Выделяющаяся при этом теплота вместе с ацетиленокислородным пламенем разогревают металл 3 на всю его толщину. Образующиеся в зоне реза 4 оксиды 5 выдуваются струей режущего кислорода. Для обеспечения нормального процесса резки металл должен отвечать следующим основным требованиям:
) температура плавления металла должна быть выше его температуры горения в кислороде;
) температура плавления оксидов металла должна быть ниже температуры его плавления;
) теплопроводность металла не должна быть слишком высокой.
Указанным требованиям отвечают в основном низкоуглеродистые и низколегированные стали. Для резки высокоуглеродистых и высоколегированных сталей, чугуна, алюминия, меди, никеля и т.д. применяется кислородно-флюсовая резка.
Обычной кислородной резкой разрезают металл толщиной 5…300 мм, более 300 мм режут специальными резками. Широко применяется в литейном производстве для отделения литниковых систем, заливов, заусенцев, резки крупных слитков, в металлургии для прожигания леток в мартеновской печи, отверстий в стакане разливочных ковшей (кислородным копьем).
При кислородно-флюсовой резке в зону резки вместе с режущим кислородом подают порошкообразный флюс на железной основе (диаметр гранул 0,13...0,22 мм). Флюс выполняет следующие функции:
1) повышает температуру за счет сгорания в струе кислорода;
2) механически удаляет тугоплавкие оксиды;
3) понижает температуру плавления оксидов.
Плазменно-дуговая резка выполняется плазменной дугой или плазменной
струей с помощью плазмотрона.
3. ермомеханический и механический классы сварки
.1 Электрическая контактная сварка
Электроконтактная сварка осуществляется в случае кратковременного нагрева места соединения, без оплавления, проходящим по металлу электрическим током. Количество теплоты, выделяемое в сварочной цепи, может быть определено по формуле, Дж,
= I2Rt,
где R - полное электрическое сопротивление сварочной цепи, Ом;- сварочный ток, А;- время протекания тока, с.
Полное сопротивление цепи определяется, как R = Rзаг+RK+R эл, где Rзаг - сопротивление металла свариваемых заготовок, Rэл - сопротивление электродов, Rк - сопротивление места контакта заготовок.K имеет наибольшее значение вследствие неровностей поверхности стыка и наличия окисных пленок и загрязнений. В результате в месте контакта металл нагревается до термопластического состояния или до оплавления.
Т.к. количество теплоты зависит от Iсв2, то для быстрого нагрева свариваемых кромок применяют большие токи (1 000…100 000 А). Это позволяет осуществить сварку за десятые и даже сотые доли секунды. Режим контактной сварки характеризуется следующими параметрами: током, временем протекания, силой осадки и временем её действия. По току и времени его протекания различают два режима сварки:
1 - жесткий (большой ток и малое время процесса сварки) - применяется для сталей, не склонных к закалке, и легкоплавких сплавов;
- мягкий (с большой продолжительностью процесса) - при сварке углеродистых сталей.
Режим сварки изображается в виде циклограммы (графическое изображение тока и давления, изменяющихся в процессе сварки).
Машины для контактной сварки состоят из двух основных частей:
) электрической (включает трансформатор, прерыватель тока, переключатель ступеней мощности. Вторичная обмотка трансформатора состоит из 1…2 витков, вторичное напряжение составляет 1…12 В).
) механической, состоящей из станины и механизмов, обеспечивающих фиксацию и сжатие свариваемых деталей.
Контактную сварку классифицируют по типу сварного соединения и по роду тока, питающего сварочный трансформатор. По типу сварного соединения различают сварку стыковую, точечную, шовную.
Стыковая сварка - разновидность контактной сварки, при которой заготовки свариваются по всей поверхности соприкосновения. Стыковую сварку с разогревом стыка до пластического состояния и последующей осадкой называют сваркой сопротивлением, а в случае разогрева торцов заготовок до оплавления и последующей осадкой - сваркой оплавлением.
Сваркой сопротивлением соединяют заготовки малого сечения (до 100 мм²), при большем сечении торец нагревается неравномерно. При этом торцы заготовок должны быть механически обработаны.
Сварка оплавлением имеет преимущества перед сваркой сопротивлением т.к. при этом не требуется особой подготовки места стыка, можно сваривать заготовки сложной формы, разнородные материалы.
Различают сварку непрерывным и прерывистым оплавлением. Первую осуществляют постепенным осаживанием заготовок, вторую при кратковременных сближениях и разъединениях заготовок. Стыковой сваркой изготовляют трубные элементы, колеса, кольца, инструмент, рельсы, железобетонную арматуру и др.
Точечная сварка - это сварка, при которой заготовки соединяются в отдельных точках, ограниченных площадью торцов электродов.
Заготовки собираются внахлестку и зажимаются с усилием Р между двумя медными электродами, подводящими ток к месту сварки. Нагрев проводится до пластического состояния внешних слоев заготовок и расплавления внутренних слоев. Затем ток включают и снимают давление. Образуется сварная точка с литой структурой.
В зависимости от расположения электродов по отношению к свариваемым деталям различают одностороннюю и двухстороннюю сварку. Односторонней сваркой можно соединять заготовки одновременно двумя и более точками. Многоточечные машины могут иметь от одной до сотни пар электродов, соответственно можно сварить 2…200 точек одновременно. Разновидность многоточечной сварки - рельефная сварка. Точечную сварку применяют для изготовления изделий из углеродистых и легированных сталей, алюминиевых, медных и титановых сплавов. Толщина заготовок составляет 0,5…5 мм.
Шовная сварка - разновидность контактной сварки, при которой между свариваемыми деталями образуется прочное и плотное соединение. Электроды выполняют в виде плоских роликов.
Заготовки соединяют внахлестку, зажимают электродами и пропускают ток. При движении роликов по поверхности деталей образуются в месте стыка перекрывающие друг друга сварные точки, в результате получают сплошной герметичный шов. Как и точечная, шовная сварка может быть односторонней и двухсторонней.
Шовную сварку применяют при изготовлении различных сосудов из листов 0,3…3 мм в массовом производстве.
Сварка аккумулированной энергией - конденсаторная сварка, при которой электроэнергия от питающей сети накапливается в батареях конденсаторов. Энергия разряда расходуется на сварку. Применяется для изделий малых толщин (0,005…2 мм).
Тонкий металл (0,2…0,3 мм) при этом можно приварить к металлу толщиной 10…15 мм.
К термомеханическому классу, кроме электроконтактной, можно отнести также диффузионную сварку в вакууме и индукционную сварку. Их сущность рассмотрена ниже в разделе «Новые способы сварки».
В том же разделе рассмотрены особенности холодной сварки давлением, ультразвуковой сварки и сварки трением, относящихся к механическому классу сварки.
Технологические возможности термомеханического и механического классов сварки достаточно широки от сварки труб диаметром до 1600 мм и толщиной стенки до 15 мм (стыковая эл. контактная сварка, индукционная) до сварки тончайших фольг толщиной 0,001…0,005 мм (конденсаторная, ультразвуковая сварка). При этом можно сваривать как однородные, так и разнородные материалы (диффузионная, ультразвуковая, трением, холодная сварка).
сварка металл термический электродуговой
Электронно-лучевая сварка осуществляется посредством плавления металла сфокусированным пучком электронов, управляемых электрическим полем высокого напряжения. При падении электронного луча на изделие около 99% кинетической энергии электронов превращается в тепловую. При этом развивается температура порядка 5000…6000 0С.
Сварку выполняют в герметических камерах с высоким вакуумом или инертной атмосферой. Электронный луч формируется с помощью электронной пушки.
Электроны, полученные на катоде электронной пушки, формируются в пучок. Под действием разности потенциалов между катодом и анодом (20…150 кВт и выше) электроны в пучке ускоряются. Затем магнитными линзами электроны фокусируются в виде луча, который направляется магнитной системой на изделие.
Вследствие фокусировки луча на чрезвычайно малой площади (менее 0,001 см) достигается высокая удельная мощность луча. При этом отношение глубины проплавления металла к ширине шва может достигать 20:1, такое проплавление называется кинжальным. За один проход можно сварить металл от 0,02 до 100 мм и более. Электронно-лучевой сваркой свариваются детали из тугоплавких, химически активных металлов и сплавов, алюминиевых и магнитных сплавов и высоколегированных сталей.
2 Индукционная сварка осуществляется нагревом металла до пластического состояния или до оплавления с помощью индукционных токов средней (2…10 кГц) или высокой (70…500 кГц) частоты с последующим сжатием свариваемых деталей. Этим способом свариваются в основном трубы различного диаметра (до 1600 мм) при толщине стенок 0,1…16 мм. Трубная заготовка перемещается между обжимными роликами 3 и нагревается кольцевым индуктором 2. Вследствие большой плотности индукционных токов на участке заготовки перед роликами металл быстро нагревается до температуры плавления. Последующим обжатием заготовки роликами 3 образуется сварное соединение.
Достоинством метода является возможность сваривать трубы из горячекатаной не очищенной от окалины заготовки, а также его высокая производительность, особенно при использовании токов высокой частоты (350…500 кГц).
3 Сварка трением - основана на разогреве металла при трении деталей друг о друга, т.е. на преобразовании механической энергии в тепловую.
Свариваемые детали нагреваются до пластического состояния, после чего их сжимают осевым усилием.
Этим способом сваривают встык детали кругового сечения (трубы, стержни, режущие инструменты), изготавливаемые из однородных и разнородных металлов, а также пластмасс.
Холодная сварка давлением осуществляется без нагрева за счет усилия сжатия. При этом качество сварки зависит от качества подготовки поверхности деталей. Свариваемые поверхности тщательно очищаются от окислов и загрязнений. Высокое давление сжатия (150…1000 МПа) способствует проявлению сил межатомного сцепления. Этим методом свариваются высокопластичные металлы (алюминий, медь, серебро, никель и др.).
Диффузионная сварка в вакууме основана на взаимной диффузии атомов в поверхностных слоях контактирующих металлов, помещенных в вакууме, нагретых до 400…1300 0С и сжатых до 10…20 МПа.
Таким способом соединяются трудносвариваемые детали, разнородные металлы и их сплавы и металлокерамика с металлами.
В вакуумной камере 2 свариваемые детали 3, очищенные от загрязнения и оксидов, нагреваются, как правило, токами высокой частоты или контактным способом с помощью нагревательного устройства 4, с последующим сдавливанием устройством 1 в течение 10…20 мин.
Основным преимуществом этого способа является получение равнопрочного соединения без заметных изменений физико-механических свойств металла в зоне сварки. Диффузионную сварку применяют в космической технике, радиоэлектронике, самолетостроении, приборостроении и др. отраслях.
6 Ультразвуковая сварка осуществляется с использованием ультразвуковых колебаний и небольших сжимающих усилий. Колебания получаются с помощью магнитострикционного эффекта, заключающегося в способности некоторых металлов и их сплавов (например, сплав никеля с железом - пермалой) преобразовывать электромагнитные колебания ультразвуковой частоты (15…100 кГц) в механические колебания той же частоты.
При включении обмотки магнитострикционного преобразователя 1 в цепь генератора тока высокой частоты в преобразователе образуются упругие механические колебания, которые по волноводу 3 и электроду 4 передаются на свариваемые детали 5. Поверхностные слои деталей подвергаются сдвиговой деформации, за счет этого развивается достаточно высокая температура, и разрушаются пленки. При последующем сдавливании металл пластически деформируется и проходит сваривание.
Ультразвуковой сваркой можно получить точечные и шовные соединения внахлестку и соединения по замкнутому контуру. Сваривают металл толщиной от 0,001 до 1 мм, а также приваривают тонкие листы и фольгу к заготовкам неограниченной толщины. При этом свариваемые поверхности не требуют тщательной очистки. Этим способом можно сваривать однородные и разнородные металлы (например, алюминий с медью, медь со сталью), а также пластмассы. Используют сварку в радиоэлектронике, приборостроении, авиационной промышленности.
7 Сварка взрывом - при сварке взрывом лист приваривается к листу по всей плоскости. Для этого на поверхности верхнего листа укладывается взрывной заряд, воспламеняющийся от детонатора. Образующаяся при этом мощная взрывная волна отбрасывает верхнюю деталь на нижнюю со скоростью порядка 1000 м/с. При соударении свариваемых поверхностей возникает пластическая деформация и расплавление микрообластей. За счет установки деталей под некоторым углом a друг к другу сближение происходит не одновременно по всей поверхности детали. При этом из зазора вытесняется воздух, который сдувает с поверхности загрязнение. Происходит надежная сварка по всей свариваемой плоскости. Сваркой взрывом можно соединять однородные и разнородные металлы и сплавы, в частности получать биметаллические изделия.
8 Лазерная сварка осуществляется за счет мощного сконцентрированного
светового луча, создаваемого в установках, именуемых лазерами. Основное
применение находят рубиновые лазеры с искусственным рубином. Лазер состоит из
рубинового стержня 1, ксеноновой лампы 2, линзы и охлаждающей системы 3. При
вспышке ксеноновой лампы, питаемой разрядным током конденсаторов, рубиновый
кристалл излучает поток фотонов. Пройдя через линзу, сфокусированный пучок
попадает на изделие. Продолжительность импульса лазерного луча составляет
тысячные, и даже миллионные доли секунды. Отдельными точками лазерным лучом
можно сваривать различные металлы толщиной до 0,5 мм, а также получать
отверстия в тугоплавких металлах, твердых сплавах, алмазах и др.
Способность металлов и сплавов к сварке оценивается по их свариваемости.
Свариваемостью называется свойство или сочетание свойств металлов образовывать при установленной технологии сварки соединение, отвечающее требованиям, обусловленным конструкцией и эксплуатацией изделия.
Свариваемость стали принято оценивать по следующим основным показателям:
1 Склонности металла к образованию горячих и холодных трещин.
К изменению структуры в околошовной зоне и образованию закалочных структур.
Соответствию физико-механических свойств сварного соединения техническим условиям.
На свариваемость большое влияние оказывает химический состав свариваемого и присадочного металла. Чтобы яснее представить характер влияния на свариваемость стали различных факторов, рассмотрим строение сварного соединения углеродистой стали.
Сильное тепловое воздействие сварочной дуги вызывает резкое изменение химического состава, структуры и механических свойств металла шва (по сравнению с электродным присадочным металлом) и участка основного металла, прилегающего ко шву (по сравнению с удаленными зонами основного металла, не подвергаемыми термическому воздействию). Эти изменения влияют на качество сварного соединения. Металл шва, как правило, имеет литую крупнозернистую структуру, обладающую пониженной пластичностью. Измельчение структуры шва достигается легированием шва элементами-модификаторами либо специальными технологическими приемами.