9.6. Ротационные способы изготовления поковок

Ротационные способы изготовления поковок: вальцовка, ротационная ковка, поперечно-клиновая прокатка с возвратно-поступательным или вращательным движением инструмента, раскатка кольцевых заготовок, сферодвижная штамповка, накатка наружной резьбы, накатка зубчатых колес D до 350 мм и модулем до 10 мм. В результате накатки происходит упрочнение поверхности, поэтому износостойкость и усталостная прочность повышаются на 20 ... 30 %.

Раздел IV. Сварочное производство Общие понятия о сварке плавлением и давлением

Сварка – это технологический процесс получения неразъемных соединений из различных материалов за счет образования межатомных связей между поверхностями соединяемых заготовок путем совместной кристаллизации предварительно расплавленных кромок заготовок (сварка плавлением) либо совместного пластического деформирования соединяемых заготовок (сварка давлением).

Поверхности твердых тел имеют повышенный уровень энергии. Однако их соединению простым сближением препятствуют два обстоятельства: поверхности имеют микронеровности (контакт наступает в отдельных точках) и они не имеют свободных связей, т. к. покрыты оксидами, пленками газов и жидкостей (адсорбция).

Процесс формирования сварного стального шва при автоматической сварке плавлением показан на рис. 10.1. Получаемый сварной шов должен быть равнопрочным с основным металлом, т. е. не должен иметь внутренних и внешних дефектов (трещин, пустот, газовых пузырей, частиц оксидов, непровара и т. д.), а разнородность химсостава, структур и свойств основного и наплавляемого металлов должна быть минимальной.

При сварке давлением различия в химсоставе практически отсутствуют, а в структуре и механических свойствах минимальны. Сварка давлением возможна лишь для достаточно пластичных материалов. Для повышения пластичности материала места соединения подогревают. Соответственно различают сварку термическую, механическую и термомеханическую.

Рис. 10.1. Схема автоматической сварки под флюсом:

1 – токопровод, 2 – механизм подачи проволоки, 3 – электрод,

4 – шлаковая ванна, 5 – флюс, 6 – шлаковая корка, 7 – сварной шов,

8 – основной металл, 9 – сварочная ванна, 10 – сварочная дуга

Тема 10. Сварка плавлением (термическая)

10.1. Электрическая дуговая сварка

При дуговой сварке источником тепла является электрическая дуга – одна из форм электрического разряда в ионизированном газе. Для зажигания дуги необходимо (рис. 10.2) произвести короткое замыкание, что обеспечивает разогрев зоны контакта и возникновение термоэлектронной эмиссии с катода под действием электрического поля после отвода электрода. Если подаваемое напряжение обеспечит ионизацию молекул газа, находящегося между электродом и изделием, возникнет дуга, после разогрева столба дуги можно достичь стабильного горения дуги.

а б в

Рис. 10.2. Схема процесса зажигания дуги при сварке с прямой полярностью:

а – короткое замыкание; б – термоэлектронная эмиссия; в – устойчивый разряд;

1 – электрод (катод), 2 – заготовка (анод), 3 – электроны, 4 – ионизированный газ,

5, 7 – расплав, 6 – устойчивый дуговой разряд

Различают сварку плавящимся и неплавящимся электродами.

Сварку неплавящимся электродом (метод Бенардоса) чаще всего применяют для цветных металлов и наплавки особых порошков на поверхность с целью придания ей особых свойств. Используют вольфрамовые или графитовые электроды. Сварку ведут на постоянном токе прямой либо обратной полярности (рис. 10.3, а). Для толстых изделий используют присадочную проволоку. Разновидностью является сварка косвенной дугой, когда дуга горит между двумя электродами.

а б

Рис. 10.3. Схемы электродуговой сварки:

а – по методу Н. Н. Бенардоса; б – по методу Н. Г. Славянова;

1 – электрод, 2 – электрическая дуга, 3 – основной металл, 4 – сварочная проволока

Сварка плавящимся электродом (метод Славянова) производится главным образом на переменном токе. При высоких требованиях к качеству шва используют постоянный ток (рис. 10.3, б). Разновидностью является сварка трехфазной дугой, когда к двум электродам и свариваемому материалу подводятся фазы переменного тока.

Сравнительная характеристика способов сварки

При сварке на постоянном токе выше устойчивость дуги, что обеспечивает

стабильность процесса и лучшее качество сварного шва, чем на переменном

токе. Поэтому сварка на постоянном токе имеет более широкие технологиче-

ские возможности, но требует более сложного и дорогостоящего оборудования. Кроме того, для этого вида сварки ниже КПД (0,3 ... 0,6 против 0,8 ... 0,85 для переменного тока).

При сварке на постоянном токе прямой полярности максимум тепла выделяется на детали – аноде, минимум – на электроде-катоде, при обратной полярности – наоборот. Соответственно КПД прямой полярности выше, можно варить тугоплавкие материалы. При обратной полярности возрастает напряжение, снижается устойчивость дуги и стойкость вольфрамового электрода, но удаляются оксиды с деталей (катодное распыление), можно использовать тугоплавкую сварочную проволоку. Этот метод применяют при сварке тонкого листового материала.

Применение плавящегося электрода повышает устойчивость дуги за счет ионизации паров расплавленного металла электрода, что особенно важно для сварки на постоянном токе обратной полярности и на переменном токе, упрощается заполнение шва металлом, но качество шва несколько снижается.

При сварке на переменном токе проще и дешевле оборудование, выше КПД, но ниже устойчивость дуги, особенно неплавящимся электродом, т. к. полярность тока меняется в каждом полупериоде. Температуры детали и электрода примерно одинаковы, качество шва хорошее, потому что в полупериоде обратной полярности удаляются оксиды с деталей, но в этот момент при работе неплавящимся электродом требуется применение специальных устройств для стабилизации дуги. Сварка на переменном токе плавящимся электродом применяется наиболее широко, т. к. является самой экономичной и обеспечивающей для хорошо сваривающихся металлов необходимое качества сварного соединения.

Ручная сварка покрытыми электродами (рис. 10.4).

Рис. 10.4. Схема процесса сварки металлическим покрытым электродом:

1 – основной металл, 2 – шлаковая корка, 3 – сварной шов,

4 – жидкая шлаковая ванна, 5 – защитная газовая атмосфера,

6 – покрытие электрода, 7 – электрод, 8 – дуга, 9 – сварочная ванна

В маркировке указывается тип электродов, начинающийся с буквы Э, затем следуют цифры, которые указывают минимальный гарантированный предел прочности в кГ/мм² . Например, Э42 (_В  420 МПа), Э50 (_В = 500 МПа).

В состав материала толстых покрытий (0,5 ... 3 мм) входят следующие компоненты:

• стабилизирующие горение дуги в результате распада на ионы (СаСО₃ – мел, мрамор; К₂СО₃ – поташ);

• газообразующие, т. е. образующие защитную (восстановительную) атмосферу в результате образования CO (древесная мука, крахмал и др.);

• шлакообразующие (мел СаСО₃, полевой шпат SiO₂);

• раскисляющие, которые являются более химически активными по сравнению с железом (ферросплавы);

• легирующие, обеспечивающие особые свойства шва (ферросплавы);

• связующие, обеспечивающие прочность покрытия (жидкое стекло, крахмал, декстрин).

Для обеспечения высокого качества шва и высокой производительности необходимо выдерживать при сварке оптимальную величину сварочного тока. Он рассчитывается по формуле I_св. = К  d_э (ампер), где d_э – диаметр сварочной проволоки, мм. При сварке в нижнем положении коэффициент К = 40 ... 60 для стержня электрода из низкоуглеродистой стали, К = 35 ... 40 для стержня электрода из высокоуглеродистой стали. Для вертикальных швов сварочный ток I_св. уменьшают на 10 ... 15 %, для потолочных – на 15 ... 20 %. Интервал изменения I_св = 150 ... 400 А, напряжение U = 16 ... 30 В.

Диаметр электрода d_э выбирают равным толщине металла  при стыковой сварке и катету К шва при угловой сварке, но не более 6 мм.

По расположению шва при сварке швы разделяются на нижние, горизонтальные, наклонные, вертикальные, потолочные (рис. 10.5).

а б в г

Рис. 10.5. Возможные пространственные положения при ручной сварке:

а – нижнее; б – вертикальное; в – горизонтальное; г – потолочное

По положению к действующему усилию швы разделяются на фронтальные (лобовые), фланговые, косые.

В зависимости от расположения соединяемых деталей различают сварные соединения внахлестку, угловые, тавровые, стыковые (табл. 5).

Для пластин с толщиной  < 10 мм сварной шов выполняется однослойным, при   10 мм – многослойным, т. е. заполнение сварных швов большой толщины производится за несколько проходов электрода. Чтобы обеспечить качество шва на всю толщину свариваемых изделий, производится разделка кромок

свариваемых поверхностей. При сварке пластин толщиной  менее 6 мм раздел-

ка кромок не производится, при   6 мм выполняется разделка под углом в 30.

Ручная сварка применяется для коротких швов, криволинейных, любых пространственных, в труднодоступных местах при монтаже и сборке сложных конструкций. Ток и производительность наплавки ограничены, так как при большом токе стержень электрода нагревается и покрытие отслаивается. Плотность тока находится в пределах 10 ... 20 А/мм².

Сварочные источники тока должны обеспечивать устойчивую дугу при относительно невысоком напряжении, постоянство тока при изменении длины дуги, простое регулирование тока. Кроме того, они должны выдерживать ток короткого замыкания, который всегда возникает при зажигании дуги. Для сварки переменным током применяются сварочные трансформаторы, а для постоянного тока – генераторы и выпрямители.

Сварка под слоем флюса. Автоматическую и полуавтоматическую сварку производят не отдельными электродами с покрытием, а сварочной проволокой, которая хранится в мотках и поэтому не имеет покрытия. Роль покрытия в этом случае играет флюс, который подаётся из бункера в зону сварки (рис. 10.1). Плотность тока в этом случае значительно больше, чем при ручной сварке, 50 … 200 А/мм².

Применяют флюсы гранулированные, содержащие MnO + SiO₂ + CaF₂. Этот вид сварки обеспечивает повышение производительности в 5 ... 25 раз по сравнению с ручной электродуговой сваркой за счет больших токов до 2000 А и непрерывности процесса. Большие токи позволяют сваривать пластины толщиной до 20 мм без разделки кромок за один проход. При разделке кромок и многослойной сварке толщина свариваемых листов до 100 мм.

Этот процесс обеспечивает снижение расхода электродов примерно в 2 раза, по сравнению с ручной сваркой, образуется меньше вредных выделений. При этом обеспечивается повышенное качество сварного шва (более однородный по химическому составу и размерам). Автоматическая сварка под флюсом применяется в серийном и массовом производстве для сварки в нижнем положении прямолинейных и кольцевых швов.

Для ответственных изделий и сварке сильно окисляющихся металлов применяется дуговая сварка в защитных газах. В качестве защитных газов используют инертные: аргон (Ar), гелий (Не) – а также нейтральные: азот N₂, СО_2.

Аргоно-дуговая сварка. Ar хранится и транспортируется в стальных баллонах под давлением 15 МПа. Толщина свариваемого металла 0,8 ... 6 мм, I_min = 10 А. Аргоно-дуговая сварка применяется для цветных металлов и тугоплавких (Ti, Nb, V, Zr) сплавов, легированных и высоколегированных сталей, где требуется повышенное качество шва. За счет высокой плотности тока (I = 100 А/мм²) обеспечивается струйный перенос расплавленного металла с электрода в сварочную ванну вместо крупнокапельного.

Таблица 5

Типы сварных соединений, применяемых при основных способах

сварки плавлением и давлением

Сварка в углекислом газе СО₂ выполняется только плавящимся проволочным электродом на постоянном токе повышенной плотности и обратной полярности. Газ СО₂ хранится в баллонах, р = 7 МПа. При высоких температурах СО₂ диссоциирует на СО и О. Для нейтрализации О в проволоку дают повышенное количество раскислителей – Mn и Si. Диаметр электрода d_эл. = 0,2 ... 2 мм. Плотность тока 80 ... 100 А/мм². Это самый доступный и дешевый способ сварки в защитной атмосфере.

Для повышения качества шва вместо проволоки иногда используют порошковую проволоку, которая имеет вид трубки, заполненной материалами, аналогичными покрытиям. Заметим, что сварка порошковой проволокой даже без использования защитной атмосферы в ряде случаев вытесняет автоматическую и полуавтоматическую сварку под слоем флюса.