Волочение в ряде случаев применяется для калибровки сортового проката. Для этого производят одну или несколько протяжек, что повышает точность размеров сечения и улучшает качество поверхности.

Ковка

Ковка - процесс обработки давлением, при котором для получения изделия заданных форм и размеров по заготовке наносится ряд последовательных ударов бойками молота или нажимов пресса. Изделие, получаемое ковкой или горячей штамповкой, называют поковкой. Ковкой получают поковки массой от 0,1 кг до 400 т. Ковка делится на ручную и машинную. Ковку применяют при штучном и мелкосерийном производстве, если к деталям предъявляются повышенные требования по совокупности механических свойств (вибропрочность, сопротивление усталости и др.).

Все оборудование для ковки и штамповки можно разделить на две группы: машины статического действия и машины динамического действия.

К машинам статического действия относятся ковочные гидравлические прессы. Ковочные гидравлические прессы строят с номинальной силой до 200 МН и более. Поковки массой 3...5 Мг и более куют только на гидравлических прессах.

К машинам динамического действия относятся ковочные молоты различных конструкций, с ударной массой от 50 кг до 800 Мг и энергией удара от 0,8 до 200 кДж.

Исходным материалом для ковки служат слитки, прокат и прессованные заготовки. Малые и средние поковки массой до 500 кг (вагонные оси, шатуны, небольшие коленчатые валы, кольца крупных подшипников, рычаги крюки, заготовки для штамповочного инструмента и др.) изготавливают из блюмсов, сортового проката и прессованных заготовок. Тяжелые поковки массой до 250…300 кг (судовые прямые и коленчатые валы, валы гидрогенераторов и турбин, колонны прессов, прокатные валки и др.) изготавливают из слитков круглого, многогранного и квадратного сечений. Пустотелые крупные поковки (цельнокованые барабаны сосудов и котлов высокого давления, роторы генераторов, турбинные диски, трубы и кольца) куют из полых слитков.

Основные операции ковки. Осадка - уменьшение высоты заготовки при увеличении ее диаметра (рисунок 4.6, а). Осадку применяют для получения поковок типа «диск»; как предварительную операцию перед прошивкой; при изготовлении пустотелых заготовок; для уничтожения литой дендритной структуры, измельчения зерна. Осадкой не рекомендуется деформировать заготовки при отношении высоты к диаметру более 2,5. Разновидностью осадки является высадка (4.6, б). Высадка - осадка металла на части длины заготовки. Протяжка - удлинение заготовки или ее части (разгонка) за счет уменьшения ее площади поперечного сечения (4.6, в). Протяжку производят последовательными ударами плоского или вырезного бойка по отдельным участкам заготовки, с подачей последней вдоль оси протяжки и переворотом (при необходимости) на 90°. При каждом ударе уменьшается высота, одновременно увеличиваются ширина и длина заготовки. При перевороте заготовки, последующие удары устраняют уширение заготовки.

а - осадка; б - высадка; в - протяжка; г - протяжка с оправкой; д - раскатка на оправке; е - гибка; ж - отрубка; и - прошивка неглубоких полостей; к - прошивка глубоких полостей; л - прошивка сквозных полостей; м - высадка с подкладкой; стрелками указаны направления действия силы ковки

Рисунок 4.6 - Основные операции ковки

При протяжке цилиндрических заготовок плоскими бойками, в центре удара появляются значительные растягивающие напряжения и возможно появление трещин. При протяжке заготовок вырезными бойками, силы, направленные с четырех сторон, способствуют более равномерному течению металла, что устраняет возможность появления осевых трещин. Протяжка с оправкой (4.6, г) - увеличение длины пустотелой заготовки за счет уменьшения толщины стенок. Протяжку выполняют в вырезных бойках с установкой заготовки на коническую оправку. Раскатка на оправке (4.6, д) - одновременное увеличение наружного и внутреннего диаметров заготовки за счет уменьшения толщины ее стенок. Гибка (4.6, е) - придание заготовки изогнутой формы по заданному контуру. При гибке необходимо учитывать: пружинение заготовки; искажение ее поперечного сечения (утяжка); возможность образования складок по внутреннему радиусу. Отрубка (4.6, ж) - отделение части заготовки по не замкнутому контуру. Отрубку производят топорами различной формы. Скручивание - поворот части заготовки вокруг ее оси. Прошивка - получение полостей в заготовке. Неглубокие полости получают за один проход (4.6, и), глубокие полости получают за два и более прохода (4.6, к), сквозные полости получают за несколько проходов с переворотом заготовки (4.6, л). В тонких заготовках, сквозные отверстия получают высадкой с подкладкой (4.6, м). Небольшие партии заготовок со сложной конфигурацией куют в подкладных штампах. Подкладной штамп состоит из одной или двух частей, в которых выполнена полость, соответствующая конфигурации поковки.

Объемная штамповка

Объемная штамповка - метод обработки, основанный на применении специального инструмента - штампа. Штамп состоит из двух или нескольких частей, которые в сомкнутом состоянии образуют одну или несколько полостей. При сближении частей штампа происходит принудительное перераспределение металла заготовки, в результате чего полость штампа заполняется, получаются заданные формы и размеры поковки. Основные виды объемной штамповки: горячая - в условиях близких к горячей деформации, холодная - в условиях холодной деформации, теплая - в условиях неполной холодной деформации, полугорячая - в условиях неполной горячей деформации.

Горячая штамповка

Горячая штамповка, по сравнению с ковкой, имеет ряд преимуществ: значительно более высокая производительность; стабильность формы и размеров, более высокая точность размеров; возможность получения поковок более сложной формы. Конструктивные припуски меньше и иногда они могут отсутствовать (значимость этих преимуществ уменьшается по мере расширения технологических возможностей автоматизированных комплексов). Однако для штамповки требуются штампы, имеющие высокую стоимость и ограниченную стойкость. По мере увеличения массы (объема) поковок стоимость штампа увеличивается, а стойкость уменьшается. Поэтому особое внимание необходимо уделять фасонированию заготовок перед штамповкой, а также возможности замены штамповки специальными видами прокатки.

Исходные материалы для штамповки - стальной прокат в виде прутков (обычно круглого, а также квадратного, прямоугольного и других сечений), блюмсов, труб и профилей переменного сечения (периодический прокат), прессованные прутки и трубы из бронзы, алюминиевых сплавов и других сплавов с пониженной пластичностью. Для штамповки на автоматах и точной горячей штамповки применяют калиброванный прокат.

Наиболее распространена штамповка из мерной заготовки, отрезанной в штампе от прутка, имеющей заданные размеры и массу. Из каждой заготовки обычно штампуется одна поковка. Для повышения производительности иногда применяют многоштучную штамповку, при которой из одной мерной заготовки одновременно штампуется до 6…8 поковок относительно небольшого размера.

Технологический процесс горячей штамповки включает: разделку исходных материалов на заготовки, нагрев заготовок, штамповку, первичную термообработку поковок и отделку поковок. В соответствии с этим в штамповочных цехах имеются заготовительное, штамповочное, термическое и отделочное отделения.

В современных кузнечных цехах основным способом разделки проката на заготовки является точная резка на ножницах и прессах. Технология формоизменения при штамповке зависит от вида применяемого оборудования. Для штамповки применяют кривошипные горячештамповочные прессы (КГШП), горизонтально-ковочные машины (ГКМ), гидравлические прессы, современные машины динамического действия, гибочные машины, крутильные машины и др. При массовом производстве поковок относительно небольшого размера применяют горячештамповочные автоматы. Штамповку на молотах в настоящее время на современных заводах не применяют из-за ряда недостатков: шум и вибрации, пониженная производительность, неприспособленность к современным условиям механизации и автоматизации; большие штамповочные уклоны и др.

Формоизменение при штамповке производят в открытых и закрытых штампах, т.е. открытой и закрытой штамповкой.

Начальный, промежуточный и конечный моменты штамповки в открытом штампе приведены на рисунке 4.7.

а, б, в - начальный, промежуточный и конечный моменты штамповки; 1 - нижняя часть штампа; 2 - верхняя часть штампа; 3 - заготовка; 4 - канавка для облоя; 5 - магазин; 6 - промежуточная поковка; 7 - поковка; 8 - облой

Рисунок 4.7 - Открытая штамповка

Объем заготовки 3 несколько больше объема полости штампа. При сближении частей штампа 1 и 2, течение металла заготовки 3 происходит в направлении наименьшего сопротивления. В некоторый момент металл, растекаясь в направлении, перпендикулярном движению частей штампа, выдавливается в облойную канавку 4, образуя промежуточную поковку 6, облой 8. Канавка для облоя (размеры: ширина и толщина) проектируется и изготавливается таким образом, чтобы сопротивление металла выдавливанию облоя было несколько больше, чем сопротивление металла по заполнению любой наиболее сложной части штампа. Поэтому только при заполнении всей полости штампа (4.7, в) излишек металла выдавится в облой. В открытом штампе кроме канавки (щели) размещается магазин 5, в который выдавливается излишек металла. Поэтому к точности объема заготовки не предъявляется жестких требований. Открытая штамповка позволяет получать сложную по форме штамповку. После штамповки облой обрезается в обрезных штампах, как правило, на кривошипных прессах. Облой после обрезки направляется в переплавку. Средний отход металла на облой составляет 15…20 %. Для деталей с отростками (крестовины) отход металла на облой достигает 100 % от массы поковок.

Штамповка в закрытых штампах (рисунок 4.8) не предусматривает образование облоя. Практически весь объем заготовки идет на образование поковки. При закрытой штамповке во избежание перегрузки штампа и оборудования (что особенно опасно для машин кривошипного действия) предъявляются жесткие требования к точности равенства объема заготовки и объема полости штампа, на которую влияет множество факторов. Для повышения точности объема заготовки применяют точную отрезку заготовок в штампе со специальными дозирующими устройствами, что удорожает подготовку производства. Основное ограничение применения закрытой штамповки - значительное увеличение сопротивления деформации при перераспределении металла по объему полости.

1 - поковка; 2 - выталкиватели

Рисунок 4.8 - Закрытая штамповка

Холодная объемная штамповка

Холодная объемная штамповка (ХОШ) - это способ получения в штампах заготовок и деталей из сортового проката и прессованных прутков, основанный на процессе холодной деформации.

Основные операции ХОШ: высадка открытая и закрытая, выдавливание и вдавливание.

Высадку (рисунок 4.9) применяют для получения ступенчатых деталей с образованием фланцев и других местных утолщений, для набора металла последующей штамповкой. На процессе высадки основано производство крепежных деталей (болтов, винтов, заклепок, гвоздей и т.п.), шаровых пальцев автомобилей и других деталей с шаровой головкой, штуцеров и т.п.

При ХОШ применяют все виды выдавливания: прямое, обратное, поперечное, комбинированное и радиальное (рисунок 4.10).

а - открытой; б - закрытой

Рисунок 4.9 - Схемы высадки

Рисунок 4.10 - Схема радиального выдавливания

При прямом выдавливании сплошного стержня невыдавленная часть заготовки имеет поперечное сечение в виде круга или многоугольника. Выдавленная часть имеет поперечное сечение в виде круга, многоугольника или сложного профиля. Прямое выдавливание применяется для получения болтов, гаек, ступенчатых валов, деталей со шлицами и продольными канавками. Выдавленная часть может иметь переменное сечение (детали с отростками, бобышками и др.).

При обратном выдавливании внешний и внутренний контуры поперечного сечения штампованной заготовки имеют форму круга, многоугольника или их сочетания. Его применяют для получения гильз, колпачков, стаканов и других полых, трубчатых деталей, а также для получения полых и трубчатых заготовок для прямого и обратного выдавливания, а также для вытяжки при листовой штамповке. При комбинированном выдавливании сочетаются различные виды выдавливания (прямое выдавливание полого стержня + обратное выдавливание полого стержня, поперечное выдавливание + обратное выдавливание полого стержня и др.), что позволяет сократить технологический цикл при производстве сложных по форме деталей и существенно снизить нагрузки на инструмент. Радиальным выдавливанием получают звездочки, шестерни.

Прошивку и вдавливание широко применяют для получения полостей пресс-форм и штампов. В этом случае в заготовку вдавливается мастер-пуансон с соответствующей по форме и размеру необходимой полости пресс-формы или штампа. Наибольшее значение в технике имеют выдавливание и высадка.

Основной характерной особенностью процесса являются высокие давления на инструмент (2,5 ГПа и более), поэтому штамповочный инструмент имеет низкую стойкость. В связи с этим рекомендуется подвергать ХОШ сплавы с относительно низким сопротивлением деформации (алюминиевые и медные сплавы, низкоуглеродистые и малолегированные стали). Исходной заготовкой служит обычно калиброванный сортовой прокат или прессованный материал в виде прутков и проволоки. Иногда металл подвергается калибровке волочением. Перед штамповкой металл отжигают, очищают от окислов и загрязнений, наносят слой носителя смазочного материала и смазывают. Носитель смазочного материала на заготовки из углеродистой стали наносят фосфатированием.

Основным рабочим инструментом является матрица и пуансон. Матрицы подвергаются действию распорных усилий. Для повышения прочности и надежности матрицы запрессовывают в бандаж. При выдавливании стальных деталей вставки матриц изготавливают из сталей типа Х12Ф1 и Х12М, пуансоны для обратного выдавливания из сталей типа Р6М5.

ХОШ - один из наиболее прогрессивных методов производства ступенчатых и полых заготовок и деталей из цветных металлов и сплавов, углеродистых и легированных сталей.

ХОШ, в том числе холодное выдавливание и высадка, широко применяются при производстве деталей диаметром до 50…100 мм и массой до 6…10 кг.

ХОШ имеет следующие преимущества: Деформационное упрочнение, отсутствие надрезов волокна, образующихся при обработке резанием, направленность волокна вдоль конфигурации детали, улучшение микрогеометрии поверхности. Благодаря этому повышается сопротивление динамическим нагрузкам и вибропрочность. Переход на холодную объемную штамповку в ряде случаев позволяет использовать менее легированные стали и сплавы.

Основные ограничения процесса на данном уровне развития науки и техники: Низкая стойкость инструмента при штамповке заготовок из сталей и сплавов повышенной прочности. Ограниченность размеров и сложности формы детали. Необходимость применения специальных режимов разупрочняющей термической обработки и нанесения покрытий носителями смазочных материалов, что удлиняет и усложняет цикл производства. Повышенные требования к качеству проката, к инструментальным сталям и штамповочному оборудованию. Значимость этих ограничений с развитием науки и техники уменьшается.

Практическое занятие № 5. Основы сварочного производства

Сварка - производительный и универсальный технологический процесс получения неразъемных соединений. Он находит широкое применение во всех отраслях промышленности. Сварка применяется как отдельный процесс при изготовлении сложных пространственных конструкций, так и в сочетании с обработкой металлов давлением, литьем, обработкой металлов резанием.

Сварка - процесс получения неразъемных соединений посредством установления межатомных связей между соединяемыми частями при их нагревании и (или) пластическом деформировании (ГОСТ 2601-84*).

Всякое твердое или жидкое тело представляет собой систему атомов, ионов или молекул, связанных между собой внутренними силами притяжения. Для соединения двух твердых тел с получением общего монолита необходимо установить между их поверхностными атомами непосредственную связь, т.е. сблизить их на расстояния, сопоставимые с величиной параметра кристаллической решетки. При этом надо преодолеть энергетический барьер потенциальной энергии системы атомов поверхностных слоев (необходимо затратить дополнительную энергию - энергию активации поверхности). В зону сварки такую энергию можно внести различными способами: в виде теплоты (термическая активация); в виде упруго - пластической деформации (механическая активация); в виде электронного или ионного облучения (радиационная активация).

По используемой энергии все виды сварки можно разделить на механические; химические; электрические; электромеханические; химико-механические и т.д.

Для получения сварного соединения, механическая сварка требует осуществления пластической деформации кромок свариваемых заготовок.

Химическая сварка характеризуется нагревом металла заготовок до появления расплава в зоне сварки посредством превращения химической энергии в тепло. Электрическая сварка основана на превращении электрической энергии в тепловую. Это превращение может происходить различными способами: выделением тепла при прохождении электрического тока через шлак; использованием электрической дуги; индуцированием тока высокой частоты. Лучевая сварка основана на превращении энергии луча света или электронного луча в тепловую (использование лазерного луча или энергии пучка электронов). Электромеханическая сварка основана на нагреве металла заготовок методом электросопротивления и последующим пластическим деформированием нагретого металла. При химико-механической сварке металл заготовок нагревается путем превращения химической энергии в тепловую с последующим пластическим деформированием металла.

5.1 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ВИДЫ СВАРКИ

Электрические виды включают в себя следующие способы сварки: дуговую (ручную, под флюсом, в защитных газах, подводную); плазменную; высокочастотную; диффузионную и электрошлаковую.

Дуговая сварка

Дуговая сварка - сварка плавлением, при которой нагрев осуществляется электрической дугой. Сварочная дуга - одна из форм электрического разряда в ионизированной смеси газов, паров метала, компонентов электродных покрытий, флюсов.

В обычных условиях газы нейтральны. Ионизация газов происходит под влиянием внешнего воздействия: сильного нагрева, высокочастотного электромагнитного излучения, при бомбардировке атомов (молекул) быстрыми электронами. Для ионизации атома (молекулы) необходимо совершить работу ионизации, превышающую работу взаимодействия электрона с остальной частью атома (молекулы). Возбудить дугу можно коротким кратковременным замыканием электрической цепи «источник питания - электрод - заготовка». Электродом кратковременно касаются заготовки. При этом между вершинами микронеровностей электрода и заготовки протекает ток короткого замыкания. Этот ток разогревает их до расплавления, с образование легко ионизирующихся паров металла и компонентов покрытия электрода. После отвода электрода от заготовки с поверхности электрода (катода) происходит отрыв электронов обладающих кинетической энергией, достаточной для перехода границы «твердое тело - газ» (термоэлектронная эмиссия). Электроны устремляются к заготовке (аноду) со скоростью до 2 км/с. Этой скорости достаточно, чтобы при столкновении с нейтральными атомами произвести их ионизацию. Процесс ионизации приобретает лавинообразный характер, поток заряженных частиц ориентируется электрическим полем, что обеспечивает возбуждение и стабильное горение дуги.

Для питания дуги применяют источники переменного тока (сварочные трансформаторы) и источники постоянного тока (сварочные выпрямители и генераторы). Сварочные генераторы применяются при отсутствии внешних источников переменного тока или при необходимости применения постоянного тока.

В зависимости от материала и числа электродов, способа включения их в электрическую цепь различают: дуговую сварку неплавящимся (графитовым, вольфрамовым) или плавящимся (покрытым обмазкой или электродной проволокой) электродом; сварку дугой прямого или косвенного действия, сварку трехфазной дугой.

Дуга прямого действия - дуга, при которой объект сварки включен в цепь сварочного тока (рисунок 5.1, а).

Электрическая дуга 3 горит между электродом 2 и свариваемыми заготовками 4. Сварной шов получается за счет плавления электрода или присадочного прутка 1. Возможные подключения: переменным током; постоянным током, прямая полярность (заготовка является катодом); постоянным током, обратная полярность (заготовка является анодом).

а - с прямой дугой; б - с косвенной дугой; в - трехфазная; 1 - присадочный пруток; 2 - электрод; 3 - дуга; 4 - заготовки

Рисунок 5.1 - Схемы электродуговой сварки

Дуга косвенного действия - дуга, при которой объект сварки не включен в сварочную цепь (рисунок 5.1, б). Электроды 2 включены в цепь переменного тока. Дуга 3 горит между электродами (обычно неплавящимися). Металл кромок заготовок нагревается и расплавляется теплотой столба дуги. При сварке трехфазной дугой (рисунок 5.1, в) дуга 3 горит между электродами 2 и между каждым электродом заготовки 4.

Ручная дуговая сварка (РДС)

РДС - дуговая сварка, при которой возбуждение дуги, подача электрода и его перемещение производятся вручную. РДС выполняется покрытыми электродами и позволяет выполнять швы в различных пространственных положениях (нижнем, вертикальном, горизонтальном, потолочном). Схема процесса РДС показана на рисунке 5.2.

Дуга 11 горит между стержнем 2 электрода и металлом заготовок 3. Температура дуги 6000…7000 оС. В соответствии с полярностью показано прямое включение, т.е. направление движения электронов 10 совпадает с направлением стекания капель металла 4. Температура катода (электрода) и анода составляет соответственно 2400 и 2600 оС. Вместе со стержнем плавится и покрытие 1 электрода, образуя, защитную газовую атмосферу 9 вокруг дуги и жидкую шлаковую ванну 8 на поверхности жидкого металла 5. Шлаковая ванна и ванна жидкого металла образуют сварочную ванну. По мере продвижения дуги, сварочная ванна затвердевает, образуя, сварной шов 6 и твердую шлаковую корку 7.

1 - покрытие (термин «обмазка» не допускается); 2 - стержень; 3 - заготовки; 4 - капли расплавленного металла электрода; 5 - ванна жидкого металла; 6 -шов; 7 - шлаковая корка; 8 - шлаковая ванна; 9 - газовая атмосфера; 10 - электроны; 11 - дуга

Рисунок 5.2 - Схема процесса РДС

Стержни плавящихся электродов изготавливают из стали, чугуна, алюминиевых, титановых сплавов, меди и медных сплавов. Для сварки сталей применяют холоднотянутую гладкую стальную проволоку диаметром от 1,6 до 6,0 мм с уменьшенным содержанием серы и фосфора. В обозначении марки стали добавляют «Св» - сварочная (например Св08ГС).

Дуговая сварка под флюсом (ДСФ)

ДСФ - дуговая сварка, при которой дуга горит под слоем сварочного флюса. ДСФ характеризуется применением непокрытых электродов (сварочной проволоки) 6 (рисунок 5.3), а место горения дуги закрыто слоем 1 порошкообразного флюса (толщиной 30…50 мм).

1- слой флюса; 2 - расплавленный шлак; 3 - бункер; 4 - токопровод (контактный мундштук); 5 - роликовый механизм подачи; 6 - сварочная проволока (электрод); 7 - кассета; 8 - шлаковая корка; 9 - источник питания; 10 - сварной шов; 11 - ванна расплавленного металла; 12 - дуга; 13 - воздушная газовая полость; 14 - заготовки

Рисунок 5.3 - Схема дуговой сварки под флюсом

Флюс расплавляется теплом дуги и образует, шлаковую корку 8. Сварочная проволока 6, намотанная в кассету 7, подается в зону сварки роликовым механизмом подачи 5. При горении дуги 12 между заготовками 14 и электродной проволокой (электродом) образуется ванна расплавленного металла 11, закрытая сверху расплавленным шлаком 2 и слоем нерасплавленного флюса. Пары и газы, получаемые в зоне сварки, образуют воздушную газовую полость 13 и оттесняют жидкий металл, в сторону, противоположную направлению сварки. У основания дуги остается тонкий слой жидкого металла, обеспечивающий глубокий провар основного металла.

Дуга зажигается за счет подачи высокочастотного импульса тока. Источник питания 9 обеспечивает постоянное напряжение сварки и высокочастотное импульсное напряжение зажигания дуги. Напряжение на сварочную проволоку передается через контактный мундштук 4. Вся зона сварки закрыта слоем флюса 3, подаваемого из бункера 3.

Основные преимущества ДСФ по сравнению РДС состоят: в повышении производительности процесса сварки в 5…20 раз; повышении качества (и стабильности качества) шва; уменьшении себестоимости производства одного погонного метра шва. Повышение производительности происходит за счет использования больших сварочных токов (до 2000 А) и непрерывности процесса сварки. Применение непокрытого электрода позволяет приблизить токопровод (контактный мундштук) на расстояние 30…50 мм от дуги, что устраняет опасный разогрев электрода на больших токах. Плотная флюсовая защита сварочной ванны предотвращает разбрызгивание и угар расплавленного металла (не более 2…5 %) и позволяет более полно использовать тепловую мощность дуги (КПД составляет 0,9…0,95 %, коэффициент наплавки составляет 18…20 г/А ч). Увеличение тока позволяет сваривать металл толщиной до 20 мм за один проход без разделки кромок. Так как температура плавления шлака несколько ниже, чем основного металла, то шов застывает медленно, что обеспечивает выход на поверхность неметаллических и газовых включений и высокое качество сварного шва. Повышение качества сварного шва обеспечивается также получением более высоких механических свойств наплавленного металла вследствие: надежной защиты зоны сварки и сварного шва слоем флюса; интенсивного раскисления и легирования вследствие большого объема жидкого шлака; сравнительно медленной кристаллизации расплавленного металла в сварочной ванне.

К недостаткам ДСФ можно отнести: ограниченную маневренность сварочных автоматов; возможность сварки труднодоступных мест или криволинейных швов только в полуавтоматическом режиме; выполнение сварки главным образом в нижнем положении.

Дуговая сварка в защитном газе - дуговая сварка, при которой дуга и расплавляемый металл, а в некоторых случаях и остывающий шов, находятся в защитном газе, подаваемом в зону сварки с помощью специальных устройств. В качестве защитных газов используют инертные газы (аргон, гелий) и активные газы (углекислый газ, азот, водород), иногда применяют смесь двух и более газов (Ar + O₂; Ar + H₂; Ar + N₂; Ar + CO₂). Чаще всего применяют: аргон, углекислый газ; смесь аргона или углекислого газа с кислородом. Дуговая сварка в защитном газе может выполняться в любом пространственном положении, как плавящимся, так и неплавящимся электродом.

Принципиальная схема горелок для сварки неплавящимся электродом приведена на рисунке 5.4, а. Прямая дуга 9 горит между неплавящимся

(вольфрамовым) электродом 8 и заготовками 1. Питание дуги осуществляется источником сварочного тока 7 через токопроводящий мундштук 5. Мундштук электрически изолирован от корпуса 5 горелки.

Подача защитного газа 9 осуществляется по каналу рукоятки 6, выполненной из диэлектрического материала. Для питания сварочной ванны жидким металлом используется присадочный материал 2 (присадочный пруток).

Присадочный пруток подают в дугу и перемещают вручную. Для повышения производительности сварки применяются головки с механической подачей присадочной проволоки в зону сварки (рис. 5.4, б). Использование механической подачи присадочной проволоки позволяет создавать сварочные полуавтоматы (перемещение головки производится вручную) или сварочные автоматы (снабжены механизмом перемещений сварочной головки).

а - ручная горелка: б - полуавтоматическая горелка; 1 - заготовки; 2 - присадочный пруток (проволока); 3 - дуга; 4 - корпус; 5 - мундштук; 6 - рукоятка; 7 - источник сварочного тока; 8 - электрод; 9 - защитный газ; 10 - кассета; 11 - роликовый механизм

Рисунок 5.4 - Схемы горелок для сварки неплавящимся электродом

Горелка для сварки плавящимся электродом отличается от горелок для сварки неплавящимся электродом наличием роликового механизма подачи омедненной сварочной проволокой, намотанной на кассету.

Электрошлаковая сварка (ЭШС)

ЭШС - сварка плавлением, при которой для нагрева используется тепло, выделяющееся при прохождении электрического тока через расплавленный шлак (имеющий большое электросопротивление). При ЭШС основным источником тепла служит расплавленный шлак, разогретый сварочным током, проходящим от электрода к заготовкам. Дуга при сварке отсутствует. Схема установки для ЭШС приведена на рисунке 5.5. В начале процесса сварки возбуждается электрическая дуга между сварочной проволокой 4 и вводной планкой 10. При расплавлении флюса 2 образуется шлаковая ванна 3 в пространстве между кромками заготовок 7 и медными водоохлажаемыми формирующими устройствами (ползунами) 8. Вода для охлаждения ползунов подается через штуцеры 11. После накопления достаточного количества жидкого шлака дуга шунтируется шлаком и гаснет, а подача проволоки и подвод тока через мундштук 5 продолжаются. Шлаковая ванна является расплавленным электролитом. Поэтому, при прохождении тока через расплавленный шлак в нем выделяется теплота, достаточная для поддержания высокой температуры шлаковой ванны (2000 ^оС), расплавления кромок заготовок и сварочной проволоки.

1 - ванна расплавленного металла: 2 - флюс; 3 - ванна расплавленного флюса; 4 - сварочная проволока; 5 - мундштук; 6 - выходные планки; 7 - заготовки; 8 - ползуны; 9 - сварочный шов; 10 - вводная планка; 11 - штуцеры

Рисунок 5.5 - Схема установки для ЭШС

Непрерывная подача сварочной проволоки обеспечивает подвод тока и пополнение сварочной ванны 1 жидким металлом. По мере заполнения зазора между заготовками, мундштук и ползуны перемещаются вверх, оставляя после себя, сварной шов 9. На начальном участке сварного шва образуется непровар кромок. На конечном участке сварного шва образуются усадочная раковина и посторонние включения. Поэтому сварку начинают на вводной планке, а заканчивают - на выходных планках 6. По окончании сварки, планки срезают газовой резкой. Металл кромок заготовок расплавляется одновременно по всему периметру шлаковой ванны, что позволяет вести сварку металла большой толщины за один проход.

По сравнению с ДСФ ЭШС позволяет:

1) повысить производительность сварки за счет: непрерывности процесса сварки; выполнения сварного шва за один проход при большой толщине заготовок; увеличения сварочного тока в 1,5…2 раза;

2) улучшить макроструктуру сварного шва за счет отсутствия многослойности и большей однородности однослойного шва;

3) снизить затраты на сварку вследствие: повышения производительности; упрощения процесса подготовки кромок заготовок; уменьшения сечения сварного шва; уменьшения расхода сварочной проволоки, флюса и электроэнергии.

К недостаткам ЭШС можно отнести: большие вертикальные габариты установок; крупнозернистую структуру сварного шва и околошовной зоны, получаемые вследствие замедленного нагрева и охлаждения сварного шва.

После сварки необходимо провести отжиг и нормализацию готовой детали для измельчения зерна металла сварного соединения.

ЭШС широко применяется в машиностроении для изготовления ковано-сварных или лито-сварных конструкций (станины и детали мощных прессов и станков, коленчатые валы судовых двигателей, роторы и валы гидротурбин).

Плазменная сварка

Плазменная сварка - сварка плавлением, при которой нагрев производится сжатой дугой. Источником теплоты при плазменной сварке является плазменная струя - направленный поток ионизированных частиц газа, с температурой до 20000 ^оС.

Плазму получают, пропуская поток газа через столб сжатой электрической дуги (рисунок 6.6). Столб дуги 2, горящий между электродом 3 и соплом 5, помещают в узкий канал 6 с охлаждаемыми стенками, и через него продувают газ. Столб дуги сжимается, что приводит к повышению в нем плотности энергии и температуры. Частые столкновения частиц продуваемого газа приводят к их высокой ионизации. Загорается плазменная дуга 1. В качестве плазмообразующего газа обычно используют аргон. Для получения более мощной дуги используют водород или азот. Различают горелки с плазменной дугой выделенного типа (рисунок 6.6, а) и с дугой невыделенного типа (рисунок 6.6, б), горящей между электродом и заготовками 7. В горелках первого типа столб дуги располагается в канале 6 корпуса горелки изолированного от электрода керамической вставкой 4. Приближая или удаляя дугу от заготовки можно производить: нагрев, пайку, резку тонких (до 10 мм) заготовок, сварку. Горелки второго типа обладают повышенной эффективной мощностью дуги, что позволяет разрезать относительно толстые (до 50 мм) заготовки.

а - горелка с плазменной дугой выделенного типа; б - горелка с плазменной дугой невыделенного типа: 1 - плазменная дуга; 2 - электрическая дуга; 3 - электрод; 4 - керамическая вставка; 5 - сопло; 6 - канал; 7 - заготовки

Рисунок 5.6 - Схемы плазменных горелок:

Плазменная дуга, являясь концентрированным источником теплоты, обладает большой проплавляющей способностью и позволяет сваривать заготовки без разделки кромок толщиной до 10 мм. Плазменная дуга, обладая высокой стабильностью, позволяет выполнять так называемую микроплазменную сварку заготовок толщиной 0,025…0,8 мм. Если увеличить расход плазмообразующего газа, то можно резко поднять тепловую мощность, скорость истечения и давление плазмы. Такая дуга дает сквозное проплавление и выдувает расплавленный метал, т.е. возможно осуществлять резку металла.

Плазменную дугу используют для сварки металлов (высоколегированной стали, сплавов титана, никеля, молибдена, вольфрама) и неметаллов; резки всех материалов; наплавки; напыления и т.д.

5.2 ХИМИЧЕСКИЕ ВИДЫ СВАРКИ

Газовая сварка - сварка плавлением, при которой для нагрева используется тепло пламени смеси горючих газов с кислородом, сжигаемых с помощью горелки.

Газовая сварка не требует сложного и дорогого оборудования, а также источника электроэнергии. Изменяя тепловую мощность пламени, его положение относительно места сварки и скорость сварки, можно в широких пределах регулировать скорость нагрева и охлаждения свариваемого металла. При помощи газовой сварки можно сваривать почти все металлы, применяемые в технике. Такие металлы, как чугун, медь, латунь, свинец, легче поддаются газовой сварке, чем дуговой.

К недостаткам газовой сварки относятся: высокая стоимость горючего газа (ацетилена) и кислорода; небольшая скорость нагрева металла; большая зона теплового воздействия на металл и взрывоопасность процесса, не поддается автоматизации.

Газовую сварку 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 100 мм) и фасонных частей к ним; ремонтной сварке литых изделий из чугуна, бронзы и силумина (заварка литейных дефектов); сварке изделий из алюминия 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 чугуна.

В газовой сварке используются горючие газы: ацетилен, водород, метан, пропан и пары керосина. Основным горючим газом является ацетилен.

Горелка для газовой сварки - устройство для газовой сварки с регулируемым смешением газов и созданием направленного газового пламени. Для сварки чаще всего используются горелки инжекторного типа (рисунок 5.7, а).

а - горелка инжекторного типа; 1 - сменный наконечник; 2 - мундштук; 3 - смесительная камера; 4 - кислородный вентиль; 5 - вентиль горючего газа; 6 - кольцевой инжектор; б - нормальное пламя; в - окислительное пламя; г- восстановительное пламя; 7- ядро; 8 - восстановительная зона; 9 - факел

Рисунок 5.7 - Газосварочная горелка и ацетилен - кислородное пламя

Под давлением 0,1…0,4 МПа кислород поступает в горелку через вентиль 4 и подается в кольцевой инжектор 6. Выходя с большой скоростью из узкого канала инжектора, кислород подсасывает горючий газ, поступающий через вентиль 5. В смесительной камере 3 получаем горючую смесь, которая, через мундштук 2, подается к сменному наконечнику 1.Все горючие газы, содержащие углеводороды, при сгорании образуют сварочное пламя, имеющее три отчетливо видимые зоны (рисунок 5.7, б). Зона 7- ядро пламени, зона 8 - восстановительная; зона 9 - факел.

Ядро имеет форму закругленного ярко светящегося конуса. Оно состоит из раскаленных частиц углерода сгорающих в наружной части ядра.

Восстановительная зона в основном состоит из окиси углерода, получаемого за счет сгорания ацетилена: C₂H₂+O₂ = 2CO₂+2H₂O. Эта зона имеет более темный цвет. Наибольшая температура сварочного пламени находится в этой зоне, на расстоянии 2…4 мм от ядра. Факел имеет удлиненную конусообразную форму. Он состоит из углекислого газа и паров воды, которые получаются при сгорании окиси углерода и водорода, поступающих из восстановительной зоны и из окружающего атмосферного воздуха: 4CO+2H₂+3O₂ = 4CO₂+2H₂O.

Газокислородная резка металлов заключается в сжигании нагретого металла в струе чистого кислорода. Различают два вида резки: разделительную и поверхностную. При разделительной резке из металлического листа вырезается заготовка для дальнейшей обработки. Разделительная резка может осуществляться вручную по разметке. В серийном производстве применяется резка с использованием стационарных машин по шаблонам. При поверхностной резке удаляется лишний металл с поверхности изделий.

Газовый резак отличается от газовой горелки наличием дополнительного кислородного вентиля. Процесс резки осуществляется в два этапа. Первый - нагрев зоны резки до температуры горения металла в кислороде (характеризуется появлением большого числа искр); второй - собственно резка (отключается ацетилен и кислород из основной магистрали). Дополнительным вентилем подключается кислород.

5.3 ЛУЧЕВЫЕ ВИДЫ СВАРКИ

Электронно-лучевая сварка (ЭЛС)

ЭЛС - сварка плавлением, при которой для нагрева используется энергия ускоренных электронов. Электронный луч - это сжатый поток электронов, перемещающихся с большой скоростью от катода 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 5000…6000 ^оС. Схема формирования сварного шва показана на рисунке 5.8. При сварке электронным лучом теплота выделяется непосредственно в самом свариваемом металле, вызывая плавление и частичное испарение металла. Расплавленный металл заготовок 4 вытесняется из зоны сварки давлением паров металла (парогазовый канал 2). Расплавленный металл распределяется по сварочной ванне неравномерно: фронт расплава 5 (передняя стенка канала) имеет толщину 0,05…0,5 мм, а сзади электронного луча 3, ближе к верхней части ванны, сосредоточен основной объем расплава 6. При кристаллизации этого основного объема и образуется сварной шов 1.

1 - сварной шов; 2 - парогазовый канал; 3 - электронный луч; 4 - заготовки; 5 - фронт расплавленного металла; 6 - основной объем расплавленного металла

Рисунок 5.8 - Схема электронно-лучевой сварки

Из-за наличия зазора между свариваемыми заготовками, частичного испарения и выброса материала заготовок наблюдается занижение уровня сварного шва. Перед сваркой необходимо провести специальную разделку поверхностей стыка заготовок, которая обеспечит оптимальные условия формирования сварного шва и повысит точность сварки. Для защиты поверхностей свариваемых заготовок от брызг расплавленного металла необходимо использовать экраны. Обычно ЭЛС производится в вакуумных камерах при давлении 10^?3 - 10^?4 Па. Вакуум обеспечивает беспрепятственное перемещение электронов и защиту от окисления катодной нити и зоны сварки.

Лазерная сварка

5.5 ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ВИДЫ СВАРКИ

Контактная сварка

Контактная сварка - сварка с применением давления, при которой, используется тепло, выделяющееся в контакте свариваемых частей при прохождении электрического тока.

Для осуществления контактной сварки кратковременно нагревают место соединения электрическим током с последующей осадкой разогретых заготовок. В процессе осадки пластически деформируются внешние слои заготовок и формируется сварное соединение.

Различают контактную сварку: стыковую, точечную, шовную и рельефную.

Стыковая контактная сварка (СКС) - контактная сварка, при которой соединение свариваемых частей происходит по поверхностям стыкуемых торцов.

Схема установки для СКС показана на рисунке 5.11, а. На станине 2 установлены две плиты: неподвижная 3 и подвижная 6, перемещаемая по направляющим 7. Заготовки 4 устанавливаются в зажимах 5. Сварочный ток подается от трансформатора 1. При перемещении плиты 7 заготовки сжимаются проковочным усилием Р. СКС соединяют круглые и некруглые стержни (рисунок 5.11, б) (одинакового или различных диаметров), круглые или некруглые стержни к плоской заготовке, плоские или кольцевые заготовки.