Машины и технология сварочного производства

Размещено на http://www.allbest.ru/

Машины и технология сварочного производства

1. История развития и сущность сварки и сварочных технологий

сварка плавление давление

История развития сварки и сварочных технологий

Простейшие приемы сварки были известны в 8 _ 7-м тысячелетии до н.э. В основном сваривались изделия из меди, которые предварительно подогревались, а затем сдавливались. При изготовлении изделий из меди, бронзы свинца благородных металлов применялась так называемая литейная сварка. Соединяемые детали заформовывали, подогревали и место соединения заливали заранее приготовленным расплавленным металлом. Изделия из железа и его сплавов получали их нагревом до «сварочного жара» в кузнечных горнах с последующей проковкой. Это способ известен под названием горновая или кузнечная сварка. Способы сварки развивались очень медленно и часто трудно уловить на протяжении столетий сколько-нибудь заметные изменения методов и технических приемов сварки, применяемых приспособлений и оборудования.

Резкий перелом в этой области техники наступает лишь в конце ХIХ - начале ХХ века. В 1802 г. русский ученый академик В.В. Петров впервые открыл и исследовал явление дугового разряда. Среди других явлений в классическом труде «Известие о гальвани-вольтовских опытах», опубликованной им в 1803 г., описано плавление металла дуговым разрядом. Дуговой разряд, как источник тепла высокой температуры и света высокой яркости, не сразу получил практическое применение из-за отсутствия достаточных мощных и экономичных источников тока для питания дуги. Такие источники появились лишь в конце XIX века.

К моменту открытия дугового разряда электротехника только начинала создаваться, электротехнической промышленности не было.

Выдающийся английский физик М. Фарадей экспериментально изучая электромагнетизм, открыл явление электромагнитной индукции и отсюда вывел принципы устройства электродвигателя (1821 г.) и электрического генератора.

Английский физик Д. Максвелл провел математическую обработку исследований и вывел уравнения, характеризующие электромагнитные поля и происходящие в них процессы.

В 1870 г. французский ученый З.Т. Грамм создал кольцевой якорь для электромагнитной машины, которая может быть электрическим генератором, превращающим механическую энергию в электрическую.

В 1882 г. русский инженер Н.Н. Бенардос изобрел способ электродуговой сварки неплавящимся угольным электродом. Своему изобретению Н.Н. Бенардос дал название «Электрогефест». В 1986 г. он получил русский патент на «Способ соединения и разъединения металлов непосредственным действие электрического тока». Н.Н. Бенардос разработал технологию дуговой сварки и типы сварных соединений, применяемых и в настоящее время (встык, внахлестку и др.); при сварке металла значительных толщин он применял скос кромок. Подготовка кромок при сварке тонких листов заключалась в отбортовки их краев. Для улучшения качества сварки им применялись флюсы: при сварке сталей - кварцевый песок, мрамор, при сварке меди - бура и нашатырь.

В 1888 -1890 гг. другой русский инженер Н.Г. Славянов предложил выполнять дуговую сварку плавящимся металлическим электродом. В начале ХХ века дуговая электросварка постепенно стала ведущим промышленным способом соединения металлов.

Созданию газовой сварки способствовали исследования процессов горения газовых смесей французским ученым Анри Луи Ле Шателье. В 1895 г. он доложил французской академии наук о получении им высокотемпературного пламени при сжигании смеси ацетилена и кислорода. К началу ХХ века относятся первые попытки применения для сварки и резки горючих газов в смеси с кислородом. Первую ацетилено-кислородную горелку сконструировал Эдмонд Фуше, который получил на нее патент в Германии в 1903г. В 1904 во Франции была обнаружена возможность использования ацетилено-кислородной горелки для резки. Впервые газовая сварка демонстрировалась в 1906г. в Московском техническом училище. С 1911г. пионером развития автогенного дела в России являлся завод «Перун» в Петербурге, на котором изготавливалась некоторая аппаратура для газовой сварки и резки и обучались первые газосварщики.

Особенные заслуги в области электродуговой сварки, механизации и автоматизации ее процесса принадлежат русскому ученому академику Е.О. Патону. Во время Второй Мировой войны автоматическая сварка под слоем флюса была широко освоена на наших оборонных заводах и сыграла большую роль в увеличении производства танков и артиллерийского вооружения.

Быстрое развитие промышленности и всех отраслей техники вызвало появление новых средств нагрева, пригодных для сварки металлов, таких как, термитные смеси, электронный луч, лазер, высокотемпературная плазма, ультразвук и других новых эффективных способов сварки.

Сущность сварки

Сварка - технологический процесс соединения твердых материалов в результате действия межатомных сил, которое происходит при местном сдавливании или совместном пластическом деформировании свариваемых частей

Сваркой материалов называется процесс их соединения за счет сил взаимодействия атомов. Как известно, поверхностные атомы металлических деталей имеют свободные, ненасыщенные связи, которые захватывают различные атомы или молекулу, приблизившиеся на расстояние действия межатомных сил. Если сблизить поверхности двух металлических деталей на расстояние действия межатомных сил, на каком они находятся внутри металла, то получим по поверхности соприкосновения сращивание их в одно целое, равное прочности цельного металла. Процесс соединения протекает самопроизвольно без затрат энергии и весьма быстро, практически мгновенно.

Обычные металлы при комнатной температуре не соединяются не только при простом контакте, но и при сжатии значительными усилиями. Соединению твердых металлов мешает, прежде всего, их твердость, при их сближении действительный контакт происходит лишь в немногих точках, как бы тщательно она не была обработана.

Рис. 1.1. Механический контакт металлических деталей:

_ площадь элементарного (единичного) микроконтакта.

На процесс соединения сильно влияют загрязнения поверхности металлов - окислы, жировые пленки и пр., а также адсорбированные слои молекул газов, и сколько-нибудь длительно сохранить ее чистоту можно лишь в высоком вакууме (не менее 1-10^-8 мм рт.ст.).

Рис. 1.2. Поверхность металла на воздухе:

1 - глубинный слой металла, не затронутый пластическими деформациями; 2 - поверхностный слой полностью разориентированных кристаллитов с прослойками окислов; 3 - оксидный слой; 4 - адсорбированный слой кислородных анионов и нейтральных молекул воздуха; 5 - слой водяных молекул; 6 - слой жировых молекул; 7 - ионизированные пылевые частицы.

Для преодоления приведенных затруднений при сварке применяют нагрев и давление.

При нагреве с повышением температуры металл становится пластичным. Дальнейшим повышением температуры металл можно довести до расплавления; в этом случае объемы жидкого металла самопроизвольно сливаются в общую сварочную ванну.

Рис. 1.3. Схема сварки плавлением.

Давление, прилагаемое к соединяемым частям, создает значительную пластическую деформацию металла, и он начинает течь подобно жидкости. Металл перемещается вдоль поверхности раздела, унося с собой поверхностный слой с загрязнениями и пленками адсорбированных газов; в тесное соприкосновение вступают выходящие на поверхность свежие слои и образуют одно целое.

Рис. 1.4. Схема сварки давлением.

2. Классификация и характеристика способов сварки плавлением

Сущность сварки плавлением

При сварке плавлением расплавленный металл соединяемых частей самопроизвольно, без приложения внешних сил соединяется в одно целое.

Во время сварки жидкий металл энергично взаимодействует с азотом и кислородом воздуха, что снижает прочность шва и приводит к образованию дефектов. Чтобы изолировать зону сварки от окружающего воздуха, а иногда для того, чтобы ввести в шов элементы, улучшающие его качество на поверхность металлического стержня наносят специальные вещества или запрессовывают их в порошкообразном состоянии внутрь полого стержня. Для защиты зоны сварки от окружающего воздуха широко используют инертные и активные газы и их смеси. Для этой же цели вокруг электрода плотным слоем наносят зернистый материал - флюс. Расплавляясь в процессе сварки, флюс или специальные вещества создают шлаковый покров, надежно изолирующий расплавленный металл от окружающего воздуха.

Классификация способов сварки плавлением

Рис. 2.1. Классификация способов сварки плавлением.

Ручная дуговая сварка - дуговая сварка, при которой возбуждение дуги, подача электрода и его перемещение проводятся вручную.

При РДС зажигание дуги, поддержание ее длины во время сварки, перемещение вдоль свариваемых кромок и подача электрода в зону горения дуги по мере его расплавления осуществляется сварщиком вручную. Нормальная длина дуги не превышает 0,5 - 1,1 диаметра электрода. Диаметр электрода обычно составляет 3 - 6 мм. Основной объем сварочных работ выполняется при токе 90-350 А и напряжении 18-30 В.

Рис. 2.2. Схема поста для ручной дуговой сварки:

1 - рабочий стол; 2 - свариваемое изделие; 3 - электрод; 4 - электрододержатель; 5 - сварочный провод; 6 - источник питания дуги; 7 - сварочный провод; 8 - струбцина

Дуговая сварка в защитном газе - дуговая сварка, при которой дуга и расплавленный металл, а в некоторых случаях, и остывающий шов, находятся в защитном газе, подаваемом в зону сварки с помощью специальных устройств.

Идея сварки в защитном газе предложена в конце ХIХ века Н.Н. Бенардосом. В 20-х годах ХХ века в США инженер Александер и физик Лэнгмюр осуществили сварку стержневым электродом в смесях газов. В 1925 г. Лэнгмюр разработал сварку дугой косвенного действия с неплавящимся вольфрамовым электродом и применением в качестве защитной среды водорода - метод атомно-водородной сварки. В конце 40-х годов ХХ века в НИАТ была разработана сварка в инертном газе вольфрамовым электродом. В 1949 г. в Институте электросварки была разработан сварка в углекислом газе угольным электродом.

Сварка в среде защитного газа может осуществляться плавящимся и неплавящимся электродом

Сварка в защитных газах неплавящимся электродом- это процесс, в котором в качестве источника тепла применяют дуговой разряд, возбуждаемый между вольфрамовым или угольным (графитовым электродом и изделием.

Рис. 2.3. Схема процесса сварки в среде защитных газов:

а - неплавящимся электродом; б - плавящимся электродом; 1 -электрод; 2 -сопло; 3 - дуга; 4 - металл шва; 5 - изделие.

Сварка в защитных газах плавящимся электродом - дуговая сварка, выполняемая электродом, который, расплавляясь при сварке, служит присадочным металлом.

При сварке плавящимся электродом в защитных газах дуговой разряд существует между концом непрерывно расплавляемой проволоки и изделием. Проволока подается в зону сварки с помощью механизма со скоростью равной средней скорости ее плавления; этим поддерживается постоянство длины дугового промежутка. Расплавленный металл электродной проволоки переходит в сварочную ванну и таким образом участвует в формировании шва.

Дуговая сварка под флюсом - дуговая сварка плавлением, при которой дуга горит под слоем сварочного флюса.

Способ сварки под флюсом разработан в 1939 в Институте электросварки АН Украины при участие Е.О. Патона на основе идей, выдвинутых Н.Г. Славяновым, и получил тогда название «скоростная автоматическая сварка голым электродом под слоем флюса».

При сварке под слоем флюса сварочная дуга горит между изделием и концом сварочной проволоки. Под воздействием дуги проволока плавится и по мере расплавления подается в зону сварки. Дуга закрыта слоем флюса. Сварочная проволока (а вместе с ней и дуга) перемещается в направлении сварки с помощью специального механизма (автоматическая сварка) или вручную (полуавтоматическая сварка). Под влиянием теплоты дуги плавится также основной металл и флюс. Расплавленные проволока, флюс и основной металл образуют сварочную ванну. Флюс в виде жидкой пленки покрывает зону сварки, изолируя ее от воздуха. Расплавленный дугой металл сварочной проволоки каплями переносится в сварочную ванну, где смешивается с расплавленным основным металлом. По мере удаления дуги металл сварочной ванны начинает охлаждаться, так как поступление теплоты к нему уменьшается, а затем затвердевает, образуя шов. Расплавленный флюс (шлак) затвердевает, образуя на поверхности шва шлаковую корку. Избыточная нерасплавленная часть флюса отсасывается и используется повторно.



Рис. 2.4. Схема сварки под флюсом:

1 - свариваемые детали; 2 - слой флюса; 3 - сварочная проволока; 4 - сварочная дуга; 5 - расплавленный флюс; 6 - шлаковая корка; 7 - остаток флюса; 8 - сварочный шов; 9 - сварочная ванна.

Электрошлаковая сварка - сварка плавлением, при которой для нагрева используется тепло, выделяющееся при прохождении электрического тока через расплавленный шлак. Способ электрошлаковой сварки был разработан в 50-е годы 20 в. в Институте электросварки АН Украины. Впервые электрошлаковую сварку электродными проволоками осуществил в 1949г. Г.З. Волошкевич. Электрошлаковую сварку пластинчатыми электродами в промышленных условиях впервые удалось осуществить Ю.А. Стеренбогену на Новокраматорском машиностроительном заводе в 1955г.

При ЭШС электрический ток, проходя через шлаковую ванну, расплавляет основной и присадочный металл и поддерживает высокую температуру расплава. Электрошлаковый процесс устойчив при глубине шлаковой ванны 35 - 60 мм, которую легче создать при вертикальном положении оси шва и принудительном формировании его поверхности. Для принудительного охлаждения и формирования поверхности шва используются, как правило, медные водоохлаждаемые устройства. При ЭШС почти вся электрическая мощность передается шлаковой ванне, а от нее - электроду и свариваемым кромкам. Устойчивый процесс возможен только при постоянной температуре шлаковой ванны 1900-2000°С. Диапазон толщин свариваемых металлов 20 - 3000 мм.



Рис. 2.5. Схема электрошлаковой сварки:

1 - свариваемые детали толщиной s; 2 - мундштук для подачи электрода; 3 - электрод; 4 - шлаковая ванна глубиной h_s; 5 - металлическая ванна глубиной h_м; 6 - формирующий ползун. Детали выбраны с зазором b_с; l_c - вылет электрода.

Плазменная сварка - сварка плавлением, при которой нагрев металла производится сжатой дугой. При плазменной сварке в качестве источника теплоты используется электрическая дуга, столб которой принудительно обжат с целью повышения концентрации его тепловой энергии на обрабатываемом изделии. Основным инструментом при плазменной сварке является плазматрон - генератор плазмы, т.е. ионизированного газа, обладающего высокой температурой.

В 1921 г. Химес запатентовал дуговую горелку, предназначенную для синтеза химических веществ и являющуюся прообразом современных плазмотронов. В этот же период Гердиен и Лотц в столбе дуги, стабилизированной водяным вихрем, получили температуру около 50000^оС. Применение плазматронов в сварочной техники началось с середины 50-х годов 20 в., после того как для сварки тонколистовых металлов получили широкое распространение аргоно-дуговые горелки с неплавящимся вольфрамовым электродом.

В разрядной камере плазматрона, внутри которой горит мощная дуга, в результате теплообмена с дугой газ нагревается, ионизируется и истекает через сопло в виде плазменной струи. В сварочных плазмотронах истекающая из сопла плазменная струя совмещена со столбом дуги; опорным пятном (вторым электродом) дуги служит обрабатываемый металл. Таким образом при плазменной сварке теплопередача в обрабатываемый металл осуществляется как путем его конвективного нагрева плазменной струей, так и за счет тепловыделения в опорном пятне, что и обусловливает высокий энергетический КПД этих процессов.

Рис. 2.6. Схема плазменной сварки:

1 - канал плазмообразующего газа; 2 - канал защитного или фокусирующего газа.

Газовая сварка - сварка плавлением, при которой нагрев свариваемого и присадочного металла осуществляется высокотемпературным газокислородным пламенем посредством специальных сварочных горелок. Газовое пламя получают при сгорании какого-либо горючего газа (ацетилена, пропан-бутана, природного газа) в смеси с кислородом. Для сварки многих металлов практически пригодно пламя с температурой не менее 3000^оС. По сравнению с электродуговой сваркой газовая сварка - процесс малопроизводительный. Газовую сварку применяют при изготовлении тонких стальных изделий толщиной до 5 мм, сварке цветных металлов и их сплавов.

Рис. 2.7. Схема газовой сварки.

Электронно-лучевая сварка - сварка плавлением, при которой нагрев металла производится потоком - лучом быстродвижущихся электронов, ускоряемых электрическим полем. Попадая на поверхность изделия, электроны отдают свою кинетическую энергию, превращающуюся в тепловую и нагревают металл до температуры 5000-6000⁰С. Процесс обычно ведется в герметически закрытой камере, в которой поддерживается вакуум. Толщина заготовок, свариваемых электронным лучом, может достигать от 0,01 до 100 мм и более.

В 1879 г. Крукс показал возможность нагрева и плавления платины катодными лучами. В 1897 г. Томпсон установил, что катодные лучи являются электрически заряженных частиц. Милликен в 1905 - 1917 гг. окончательно доказал особую природу электронов и установил их заряд. Разработка техники и технологии электронно-лучевой сварки связывается с именем Д.А. Стора, который работал во французской комиссии по атомной энергии и опубликовал результаты работы в 1957 г.



Рис. 2.8. Схема электронно-лучевой сварки:

1 - вольфрамовый катод; 2 - дисковый анод; 3 - катушки, фокусирующие электронный луч вдоль оси; 4 - диафрагма, отсекающая энергетически малоэффективные краевые зоны луча; 5 - магнитная линза, фокусирующая луч в круглое пятно на поверхности детали; 6 - отклоняющие катушки, перемещающие луч по поверхности детали; 7 - система наблюдения за процессом сварки; 8 - свариваемые детали; 9 - стол для фиксации и перемещения деталей.

Лазерная сварка - сварка плавлением, при которой для нагрева используется энергия излучения лазера

В начале 60-х годов на основе работ физиков Н.Г. Басова и А.М. Прохорова и американского физика Ч. Таунса были созданы оптические квантовые генераторы или лазеры. Первые сообщения о лазерной сварки металлов относятся к 1962 г. В 1964 - 1966 гг. вскоре после создания рубинового твердотельного лазера были разработаны лазерные установки.

При лазерной сварке в качестве источника теплоты используют мощный концентрированный световой луч, получаемый в специальной установке, называемой технологическим лазером.

Твердотельный технологический лазер - рубиновый кристалл имеет форму цилиндрического стержня; полированные и посеребренные поверхности которого являются оптическими отражателями. Выходной конец стержня частично прозрачен для световых лучей. Розовый рубин состоит из Al₂O₃ с атомами хрома, каждый из которых имеет три энергетических уровня. При вспышке ксеноновой лампы облучающей трубки, атомы хрома возбуждаются и переходят в состояние, характеризующееся повышенным энергетическим уровнем. Примерно через 0,05 мкс часть возбужденных атомов возвращается в первоначальное энергетическое состояние, беспорядочно излучая фотоны красного света. Некоторая часть этих фотонов, излучаемых вдоль оси кристалла, вызывает излучение новых фотонов. Фотоны, испускаемые в других направлениях, покидают кристалл через боковые плоскости. Поток красных фотонов вдоль оси кристаллов нарастает, отражаясь попеременно от зеркальных торцов граней, пока его интенсивность не станет достаточной, чтобы он смог пройти через полупрозрачную торцовую грань кристалла наружу. В результате через выходной конец кристалла излучается поток красного света в виде когерентного монохроматичного излучения.

Рис. 2.9. Схема лазерной сварки: 1 - стержень активной среды; 2 - лампа накачки; 3 - зеркала резонатора; 4 - зеркальный цилиндр осветителя; 5 - система фокусировки излучения на свариваемые детали и наблюдения за процессом сварки.

3. Классификация и характеристика способов сварки давлением

Сущность сварки давлением

При сварке давлением соединение заготовок достигается путем совместной пластической деформации соединяемых поверхностей, осуществляемой за счет приложения внешнего усилия; при этом материал в зоне соединения, как правило, нагревают с целью повышения его пластичности. В процессе деформации происходит смятие неровностей, разрушение окисных пленок, в результате чего увеличивается площадь соприкосновения чистых поверхностей. Возникновение межатомных связей приводит к прочному соединению деталей.

Классификация способов сварки давлением

Рис. 3.1. Классификация способов сварки давлением.

Контактная сварка - это технологический процесс получения неразъемных металлических соединений деталей в результате их кратковременного нагрева электрическом током, протекающим через эти детали, и пластического деформирования усилием сжатия.

Открыл и впервые применил стыковую контаткную сварку сопротивлением в 1856 г. английский физик Уильям Томсон (Кельвин), член Лондонского королевского общества. В 1877 г. Э. Томсон (США) независимо от У. Томсона изобрел стыковую контактную сварку сопротивлением. В 1877 г. Н.Н. Бенардос предложил один из наиболее распространенных способов контактной сварки - точечную сварку.

Точечная контактная сварка - способ контактной сварки, при котором детали свариваются по отдельным ограниченным участкам касания (по ряду точек).

При точечной сварке детали собирают внахлестку, сжимают усилием F_св электродами, к которым подключен сварочный трансформатор. Детали нагреваются при кратковременном прохождении сварочного тока I_св до образования зоны взаимного расплавления деталей, называемой ядром. Нагрев зоны сварки сопровождается пластической деформацией металла в зоне контакта деталей (вокруг ядра), где образуется уплотняющий поясок, надежно предохраняющий жидкий металл от выплеска и от окружающего воздуха. Поэтому специальной защиты зоны сварки не требуется.

Рис. 3.2. Схема точечной контактной сварки:

1 - свариваемые детали; 2 - электроды; 3 - трансформатор; 4 - ядро; 5 - уплотняющий поясок.

Шовная контактная сварка - способ получения герметичного соединения (шва) путем образования ряда перекрывающихся точек. Подвод тока и перемещение деталей осуществляют с помощью вращающихся дисковых электродов - роликов.

Рис. 3.3. Схема шовной контактной сварки:

1 - свариваемые детали; 2 - ролики; 3 - трансформатор; 4 - ядро.

Рельефную контактную сварку можно определить как разновидность контактной сварки, при которой необходимая плотность тока в месте будущего сварного соединения создается не рабочей поверхностью электрода, а соответствующей формой свариваемых изделий. Эта форма изделия создается искусственно, путем получения местных выступов (рельефов) различной формы или является естественной в связи с конструктивными особенностями соединения.

Рис 3.4. Схема рельефной контактной сварки:

1 - свариваемые детали; 2 - токоведущие электроды; 3 - трансформатор; 4 - ядро; 5 - рельеф.

Стыковой контактной сваркой называется вид контактной сварки, при которой сваривание происходит по всей совмещаемой поверхности деталей, по всему стыку.

Рис. 3.5. Схема стыковой контактной сварки.

Холодная сварка - сварка давлением при значительной пластической деформации без нагрева свариваемых частей внешними источниками тепла.

Холодная сварка металлов применялась с глубокой древности. Например, золотые коробочки, хранящиеся в Национальном музее в Дублине (Ирландия), по заключение экспертов, изготовлены в эпоху поздней бронзы с применением холодной сварки. Современный период истории холодной сварки начинается с исследований, выполненных в Англии в 1948 г. Первой гипотезой холодной сварки, отражающей представление о свойствах деформируемых металлов, была рекристаллизационная гипотеза Соутера, получившая дальнейшее развитие в работах Паркса.

Метод холодной сварки основан на использовании пластической деформации, с помощью которой разрушают на свариваемых поверхностях хрупкую пленку окислов - основное препятствие для соединения металлов. Образование цельнометаллического соединения происходит за счет возникновения металлических связей между соединяемыми металлами. Эти связи возникают между атомами при сближении поверхностей соединяемых металлов на расстоянии порядка (28)10^-7 мм в результате образования общего электронного облака, взаимодействующего с ионизированными атомами обеих металлических поверхностей.



Рис. 3.6. Схема холодной сварки:

1 - свариваемые детали; 2 - пуансон.

Диффузионная сварка входит в группу способов сварки давлением, при которых соединение за счет пластической деформации свариваемых частей осуществляется при температуре ниже температуры плавления, т.е. в твердой фазе. Отличительной особенностью является применение повышенной температуры при сравнительно небольшой остаточной деформации.

Способ диффузионной сварки был разработан в 1953г. Н.Ф. Казаковым. Большой научный и практический вклад в дальнейшее развитие этого способа сварки и представлений о его природе внесли работы М. Х. Шоршорова, А. С. Гельмана, Э.С. Каракозова и других ученых.

Процесс можно осуществлять с использованием большинства тепловых источников, известных при сварке. Чаще всего диффузионную сварку проводят в вакууме.

Процесс сварки с помощью диффузионного соединения условно подразделяют на две стадии.

На первой стадии происходит нагрев материалов до высокой температуры и приложение давления, что вызывает пластическую деформацию микровыступов, разрушение и удаление различных пленок на контактируемых поверхностях. При этом образуются многочисленные участки непосредственного металлического контакта (металлические связи).

Вторая стадия - ликвидация оставшихся микронеровностей и образование объемной зоны взаимного соединения под действием диффузии.

Рис. 3.7. Схема диффузионной сварки:

1- система нагружения; 2 - нагреватель; 3 - детали.

Ультразвуковая сварка - сварка давлением, осуществляемая при воздействии ультразвуковых колебаний. Неразъемное соединение при ультразвуковой сварки металлов получают в процессе сжатия соединяемых элементов с относительно небольшим усилием при одновременном воздействии на зону контакта механических колебаний с частой 15 - 80 кГц.

Ультразвуковая сварка - изобретение, развитие которого следует отнести к 30 _ 40-м годам 20 века. Открытие этого процесса связано с использованием ультразвуковых колебаний для очистки поверхностей, соединяемых с помощью контактной сварки.

При ультразвуковой сварке необходимые условия для образования соединения создаются в результате наличия механических колебаний в зоне контакта соединяемых элементов. Энергия вибрации создает сложные напряжения растяжения, сжатия и среза. При превышении предела упругости соединяемых металлов происходит пластическая деформация в зоне их контактирования. В результате пластической деформации и диспергирующего действия ультразвука происходит разрушение и удаление поверхностных пленок различного происхождения, а также образование сварного соединения. Температура нагрева в зоне контакта обычно не превышает 0,3 - 0,5 температуры плавления соединяемых металлов.

Рис. 3.8. Схема ультразвуковой сварки:

1 - преобразователь; 2 - волноводное звено; 3 - акустическая развязка; 4 - сварочный наконечник; 5 - свариваемые детали.

Сваркой трением называют технологический процесс получения неразъемного соединения, осуществляемый за счет использования теплоты, образующейся на поверхности контакта двух заготовок, прижатых одна к другой, и участвующих в относительном движении. После прерывания или полного прекращения относительного движения сварка трением завершается приложением усилия проковки.

Мысль об использовании теплоты трения для сварки металлов высказывалась неоднократно (известны упоминания об этом в трудах Джеймса Джоуля, что явилось основой патента США 1891г. и др.). Однако в те годы эта мысль не была реализована. Толчком для возникновения сварки трением послужила публикация токаря А.И. Чудикова о возможности осуществления сварки трением встык двух стержней из низкоуглеродистой стали на обычном токарном станке.

Как и при других способах сварки давлением, сварное соединение образуется в результате пластического деформирования приконтактных объемов свариваемых заготовок. Отличительной особенностью сварки трением является получение теплоты за счет прямого преобразования работы, затрачиваемой на преодоление сил трения, возникающих при взаимном перемещении трущихся поверхностей.

Рис. 3.9. Схема сварки трением с непрерывным приводом:

1- тормоз; 2,3 - свариваемые заготовки.

Сваркой прокаткой получают металлические конструкции, состоящие из двух или более слоев (компонентов), которые выполняют различные функции. Слой, выполняющий функцию силового элемента, называется основным. Слой, имеющий специальные свойства, которые определяются требованиями, предъявляемыми к конструкции, называется плакирующим. Основной слой, как правило, имеет большую по сравнению с плакирующим толщину и изготавливается из более дешевого материала.

Сварка может производиться при нагреве соединяемых материалов (горячая сварка прокаткой) и в холодном состоянии при получении многослойных материалов из пластичных металлов (холодная сварка прокаткой).

Сварка прокаткой является разновидностью сварки давлением и характеризуется тем, что соединение осуществляется в условиях принудительного деформирования при малых длительностях взаимодействия.



Рис. 3.10. Схема сварки прокаткой:

1 - валик; 2 - свариваемые заготовки.

Сварка взрывом - вид сварки давлением, осуществляемый под действием энергии, выделяемой при взрыве заряда взрывчатого вещества.

В 1944 - 1946 гг. М.А. Лаврентьевым и его сотрудниками в Институте математики АН Украины в Киеве при проведении экспериментов по кумуляции были получены осесимметричные биметаллические образцы с весьма характерным для сварки взрывом явлением волнообразования на поверхности контакта соударяющихся тел. В 1944 г. в американском журнале Л.Р. Карл описал случай соединения двух латунных дисков, метаемых с помощью детонатора. Первое сообщение в американской литературе о сварке взрывом как о потенциально полезном в технологическом отношении процессе принадлежит Филипчуку, который наблюдал эффект соединения алюминиевого листа с матрицей при штамповке взрывом. В 1964 г. Г. Кован, А. Хольман, Дж. Дуглас из американской фирмы Дюпон Де Немур в результате исследований косых соударений пластин, метаемых плоским зарядом взрывчатого вещества, разработали и запатентовали весьма совершенную технологию сварки взрывом.

Принципиальная схема осуществления сварки взрывом приведена на рис. 1.7. Неподвижную пластину 4 и метаемую пластину 3 располагают под углом б на заданном расстоянии h от вершины угла. На метаемую пластину укладывают заряд 2 взрывчатого вещества. В вершине угла устанавливается детонатор 1. Сварка производится на опоре 5 (металл, песок). Площадь метаемой пластины, как правило, больше площади основной пластины. Нависание метаемой пластины над основой необходимо для уменьшения влияния эффекта бокового разлета продуктов взрыва при детонации плоского заряда взрывчатого вещества.

Рис. 3.11. Схема сварки взрывом под углом:

1 - детонатор; 2 _ заряд взрывчатого вещества; 3 _ метаемый элемент; 4 - неподвижный элемент; 5 - опора.

Высокочастотная сварка - сварка давлением, при которой для нагрева свариваемых поверхностей используются токи высокой частоты. Этот ток может подводится к свариваемым поверхностям деталям двумя способами:

- при помощи проводников (кондуктора), подключающих свариваемые детали к источнику ТВЧ (кондуктивный способ подачи энергии);

- за счет индуктирования в свариваемых деталях тока высокой частоты с помощью токопроводящего витка (индуктора), подключенного к источнику ТВЧ (индукционный способ подачи энергии).

В 30 - 40-х годах 20 в. были сделан попытки применения токов высокой частоты для сварки металлов. Работы по сварке металлов токами высокой частоты были начаты в 1944 г. в лаборатории профессора В.П. Вологдина по стыковой сварке труб

При пропускании тока высокой частоты по проводнику вокруг и внутри проводника создается магнитное поле, которое, согласно закону электромагнитной индукции, вызывает в проводнике э. д. с. самоиндукции, которая будет направлена противоположно э. д. с. источника питания. При этом э. д. с. самоиндукции, воздействующая на внутренние линии тока, будет больше, чем э. д. с. самоиндукции воздействующая на поверхностные линии тока. Это приводит к тому, что плотность тока на поверхности будет больше, чем во внутренней области проводника. Такая неравномерность будет увеличиваться по мере повышения частоты тока, т.е. величина э. д. с. самоиндукции пропорциональна частоте тока. Таким образом, с повышением частоты тока концентрация тока на поверхности проводника будет увеличиваться. Этот эффект называется поверхностным эффектом.

При сильном проявлении поверхностного эффекта ток по центральной части проводника практически не течет, что приводит к увеличению активного сопротивления и усилению нагрева проводника.

Эффект близости заключается в перераспределении линий тока, протекающих в соседних проводниках, вследствие их взаимного влияния. Это явление имеет место только в случае достаточно сильного проявления поверхностного эффекта, т.е. при условии, что глубина проникновения тока достаточно мала по сравнению с поперечными размерами проводника и поперечное сечение проводника лишь частично занято током.

Если проводник с током высокой частоты (индуктор) расположить над проводящей пластиной, то максимальная плотность тока в пластине будет под индуктором. Ток на поверхности пластины будет как бы следовать за индуктором. Это явление позволяет управлять распределением тока в свариваемых телах и играет большую роль при высокочастотной сварке.



Рис. 3.12. Схема высокочастотной сварки труб:

1 - свариваемая труба; 2 - индуктор; 3 - магнитопровод; 4 - зажимы для фиксации свариваемых труб и создания осадки.

4. Родственные сварки технологии

Наплавка

Наплавка - нанесение с помощью сварки слоя металла на поверхности изделия.

Наплавка драгоценных металлов была хорошо известна ювелирам и оружейникам уже в глубокой древности: золото и серебро наплавляли для украшения доспехов и оружия. Наварку железа, по сообщению Геродота, впервые выполнил Главк, уроженец острова Хиос, которому отец царя Креза поручил изгтовление большого сосуда для подарка в храм (VI в. до н.э.). наварка кузнечным способом науглероженных пластинок на режущие кромки серпов и ножей использовалась кузнецами Киевской Руси. Наварка изношенных и поврежденных изделий как один из видов кузнечных работ применялась длительное время во всех кузнецах. Развитие современных методов наплавки связано с появлением электрической дуги и газового пламени. Н.Г. Славянов считал одним из важнейших применений дуговой сварки «Наливание слоя металла на изношенные поверхности или для какой-либо другой цели. В 30-х годах 20 в. все больше распространяется ручная дуговая наплавка покрытыми электродами. В 40-х годах 20 в. для выполнения различных наплавочных работ стали использовать сварку под слоем флюса. Электрошлаковая наплавка была впервые осуществлена в конце 50-х годов 20 в.

Наплавка металла на поверхность детали дает возможность придать ей необходимые достаточные механические и физико-химические свойства и тем самым повысить надежность и долговечность работы и снизить себестоимость.

Наплавочные работы применяются для создания на деталях поверхностных слоев с требуемыми свойствами, а также для восстановления исходных размеров изношенных деталей.

Изготовительная наплавка служит для получения новых биметаллических (многослойных) изделий. Такие изделия состоят основы (основной металл), обеспечивающей необходимую конструкционную прочность, и наплавленного рабочего слоя (наплавленный металл) с особыми свойствами (износостойкость, термостойкость, коррозионная стойкость) Например, наплавку используют для изготовления деталей из конструкционных, сравнительно дешевых сталей, на рабочие поверхности которых наплавляют износостойкий, жаростойкий или иной специальный сплав.

Восстановительная наплавка применяется для восстановления первоначальных размеров изношенных или поврежденных деталей. В этом случае металл может быть близок по составу и свойствам основному металлу (восстановительная размерная наплавка) или отличаться от них (восстановительная износостойкая наплавка).

При наплавочных работах, как правило, необходимо получать минимальное проплавление основного металла и минимальное перемешивание основного и наплавленного металла для того, чтобы сохранить механические свойства наплавленного слоя.

В то же время наплавленный металл должен прочно соединяться с металлом основы и не должен содержать пор, шлаковых включений, раковин трещин и других дефектов.

Напыление

Газотермическим напылением называют процесс нанесения покрытий, основанный на нагреве материала до жидкого состояния и распыление его на изделие - подложку с помощью газовой струи. Покрытия наносят без существенного повышения температуры подложки, что исключает появление деформации напыленных деталей.

Газотермическое напыление можно разделить на газопламенное и газоэлектрическое.

Сущность газопламенного напыления заключается в расплавлении напыляемых материалов (порошка, проволоки сплошного сечения и порошковой проволоки) газовым пламенем и распылении их сжатым воздухом. В качестве горючего газа применяют ацетилен, пропан-бутан, природный газ и др. Недостатками газопламенного напыления являются низкое качество покрытий, обусловленное пониженной температурой пламени, малыми скоростями переноса частиц и большим содержанием окислов в покрытии.

Рис 4.1. Схема газопламенного напыления

1 - горючая смесь; 2 - распыляемая проволока; 3 - сжатый воздух;

4 - напыляемый порошок; 5- металлизационный факел.

Сущность электрометаллизационного напыления заключается в плавлении проволоки электрической дугой и распылении жидкого металла сжатым воздухом. Распыления сжатым воздухом приводит к значительному выгоранию компонентов и их окислению.

Электрометаллизаторы значительно проще в управлении в сравнении с пламенными. При электродуговом напылении в качестве исходного материала используют проволоку.

Рис. 17.3. Схема электрометаллизационного напыления:

а - электродугового, б - высокочастотного: 1,3 - напыляемая проволока; 2 - сжатый воздух; 4 - индуктор; 5 - металлизационный факел.

Пайка

Пайкой называется процесс соединения металлов в твердом состоянии припоями, которые при расплавлении смачивают паяемые поверхности, заполняют капиллярный зазор между ними и образуют паяный шов при кристаллизации.

Из определения следует, что процесс образования паяного соединения связан с нагревом. Для получения спая наряду с нагревом необходимо обеспечить еще два основных условия:

1) удалить с поверхности металла в процессе пайки окисную пленку.

2) ввести в соединительный зазор между ними расплавленный связующий металл.

При кристаллизации вступившего во взаимодействие с паяемыми металлами более легкоплавкого связующего металла, образуется паяное соединение.

Процесс пайки имеет много общего со сваркой, и, прежде всего со сваркой плавлением, но, несмотря на внешнее сходство между ними имеются принципиальные различия.

1) Если при сварке плавлением свариваемый и присадочный металл в сварочной ванне находится в расплавленном состоянии, то при пайке паяемый металл не плавится. Образование соединения без кромок паяемых деталей является основной особенностью процесса пайки.

2) При пайке формирование шва происходит путем заполнения припоем капиллярного зазора между соединяемыми деталями, т.е. процесс пайки связан с капиллярным течением присадочного материала, что не имеет места при сварке плавлением.

3) Пайка в отличие от сварки плавлением может быть осуществлена при любых температурах, лежащих ниже температуры плавления основного металла.

Эти различия имеют своим следствием иную, чем при сварке плавлением, природу процессов, протекающих при образовании паяного шва.

Пайка является наиболее древним способом соединения металлов. На основе археологических раскопок установлено, что человек достаточно хорошо владел им еще 3 - 5 тысяч лет назад. Так, при раскопках на территории древнего Египта были найдены паянные медно-серебряным припоем трубы и паяные изделия. На территории СНГ также было найдено большое количество самых различных паяных изделий, относящихся к глубокой древности. Обычно это оружие, предметы домашнего обихода и украшения - особенно в древней Руси, на Южном Урале и Украине (г. Киев).

В развитие пайки металлов огромный вклад внесли русские ученые. Так, например, М.В. Ломоносов впервые наблюдал и описал явление спаивания металлов в разряде атмосферного электричества. Д.И Менделеев в своем труде «Основы химии» первым дал объяснение процесса флюсования при пайке с применением в качестве флюса хлористого цинка.

В XVIII и XIX вв. в связи с развитием промышленности пайка вышла за рамки ремесла; ее стали применять также в производственных условиях. Первыми оценили преимущества высокотемпературной пайки тульские оружейники, начав широко применять ее для соединения ответственных деталей.

Однако, несмотря на эти примеры, пайка оставалась ремеслом, и применение ее в промышленности было весьма ограничено. Только в 30-х годах 20 века, в связи с потребностями массового производства и появлением таких новых источников нагрева, как электрические печи и высокочастотные установки, пайка начала находить широкое промышленное применение.

Термическая резка

Резка технологически отлична от сварки и противоположна ей по смыслу, но оборудование, материалы, приемы выполнения операций близки к применяемым в сварочной технике. Под термической резкой подразумевают процессы, при которых металл в зоне резки нагревается до высокой температуры и самопроизвольно вытекает или удаляется в виде размягченных шлаков и окислов, а также может выталкиваться механическим действием (струей газа, плазмы, электродом). Промышленное значение термической резки весьма велико: обрезка и обдирка отливок, разрезка проката, обрезка и зачистка отливок, разрезка и раскрой листов, обрезка кромки под сварку, вырезка заготовок и готовых деталей.

В процессе резки металл может удаляться из полости реза чисто термическим процессом, он расплавляется и вытекает. Но наиболее важный для техники металл - железо - легко окисляется, а в чистом кислороде может гореть подобно тому, как магний горит на воздухе; в результате металл превращается в окислы и шлаки, удаляемы из полости реза. В одних процессах резки преобладает термический процесс, в других - химический, но всегда оба эти процесса действуют совместно; в продуктах, удаляемых из полости реза, всегда можно обнаружить как металлическое железо, так и его окислы.

К термическому и химическому действию может присоединяться механическое действие струи газа, электрода и пр., выталкивающие жидкие и размягченные продукты из полости реза. Резка выполняется несколькими способами.

Наиболее важный и практически распространенный способ - газокислородная резка, основанная на способности железа сгорать в кислороде, применяется обычно при резке стали толщиной от 5 до 100 мм, возможно разделение материала толщиной до 2000мм.

Рис. 4.1. Схема процесса газокислородной резки:

1 - режущий мундштук; 2 - режущий кислород; 3 - разрезаемый металл; 4 - подогревательный мундштук; 5 - подогревающее пламя; 6 - шлаки.

Более новый способ плазменной резки основан на использовании высокотемпературной плазменной струи.

5. Особые случаи сварки и родственных технологий

Сварка в космосе

Сварка в космосе, отличается необычными сложными условиями: вакуум до 10^-10 Н/м², большая скорость диффузии газов, невесомость и широкий интервал температур (от -150 до 130 °С). Вследствие высокого вакуума и относительно высокой температуры в космических условиях иногда происходит самопроизвольная диффузионная сварка (схватывание) плотно сжатых деталей. При конструировании космических аппаратов предусматривают различные защитные меры, предотвращающие это явление. В космических условиях сварка может применяться при сборке и монтаже крупных космических кораблей и орбитальных станций, ремонте оборудования и аппаратуры космических аппаратов, а также для изготовления материалов и изделий с особыми свойствами, которые не могут

быть получены на Земле. Металлы, свариваемые в условиях космического пространства,-- алюминий, титановые сплавы, нержавеющие и жаропрочные стали. Условия космического пространства чрезвычайно благоприятны для следующих видов сварки: диффузионной, холодной, электроннолучевой, контактной и гелиосварки. Выполнение же дуговой и плазменной сварки, особенно при большом объёме сварочной ванны, хотя и перспективно, но в ряде случаев технически значительно затруднено из-за невесомости, когда изменяются условия разделения жидкой, твёрдой и газообразной фаз, что может привести к появлению пористости в швах, увеличению неметаллических включений и т. п. Большой градиент температуры в ряде случаев вызывает появление трещин. Преодоление неблагоприятных воздействий космической среды требует разработки специальных приёмов сварки и оборудования, которое должно отличаться высокой надёжностью и безопасностью, иметь небольшую массу, обладать низкой энергоёмкостью, а

также быть простым в эксплуатации. Особенно пригодны автоматические и полуавтоматические сварочные установки. Впервые в мире сварка в космосе была осуществлена 16 октября 1969 лётчиками-космонавтами космического корабля «Союз-6» В. Н. Кубасовым и Г. С. Паниным на автоматической установке «Вулкан», сконструированной в Институте электросварки им. Е. О. Патона.

Сварка под водой

В 1987 г. Н.Н. Бенардос совместно с проф. Д.А. Лачиновым в лаборатоных условиях впервые в мировой практике осуществили дуговую подводную резку угольным электродом. В 1932г. советский ученый К.К. Хренов разработал электроды для подводной сварки и выполнил испытания их в натурных условиях Черного моря. В 1936 - 1938 гг. ручная дуговая сварка под водой нашла применение при подъеме парохода «Борис». В 50 - 60 гг. 20в. в зарубежных странах для подводной сварки трубопроводов разработали «сухую подводную сварку», основанную на применении специальных обитаемых камер, устанавливаемых на ремонтируемом участке трубопровода и герметизируемых в местах входа и выхода труб. «Сухая подводная сварка» является чрезвычайно дорогостоящим процессом, при котором отсутствует маневренность и универсальность.

Анализ ручной дуговой подводной сварки мокрым способом показал, что:

1) дуга заключена в постоянно меняющийся парогазовый объем, поддерживаемый парами воды, продуктами их распада и газообразными выделениями электродных материалов. Продукты разложения воды - водород и кислород, находящиеся в зоне дуги, снижают механические свойства сварного соединения;

2) благодаря непосредственному контакту с водой основного металла и металла шва возрастает теплоотдача металла, что может привести к появлению закалочных структур;

3) водолаз-сварщик заключен в водонепроницаемый костюм и находится в плотной среде, стесняющий его движения;

4) через каждые 1 - 2 мин необходимо менять электрод, что в подводных условиях является непростой задачей;

5) дуга, горящая между металлическим стержнем и изделием, закрыта козырьком обмазки, а это ухудшает наблюдение за формированием шва.



Рис. 5.1. Сварка стыка трубопровода под водой.

Перспективным способом, обеспечивающим равнопрочное основному металлу сварное соединение является полуавтоматическая подводная сварка порошковой самозащитной проволокой, разработанная в Институте электросварки им. Е.О. Патона.

Сварка биологических тканей

Одним из выдающихся достижений сварочной науки и техники является разработка новых технологических процессов соединения и разделения биологических тканей с помощью энергии ультразвуковых колебаний.

В результате совместной работы инженеров кафедры «Машины и автоматизация сварочных процессов» МВТУ им. |Н. Э. Баумана под руководством академика Г. А. Николаева и профессора В. И. Лощилова, а также врачей Центрального института травматологии и ортопедии созданы новые методы соединения и разделения костных и мягких биологических тканей, а также метод замещения дефектов кости -- ультразвуковая сварка, резка и наплавка.

Как известно, при операциях соединения костей используются металлические штифты, пластинки, гвозди, болты, проволока, балки и т. д. Металлические конструкции, введенные в кости и мягкие ткани, небезразличны для организма, небезвредны для тканей, соприкасающихся с ними. Кроме того, металлический остеосинтез требует обязательного производства вторичной вперации -- извлечения скрепляющих конструкций. Не менее важна и другая проблема -- заполнение различных дефектов в костях

Известно, что различные хирургические операции на костях предусматривают механические способы разделения и требуют известных физических усилий, затрат времени и нередко приводят к образованию трещин, отломков, сколов в костях и т. п. Не менее важной проблемой в хирургии является соединение мягких биологических тканей (кровеносные сосуды малого диаметра).

Методы соединения костных и мягких биологических тканей с помощью энергии ультразвука были названы сваркой, так как в результате сложных физикохимических процессов, причем без существенного нагрева, создается неразъемное соединение, несущее рабочие нагрузки, с зоной диффузионного проникновения.

Полученное соединение является временным -- оно удерживает биологические ткани, замещаясь новообразующейся тканью на период естественных процессов регенерации.

При помощи специальных инструментов-волноводов выполняются четыре основных процесса.

1. Выполняется ультразвуковая сварка отломков костей с применением присадочного материала этил-б-цианакрилата, который в комбинации с костной стружкой и другими жизненно важными компонентами отверждается в прочный конгломерат, представляющий шов, несущий рабочие нагрузки.

...