Соединений ремонтируемых деталей

ВОССТАНОВЛЕНИЕ ПОВЕРХНОСТЕЙ НАПЛАВКОЙ

Наплавка – процесс нанесения расплавленного металла необходимого состава на поверхность детали, нагретую до температуры плавления. При наплавке нанесенный слой металла соединяется с основным металлом вследствие образования металлической связи. Наплавку применяют для восстановления размеров детали и придания заданных свойств ее поверхности путем правильного выбора химического состава и структуры наплавленного металла.

Наплавка является разновидностью сварки, однако наплавочные процессы отличаются от сварочных. При наплавке сварочный процесс используется для наращивания на основной металл слоя металла или сплава со свойствами, в некоторых случаях отличающимися от основного материала. В связи с этим к процессу наплавки предъявляются следующие основные требования:

- для обеспечения заданных физико-механических свойств наплавленного слоя процесс наплавки не должен изменять исходного химического состава и структуры наносимого металла;

- для сохранения прочности ремонтируемой детали процесс наплавки не должен изменять ее исходного химического состава, структуры и напряженного состояния;

- наплавленный слой должен обладать достаточно высокой прочностью сцепления с основным металлом.

Наплавка является распространенным методом восстановления поверхностей деталей оборудования для бурения скважин и нефтегазодобычи, таких как валы, зубчатые колеса, муфты, звездочки, клапаны и штоки буровых насосов и многих других.

Различают ручные и механизированные виды наплавки (рис.12).

Рисунок 12 – Классификация видов наплавки

Наибольшее распространение на ремонтных предприятиях нефтегазовой отрасли получили ручная газовая и электродуговая наплавки, автоматическая и полуавтоматическая наплавки электрической дугой под слоем флюса и вибродуговая наплавка. Автоматическая и полуавтоматическая наплавки применяются на специализированных предприятиях при ремонте большого числа однотипных деталей.

Выбор наплавляемого материала производят с учетом материала ремонтируемой детали, ее формы, размеров, условий работы и применяемого вида наплавки. Углеродистые и легированные сварочные проволоки применяют для восстановления размеров изношенных деталей. Выскохромистые проволоки обеспечивают высокую износо и коррозионную стойкость наплавленного слоя. Хромоникелиевыми аустенитными проволоками наплавляют детали, подверженные коррозии и кавитации.

Широко применяют наплавку порошковой проволокой, представляющей металлическую оболочку из низкоуглеродистой стальной ленты толщиной 0, 5-1 мм, которая наполнена порошковыми сплавами. Порошковую проволоку используют в основном при наплавке высоколегированных и высокоуглеродистых сталей.

Для ручной газовой и электродуговой наплавки обычно используют металлические электроды. Регулирование химического состава и свойств наплавленного слоя осуществляют через покрытие, через электродный стержень или комбинированным способом.

Для предотвращения появления деформаций и трещин при наплавке применяют предварительный нагрев детали в пределах 200-400 С˚, предварительный изгиб детали в направлении, обратном деформации, погружение в воду без смачивания наплавляемой поверхности, наложение наплавляемых валиков в определенной последовательности, высокий температурный отпуск детали после наплавки.

РУЧНАЯ ГАЗОВАЯ НАПЛАВКА

При ручной газовой наплавке расплавление основного и наплавляемого материала осуществляется теплом, выделяющимся в процессе сгорания горючих газов (ацетилена, пропанбутановых смесей и др.) в среде кислорода (рис.13). Наиболее распространенным применяемым газом является ацетилен.

Рис.13 – Схема газовой наплавки:

1 – наплавляемая деталь; 2 – газовая горелка; 3 – присадочный материал; 4 – наплавляемый металл

В зависимости от соотношения подаваемых в горелку ацетилена и кислорода получают нормальное, науглероженное и окислительное пламя.

Нормальное или нейтральное пламя образуется при соотношении кислорода и ацетилена, равном 1, 0 – 1, 2 и ограничивает окисление поверхности в зоне плавления.

Науглероживающее пламя возникает при соотношении кислорода и ацетилена 0, 8 – 0, 9, а окислительное при соотношении 1, 2 – 1, 5.

Выбор сварочного пламени влияет на качество сварного шва или наплавки и на производительность процесса. Наплавку поверхностей деталей, изготовленных из сталей с содержанием углерода до 0, 5% ведут нормальным пламенем. Науглераживающее пламя используется для наплавки поверхностей деталей из сталей с содержанием углерода более 0, 5%.

Нагрев основного металла и присадочного материала при газовой наплавке легко регулируется, что позволяет избежать нежелательного глубокого проплавления основного металла и смешивания его с наплавляемым материалом. Толщина наплавляемого слоя обычно колеблется от 2, 5 до 4 мм.

К недостаткам газовой наплавки следует отнести неравномерность толщины наплавляемого слоя.

РУЧНАЯ ЭЛЕКТРОДУГОВАЯ НАПЛАВКА

При электродуговой наплавке источником тепла для расплавления металлов является электрическая дуга, возникающая между электродом и металлом ремонтируемой детали. Качество наплавляемого слоя определяется:

- диаметром электрода;

- типом и маркой электрода;

- силой тока;

- напряжением на дуге;

- родом и полярностью тока;

- скоростью сварки;

- положением шва в пространстве.

При ручной электродуговой наплавке чаще всего используются металлические электроды, представляющие собой металлический стержень, на поверхность которого нанесен слой покрытия, предназначенного для:

- стабилизации горения дуги;

- защиты расплавленного металла от кислорода и азота воздуха;

- легирования наплавленного металла.

В состав электродных покрытий входят следующие компоненты:

- стабилизирующие;

- шлакообразующие;

- газообразующие;

- раскисляющие;

- легирующие;

- связующие.

Электроды изготавливают диаметром 1, 6–12 мм и длиной 225-450 мм. Диаметр электрода выбирают в зависимости от толщины наплавляемого слоя. При толщине наплавки менее 2 мм рекомендуется применять электроды диаметром 3 мм, а при большей толщине – диаметром 4–5 мм. Сварочный ток устанавливается в зависимости от диаметра выбранного электрода:

I _св = (20 + 4 d _эл) d _эл,

где I _св – сила сварочного тока, А; d _эл – диаметр электрода, мм.

Напряжение в дуге зависит от ее длины, которая должна быть в пределах 0, 5-1, 1 диаметра электрода. Обычно U _max ≤ 60 В.

Питание дуги может осуществляться постоянным или переменным током. Род тока и полярность выбирают в зависимости от толщины и химического состава ремонтируемой детали. В электрической дуге больше тепла концентрируется на аноде, поэтому, если требуется небольшой нагрев детали, ее подсоединяют катодом, т.е. наплавку ведут током обратной полярности. Переменный ток широко используется для наплавки деталей из углеродистых и низколегированных сталей средней и большой толщины, а постоянный для деталей малой толщины.

Для питания дуги переменным током применяют сварочные трансформаторы, а для питания дуги постоянным током используют сварочные генераторы или выпрямители.

Наплавку изношенных поверхностей производят в несколько слоев с перекрытием каждого предыдущего валика на 1/3 ширины, что обеспечивает его отжиг и препятствует образованию закаленной зоны. Перед наплавкой каждого последующего слоя необходимо очищать предыдущий слой от шлака. Чтобы не вызвать коробление детали вследствие большого количества тепла, выделяемого при наплавке, необходимо осуществлять перерывы, обеспечивающие остывание слоя. При ремонте закаленных деталей ненаплавляемую часть детали погружают в воду во избежание отпуска. Наплавку легированных сталей производят при большой плотности тока с предварительным подогревом поверхности.

Преимущества – простота и удобство процесса. Недостатки – низкая производительность, низкая стабильность дуги и невысокое качество наплавки.

АВТОМАТИЧЕСКАЯ НАПЛАВКА ПОД СЛОЕМ ФЛЮСА

При данном виде наплавки электрическая дуга горит под слоем флюса, подаваемого систематически в зону наплавки. В зоне горения дуги оплавляются поверхность детали, электрод и придегающий слой флюса. Электродная проволока по мере оплавления автоматически подается в зону дуги одновременно с флюсом. При плавлении флюса выделяется газ и образуется газовая оболочка, защищающая расплавленный металл от взаимодействия с окружающей средой и выгорания легирующих элементов. Кроме того, флюсовое покрытие способствует сохранению тепла и препятствует разбрызгиванию металла. Схема наплавки под слоем флюса представлена на рис.14.

Между поверхностью детали 5 и электродной проволокой 3 возбуждена электрическая дуга. Расплавленная капля металла электрода 3, смещаясь в направлении вращения детали, смешивается с расплавленным основным металлом детали, образуя сварочную ванночку. При остывании образуется наплавленный валик, который покрыт шлаковой коркой 7 и частично неиспользованным флюсом 1. Шлаковая корка снижает скорость охлаждения наплавленного металла, что создает благоприятные условия для формирования шва.

Рисунок 14 – Схема наплавки под слоем флюса:

1 – нерасплавленный флюс; 2 – жидкий металл; 3 – электрод; 4 - расплавленный шлак; 5 – деталь; 6 – наплавляемый металл; 7 – шлаковая корка

Данным способом наплавляют плоские, цилиндрические, конические и фасонные поверхности. Толщина слоя наплавки практически неограниченна. Для питания дуги обычно используют постоянный ток обратной полярности. Для наплавки используют высокомарганцовистые и высококремнистые флюсы. Обычно слой флюса составляет 40-60 мм над слоем наплавляемого шва.

Преимуществами автоматической наплавки под слоем флюса по сравнению с ручной электродуговой наплавкой являются:

- высокая производительность процесса;

- высокое качество наплавленного слоя;

- возможность широкого регулирования свойств наплавленного слоя;

- наличие закрытой дуги (БЖД);

- более экономное использование Эл. Энергии и проволоки.

Недостатками данного способа являются:

- высокая доля основного металла в наплавленном слое;

- невозможность восстановления отверстий малого диаметра;

- наружных поверхностей диаметром менее 40 мм.

Автоматическую наплавку под флюсом целесообразно применять при ремонте большого числа однотипных деталей, когда требуется наплавить значительный слой металла толщиной от 5 до 40 мм.

АВТОМАТИЧЕСКАЯ НАПЛАВКА В СРЕДЕ ЗАЩИТНЫХ ГАЗОВ

При данном виде наплавки защитный газ, подаваемый в зону наплавки под избыточным давлением, изолирует сварочную дугу и плавильное пространство от кислорода и азота воздуха (рис.15).

Рисунок 15 – Схема наплавки в среде защитных газов:

1 – электрическая дуга; 2 – сопло; 3 – подающие ролики; 4 – электродная проволока; 5 – токопроводящий мундштук; 6 – защитный газ

Наплавку углеродистых, легированных сталей и чугуна производят в среде углекислого газа. Для высоколегированных газов применяют аргон. Чтобы избежать окисления и восполнить выгоревшие при наплавке в углекислом газе примеси применяют электродную проволоку, легированную марганцем и кремнием, которые связывают кислород и раскисляют образовавшуюся закись железа. Образующиеся окислы марганца и железа переходят в шлак. Во избежание образования пор и трещин в металле шва применяется электродная проволока с низким содержанием углерода. Наплавку ведут на постоянном токе, в результате чего уменьшается глубина проплавления и увеличивается содержание электродного металла в наплавляемом слое. Наплавку в среде защитных газов применяют, когда невозможна или затруднена подача флюса и удаление шлаковой корки, например при наплавке мелких деталей, внутренних поверхностей и при наплавке деталей сложной формы.