4.7. Специальные термические процессы в сварочном производстве

К сварочным процессам помимо процессов соединения относят также термическую резку, наплавку, напыление и ряд других методов обработки материалов.

Резка. Термическая резка базируется на использовании широкого круга источ­ников теплоты. К ним относятся газовое пламя, плазменная дуга, электрон­ный и лазерный луч. Она позволяет разрезать металлы и сплавы самых раз­ных 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).

Кислородная резка основана на нагреве металла в зоне реза кислород­но-ацетиленовым пламенем (вместо ацетилена может использоваться и дру­гое горючее, например пропан) до температуры его воспламенения. За счет экзотермической реакции окисления металла участок реза дополнительно нагревается и расплавляется, а оксиды удаляются кинетической струёй ре­жущего кислорода.

Кислородно-флюсовая резка. Высоколегированные хромистые, хромоникелевые стали, чугун, цвет­ные металлы разрезать обычной кислородной резкой не удается — в основном из-за образования оксидов в зоне реза, которые зашлаковывают рез, препятствуя нормальному про­цессу резки. При кислородно-флюсовой резке в зону реза вместе с режущим кислородом вводят порошкообразные флюсы. Их назна­чение — увеличить тепловыделе­ние, образовать более легкоплавкие шлаки, легко удаляемые струёй ре­жущего кислорода. Для резки ста­лей применяют в качестве такого флюса порошок железа.

Плазменная резка. Для резки металлов применяют плазматрон. Дуга может быть прямого действия, когда она возбуждается на обраба­тываемом металле, и косвенного. В последнем случае вторым электродом служит сопло плазматрона. Из сопла выдувается свободная струя плазмы.

Процесс резки заключается в проплавлении металла и удалении жидко­го металла из полости реза плазменной струёй. В качестве плазмообразующих газов могут быть использованы сжатый воздух, кислород, азотно-кислородная смесь, азот, аргоноводородная смесь. Выбор плазмообразующего газа определяется физико-химическими свойствами разрезаемого металла, необходимым качеством реза, стойкостью плазматрона, стоимостью самих газов. Например, дорогую аргоноводородную смесь применяют в случае по­вышенного требования к качеству резания алюминия, меди и сплавов на их основе.

Электронно-лучевая и лазерная резка. Эти процессы основаны на ис­парении металла под воздействием мощного, концентрированного источника нагрева. Электронно-лучевая резка осуществляется в вакууме, в то время как резка лазером может происходить в обычной атмосфере. Резка этими мето­дами отличается высокой чистотой и точностью реза, небольшой зоной тер­мического влияния на кромках разрезаемого материала. Однако установки для электронно-лучевой и лазерной резки имеют повышенную сложность и стоимость.

Наплавка. Наплавка — это процесс нанесения слоя металла или сплава на поверхность изделия. Она позволяет получать детали с поверхностью, отличаю­щейся от основного металла, например жаропрочностью и жаростойкостью, высокой износостойкостью при нормальных и повышенных температурах, коррозионностойкостью и т. п. Наплавка может производиться как при изго­товлении новых деталей, так и (особенно широко) в ремонтно-восстановительных работах, существенно удлиняя срок эксплуатации деталей и узлов, обеспечивая этим высокий экономический эффект.

Существуют разнообразные способы наплавки. Основные из них следующие.

1. Ручная дуговая электродами со стержнями и покрытиями специальных составов.

2. Автоматическая наплавка под флюсом. Электроды могут быть сплошного сечения и порошковые. Состав флюса, металл электрода и состав наполнителя (для порошковой проволоки) определяют свойства наплавлен­ного слоя.

3. Наплавка плавящимся и неплавящимся электродами в среде защит­ных газов, прежде всего аргона. Свойства наплавленного слоя здесь зависят от материала присадки (при наплавке неплавящимся, например вольфрамо­вым, электродом) или электрода (при наплавке плавящимся электродом).

4. Плазменная наплавка. Дуга может быть как прямого, так и косвенного действия. Наплавляемый материал подают в виде проволоки, порошка. Можно плазменной струёй оплавлять слой легированного порошка, предва­рительно нанесенный на поверхность детали.

5. Электрошлаковая наплавка. Схема такого процесса наплавки анало­гична схеме электрошлаковой сварки, однако формирование шва осуществ­ляют по заданной поверхности плоской или цилиндрической детали.

6. Электронно-лучевая и лазерная наплавка, наплавка полым электродом в вакууме. Эти методы наплавки используют особые свойства источников теплоты — высокую концентрацию тепловой энергии, возможность локаль­ного нагрева в условиях качественной защиты металла (электронно-лучевая наплавка н наплавка полым катодом в вакууме).

7. Наплавка газокислородным пламенем. Как и при сварке, процесс наплав­ки этим методом характеризуется большой зоной влияния и деформациями.

Существенным показателем эффективности того или иного способа на­плавки является степень перемешивания при наплавке основного металла и присадочного: чем она меньше, тем ближе будут свойства наплавленного слоя к заданному.

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.

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 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.