34.Технологические особенности изготовления сварных заготовок
В тех случаях, когда производство цельных заготовок связано с большими технологическими трудностями, целесообразно изготавливать их сварными. Сварные изделия состоят из отдельных заготовок, изготавливаемых с применением рассмотренных в предыдущих лекциях методов. Упрощение изготовления сварных конструкций по сравнению с отливками и поковками ведет к сокращению сроков освоения производства, снижению трудоемкости и себестоимости изготовления заготовок. В связи с уменьшением толщины стенок и упрощением конструкции изделий применение сварных заготовок взамен литых дает экономию металла до 30…60%. Кроме того, удельные капитальные вложения на 1 т сварных заготовок примерно в 3 раза меньше, чем на 1 т стального литья. Сварные конструкции классифицируются:
-по методу получения исходных заготовок (листосварные, штампосварные и др.);
-по целевому назначению (авиационные, автомобильные и др.);
-по толщине свариваемых элементов (тонкостенные или толстостенные);
-по применяемым материалам (стальные, алюминиевые, титановые и др.).
В зависимости от характерных особенностей работы конструкций, выделяют следующие типы сварных изделий: балки, колонны, оболочковые и корпусные конструкции, станины, валы, колеса и т.п. Элементы сварных заготовок изготавливают из различных материалов при толщине от десятых долей миллиметра до 1000 мм и более. Практически все сварные изделия в процессе их изготовления подвергаются термической обработке перед окончательной механической обработкой резанием для снятия остаточных напряжений. В зависимости от используемой энергии для образования сварного соединения все виды сварки разделяют на три класса: термический, термомеханический и механический. К термическому классу относятся виды сварки, осуществляемые плавлением с использованием тепловой энергии (дуговая, плазменная, электрошлаковая, электронно-лучевая, лазерная, газовая и др.). К термомеханическому классу относятся виды сварки, осуществляемые с использованием тепловой энергии и давления (контактная, кузнечная, диффузионная, газопрессовая и др.). К механическому классу относятся виды сварки, осуществляемые с использованием механической энергии (трением, взрывом, холодная, ультразвуковая и др.). Дуговая сварка (ручная, полуавтоматическая и автоматическая (фильм)) является наиболее распространенным технологическим процессом сварки. Ручную сварку применяют для получения швов небольшого размера (фильм). За один проход без предварительной разделки кромок. Ручной сваркой соединяют заготовки толщиной 4…8 мм. Автоматическую сварку можно выполнять одним или несколькими электродами под слоем флюса (фильм), в среде защитных газов (аргона, гелия, углекислого газа)(фильм). При сварке под флюсом толщина свариваемых элементов может достигать 20 мм без разделки кромок, и производительность сварки возрастает в 6-8 раз по сравнению с ручной. Производительность полуавтоматической сварки в углекислом газе примерно в 2-4 раза выше, чем ручной. Электрошлаковая сварка (фильм) при производстве толстостенных (s>50 мм) сварных конструкций в тяжелом машиностроении обеспечивает высокую экономическую эффективность за счет снижения потребления электроэнергии в 1,5-2 раза и флюса - в 20-40 раз по сравнению с автоматической дуговой сваркой под флюсом. Кроме того, при этом виде сварки не требуется предварительная разделка кромок. Электронно-лучевая сварка (фильм) позволяет получить сварные соединения без существенных деформаций и с низким уровнем сварочных напряжений. Кроме того, проведение процесса в вакууме обеспечивает получение зеркально чистой поверхности шва и дегазацию расплавленного металла. Этим видом сварки получают изделия из тугоплавких химически активных металлов и их сплавов, а также из алюминиевых сплавов и высоколегированных сталей.
Контактная сварка характеризуется кратковременным нагревом места соединения без оплавления или с оплавлением и с последующей осадкой разогретых заготовок. Характерная особенность этого процесса - пластическое деформирование, в ходе которого формируется сварное соединение. Контактная сварка (стыковая (фильм), точечная (фильм), шовная (фильм), конденсаторная (фильм)) отличается высокой производительностью и экономичностью. Этот вид сварки применяют для соединения заготовок из углеродистых, низколегированных и коррозионостойких сталей, а также из алюминия, титана и их сплавов. При стыковой сварке можно соединить стальные стержни, рельсы, трубы и другие профили сечением до 10000 мм2,а заготовки из цветных сплавов - сечением до 4000 мм2. Точечной сваркой соединяют заготовки (листы, швеллеры, уголки и т.п.) одинаковой или разной толщины от сотых долей миллиметра до 30 мм. Шовной сваркой соединяют внахлест листовые заготовки непрерывным швом при изготовлении герметичных емкостей, кузовов автомобилей и т.п.
Сварка трением (фильм) происходит в твердом состоянии при воздействии теплоты, возникающей при трении соединяемых поверхностей. Трение в зоне сварки осуществляется вращением или возвратно-поступательным перемещением сжатых заготовок. При этом виде сварки по сравнению с контактной стыковой снижаются затраты энергии в 5-10 раз. Сваркой трением соединяют однородные и разнородные металлы и сплавы с различными свойствами, например, медь со сталью, алюминий с титаном и др. В промышленности сварку трением применяют при изготовлении режущего инструмента, различных валов, штоков с поршнями, пуансонов и т.п.
Холодную сварку (фильм) выполняют без нагрева при обычных, даже пониженных температурах. Этим видом сварки выполняют точечные, шовные и стыковые соединения заготовок толщиной 0,2…15 мм. Необходимое давление в зоне сварки зависит от химического состава, толщины соединяемых элементов и в среднем составляет 150…1000 МПа. Холодной сваркой формируют соединения из однородных и разнородных металлов и сплавов, обладающих высокой пластичностью. Этот вид сварки используют для соединения заготовок из алюминия, меди, никеля, свинца, серебра, цинка и золота.
При производстве заготовок ограниченно применяют газовую, плазменную, лазерную (фильм), диффузионную (фильм),ультразвуковую и ряд других видов сварки. В изделиях сложной геометрической формы, при изготовлении которых применение сварки затруднительно, целесообразно выполнять соединение пайкой.
Пайка является технологическим процессом получения неразъемного соединения заготовок без их расплавления путем смачивания поверхностей жидким припоем с последующей его кристаллизацией. Образование соединения без расплавления основного металла обеспечивает возможность распая соединения. При пайке заготовки соединяются в результате смачивания, растекания жидкого припоя по нагретым поверхностям и затвердения его после охлаждения. Свойства паянных соединений (прочность, герметичность, надежность и др.) зависят от характеристик материала заготовок, припоя, способа нагрева, зазоров, типа соединения. Паять можно углеродистые и легированные стали всех марок, тугоплавкие металлы, твердые сплавы, цветные металлы и их сплавы, чугуны, а также разнородные металлы, стекло, керамику, графит и др.
Припой представляют собой сплавы цветных металлов и должны хорошо растворять основной металл, обладать смачивающей способностью, требуемой температурой плавления и минимальным интервалом кристаллизации. Все припои по температуре плавления подразделяют на особо легкоплавкие (Тпл £145 oС), легкоплавкие (Тпл =145…450 oС), среднеплавкие (Тпл =450….1100 oС) и тугоплавкие (Тпл >1050 oС). Способы пайки классифицируют в зависимости от используемых источников нагрева. Наиболее распространена в промышленности пайка в печах, индукционная, погружением, газопламенная и паяльниками. Выбор способа пайки выполняют исходя из требований, предъявляемых к паяемому изделию, с учетом состава и свойств заготовок и припоя, типа производства и наличия на предприятии соответствующего оборудования.
Основными типами паяных соединений являются: внахлестку, встык, вскос, в тавр, в угол и соприкасающиеся. Зазор между соединениями поверхностями должен быть таким, чтобы улучшить заполнение припем под действием капиллярных сил и увеличить прочность соединения. Так, для серебряных припоев устанавливают зазор до 0,05 мм, а для меди - до 0,012 мм.