В настоящее время разработаны и широко применяются в про­мышленности различные способы наплавки металлов. При на­плавке однородных металлов путем применения проволок и флю­сов соответствующего состава удается получить металл наплавки такого же состава, что и основной металл и соответственно свой­ства соединения, аналогичные свойствам основного металла. Способ наплавки в этом случае практически не оказывает влия­ния на свойства соединения. Поэтому при наплавке стремятся применять такие способы, которые, обеспечивая качество соеди­нения, в то же время обеспечивают максимальную производитель­ность и эффективность процесса. Такими способами являются ав­томатическая наплавка под слоем флюса электродной проволокой и ленточным электродом, наплавка в среде защитных газов и т. д. (схема 1).

При необходимости наплавки на изделие металлов, отличных по химическому составу и теплофизическим свойствам от основного металла, задача получения качественного соединения услож­няется. Это вызвано тем, что при соединении разнородных метал­лов в результате перемешивания основного и наплавляемого ме­таллов, растворения твердого основного металла в жидком ме­талле сварочной ванны и диффузионных процессов на межфазной границе в металл наплавки переходит значительная доля основ­ного металла. Так, например, при ручной электродуговой наплавке и автоматической наплавке электродной проволокой под слоем флюса меди и бронз на сталь в первый слой металла наплавки пере­ходит до 50—60% железа [13]. Конечно, такое высокое содержа­ние доли основного металла в металле наплавки, как правило, не­допустимо, и наплавку приходится осуществлять в 4—6 и более слоев для обеспечения необходимой чистоты наплавленного слоя. Это вызывает весьма значительное удорожание наплавленных изде­лий и, как правило, не обеспечивает их необходимых свойств

Схема 1

классификация способов наплавки

(особенно в тех случаях, когда к изделию предъявляются высокие требования не только по чистоте наружного наплавленного слоя, но и по механическим свойствам как металла наплавки, так и со­единения металла наплавки с основным металлом). Дело в том, что при соединении разнородных металлов между металлом на­плавки и основным металлом часто образуются различные диффу­зионные и кристаллизационные прослойки [34, 70 и др.], всегда имеется более или менее развитая зона переменного состава, т. е. имеется развитая структурная и химическая неоднородность, приводящая к значительному понижению прочности и пластич­ности зоны сплавления металла наплавки с основным металлом [12, 34 и др. ].

Изменение состава проволоки, применение для наплавки раз­личных флюсов не обеспечивает и не может полностью обеспечить получение всех механических свойств соединения на уровне тако­вых для соединяемых металлов, так как остается основная при­чина, приводящая к понижению свойств — расплавление основ­ного металла. Задача соединения разнородных металлов с обеспе­чением получения необходимых физико-химических свойств ме­талла наплавки и всего соединения в целом может быть решена технологически, путем применения таких способов, при которых основной металл либо не расплавляется совсем, либо обеспечи­вается его минимальное проплавление. Поэтому для соединения разнородных металлов следует применять только такие способы, которые обеспечивают минимальное проплавление основного ме­талла, незначительное перемешивание основного и наплавляемого металлов и минимальный переход элементов основного металла в металл наплавки. Только в этом случае можно обеспечить опти­мальные физико-химические и механические свойства металла наплавки и соединения металла наплавки с основным металлом, а следовательно, обеспечить высокую надежность и работоспособ­ность изделия в целом.

Решить эту задачу наиболее просто можно в том случае, если для наплавки применять источники теплоты, позволяющие раз­дельно регулировать плавление присадочного и нагрев основного металлов, регулировать процессы взаимодействия жидкого ме­талла сварочной ванны с твердым основным металлом. Поиски исследователей в этом направлении привели к созданию целого ряда новых способов сварки и наплавки металлов.

В. П. Никитиным был предложен метод сварки металлов с раз­деленными процессами плавления основного и присадочного ме­таллов [66]. Идея этого метода заключалась в том, чтобы разделить тепловые процессы подготовки основного и присадочного металла, сделать подготовку и подачу последнего сколь угодно большой и независимой от источника тепла, ведущего подготовку основного металла. При применении способа, наплавки по этому методу уча­сток основного металла, предназначенного для сварки или наплавки, оплавляется открытой угольной дугой, а присадочный металл в жидком состоянии с небольшой температурой перегрева вводится в ванну из специального металлосборника через разли­вочное устройство. Однако из-за больших неудобств, связанных с применением специального металлосборника с разливочным устройством, этот способ практически не нашел применения в про­мышленности.

Развитием метода В. П. Никитина является способ наплавки струей перегретого металла [108]. При наплавке струей перегре­того металла меди и ее сплавов на сталь и чугун подвод теплоты к изделию осуществляется струей перегретого присадочного ме­талла, получаемого в специальном металлосборнике. Вследствие высокой турбулентности ударяющегося и растекающегося по по­верхности изделия жидкого металлического потока происходит быстрый и интенсивный нагрев тонкого поверхностного слоя основ­ного металла за счет вынужденной конвекции. При этом создаются необходимые условия для физико-химического взаимодействия металла, в результате которого происходит их соединение. Приме­нение указанного способа для наплавки медных сплавов на сталь и чугун позволило получить в металле наплавки менее 1 % железа. Однако применение специального плавильного устройства (графи­товый тигель) и связанные с этим неудобства явились причиной весьма ограниченного применения в промышленности данного способа наплавки.

Способ наплавки расплавлением облицовок [91 ] нашел приме­нение при наплавке бронз на чугун и сталь. Суть этого метода заключается в следующем: на основной металл накладывается заготовка из бронзы. Между заготовкой и угольным электродом возбуждается открытая электрическая дуга, тепло которой и пла­вит заготовку. В результате между дугой и изделием создается слой расплавленного металла заготовки, предохраняющий поверхность детали от прямого действия на нее дуги.

При определенных режимах наплавки расплавление поверх­ности детали из черного металла отсутствует, но поверхность на­гревается до температуры, равной или несколько превышающей температуру плавления металла заготовки. В этих условиях про­цесс смачивания стали расплавленным цветным металлом проте­кает успешно, и получается качественное сварное соединение. При наплавке бронзы Бр. АМц9-2 на сталь содержание железа не превышало 1 % [91]. В наших исследованиях указанного метода при наплавке меди М3 на сталь содержание железа в металле наплавки составило 1 — 1,5%. Однако указанный метод трудоемок, требует каждый раз специальной подготовки заготовки, наплавка производится вручную, не всегда обеспечивается сплавление по всему сечению наплавки.

Был исследован способ наплавки, при котором изделие с уло­женной на его поверхность заготовкой из цветного металла поме­щалось в печь и нагревалось до температуры, превышающей тем­пературу плавления заготовки. Система «твердый основной ме­талл — жидкий металл наплавки» выдерживалась при этой темпе­ратуре некоторое время, достаточное для смачивания и протекания физико-химических процессов, после чего охлаждалась. Содер - * жание железа в металле наплавки составило 2,5%. Однако этот способ также трудоемкий, не позволяет механизировать процесс.

Поиски исследований в направлении уменьшения глубины про­плавления основного металла привели к созданию ряда новых способов наплавки. Из таких методов широкое применение в про­мышленности получила наплавка ленточным электродом [88]. Благодаря значительному уменьшению глубины проплавления основного металла (до 0,5 мм) при автоматической наплавке лен­точным электродом под слоем флюса удалось существенно снизить долю участия основного металла в металле наплавки по сравнению с автоматической наплавкой электродной проволокой подслоем флюса. Так, при автоматической наплавке из бронзы Бр. АЖМцЮ-3-1,5 0 6 мм под стекловидным флюсом АН-20 при токе 700—900 а содержание железа в первом слое составляет до 30%, в третьем — до 10%. При наплавке лентой из меди Ml толщиной 0,8 мм и шириной 100 мм под флюсом АН-60 на режи­мах 1св — 1200ч-1300 a, U = 32 б, vH = 12 м/ч содержание железа в первом слое составляет 8—11%, а при токе 1св = 500+550 а в первом слое находится до 3—4% железа [88].

Но даже при таком относительно небольшом проплавлении основного металла и ограниченном переходе элементов основного металла в металл наплавки способ наплавки ленточным электродом для разнородных металлов нельзя признать оптимальным, осо­бенно для таких изделий, которые работают при знакопеременных и вибрационных нагрузках, а также в тех случаях, когда высота слоя наплавки ограничена и к ней предъявляются высокие требо­вания по чистоте наплавки (т. е. тогда, когда многослойная на­плавка недопустима).

При наплавке трехфазной дугой глубина проплавления зависит от соотношения токов в дугах, горящих между электродами и изделием. В этом случае также можно умень­шить глубину проплавления основного металла, но все же она ос­тается достаточно высокой. Для уменьшения доли основного ме­талла в металле наплавки и повышения коэффициента расплавле­ния был предложен способ наплавки комбинированной дугой. В этом случае между электродом и изделием протекает постоянный ток, а между электродами — переменный ток. Иссле­довалась также наплавка с подачей присадоч­ной проволоки в дугу, причем к проволоке ток не подводится. Коэффициент наплавки в этом случае увеличивается, а^содержание доли основного металла в металле наплавки умень­шается, но все же остается на высоком уровне.

Однако последние три способа не обеспечивают [97] надежных результатов по формированию наплавленных валиков, наблю­даются непровары по их краям, подвороты, бугры и местные не - спдавления. Качество наплавки зависит от угла между электро­дами и расстояния между поверхностью изделия и точкой пересе­чения осей электродов. Существующая аппаратура не позволяет поддерживать эти величины строго постоянными. Поэтому эти способы наплавки дают ненадежные результаты и производствен­ное использование их незначительно.

Чешскими исследователями Я - Лукашеком и К. Леблем был предложен способ наплавки с подачей присадочной проволоки, подключенной параллельно изделию [55]. Скорость подачи доба - • вочного электрода постоянная и не зависит от скорости подачи основного электрода, диаметр его тоже может быть иным. Распо­лагается добавочный электрод под небольшим углом к поверхности изделия. Изменяя диаметр присадочного электрода и скорость его подачи, можно регулировать долю основного металла в ме­талле наплавки. Но даже при применении минимального тока, необходимого для стабильного процесса наплавки при данном диаметре электрода, доля основного металла в металле наплавки составляет около 15%.

Неплохие результаты получены при вибродуговой наплавке бронзы на сталь в среде азота [69], обеспечивающей, как указы­вают авторы, хорошее формирование слоев и надежное сплавление наплавленного и основного металла. Но и в этом случае глубина проплавления составляет до 0,6 мм.

Анализ рассмотренных способов наплавки показывает, что осуществить процесс наплавки металлов с регулируемой темпе-. ратурой ванны можно, по-видимому, лишь в том случае, если источником теплоты для основного металла будет расплавлен­ный и перегретый до необходимой температуры присадочный металл.

При применении дугового разряда между электродом (плавя­щимся или неплавящимся) и изделием фактически имеются два источника теплоты: 1) собственно дуговой разряд; 2) перегретый электродный металл (в случае наплавки плавящимся электродом) или перегретый присадочный металл (в случае наплавки неплавя­щимся электродом с подачей присадочной проволоки в зону дуги). Поэтому при применении для наплавки дугового разряда между электродом и изделием можно только в какой-то степени умень­шить глубину проплавления основного металла, но всегда будет иметься жидкая фаза основного металла.

В идеальном виде необходимый источник теплоты обеспечи­вается при заливке на изделие жидкого перегретого присадочного металла. Но имеющиеся подобные способы наплавки, как, напри­мер, наплавка струей перегретого металла, не обладают достаточ­ной для производственных. условий технологичностью.

Осуществить процесс, аналогичный наплавке струей перегре­того металла, можно также и с помощью дугового разряда, если возбудить и поддерживать его в пространстве над изделием между двумя электродами, один из которых / плавящийся — рис. 1 [13]. В этом слу­чае дуговой разряд практически пред­ставляет собой лишь устройство для плавления и перегрева наплавляемого металла (так как изделие электрически нейтрально), а источником теплоты для основного металла является непосред­ственно перегретый жидкий наплавляе­мый металл. Образующийся при горе­нии дуги плазменный факел оказывает на основной металл некоторое дополни­тельное тепловое воздействие в основ­ном за счет лучистого теплообмена, при­чем с увеличением расстояния до изде­лия это воздействие уменьшается. По­этому такое воздействие не может само по себе привести к расплавлению основ­ного металла.

V7777WT/

Рис. 1. Принципиальная схе­ма наплавки металлов неза­висимой дугой с одним пла­вящимся электродом:

t — неплавящийся электрод; 2 — плавящийся электрод; 3 — дуговой разряд; 4 — плазмен­ный факел; 5 — расплавленный электродный металл; 6 — металл наплавки; 7 — основной металл

Рис. 2. Принципиальная схема на­плавки металлов двойной независимой дугой

Подобный способ наплавки, обеспечивающий раздельное регу­лирование плавления присадочного металла и нагрев основного металла был разработан Ю. J1. Красулиным, предложившим спо­соб сварки металлов двойной независимой дугой [60]. При такой наплавке (рис. 2) одна дуга (переменного тока) горит между двумя неплавящимися электродами, а вторая дуга (постоянного тока) горит между одним из неплавящихся элек­тродов и присадочной проволо­кой. Основной металл под то­ком не находится.

И

С выделением плазменной струи аргона из столба дугового разряда были разработаны но­вые плазменные способы на­плавки. Плазма представляет собой высокотемпературный сильно ионизированный газ. Она создается дуговым разрядом, возбуждаемым между двумя электродами, через который пропускается в узком, соизмери­мом с диаметром столба дуги, канале газ. Проходя через столб дугового разряда, газ в результате столкновений с электронами
сильно ионизируется, образуя плазменную струю. Высокая кон­центрация тепловой энергии в плазменной струе, стабильность дугового разряда, возможность легкого раздельного регулирова­ния степени нагрева основного и присадочного материалов обу­славливают преимущества применения плазмы для наплавки, особенно в тех случаях, когда наплавляемый металл по составу и свойствам отличается от основного металла. При применении плазменных способов наплавки присадочный материал может пода­ваться в виде присадочной проволоки или ленты или в виде по-

Рис. 3.- Принципиальные схемы плазменной наплавки с присадочной проволокой: / — вольфрамовый электрод; 2 — водоохлаждаемое сопло; 3 — охлаждающая вода; 4 — ограничительное сопротивление; 5 — источник питания; 6 — балластное сопротив­ление; 7 — присадочная проволока; 8 — изделие; 9 — плазменная дуга; 10 — плазмо­образующий газ; 11 — плазменная струя; 12 — плазменный факел с расплавленным присадочным металлом; hі — расстояние от сопла до проволоки; к ~ напряжение на дуге вольфрамовый электрод - сопло-канал; U9 n — напряжение на дуге вольфра­мовый электрод — токоведущая проволока; £/э< и — напряжение на дуге вольфрамовый электрод—изделие

Наплавка с присадочной проволокой или лентой может быть осуществлена дугой прямого действия (зависимой дугой) или неза­висимой дугой (рис. 3). В первом случае (рис. 3, а) дуга горит между вольфрамовым электродом и изделием, а присадочная про­волока электрически нейтральна или же подключается через бал­ластное сопротивление к источнику питания. Применение такой схемы известно [28, 36]. Однако ввиду значительного проплавле­ния основного металла ее можно рекомендовать только для на­плавки металлов, не отличающихся по составу от металла изделия.

Способ наплавки металлов плазменной струей с токоведущей присадочной проволокой (рис. 3, б), аналогичный наплавке двой­ной независимой дугой, но более усовершенствованный, был разра­ботан в Институте металлургии им. А. А. Байкова АН СССР Ю. JI. Красулиным и И. Д. Кулагиным [44].

Плазменная струя, выделенная из дугового разряда, является независимым источником ионизации дугового промежутка между неплавящимся электродом и токоведущей присадочной проволо­кой, что способствует устойчивому возбуждению и горению дуги между неплавящимся электродом и проволокой, исключает обрывы

дуги и позволяет резко упростить кинематическую и электрическую схему автомата для наплавки.

На представленной на рис. 3, б принципиальной схеме устрой­ства для наплавки металлов плазменной струей источником те­плоты для проволоки является независимый от изделия двухду­говой разряд. Одна дуга (маломощная) горит между вольфрамовым электродом 1 и водоохлаждаемым соплом-каналом 2, вторая дуга — между вольфрамовым электродом и токоведущей присадочной проволокой 7. Для питания обеих дуг достаточно одного свароч­ного генератора 5. Электрическая схема позволяет перераспреде­лять энергию генератора между первой и второй дугой с помощью ограничительного сопротивления (балластных реостатов) 4. Ос­новным источником теплоты для основного металла в случае наплавки плазменной струей с токоведущей присадочной проволо­кой является сам перегретый жидкий наплавляемый металл, допол­нительным источником теплоты является плазменный факел. При применении способа наплавки плазменной струец с токоведущей присадочной проволокой возможно такое регулирование, при кото­ром количество теплоты, вводимое в основной металл, будет все­цело определяться величиной тока в проволоке /„ и расстоянием между торцом проволоки и изделием /г2.

Проведенные этим способом в лабораторных и заводских усло­виях исследования наплавки меди показали, что плазменная струя с токоведущей присадочной проволокой позволяет получать на­плавки меди и даже бронзы Бр. КМцЗ-1 на сталь с содержанием в них железа менее 0,5 %. Весьма успешные результаты были также получены при плазменной наплавке на стали бронз, латуней, при наплавке на малоуглеродистые и низколегированные стали нержа­веющих сталей, износостойких материалов (карбидов вольфрама, молибдена и др.) и т. д.

Плазменная наплавка с применением присадочного материала в виде порошка [22, 23, 113, 118, 120] может осуществляться несколькими способами (рис. 4). Самым простым из них является способ наплавки по слою крупнозернистого порошка (крупки) (рис. 4, а). В этом случае порошок заранее насыпается на наплав­ляемую поверхность, а плазменная дуга, горящая между электро­дом и изделием, расплавляет его.

При наплавке с подачей порошка в сварочную ванну (рис. 4, б) дуга горит между электродом и изделием. На изделии образуется ванна основного металла, куда подается порошок тугоплавкого металла. Способ этот применяется тогда, когда необходимо, чтобы в матрицу металла изделия были вкраплены частицы туго­плавких материалов.

Наплавка с вдуванием порошка в дугу (рис. 4, в) предусма­тривает подачу порошка в плазменную струю, плавление его в этой струе и перенос на поверхность изделия, подогретую и оплавлен­ную дугой прямого действия.

Плазменная наплавка с применением в качестве присадочного материала порошковых сплавов благодаря минимальному проплав­лению основного металла обеспечивает получение деталей с высо­кими физико-механическими свойствами.

В качестве критерия, определяющего возможности различных способов наплавки, можно рассматривать степень проплавления, определяемую [34] как долю участия проплавленного основного металла в составе металла наплавки. В табл. 1 приведены сравни­тельные данные о степени проплавления при способах наплавки

Рис. 4. Принципиальные схемы плазменной наплавки с примене­нием в качестве присадочных мате­риалов порошков: 1 — вольфрамовый электрод; 2— источ­ник питания; 3 ~ балластное сопро­тивление; 4 — ограничительное сопро­тивление; 5 — сопло; 6 ~ плазменная дуга; 7 — изделие; 8 — порошок; 9 — охлаждающая вода; 10 — плазмо­образующий газ; 11 — транспортиру­ющий ^аз

медных сплавов и сталей аустенитного класса на стали перлитного. класса. Как видно из приведенных данных, степень проплавления минимальна при наплавке двойной независимой дугой и плазмен­ной струей с токоведущей присадочной проволокой. Во многих случаях степень проплавления оказывает решающее значение

при определении возможности изготовления наплавленного изде­

лия. Так, например, кольца и фланцы для соединения труб целе­сообразно изготавливать наплавленными только при минимальной (3—4 мм) толщине слоя наплавки. Но при такой толщине металла наплавки его коррозионная стойкость может быть обеспечена только при отсутствии расплавления стали. Поэтому для изготов­ления подобных изделий из существующих способов возможно лишь применение наплавки плазменной струей.

Для наплавки порошковых сплавов также наиболее целесооб­разно применять плазменные способы.

Таблица 1 Степень проплавления стали перлитного класса в зависимости от способа наплавки и наплавляемого металла Способ наплавки Наплавляемый металл Степень проплав-, ления В % Литература Ручная электродуговая на­плавка Медь; бронза; сталь аустенитного класса 40—60 30—40 Авторы [35] Автоматическая дуговая на­плавка под слоем флюса Медь; бронза 45—55 Авторы Автоматическая дуговая на­ Сталь аустенит­ 27 [97] плавка под слоем флюса с вве­дением в зону горения дуги изолированной дополнительной присадочной проволоки Ручная аргоно-дуговая на­ ного класса 17—18 [52] плавка неплавящимся электро­дом Автоматическая наплавка Медь; бронза 12—30 3— 11 4- 11 Авторы [88] [88] ленточным электродом Сталь аустенит­ного класса 8—15 [34, 97] Автоматическая наплавка двойной независимой дугой Бронза 0 Авторы Автоматическая наплавка плазменной струей с токоведу­щей присадочной проволокой (с колебаниями и без колеба­ний головки) Медь; бронза; латунь 0 Авторы Автоматическая наплавка плазменной струей с токоведу­щей присадочной проволокой и поперечными колебаниями головки Сталь аустенит­ного класса 3—5 [12]

Таким образом, для соединения разнородных металлов из су­ществующих способов лучшие результаты получены при плазмен­ной наплавке. Технологичность процесса, простота устройства, возможность регулирования параметров процесса наплавки и обес­печение высоких физико-механических свойств металла наплавки и наплавленного изделия при высокой эффективности процесса позволяют рекомендовать плазменную наплавку металлов для широкого применения в различных отраслях промышленности.