Газовая сварка и резка металлов.

Пригазовой сварке расплавление металла происходит за счет тепла, образующегося при горении смеси кислорода с горючими газами (ацетилена, водорода и др.) или с парами керосина и бензина. Чаще всего для газовой сварки применяют ацетилен, при сгорании которого развивается температура до 3200° С.

Для газовой сварки и резки металлов применяют горелки, в которые кислород и горючий газ обычно подаются из соответствующих баллонов, где они находятся в сжатом состоянии. Рабочее давление горючих газов 50 кн/м², давление кислорода 300 кн/м² (3 кГ/см²). Понижение давления газа осуществляется в редукторе.

Сварочные горелки, применяемые при газовой сварке, предназначаются для смешения горючего газа с кислородом и для образования сварочного пламени. Эти горелки по способу подачи горючего газа в камеру смещения разделяются на инжекторные и безынжекторные. Первые (низкого давления), применяемые чаще вторых, имеют инжекторы, в которых струя кислорода, проходя с большой скоростью, образует разрежение в ацетиленовых клапанах, что влечет за собой всасывание ацетилена в горелку. Горелки снабжают сменными наконечниками.

Газовая сварка может производиться одним из двух способов: плавлением или газопрессовым. В первом случае так же, как и при дуговой электросварке, применяют присадочный материал в виде прутка, конец которого расплавляют в пламени головки. При газопрессовой сварке производят нагрев стыков свариваемых Деталей многопламенными горелками до перехода металла в пластическое состояние, а затем сдавливают подобно тому, как это делается при стыковой электросварке. Такой способ применяют при сварке встык труб, валов и т. п.

Плазменная сварка

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

Плазменная сварка имеет следующие преимущества:

повышенную производительность;

меньшую зону термического влияния;

более низкие деформации при сварке;

пониженный расход защитных газов;

более высокую стабильность горения дуги;

меньшую чувствительность качества шва от изменения длины дуги (ввиду её неизменной геометрии по длине (рисунок 1).

Для получения плазменной дуги служит устройство, называемое плазмотроном. В плазмотронах прямого действия плазменная дуга возбуждается между стержневым (как правило, вольфрамовым) электродом, вмонтированным в газовую камеру, и свариваемым изделием. Сопло электрически нейтрально от электродного (катодного) узла и служит для сжатия и стабилизации дуги.

В плазмотронах косвенного действия плазменная дуга создается между электродом и соплом, а поток плазмы выдувает плазменную струю.

Рисунок 2. Схемы плазмообразования

Для плазменной сварки металлов обычно применяют плазмотроны с дугой прямого действия.

ПЛАЗМЕННАЯ ДУГА МОЖЕТ БЫТЬ ИСПОЛЬЗОВАНА:

при сварке тонколистового материала толщиной менее 1 мм, включая тугоплавкие металлы;

при сварке металлов с неметаллами;

для наплавки и нанесения покрытий путем расплавления электронной или дополнительно подаваемой в дугу присадочной проволоки;

для пайки;

разделительной резки и поверхностной обработки различных металлов.

Электронно-лучевая сварка

Сущность процесса состоит в использовании кинетической энергии потока электронов, движущихся с высокими скоростями в вакууме. Для уменьшения потери кинетической энергии электронов за счет соударения с молекулами газов воздуха, а также для химической и тепловой защиты катода в электронной пушке создают вакуум порядка 10^-4... 10^-6 мм рт. ст.

Техника сварки

При сварке электронным лучом проплавление имеет форму конуса (рисунок 1). Плавление металла происходит на передней стенке кратера, а расплавляемый металл перемещается по боковым стенкам к задней стенке, где он и кристаллизуется.

1 - электронный луч; 2 - передняя стенка кратера;
3 - зона кристаллизации; 4 - путь движения жидкого металла

Рисунок 1. Схема переноса жидкого металла при электронно-лучевой сварке

Проплавление при электронно-лучевой сварке обусловлено в основном давлением потока электронов, характером выделения теплоты в объеме твердого металла и реактивным давлением испаряющегося металла, вторичных и тепловых электронов и излучением. Возможна сварка непрерывным электронным лучом. Однако при сварке легкоиспаряющихся металлов (алюминия, магния и др.) эффективность электронного потока и количество выделяющейся в изделии теплоты уменьшаются вследствие потери энергии на ионизацию паров металлов. В этом случае целесообразно сварку вести импульсным электронным лучом с большой плотностью энергии и частотой импульсов 100 ... 500 Гц. В результате повышается глубина проплавления. При правильной установке соотношения времени паузы и импульса можно сваривать очень тонкие листы.

ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ РЕЖИМА ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ СВАРКИ (ТАБЛИЦА 1):

сила тока в луче;

ускоряющее напряжение;

скорость перемещения луча по поверхности изделия;

продолжительность импульсов и пауз;

точность фокусировки луча;

степень вакуумизации.

Для перемещения луча по поверхности изделия используют перемещение изделия или самого луча с помощью отклоняющей системы. Отклоняющая система позволяет осуществлять колебания луча вдоль и поперек шва или по более сложной траектории. Низковольтные установки используют при сварке металла толщиной свыше 0,5 мм для получения швов с отношением глубины к ширине до 8:1. Высоковольтные установки применяют при сварке более толстого металла с отношением глубины к ширине шва до 25:1.

Основные типы сварных соединений, рекомендуемые для электронно-лучевой сварки, приведены на рисунке 2. Перед сваркой требуется точная сборка деталей (при толщине металла до 5 мм зазор не более 0,07 мм, при толщине до 20 мм зазор до 0,1 мм) и точное направление луча по оси стыка (отклонение не больше 0,2 ... 0,3 мм).

СВАРКА ЭЛЕКТРОННЫМ ЛУЧОМ ИМЕЕТ ЗНАЧИТЕЛЬНЫЕ ПРЕИМУЩЕСТВА:

Высокая концентрация ввода теплоты в изделие, которая выделяется не только на поверхности изделия, но и на некоторой глубине в объеме основного металла. Фокусировкой электронного луча можно получить пятно нагрева диаметром 0,0002 ... 5 мм, что позволяет за один проход сваривать металлы толщиной от десятых долей миллиметра до 200 мм. В результате можно получить швы, в которых соотношение глубины провара к ширине до 20:1 и более. Появляется возможность сварки тугоплавких металлов (вольфрама, тантала и др.), керамики и т.д. Уменьшение протяженности зоны термического влияния снижает вероятность рекристаллизации основного металла в этой зоне.

Хорошее качество электронно-лучевой сварки достигается также на низкоуглеродистых, коррозионно-стойких сталях, меди и медных, никелевых, алюминиевых сплавах.

НЕДОСТАТКИ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ СВАРКИ:

Возможность образования несплавлений и полостей в корне шва на металлах с большой теплопроводностью и швах с большим отношением глубины к ширине;

Для создания вакуума в рабочей камере после загрузки изделий требуется длительное время.

Контактная сварка

Контактная сварка - это процесс образования соединения в результате нагрева металла проходящим через него электрическим током и пластической деформации зоны соединения под действием сжимающего усилия.

ПРЕИМУЩЕСТВА КОНТАКТНОЙ СВАРКИ ПЕРЕД ДРУГИМИ СПОСОБАМИ:

Высокая производительность (время сварки одной точки или стыка составляет 0,02... 1,0 с)

Малый расход вспомогательных материалов (воды, воздуха)

Высокое качество и надежность сварных соединений при небольшом числе управляемых параметров режима, что снижает требования к квалификации сварщика

Это экологически чистый процесс, легко поддающийся механизации и автоматизации

Основные способы контактной сварки - это точечная, шовная (роликовая) и стыковая сварка.

Машины для контактной сварки бывают стационарными, передвижными и подвесными (сварочные клещи). По роду тока в сварочном контуре могут быть машины переменного или постоянного тока от импульса тока, выпрямленного в первичной цепи сварочного трансформатора или от разряда конденсатора. По способу сварки различают машины для точечной, рельефной, шовной и стыковой сварки.

Электроды в контактной сварке служат для замыкания вторичного контура через свариваемые детали. Кроме этого при шовной сварке электроды-ролики перемещают свариваемые детали и удерживают их в процессе нагрева и осадки.

Важнейшая характеристика электродов - стойкость, способность сохранять исходную форму, размеры и свойства при нагреве рабочей поверхности до температуры 600 ⁰С и ударных усилиях сжатия до 5 кг/мм².

При подготовке поверхностей к контактной сварке должны выполняться три основных требования: в контактах электрод-деталь должно быть обеспечено как можно меньшее электрическое сопротивление К_э-д —> min), в контакте деталь-деталь сопротивление должно быть одинаковым по всей площади контакта. Сопрягаемые поверхности деталей должны быть ровными, плоскости их стыка при сварке должны совпадать.

Холодная сварка

Холодная сварка - способ соединения деталей при комнатной (и даже отрицательной) температуре, без нагрева внешними источниками. Сварка осуществляется с помощью специальных устройств, вызывающих одновременную направленную деформацию предварительно очищенных поверхностей и нарастающее напряженное состояние, при котором образуется монолитное высокопрочное соединение. Холодной сваркой можно соединять, например, алюминий, медь, свинец, цинк, никель, серебро, кадмий, железо. Особенно велико преимущество холодной сварки перед другими способами сварки при соединении разнородных металлов, чувствительных к нагреву или образующих интерметаллиды.

Холодная сварка - сложный физико-химический процесс, протекающий только в условиях пластической деформации. Без пластической деформации в обычных атмосферных условиях, даже прилагая любые удельные сжимающие давления к соединяемым заготовкам, практически невозможно получить полноценное монолитное соединение. Роль деформации при холодной сварке заключается в предельном утонении или удалении слоя оксидов, в сближении свариваемых поверхностей до расстояния, соизмеримого с параметром кристаллической решетки, а также в повышении энергетического уровня поверхностных атомов, обеспечивающем возможность образования химических связей.

Качество сварного соединения определяется исходным физико-химическим состоянием контактных поверхностей, давлением (усилием сжатия) и степенью деформации при сварке. Оно также зависит от схемы деформации и способа приложения давления (статического, вибрационного). В зависимости от схемы пластической деформации заготовок сварка может быть точечной, шовной и стыковой.

Точечная сварка - наиболее простой и распространенный способ холодной сварки. Ее применение рационально для соединения алюминия, алюминия с медью, армирования алюминия медью. Ею можно заменить трудоемкую клепку и контактную точечную сварку.

При холодной точечной сварке (рис. 3.44, а) зачищенные детали 1 устанавливают внахлестку между пуансонами 3, имеющими рабочую часть 2 и опорную поверхность 4. При вдавливании пуансонов сжимающим усилием Р происходит деформация заготовок и формирование сварного соединения. Опорная поверхность пуансонов создает дополнительное напряженное состояние в конечный момент сварки, ограничивает глубину погружения пуансонов в металл и уменьшает коробление изделия.

Прочность точек может быть повышена на 10-20 % при сварке по схеме (рис. 3.45, а).

Свариваемые детали 1 предварительно сжимаются прижимами 2 или одновременно с вдавливанием пуансона 3. Наличие зоны обжатия вокруг вдавливаемого пуансона уменьшает коробление детали, повышает напряженное состояние в зоне сварки, что приводит к периферийному провару за площадью отпечатка пуансона. Но при этом возникают технические затруднения, связанные с созданием двух высоких давлений на малой поверхности и устранением затекания металла между пуансоном и прижимом. Этот способ позволяет сваривать малопластичные материалы.

Рис. 3.44. Схема холодной точечной сварки (а), геометрия сварного соединения (б) и формы пуансонов (в)

Рис. 3.45. Схема (а) и приспособление (б) для холодной точечной сварки с предварительным обжатием

Ввиду простоты способа точечной холодной сварки специальные машины для ее выполнения большого развития не получили. Сварку успешно выполняют на самых различных серийных прессах с применением кондукторов, надежно фиксирующих свариваемые заготовки, чтобы исключить их коробление (рис. 3.45, б).

Сварка трением

Сварка трением это разновидность сварки давлением, при которой нагрев осуществляется трением, вызванным перемещением (вращением) одной из соединяемых частей свариваемого изделия (рисунок 1).

Рисунок 1. Схема сварки трением

Процесс образования сварного соединения:

Вследствие действия сил трения сдираются оксидные плёнки;

Наступает разогрев кромок свариваемого металла до пластичного состояния, возникает временный контакт, происходит его разрушение и высокопластичный металл (металл шва)* (см.рисунок 1) выдавливается из стыка;

Прекращение вращения с образованием сварного соединения.

Сварка трением является разновидностью сварки давлением, при которой механическая энергия, подводимая к одной из свариваемых деталей, преобразуется в тепловую; при этом генерирование теплоты происходит непосредственно в месте будущего соединения. Сварка завершается осадкой и быстрым прекращением вращения.

Машины для сварки трением обычно содержат следующие основные узлы (рис. 3.58): привод вращения 1 шпинделя с ременной передачей 2; фрикционную муфту 3 для сцепления шпинделя с приводным устройством; тормоз 4 для торможения шпинделя; два зажима для крепления свариваемых заготовок 7; переднюю бабку 5 со шпинделем, несущим на себе вращающийся зажим 6; заднюю бабку 8 с неподвижным зажимом; пневматические или гидравлические цилиндры 9, обеспечивающие создание необходимого рабочего (осевого) давления машины; пневматическую, пневмогидравлическую или гидравлическую схему управления силовым приводом машины; шкаф управления.

Рис. 3.58. Принципиальная конструктивно-кине- матическая схема машины для сварки трением

Мировой опыт применения сварки трением позволяет сделать вывод, что этот вид сварки - один из наиболее интенсивно развивающихся технологических процессов, особенно в странах с высоким уровнем развития промышленности.

Некоторые примеры применения сварки трением приведены на рис. 3.60.

Рис. 3.60. Примеры применения сварки трением:
а - промежуточный вал коробки передач автомобиля; б - карданный вал тяжёлого грузового автомобиля; в - карданный вал автомобиля «Форд»; г - коническое зубчатое колесо с удлинённой ступицей; д - вал рулевого управления легкового автомобиля; е - гладкие и резьбовые калибры; ж - сталеалюми-ниевый трубчатый переходник диаметром 90 мм с толщиной стенки 4 мм

Разновидностью сварки трением является инерционная сварка.

В этом способе вращаемую деталь располагают в маховике, который раскручивают до заданной скорости, детали соединяют и сварка завершается остановкой вращения маховика.

ДОСТОИНСТВА ИНЕРЦИОННОЙ СВАРКИ ТРЕНИЕМ:

Не требуется большой мощности;

Быстрота сварки, меньшая зона разогрева, вследствие точного дозирования энергии.