений упрощает технологический процесс ремонта, ускоряет его, снижает стоимость ремонта
Рекомендация для Вас - Долото для бурения сплошным забоем и с отбором керна.
Недостатки клеевых соединений:
§ Невысокая температура эксплуатации (до 3000С).
§ Низкая прочность при неравномерном отрыве.
§ Склонность к старению при воздействии различных внешних факторов.
Литература:
1) Авербух и др. «Ремонт и монтаж бурового и НП оборудования» Недра, 1976.
