Технологические процессы сварки и резки металлов

Сварку широко применяют практически во всех отраслях промышленности: ее используют в судостроении при изготовлении корпусов судов, при строительстве домн, электропечей, резервуаров для хранения жидкостей и газов, нефте- и газопроводов, при производстве котлов, паровых турбин, в автомобилестроении, микроэлектронике и т.д.

Внедрение сварки в технологический процесс изготовления новых изделий зачастую связано с экономически выгодной заменой литых и кованых конструкций. Эта выгода проявляется в экономии металла, снижении трудоемкости, повышении мобильности производства, улучшении условий труда.

Процесс сварки состоит в получении неразъемных соединений из металлов, сплавов и других материалов в результате образования при определённых условиях атомно-молекулярных связей между частицами соединяемых заготовок

Все способы сварки, а их с 1882 г., когда русский ученый Н.Н. Бенардос впервые осуществил сварку электрической дугой, разработано несколько десятков, - можно разделить на способы сварки плавлением и способы сварки давлением (рис.3.22).

а б Рис. 3.1 Способы сварки: а – заливанием; б- давлением

При сварке плавлением (рис.3.22а) происходит расплавление кромок свариваемых заготовок, а в случае необходимости также и так называемого присадочного материала для дополнительного заполнения зазора между ними. В результате образуется общая сварочная ванна расплавленного металла, которая после затвердевания превращается в соединяющий заготовки сварной шов.

При сварке давлением (рис.3.22б) осуществляется пластическое деформирование заготовок в зоне соединения; место соединения, как правило, нагревают для снижения сопротивления деформации. В результате обеспечивается плотный контакт между заготовками и условия для возникновения межатомных связей.

Способы сварки плавлением

а б в Рис. 3.1. Этапы зажигания дуги: а - короткое замыкание; б - отвод электрода; в - возникновение устойчивого дугового разряда

Основным способом сварки плавлением является дуговая сварка. Источником теплоты при дуговой сварке является электрическая дуга, которая горит между электродами, один из которых - свариваемая заготовка.

Дуга - это мощный стабильный электрический разряд в ионизированной атмосфере газов и паров металла. Ионизация дугового промежутка происходит во время зажигания дуги и непрерывно поддерживается в процессе ее горения. Процесс зажигания дуги в большинстве случаев включает три этапа (рис. 3.23):

а) короткое замыкание электрода на заготовку, выполняемое для разогрева торца электрода 1 и заготовки 2;

б) отвод электрода на расстояние 3...6мм; при этом с катода 1 начинается эмиссия электронов 3 и в результате столкновения движущихся к аноду 2 электронов с молекулами газов и паров металла происходит их ионизация 4;

Рис. 3.2. Схема ручной дуговой сварки

в) возникновение устойчивого дугового разряда: дуговой промежуток после ионизации становится электропроводным и через него идет разряд электричества.

Температура столба дуги 6 достигает 6000...7000°С, а температура катодного 5 и анодного 7 пятен стальных электродов соответственно 2400°С и 2600°С.

Ручная дуговая сварка выполняется сварочными электродами, которые подают в дугу и перемещают вдоль заготовки (рис. 3.24). Дуга 8 горит между стержнем электрода 7 и основным металлом 1. Стержень плавится и металл каплями стекает в металлическую ванну 9. Вместе со стержнем плавится покрытие электрода 6, обеспечивая стабилизацию дуги, образование газовой защитной атмосферы 5 и жидкой шлаковой ванны 4. По мере движения дуги сварочная ванна, состоящая из жидкого металла и шлака, затвердевает и образуется сварной шов 3; жидкий шлак по мере остывания образует твердую шлаковую корку 2.

В перегретой сварочной ванне могут происходить металлургические процессы: испарение или окисление некоторых легирующих элементов (C, Mn, Cr, Si и др.), насыщение расплавленного металла кислородом, азотом, водородом из окружающего воздуха. В результате могут измениться состав шва и его механические свойства.

Так как сварной шов представляет собой сплав электронного и основного металла и его механические свойства целиком определяются ими, для обеспечения качественного шва в зависимости от условий разработаны и могут быть применены десятки марок электродов, отличающихся как материалом проволоки (стержня), так и составом покрытия.

Стержни изготавливают из проволоки диаметром 0,3...12мм, из сталей - от углеродистой (Св-08, Св-10ГС и др.) до высоколегированной (Св-06Х19Н10М5Т; Св-07Х25Н13 и др.). В марках проволоки “Св” обозначает - “сварочная”.

В состав покрытия электродов входят стабилизирующие, газообразующие, шлакообразующие, раскисляющие, легирующие и связывающие составляющие.

Рис. 3.3. Схема автоматической дуговой сварки под флюсом: 1 – токопровод; 2 - механизм подачи; 3 – проволока; 4 -жидкий шлак; 5 – флюс; 6 - шлаковая корка; 7 - сварной шов; 8 - основной металл; 9 - ванна жидкого металла; 10 - дуга

Стабилизирующие составляющие (силикаты натрия, калия, мел и др.) повышают стабильность горения дуги. Газообразующие образуют при нагреве защитные газы вокруг дуги. Шлакообразующие образуют шлак, служащий для защиты расплавленного металла от воздействия воздуха и являющийся средой, через которую осуществляется раскисление, легирование металла. В качестве связующего применяют жидкое натриевое стекло.

Автоматическая дуговая сварка под флюсом отличается от ручной тем, что все процессы автоматизированы, сварку ведут непокрытой электродной проволокой, а дугу и сварочную ванну защищают флюсом (рис. 3.25). Процесс сварки в автоматическом режиме в 15...20 раз производительнее по сравнению с ручной сваркой за счет использования больших сварочных токов (до 2000А) и плотной флюсовой защиты.

Дуговая сварка в защитных газах может осуществляться как плавящимся, так и неплавящимся электродом, в последнем случае в зону дуги вводится пруток или проволока из присадочного материала. Возможна сварка неплавящимся электродом без присадки. В этом случае процесс происходит только за счет расплавления кромок заготовок; применяют этот способ для сварки заготовок, имеющих небольшую 0,1...3мм толщину. В качестве защитных газов применяют инертные газы – аргон, гелий и активный газ – СО₂.

Способы сварки давлением

Всем способам сварки давлением характерно пластическое деформирование в зоне соединения, осуществляемое с нагревом или без нагрева. Наибольшее промышленное применение благодаря простоте и большой производительности получила электрическая контактная сварка (рис. 3.26).

Рис. 3.1. Принципиальная схема электроконтактной сварки

Рис. 3.2. Схема точечной сварки

Место соединения разогревается проходящим током. Так как физический контакт свариваемых заготовок является дискретным (поверхности соприкасаются только в отдельных точках) и на поверхностях металла имеются пленки окислов и загрязнения, в месте контакта сопротивление максимально, что приводит к нагреву металла в зоне контакта до термопластического состояния.

При непрерывном сдавливании нагретых заготовок образуются новые точки соприкосновения, пока не произойдет полное сближение поверхностей до межатомных расстояний, т.е. сварка.

Одной из разновидностей контактной сварки является точечная сварка. При точечной сварке (рис. 3.27) заготовки собирают внахлестку, сжимают с некоторым усилием P медными электродами и включают ток.

Ток, испытывая наибольшее сопротивление в месте контакта свариваемых заготовок, разогревает металл до пластического состояния. Затем ток выключается, а усилие сжатия увеличивается для улучшения структуры металла в сварной точке.

Сварка трением - это разновидность сварки давлением; она получила свое название от схемы разогрева свариваемых поверхностей: сварка происходит при взаимном перемещении двух твердых тел, сжатых силой. Работа, совершаемая силами трения при скольжении, превращается в теплоту и приводит к интенсивному нагреву трущихся поверхностей. Быстрое прекращение движения заготовки и приложение повышенного усилия в конце процесса обеспечивают качественное соединение заготовок.

Сваркой трением соединяют однородные и разнородные металлы и сплавы, например, медь со сталью, алюминий с титаном и т.д. Ее применяют для изготовления режущего инструмента, различных валов, соединения труб и т.п.

Резка металлов

Для резки (разделения) металлических заготовок, листов, деталей применяют в основном термохимические и термические способы. Металл из полости реза может быть удален термическим способом (расплавляется и вытекает) или химическим (окисляется, превращается в окислы и шлаки). Широкое применение в промышленности получила газокислородная резка. Она заключается в сжигании металла в струе технически чистого кислорода и удалении этой струей образующихся окислов.

До начала горения металл подогревают до температуры его воспламенения в кислороде (для стали ~1200°С). При горении, например, железа в кислороде выделяется значительное количество теплоты Q

3Fe+2O₂=Fe₂O₃+Q.

Эта теплота вместе с подогревающим пламенем разогревает нижележащие слои и распространяется на всю толщину металла. Образующиеся окислы в расплавленном состоянии выдуваются из реза струей кислорода.

Описанный способ термохимической резки применим не ко всем металлам. Более универсальными, но и более энергоемкими являются термические способы резки: электрической дугой, плазменной струей и др.

Порошковая металлургия

Порошковая металлургия или металлокерамика - отрасль технологии, занимающаяся производством порошков и деталей из них.

Сущность порошковой металлургии состоит в том, что из металлического порошка или смеси порошков прессуют заготовки, которые затем подвергают термической обработке - спеканию.

Благодаря такой технологии открываются широкие возможности управлять свойствами заготовки - получать детали из особо тугоплавких металлов, из нерастворимых друг в друге металлов (вольфрам и медь), пористые, слоистые материалы.

Порошки, а они состоят из частиц размером 0,5...500мкм, получают механическим измельчением (из хрупких материалов) либо физико-химическим путем - восстановлением окислов металлов, электролизом и др. При производстве порошков легированной стали широко применяют распыление расплавов водой или энертными газами под давлением.

Большое применение находят материалы со специальными свойствами: антифрикционные (пористые на базе железо-графитовых, бронзо-графитовых и других композиций), фрикционные, высокопористые (фильтры), металлокерамические твердые сплавы (для изготовления режущего и бурового инструмента), жаропрочные (способные работать до температуры 3000°С), материалы со специальными электромагнитными свойствами (постоянные магниты, ферриты и т.п.).

Рис. 3.1. Схема холодного прессования: 1 – пуансон; 2 – матрица; 3 - заготовка

Приготовление смеси включает классификацию порошков по размерам частиц, добавление пластификаторов (парафин, стеарин) - легкоплавких присадок, облегчающих процесс прессования, и различных летучих веществ для получения деталей с заданной пористостью.

Формообразование заготовок или деталей осуществляют в пресс-форме (рис. 3.28) под давлением 200...1000МПа, либо выдавливанием (для изготовления труб, прутков, профилей), либо прокаткой (для получения лент толщиной 0,02...3,0мм, в том числе двухслойных лент из различных материалов).

Спекание проводят для повышения прочности полученных прессованием или прокаткой заготовок. В процессе спекания вследствие температурной подвижности атомов порошков одновременно протекают диффузия, восстановление поверхностных окислов, рекристаллизация.