Лекция 12 Термомеханические источники энергии, классификация, виды
Сварки.
План лекции. Термопрессовые процессы. Виды термопрессовой сварки: диффузионная, кузнечная, печная. Физические процессы в сварочных контактах соединяемых деталей. Электроконтактная сварка, сущность, способы, параметры режима сварки, применимость. Термический и ТДЦС циклы контактной сварки. Особенности оснастки для контактной сварки.
В современной классификации сварки различают: вид, способ, метод сварки.
Вид сварки – объединяет группу сварочных процессов, в которых используется один и тот же источник теплоты для нагрева и расплавления металла. Так, например, в группе сварки давлением различают следующие виды сварки – электрическую контактную (сопротивлением), газопрессовую, кузнечную и т.д. В группе сварки плавлением – газовую, электродуговую, шлаковую и др.
Способ сварки – объединяет варианты данного вида сварки, отличающиеся друг от друга принципиальными изменениями условий ведения процессов. Так, например, при электрической сварке давлением применяют следующие способы сварки – стыковой, точечный, шовный. При электрической дуговой сварке плавлением используется также различные способы, а именно:
- по свойствам электродов – плавящимся (металлическим) или неплавящимся (угольным, вольфрамовым) электродом;
- по степени механизации – ручная, полуавтоматическая и автоматическая;
- по роду защиты дуги от окружающего воздуха – электродами с тонкими (стабилизирующими) покрытиями, электродами с толстыми (качественными) покрытиями, под флюсом, в защитных газах, с комбинированной защитой (покрытие и защитный газ), в контролируемой атмосфере и в вакууме;
- по виду дуги – свободно горящей и сжатой (плазменной), прямого и косвенного действия.
Метод сварки – означает разновидность данного способа сварки, отличающуюся непринципиальными изменениями процесса, например, при дуговой сварке – числом электродов.
Существующие сварочные процессы иногда классифицируют также по видам используемой энергии. В этом случае различают следующие виды сварки – прессовую («холодную») сварку (только осадочным давлением), механическую (трением), химическую (газовая, термитная, взрывом) и электрическую (дуговая, электрошлаковая, контактная, плазменной дугой, электронным лучом).
К электрической условно можно отнести сварку ультразвуком и лазерную, при которых
электрическая энергия через специальные устройства преобразуется в тепловую,
используемую для нагрева металла при сварке.
При плазменной сварке (сжатой дугой) используется не только тепло столба дуги, но и дополнительное тепло, выделяющееся при превращении (рекомендации) ионов газового столба дуги в атомы и молекулы в момент соприкосновения их со свариваемым металлом.
Термопрессовые процессы. Виды термопрессовой сварки: диффузионная, кузнечная, печная.
Диффузионная сварка. Способ основан на использовании процесса диффузии металлов. Соединяемые детали помещают в сварочную камеру, заполняемую инертным или восстановительным газом (в нашей промышленности применяется редко) или вакуумируемую, с поддержанием постоянного вакуума порядка (102 - 105) мм рт. ст. Детали в камере нагревают и сдавливают удельным давлением порядка 0,5-2 кГ/мм2. Вакуум поддерживается непрерывной;работой вакуумных насосов, откачивающих газы, поступающие в сварочную камеру через неплотности системы, а также адсорбированные поверхностями аппаратуры и непрерывно выделяемые нагреваемым металлом с поверхности и из объема. Очень важна температура нагрева металла; сталь обычно нагревается до 800° С. Происходит очищение поверхности металла, удаляются поверхности загрязнения и адсорбированные газы, восстанавливаются и растворяются в металле окислы. Поверхности сварки должны быть хорошо обработаны механически для обеспечения соприкосновения по всей поверхности сварки. Непрерывно действующее давление сминает все выступы и неровности горячего металла и обеспечивает необходимое прилегание по всей поверхности.
Процессы очистки, пригонки поверхностей и диффузии идут довольно медленно, и требуется 5-20 мин, а иногда и более для завершения процесса сварки. Нагрев деталей обычно электрический, причем в разных случаях используется излучение нагревателей, иногда теплопередача от нагревателей через теплопроводность; возможен и индукционный нагрев.
Температура нагрева и ее контроль имеют большое значение, уже небольшое ее повышение значительно ускоряет диффузию; с другой стороны, нагрев может снижать качество металла. Способ отличается большой универсальностью в отношении свариваемых металлов: возможна сварка многих сочетаний разнородных металлов, а также металлов с металлокерамическими сплавами, металлов с керамикой, с графитом и т. д. Способ получил уже достаточно широкое применение для различных случаев, часто трудновыполнимых другими способами.
Диффузионная сварка разнородных металлов на воздухе. Перед сваркой торцы заготовок механически обрабатывают (приблизительно 6 класс шероховатости), покрывают углеводород-ным соединением, соединяют между собой обработанными торцами и сжимают в прессе ПДС-2 с необходимым усилием, а зону стыка нагревают петлевым индуктором, токами высокой частоты до температуры сварки 0,8-0,9 Т плавления, затем нагрев отключается на 1-2 сек. и подается дополнительный импульс нагрева. Количество дополнительных импульсов нагрева зависит от диаметра свариваемых деталей.
В процессе основного нагрева деталей происходит смятие микронеровностей и сближение свариваемых поверхностей, развиваются диффузионные процессы. При дополнительном нагреве происходит выравнивание температуры по плоскости стыка, увеличение площади активных центров и интенсификация диффузионных процессов. Механические характеристики сварного соединения по всему сечению детали одинаковы. Результат сварки представлен на рис. 12.1
Рисунок 12.1 Штампованная шестерня из стали 12ХН3А, к которой приварена
диффузионной сваркой хвостовик-труба (сталь 40Х).
Кузнечная сварка имеет значительные отличия от аналогичной слесарной операции. Суть кузнечной сварки состоит в том, что при деформировании происходит сближение металлических поверхностей, и между атомами кристаллической решетки начинают действовать мощные силы притяжения. В случае если материал имеет высокую пластичность, его можно сводить (сваривать) нагреванием в кузнечном горне. Выбирая материал для сварки, обратите внимание на то, что операцию удобнее всего производить с использованием низкоуглеродистой стали. При этом ряд примесей, в частности, фосфор и сера значительно ухудшают свариваемость; содержание данных веществ недолжно превышать 0,05%. Сварка легированных сталей в условиях любительской кузницы практически невозможна.
Флюс насыпают на заготовку при температуре 950—10500 С (металл светло-желтого или оранжево-желтого цвета), до того как металл начал отбрасывать искры. Попадая на разогретые участки, флюс плавится, из-за чего приостанавливается окисление и растворяется окалина.
Готовность поковки определяют с помощью тонкого металлического стержня: если он увязает в металле, то поковка нагрета достаточно. После окончательного нагрева, непосредственно перед сваркой, флюс удаляют с заготовки с помощью металлической щетки или удара о наковальню.
Способы сварки. После того как металл извлечен из горна, а шлак удален, концы заготовок складывают вместе и сваривают серией быстрых ударов молотом. Первые удары наносят несильно, чтобы поверхности лучше пригнались друг к другу, а шлак выбился. Последующими ударами производят окончательную сварку. В ходе этой операции уменьшается зернистость материала, он становится прочнее. Заключительные удары молота придают сваренному изделию нужную форму.
Сварка должна быть проведена за достаточно короткое время, гак, чтобы материал не успел остыть. Нежелательно повторное нагревание уже закаленного металла. Нередко для увеличения скорости операции сварку производят вдвоем или втроем. Для окончательной отделки изделия используют обжимки, гладилки и прочие вспомогательные инструменты. Тот или иной способ сварки избирается в зависимости от формы сечения заготовки.
Сварка внахлестку. Наиболее распространенный способ. При кварке внахлестку очень прочный стык создается за счет значительной площади совместной деформации. Перед началом сварки концы заготовок высаживают и устраивают плоскость контакта под углом 300. Заготовки накладывают одну на другую, совмещают ударами небольшой силы, после чего производят окончательную проковку с одновременной осадкой до нужной формы.
Сварка вразруб. При данном способе сварки требуется довольно сложная подготовка концов заготовок. Один из концов высаживают и нарубают с помощью зубила по продольной оси, а полученные части разрубают под углом 30—400. Второй конец заготовки после высадки заостряют с двух сторон таким образом, чтобы он заполнил разруб первого. При вставлении (совмещении) концов образуются пустоты, которые устраняются путем холодной ковки. Для того чтобы учесть раздачу металла при нагревании, в промежуток между совмещаемыми поверхностями вставляют тонкие пластины. Нагретые и очищенные от флюса концы совмещаются и свариваются сильными ударами молота. Затем, после умеренного остывания металла, производят окончательную отделку изделия. Способ сварки вразруб применяется при сварке сталей разных марок; при этом металл, обладающий меньшей пластичностью, вставляется в металл с большей пластичностью.
Сварка встык. Используется в том случае, если необходимо приварить стержень к продольной поверхности другой детали, а также если невозможно подготовить концы заготовок для сваривания прочими способами. При подготовке сварки встык нет необходимости осаживать концы заготовок: это происходит непосредственно в процессе сварки. Заготовки соединяют встык и наносят сильные удары молотом вдоль продольной оси до образования прочного спая. Второй конец, подлежащий спаиванию, обязательно должен быть холодным. После окончания сваривания производят вытяжку изделия. Способ сварки встык уступает всем прочим способам; его применяют преимущественно в случаях, когда не требуется изготовление прочных конструкций, например, при изготовлении декоративных украшений из металла.
Сварка врасщеп. Применяется для сваривания тонких полосовых заготовок. Концы заготовок при этом разрубают 2 раза вдоль продольной оси, а затем загибают в разные стороны. После того как заготовка доведена до необходимой температуры, детали соединяют, помещают на наковальню и сильными ударами молота сверху спаивают концы. Этот способ сварки имеет преимущество, заключающееся в том, что соединение заготовок получается очень прочным.
Сварка с использованием «шашек». Чаще применяется для ремонта поврежденных деталей или участков металлических колец, потерявших форму. «Шашками» называют вспомогатель-ные металлические части, вставленные между концами заготовок. «Шашки» и концы заготовок образуют участок полосы, по своей форме не отличающийся от целого изделия. «Шашки» обычно изготавливаются из малоуглеродистых марок стали: это повышает качество сварки. Удары молотом наносятся сильно, сверху вниз, по плоской поверхности спая. Процесс сварки с помощью «шашек» обычно разбивают на несколько этапов: на первом «шашки» приваривают к концам заготовки, а на втором этапе производят сварку аналогично способу внахлестку.
Сварка колец. Д ля того чтобы сварить кольцо из прутка прямоугольного или круглого сечения, заготовку требуется предварительно согнуть на роге наковальни. Концы заготовки отрубают под одинаковым углом или протягивают и немного разводят в стороны. Сварку кольца кузнечным способом производят при обычной температуре, на наковальне. В случае если отруб производился в плоскости кольца, изделие отковывают на роге наковальни; если в плоскости ребра кольца, то на плоскости наковальни.
Имеются отрасли производства, где кузнечная (горновая) сварка и сейчас сохраняет ведущее положение, например производство сварных газовых труб, преимущественно небольших диаметров, не свыше 100 мм. Полосы стали нагревают в печах, затем нагретая полоса со свертышем на конце протаскивается через волочильную оправку со скоростью несколько десятков метров в минуту, происходит свертывание полосы в трубу и заварка продольного шва. Производство таких труб имеет массовый характер, и они выпускаются тысячами километров для газовых, водопроводных сетей и пр.
Сохранила горновая сварка значение в производстве различного составного инструмента из поделочной и инструментальной углеродистой стали (топоры, ломы, кирки и т. п.).
Электроконтактная сварка. Электрическая контактная сварка – процесс образования неразъемного соединения металлов путем их нагрева проходящим электрическим током и пластической деформации зоны соединения усилием сжатия. Большую роль при контактной сварке играет электрическое сопротивление зоны соединения (например, от него зависит количество теплоты) и дает ей второе название – электрическая сварка сопротивлением.
ERW – Electric Resistance Welding – электрическая сварка сопротивлением
Сущность процесса. Контактная сварка представляет собой термомеханический (комбинированный) способ сварки, при котором для получения неразъемного соединения деталей используются два физических процесса – нагрев проходящим током и давление. Согласно закону Джоуля-Ленца, количество теплоты, выделяющейся в проводнике (свариваемом металле) при прохождении через него электрического тока I за промежуток времени t:
Q = I2·R·t,
где R – сопротивление на пути электрического тока.
Используемая при сварке теплота выделяется при прохождении тока в свариваемых заготовках, контактах (зоне соединения) между ними, а также в контактах заготовок с электродами. Как показывает приведенная выше формула, эффективный нагрев области сварки обеспечивается прежде всего при больших величинах протекающего тока (до тысяч и десятков тысяч ампер). Наибольший нагрев происходит в контакте между деталями из-за его более высокого сопротивления, а также в прилегающей к контакту зоне металла. В процессе сварки и соединения изделий в одно целое сопротивление контакта уменьшается.
При правильно протекающем процессе нагрев поверхностей заготовок, прилегающих к электродам, незначителен, поскольку контакты между ними имеют относительно небольшое сопротивление из-за высокой электрической проводимости и мягкости электродного металла, а сами электроды охлаждаются водой.
Виды контактной сварки. Основные виды контактной сварки в зависимости от формы сварного соединения:
- точечная сварка – одноточечная, двухточечная, многоточечная;
- рельефная сварка;
- шовная сварка – непрерывная, прерывистая, шаговая;
- стыковая сварка – сопротивлением и оплавлением;
- шовно-стыковая сварка;
- рельефно-точечная сварка;
- контактная сварка по методу Игнатьева.
Точечная сварка – разновидность контактной сварки, при которой детали соединяются по отдельным участкам касания, ограниченным площадью торцов электродов, передающих усилие сжатия и подводящих электрический ток, рис. 12.2.
Сущность процесса. Свариваемые заготовки накладывают друг на друга и зажимают обычно между двумя металлическими электродами с приложением к ним усилия Fсв. После этого включается питание, которое вызывает в проводах, электродах и свариваемых деталях электрический ток величиной до нескольких единиц или десятков кА. В результате в зоне контакта заготовок по оси электродов начинается процесс нагрева и расплавления металла. Уплотняющий поясок пластически деформированного металла, прилегающий к расплаву, предохраняет его от выплеска и взаимодействия с воздухом.
При достижении расплавленным металлом необходимого объема электрический ток выключается (фаза проковки), что приводит к прекращению тепловыделения в деталях и кристаллизации расплава. Проковка может выполняться без увеличения давления или с повышенным давлением. Через некоторое время с электродов снимается усилие сжатия. Полученное соединение напоминает по форме заклепку и называется сварной «точкой».
Рисунок 12.2 Схема точечной сварки
Рисунок 12.3 Циклы и циклограммы точечной сварки
Структура и размеры сварной «точки» зависят от силы тока, продолжительности его протекания, формы и размеров рабочей поверхности электродов, усилия сжатия и состояния поверхностей деталей, рис. 12.3. Типичный диаметр ядра точки составляет 4–12 мм.
Для нагрева заготовок при точечной сварке применяются кратковременные импульсы переменного (обычно промышленной частоты 50 Гц, реже частоты 1000 Гц), постоянного или униполярного тока.
Электроды изготавливают в основном из меди и ее сплавов, обладающих высокой тепло- и электропроводностью.
Шовная (роликовая) сварка – разновидность контактной сварки, при которой заготовки соединяются непрерывным или прерывистым швом, состоящим из отдельных сварных точек, в результате приложения усилия сжатия и подвода тока к вращающимся дисковым электродам (роликам), рис. 12.4
Сущность процесса. Заготовки накладывают друг на друга и зажимают обычно между двумя дисковыми электродами усилием сжатия Fсв (P). При подаче тока металл в зоне контакта деталей по оси электродов начинает нагреваться и расплавляться. По мере движения (прокатывания) заготовок между дисковыми электродами образуются новые сварные точки, перекрывающие или не перекрывающие друг друга. Как и при точечной сварке, не требуются специальные средства защиты расплава от взаимодействия с атмосферой.
Рисунок 12.4 Схема шовной (роликовой) сварки
В зависимости от характера перемещения деталей и подачи сварочного тока различают следующие способы шовной сварки:
- непрерывную;
- прерывистую и
- шаговую.
Непрерывная сварка выполняется сплошным швом при постоянном протекании тока, непрерывном движении заготовок, а также при постоянном давлении дисковых электродов на свариваемые поверхности. Она получила ограниченное применение из-за быстрого износа роликов и сильного перегрева контактирующих с ними поверхностей деталей. Важное значение при непрерывной сварке имеют тщательная зачистка свариваемых поверхностей, одинаковая толщина и однородность состава соединяемых изделий. Циклограмма непрерывной шовной сварки приведена на рис. 12.5.
Рисунок 12.5 Циклограмма непрерывной шовной сварки
Наиболее распространена прерывистая шовная сварка, осуществляемая при импульсной (прерываемой) подаче тока, непрерывном перемещении заготовок и постоянном давлении роликов. При каждом импульсе сварочного тока формируется единичная литая зона. Для образования герметичного шва с перекрывающимися сварными точками подбирается определенное соотношение скорости вращения дисковых электродов и частоты импульсов тока, рис. 12.6.
Рисунок 12.6 Циклограмма прерывистой шовной сварки
При шаговой шовной сварке к роликам прикладывается постоянное давление, детали перемещаются прерывисто (пошагово), а ток подается только во время остановки роликов. При этом контактируемые поверхности роликов и заготовок меньше перегреваются. Однако машины для данного способа сварки конструктивно сложнее и менее производительны.
Рисунок 12.7 Циклограмма шаговой шовной сварки
Циклограмма шаговой шовной сварки приведена на рис. 12.7.
