4. Дуговые и лучевые виды резки металлов

Интенсивный нагрев металла электрической дугой ус­пешно используется в технике не только для сварки, но и для резки металла (рис. 10). Нашли применение следующие спо­собы дуговой резки:

ручная дуговая резка неплавящимся и плавящимся по­крытыми электродами, используемыми при сварке;

воздушно-дуговая резка;

кислородно-дуговая резка;

резка сжатой дугой.

Ручную дуговую резку неплавящимся и плавящимся электродами используют как вспомогательную операцию. При дуговой резке неплавящимся электродом применяют угольные и графитовые электроды. Резка обес­печивается за счет выплавления металла из зоны реза, а не за счет его сгорания в струе кислорода, как при газовой резке. Благодаря высокой температуре нагрева могут ре­заться материалы, не подвергающиеся кислородной резке (чугун, высоколегированные стали, цветные металлы). При­меняют постоянный и переменный ток максимальной мощ­ности. Для этого способа характерна очень малая точность и чистота реза.

При дуговой резке плавящимся электродом рез полу­чается более чистый и узкий, чем при резке неплавящимся электродом. Резку выполняют методом опирания. Наличие покрытия приводит при резке к повышению устойчивости дуги, замедлению плавления стержня электрода, изоляции его от стенок реза и ускорению резки благодаря окислению расплавленного металла компонентами покрытия. Ток при резке на 20—30% выше, чем при сварке.

При воздушно-дуговой резке металл рас­плавляется теплотой электрической дуги, а затем выдувается сжатым воздухом из зоны реза. При этом небольшая часть металла сгорает в кис­лороде, содержащемся в возду­хе. Этот способ применяют для удаления дефектных мест под заварку и разделительной резки листов из нержавеющей стали толщиной до 20 мм. Рез­ку проводят на постоянном токе угольным (графитовым) электродом с помощью специальных резаков обычно с боко­вой подачей сжатого воздуха под давлением 0,4—0,5 МПа.

Рис, 10, Схемы дуговой резки металла:

а - ручная дуговая плавящимся электродом,

б - воздушно-дуговая; 1 - резак, 2 –

воздушная струя, 3 – канавка, 4 - электрод.

Кислородно-дуговая резка заключается в том, что разрезаемый ме­талл разогревается с помощью электрической дуги, а затем сжигается струей кислорода подаваемой к месту реза параллельно электроду. Окислы, получаемые при сгорании металла, выдуваются из места реза этой же струей кислорода. Применяют угольные и гра­фитовые электроды, а также специальные плавящиеся труб­чатые электроды с подачей кислорода через внутреннее от­верстие. Способ используется ограниченно.

Резка плазменной струей основана на расплавлении металла в месте реза и его выдувании потоком плазмы. Плазменную струю используют для резки металла толщиной от долей до десятков миллиметров. Для резки металла малой толщины используют плазменную струю кос­венного действия. При повышенной толщине металла луч­шие результаты достигаются при плазменной струе прямого действия — плазменной дуге (рис. 11). Благодаря высокой температуре и большой кинетической энергии плаз­менной струи резке подвергаются практически все металлы.

В зависимости от металла в качестве плазмообразующих газов можно использовать азот, водород, аргоно-водородные, аргоно-азотные, азотно-водородные смеси. Использо­вание для резки двухатомных газов (Н₂, N₂) энергетически более выгодно. Двухатомный газ поглощает при диссоциа­ции в плазмотроне теплоту, которая переносится и выделя­ется на поверхности реза, где происходит объединение сво­бодных атомов в молекулы. При использовании электродов из циркониевых и гафниевых сплавов в качестве плазмообразующего газа при резке можно использовать воздух.

Алюминий и его сплавы толщиной от 5 до 20 мм режут в азоте, толщиной от 20 до 150 мм — в азотно-водородных смесях (65—68% азота, 35—38% водорода). Нержавеющие стали толщиной до 20 мм, разрезают с применением чистого азота, а при толщине от 20 до 50 мм — смеси 50% азота и 50% водорода. В качестве плазмообразующих газов при резке низкоуглеродистых сталей толщиной до 40—50 мм применяют сжатый воздух.

При резке меди и ее сплавов в качестве плазмообразую­щих газов применяют азотно-водородную смесь, азот или атмосферный воздух. В табл. 8 приведены режимы плазменно-дуговой резки нержавеющих сталей. ГОСТ 12221 устанавливает для плазменно-дуговой резки четыре типа аппаратуры: ПЛР — для ручной резки, ПЛРМ — для руч­ной и машинной резки, ПЛМ — для машинной резки, ПЛМТ — для машинной точной резки.

Рис. 11. Схема плазменно-дуговой резки: а - плазменной дугой; 1 - дуга, 2 - газ, 3 - плазма, 4 - разрезаемый металл; 5 - электрод, 6- резак; б - плазменной струей; 1 - плазма, 2 - сопло, 3 -источник постоянного тока, 4 - электрод, 5 - мундштук, 6 - дуга, 7 - разрезаемый металл.

Резка лазерным лучом. Высокая концент­рация энергии позволяет использовать лазерный луч для прецизионной (точной) резки металлов и неметаллов. Ла­зером можно резать стекла, керамику, алмазы и другие ма­териалы. Сущность лазерной резки заключается в локаль­ном плавлении и испарении металла под воздействием сфо­кусированного луча. При резке, как правило, используют лазеры непрерывного действия, обладающие большими энер­гиями излучения в инфракрасном диапазоне. Основная об­ласть применения лазерной резки— микроэлектроника.

Оборудование и аппаратура для газовой сварки и резки

Ацетиленовые генераторы. Ацетиленовым генератором называется аппарат, служащий для получения ацетилена при разложении карбида кальция водой.

Рис. 12. Схемы ацетиленовых генераторов:

а - «карбид в воду», б - «вода в карбид», в - «сухого разложения», г — «вытеснения воды», д — комбинированная система «вода в карбид» и «вытеснения»; 1 — бун­кер или барабан с карбидом кальция, 2 — реторта, 3 — система подачи воды, 4 - газосборник, 5 — спуск ила, 6 — отбор газа.

Ацетиленовые генераторы для сварки и резки классифи­цируются по следующим признакам (ГОСТ 5190):

по производительности — от 0,5 до 160 м³/ч;

по давлению вырабатываемого ацетилена — низкого дав­ления до 10 кПа и среднего давления от 70 до 150 кПа;

по способу применения — на передвижение с произво­дительностью 0,5—3 м³/ч и стационарные с производитель­ностью 5—160 м³/ч;

в зависимости от взаимодействия карбида кальция с водой — генераторы системы КВ («карбид в воду»), в кото­рых разложение карбида кальция осуществляется при пода­че определенного количества карбида кальция в воду, на­ходящуюся в реакционном пространстве; генераторы системы ВК («вода на карбид»), в которых разложение карбида кальция происходит при подаче определенного количества воды в реакционное пространство, где находится карбид кальция; генераторы системы ВВ («вытеснение воды»), в ко­торых разложение карбида кальция осуществляется при соприкосновении его с водой в зависимости от изменения уровня воды, находящейся в реакционном пространстве и вытесняемой образующимся газом; комбинированные гене­раторы.

Все ацетиленовые генераторы независимо от их системы имеют следующие основные части: газообразователь, газо­сборник, предохранительный затвор, автоматическую регу­лировку вырабатываемого ацетилена в зависимости от его потребления. Схемы ацетиленовых генераторов различных систем представлены на рис. 12.

Предохранительные затворы. Предохранительные за­творы — устройства, предохраняющие ацетиленовые гене­раторы и газопроводы от попадания в них взрывной волны при обратных ударах пламени из сварочной горелки или резака.

Обратным ударом называется воспламенение горючей смеси в каналах горелки или резака и распространение пла­мени по шлангу горючего га­за. Горящая смесь газов при обратном ударе устремляется по ацетиленовому каналу го­релки или резака в шланг и при отсутствии предохрани­тельного затвора — в ацетиле­новый генератор, что может привести к взрыву ацетилено­вого генератора. Обратный удар может произойти в слу­чае, если скорость истечения горючей смеси станет меньше скорости ее сгорания, и от перегрева и засорения канала мундштука горелки.

Предохранительные затворы бывают жидкостные и сухие. Жидкостные затворы заливают водой, сухие — запол­няют мелкопористой металлокерамической массой. Затворы классифицируют по пропускной способности — 0,8; 1,25; 2,0; 3,2 м"/ч; по предельному давлению — низкого давления, в которых предельное давление ацетилена не превышает 10 кПа, среднего давления — 70 и высокого давления — 160 кПа (ГОСТ 8766).

Рис, 13. Схема водяного затвора: а - при нормальной работе, б – при обратном ударе.

Предохранительные затворы устанавливают между аце­тиленовым генератором или ацетиленопроводом (при много­постовом питании от стационарных генераторов) и горелкой или резаком.

Принцип действия водяного затвора показан на рис. 13. Корпус 3 затвора заполняют водой до уровня контрольного крана КК. Ацетилен подводится по трубке 1, проходит через обратный клапан 2, расположенный в нижней части корпу­са. В верхнюю часть корпуса газ проходит через отражатель4. Ацетилен отводится к месту потребления через расходный кран РК. В верхней части корпуса имеется трубка, закрытая мембраной 5 из алюминиевой фольги. При обратном ударе мембрана разрывается, и взрывчатая смесь выходит наружу. Давление взрыва через воду 6 передается на клапан 2, ко­торый закрывает подвод газа от генератора. После выхода взрывчатой смеси мембрану заменяют.

Баллоны для сжатых газов. Для хранения и транспорти­ровки сжатых, сжиженных и растворенных газов, находя­щихся под давлением, применяют стальные баллоны вмес­тимостью от 0,4 до 55 дм³ ГОСТ 949—73.

Наибольшее распространение при газовой сварке и рез­ке получили баллоны вместимостью 40 дм³. Баллоны пред­ставляют собой стальные цилиндрические сосуды, в горлови­не которых имеется конусное отверстие с резьбой, куда ввер­тывается запорный вентиль разной конструкции для горю­чих газов и кислорода.

Каждому газу соответствует свой условный цвет балло­на и цвет надписи газа, например, кислородные баллоны окрашивают в голубой цвет, надпись делают черной крас­кой; ацетиленовый — соответственно в белый и красной краской; водородный — в темно-зеленый и красной крас­кой, пропан — в красный и белой краской.

Кислород наполняют в баллоны до давления 15 МПа. Баллон вместимостью 40 дм³ при давлении газа 15 МПа содержит кислорода 6 м³.

Питание постов газовой сварки и резки от ацетиленовых генераторов связано с рядом неудобств, поэтому большое распространение получило питание ацетиленом от ацетиле­новых баллонов. Ацетиленовые баллоны заполняют пористой массой (древесный уголь пемза, инфузорная земля), обра­зующей микрополости, необходимые для безопасного хра­нения ацетилена. Массу в баллоне пропитывают ацетоном (225—300 г на 1 дм³ вместимости баллона), в котором хоро­шо растворяется ацетилен. При нормальных условиях в од­ном объеме ацетона растворяется 23 объема ацетилена. Дав­ление растворенного ацетилена в наполненном баллоне не должно превышать 1,9 МПа при 20°С. Для уменьшения по­терь ацетона из баллона ацетилен необходимо отбирать со скоростью не более 1700 дм³/ч.

Баллоны снабжены вентилями — запорными уст­ройствами, которые позволяют сохранить в баллоне сжатый или сжиженный газ. Каждый вентиль имеет шпиндель, который перемещается при вращении маховика, открывая или закрывая клапан.

Редуктор для газопламенной обработки — прибор для понижения давления газа, при котором он находится в баллоне или магистрали, до величины рабочего давления и для автоматического поддержания этого давления посто­янным. Редуктор имеет клапан, управляемый гибкой мем­браной, на которую с одной стороны действует сила пружи­ны, а с другой — давление газа. Регулированием силы пру жины обеспечиваются заданное давление и расход газа.

краской; водородный — в темно-зеленый и красной крас­кой, пропан — в красный и белой краской.

Кислород наполняют в баллоны до давления 15 МПа. Баллон вместимостью 40 дм³ при давлении газа 15 МПа содержит кислорода 6 м³.

Питание постов газовой сварки и резки от ацетиленовых генераторов связано с рядом неудобств, поэтому большое распространение получило питание ацетиленом от ацетиле­новых баллонов. Ацетиленовые баллоны заполняют пористой массой (древесный уголь пемза, инфузорная земля), обра­зующей микрополости, необходимые для безопасного хра­нения ацетилена. Массу в баллоне пропитывают ацетоном (225—300 г на 1 дм³ вместимости баллона), в котором хоро­шо растворяется ацетилен. При нормальных условиях в од­ном объеме ацетона растворяется 23 объема ацетилена. Дав­ление растворенного ацетилена в наполненном баллоне не должно превышать 1,9 МПа при 20°С. Для уменьшения по­терь ацетона из баллона ацетилен необходимо отбирать со скоростью не более 1700 дм³/ч.

Баллоны снабжены вентилями — запорными уст­ройствами, которые позволяют сохранить в баллоне сжатый или сжиженный газ. Каждый вентиль имеет шпиндель, который перемещается при вращении маховика, открывая или закрывая клапан.

Редуктор для газопламенной обработки — прибор для понижения давления газа, при котором он находится в баллоне или магистрали, до величины рабочего давления и для автоматического поддержания этого давления посто­янным. Редуктор имеет клапан, управляемый гибкой мем­браной, на которую с одной стороны действует сила пружи­ны, а с другой — давление газа. Регулированием силы пружины обеспечиваются заданное давление и расход газа.

Рукава служат для подвода газа к горелке и резаку от баллонов и рамп. Рукава должны обладать прочностью, гибкостью, не стеснять движений сварщика. Их изготовля­ют из вулканизированной резины с тканевыми прокладками по ГОСТ 9356—75 следующих классов: I—для подачи аце­тилена и других горючих газов под давлением до 0,63 МПа красного цвета; II —для подачи жидкого топлива (бензин и др.) под давлением до 0,63 МПа желтого цвета; III — для подачи кислорода под давлением до 2,0 МПа синего цвета.

Сварочная горелка. Основным инструментом газосвар­щика является сварочная горелка. Сварочной горелкой называется устройство, служащее для смешивания горю­чего газа или паров горючей жидкости с кислородом и получения сварочного пламени. Каждая горелка позволяет регулировать мощность, состав и форму сварочного пламе­ни. Сварочные горелки согласно ГОСТ 1077—79 классифици­руются: по способу подачи горючего газа и кислорода в смесительную камеру — инжекторные и безынжекторные; по роду применяемого газа; по назначению — универсаль­ные и специализированные; по числу пламени — однопламенные и многопламенные; по мощности — малой мощнос­ти (расход ацетилена 25—400 дм³/ч), средней мощности (400—2800 дм³/ч), большой мощности (2800—7000 дм⁸/ч); по способу применения — ручные и машинные. Наибольшее применение имеют инжекторные горелки, работающие на смеси ацетилена с кислородом. В инжектор­ных горелках горючий газ подсасывается в смесительную камеру струей кислорода, подаваемого в горелку с боль­шим давлением, чем горючий газ. Этот процесс подсоса называется инжекцией. Схема инжекторной горелки пока­зана на рис. 44.

Рис. 14. Схемы ацетиленовых горелок; а - инжекторные, б — безинжекторные.

Кислород под давлением поступает в горелку и через присоединительный штуцер 8 и регулировочный вентиль 7 подается к инжектору 6. Выходя с большой скоростью из узкого канала инжекторного конуса, кислород создает зна­чительное разрежение в камере 5 и засасывает горячий газ, поступающий через ацетиленовые каналы горелки в камеру смесителя 5, где и образуется горючая смесь. Затем горючая смесь поступает по наконечнику 3 к мундштуку 4, на выхо­де из которого при сгорании образует сварочное пламя (2 — гайка, 1 — ствол горелки).

Горелки этого типа имеют сменные наконечники с раз­личными диаметрами выходных отверстий инжектора и мундштука, что позволяет регулировать мощность ацети-лено-кислородного пламени.

В безынжекторных горелках горючий газ и кислород подают примерно под одинаковым давлением до 100 кПа. В них отсутствует инжектор, который заменен простым смесительным соплом, ввертываемым в трубку наконечника горелки.

Резаки для газовой резки. Резаки служат для смешива­ния горючего газа с кислородом для образования подогре­вающего пламени и подачи к разрезаемому металлу струи режущего кислорода.

Ручные резаки для газовой резки классифицируют по следующим признакам:

по роду горючего газа, на котором они работают,— для ацетилена, газов-заменителей жидких, горючих;

по принципу смешения горючего газа и кислорода — на инжекторные и безынжекторные;

по назначению — универсальные и специальные;

по виду резки — для разделительной, поверхностной, кис­лородно-флюсовой, копьевой.

В настоящее время широкое применение получили уни­версальные инжекторные резаки, позволяющие резать сталь толщиной от 3 до 300мм. Схема резака показана на рис. 45. В резаке конструктивно объединены подогревающая и ре­жущая части. Подогревающая часть аналогична устройству 1 сварочной горелки. Режущая часть состоит из дополнитель­ной трубки 5 для подачи режущего кислорода и вентиля 4 для регулировки подачи. В мундштуке 3 находятся два концентрически расположенных отверстия для выхода по­догревающего пламени / и режущей струи 2. Газы в мунд­штук подают и регулируют с помощью соответствующих вентилей.

Рис 15. Схема газокислородного резака:

Р - режущая часть, П — подогревающая часть.

Для газопламенной обработки материалов наряду с универсальными используют специальные горелки и резаки для термической обработки, поверхностной очистки, пайки, сварки термопластов, газопламенной наплавки, резаки для поверхностной, копьевой, кислородно-флюсовой резки, для резки металла больших толщин и др.

Машины для кислородной резки. Для повышения про­изводительности, качества реза и сокращения тяжелого ручного труда используют машинную резку. Машины для кислородной резки разделяют на два основных типа — ста­ционарные и переносные. Стационарные машины делятся:

по конструктивному исполнению — на портальные (П), которые располагаются непосредственно над разрезаемой деталью; портально-консольные (Пк), когда над разрезае­мой деталью располагается только консоль; шарнирные (Ш);

по способу резки — на кислородные (К), кислородно-флюсовые (Кф), плазменно-дуговые (Пл) и газолазерные (Гл);

по способу движения или системе контурного управле­ния — на линейные (Л), для прямолинейной резки, магнитные (М) по стальному копиру для фигурной резки, фотоко­пировальные (Ф) по чертежу для фигурной резки, цифровые программные (Ц) для фигурной резки;

по технологическому назначению — для раскройных работ (Р), для точной прямолинейной и фигурной вырезки деталей (Т), универсальные — для прямолинейной и фи­гурной вырезки деталей (У), для фигурной вырезки малога­баритных деталей (М).

Переносные машины подразделяются: по способу резки — на кислородные (К), плазменно-дуговые (Пл);

по способу движения или системе контурного управле­ния — по разметке (Р), по циркулю (Ц), по направляющим (Н), по гибкому копиру (Г).

Каждая машина состоит из несущей части, резака (од­ного или нескольких), пульта управления и ведущего ме­ханизма. У стационарных машин основным узлом, автома­тизирующим процесс резки, является система копирования. В таких машинах применяют принципы механического, электромагнитного, фотоэлектронного, дистанционно-мас­штабного и программного копирования.

Переносные машины изготовляют в виде самоходной тележки, перемещающейся электродвигателем, пружинным механизмом или газовой турбинкой. Машину устанавливают на разрезаемый лист или трубу и направляют по разметке, циркульному устройству, направляющим или гибкому копиру.

Основным рабочим инструментом машины для кислород­ной резки является машинный газовый резак. Используют следующие основные типы машинных резаков: инжектор­ные, равного давления и внутрисоплового смешения.

Требования безопасности труда при газовой сварке, и резке

Основными источниками опасности при газовой сварке и резке являются:

взрывы ацетиленовых генераторов от обратных ударов пламени, если не срабатывает водяной затвор;

взрывы кислородных баллонов в момент их открывания, если на штуцере баллона или на клапане редуктора имеется масло;

опасность пожара в помещении, воспламенения волос, одежды и ожогов сварщика при неосторожном обращении с горелкой;

ожоги глаз в случае, если сварщики не пользуются све­тофильтрами;

отравления скопившимися вредными газами при отсутст­вии обменной вентиляции в помещениях.

Безопасная работа при газовой сварке и резке возможна только при правильном обращении с материалами, обору­дованием и аппаратурой в соответствии с «Правилами тех­ники безопасности и производственной санитарии при про­изводстве ацетилена, кислорода и газопламенной обработки металлов». К выполнению газосварочных и газорезательных работ допускаются рабочие не моложе 18 лет, прошедшие специальное обучение с проверкой знаний безопасной ра­боты.

Запрещается работать без водяного затвора или при не­исправном водяном затворе, нельзя к одному водяному за­твору присоединять несколько горелок или резаков.

Необходимо строго соблюдать правила по обращению и уходу за ацетиленовыми генераторами согласно инструкции по эксплуатации.

Надо соблюдать осторожность при обращении с карби­дом кальция: хранить его в сухих, хорошо проветриваемых огнестойких помещениях, на месте выполнения работ хра­нить карбид кальция в неповрежденных барабанах с плотно закрытой крышкой, вскрывать барабаны с карбидом каль­ция следует только специальным инструментом, исключаю­щим возможность образования искр, следует предохранять барабаны от толчков и ударов.

Следует предохранять кислородные баллоны от толчков и ударов при транспортировке и хранении. Для обеспечения взрывобезопасности транспортировка баллонов разрешается на рессорных транспортных средствах, специальных руч­ных тележках и носилках, в специальных контейнерах. На рабочих местах баллоны должны надежно крепиться в вер­тикальном положении на значительном расстоянии от на­гревательных приборов, не подвергаться действию солнеч­ных лучей. Совместное хранение баллонов с горючими га­зами и кислородом не допускается.

Эксплуатация грязных, с вмятинами и царапинами, не­своевременно испытанных баллонов не допускается, Особен­но следует обращать внимание на отсутствие масла или грязи на штуцере вентиля кислородных баллонов.

При процессах газопламенной обработки сварщики должны работать в спецодежде, рукавицах и защитных очках со стеклами Г-1, Г-2, Г-3, а вспомогательные рабочие — в оч­ках со стеклами В-1, В-2, В-3. С увеличением мощности пламени следует применять стекло с большим номером, как более темное.

При выполнении газопламенных работ внутри отсеков, ям и резервуаров, где возможны скопления вредных газов, должны работать переносные приточно-вытяжные вентиля­торы.

Лекция № 14

Лучевые способы сварки.

ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВАЯ СВАРКА (ELs-)

Этот способ сварки основан на использовании энергии, высво­бождаемой при торможении потока ускоренных электронов в свари­ваемых материалах. Преобразование кинетической энергии в тепло­вую, характеризуется высоким КПД. Преимущества электронно-лучевой сварки — это отсутствие окисле­ния расплавленного металла и гарантированное высокое качество сварного соединения, возможность сварки тугоплавких металлов, большая скорость сварки, не уступающая дуговой сварке.

Схема установки для электронно-лучевой сварки показана на рис. ЭЛ-1.

Рис. ЭЛ-1. Схема установки для электронно-лучевой сварки

Она включает электронно-лучевую сварочную пушку с систе­мами управления и электропитания, формирующую поток электро­нов, вакуумную камеру 4 с люками загрузки и выгрузки де­талей, механизмами перемещения свариваемых деталей 5 и со смотровыми окнами 3, вакуумную систему (высоковакуумный и форвакуумный насосы), обеспечивающую при сварке в рабочем объёме камеры разрежение 1,33—13,3 мПа (10^-3). Элек­троны могут быть ускорены до энергии 20—30 кэВ (низковольтные пушки), до 30-100 кэВ (пушки с промежуточным ускоряющим напряжением), до 100—200 кэВ (высоковольтные пушки). Поток элек­тронов, эмитируемых катодом, формируется предварительно электро­статическим полем в области катод — анод. Регулирование силы тока луча производится подачей напряжения на управляющий (прикатодный) электрод 2. Удельная энергия, высвобождаемая в месте бомбардировки металла потоком электронов, может изменяться с помощью системы электромагнитной фокусировки луча 7. Для совмещения пятна нагрева со сварным стыком при отклю­чении последнего от геометрической оси пушки или при сварке по сложному контуру служит система электромагнитного отклонения луча 6.

Электронно-лучевые пушки изготовляют стационарными или перемещаемыми внутри вакуумной камеры Размеры вакуумной камеры определяют габариты свариваемого изделия Установки для сварки изделий малых и средних габаритов, как правило, снабжают специальными механизмами для перемещения изделий

Электронным лучом можно сваривать вольфрам, молибден и другие тугоплавкие металлы, которые обычными методами не свари­ваются.

По технологическим условиям раз­личают следующие основные варианты электроннолучевой сварки:

- сварка с глубинным (кинжальным) проплавлением без присадочных материа­лов (при толщине металла от 3 до 100 мм);

- сварка с присадочным материалом (при толщине металла >5 мм);

- прецизионная сварка без формирова­ния парогазового канала (парового капилляра) и без разбрызги­вания (при толщине металла 3 мм).

Границы применимости

Размеры: сварка металла толщиной от нескольких микрометров до 200 мм.

Группы материалов: углеродистые, низколегированные и высоколе­гированные стали и прежде всего тугоплавкие материалы.

Данный способ сварки применим также для комбинаций материалов и для реализации керамических и металлокерамических соединений. Приведенные на рис. ЭЛ-2 комбинации материалов могут быть получены с по­мощью сварки часто только при использовании промежуточной фольги или приса­дочного материала.

Рис. ЭЛ-2. Комбинации материалов для электронно-лучевой сварки.

Существенным достоинством является возможность легкого управления элек­тронным лучом. Подключая вычислительное устройство, можно задавать наряду с параметрами процесса пространственные и временные координаты, дающие возмож­ность автоматической сварки по контуру. В некоторых случаях, целесообразно сооб­щать лучу колебательные движения с заданными формой и частотой колебаний.

Тандемная электронно-лучевая сварка. При высокой плотности энергии луча в шве могут образовываться, особенно при сравнительно большой толщине сваривае­мых деталей, дефекты в виде корневых пор, неравномерных проплавлений и несплавлений Их можно предотвратить сваркой двумя электронными лучами, расположен­ными вдоль стыка, причем второй луч большего диаметра должен иметь меньшую удельную мощность, чем первый.

Область использования.

Сварка с глубинным проплавлением; ракетостроение; авиацион­ная промышленность; транспортное машиностроение — в основном производство редукторных шестерен, шарикоподшипников, маховиков; машиностроение (преиму­щественно инструментальное производство).

Сварка с присадочным материалом; изготовление деталей с узкими допусками по раскрою, при большой толщине листа производство емкостей для химической промышленности.

Прецизионная сварка, изделия электронной техники; приборы для научного исследования; точные приборы, тонкостенные разрезные трубки.

Все области промышленного производства: сварка разнородных материалов в различных сочетаниях при известных условиях с подавлением образования хрупких интерметаллических фаз.

Параметры: ускоряющее напряжение 1,5— 10 кВ, мощность 0,5— 100 кВт; удельная мощность 105— 107 Вт/см², диаметр луча 0,01—1,0 мм; скорость сварки 20—500 см/мин; разрежение 10^-3 Па,

ПЛАЗМЕННАЯ СВАРКА (СВАРКА СЖАТОЙ ДУГОЙ (PI-))

Плазменная сварка находит все более широкое применение в различных отраслях техники.

Источником теплоты служит термическая плазма, нагретая до высокой температуры.

Плазменная сварка характеризуется весьма высокой температурой (до 30 000 °С) и широким диапазоном регулирования ее технологи­ческих свойств. По сравнению с аргонодуговой сваркой в связи с более высо­кой проплавляющей способностью плазменная сварка имеет следующие преимущества - повышенную производительность, меньшую зону тер­мического влияния, более низкие деформации при сварке, пони­женный расход защитных газов, более высокую стабильность горения дуги и меньшую чувствительность качества шва от изменения длины дуги.

Дуга, горящая между неплавящимся вольфрамовым электродом и изделием, сжимается в направлении зоны сварки с помощью концентрически расположенной сопловой системы. Это обеспечивает высокое качество соединений при высокой скорости сварки. Целенаправленное применение таких приемов, как сварка с форми­рованием канала проплавления, отклонения дуги, использования изолированного или подключенного к питающей сети присадоч­ного материала, позволяет эффективно при­менять разные технологические варианты способа при решении различных задач со­единения материалов.

Принцип сварки (рис. ПЛ-1)

Рис. ПЛ-1. Принцип сварки: 1 - плазменная горелка; 2 — вольфра­мовый электрод; 3 — изделие; 4 — плаз­менная дуга; 5 — защитный газ/фоку­сирующий газ; 6 — контур для вспомо­гательной дуги; 7 — высокочастотное зажигание; 8 — источник питания.

Существует два типа плазматронов - с дугой прямого (плазменная дуга) и с дугой косвенного действия (плазменная струя).

Сварка плазменной струёй (непереносной дугой). Дуга горит между вольфрамовым электродом и внутренней стенкой сопла (рис. ПЛ-2, б). Газ (аргон), подаваемый в сопло под давлением, проходит через дугу и частично ионизируется, обра­зуя термическую плазму' с высоким содержанием энергии. Этот процесс

можно использовать и для микросварки, так как плазменная дуга стабильна даже при токе менее 1 А. При плазменном напылении, используется тот же принцип.

Сварка плазменной дугой (переносной дугой). Дуга горит между вольфрамовым электродом и деталью (рис. ПЛ-2, а), Основной областью применения переносной дуги является плазменная резка.

Процесс возбуждения дуги непосредственно между электродом и изделием осуществить очень трудно. В связи с этим сначала возбуждается дуга между электродом и соплом (дежурная), а затем при касании ее факела изделия происходит автоматическое зажи­гание основной дуги между электродом и изделием. Дежурная дуга при устойчивом процессе горения основной дуги отключается. Де­журная дуга обычно питается от того же источника, что и основная, через токоограничивающее сопротивление. В плазмотрона с дугой прямого действия в изделие вводится дополнительное тепло за счет электронного тока и КПД их зна­чительно выше, чем у плазматронов с дугой косвенного действия.

Рис. ПЛ-2. Плазменная сварка: а — дугой; б — струёй. Где 1 - осцилля­тор; 2 - плазмообразующий газ; 3 - дополнительная газовая защита; 4 — дуга.

Комбинированная сварка плазменной струёй и плазменной дугой (рис. ПЛ-3). При этом способе две дуги имеют один общий электрод, являющийся катодом. Одна дуга горит в охлаждаемом водой сопле внутри плазмотрона, вторая переносится на поверхность детали. На этом принципе основана плазменная наплавка, причем наносимый материал в виде порошка вдува­ется в зону дуги транспортирующим газом через кольцевой канал.

Рис. ПЛ-3. Комбинированная сварка плазменной струёй и плазменной дугой: 1— осциллятор; 2 — выпрямитель; 3 — дополнительная газовая защита; 4 — плазмообразующий газ; 5 — транс­портирующий газ и порошок.

Плазменная наплавка с подогревом присадочной проволоки. В соответствии с рис. ПЛ-4 две присадочные проволоки, подключен­ные к источнику переменного тока с жесткой характеристикой, вводятся в сварочную ванну и расплавляются плазменной дугой. Благодаря нагреву проволок джоулевым теплом увеличивается производительность их плавления по сравнению с холодными проволоками, уменьшается перемешивание наплавляемого металла с основным. Посредством поперечных колебаний можно увеличить ширину наплавляемого слоя. Такую технологию можно использовать и в других процессах.

Рис. ПЛ-4. Плазменная наплавка с токоведущей присадочной проволокой: 1 — источник питания током плазменной дуги (с падающей характеристикой); 2 — плазменная горелка; 3 — плазмообразу­ющий газ; 4 — присадочная проволока; 5 — источник питания током проволок (с жесткой характеристикой); 6 - двигатель механизма подачи проволок; 7 — дополни­тельная газовая защита.

Атомно-водородная сварка (рис. ПЛ-5). При этом способе, называвшемся ранее аркатом (Arcatom), дуга возбуждается между двумя вольфрамовыми электродами. Защитным газом (если здесь можно говорить о защитном газе) служит водород, который диссоциирует в дуге (H₂ → 2H). При преобразовании водорода на поверхности детали в молекулярное состояние выделяется теплота, которая может быть исполь­зована для плавления. Водород защищает как сварочную ванну от доступа воздуха, так и вольфрамовые электроды от быстрого сгорания. Большая скорость расплавления достигается за счет нагрева в узколокализованной зоне, благодаря чему уменьшается коробление. Способ характеризуется универсальностью, так как дуга горит независимо от детали, а расстояние ее от поверхности можно изменять. Источником тока служит трансформатор со специальными защитными устройствами, гарантирую­щими безопасность высокого напряжения холостого хода для сварщика. В связи с развитием аргонно-дуговой сварки способ утратил значение.

Границы применимости

Размеры: микроплазменную сварку рекомендуют для металла толщиной s = 0,01—1 мм; сварку сжатой дугой для s = 0,8—25 мм.

Группы материалов: угле­родистые, низко- и высоколегированные стали; цветные металлы, особенно медь, ни­кель и их сплавы; титан, цирконий, серебро, золото, платина, тугоплавкие материалы. К условно свариваемым материалам относят алюминий, магний и их сплавы.

Область использования: продольная и кольцевая сварка листо­вых конструкций и сосудов, изготовление труб с продольным и спиральным швом.

Рабочие параметры для сварки сжатой дугой:

Сварочный ток, А ...... 40—400

Мощность сварки, кВт . . . 1,25—15

Скорость сварки, см/мин 40—250

Расход газа, л/мин: плазмообразующего 1—3; обжимающего 2—7; защитного 4—20.

Рис. ПЛ-5. Атомно-водородная сварка: 1— шов; 2 — сварочная ванна; 3 — присадочный металл; 4 — вольфрамо­вые электроды.

ЛАЗЕРНАЯ СВАРКА (La-)

Лазерная сварка—это сварка, при которой для местного расплавления соединяемых частей используется энергия светового луча, полученного от оптического квантового генератора. Сконцентриро­ванный световой луч характеризуется монохроматич­ностью, когерентностью (согласованное протекание во времени нескольких колебательных или волновых процессов при их сложении), параллельностью и высокой плотностью энергии. (Термин «лазер» соответствует сочетанию первых букв слов Light—amplification by simulated emission of radiation, что означает, усиление света использованием индуцированного излучения) При этом ионы кристаллической решетки или атомы (молекулы) газа в результате поглощения электромагнитного излучения переходят на более высокий энергетический уровень. При их стимулиро­ванном переходе в исходное состояние в лазере образуется когерентное световое излу­чение большой энергии.

Рубиновый лазер на базе Al₂O₃ содержит в качестве активных ионов 0,05 % Сг. При высокочастотном облучении рубинового стержня, например зеленым светом, ионы хрома переходят на наиболее высокий энергетиче­ский уровень. Из этого возбужденного состояния они быстро пере­ходят без излучения на метастабильный энергетический уровень. Собственно лазерный переход осуществляется при возврате иона в исходное состояние. Переходу соответствует выделение кванта энергии 1,79 эВ. Схема дей­ствия рубинового лазера показана на рис. ЛЗ-1.

Искусственный рубиновый кристалл расположен в кварцевой трубке, которая представляет собой газоразрядную лампу, наполненную газом ксеноном. При замыкании вы­ключателя происходит разряд высоко­вольтного конденсатора, а в кварцевой трубке (лампе) появляется вспышка света, в результате чего рубиновый кристалл испускает мощный световой импульс (луч), который после фокусирования направляется в зону свар­ки. Сварка ведется как бы отдель­ными точками, перекрывающими друг друга.

Рис. ЛЗ-1. Лазерная сварка: 1 — высоковольтный конденсатор, 2 — повышающий трансформатор, 3 — выпрямитель, 4 — переключа­тель, 5 — рубиновый кристалл (ре­зонатор), 6 —импульсная лампа (лампа накачки), 7 — луч лазера, 8 — оптическая система, 9 — свариваемая деталь.

Гелий-неоновый газовый лазер. Активной средой в лазере служит нейтральный газ. Условия ее возбуждения очень просты.

Аргонный лазер. Для работы лазера нужны очень высокие плотности тока. Достигаются большие мощности излучения, чем у гелий-неонового лазера.

Углекислотный газовый лазер Активной средой в этом лазере служит моле­кулярный газ СО₂. Длина волны эмиттируемого излучения, лежит в инфракрасной части спектра. В газовый объем вводят дополнительно азот и гелий. Рекомендуемое соотношение газов:

Коэффициент полезного действия этого лазера может достигать 15—20 %. Наиболее высокая достигнутая в настоящее время выходная мощность равна 20 кВт [S4]. Лазеры обычного типа имеют выходную мощность 0,5—2 кВт. При больших мощностях излучения излучающие системы имеют весьма большие размеры.

Лазер на иттрий алюминиевом гранате. Имеется в виду лазер с неодимом в кри­сталле иттрий-алюминиевого граната Механическая и термическая стабильность кристалла такая же, как и рубина. Длина волны эмиттируемого излучения 0,6— 1,1 мкм. Этот лазер работает преимущественно в импульсном режиме, а энергия, выделяющаяся в импульсах длительностью от 0,5 до 10 мс, составляет 1—100 Вт-с. При работе в непрерывном режиме мощность лазера достигает 500 Вт.

Жидкостные, полупроводниковые, рентгеновые лазеры и лазеры на красителях в настоящее время находятся в стадии разработки. Существенное повышение мощ­ности возможно при использовании газодинамического лазера. У этих лазеров смесь газов, например азота, углекислого газа и паров воды, нагревается при давлении 1,5—1,6 МПа до высокой температуры (1400 К). Скорость распространяющейся в течение короткого времени струи газовой смеси, вытекающей из батареи сопла, во много раз превышает скорость звука. Освобождающаяся лазерная мощность (описанный процесс аналогичен обычной оптической накачке в твердотельных лазерах) может достигнуть 60 кВт.

В химических лазерах с преобразованием частоты процесс накачки осуществля­ется химическим возбуждением лазера. Энергия, выделяющаяся при экзотермической химической цепной реакции, сообщается возбуждаемой среде (CO₂). Таким образом, накачка углекислого лазера осуществляется химическим путем. В импульсном режиме при длительной мощности 30 мкс пиковая мощность достигает 200 кВт.

Лазер для сварки и обработки материалов должен иметь волновой спектр излу­чения, соответствующий малой отражающей способности и возможно большему коэффициенту поглощения обрабатываемым материалом. При большой удельной энергии в фокусном пятне материал в точке встречи его с лучом испаряется. Этот эффект используют при сверлении и резке лазерным лучом. При сварке, особенно при работе лазера в непрерывном режиме, испарение нежела­тельно, так как луч лазера экранируется образующейся плазмой. Диаметр фокусного пятна и скорость сварки (при работе лазера в импульсном режиме — длительность и частота импульсов) выбирают так, чтобы не было испарения при достаточном времени для расплавления материала в точке его встречи с лучом лазера.

Границы применимости

Границы применимости определяются, прежде всего, типом лазеров и способом их использования.

Группы материалов: тугоплавкие ма­териалы, имеющие высокую теплопроводность, на­пример Au, Ag, Си и Аl; комбинированные биме­таллы.

Основные комбинации свариваемых материалов показаны на рис. ЛЗ-2.

Область использования: приборы точной механики и электронное оборудование; детали часов; самолетостроение; обрабатываемые прецизионные

детали большой толщины (например, кольца шарикоподшипников, колеса ре­дукторов).

Рис. ЛЗ-2. Сочетания свариваемых матери­алов при лазерной сварке.

Лекция № 15

Сущность и основы электроконтактных способов сварки.

ЭЛЕКТРОКОНТАКТНАЯ СВАРКА

Точечная сварка

Схема точечной сварки показана на рис, 1, 2.

Рис. 1. Контактная точечная сварка. Охлаждение электродов при точечной сварке: 1 и 2 — электроды; 3 — вода.

Листы, собранные с местной нахлест­кой и прилегающие по свариваемым поверхностям, соединяются под действием уси­лия F отдельными точками. Ток подводится с помощью стержневых электродов. Количество выделяющегося тепла определяется законом Джоуля:

Рис. 2. Принцип сварки;

а — принцип (1,4 — электроды; 2,3 - заготовки); б- схема 1 — гидравлический цилиндр с блоком управления; 2 — сварочный трансформатор; 3 — электронное управление, 4 — гидравлическая система для обеспечения прижатия.

Сопротивления электродов R₁ и R₂ должны быть невелики, так как выделяющаяся в них теплота не участвует в процессе сварки. Поэтому сечение электродов должно быть относительно большим, а материал электродов — обладать большой электро- и теплопроводностью и достаточной горячей твердостью. Электроды для точечной сварки изготовляют главным образом из меди и ее сплавов.

Небольшими должны быть и переходные сопротивления R₃ и R₄ между электро­дами и листами, так как в противном случае эти участки нахлестки недопустимо сильно нагреваются, вследствие чего происходит легирование рабочих поверхностей электродов элементами свариваемого металла и увеличивается их износ. Поэтому, контактные поверхности электродов и поверхности листов должны быть чистыми, усилия сжатия — большими, а охлаждение электродов — интенсивным. Сопротивления R₆ и R₇ зависят от удельных электрических сопротивлений материала листов.

Основное количество теплоты, расходуемой на образование соединения, выде­ляется в переходном сопротивлении R₅ и в прилегающих приповерхностных слоях свариваемых деталей. Если R₅ значительно превышает R₆ и R₇ то прилегающие друг к другу поверхности листов (свариваемые поверхности) слишком быстро нагре­ваются, в результате чего происходит выплеск. Интенсивность теплоотвода в электроды и листы снижают путем уменьшения время сварки.

Границы применимости. Размеры; толщина s = 0,4—4 (8) мм, диаметр D == 3—10 (20) мм, Группы материалов: низколегированные и легированные стали, цветные металлы, тугоплавкие металлы (рис. 1.47, 1.48) (2а, 2б).

Область использования: транспортное машиностроение; вагоно­строение; серийная продукция листообрабатывающей сферы производства; строительная промышленность; приборостроение.

Параметры: сварочный ток 1—100 кА, напряжение дуги 0,5—10 В; время сварки 0,04—2 с; усилие 500—10000 Н.

Рельефная сварка

Электрический ток обычно подводится к свариваемым деталям электродами с боль­шой поверхностью. Концентрация тока достигается благодаря тому, что в одной или в обеих свариваемых деталях есть рельефы. После пластификации материала в процессе сварки рельефы сглаживаются. В остальном, соединение образуется так же, как и при точечной сварке. На рис. 3 показана схема рельефной сварки.

Рис. 3 Рельефная сварка

Применение этого способа целесооб­разно в массовом производстве. При опу­скании электрода сварка осуществляется одновременно по большому количеству рельефов.

Рис. 4 Обычные формы рельефа: а — круглый; б — продольный; в — кольцевой; г — сдвинутый.

Форма рельефа. Формы рельефа пока­заны на рис. 4. Выбор других форм рельефа зависит от конкретных задач сварки, например для соединения перекрещивающихся стержней, или листов с фасонными деталями.

Границы применимости. Размеры: толщина 0,5—5 мм. Группы материалов: углеродистые и легированные стали, цветные металлы (см. Точечная контактная сварка).

Область использования: сварка мелких деталей и деталей слож­ной формы в транспортном машиностроении; серийное производство, потребляющее листовую продукцию; приборостроение.

Параметры: сварочный ток 5 - 100 кА, усилие 0,5-40 кН, продолжительность сварки 3—50 периодов.

Шовная сварка

При контактной шовной сварке стержневые электроды, применяемые для точечной сварки, заменяют роликовыми. Различие этих способов сварки заключается в том, что роликовые электроды при перемещении свариваемых деталей не разводятся. В зависимости от конкретной задачи транспортирование деталей осуществляется с помощью одного или обоих роликов. Таким образом, получают непрерывные или периодически прерывающиеся сварные швы. Электроды могут вращаться постоянно или периодически. Различают герметичные сварные швы с взаимным перекрытием точек и точечные швы (рис. 5). Если сварку ведут постоянным током, то полу­чают шов, показанный на рис. 6.

Рис. 5. Герметичные и точечные швы при шовной сварке.

Рис. 6. Шовная сварка постоянным током

Программа изменения тока и усилия сжатия. При периодическом вращении элек­тродов сварку можно вести с программным изменением тока и усилия сжатия, как и при точечной сварке. Это используется главным образом при соединении материа­лов, чувствительных к сварочному нагреву, например сплавов легких металлов.

Стыковая сварка

Схема сварки на рис. 9.

Стыковая сварка сопротивлением (давлением).

Заготовки, установленные и за­крепленные в стыковой машине, прижимают одну к другой определен­ным усилием, после чего по ним пропускают электрический ток. При нагревании металла в зоне сварки до пластического состояния происходит осадка. Ток выключают до окончания осадки. Этот способ сварки требует механической обработки и тщательной зачистки по­верхностей торцов заготовок.

Рис. 9. Принцип сварки: 1 — свариваемые заготовки; 2 — зажимные колодки; 3 — привод; 4 — сварочный трансформатор; 5 — уст­ройство для подачи и обжатия; 6 — станина

Неравномерность нагрева и окисление металла на торцах заготовок понижают качество сварки сопротивлением, что ограничивает область ее применения. С увеличением сечения заготовок качество сварки снижается особенно заметно, главным образом из-за образования окислов в стыке.

Рис. 10. Стыковая сварка сопротивлением (давлением): 1 — водоохлаждаемые зажимы; 2 — вода

Границы применимости. Размеры: для простых круглых заготовок свариваемое сечение 0.03 - 150 (200) мм²; для полос ширина 1—40 мм, толщина 1—3 мм.

Группы материалов: углеродистые, низколегированные и высоколегированные стали; легкие и тяжелые металлы сплавы (алюминий, медь, ни­кель, благородные металлы).

Область использования: сварка встык проволоки при производ­стве и обработке проволоки; сварка цепей (максимальный диаметр звена 16 мм) сварка встык полотен ленточных пил, полос из стали любой марки и из цветных металлов.

Диапазон параметров; плотность тока 40 - 50 А/мм², удельное давление при обжатии 10—30 МПа.

Стыковая сварка оплавлением

Стыковая сварка непрерывным оплавлением включает две стадии: оплавление и осадку. Заготовки устанавливают в зажимах машины, включают ток и медленно сближают их. При этом торцы заготовок касаются в одной или нескольких точках. В местах касания обра­зуются перемычки, которые мгновенно испаряются и взрываются. Взрывы сопровождаются характерным выбросом из стыка мелких капель расплавленного металла. При дальнейшем сближении загото­вок образование и взрыв перемычек происходят на других участках торцов. В результате заготовки прогреваются в глубину, а на торцах возникает тонкий слой расплавленного металла, облегчающий удаление окислов из стыка. В процессе оплавления заготовки укорачиваются на заданный припуск. Оплавление должно быть устойчивым (необ­ходимое условие - непрерывное протекание тока при отсутствии ко­роткого замыкания заготовок), особенно перед осадкой.

При осадке скорость сближения заготовок резко увеличивают, осу­ществляя при этом пластическую деформацию на заданный припуск. Переход от оплавления к осадке должен быть мгновенным, без малейшего перерыва. Осадка начинается при включенном токе и за­канчивается при выключенном.

Стыковая сварка непрерывным оплавлением обеспечивает равно­мерный нагрев заготовок по сечению и позволяет получать ста­бильное качество стыков.

Стыковая сварка оплавлением с подогревом отличается от сварки непрерывным оплавлением тем, что перед началом процесса оплавле­ния заготовки подогревают в зажимах машины периодическим смы­канием и размыканием при постоянно включенном токе. При этом происходит процесс прерывистого оплавления, и заготовки укорачи­ваются на заданный припуск. Выдержка при замыкании составляет около 0,5—3 с, а при размыкании 2—6 с. Число замыканий может быть от одного-двух до нескольких десятков в зависимости от раз­меров сечения заготовок.

Применение стыковой сварки оплавлением с подогревом позволяет;

предупредить резкую закалку и, следовательно, получить более пластич­ные стыки при сварке некоторых закаливающихся сталей; снизить требуемую мощность машины или на машине данной мощности сваривать заготовки с большими площадями сечения; осуществить осадку при меньшем усилии; сократить общий припуск на сварку.

Стыковая сварка импульсным оплавлением. При этом способе свар­ки, кроме основного поступательного движения, которое совершает под­вижная плита, одной из свариваемых заготовок сообщают колеба­тельные движения с заданными амплитудой и частотой. Способ от­личается высокой эффективностью, интенсивным нагревом металла при оплавлении.

Границы применимости. Размеры; сечение свариваемых изделий 10—40000 (80000) мм².

Группы материалов: углеродистые, низколегированные и высоко­легированные стали с содержанием углерода не более 0,22 %; легированные стали (с содержанием углерода до 0,6), инструментальные стали, стали для буровых штанг, подшипниковые стали, арматурные стали, стали для цепей; алюминий и его сплавы медь и ее сплавы; стальное литье.

Нельзя сваривать высоколегированные стали, содержащие алюминий и кремний! Нельзя также использовать данный способ для сварки чугуна.

Область использования: стыковые и косые швы при сварке квадрат­ных, круглых, прямоугольных и много­угольных сечений, сортового проката, об­легченного строительного профиля и труб в машиностроении, при монтаже стальных конструкций и для работ на железной до­роге; сварка встык при наращивании прут­ков горячекатаных заготовок для прокат­ного стана. Сварка встык полос для полу­чения ободов и круглых звеньев для изго­товления цепей.

Параметры: сварочный ток 15 - 50 кА; номинальная мощность 80—800 кВА; усилие обжатия 32 - 500 кН; усилие зажима 63-1000 кН.

Расчетное определение основных параметров сварки (для углеродистых и низколе­гированных сталей):

сварочный ток I_s = A_s^0.43 / 1,4 кА; (где A_s – площадь поперечного сечения детали в мм); расстояние между колодками (зажимами) E₁ + E₂ = 3.55 A_s ^0.41 мм; усилие осадки F_ос = A_s ^1.24 / 188 кН;

Лекция № 16

Сущность и основы способов сварки, относящихся к термомеханическому классу.

Сварка вращающимся трансформатором.

Ток подводится к одной стороне детали роликовыми электродами, несущими вра­щающийся сварочный трансформатор, а сжатие кромок производится боковыми на­жимными роликами. Сварка осуществляется непрерывно под давлением по торцо­вым поверхностям кромок после их достаточного нагрева. Применение: сварка заго­товок труб продольными швами.

Рис.7. Сварка вращаю­щимся трансформатором труб с пазом:

1 — сварочный трансфор­матор (вращающийся транс­форматор); 2 — охлаждение; 3 — изоляция; 4 — ролико­вые электроды; 5 — свароч­ный шов; 6 — боковые на­жимные ролики; 7 — стол; 8 — труба с пазом; 9 — сва­ренная часть трубы.

Границы применимости. Параметры: диаметр трубы 8—500 мм. Толщина листа: толщина стенок трубы s = 0,5—3 (15 мм). Группы материалов; нелегированные и низколегированные трубные стали. Область использования; изготовление сварных прецизионных стальных труб, труб с резьбой, водопроводных труб и труб теплообменных аппара­тов, а также профильных труб из полосовой стали.

Параметры: сварочный ток 30—200 кА; скорость сварки 8 - 70 м/мин; мощность сварки 100—2000 кВА; частота 50—400 (900) Гц.

Рекомендации по исполнению сварных соединений: стыкуемые кромки трубы должны быть прямыми и чистыми (протравленными или обработанными пескоструйным способом), параметры стыка должны обеспечивать плотное стыковое соединение.

1.1.3.2 Фольгостыковая сварка.

Листы можно сваривать без нахлестки встык с двусторонним подводом стальной фольги по схеме, показанной на рис. 8. Ток течет по фольге вдоль стыка кромок и нагревает их края. Для сварки всех сталей обычного качества целесооб­разно применять фольгу из осветленной низколегированной мягкой стали. При сварке листов из легированных сталей фольга должна иметь одинаковый с ними состав. Ширина фольги 4 мм, толщина 0,2—0,5 мм.

Рис. 8. Фольгостыковая сварка: С — стык; Р₁ и Р₂ — роликовые электроды, Ф₁ и Ф₂ — фольга; Н₁ и Н₂ — направляющие для фольги.

1.1.3.3 Сварка с раздавливанием кромок.

При этом способе сварки электроды переме­щаются по узкой нахлестке кромок листов, которые в результате нагрева проходя­щим током пластифицируются и под действием сжимающего усилия раздавливаются. Образуются швы с гладкой поверхностью и небольшим усилением. Толщина места соединения почти равна толщине одного листа. Для предотвращения относительного смещения листов в процессе сварки их предварительно прихватывают или зажимают в сборочных приспособлениях. Кромки могут сдавливаться не роликовыми элек­тродами, а специальными нажимными роликами, сжимающими их еще в горячем состоянии (Prep lap).

ДУГОПРЕССОВАЯ СВАРКА

Нагрев производится дугой, горящей непродолжительное время между соединяе­мыми поверхностями свариваемых деталей. Соединение образуется при ударной осадке.

Приварка болтовых деталей постоянным током

Болт устанавливают в сварочном пистолете и возбуждают дугу либо через тонкий выступ на его торце (рис. 11.), либо подъемом болта после короткого замы­кания. Дугу можно возбуждать и с помощью кольца, надеваемого на конец болта (рис. 12). В зависимости от развития процесса сварки различают два технологических ва­рианта способа.

При варианте Нельсона (Nelson) на привариваемый конец болта надевают флю­совое кольцо. Болт устанавливают на детали и через короткозамкнутую цепь болт - деталь пропускают сварочный ток. При подъеме болта с помощью магнита воз­буждается дуга между торцом болта и противоположным ему участком на по­верхности детали (возбуждение дуги при подъеме болта). После выключения тока и ударного прижатия болта к детали образуется соединение.

Рис. 11.

Рис. 12.

При варианте Кик-Арк (Сус—Arc) на конец болта наносят покрытие из алюми­ниевого сплава. Так же, как и флюс при первом варианте, покрытие обеспечи­вает ионизацию дугового промежутка и раскисление сварочной ванны. Керамиче­ское кольцо на конце болта служит для изоляции сварочной ванны от окружающей атмосферы, для концентрации дуги на ограниченном участке детали и для форми­рования усиления шва. Болт подают к детали в процессе горения дуги до тех пор, пока он не опустится в сварочную ванну. После этого ток выключают. Спе­циальной подготовки поверхности листа или детали, к которой приваривают болт, не требуется. Однако ржавчину, окалину и краску необходимо удалять сталь­ными проволочными щетками. Можно приваривать болты диаметром 2—25 мм. Производительность сварки 10 болт/мин, в особых случаях до 30 болт/мин.

Источники питания током. В. большинстве случаев применяют специальные трансформаторы с последовательно включенным выпрямителем, реже преобразова­тели Сварочные токи 250—2500 А при длительностях горения дуги 0,1—1 с.

Материалом болтовых деталей и деталей, к которым они прива­риваются, могут быть все свариваемые конструкционные стали, коррозионно-стойкие, кислотостойкие, жаропрочные и окалиностойкие стали. Для приварки алюми­ниевых болтов диаметром 6—12 мм необходимы приспособления, обеспечивающие газовую защиту. Так как сварочная ванна остывает быстро, возможно недопу­стимое повышение твердости в зоне термического влияния закаливающихся сталей. В таких случаях время сварки следует увеличивать.

Болтовые детали (шпильки, цилиндрические штифты, анкеры для железо­бетонных конструкций с головкой и болты), привариваются с возбуждением дуги подъемом после короткого замыкания.

Приварка болтовых деталей разрядом конденсатора

Болты диаметром до 8 мм приваривают путем разряда конденсатора. При этом способе, известном под названием способ Грахама (Graham), предварительно заря­женный конденсатор разряжается на промежуток между торцом болта и поверх­ностью детали. Отрицательный полюс батареи конденсаторов соединен с болтом. Торец болта при разрядке оплавляется. Возможна сварка болтов с листами и болтов с болтами. Для этого применяют конденсаторные батареи емкостью не менее 10⁶ мкФ. Напря­жения заряда составляют от нескольких сотен до тысячи вольт, сварка длится не­сколько миллисекунд. Благодаря короткому времени сварки можно соединять детали из разнородных материалов. Максимальный диаметр болта 8 мм. Производительность сварки 15 болт/мин, а при пневматической подаче болтов 60— 85 болт/мин.

Рис. 13. Ударная конденсаторная сварка болтов:

1 — болт (с острым концом); 2 — подкладка; 3 — зажим; 4 — магнит или пружина для выполнения удара; 5 — ручной сварочный пистолет; 6 — зарядная часть конденсатора; 7 — прибор зарядного напряжения; 8 — источник питания магнитной катушки; 9 — размыкатель; 10 — уровни болта

В зависимости от процесса образования разряда также различают два техноло­гических варианта способа. На конце болта имеется тонкий цилиндрический выступ. В одном из вариантов болт и деталь контактируют через выступ уже перед началом сварки. Ток большой плотности концентрируется в выступе и пос­ледний быстро плавится и испаряется. В образующемся зазоре возбуждается дуга.

По мере движения болта в сторону детали дуга укорачивается и гаснет при по­гружении болта в сварочную ванну. Обеспечивается воспроизводимость процесса в узких пределах.

В другом варианте болт и деталь устанавливают перед началом сварки с зазором. После подачи в сварочную цепь напряжения болт перемещают в сторону детали. При касании детали и выступа происходят те же процессы, что и в первом ва­рианте, однако воспроизводимость процесса образования разряда несколько хуже. Поэтому возможен большой разброс показателей прочности и пластичности сварного соединения. Разброс можно уменьшить, используя вспомогательную дугу, возбуж­даемую при подъеме болта после предварительного короткого замыкания и питае­мую током от отдельного источника. При перемещении болта к детали и разряде конденсатора, возбуждается основная сварочная дуга.

Рис. 14. Свариваемость ма­териалов болта и подкладка:

/ — не свариваются; //— нет данных; /// — сварива­ются хорошо; 1 — алюмини­евые сплавы; 2 — алюминий (99.5 %); 3 — латунь; 4 — высоколегированная хромоникелевая сталь; 5 — низкоуглеродистая сталь

Границы применимости. Размеры: диаметр болтов d = 3—8 мм; максимальная длина болтов / = 120 мм. Группы материалов: углеродистые и низколегированные стали; низкоуглеродистые стали; высоколегированные хромоникелевые стали; цветные металлы (алюминий) и сплавы цветных металлов (медные и алюминиевые сплавы).

Область использования: автомобилестроение и вагоностроение, судостроение и строительство конструкций, тяжелое машиностроение и химическое приборостроение для приварки болтов с резьбой, для крепления листов, труб, теп­лообменников и химической аппаратуры.

Параметры: напряжение заряда 20 - 100 В; емкость конденса­тора 60 Ф; плотность тока 10⁶ А/мм² (в зоне острого конца); продолжи­тельность сварки 5—6 мс; производительность 10—15 болтов/мин.

Техника сварки. Для сварки каких-либо материалов при данном диа­метре болта и толщине подкладки нужно знать только напряжение заряда и точно определить расстояние между болтом и подкладкой; слишком высокое на­пряжение заряда приводит к образованию брызг и вызывает появление пустот в зоне плавления. Для устранения пустот, газовых пузырей и в целом для получения высококачественного соединения нужно очистить свариваемые компоненты от окалины, жира и других загрязнений. Присадочные материалы не используются. Свариваемые материалы и их комбинации пред­ставлены на рис. 14.

Прессовая сварка дугой, вращающейся в магнитном поле.

При взаимодействии тока, протекающего через проводник, и магнитного поля соз­дается усилие, перемещающее проводник.

Рис. 15. Схема сварки вращающейся ду­гой: 1 — изделие; 2 — зажимные колодки (жесткие); 3 — зажимные колодки (допу­скающие возможность обжатия); 4 — ос­новной источник питания; 5 — магнитная катушка; 6 — источник питания магнит­ной катушки; 7 — аппарат для зажигания дуги.

Существуют два варианта способа, при которых дуга горит либо непосредственно между свариваемыми деталями либо между деталями и вспо­могательным электродом. Принципиально оба варианта не отличаются друг от друга. Возбужденная дуга взаимодействует с магнитным полем и вращается в зазоре (около 1,5 мм) между свариваемыми деталями (как правило, трубами). Торцы бы­стро нагреваются, а сварка осуществляется осадкой при выключенном сварочном токе и выключенных магнитных катушках. При сварке труб магнитные катушки устанавливают с двух сторон от стыка так, чтобы они не касались труб». Время сварки составляет несколько секунд, а давление 60—80 МПа. Этот способ, легко поддается автоматизации, применяют преимущественно для сварки стальных трубных заготовок с толщиной стенок до 4 мм. Возможна сварка заготовок толщиной до 8 мм.

Границы применимости. Размеры: диаметр труб 8 – 9 мм, толщина стенок 1,5 мм. Группы материалов; углеродистые и низколегированные трубные стали (полуспокойные, спокойные) с содержанием углерода не более 0,45%; теплостой­кие стали; высоколегированные хромоникелевые стали.

Область использования; водопроводные системы и нагревательные трубопроводы для оборудования строящихся зданий, а также для выполнения работ на монтажной площадке и в мастерских, трубопроводы гидравлических систем (номинальное давление 16 МПа). Трубопроводы для теплообменников электростанций. Стыковые соединения обычных и фасонных труб. Производство транспортного оборудования (осей, валов, распорок). Массовое производство элементов трубопроводов и сварка обрезков труб в от­дельную трубу.

Параметры; сварочный ток 80—1000А; продолжительность сварки: без программы по току 0,5—1,5 с; с программой по току 5—15 с; сварка сложных сечений и хромоникелевых сталей 15-5-25 с; удельное давление при обжатии 30—100 МПа (для обычных трубных сталей), 200—300 МПа (для хромоникелевых сталей). Дуга вращается, вдоль ребра стыкового соединения со скоростью от 8 м/с в начале сварки до 100 м/с.

ГАЗОПРЕССОВАЯ СВАРКА

Состыкованные в специальных устройствах детали из стали или меди нагревают ацетилено-кислородным пламенем в области сварного шва до температуры сварки. Сварное соединение образуется при последующей осадке. Схемы двух способов газопрессовой сварки (с боковым и торцовым нагревом) показаны на рис. 10.140 (16).

Температура сварки должна быть на 100—150 °С ниже тем­пературы солидуса свариваемого металла, в частности для стали 1200 °С. Время подогрева должно, быть достаточным для нагрева деталей до этой температуры по всему сечению. Другим важным параметром режима является ве­личина осадки. При сварке сталей минимальная величина осадки, требуемая для получения соединения высокого качества, тем больше, чем выше содержание в нем углерода. Чувствительным критерием оценки влияния величины осадки на свой­ства сварных соединений является их ударная вязкость. При сварке сталей, упрочненных в холодном состоянии, осадку часто выбирают равной диаметру сва­риваемых стержней. Качество соединений, выполненных газопрессовой сваркой, можно улучшить нормализацией.

Минимальное давление осадки для нелегированных сталей 25—35 МПа, для низколегированных сталей до 45 МПа и для высоколегированных и холодноупрочненных арматурных сталей 60—80 МПа. Основные области применения: сварка железнодорожных рельсов, арматурных сталей, а также медных контактных проводов.

При контактировании полупроводниковых элементов с проволокой диаметром 7—100 мкм из золота и сплавов золота или алюминия ее часто приваривают к кон­тактным площадкам термокомпрессией (соединение типа шляпки гвоздя). Этот способ контактирования, применяемый в полупроводниковой технике, является, по существу, прессовой сваркой с подогревом от 200 до 400 °С. На конце проволоки при отделении ее ранее приваренной части от катушки нагревом газовым пламенем образуется шарик. Проволока подводится принудительно по каналу в центри­рующем конусе инструмента. Шарик опускается на контактную площадку и при­варивается к ней с раздавливанием.

Границы применимости. Параметры: арматурные стали, пруток диаметром 10—40 мм, сортовой профиль высотой до 200 мм.

Группы материалов: свариваемые стали, преимущественно арма­турные.

Области использования; арматурные стали в строительстве и трубы в металлообрабатывающей промышленности; железнодорожный транспорт, сварка встык железнодорожных рельсов, монтажная сварка.

Виды горелок; плоская горелка для газовой сварки, кольцевая горелка для газовой сварки при нормальном регулировании пламени.

ЛИТЕЙНАЯ СВАРКА ДАВЛЕНИЕМ (ТЕРМИТНО-ПРЕССОВАЯ СВАРКА)

Заформованный участок сварки нагревается при заливке специально расплавленным теплоносителем (например, термитным способом), а соединение осуществляется под давлением. Способ применяется редко. При сварке тепло непосредственно переносится жидким теплоносителем. Оно образуется при химическом взаимодействии алюминиевого порошка и оксида металла с образованием оксида алюминия (шлака) и металла. Шлак или специальный флюс с высокой температу­рой плавления сливают из тигля раньше теплоносителя, что предотвращает непо­средственный контакт между теплоноси­телем и свариваемым металлом. Нагре­вающиеся до температуры сварки детали соединяются под давлением (рис. 17).

Границы применимости. Размеры; трубные профили и стыки рельсов любого сечения. Группы материалов: стали с эквивалентом по углероду С < 1,2 %.

Рис. 17. Принцип сварки:

1 — шлак; 2 — жидкий расплав; 3 — сва­риваемое изделие; 4 — наклонный тигель; 5 — форма.

Область использования: монтаж труб, сварка рельсов верхнего строения пути железнодорожного тран­спорта. Параметры: температура реакции 2730 С, температура термитной сварки 2000—2400 °С (шлак), 1300 °С (расплавленное железо), скорость плавления при термитно-прессовой сварке (стыковой) 12—15 кг/ч. Скорость сварки соответствует скорости разливки расплавов для сварки. Продолжительность сварки рельсового стыка (включая предварительные и окончательные работы) 40 мин. Разделка кромок при стыковом соединении без скоса кромок, гладкий срез, торцовые поверхности зачищены до металлического блеска.

КАМЕРНАЯ СВАРКА

Камерная сварка применяется преимущественно для ремонта кабелей. Концы обеих жил нагревают в камере до расплавления в течение 1,2—4 с мощным импульсом про­ходящего тока плотностью 300—400 А/мм², а затем слегка сдавливают. Ка­мерой может служить трубчатая керамическая втулка с отверстием, диаметр ко­торого равен 1,1 диаметра проводника. Она удерживает сварочную ванну и защи­щает ее от доступа воздуха. В результате образуется короткий, однородный беспо­ристый цилиндрический литой блок (длина 0,5—0,8 d_пр.).

КУЗНЕЧНАЯ СВАРКА

Место соединения нагревают пламенем до температуры сварки, а затем проковы­вают, прокатывают или прессуют.

Лекция № 17

Сущность и основы способов сварки, относящихся к механическому классу.

СВАРКА ТРЕНИЕМ

При относительном вращении осесимметричных сжатых деталей тонкий слой металла на их торцах нагревается до температуры, близкой к температуре плавления (не допуская оплавления), а после прекращения вращения и при приложении высокого давления образуется соединение без введения присадочного металла. Возможны раз­личные схемы процесса, отличающиеся числом вращающихся деталей, направлением вращения и способом приложения усилия (рис. 18).

Рис. 18. Направление вращения деталей и способ приложения усилия при сварке трением.

В процессе трения контак­тирующие поверхности нагреваются. Поскольку они не совсем ровные, контакт сна­чала происходит в отдельных точках. Температура на этих участках повышается, однако быстро падает в результате интенсивного теплоотвода. Средняя температура в зоне соединения растет, окисные пленки разрушаются и образуются местные очаги схватывания. Они мгновенно разрушаются, а затем образуются новые такие же быстроразрушающиеся очаги. С увеличением количества очагов схватывания растет момент трения, необходимый для их разрушения, одновременно темпера­тура трущихся поверхностей повышается. После достижения максимума момент трения опять уменьшается, что свидетельствует о снижении среднего коэффици­ента трения вследствие сглаживания торцов и об уменьшении прочности металла с повышением температуры. Соединение образуется на последнем этапе процесса при осадке.

Различают два варианта способа: обычную сварку трением и инерционную сварку трением.

Границы применимости. Размеры: диаметр сплошных изделий 6-100 мм, диаметр труб до 400 мм. Группы материалов: см. рис. 19(1.67). Область использования: производство валов, инструментов, фланцев, винтов, колец, ступиц, осей, болтов.

Параметры: сварка обычным методом: давление при нагреве 10-200 МПа, давление при сварке 20-400 МПа, скорость вращения 300-3000 об/мин, продолжительность нагрева 1-100 с, продолжительность сварки 1—10 с. Наплавка: давление 3-8 МПа, скорость вращения 1000— 2500 об/мин.

Сварка трением маховиков: 20—300 МПа, 900—5400 об/мин, продолжительность нагрева 0,125—2 с.

При использовании наружных кольцевых индукторов не наблюдается износа в отличие от случаев применения контактных электродов. Параметры тока опреде­ляются силой тока в индукторе, числом витков и частотой. При сварке присадочные материалы не используют, при наплавке применяют стеллит, сормайт. Режим термообработки выбирают в соответствии с требованиями, предъявляемыми к свариваемым материалам (аналогично стыковой сварке оплавлением).

Техника сварки. При сварке трением материалов с большой разницей в пластических свойствах следует уменьшить пластическую деформацию более мягкого материала за счет обжимной обоймы. Тонкостенные трубы и детали специальной формы обрабатываются с исполь­зованием специального зажимного устройства.

Обычная сварка трением. Одна деталь зажата неподвижно, а вторая вращается со скоростью 1800—5400 об/мин. При трении детали сжаты давлением 20—100 МПа. При достижении температуры сварки (примерно через 1—100 с) вращающаяся деталь останавли­вается в течение 0,1—0,5 с и происходит сварка под давлением осадки 40—280 МПа. Остановка осуществляется выключением электромотора и его торможением противотоком либо с помощью дискового или колодочного тормоза после выключения муфты.

Инерционная сварка трением. Вращающаяся деталь связана с маховиком, который приводится во вращение электродвигателем со скоростью 900—5400 об/мин. Когда накопленная энергия достигает заданной величины, маховик отличается от привода. Неподвижно зажатую и вращающуюся деталь сжимают давлением 40-280 МПа. Вследствие сопротивления трения относительная скорость вращения деталей быстро падает, и через 0,1—2 с вращающаяся деталь останавливается.

УЛЬТРАЗВУКОВАЯ СВАРКА

Ультразвуковая сварка по своей физической сущности занимает промежуточное положение между сваркой трением и холодной сваркой. В качестве инстру­мента служит неподвижная опора, жестко связанная с корпусом сварочной машины (рис. 20).

Верхний инструмент или наконечник, называемый зонотродом, совер­шает колебания с частотой 15—60 кГц, параллельными плоскости соединения. Амплитуда колебаний 3—50 мкм, мощность, затрачиваемая на сварку составляет 0,1—8 кВт, а время сварки 0,1—1 с. Скорость трения примерно l м/с при ускорёниях до 10⁵ м/с². Усилие сжатия составляет 10 мН при коммутации полупроводниковых элементов и 10³—10⁴ Н при сварке относительно толстых листов.

Рис. 20. Принцип ультразвуковой сварки металлов:

1 — магнитострикционный преобразо­ватель; 2 — наконечник; 3 — опора

Процесс сварки аналогичен сварке трением, но температура в зоне соедине­ния ниже. В процессе сварки поверхности свариваемых деталей пластически де­формируются. Поверхностные пленки разрушаются и образуются локальные физи­ческие контакты между свариваемыми металлами. Следствием является образование и многократно повторяющееся разрушение очагов схватывания. Сварное соеди­нение образуется в момент прекращения ввода ультразвуковых колебаний. Как и при сварке трением, при ультразвуковой сварке происходит относительное пере­мещение свариваемых деталей. Наблюдаются процессы рекристаллизации. Влияние поверхностных пленок на прочность соединений, выполненных ультразвуковой сваркой, невелико. Масло, пыль и краску следует удалять, так как они существенно снижают прочность.

На рис. 21. приведены сочетания материалов, успешно соединяемых ультразвуковой сваркой. Хорошо свариваются алюминий и его сплавы между собой, с медью, титаном, сталью и серебром. Возможно соеди­нение алюминия со стеклом. Свариваемость ухудшается с увеличением твердо­сти металла и зависит от его кристаллической структуры. Последнее связано со способностью металла проводить ультразвуковые колебания. Эта способность, а следовательно, и свариваемость для металлов с кубической гранецентрированной, объемно-центрированной и гексагональной решетками ухудшается в. пропорции 24:8:6. Качество сварного соединения определяется параметрами режима, размерами свариваемых деталей, местом введения колебаний, формой наконечника и опоры. Сварку разнородных ме­таллов целесообразно вести через промежуточные прокладки. При­менение прокладок рекомендуют, например, при сварке нелегирован­ной стали с высоколегированной, с цирконием. Можно соединять термопласты между собой и с пористыми или волокнистыми материалами, на­пример с картоном и тканями.

Ультразвуковую сварку применяют для соединения относительно тонких фольг, листов, проволок и других деталей. Хотя бы одна из свариваемых деталей должна быть относительно тонкой для подведения энергии непосред­ственно к месту сварки. Форма деталей должна обеспечивать возможность приложе­ния усилия перпендикулярно к свариваемым поверхностям. Особые преимущества этот способ сварки имеет при соединении разнородных и термочувствительных материалов.

Рис. 21. Возможные сочетания ма­териалов при ультразвуковой сварке.

Важной областью применения ультразвуковой сварки является про­изводство полупроводниковых элементов. Этим способом можно, например, при­варивать проволоки диаметром 10 мкм к кремниевым кристаллам или к золотым покрытиям, нанесенным конденсацией из паровой фазы. Другой важной областью применения этого способа является сварка пластмасс.

ХОЛОДНАЯ СВАРКА

Однородные и разнородные металлы можно сваривать при комнатной температуре. Для этого их тщательно очищенные поверхности должны деформироваться под давлением так, чтобы разрушались находящиеся на них посторонние пленки. Обнажа­ющиеся при этом участки чистого металла, не соприкасавшиеся с атмосферой, сбли­жаются до тех пор, пока не начнется атомное взаимодействие с образованием ме­таллических связей. Перед сваркой поверхности обезжиривают, а находящиеся на них пленки (например, оксидные) удаляют. Образующиеся в течение короткого времени после обработки новые окисные пленки разрушаются при деформации, дробятся и распределяются по увеличивающимся контактным поверхностям. Влияние слоя поверхностных окислов на процесс образования соединения уменьшается. Первые фундаментальные исследования холодной сварки проводились еще в на­чале XVIII столетия. Поскольку сварка осуществляется при комнатной температуре, хрупкие про­межуточные слои при соединении разнородных металлов не могут образовываться. Такие слои образуются при повышенных температурах, например при сварке плав­лением меди и алюминия. Инструменты, применяемые для сварки, должны соответствовать технологическому варианту способа и изготовляться с учетом размеров свариваемых деталей. Поэтому применение холодной сварки в индивидуальном и мелкосерийном производстве экономически нецелесообразно.

Рис. 21. Разновидности холодной сварки: а — сварка внахлестку; б — сварка встык; 1 — разъемные зажимные губки; О — направление осадки.

Сварка внахлестку. При сварке внахлестку (рис. 21, а) листовые детали, собранные с перекрытием, деформируют пуансонами. При этом образуются точеч­ные или линейные соединения. Этим способом можно осуществлять и плакирование холодной прокаткой.

Сварка встык. После соответствующей очистки детали зажимают в специаль­ном приспособлении (рис. 21, б), сближают их торцы и деформируют осадкой с образованием утолщения в стыке. При этом образуется сварное соединение, прочность которого в результате холодного упрочнения превышает исходную прочность свариваемого металла. Холодной сваркой можно соединять и ме­таллы с разной пластичностью. Для этого или уменьшают сечение детали из более твердого металла, облегчая ее пластическую деформацию, например обта­чивая со стороны свариваемого торца, или устанавливают вылеты деталей соответ­ственно твердостям свариваемых металлов. Особенно хорошо очищаются торцы при многократной осадке. Экономичность процесса повышается автоматизацией операций.

Холодная сварка в процессе волочения. Деформированием в процессе волочения можно изготавливать композиционные трубчатые и стержневые детали. Данные о прочности на срез плакирующих слоев, нанесенных холодной сваркой волочением, для комбинации меди с алюминием приведены на рис. 22.

Холодная сварка в процессе экструзии. Различают три технологических варианта холодной сварки экструзией (рис. 23): сварка деталей полого сечения с прямой экструзией (а), сварка деталей сплошного сечения с прямой экструзией (б) и сварка гильзовых соединений с обратной экструзией (в).

Рис. 22. Холодная сварка в процессе волочения (а): 1 — волочильные клещи; 2 - конец трубы; 3 — головка волочильного стан­ка; 4 — матрица; 5 — хвостовик оправ­ки; 6 — оправка ( труба с тру­бой, труба со стержнем, труба с трубой и труба со стержнем).

Преимущество этого способа сварки заключается в том, что в месте сварки сечение не ослабляется и не увеличивается. Операции сварки и формообразования изготовляемых деталей совмещены и осуществляются в течение одного рабочего хода. Прочность соединения не ограничивается прочностью на растяжение более мягкого металла, так как металл наклепывается не только вблизи места сварки, но и во всем объеме детали. Достигается большая размерная точность, что позволяет исключить операции последующей обработки. При сварке металлов с различной пластичностью значительно изменяется форма заготовки из более твердого металла, так как деформация, в отличие от свободной деформации при сварке встык, стеснена. Первые исследования холодной сварки экструзией проводились на соединениях меди и алюминия. Позже они были распространены на соединения стали с медью, никеля со сталью и др. При сварке разнородных металлов до­стигается более высокие прочности соединений, так как более твердый металл деформируется первым.

Рис. 23. Разновидности холодной экструзионной сварки.

До настоящего вре­мени холодную сварку применяли преимущественно в электротехниче­ской промышленности, например, при изготовлении биметаллических контактов, алюминиевых оболочек кабелей, сверхпроводников и для соединения мед­ных и алюминиевых проводов, в том числе и очень тонких. Для сварки проволок разработаны ручные сварочные клещи. С их помощью в настоящее время свари­вают встык медную проволоку диаметром 0,2 мм. Применяют холодную сварку и для соединения медных контактных проводов электрифицированных железных дорог.

ДИФФУЗИОННАЯ СВАРКА

Диффузионная сварка в отличие от холодной ведется при меньших давлениях и деформациях с нагревом до температуры выше температуры рекристаллизации. В связи с тем, что деформации, развивающиеся в процессе сварки, относительно невелики, очистки свариваемых поверхностей за счет выдавливания поверхностных пленок не происходит. Поэтому к качеству подготовки поверхности к сварке предъявляются высокие требования. Они долж­ны быть металлически чистыми с шерохо­ватостью не болеет 1 мкм.

Предпочтительна обработка полированием или притиркой. Сдавливая детали перед сваркой, сглажи­вают микровыступы, благодаря чему точечное контактирование переходит в плоское. Этот процесс существенно ускоряется при температуре сварки, которая обычно несколько выше 0,7T_s (в ⁰К), где T_s- температура плавления или температура солидуса более легкоплавкого металла в соединении. Для предотвращения окисления свариваемых поверхностей при этих температурах сварку ведут в вакууме, защитных газах (рис. 24), а в последнее время и в соляных ваннах. Время сварки относительно велико и составляет от нескольких минут до нескольких часов. В течение этого времени протекают процессы диффузии и рекристаллизации, ведущие к образованию сварного соеди­нения в твердом состоянии. Качество такого соединения однородных материалов может быть настолько высоким, что на микрошлифе нельзя обнаружить зоны раздела. Сварку некоторых металлов целесообразно вести через промежуточные слои из таких же или других материалов. Слои наносят из паровой фазы, гальваностегией или используют для этой цели фольгу. При введении мягкой фольги из того же материала, что и свариваемый, возможна сварка деталей с относительно шероховатыми поверхностями.

Рис. 24. Схема диффузионной сварочной установки: 1 — гидравлический насос; 2 — нажимной шток; 3 — охлаждающие трубки; 4 — ва­куумная камера; 5 — вакуумметр; 6 — ва­куумный насос; 7 — прибор для регистра­ции температуры; 8 — свариваемый обра­зец; 9 — манометр; 10 — индуктор

Промежуточные слои, применяемые при сварке разнородных материалов и отличающиеся от них, предотвращают образование хрупких интерметаллических фаз и в ряде случаев снижают требуемую температуру сварки. Кроме того, при их применении уменьшаются остаточные напряжения, развивающиеся при охлаждении вследствие различных коэффициентов термического расширения свариваемых ма­териалов. Материалы можно сваривать во многих сочетаниях (рис. 25).

До недавнего времени этот способ сварки применяли в особых случаях, когда использование других способов было ограничено или невозможно. Несмотря на высокое качество сварных соединений, внедрение ограничивалось не­обходимостью трудоемкой обработки свариваемых поверхностей и большим временем сварки (включая длительность вакуумирования). Последний недостаток устраняется при сварке в автоматических машинах с несколькими камерами. Производительность таких машин достигает 1000 сварок в смену.

Диффузионную сварку применяют главным образом в космической и ядерной технике. Кроме того, без последующей обработки сваривают, например, режущие части инструментов со стальными хвостовиками, бронзовые буксы с чугунными колесами, молибденовые нагревательные проводники или детали сложной формы,

Диффузионная пайка. При сварке разнородных металлов в месте соединения может образовываться жидкая фаза. Это имеет место, например в том случае, когда диаграмма состояния свариваемых материалов характеризуется наличием эвтектики, а выбранная температура сварки выше температуры плавления эвтектики. Такой процесс, соответствующий в остальном протеканию диффузионной сварки, называют диффузионной пайкой (например, при соединении меди с серебром).

Рис. 25. Сочетания материалов в соединениях, выполняемых диффузионной сваркой.

Диффузионную сварку через жидкую фазу называют также сваркой растворе­нием. Ее можно использовать и для нанесения износостойких ма­териалов. На этом же эффекте основан способ соединения TLP—Bonding. Это сокращенное название (англ.) расшифровывается следующим образом:

соединение с образованием нестабильной жидкой фазы (Transient Liquid Phase). Метод был разработан для соединения сплавов на никелевой основе. Применяют соответствующие промежуточные прокладки, например фольгу толщиной 75 мкм из сплава, содержащего 15 % Сг, 15 % Со, 5 % Мо, 2,5 % В, остальное Ni с тем­пературой плавления 1120°С (сварку ведут в вакууме или аргоне при давлении 0,07 МПа). Повышенное содержание бора обеспечивает низкую температуру плавления, и фольга в процессе сварки плавится. Поскольку время сварки велико, происходит полное выравнивание концентраций. Механические свойства соединения такие же, как и у основного металла. Применяется для приварки турбинных лопаток.

СВАРКА ВЗРЫВОМ

Сварка взрывом, в частности, листов внахлестку осуществляется под действием ударных волн, образующихся при детонации взрывчатого вещества. Соединяемые детали располагают под углом 1—15° друг к другу, который выбирают в зависимости от свариваемого материала и выбранной технологии, а с наружной стороны укладывают взрывчатое вещество. В результате взрыва соединяемые поверхности сближаются с большой скоростью. Соединение образуется последовательно с местной пластической деформацией в точках соединения. Взрывчатое вещество, как правило, в виде фольги, укладывают непосредственно или через защитный буферный слой на одну или обе свариваемые пластины. Давление, необходимое для образования соединения, может действовать одновременно по всей поверхности или распростра­няться в виде линейных сжимающих волн. Некоторые варианты относительного рас­положения деталей при плакировании взрывом показаны на рис. 26.

Рис. 26. Расположение деталей при плакировании взрывом;1 — плакирующая пластина со взрывчатым веществом; 2 — плакируемая пластина (под­ложка); 3 — основание; 4 — буферный слой; 5 — взрывчатое вещество.

Детонация распространяется со сверхзвуковой скоростью (3500—7200 м/с). Она является ударным гидродинамическим процессом, связанным с химическим превра­щением. Образующиеся продукты превращения, расширяясь, распространяются в зону детонации, сообщая находящейся под ними пластине импульс, ускоряющий ее по направлению к нижней пластине. В данном случае точка встречи пластин перемещается со скоростью слева направо. Скорость перемещения точки встречи, или скорость плакирования, зависит от количества и вида взрывчатого вещества и установочного угла . Достигают скорости плакирования 500—6500 м/с.

При определенных условиях в зоне встречи может образоваться струя горячего материала (рис. 27). Считают, что под действием струи поверхности сваривае­мых металлов оплавляются, а расплавленные зоны механически перемешиваются. В результате образуется плоская или волнистая граничная поверхность.

По аналогии с поведением жидких слоев волнообразный граничный слой можно рассматривать как вихревую дорожку. При встрече двух жидких потоков образуются регулярные вихревые конфигурации из периодически следующих встречно или одинаково закрученных вихрей. Они стабильны, если соответствуют вихревой дорожке Кармана (Karman) при соотношении высоты волны к ее длине a = 0,283. Такое соотношение обнаружено и у волнистых граничных поверхностей при сварке взрывом. При этом высота и длина волны увеличиваются с увеличением длины соединения, образующегося в направлении перемещения точки встречи.

Рис. 27. Плакирование взрывом: 1— приваренная часть плакирующей пластины; 2 —метаемая часть плакирующей пластины; 3 — неподвижная часть плакирующей пластины; 4 — фронт детонации взрывчатого вещества; 5 — взрывчатое вещество; 6 — плакирующая пластина; 7 — плакируемая пластина; 8 — движущийся ударный фронт воздуха; 9 — кумулятивная струя; 10 — точка встречи (напряжение 10^3-10⁴ МПа); 11 — турбулентное или ламинарное течение граничных слоев металла под высоким давлением; 12— волнистая зона соединения.

Критическая скорость плакирования. За исключением установочного угла  и угла встречи  строение граничной поверхности зависит в первую оче­редь от скорости плакирования. Можно определить критическую скоростьV_К1, при которой по всей длине сваренных образцов образуется ровная граничная по­верхность, среднюю критическую скорость V_к2, при которой эта граница имеет волнистую форму, и критическую скорость Vк₃, выше которой происходит неупоря­доченное вихреобразование. Соединения, сваренные взрывом, имеют, как правило, наибольшую прочность при критической скорости плакирования, соответствующей переходу от плоской к волнистой граничной поверхности.

Сварку взрывом применяют в основном для плакирования. В хи­мическом аппаратостроении широко используют стальные листы, плакированные титаном. Этим же способом сталь можно плакировать танталом и молибденом. Другие возможные сочетания материалов: алюминий/сталь, медь/алюминий, ни­кель/титан, алюминий/цирконий, алюминий/инконель.

Лекция 18

Технико-экономические показатели различных способов сварки.

G_н = I_св._н/t – количество наплавленного металла в единицу времени.