Аттестационная работа: Виды газопламенной обработки металла

Рис. 8

Было создано несколько типов воздушно-дуговых резаков и даже налажен их массовый выпуск, однако, вскоре выяснилось, что плазменная и, особенно, газокислородная строжка значительно более эффективны. В настоящее время газоэлектрическая резка в промышленности практически не используется.

Сравнение современных методов резки со ставшей уже традиционной газокислородной резкой металлов приводит к тому, что противопоставление этих методов друг другу, по меньшей мере, не корректно. Действительно, у каждого из этих способов есть свои преимущества и недостатки. Но они не указывают в пользу или против того или иного способа вообще, а лишь определяют область его рационального применения (на самолете летать комфортно и удобно - но очень дорого, на велосипеде ездить не так комфортно - но очень дешево, надежно и полезно для здоровья; вопрос: какой вид транспорта мы выберем, если ежедневно надо преодолеть расстояние в пределах 10 км?).

Основным недостатком газокислородной резки являются указанные выше ограничения. Действительно, далеко не каждый металл поддается удовлетворительной резке этим способом. Но учитывая, что абсолютное большинство конструкционных сталей, т.е. металлов, которые в основном и подвергаются процессу термической резки, относятся к классу низкоуглеродистых или низколегированных, на которые перечисленные выше ограничения не распространяются, становится ясно, почему среди всех процессов термической резки по объему выполняемых работ газокислородная резка стоит на первом месте.

Смею заверить читателей, что до тех пор, пока человечество не изобрело более мобильного, экономичного и менее энергоемкого процесса термической резки, чем газокислородная, этот процесс будет занимать лидирующее место среди всех процессов термической резки.

Газовая сварка - способ сварки плавлением, при котором нагрев металла осуществляется газовым пламенем посредством специальных сварочных горелок.

Рис. 9

Сварочное пламя получают при сжигании газообразных топлив (ацетилена или пропан-бутана) в технически чистом кислороде. Газовая сварка сравнительно проста и не требует сложного оборудования и источника электроэнергии. Раздельное введение тепла и присадочного металла в сварочную ванну позволяет сварщику легко контролировать количество вводимого тепла, температуру нагрева, размеры и внешний вид швов.

Основным недостатком газовой сварки является более низкая производительность по сравнению с дуговой сваркой, а при сварке больших толщин (более 6 мм) себестоимость сварочных работ выше себестоимости дуговой сварки. Кроме того, газовая сварка трудно поддается механизации и автоматизации процесса. Однако возможность выполнения сварных швов во всех пространственных положениях без ограничений, мобильность и дешевизна используемого при этом оборудования вполне оправдывают применение этого способа сварки. Наиболее выгодно использование этой сварки в условиях ремонтных мастерских, в сельском хозяйстве, в строительстве недвижимости, а зачастую и на предприятиях с индивидуальным и мелкосерийным производством, особенно в тех случаях, когда производится сварка стыковых швов с отбортовкой кромок, где нет необходимости использовать присадочный материал. Поэтому вплоть до настоящего времени газовая сварка достаточно широко используется при ручной сварке тонколистовой стали, чугуна и медных сплавов. Наибольшее распространение она получила при изготовлении и ремонте санитарно-технического оборудования и трубопроводов из труб малого диаметра в промышленном и жилищном строительстве. В последние годы, в связи с использованием в качестве горючего газа газов-заменителей пропан-бутан и, особенно, газ МАФ, которые значительно дешевле ацетилена, затраты на газовую сварку в ряде случаев, особенно тонкого металла, находятся вне всякой конкуренции в сравнении с другими способами сварки плавлением.

Газопрессовая сварка

Особым видом газовой сварки является газопрессовая сварка. Нормальной сварочной адетилено-кислородной горелкой можно не плавить металл, а лишь нагреть его до пластического состояния и выполнить сварку давлением, применив прессование или проковку разогретого металла. Подобный процесс считался нерациональным, экономически невыгодным пока нагрев осуществлялся дешевыми промышленными газами, сжигаемыми не в технически чистом кислороде, а в воздухе. Низкотемпературное пламя позволяло нагревать металл медленно и равномерно без опасения местного расплавления и в сочетании с проковкой осуществлять сварку удовлетворительного качества (например, сварку водяным газом). Подобный способ сварки сложен, дорог, малопроизводителен, требует громоздкого оборудования и поэтому в настоящее время не применяется.

Пайка - древнейший способ получения неразъемных соединений металлов с нагревом ниже их автономного расплавления. Паяное соединение образуется путем смачивания, растекания и заполнения зазора между соединяемыми деталями расплавленным припоем и сцепления их при кристаллизации шва.

Рис. 10

Существует большое разнообразие способов пайки, среди которых значительное место занимает газопламенная пайка, отличающаяся тем, что в качестве источника нагрева используется газовое пламя.

Газопламенная пайка подразделяется на капиллярную пайку (высокотемпературную и низкотемпературную) и некапиллярную (пайкосварку). Наибольшее распространение имеет капиллярная пайка, при которой паяемое изделие нагревается газовым пламенем до температуры выше температуры плавления припоя и ниже температуры плавления основного металла. При этом основной металл должен быть нагрет до температуры, обеспечивающей хорошее смачивание его жидким припоем (обычно определяется визуально). В процессе смачивания происходит сближения атомов граничных поверхностей до установления межатомных связей, либо до проникновения атомов жидкого припоя в поверхностный слой нерасплавленного (основного) металла (диффузии). Отличительной особенностью пайкосварки является то, что она производится с разделкой соединяемых кромок и заполнение шва жидким металлом происходит под действием гравитационных сил, а капиллярные силы практически не участвуют в растекании жидкого металла. В остальном сущность процесса не отличается от капиллярной пайки. Этот способ пайки применяется для соединения разнородных металлов (например, латунь - сталь) с нагревом более легкоплавкого металла до температуры, превышающей температуру его автономного плавления. По своей природе этот процесс ближе к сварке плавлением.

Газокислородное пламя применяют преимущественно для высокотемпературной капиллярной пайки. Так как температура пламени не является определяющей характеристикой при выборе горючего (температура плавления припоев не превышает 1100оС), для пайки в большинстве случаев используют заменители ацетилена (пропан-бутан, метан, газ МАФ, керосин и т. п.). При ручной пайке ацетилено-кислородное пламя обеспечивает большую скорость процесса, но такая скоростная техника нагрева доступна только очень опытным паяльщикам. Именно это обстоятельство в большей мере способствует переходу на заменители ацетилена, которые обеспечивают более равномерный прогрев соединения, не ухудшая при этом качества соединения и обеспечивая более экономичный процесс.В случаях низкотемпературной капиллярной пайки преимущественно используется газовоздушное пламя, которое, в связи с более низкой температурой, дает лучшие результаты, чем газокислородное пламя. Художественное литье и ковка изделий из черных и цветных металлов освоено человечеством давно. А вот художественная пайка получила развитие только с освоением современных методов капиллярной пайки с использованием в качестве источника нагрева газокислородного пламени. Современные мастера методами художественной пайки получают такие произведения искусства, которые можно сравнить разве только с творениями природы.

Наплавка применяется для восстановления размеров изношенных деталей и придания особых свойств рабочим поверхностям новым деталям.

Рис. 11

В массовом и крупносерийном производстве наибольшее распространения получили электродуговые методы наплавки. Однако в ремонтных условиях и индивидуальном (единичном) производстве зачастую значительно эффективнее использование газопламенной наплавки, при котором изделие нагревается и присадочный металл расплавляется газокислородным пламенем. Особенность такого нагрева заключается в том, что при этом легче регулировать степень нагрева основного и присадочного металлов, благодаря чему удается избежать глубокого проплавления основного металла и перемешивания его с наплавленным. Кроме того, при нагреве газовым пламенем уменьшается окисление и испарение компонентов наплавляемого металла и появляется возможность получить наплавленный слой малой толщины (порядка 0,1 мм), что при электродуговой наплавке вызывает значительные сложности. Наиболее эффективна газопламенная наплавка медно-цинковых сплавов (латуней) на черные металлы (сталь, чугун), процесс которой сродни процессу капиллярной пайки. Наплавка черных металлов производится в основном с целью повышения износостойкости деталей, изготовленных из различных марок сталей и чугунов. Наиболее перспективным процессом здесь является газопорошковая наплавка, при которой наплавочный материал в виде порошкового сплава подается через газокислородное пламя в место наплавки. В результате нагрева пламенем частицы порошка достигают поверхности детали в высокопластичном или расплавленном состоянии и после затвердевания образуют слой наплавленного металла, пригодный для восстановления и упрочнения деталей машин.

Термическая обработка (термообработка) стали, сплавов бывает следующих видов: отжиг, нормализация, закалка, отпуск.

Термическая обработка позволяет улучшить свойства металлов и сплавов, не изменяя химический состав металла.

Обычно термически обрабатывают детали на начальном или конечном, а иногда и промежуточных этапах подготовки. Термическая обработка производится с целью размягчения или укрепления заготовки. У каждого вида металла существует своя собственная температура термического воздействия, соответственно и виды термообработки тоже различны.

Отжиг -- термическая обработка металлоизделий, при которой производится нагревание металла, а затем медленное охлаждение.

Эта термообработка бывает разных видов (вид отжига зависит от температуры нагрева, скорости охлаждения металла). Отжиг позволяет устранить последствия неравномерного нагрева и охлаждения материала при предыдущей обработке. Данный вид термообработки используют если возникает необходимость в снижении твердости заготовки, а также в придании ей легкости. После отжига металл становится менее напряженным и более однородным.

Закалка -- термическая обработка металлоизделий, основанная на перекристаллизации стали при нагреве до температуры выше критической. После достаточной выдержки при критической температуре для завершения термической обработки следует быстрое охлаждение. Закалку проводят с повышенной скоростью охлаждения с целью получения неравновесных структур. Закаленный металл становится тверже, но одновременно с этим и более хрупким. Если выполнить закалку несколько раз, металл теряет пластичность и вязкость.

Отпуск -- термическая обработка металлоизделий, проводимая после закалки для уменьшения или снятия остаточных напряжений в стали и сплавах, повышающая вязкость, уменьшающая твердость и хрупкость металла. Применяется для увеличения пластичности делали и уменьшения хрупкости, прочность металла при этом остается практически без изменений. Различают три вида отпуска в зависимости от значения температуры -- низкий, средний и высокий отпуск.

v При низком отпуске деталь приобретает высокую прочность, но она становится неприспособленной для динамических нагрузок. Такой способ термообработки подходит для режущих изделий.

v При среднем отпуске деталь становится крепкой и упругой -- такую отработку выполняют для рессор и пружин.

v При высоком отпуске у детали появляется высокая пластичность, прочность, вязкость.

Таким способом осуществляют термообработку изделий, которые впоследствии будут принимать ударные нагрузки: валов или шестеренок.

Нормализация -- термическая обработка, схожая с отжигом. Различия этих термообработок (нормализации и отжига) состоит в том, что при нормализации сталь охлаждается на воздухе (при отжиге -- в печи).

Напыление металлов

В последние годы для нанесения на детали защитных и упрочняющих покрытий, а также для восстановления изношенных поверхностей широкое применение нашло применение различных способов напыления. Все они основаны на нагреве мелких частиц напыляемого материала до высоковязкого или расплавленного состояния и переносе их на поверхность изделия. Соударяясь с поверхностью изделия частицы, закрепляются на ней и формируют покрытие. Чем больше скорость частиц, тем выше качество покрытия - его плотность и прочность сцепления с основой.

Рис. 12

Данным способом можно создавать многослойные покрытия из слоев различного состава. Расход материалов при напылении невелик, т.к. подложка не плавится и не разбивает материал покрытия. Материалом покрытия могут быть металлы, керамика, полимеры. Подложкой - металл, стекло, ткани и др. К основным способам напыления относятся: газопламенное напыление, плазменное напыление, электродуговая металлизация, детонационное и вакуумное напыление.

Дуговая металлизация основана на горении дуги между двумя плавящимися электродами, подаваемыми под углом друг к другу. Капли металла сдувают воздухом или другим газом на подложку. Диаметр проволоки 1,5-3 мм. Источник питания дуги - сварочный выпрямитель. Обычно металлизатор закрепляется на стенке или держится в руках. Метод используется главным образом для нанесения цинковых и алюминиевых покрытий рис.

Рис. 13 Схема электродугового металлизатора: 1 - электроды; 2 - электрические провода; 3 - подающие ролики; 4 - наконечник; 5 - воздушное сопло; 6 - электрическая дуга

При газопламенном напылении плавление наносимого материала осуществляется при помощи кислородно-ацитиленового, либо кислородно-пропанового пламени. Расстояние от горелки до детали 10-15 см. Температура пламени невысока.

Плазменное напыление является логическим продолжением технологии газопламенного напыления; оно отличается более высокой температурой и скоростью газовой струи. Высокая температура плазмы позволяет наносить покрытие из всех материалов, которые не успевают разложиться или сгореть в плазменной струе. Поэтому при плазменном напылении шире круг напыляемых материалов и выше качество покрытия.