Tehnologiya_konstruktsionnyh_materialov
.pdf
редукторы. Одноступенчатый (однокамерный) газовый редуктор показан на рис.5.14. Запорный клапан 10 редуктора находится под давлением двух сил:
Рис. 5.14. Схема однокамерного газового редуктора:
1 – регулировочная пружина; 2 - гибкая мембрана; 3
- седло запорной пружины; 4 – толкач; 5 - запорная пружина; 6 – магистраль высокого давления; 7 –
манометр высокого давления; 8 - нажимной диск; 9
- камера низкого давления; 10 - запорный клапан;
11 - корпус; 12 – манометр низкого давления; 13 –
магистраль низкого давления.
давления запорной пружины 5 и давления гибкой мембраны 2. При нормальном рабочем давлении редуцированного газа в ка-
мере низкого давления 9 устанавливается равновесие, запорный клапан при-
жимается к седлу 3 запорной пружины и преграждает доступ газа из камеры высокого давления (из баллона). Гибкая мембрана, за счет регулировочной пружины 1,через нажимной диск 8 и толкач 4 воздействует на запорный кла-
пан и стремится открыть его. Изменяя натяжение регулировочной пружины можно менять рабочее давление. Корпуса редукторов для различных газов окрашиваются в тот же цвет, что и газовые баллоны.
Горелка для газовой сварки – устройство для газовой сварки с регули-
руемым смешением газов и созданием направленного газового пламени. Для сварки чаще всего используются газосварочные горелки инжекторного типа
(рис.5.15, а), так как они наиболее безопасны. Под давлением 0,1…0,4 МПа,
кислород поступает в горелку, через вентиль 4 и подается в кольцевой ин-
жектор 8. Выходя с большой скоростью из узкого канала инжектора, кисло-
род подсасывает горючий газ, поступающий через вентиль 7. В смесительной камере 3 получаем горючую смесь, которая, через мундштук 2, подается к сменному наконечнику 1.
161
При работе газовой горелки возможен так называемый обратный удар
(проникновение пламени и взрывной волны в шланги и далее в источник го-
рючего газа), что приведет к взрыву газа. Для предотвращения попадания Рис. 5.15. Сварочные го-
релки:
а – инжекторная; б –
безинжекторная; 1 -
сменный наконечник; 2 -
мундштук; 3 - смеси-
тельная камера; 4 - ки-
слородный вентиль; 5 –
кислородная магистраль;
6 – ацетиленовая магистраль; 7 - вентиль горючего газа; 8 - кольцевой ин-
жектор.
пламени в источник газа используются предохранительные затворы. Разли-
чают предохранительные затворы сухие и жидкостные (водяные затворы).
Наибольшее распространение получили водяные затворы. Для генераторов низкого давления применяют затворы открытого типа. В них взрывная волна и пламя, движущиеся навстречу горючему газу, выводятся в атмосферу. Наи-
более безопасны затворы закрытого типа. В них взрывная волна и пламя га-
сятся внутри затвора.
Все горючие газы, содержащие углеводороды, при сгорании образуют сварочное пламя, имеющее три отчетливо видимые зоны (рис. 5.16). Зона 1 –
ядро пламени, зона 2 – восстановительная; зона 3 – факел. Ядро имеет форму закругленного ярко светящегося конуса. Оно состоит из раскаленных частиц углерода сгорающих в наружной части ядра. Восстановительная зона в ос-
новном состоит из окиси углерода, получаемого за счет сгорания ацетилена:
C2H2+O2=2CO2+2H2O. Эта зона имеет более темный цвет. Наибольшая тем-
пература сварочного пламени находится в этой зоне, на расстоянии 2…4 мм от ядра. Факел имеет удлиненную конусообразную форму. Он состоит из уг-
162
лекислого газа и паров воды, которые получаются при сгорании окиси угле-
рода и водорода, поступающих из восстановительной зоны и из окружающе-
го атмосферного воздуха:
Рис. 5.16. Строение и распре-
деление температур ацетилен
- кислородного пламени:
а – нормальное пламя; б –
окислительное пламя; в –
восстановительное пламя; 1 –
ядро; 2 – восстановительная зона; 3 – факел; Т – температура.
4CO+2H2+3O2=4CO2+2H2O. Внешний вид и температура газового пламени зависит от соотношения объемов ацетилена и кислорода β=V1/V2, где V1 -
объем подаваемого в горелку кислорода; V2 - объем подаваемого в горелку ацетилена. В зависимости от величины β можно получить три вида сварочно-
го пламени: нормальное, окислительное и восстановительное. Для нормаль-
ного пламени (рис. 5.16, а) (β = 1…1,3) характерно отсутствие в восстанови-
тельной зоне свободного кислорода и углерода. окислительное пламя полу-
чается при избытке кислорода (β = 1,5…1,7). Ядро окислительного пламени
(рис. 5.16, б) имеет конусообразную форму бледной окраски. Все пламя при-
обретает синевато – фиолетовую окраску и горит с характерным шумом.
Температура пламени несколько выше, чем у нормального. При сварке ста-
лей наблюдается значительное окисление сварного шва, поэтому пламя при-
меняют для сварки латуни и для пайки твердыми припоями. Науглерожи-
вающее пламя (рис. 5.16, в) получается при избытке ацетилена (β = 0,95). Яд-
ро пламени может иметь несколько зубчиков, теряет резкость очертаний, а на его конце появляется зеленый венчик. Восстановительная зона почти слива-
ется с ядром. При большом избытке ацетилена (β > 0,95) пламя начинает коп-
тить. Избыточный углерод легко поглощается расплавленным металлом сварного шва. При использовании окислительного сварочного пламени про-
163
исходит интенсивное окисление железа: Fe+O=FeO. Образующаяся закись железа окисляет легирующие элементы и углерод: Si+2FeO=SiO2+2Fe; Mn+FeO=MnO+Fe; Fe3C+FeO = CO↑+4Fe (частичное восстановление железа).
Окислы марганца и кремния могут остаться в металле сварного шва или всплыть вверх и перейти в сварочный шлак. Если содержание марганца,
кремния и углерода в сварочной ванне недостаточно, то восстановление же-
леза не происходит, что приводит к ухудшению механических свойств свар-
ного шва. При сварке науглероживающим пламенем окись углерода и сво-
бодный углерод реагируют с железом, образуя карбид железа:
3Fe+2CO=Fe3C+CO2; 3Fe+C= Fe3C. Следовательно, происходит науглерожи-
вание железа. Эти химические реакции позволяют применять науглерожи-
вающее пламя для сварки чугуна. При сварке нормальным пламенем свароч-
ная ванна контактирует в основном с водородом и окисью углерода, обра-
зующимися в восстановительной зоне сварочного пламени. Обычно окись углерода не успевает вступить в химическую реакцию с легирующими эле-
ментами стали. При высоких температурах водород растворяется в расплаве железа. При охлаждении сварочной ванны водород выделяется из расплава,
поступает в факел сварочного пламени и сгорает с образование паров воды.
При сварке медных и алюминиевых сплавов, высоколегированных сталей,
выделяющийся водород приводит к растрескиванию и пористости сварного шва.
ГС применяют при: изготовлении и ремонте изделий из тонколистовой стали (сварка сосудов и резервуаров небольшой емкости, заварка трещин,
вварка заплат и т.д.); сварке трубопроводов малых и средних диаметров (до
100мм) и фасонных частей к ним; ремонтной сварке литых изделий из чугу-
на, бронзы и силумина (заварка литейных дефектов); сварке изделий из алю-
миния и его сплавов, меди, латуни, свинца; наплавке латуни на стальные и чугунные детали; сварке кованого и высокопрочного чугуна с применением присадочных прутков из латуни и бронзы, низкотемпературной сварке чугу-
на.
164
Газокислородная резка металлов заключается в сжигании нагретого ме-
талла в струе чистого кислорода. Различают два вида резки: разделительная и поверхностная. При разделительной резке из металлического листа вырезает-
ся заготовка для дальнейшей обработки. Разделительная резка может осуще-
ствляться вручную по разметке. В серийном производстве применяется резка с использованием стационарных машин по шаблонам. При поверхностной резке удаляется лишний металл с поверхности изделий. Для осуществления процесса резки необходимы следующие условия: Температура плавления ме-
талла должна быть больше температуры его горения в атмосфере кислорода.
В противном случае, металл будет плавиться и переходит в жидкое состояние до резки. Температура плавления шлаков должна быть меньше температуры горения металла в атмосфере кислорода (выделение шлаков должно проис-
ходит в жидкотекучем состоянии). Количество тепла, выделяемого при резке должно быть достаточным для поддержания непрерывности процесса. Теп-
лопроводность металла не должна быть слишком высокой и должна способ-
ствовать сохранению тепла на поверхности кромки реза. Температура плав-
ления шлаков должна быть меньше температуры горения металла в кислоро-
де. Количество теплоты, выделяемой при резке должно поддерживать непре-
рывность процесса. Температура плавления металла должна быть больше температуры его горения в кислороде. Наиболее полно этому условию удов-
летворяют низкоуглеродистые и низколегированные стали. При содержании в стали углерода 0,4…0,5% резка усложнена, при содержании углерода более
1,2% резка невозможна. При содержании в стали марганца 4…10% резка ус-
ложняется; при содержании марганца более 14% резка невозможна.
Газовый резак отличается от газовой горелки наличием дополнитель-
ного кислородного вентиля. Процесс резки осуществляется в два этапа. Пер-
вый - нагрев зоны резки до температуры горения металла в кислороде (харак-
теризуется появлением большого числа искр); второй - собственно резка (от-
ключается ацетилен и кислород из основной магистрали). Дополнительным вентилем подключается кислород.
165
5.4.Лучевые виды сварки
Клучевым видам сварки относятся: электронно-лучевая и лазерная
сварка.
Электроннолучевая сварка Электроннолучевая сварка (ЭЛС) – сварка плавлением, при которой
для нагрева используется энергия ускоренных электронов. Электронный луч это сжатый поток электронов, перемещающихся с большой скоростью от ка-
тода к аноду в сильном электрическом поле. При соударении электронного потока с твердым телом до 90% кинетической энергии электронов переходит в тепловую. Температура в месте соударения достигает 5 000…6 000ºС.
При сварке электронным лучом теплота выделяется непосредственно в самом свариваемом металле, вызывая плавление и частичное испарение ме-
талла. Расплавленный металл заготовок вытесняется из зоны сварки давлени-
ем паров металла (парогазовый канал). Расплавленный металл распределяет-
ся по сварочной ванне неравномерно: фронт расплава (передняя стенка кана-
ла) имеет толщину 0,05…0,5 мм, а сзади электронного луча, ближе к верхней части ванны, сосредоточен основной объем расплава. При кристаллизации этого основного объема и образуется сварной шов.
Обычно ЭЛС производится в вакуумных камерах при давлении
10-3Па. Вакуум обеспечивает беспрепятственное перемещение электронов и защиту от окисления катодной нити и зоны сварки.
На рис. 5.17, а приведена схема ЭЛС с классической электронной пушкой.
Образование луча начинается с эмиссии электронов с нагретой вольфрамо-
вой спирали 9. Ускорение электронов происходит за счет ускоряющего на-
пряжения (30…150 кВ) между катодом 8 и кольцевым анодом 7. Для прохо-
ждения электронного луча 10, анод снабжен центральным отверстием. Фоку-
сирующая обмотка 6 фокусирует луч до диаметра 0,1…0,5 мм. При переме-
щении заготовок 3 и 12, под неподвижным лучом образуется сварной шов 11.
Конфигурация сварного шва обеспечивается перемещением электронного
166
луча с помощью отклоняющей системы 5 или перемещениями стола 2, на ко-
тором закреплены заготовки.
Высокая концентрация энергии в сфокусированном луче (до (5…7,5)104
Вт/мм2) реализует кинжальное плавление материала заготовок. Кинжальное плавление материала заготовок позволяет получать сварной шов
Рис. 5.17. Электроннолучевая свар-
ка:
а – схема установки; б – образец сварки; 1 - вакуумная камера; 2 - –
стол; 3, 12 – свариваемые заготов-
ки; 4 – система наблюдения; 5 - от-
клоняющая система; 6 - фокуси-
рующая обмотка; 7 - кольцевой анод; 8 - катод; 9 - вольфрамовая спираль; 10 - электронный луч; 11 -
сварной шов; 13 – вакуумная маги-
страль.
(рис. 5.17, б) с отношением глубины шва к его ширине до 1:30 с узкой
з.т.в.
ЭЛС позволяет сваривать большинство токопроводящих материалов
(легированные и высоколегированные стали; титановые, вольфрамовые, тан-
таловые, ниобиевые, циркониевые, молибденовые и никелевые сплавы; неко-
торые керамики). ЭЛС применяют для соединения малогабаритных (элек-
троника, приборостроение, часовая промышленность) и крупногабаритных деталей (диски диаметром 50…2300 мм; цапфы; валы; рычаги; трубные и корпусные изделия).
167
Лазерная сварка Лазерная сварка – сварка плавлением, при которой для нагрева исполь-
зуется энергия излучения лазера. Лазерный луч представляет собой вынуж-
денное монохроматическое излучение. Источником светового излучения яв-
ляется оптический квантовый генератор - лазер. Длина волны излучения, в
зависимости от природы рабочего тела лазера, лежит в пределах от 0,1 до 10
мкм. Атомы вещества имеют определенный запас энергии и находятся в ус-
тойчивом энергетическом состоянии. Если атому дать дополнительную энер-
гию («накачка» или «возбуждение» атома), он выйдет из равновесного со-
стояния. Излучение возникает в результате вынужденных скачкообразных переходов атомов рабочего тела лазера на более низкие орбиты. При этом возбужденный атом стремится вернуться в устойчивое энергетическое со-
стояние и отдает квант энергии в виде фотона. Испускание света можно ини-
циировать воздействием внешнего фотона, обладающего энергией, соответ-
ствующей разнице энергий атома в возбужденном и нормальном состоянии.
В результате, генерируются два фотона с одинаковой частотой. Одновремен-
но протекает и обратный переход. Поэтому, для получения заметной генера-
ции вынужденного излучения необходимо добиться превалирования перехо-
дов с возникновением новых фотонов. Этого можно добиться воздействием различных источников энергии (световой, тлеющий или электрический раз-
ряд; химическая реакция). Энергия единичного импульса невелика, но эта энергия выделяется за 10-6 с на площади 0,01 мм. Поэтому в фокусе луча обеспечивается температура 6 000…8 000оС. в месте попадания луча (на по-
верхности заготовки), металл мгновенно нагревается и испаряется. Схема лазерной сварки приведена на рис. 5.18, а. При плотностях тока ≈ 104 Вт/мм2 в
Рис. 5.18 Лазерная сварка: а – схема свар-
ки; б – сварной шов; в - образец сварки; 1 –
заготовки; 2 – расплавленный металл; 3 –
168
полость; 4 – лазерный луч; 5 - сварной шов; Vсв - скорость перемещения ла-
зерного луча.
пятне нагрева начинается локальное испарение металла. В расплавленном металле 2 образуется полость 3. давление паров испаряющегося металла за-
готовок 1 не дает полости захлопнуться под действием гидростатических сил расплава. При соответствующей скорости
перемещения (Vсв) лазерного луча 4 образовавшаяся полость приобретает ди-
намическую устойчивость и движется вместе с лучом.
Перед полостью происходит плавление металла, а позади нее – затвердева-
ние. При наличии полости, излучение поглощается не только поверхностью металла заготовок, но и в его глубине. После прохождения луча, полость за-
полняется жидким металлом и образуется узкий сварной шов 5 (рис. 5.18, б),
глубина которого значительно больше его ширины.
Лазерная сварка позволяет: соединять разнородные металлы при тол-
щине заготовок от 0,5 до 10 мм и скорости сварки до 50 м/мин. Обеспечивать небольшое тепловое влияние на около шовную зону и малые деформации го-
тового изделия. Легко автоматизировать процесс сварки. Сваривать конст-
рукции, которые невозможно было соединять обычными способами сварки.
Управление лучом с помощью системы специальных зеркал позволяет сва-
ривать труднодоступные места и получать криволинейные сварные швы.
Лазерную сварку малых толщин применяют в электронной и радиотех-
нической промышленности для сварки проводов, элементов микросхем, при ремонте вакуумных приборов и т.д. лазерную сварку с глубоким проплавле-
нием применяют при производстве корпусных деталей, валов (в том числе карданных), осей, для сварки труб, арматурных конструкций.
Лазерная резка применяется для резки заготовок со сложным контуром из листовых материалов. Сфокусированным лазерным лучом можно разре-
зать практически любые материалы. Лазерная резка позволяет получать уз-
кий и точный рез с минимальной з.т.в. Отсутствие механического воздейст-
169
вия на материал позволяет разрезать легкодеформируемые и нежесткие заго-
товки.
5.5.Механические виды сварки
Кмеханическим видам сварки относятся: холодная и ультразвуковая сварка; сварка трением; сварка взрывом.
Холодная сварка Холодная сварка – сварка давлением при значительной пластической
деформации без нагрева свариваемых частей внешними источниками тепла.
Холодной сваркой можно соединять только весьма пластичные металлы
(алюминий и его сплавы, медь, свинец, олово). Обязательными условиями получения сварного соединения являются: очистка кромок соединяемых за-
готовок от загрязнений (промывка растворами, бензином, спиртом) и окис-
ных пленок. Применение абразивного инструмента недопустимо, так как шаржированные в поверхность заготовок абразивные зерна затруднят полу-
чение сварного соединения. Предварительная подготовка поверхностей заго-
товок (шероховатость - Rz не более 10 мкм; не плоскостность поверхности не более 0,1 мм).
Холодная сварка применяется: В автотракторной промышленности для:
изготовления радиаторных трубок, карбюраторных поплавков и поплавков датчиков уровня топлива; изготовления медных и алюминиевых уплотни-
тельных колец гидравлического оборудования, обрамляющих колец – окан-
товок приборных шкал, высоковольтных проводов, контактных групп реле;
герметизации корпусов электрических приборов. В электротехнической и ра-
диоэлектронной промышленности для: соединения медных и алюминиевых проводников, изготовления ребристых охладителей силовых полупроводни-
ковых приборов, армирования медью алюминиевых токопроводящих эле-
ментов, герметизации корпусов радиоэлектронных изделий. В пищевой про-
мышленности для: изготовления и герметизации алюминиевых емкостей.
170