Специальные методы обработки материалов

Размещено на http://www.allbest.ru/

"Дальневосточный государственный технический университет"

(ДВПИ им. В.В. Куйбышева)

Контрольная работа

Специальные методы обработки материалов

Владивосток 2011 год

Классификация специальных видов сварки.

Дать характеристику каждого вида.

Современные способы сварки металлов можно разделить на две большие группы: сварка плавлением, или сварка в жидкой фазе, и сварка давлением, или сварка в твёрдой фазе.

При любых способах сварки в твердом состоянии металлических связей между соединяемыми поверхностями происходит в твердом состоянии металла в результате совместной пластической деформации: соединение образуется в результате деформационного или термодеформационного воздействия на соединяемые в зоне контакта. Виды сварки в твердом состоянии различаются способами, которыми осуществляется пластическая деформация, величиной пластической деформации и температурным режимом. Эти виды сварки делятся по степени подогрева - с подогревом и без подогрева, степени силового воздействия - с низкоинтенсивным и высокоинтенсивным силовым воздействием

Сварка в твердом состоянии производится путем механического соединения материалов (холодная, ультразвуковая, взрывом) и термомеханического соединения материалов (диффузионная, трением, токами высокой частоты).

Холодная сварка - сварка давлением при значительной пластической деформации без внешнего нагрева соединяемых поверхностей. Физическая сущность процесса заключается в сближении за счет пластической деформации свариваемых поверхностей до образования металлических связей между ними и получения, таким образом, прочного сварного соединения. Отличительной особенностью холодной сварки является необходимость значительной объемной пластической деформации и малой степени ее локализации в зоне контакта соединяемых материалов. Это связано с необходимостью разрушения и удаления окисных пленок из зоны контакта механическим путем, т. е. за счет интенсивной совместной деформации. Большое усилие сжатия обеспечивает разрыв окисных пленок, их дробление и образование чистых поверхностей, способных к схватыванию. Холодной сваркой выполняют точечные, шовные, стыковые соединения.

Ультразвуковая сварка - сварка давлением, осуществляемая при воздействии ультразвуковых колебаний. При этом виде сварки неразъемное соединение об разуется при совместном воздействии на свариваемые детали механических колебаний высокой (ультразвуковой) частоты и относительно небольших сдавливающих усилий. Сварка осуществляется в результате взаимного трения свариваемых поверхностей, нагрева и давления. Сварка происходит под действием трения, вызванного микроскопическим возвратно-поступательным перемещением частиц на трущихся поверхностях.

Сварка взрывом - сварка, при которой соединение образуется за счет совместной пластической деформации в результате вызванного взрывом соударения быстродвижущихся деталей. Кинетическая энергия соударения соединяемых частей затрачивается на работу совместной пластической деформации контактирующих слоев металла, приводящей к образованию сварного соединения. При этом часть работы пластической деформации переходит в теплоту, которая может разогревать металл в зоне соединения до высоких температур, вплоть до плавления локальных объемов.

Разновидностью сварки взрывом является магнитно-импульсная сварка. При магнитно-импульсной сварке соударение свариваемых деталей обеспечивается импульсным магнитным полем от разряда батарей конденсаторов. Длительности импульса и скорости соударения при этом способе близки к сварке взрывом. Преимуществом магнитно-импульсной сварки по сравнению со сваркой взрывом является более легкое управление параметрами процесса. сварка давление деформация

Диффузионная сварка - сварка давлением, осуществляемая за счет взаимной диффузии атомов контактирующих частей при относительно длительном воздействии повышенной температуры и при незначительной пластической деформации. Основные параметры диффузионной сварки - температура нагрева, давление, время нагрева, среда, в которой проводят сварку. Температура для однородных металлов, как правило, должна составлять 0,5--0,8 температуры плавления металла или сплава, а при сварке разнородных - 0,5--0,7 температуры более легкоплавкого металла. Такая температура ускоряет взаимную диффузию атомов Материалов через поверхность стыка и облегчает снятие неровностей поверхности и пластическое деформирование металла. Нагрев осуществляется преимущественно индукционными токами, можно использовать и другие источники нагрева: обычные сопротивления, электрический ток, пропускаемый по самим деталям, электронный луч и др.

Сварка трением является одной из разновидностей сварки давлением. Если жестко закрепить одну деталь, а другую, прижав к ней, вращать, то за счет механической работы сил трения детали в месте прикосновения сильно разогреются, оплавятся и сварятся. Соединяются детали за считанные секунды, при этом практически нет газовых выделений. Способ позволяет сваривать разнородные материалы: медь и алюминий, медь и сталь, алюминий и сталь и т. д.

Сварка токами высокой частоты (ТВЧ-сварка) - выделение теплоты в поверхностной массе материала за счет магнитного поля высокой частоты.

Наибольшая плотность индуцируемого тока возникает в поверхностном слое.

При сварке с расплавлением (лучевая, газоэлектрическая, в специальных условиях) расплавленный металл соединяемых частей самопроизвольно, без приложения внешних сил соединяется в одно целое в результате расплавления и смачивания в зоне сварки и взаимного растворения материала.

При лучевой сварке в качестве специальных видов сварки плавлением в сварочной технике используют лучевые источники теплоты, концентрация энергии в которых в 100--1000 раз выше, чем у традиционных источников. Лучевые источники энергии используют при сварке электронным лучом, при лазерной и световой сварке. При сварке электронным лучом носителем энергии являются электроны, при лазерной и световой - фотоны. Высокая плотность энергии в пятне нагрева достигается концентрацией потока энергии с помощью фокусирующих устройств. Площадь нагрева электронным лучом может быть по сравнению с газовым пламенем и дугой в 1000 раз меньше при плотности энергии в 1000 раз большей. При использовании фотонного луча эта разница еще значительнее. Высокая плотность энергии в малом пятне нагрева определяет основные преимущества при сварке электронным лучом и лазером - выгодную форму проплавления (ножевая, кинжальная) и возможность получения прецизионных соединений.

Основные параметры режима электронно-лучевой сварки - сила тока, напряжение электронного луча, скорость сварки. Ускоряющее напряжение и сила тока луча определяют мощность источника энергии. При импульсном режиме электронно-лучевой сварки тепловыделение дополнительно регулируют частотой и длительностью сварочных импульсов. Эффективный к. п. д. и электронно-лучевого нагрева изменяется в пределах 0,7--0,9.

Лазерная сварка - сварка плавлением, при которой для местного расплавления соединяемых частей используется энергия светового луча, полученного от оптического квантового генератора. Важной областью применения лазерной сварки является сварка в микроэлектронике, радиоэлектронике и электронной технике микро соединений как из однородных металлов, так и из различных композиций (золото - германий, золото - кремний, никель - тантал, медь - алюминий й др.).

Сварка световым лучом - сварка с использованием энергии концентрированного луча оптического диапазона (гелиосварка) оптический источник тепла является нормально-круговым и по плотности энергии в пятне нагрева занимает промежуточное положение между газовым пламенем и электрической дугой, а по сосредоточенности близок поверхностным металлическим дугам.

Ввиду сравнительно низкой эффективной мощности оптический источник тепла целесообразно использовать для сварки материалов малых толщин.

Газоэлектрическая сварка включает в себя плазменную и атомно-водородную сварку.

Плазменная сварка - сварка плавлением, при которой нагрев производится сжатой дугой. Сжатая дуга - дуга, столб которой сжат с помощью сопла плазменной горелки или потока газов (аргона, азота и др.). Плазма - это газ, состоящий из положительно и отрицательно заряженных частиц, общий заряд которых равен нулю.

К преимуществам плазменной сварки относятся высокая производительность, малая чувствительность к колебаниям длины дуги, устранение включений вольфрама в металле шва.

Атомно-водородная - сварка за счет теплоты, выделяемой при превращении атомарного водорода в молекулярный. Атомно-водородная сварка обеспечивает получение сварных соединений со свойствами, близкими к свойствам основного металла. Техника выполнения швов при атомно-водородной сварке подобна технике газовой сварки.

К сварке в специальных условиях относятся такие виды сварки, как термитная сварка, сварка в защитных камерах, подводная сварка, наплавка поверхностного слоя со специальными свойствами и сварка в микроэлектронике.

Термитная сварка - сварка за счет теплоты сгорания порошкообразных смесей металлов с окислами других металлов (термитов). Источником тепла являются порошкообразные смеси металлов с окислами других металлов - термиты, при сгорании которых происходит обменная реакция по кислороду с выделением значительного количества тепла (экзотермическая реакция). Источником кислорода в термите является окисел, а источником тепла (горючим) - металл, входящий в смесь в чистом виде. Необходимым условием для получения теплового эффекта является то, что количество тепла, выделяющегося при сгорании горючего, должно быть больше, чем требуется для разложения окисла. В качестве окислов в термитных смесях используют железную окалину, а в качестве горючих металлов - алюминий, магний.

Сварка в защитных камерах - использование защитных кожухов (микрокамер) с вакуумной или газовой защитой ванны расплавленного металла и околошовной зоны.

Подводная сварка и резка - обработка материалов дуговыми и другими методами в подводных условиях. Подводная сварка - ручная дуговая (основан на способности дуги устойчиво гореть в газовом пузыре

при интенсивном охлаждении окружающей водой), полувтоматическая (сочетающая механическую подачу проволоки в зону дуги с маневренностью и универсальностью ручной сварки. Кроме того, механическая подача проволоки позволяет длительное время вести процесс сварки без перерывов), в сухой среде (выполняют в сухой глубоководной камере, которая вмещает в себя как сварщика, так и сварной узел), гидросварка (сухая глубоководная сварка).

В подводных условиях применяют различные способы резки: механические, термические, кумулятивные (взрывом).

Наибольшее распространение получили способы термической резки: электродуговая, электрокислородная, газокислородная, плазменная.

При подводной резке используется тепло концентрированных источников дуги или плазмы и тепло, выделяющееся в результате химического взаимодействия кислорода с металлом. Поскольку разрезаемый металл находится в воде и интенсивно охлаждается, то источник тепла должен иметь его высокую концентрацию в месте реза.

Наплавка поверхностного слоя со специальными свойствами применяется в основном для повышения износостойкости при ремонте изделий (87 % всех работ) и в гораздо меньшем объеме при изготовлении новых долговечных биметаллических деталей и изделий (13 %). Широкое использование наплавочные работы нашли при изготовлении биметаллических деталей: лопастей гидротурбин, штампов, прокатных валов, крупного металлорежущего инструмента, опорных роликов гусеничных машин и др. . В промышленности широко используют следующие способы наплавки: ручную дуговую плавящимся электродом, дуговую под флюсом, дуговую в защитных газах неплавящимся и плавящимся электродами. В последнее время разработан ряд новых методов наплавки, таких как вибродуговая, электрошлаковая, токами высокой частоты и др.

Особенности плазменной сварки и резки.

Плазменная дуга характеризуется весьма высокой температурой (до 30000 0С) и широким диапазоном регулирования ее технологических свойств.

К преимуществам плазменной сварки относятся высокая производительность, малая чувствительность к колебаниям длины дуги, устранение включений вольфрама в металле шва. Без скоса кромок можно сваривать металл толщиной до 15 мм с образованием провара специфической грибовидной формы, что объясняется образованием сквозного отверстия в основном металле, через которое плазменная струя выходит на обратную сторону изделия. Наибольшие преимущества сварка плазменной дугой дает при соединении листов без разделки кромок и без присадочного металла. Среди известных способов соединения металлов малой толщины распространение получила газовая сварка, пайка и дуговая сварка неплавящимся электродом в непрерывном и импульсном режимах. Однако малая скорость нагрева, большая зона термического влияния при газовой сварке, а при дуговой - низкая стабильность дуги на малых токах и сильная зависимость параметров шва от длины дуги затрудняют процесс сварки, а в ряде случаев делают его невозможным. Использование других способов сварки (контактной, электронно-лучевой, лазерной, диффузионной) не всегда возможно по ряду конструктивных, технологических и эксплуатационных факторов.

При плазменной резке обрабатываемый материал не включается в электрическую цепь дуги. Острое кинжалообразное пламя дуговой плазмы используют для расплавления обрабатываемого материала, при сварке и резке металлов, в том числе тугоплавких, а также при резке и плавлении неэлектропроводных материалов. Рез получается очень узкий, равный вверху диаметру канала сопла. Особенности плазменной резки - сильный шум и более интенсивное излучение. Поэтому при машинной резке рабочее место резчика должно быть по возможности удалено от места реза, а управление установкой должно быть дистанционным. При ручной резке надо применять защитные стекла с повышенной затемненностью, а при шуме более 110 дБ наушники или противошумную каску. Кроме того, при плазменной резке выделяется в атмосферу много металлического пара и газов, поэтому должна быть усилена вентиляция.

Огромное влияние на состояние плазмы оказывают внешние электрические и магнитные поля благодаря которым ее основными параметрами можно управлять с высокой точностью. Благодаря высокой энергии плазмы при ее воздействии в материалах могут протекать такие процессы, которые при других условиях абсолютно невозможны или, в лучшем случае, крайне затруднены. Это обстоятельство делает плазму чрезвычайно мощным и в тоже время гибким инструментом, который можно с большим успехом применять в различных отраслях техники. Так, например, достаточно известны технологии плазменной резки листового металла толщиной от 0,5 до 16 см, плазменной сварки деталей толщиной от 0,05 до 20 мм, плазменного напыления различных материалов, плазменная обработка тугоплавких и высокопрочных материалов.

На первом этапе в плазменной горелке между отрицательным электродом и форсункой, через которую поступает, формирующий плазму, газ устанавливается постоянное напряжение, которое одновременно с этим устанавливается и между электропроводящей деталью и электродом. После того как, параллельно с постоянным, подается высокое импульсное напряжение между электродом и форсункой внутри плазменной горелки образуется плазменный разряд низкой энергии в воде шнура. Так называемая вспомогательная электрическая дуга. При этом происходит диссоциация (разложение молекул на атомы) и ионизация (отрыв электронов от внешних оболочек атомов) формирующего плазму газа. Этот процесс проявляется в виде образования яркой светящейся линии между форсункой и обрабатываемой деталью, вдоль которой и осуществляется прохождение электрического тока через плазму. В зависимости от типа газа и величины подаваемой энергии температура внутри плазменного разряда может составлять от 20000 до 50000 К. Именно поэтому, под воздействием электрической дуги происходит расплавление и частичное испарение любого металла.

Возникновение каких-либо побочных эффектов исключено

Принцип и устройства для обеспечения качественного порошкового напыления материалов.

Плазменное напыление

При плазменном нанесении металлических покрытий для расплавления и переноса порошка на поверхность детали используются тепловые и динамические свойства плазменной струи, которую получают нагревом плазмообразующего газа в электрической дуге, горящей между катодом и анодом плазменной горелки (плазмотрона).

Высокая температура нагрева металлических частиц и большая скорость полета их при плазменном напылении обеспечивает более высокие, чем при других способах газотермического напыления, физико-механические свойства покрытия и более прочное сцепление его с поверхностью детали.

Технология плазменного или, как его иногда называют, газоплазменного напыления в основном применяется для создания износостойких, теплоизоляционных, термобарьерных, электроизоляционных, пористых, изнашиваемых покрытий. Часто используются для создания керамических покрытий, сочетающих свойства износостойкости с изоляцией тепла и/или электричества. Плазменное напыление с успехом заменило вакуумные технологии в создании термобарьерных покрытий лопаток газотурбинных двигателей, пламенных труб, активно используется для электроизоляции деталей геофизики, атомной энергетики.

Для плазменного напыления отечественной промышленностью выпускаются несколько видов установок. В настоящее время наиболее распространены установки типа УПУ и УМП.

В комплект установок входят шкаф управления, плазмотрон, порошковый питатель. Кроме того, установки УПУ комплектуются источником питания.

Наиболее ответственным узлом плазменной установки является плазмотрон, в котором формируются геометрические и энергетические параметры плазменной струи. Стабильность и долговечность плазмотрона во многом зависят от стойкости сопла, которое воспринимает наиболее высокие нагрузки. Срок службы современных плазмотронов сравнительно невысок, поэтому основные его элементы (сопло и вольфрамовый электрод) делаются сменными.

Другим важным узлом установки является порошковый питатель, от которого также зависит стабильность протекания процесса. Наиболее надежны в работе порошковые питатели с механической дозировкой порошка.

Плазменные аппараты в основном применяются для создания теплоизоляционных, электроизоляционных, пористых, изнашиваемых покрытий. Часто используются для создания керамических покрытий, сочетающих свойства износостойкости с изоляцией тепла и/или электричества.

В настоящее время плазмотроны большой мощности спроектированы с подачей порошка в плазменную струю. Такая схема не влияет на дугу. Плазмотроны имеют завышенную мощность, чтобы тепла плазменной струи хватило на нагрев порошка.

Инертно-плазменное напыление

ИПН используется для высококачественного нанесения любых порошковых материалов на поверхность изделий. Процесс осуществляется в зависимости от требований к покрытиям в открытой камере или в камере с контролируемой средой и давлением. Оригинальная конструкция плазмотрона позволяет получить достаточно высокой мощности плазменную струю из аргона при относительно низком значении тока дуги (до 300 А). Можно применять смеси газов на основе аргона с добавлением азота, водорода, гелия. Создаются наполненные профили температуры и скорости плазмы. Равномерный нагрев и ускорение напыляемого материала. Исключается нежелательный эффект химического взаимодействия материала с активными составляющими плазмы. Обеспечиваются высокое качество покрытий и стабильность процесса напыления.

Область применения:

Упрочнение поверхности ответственных узлов и деталей машин и механизмов. Нанесение легко окисляющихся материалов. Создание изделий из композиционных материалов практически любого состава и соотношения.

Газотермическое напыление

Для порошковых материалов приемлем только газопламенный способ

Принцип газотермического напыления достаточно прост: материал, который должен быть нанесен на поверхность детали, пластифицируется в источнике тепла и распыляется высокоскоростным потоком сжатого воздуха или струей газа. При ударе о шероховатую поверхность детали мельчайшие частицы, имеющие еще температуру, равную температуре плавления, деформируются и, внедряясь в поры и неровности детали, образуют покрытие.

Перед началом напыления поверхность деталей необходимо очищать механическим, а если потребуется, то и химическим путем.

Широко применяют установки для напыления покрытий из порошковых материалов. Все установки этого типа состоят из питательного бачка для подачи порошка и распылительной горелки (пистолета). Серийно выпускаются установки двух основных типов: УГПЛ и УГПТ. Установка УГПТ предназначена для ручного и механизированного напыления покрытий из тугоплавких порошков. На установках этого типа можно получать покрытия из самофлюсующихся твердосплавных материалов и керамики с температурой плавления не более 2050°С. Возможно также напылять оксид алюминия и порошки сплава меди и алюминия.

Высокоскоростное газопламенное напыления по праву считается наиболее современной из технологий напыления.

В основе метода лежит нагрев порошковых частиц с одновременным ускорением их при нанесении до сверхзвуковых скоростей. Частицы порошка посредством газовой струи переносятся на деталь, обладая высокой кинетической энергией, которая при ударе о подложку превращается в тепловую. В качестве напыляемых материалов используются различные металлические и металлокерамические порошки. Поскольку частицы при напылении не проплавляются, метод относится к технологиям холодного напыления.

В начале 80-х годов появились установки высокоскоростного напыления, более простые по конструкции и основанные на классической схеме ЖРД, со скоростью газового потока более 2000 м/с. Плотность покрытий достигает 99%. В качестве наносимого материала используют порошки карбидов, металлокарбидов, сплавов на основе Ni, Cu и др. Для увеличения скорости частиц увеличивают скорость истечения продуктов сгорания путем повышения давления в камере сгорания до 1,0…1,5 МПа, а в конструкцию соплового аппарата вводят сопло Лаваля.

Детонационное напыление.

Детонационно-газовый метод напыления является одним из видов газотермического нанесения покрытий, использующих энергию горючих газов (в основном пропан-бутана) в смеси с кислородом, а также со сжатым воздухом (азотом, аргоном).

Процесс напыления покрытий детонационным методом состоит в формировании на поверхности изделия серией последовательных выстрелов слоя из частиц напыляемого порошка, обладающих достаточным запасом тепловой и кинетической энергии в результате взаимодействия с продуктами детонации взрывчатой смеси.

В зависимости от состава взрывчатой смеси скорость детонационной волны может достигать 3000 м/с, а температура продуктов детонации 3200 °С. В результате взаимодействия с высокотемпературными продуктами детонации частицы напыляемого порошка нагреваются до пластичного или жидкого состояния и, вылетая из ствола, приобретают скорость 500--750 м/с.

Скорость и температура частиц порошка зависят от соотношения кислорода и горючего газа в смеси, их расходов, количества вводимого в ствол порошка, его плотности, гранулометрического состава, конструктивных особенностей установки и др.

Список литературы

1. Кудинов В.В. Плазменные покрытия.-М.: Наука, 1977.-184 с.

2. Хасуй А., Моричаки О. Наплавка и напыление.-М.: Машиностроение, 1985.-240 с.

3. Кудинов В.В. Нанесение покрытий напылением. Теория, технология и оборудование.-М.: Машиностроение, 1993.-488 с.

4. Стаценко В.Н. Специальные методы сварки. Владивосток. 2007 год.

5. Хренов К.К. - Сварка, резка и пайка металлов.

6. С.С. Волков Сварка с использованием механической энергии и давления

Размещено на Allbest.ru