Содержание
Введение
. Теоретико-методологические основы исследования процесса наплавки: сущность, специфика и методы
. Лазерный метод наплавки и его особенности
Заключение
Список использованных источников
Приложение
Актуальность проблемы исследования. Наплавка покрытий - это процесс нанесения покрытия из расплавленного материала на разогретую до температуры плавления поверхность восстанавливаемой детали.
Покрытия, полученные наплавкой, характеризуются отсутствием пор, высокими значениями модуля упругости и прочности на разрыв. Прочность соединения этих покрытий с основой соизмерима с прочностью материала детали.
Если в машиностроительном производстве наплавку применяют для повышения износостойкости трущихся поверхностей, то в ремонтном производстве - в основном для проведения последующих работ по восстановлению расположения, формы и размеров изношенных элементов. Наплавка изношенных поверхностей занимает ведущее место вследствие своей универсальности.
Перед наплавкой очищают и прокаливают наплавочные материалы для удаления влаги, т.к. она может быть источником водорода. Вследствие водородной хрупкости возникают холодные трещины. Далее обрабатывают поверхности деталей и электродов и при необходимости предварительно нагревают их. Применяются растворы технологических моющих средств, органические растворители (ацетон), дисковые и ленточные инструменты из абразивных материалов и дробеструйная обработка.
Предварительный нагрев изделия непосредственно перед наплавкой предотвращает растрескивание наплавленного слоя. Нагрев ведут в печах, газовыми горелками или ТВЧ. При недостаточной температуре подогрева могут возникнуть трещины, а чрезмерный нагрев снижает скорость охлаждения и увеличивает глубину проплавления основного металла, что не обеспечивает требуемой твердости наплавленного металла. Правильный выбор температуры предварительного нагрева особенно важен при наплавке твердых материалов.
Наиболее интересными для проводимого исследования являются следующие виды наплавки: плазменная наплавка, электромагнитная наплавка, лазерная наплавка.
Отметим, что высокая концентрация энергии лазерного излучения предопределяет значительную интенсификацию процессов обработки материалов наряду с принципиально новыми результатами. На основе последних достижений физики и техники в последние годы созданы новые типы мощных технологических лазеров с существенно более высокой энергетической эффективностью, обеспечивающей значительный прогресс в развитии технологических процессов лазерной обработки. В Российской Федерации и за рубежом за последние годы выполнен большой объем исследований по применению лазеров при обработке материалов, сформированы основные научные направления и созданы условия для широкого использования лазеров в промышленном производстве.
Объектом настоящего исследования наплавка как технологический процесс, применяемый в различных отраслях народного хозяйства.
Предмет исследования - сущность наплавки как процесса, его традиционные и современные методы и технологии.
Целью данной работы является анализ сущностных характеристик и специфики традиционных и современных видов и способов наплавки.
Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:
. рассмотрены теоретико-методологические основы исследования процесса наплавки, его сущность, специфика и методы;
2. изучены характеристики и особенности лазерного метода наплавки.
Поставленные цель и задачи обусловили структуру и логику исследования, которое состоит из введения, двух разделов, заключения и списка использованных источников.
Прежде всего, в рамках нашего исследования, целесообразно дать определения некоторым понятиям. Итак, по результатам исследования научной литературы по поднятой проблеме исследования, мы выяснили, что под таким понятием как "наплавка" следует понимать "процесс, при котором слой металла требуемого состава наносится на поверхность детали посредством сварки плавлением". Такую дефиницию исследуемого процесса приводят профессора кафедры "Лазерные технологии в машиностроении" МГТУ им. Н.Э. Баумана, и по нашему мнению, данное ими определение как нельзя лучше, коротко и ясно отражает суть процесса наплавки.
При традиционных видах наплавки, таких как электродуговая и плазменная присадочной проволокой, подплавление основного металла и термическое воздействие на него значительны, что является существенным недостатком, так как все технологии стремятся к минимальному тепловому воздействию и минимальному перемешиванию основного материала с присадочным.
Рассмотрим подробнее некоторые из известных видов наплавки.
Газовая наплавка - один из способов сварки плавлением, протекающей в условиях частичного оплавления основного металла при использовании в качестве источника нагрева высокотемпературного пламени, получаемого при сжигании смеси горючего газа с кислородом. Горючий газ, используемый при газовой наплавке, должен удовлетворять следующим требованиям:
высокая температура пламени при сгорании;
высокая скорость горения;
высокая теплота сгорания.
Ацетилено-кислородное пламя, обеспечивающее нагрев до высоких температур, наиболее приемлемо для газовой наплавки, поэтому само понятие газовой сварки обычно ассоциируется именно со сваркой этим пламенем. При наплавке, в отличие от сварки, желательна малая глубина проплавления основного металла, поэтому наплавку выполняют способом скоростной сварки (способом Линда). При наплавке таким способом используют горелку с соплом большого диаметра, нагревая основной металл науглероживающим пламенем.
Газовая наплавка обеспечивает следующие преимущества:
незначительное проплавление основного металла;
возможность наплавки мелких деталей сложной формы;
уменьшение вероятности возникновения трещин, поскольку процесс наплавки включает предварительный подогрев и последующее замедленное охлаждение изделия;
низкая стоимость сварочного оборудования.
Вместе с тем для газовой наплавки характерны и недостатки:
низкая производительность при наплавке массивных деталей, требующих продолжительного предварительного подогрева;
высокая квалификация сварщика.
Дуговая наплавка покрытым электродом. Наплавку этим способом, основанным на использовании электродов в виде стержней с покрытием, осуществляют обычно вручную, поэтому такой способ называют также ручной дуговой наплавкой. Электродное покрытие служит для защиты ванны жидкого металла от кислорода и азота воздуха, стабилизации дуги, повышения технологичности процесса наплавки и введения легирующих элементов в состав наплавленного металла. Широкое применение в практике дуговой наплавки имеют покрытия карбонатно-рутиловое, основное и высокорутиловое. В состав электродного покрытия вводят также шлакообразующие и газообразующие компоненты, раскислители, стабилизирующие и легирующие добавки.
Дуговая наплавка покрытым электродом отличается низкой стоимостью оборудования, возможностью выполнения наплавки в ручную, что обеспечивает этому способу самое широкое применение для наплавки черных и цветных металлов. Ручная наплавка уступает автоматическим и полуавтоматическим способам по скорости выполнения процесса.
Дуговая наплавка под флюсом. Название этого способа связано с тем, что дуга при наплавке электродными материалами (проволокой, лентой) скрыта под слоем гранулированного флюса, предварительно насыпаемого на поверхность основного металла. Возможность наплавки при большой силе тока и высокой погонной энергии обеспечивает этому способу высокую производительность при хорошем качестве наплавляемого металла, и благодаря этому данный способ занимает господствующее положение в области автоматической наплавки.
Дуговая наплавка под флюсом имеет следующие преимущества:
высокая производительность процесса при наплавке изделий простой формы с большой площадью наплавляемой поверхности;
простота осуществления процесса, не требующего высокой квалификации сварщика;
возможность получения хорошего внешнего вида валика;
хорошие условия труда, связанные с отсутствием разбрызгивания электродного металла (поскольку дуга скрыта под слоем флюса).
Вместе с тем этому способу наплавки присущи следующие недостатки:
более высока стоимость оборудования, чем для ручной дуговой наплавки покрытыми электродами;
непригодность для наплавки мелких изделий сложной формы.
Электродуговая наплавка порошковой проволокой. Наплавка без защитной среды, осуществляется порошковой проволокой при отсутствии подачи флюса или защитного газа в зону дуги. Наплавка открытой дугой порошковой проволокой обладает следующими преимуществами:
простота используемого оборудования и технологии, связанная с отсутствием необходимости применения защитного газа и флюса;
возможность наплавки в полевых условиях, поскольку ветер практически не оказывает влияния на процесс наплавки;
сравнительная простота введения легирующих элементов в наплавленный металл, состав его можно регулировать в широких пределах.
Проблема наплавки этим способом, связанная с обильным выделением дыма, решена разработкой специального дымового коллектора.
Наплавка в среде углекислого газа. Наплавка плавящимся электродом в среде защитного газа протекает в условиях газового потока со стороны подачи электродной проволоки (наплавочного материала), что обеспечивает защиту зоны дуги от окружающего воздуха.
В качестве защитного газа используют СО2, хотя в последнее время распространена практика наплавки в смеси углекислого газа с аргоном и другими инертными газами. Все эти варианты носят общее название наплавки плавящимся электродом в среде защитного газа.
При осуществлении износостойкой наплавки в СО2 используют проволоку сплошного сечения или порошковую проволоку. Основное преимущество наплавки в СО2 состоит в возможности повышения производительности процесса за счет его осуществления в автоматическом или полуавтоматическом режиме. Недостаток этого способа, присущий и другим способам с применением защитных газов, связан с невозможностью работы на открытом воздухе из-за влияния ветра на процесс наплавки.
Наплавка в среде инертного газа. Способ состоит в дуговой наплавке при защите зоны дуги аргоном, гелием или иным инертным газом. Наплавку в среде инертного газа осуществляют в двух вариантах: плавящимся и вольфрамовым электродами.
Наплавка плавящимся электродом в среде защитного газа (см. рис.9. в приложении) характеризуется тем, что дуга возникает между основным металлом и электродным наплавочным материалом. Наплавка протекает в условиях автоматической подачи электродной проволоки. В качестве защитного газа чаще всего используют аргон, хотя при работе в среде чистого аргона дуга теряет стабильность при наплавке любого металла, кроме алюминиевых сплавов. С целью стабилизации дуги при наплавке стали к аргону добавляют до 20 % кислорода или углекислого газа, что существенно влияет на процесс наплавки. Поэтому задача получения наплавленного металла с заданными свойствами требует тщательного выбора состава защитного газа.
Наплавка неплавящимся вольфрамовым электродом в среде инертного газа (см. рис.10. в приложении) характеризуется тем, что дуга, за счет теплоты при которой происходит плавление наплавочного присадочного металла, возникает между основным металлом и вольфрамовым электродом. Процесс аргонодуговой наплавки, сходный с газовой наплавкой, протекает в условиях подачи наплавочного прутка и его плавления дугой. Применение механизированных средств подачи наплавочного материала с постоянной скоростью позволяет осуществлять наплавку в автоматическом или полуавтоматическом режимах.
Применение инертного газа исключает необходимость использования флюса, поэтому данный способ особенно эффективен при наплавке цветных металлов, высоколегированных сталей и других материалов, чувствительных к окислению и азотированию. Высокое качество наплавленного металла обеспечивается широким выбором наплавочных материалов.
Плазменная наплавка - это процесс нанесения покрытий плазменной струей, когда деталь включена в цепь тока нагрузки (см. рис.11 в приложении). В этом случае с помощью плазменной струи нагреваются поверхность восстанавливаемой детали и наносимый материал. Наплавляемый материал перемещается плазменной струей. Температура ее может превышать 20000 К. При плазменной наплавке в отличие от аргонодуговой наплавки электрическая дуга сжимается стенками водоохлаждаемого сопла. Газ, продуваемый сквозь эту дугу, приобретает свойства плазмы - становится ионизированным и электропроводящим. Слой газа, соприкасающийся со стенками сопла, интенсивно охлаждается, утрачивает электропроводность и выполняет функции электрической и тепловой изоляции, что приводит к уменьшению диаметра плазменной струи, который составляет 0,7 диаметра сопла. В качестве плазмообразующего газа чаще применяется аргон. Плотность энергии высока и скорость ввода тепла в деталь больше скорости теплопередачи в ее массу, поэтому поверхность детали быстро расплавляется. Процесс протекает с малым проплавлением и большим термическим КПД.
Среди преимуществ плазменной наплавки отметим следующие:
гладкая и ровная поверхность покрытий позволяет оставлять припуск на обработку 0,4...0,9 мм.
малая глубина проплавления (0,3...3,5 мм) и небольшая зона термического влияния (3...6 мм) обусловливают долю основного металла в покрытии < 5 %.
малое вложение тепла в обрабатываемую деталь обеспечивает небольшие деформации и термические воздействия на структуру основы.
обеспечивается высокая износостойкость, наблюдается снижение усталостной прочности деталей на 10...15%, что намного меньше по сравнению с другими видами.
Применяется для ответственных деталей: коленчатые, кулачковые и распределительные валы, валы турбокомпрессоров, оси, крестовины карданных шарниров, направляющие оборудования и др.
Область применения способа - нанесение тонкослойных покрытий на нагруженные детали с малым износом.
Сущность электромагнитной наплавки заключается в нанесении покрытия из порошка на поверхность заготовки в магнитном поле при пропускании постоянного тока большой силы через зоны контакта частиц порошка между собой и с заготовкой.
Магнитное поле создают в зазоре между заготовкой и полюсным наконечником. Оно выстраивает мостики частиц ферромагнитного порошка между указанными элементами. На магнитное поле, в свою очередь, налагают электрическое поле путем приложения напряжения к заготовке и полюсному наконечнику. Восстановительное покрытие получается за счет нагрева частиц порошка в зазоре, их оплавления и закрепления на восстанавливаемой поверхности.