1769

50

На расстоянии 3...5 мм от ядра, в средней зоне, находится точка максимальной температуры (3150...3200 0С). Оплавление металла производят именно в этой зоне пламени.

Схема газовой сварки приведена на рис. 3.13. Место соединения нагревают до расплавления высокотемпературным газовым пламенем. При нагреве газосварочным пламенем 4 кромки свариваемых заготовок 1 расплавляются, а зазор между ними заполняется присадочным металлом 2, который вводят в пламя горелки 3 извне. Газовое пламя получают при сгорании горючего газа в атмосфере технически чистого кислорода.

Кислород, используемый для сва-

Рис. 3.13. Схема газовой сварки

рочных работ, поставляют к месту по-

требления в стальных баллонах под давлением 15 МПа. Баллоны окрашивают в голубой цвет с черной надписью «Кислород».

Ацетилен получают в специальных аппаратах – газогенераторах – при взаимодействии воды с карбидом кальция:

СаС2 + 2Н2O = Са(ОН)2 + С2H2

При разложении 1 кг карбида кальция образуется 250...300 дм3 ацетилена. Ацетилен взрывоопасен при избыточном давлении свыше 0,175 МПа, хорошо растворяется в ацетоне (в одном объеме ацетона при давлении 0,15 МПа растворяется 23 объема ацетилена). Последнее свойство используют для его безопасного хранения в баллонах. Конструкция ацетиленовых баллонов аналогична конструкции кислородных баллонов. Их окрашивают в белый цвет и делают на них красной краской надпись «Ацетилен».

Для газовой сварки применяют горелки, действующие по принципу инжектора: поток кислорода O2 засасывает ацетилен С2H2. Такие горелки наиболее безопасны. Они имеют сменные наконечники с различными диаметрами выходных отверстий инжектора и мундштука, что позволяет регулировать мощность ацетилено-кислородного пламени.

Регулируя количество ацетилена и кислорода, поступающих в горелку, можно получить нормальное, восстановительное и окислительное пламя, характер которого выбирают в зависимости от свариваемого металла.

Для газовой сварки сталей присадочную проволоку выбирают в зависимости от состава сплава свариваемого металла. Для сварки чугуна применяют специальные литые чугунные стержни; для наплавки износостойких покрытий – литые стержни из твердых сплавов. Для сварки цветных

51

металлов и некоторых специальных сплавов используют флюсы, которые могут быть в виде порошков и паст.

В связи с тем, что ацетилен является взрывоопасным газом, вначале сварки открывают кислородный вентиль, затем зажигается спичка и только после этого открывается ацетиленовый вентиль. В конце сварки – наоборот: вначале закрывается ацетиленовый вентиль, а потом – кислородный.

При газовой сварке заготовки нагреваются более плавно, чем при дуговой; это и определяет основные области ее применения: для сварки металлов малой толщины (0,2...3 мм); легкоплавких цветных металлов и сплавов; для металлов и сплавов, требующих постепенного нагрева и охлаждения, например инструментальных сталей, чугуна, латуней; для пайки и наплавочных работ; для подварки дефектов в чугунных и бронзовых отливках. При увеличении толщины металла производительность газовой сварки резко снижается. При этом за счет медленного нагрева свариваемые изделия значительно деформируются. Это ограничивает применение газовой сварки.

3.7. Контактная электрическая сварка

Контактная электрическая сварка относится к видам сварки с кратковременным нагревом места соединения без оплавления или с оплавлением и осадкой (сдавливанием) разогретых заготовок. Характерная особенность этих процессов – пластическая деформация, в ходе которой формируется сварное соединение.

Таким образом, контактная сварка относится к термомеханическому

рое проходит ток, резко уменьшается. Кроме того, на поверхности свариваемого металла имеются пленки оксидов и загрязнения с малой электропроводимостью, которые также увеличивают электросопротивление контакта. В результате в точках контакта металл нагревается до термопластического состояния или до оплавления. При непрерывном сдавливании на-

53

Заготовки сдавливаются усилием Р, затем включается ток I, металл разогревается до пластического состояния (но не расплавляется), затем заготовки снова сдавливают (осаживают). В месте сварки образуется усиление металла.

Сваркой сопротивлением соединяют заготовки малого сечения (до 100 мм2), так как при больших сечениях нагрев будет неравномерным. Сечения соединяемых заготовок должны быть одинаковыми по форме с простым периметром (круг, квадрат, прямоугольник с малым отношением сторон). Сваркой сопротивлением можно сваривать низкоуглеродистые, низколегированные конструкционные стали, алюминиевые и медные сплавы.

При стыковой сварке с оплавлением детали закрепляют в зажимах машины с зазором, затем подключают электрическое напряжение. После этого детали сближают и в отдельных точках их контакта проходит электрический ток высокой плотности. Зона соединения деталей при этом рас-

плавляется.

Сварка оплавлением имеет преимущества перед сваркой сопротивле-

нием. В процессе оплавления выравниваются все неровности стыка, а оксиды и загрязнения удаляются, поэтому не требуется особой подготовки места соединения. Можно сваривать заготовки с сечением сложной формы, а также заготовки с различными сечениями, разнородные металлы (быстрорежущую и углеродистую стали, медь и алюминий и т. д.).

Наиболее распространенными изделиями, изготовляемыми стыковой сваркой, являются элементы трубчатых конструкций, колеса и кольца, инструмент, рельсы, железобетонная арматура.

ключают ток и снимают давление. В результате образуется литая сварная точка.

54

Рис. 3.18. Типы сварных соединений точечной сварки

Некоторые типы сварных соединений, выполняемых точечной сваркой, показаны на рис. 3.18. Точечную сварку применяют для изготовления изделий из низкоуглеродистых, углеродистых, низколегированных и высоколегированных сталей, алюминиевых и медных сплавов. Толщина свариваемых металлов состав-

ляет 0,5...5 мм.

Шовная (роликовая) сварка –

разновидность контактной сварки, при которой между свариваемыми деталями образуется непрерывный шов путем непрерывного или прерывистого пропускания тока между движущимися роликами.

В процессе шовной сварки

Рис. 3.19. Схема шовной сварки листовые заготовки 1 соединяют внахлестку, зажимают между элек-

тродами 2 (рис. 3.19) и пропускают ток. При движении роликов по заготовкам образуются перекрывающие друг друга сварные точки, в результате чего получается сплошной герметичный шов.

Шовную сварку применяют в массовом производстве при изготовлении различных сосудов. Толщина свариваемых листов составляет 0,3...3 мм. Шовной сваркой выполняют те же типы сварных соединений и сваривают те же сплавы, что и точечной, но используют для получения герметичного шва.

3.8.Специальные термические процессы в сварочном производстве

Ксварочным процессам помимо процессов соединения относят так-

же термическую резку, наплавку, напыление и ряд других методов обра-

ботки материалов.

Термическая резка

Термическая резка базируется на использовании широкого круга источников теплоты. К ним относятся газовое пламя, плазменная дуга, электронный и лазерный лучи. Она позволяет разрезать металлы и сплавы са-

55

мых различных толщин (от десятков миллиметров до долей миллиметра), любого химического состава, обеспечивать достаточно высокую точность и чистоту реза. Причем возможно осуществлять непрерывный процесс резки, прошивать отверстия в заготовках, производить поверхностную резку (снятие слоя металла с заготовки).

Основной разновидностью термической резки является кислородная резка металлов. Она заключается в сжигании металла в струе кислорода и удалении этой струей образующихся оксидов.

Кислородная резка металлов происходит в две стадии:

–место начала резки подогревается пламенем газовой горелки до температуры воспламенения металла в струе кислорода;

–открывается основной «режущий» вентиль кислорода – металл сгорает в струе кислорода.

Требования, предъявляемые к металлу, подвергаемому кислородной резке:

–Температура горения металла в струе кислорода должна быть меньше температуры плавления этого металла (металл должен гореть, а не плавиться).

–Температура плавления окислов металла, образующихся при резке, должна быть меньше температуры горения металла. Кроме того, образующиеся оксиды должны быть достаточно жидкотекучими и легко выдуваться вниз струей режущего кислорода.

–Теплоты, выделяющейся при горении, должно быть достаточно для поддержания непрерывного процесса резки.

–Теплопроводность металла, подвергаемого резке, не должна быть очень высокой. В противном случае теплота слишком интенсивно отводится и процесс резки прерывается.

Практически указанным требованиям отвечают чистое железо, низкоуглеродистые и низколегированные стали.

Не годятся для кислородной резки чугун, алюминиевые и медные сплавы.

Обычно кислородную резку используют для разрезания металлов толщиной 5...300 мм.

Плазменно-дуговую резку выполняют плазменной дугой и плазменной струей. При резке плазменной дугой металл выплавляется из полости реза направленным потоком плазмы (полностью ионизированного газа), совпадающим с токоведущим столбом создающей его дуги прямого действия. Этим способом можно разрезать толстые листы алюминия и его сплавов (до 80...120 мм), высоколегированную сталь и медные сплавы, то есть те материалы, которые не годятся для кислородной резки. Плазменной струей, полученной в столбе дугового разряда независимой дуги, разрезают неэлектропроводные материалы (например, керамику), тонкие стальные листы, алюминиевые и медные сплавы, жаропрочные сплавы и т. д.

56

При плазменной резке используют аргон, его смесь с водородом, воздух и другие плазмообразующие газы.

Наплавка

Наплавка – процесс, при котором на поверхность детали наносится слой металла требуемого состава.

Наплавку применяют при ремонте изношенных деталей для восстановления их исходных размеров и для изготовления новых изделий. Масса наплавленного металла обычно не превышает нескольких процентов от общей массы изделия. Проплавление основного металла и перемешивание основного и наплавленного металлов должно быть минимальным для сохранения механических свойств наплавляемого слоя.

Для наплавочных работ создано большое количество различных сплавов, разработано множество марок наплавочных электродов, кроме того, можно применять электроды общего назначения.

Ручная дуговая наплавка металлическими электродами – самый простой и распространенный способ наплавки. Ее выполняют короткой дугой на минимальном токе.

Существует также много других разновидностей наплавки с использованием плазменной дуги, газового пламени, плавящегося электрода в защитном газе, порошковой проволоки и пластинчатого электрода.

Напыление

При напылении расплавленные по всему объему или по поверхности частицы материала будущего покрытия направляются на поверхность нагретой заготовки. При соударении с поверхностью частица деформируется, обеспечивая хороший физический контакт с деталью. Характер взаимодействия частицы с материалом подложки (детали), последующая кристаллизация частиц определяют качество адгезии покрытия с подложкой. Последующие слои формируются уже за счет связей частиц друг с другом, имеют чешуйчатое строение и существенно неоднородны.

По мере повышения стоимости объемного легирования и стремления получить требуемые эксплуатационные свойства более экономичным способом (легированием только поверхности изделия) напыление становится все более предпочтительным и перспективным.

Для напыления используют источники тепла: газовое пламя, плазму, ионный нагрев, нагрев в печах, лазер и др.

Наибольшее распространение получили процессы газоплазменного и плазменного напыления. Материал для напыления подается в пламя горелки или плазменную дугу в виде проволоки или порошка, где происходит нагрев и распыление частиц, которые тепловым потоком источника нагрева разгоняются и попадают на поверхность напыляемой детали.

Иной способ формирования покрытий при нагреве в печах. В этом случае нагретая деталь контактирует с материалом покрытия, находящимся в виде порошка или газовой фазы. Получаемое таким методом покрытие

57

имеет высокую адгезию к поверхности детали за счет активных диффузионных процессов, происходящих в период достаточно длительной выдержки в печи при высокой температуре.

Все большее распространение получают ионно-плазменные методы нанесения износостойких и декоративных покрытий.

3.9. Пайка металлов

Пайкой называется процесс получения неразъемного соединения заготовок с нагревом ниже температуры их автономного расплавления путем смачивания, растекания и заполнения зазора между ними расплавленным припоем и сцепления их при кристаллизации шва.

Припои представляют собой сплавы цветных металлов сложного со-

става.

Для удаления оксидов с поверхности паяемого материала и припоя применяются специальные паяльные флюсы.

Образование соединения без расплавления основного металла обеспечивает возможность распая изделия.

Паять можно углеродистые и легированные стали всех марок, твердые сплавы, цветные металлы, серые и ковкие чугуны.

По условию заполнения зазора пайку можно разделить на капилляр-

ную и некапиллярную.

При капиллярной пайке припой заполняет зазор между соединяемыми поверхностями и удерживается в нем за счет капиллярных сил (рис. 3.20). Паяльный зазор должен иметь определенную величину, чтобы проявлялись капиллярные явления. Соединение образуется за счет растворения основы в жидком припое и последующей кристаллизации раствора. Капиллярную пайку используют при соединении внахлестку.

Рис. 3.20. Схема капиллярной пайки: а – перед пайкой; б – после пайки; 1 – припой

58

При некапиллярной пайке припой заполняет зазор преимущественно под действием своей массы или прилагаемой к ней извне силы. Соединение деталей при некапиллярной пайке осуществляется приемами, характерными для сварки, только в качестве присадочного металла используется припой, т. е. металл или сплав, температура плавления которого ниже температуры плавления основного металла.

Способы пайки также классифицируют в зависимости от используемых источников нагрева. Наиболее распространены в промышленности

пайка в печах, индукционная, погружением, газопламенная и паяльниками. Качество паяных соединений (прочность, герметичность, надежность и др.) зависит от правильного выбора основного металла, припоя,

флюса, способа нагрева, величины зазоров, типа соединения.

Припой должен хорошо растворять основной металл, обладать смачивающей способностью, быть дешевым и недефицитным.

Флюс не должен химически взаимодействовать с припоем. Температура плавления флюса должна быть ниже температуры плавления припоя. Флюс в расплавленном и газообразном состояниях должен способствовать смачиванию поверхности основного металла расплавленным припоем. Флюсы могут быть твердые, пастообразные и жидкие. Для пайки наиболее применимы флюсы: бура Nа2В4O7, борная кислота Н2ВО3, хлористый цинк ZnCl2, фтористый калий KF и др.

Преимущества процесса пайки. Пайкой можно изготавливать сложные по конфигурации узлы и целые конструкции, состоящие из нескольких деталей, за один производственный цикл (нагрев), что позволяет рассматривать пайку (в отличие от сварки) как групповой метод соединения материалов и превращает ее в высокопроизводительный технологический процесс, легко поддающийся автоматизации.

Пайка уменьшает, а иногда полностью исключает остаточные напряжения и деформации.

Важное преимущество пайки – возможность соединения разнородных металлов, а также металлов с неметаллами.

С помощью пайки можно получать неразъемные и разъемные соединения.

Недостаток пайки. По прочности паяные соединения уступают сварным.

Перечисленные выше преимущества пайки позволяют рассматривать ее как прогрессивный технологический процесс, находящий все более широкое применение в производстве.

59

3.10. Свариваемость сталей

Свариваемость – это комплекс свойств сплава, определяющих возможность получения сварного соединения с заданными свойствами при определенном технологическом процессе сварки.

Сваривать можно все стали. Но для одних сплавов технология сварки

– простейшая, для других – осложнена предварительным подогревом, последующей термообработкой и т. д.

С ростом углерода свариваемость сталей ухудшается, так как:

Снижается пластичность стали (возникающие напряжения приводят к образованию трещин).

При содержании углерода С > 0,3...0,35 % появляется закаливаемость. Образующиеся закалочные структуры обладают высокой хрупкостью и способствуют образованию в шве и околошовной зоне трещин, снижаются механические свойства металла шва.

На свариваемость сталей также влияет содержание легирующих элементов. Большинство легирующих элементов ухудшает свариваемость.

По свариваемости различают следующие группы сталей:

1. Хорошо сваривающиеся.

Их сварка осуществляется по обычной технологии.

Примеры марок сталей данной группы: Ст1...Ст4, Сталь 08...Сталь 25, Сталь 15Х, Сталь 20Х, Сталь 20ХГСА, Сталь 12Х2Н4А.

2. Удовлетворительно сваривающиеся.

Для предотвращения появления трещин при сварке этих сталей необходимо принять меры:

а) предварительный подогрев изделия перед сваркой (примерно до

200 0С);

б) последующая термообработка изделия (отжиг или высокий отпуск для снятия остаточных напряжений).

Достаточно выполнить одно из условий – пункт а) или б).

При низких температурах сварка сталей данной группы не допускается (при быстром охлаждении шов закаливается, что вызывает образование трещин).

Примеры марок сталей данной группы: Ст5, Сталь 30, Сталь 35, Сталь 20ХН3А.

3. Ограниченно сваривающиеся стали.

Это стали, склонные к образованию трещин при сварке в обычных условиях.

При сварке этих сталей применяются те же меры защиты, что и для 2 группы, но выполняются вместе условия а) и б).

Примеры марок сталей данной группы: Ст6, Сталь 40...Сталь 50, Сталь 35ХМ, Сталь 33ХС, Сталь 5ХНМ.

4. Плохо сваривающиеся стали.