книги из ГПНТБ / Технология металлов и других конструкционных материалов учеб. пособие

Аппаратура для газовой сварки. Ацетилен получают в

ацетиленовых генераторах, где происходит взаимодействие между карбидом кальция и водой. Из 1 кг карбида кальция при действии па него воды выделяется около 320 л ацетилена.

Ацетиленовые генераторы делятся на передвижные и стацио­ нарные. Передвижные имеют относительно небольшой вес (до 50 кг без воды) и производительность до 300 л/ч. Стационарные генера­ торы рассчитаны на высокую производительность — до 100 тыс. л/ч. По давлению различают генераторы низкого (до 0,1 ати) и среднего (до 1,5 ати) давления.

Рис. 175. Ацетиленовый генератор

Рассмотрим конструкцию переносного генератора ГВР-1,25 (рис. 175). В корпус генератора 1 вварена реторта 10, в которую по­ мещена загрузочная сетка 11 с карбидом. Вода для реакции посту­ пает из бака 8, вмонтированного в верхней части корпуса, через регулятор 9. До начала работы вода в бак 8 наливается через трубу 6. Выделившийся ацетилен проходит из реторты по трубе 3 в газ­ гольдер, а затем по трубе 4 через водяной затвор — в сварочную горелку. Если отбора ацетилена нет (сварка не ведется), в газголь­ дере и реторте повышается давление, под действием которого вода вытесняется в камеру 2, а регулятор 9 закрывает подачу воды (при достижении 0,8 ати). При возобновлении отбора ацетилена давле­ ние падает, вода возвращается в переднюю камеру реторты, смачи­

290

вает карбид, и выделение ацетилена возобновляется. Регулятор 9 снова начинает пропускать воду. Генератор снабжен манометром 7 и предохранительным клапаном 5. Во избежание перегрева ацети­ лена реторта охлаждается водой.

Ацетилен для сварки можно использовать и в баллонах, где он находится в растворенном виде. Баллоны получают с централизо­ ванных баз снабжения.

По специальным шлангам ацетилен направляется в сварочную горелку. По другим шлангам туда направляется кислород. Для по­ нижения давления кислорода, отбираемого из баллона (150 ати и

вставке 5 на выходе струи кислорода создается разрежение, приво­ дящее к засасыванию ацетилена, который поступает по трубке 4. Инжектор устроен так, что, засасывая, он одновременно завихряет струю ацетилена, обеспечивая хорошее перемешивание газов в ка­ нале 1 и создание нормальной горючей смеси. Подача газов регули­ руется вентилями 2.

В горелках высокого давления горючий газ и ацетилен посту­ пают по самостоятельным каналам в камеру смешивания. Такие го­ релки применяются при работе с ацетиленовыми генераторами среднего давления (0,5 ати).

Газопрессовая сварка. Сущность газопрессовой сварки состоит в том, что стык для соединения нагревается ацетилено-кислородным пламенем до пластического состояния. При этом используются мно­ гопламенные горелки, диаметр выходных каналов в которых 0,5—- 0,8 мм, а расстояние между осями горелок 3—6 мм. Размеры и кон­ фигурация горелок подбираются по свариваемому стыку. Кроме многопламенной горелки, в комплект установки для газопрессовой сварки входят механизм зажатия и осадки свариваемых изделий, ацетиленовый генератор, кислородные баллоны, приборы для конт­ роля процесса и др. Устройство для газопрессовой сварки стыков трубопроводов монтируется на мощном гусеничном тракторе и при­ цепе.

Чащ.е всего газопрессовая сварка применяется для соединения стыков стальных трубопроводов диаметром 50—600 мм для нефти, газа, нефтепродуктов. В этом случае горелка имеет кольцевую фор­ му и состоит из двух половин. Время нагрева труб с толщиной стен­ ки 6 мм около 1 мин независимо от диаметра трубы. После разо­

грева стыка дается в течение 5 сек осадочное давление гидросиловой установкой. Под этим давлением стык выдерживается при остыва­ нии до 10 сек, и процесс на этом заканчивается.

§ 5. Сварка стали, чугуна, цветных и активных металлов

Сварка углеродистых и легированных сталей. Свариваемость металлов и сплавов зависит от их физико-химических, механических, и технологических свойств и от выбранного способа сварки. Свари­ ваемость углеродистых сталей в первую очередь зависит от содер­ жания в них углерода.

■Сварка низкоуглеродистых сталей, у которых содержание угле­ рода не превышает 0,25% при умеренном содержании марганца и кремния, не вызывает затруднений. При производстве конструкций повышенной прочности применяются низколегированные сорта ста­ ли. В этих сталях содержание углерода примерно соответствует низкоуглеродистым маркам стали, но они имеют в своем составе ле­ гирующие примеси (не более 5%)- При сварке низколегированных сталей нёобходимо учитывать повышенную чувствительность их к концентрации напряжений и склонность к закалке при содержании углерода 0,2%. Сварка таких сталей на холоде требует подогрева до 200°. Низколегированные стали весьма разнообразны по химиче­ скому составу и требуют большого разнообразия присадочных ма­ териалов.

Повышенное содержание углерода увеличивает коэффициент линейного расширения, уменьшает коэффициент теплопроводности, т. е. локализует место разогрева при сварке. Кроме того, быстрый отвод тепла в холодные слои металла создает в месте сварки зака­ лочную структуру. Все это способствует образованию условий, при которых возможно появление трещин.

При сварке нержавеющих хромоникелевых сталей (17—19% Сг; 8—10% Ni) в результате высоких температур часть хрома из твердого раствора переходит в карбидные соединения. Это приво­ дит к потере сварным соединением коррозионной стойкости. Кроме того, стали этого класса склонны к .образованию горячих трещин. При их сварке необходимо тщательно выбирать типы электродов и строго соблюдать режим сварки.

После сварки легированных сталей сварное соединение подвер­ гается термической обработке для улучшения механических свойств. ■ ,

Сварка чугуна. Чугун относят к группе ограниченно свариваю­ щихся сплавов. Вследствие неравномерного нагрева при сварке в чугунных отливках и деталях возникают значительные термические напряжения, приводящие к трещинам. Структура чугуна определя­ ется не только его химическим составом, но также условиями охла­ ждения и последующей термообработки. Поскольку при сварке чу­ гуна очень трудно создать идентичные условия для нагрева и ох­ лаждения мест сварки, то структура в сварном соединении будет неоднородной.

292

При быстром охлаждении (отвод тепла в холодные слои) обра­ зуется зона отбеленного чугуна, характеризующаяся высокой твер­ достью и значительной хрупкостью. Кроме того, в отдельных участ­ ках соединения возникают промежуточные структуры, обладающие высокой твердостью и малой пластичностью. В процессе сварки чу­ гуна выгорает углерод, шов становится пористым.

Различают горячую и холодную сварку чугуна.

Горячая сварка заключается в том, что изделие после предва­ рительной подготовки места сварки нагревается, сварка ведется на горячем изделии (400—600°). При этом используется дуговая свар­ ка чугунными электродами, сварка угольными электродами, сварка специальными электродами, газовая сварка с применением чугун­ ных присадою-и специальных флюсов. После сварки деталь медлен­ но охлаждается. Горячая сварка'— трудоемкий, дорогостоящий и не всегда применимый процесс. Однако он дает наилучшие резуль­ таты.

Холодная сварка выполняется на холодном изделии стальными электродами, электродами из цветных металлов, пучком электродов или электродами специального состава.

Наиболее проста сварка стальными электродами. Получаемый при этом шов обладает очень большой твердостью и при механиче­ ской обработке может быть полностью вырван из сварного соеди­ нения. Однако наплавка шва несколькими слоями приводит к по­ степенному отжигу всего шва, что в ряде случаев вполне достаточно для практических целей. Для получения необходимой прочности соединения тяжелых и громоздких деталей в тело последних ввер­ тывают стальные шурупы. Они обвариваются стальными электро­ дами, что создает основу шва, скрепленную с чугунной резьбой.

При применении электродов из цветных металлов шов хорошо обрабатывается режущим инструментом. Небольшие раковины на направляющих станин или других узлов часто заваривают медны­ ми электродами. Для декоративной заварки, чтобы цвет чугуна и металла шва совпадал, применяют электроды из монель-металла (70% Ni, 30% Cu).

Сварка пучком электродов состоит в том, что два или три элек­ тродных стержня (медный, стальной) подаются в дугу. При форми­ ровании шва сварное соединение представляет собой механическую смесь меди и железоуглеродистого сплава, соединенных с основным металлом общими кристаллами стали, а также путем частичной диффузии меди в микропоры чугуна.

Существует также холодная и низкотемпературная сварка чу­ гуна специальными электродами без расплавления основного ме­ талла. В этом случае сварку можно вести на наклонных чугунных поверхностях.

Сварка алюминия и его сплавов. Алюминий активно соединя­ ется с кислородом, образуя пленку окисла, которая затрудняет об­ разование сварного соединения. Эта пленка обладает высокой тем­ пературой плавления (2050°) и трудно растворима флюсами. Кромз того, алюминий при температуре 450—500° хрупок, при затверде-

293

ванни дает большую усадку, что при сварке жестких узлов приводит к трещинам. Алюминиевые сплавы с содержанием магния чувстви­ тельны к нагреву и склонны к вспучиванию на участках, примыка­ ющих к шву. Сплавы алюминия в жидком состоянии хорошо рас­ творяют водород, который при кристаллизации сплавов выделяется в виде мельчайших пузырьков и ослабляет сварное соединение.

Алюминий и его сплавы варят электродуговой, газовой и холод­ ной сваркой. Очень хорошие результаты дает электродуговая свар­ ка (ручная и автоматическая) вольфрамовым электродом в Цреде аргона. Этим способом варят толщины от 0,5 до 3 мм, используя бортовые, стыковые и тавровые соединения. При сварке больших толщин (4—20 мм) используют аргонно-дуговой процесс плавящим­ ся электродом. Питается дуга, постоянным током обратной поляр­ ности.

Широко распространена сварка алюминия и его сплавов га­ зовым пламенем. При этом необходимо обязательно использовать флюс, покрывая им присадочные стержни. Состав флюса № 7. сле­ дующий: хлористый натрий — 41%, хлористый калий — 51 и фтори­ стый натрий — 8%. Присадочные стержни берут из того же метал­ ла, что и свариваемый.

Сварка титана. Титан обладает высокой активностью. При тем­ пературе выше 600° он соединяется с азотом, кислородом и водоро­ дом. Это снижает механические качества металла. Поэтому сварка титана возможна только д среде чистого аргона. Валено также обе­ спечить защиту сварного соединения от воздействия атмосферы с обратной стороны, где нагрев превышает 600°. Сварка в среде ар­ гона выполняется как плавящимся, так и неплавящимся электродом, вручную или автоматически. Большие толщины сваривают электрошкаловым способом.

§ 6. Наплавка

Сущность процесса наплавки состоит в том, что на металличе­ скую поверхность направляется мощный источник тепла, который плавит металл, образуя ванночку. В нее подается присадков виде электрода, порошка или стержня. В результате расплавле'кия, пе­ ремешивания и кристаллизации при остывании наплавленный слой прочно удерживается поверхностью. Его механические качества всецело определяются присадочными материалами. Наплавка ис­ пользуется в ремонтном деле для восстановления размеров изно­ шенных деталей. Однако наибольшее распространение она получила при нанесении поверхностных слоев с резко выраженными специ­ фическими свойствами (износостойкость, повышенная прочность).

Для наплавки могут применяться металлические электроды, ли­ тые твердые славы, трубчатые наплавочные материалы, порош­ кообразные смеси.

Электроды используются для наплавки режущего инструмента, штампов, железңодорожных крестовин и других деталей, работа­ ющих в условиях повышенного износа.

294

К литым твердым сплавам относятся стеллиты (сормайт), пред­ ставляющие твердый раствор карбидов хрома в кобальте или ни­ келе. Они выпускаются в виде литых стержней, которыми наплав­ ляют ножи для резки металла, штампы, инструмент.

Трубчатые материалы изготавливаются в виде железной или никелевой трубки, наполненной крупкой карбидов тугоплавких ме­ таллов. Применяются для наплавки зубьев экскаваторов, инстру­ ментов для нефтяного бурения и др.

Порошки (сталинит, вокар) представляют механическую смесь предварительно измельченных компонентов. Они применяются для наплавки деталей песковых насосов, экскаваторов и др.

Процесс наплавки выполняется газовой горелкой или электри­ ческой дугой (угольной, металлической или в среде аргона). Широ­ ко применяется автоматическая дуговая наплавка под слоем флюса и в защитной среде. При наплавке больших поверхностей применя­ ется электрошлаковый процесс. Изделия малых размеров наплав­ ляются электроимпульсными способами (вибродуговым и электро­ искровым).

После наплавки детали проходят термическую и механическую отработку, что увеличивает сроки их службы в 3—5 раз. Изношен­ ные детали могут быть подвергнуты вторичной наплавке.

§ 7. Пайка металлов

Сущность процесса. Пайка является процессом, сходным со сваркой. Она основана на том, что металлы в расплавленном со­ стоянии способны образовывать между собой сплавы, смачивать поверхности металлических изделий и прилипать к ним.

При пайке в зазор между нагретыми соединяемыми деталями вводится расплавленный присадочный металл, называемый припо­ ем. Припой, смачивая поверхности деталей, соединяет их после ох­ лаждения и затвердевания-. Основной металл и припой, взаимно растворяясь друг в друге, обеспечивают высокую прочность сое­ динения, одинаковую (при качественном выполнении пайки) с прочностью целого сечения основной детали.

Широкое применение пайки в машиностроении объясняется от­ сутствием плавления и незначительным нагревом основного метал­ ла, что сохраняет его физические и механические свойства. При пай­ ке не возникает внутренних напряжений в соединениях, поэтому от­ сутствует коробление деталей, обычное при сварке. Поверхность сое­ динения получается достаточно чистой и не требует в большинстве случаев последующей обработки.

Виды припоев. Различают два основных вида пайки — пайка твердыми припоями на основе серебра, меди и др. (с температурой плавления 550—1100°) и пайка мягкими припоями на основе спла­ вов олова, свинца и др. (с температурой плавления до 400°). Твер­ дые припои обладают значительной механической прочностью (да 50 кГ/мм2), а мягкие имеют невысокий предел прочности

295

(5—7 кГ/мм2). Химическим составом припоя определяется область его применения (табл. 12).

Припои обычно применяются в виде прутков, лент, дроби и паст. Для хорошего смачивания поверхности основного металла не­ обходима полная чистота последней. Растворение и удаление с по­ верхности соединяемых деталей пленки окислов и других примесей и защита от окисления при нагреве требуют применения различных флюсов, без которых пайка фактически невыполнима. Основой флю­ сов для твердой пайки является бура, плавящаяся при 783*. Для усиления действия флюса к буре добавляется борная кислота. Бура в расплавленном состоянии характеризуется высокой текучестью и растворяет окислы многих металлов, в особенности меди.

При пайке мягкими припоями в качестве флюса применяют хлористый цинк (для пайки стали, меди, алюминия), канифоль (для пайки меди и ее сплавов), стеарин (для пайки свинца и его спла­ вов). Хлористый-цинк для пайки обычно получают растворением ку­ сочков цинка в соляной кислоте. Полученный раствор часто называ­ ют «паяльной кислотой».

Способы пайки. Пайке предшествуют подготовительные работы, обеспечивающие тщательную подготовку и очистку поверхности прилегания соединяемых деталей. Подготовительные работы имеют важное значение, так как зачастую определяют надежность соедине­ ния.

На рис. 177 представлены распространенные виды соединений под пайку. Для увеличения прочности соединения необходимо, что­ бы зазор между соединяемыми кромками был весьма малым, что улучшает всасывание жидкого припоя в зазоре. Сопротивление раз-

Табл. 12. С о с т а в и н а з н а ч е н и е н е к о т о р ы х п р и п о е в

296

и затем покрывается слоем олова (облуживается), что облегчает удержание припоя при нанесении его на шов. При работе таким паяльником припой растекается ровным слоем и получается каче­ ственный шов.

Ручная пайка мягкими припоями выполняется так:- нагретый до 450—500° паяльниклогружают для очистки от окалины в хлори­ стый цинк, затем захватывают им припой и натирают рабочей частью о кусок нашатыря (облуживание). Затем облужепный па-

Рис. 178. Электрический паяльник

яльник с прилипшими к нему каплями припоя подносят к месту соединения деталей, предварительно покрытому флюсом. После про­ грева шва до температуры плавления припоя последний заполняет зазор между скрепляемыми деталями, смачивая место контакта, и после охлаждения получается паяное соединение.

Пайка широко применяется в производстве автомобилей, трак­ торов, велосипедов, деталей различных машин и механизмов, из­ делий из листового металла и др.

§ 8. Другие промышленные способы сварки

Есть ряд способов сварки, которые ограниченно используются практикой, но в силу своих специфических особенностей являются единственными для выполнения отдельных сварочных работ.

Сварка трением. Сущность сварки трением заключается в том, что тепловыделение в зоне соединения деталей происходит в резуль­ тате трения вращающейся детали относительно неподвижной. По­ сле разогрева стыка вращение детали мгновенно прекращают и соединению сообщают осевое сжимающее усилие.

В простейшем случае процесс можно осуществить на токарном или фрезерном станке. Однако эти станки не приспособлены для больших осевых нагрузок и вибраций, возникающих в процессе сварки. Промышленность выпускает ряд машин для сварки трени­ ем, как универсальных, так и специализированных. При выборе параметров режима исходят из скорости относительного вращения, осевого усилия сжатия и величины осадки. Детали должны быть ус­ тановлены перпендикулярно оси вращения, причем ось одной дета­ ли должна быть продолжением оси второй.

Сварка трением применима для соединения стержней или труб встык. Она позволяет сваривать разнородные материалы. При этом процессе совершенно отсутствует разбрызгивание металла, поэто-

298

му можно соединять полностью обработанные детали. Преимущест­ вами процесса являются также простота оборудования, малая по­ требляемая мощность и легкость автоматизации.

Диффузионная сварка в вакууме. Диффузионная сварка осно­ вана на взаимной диффузии между поверхностями деталей в месте контакта в условиях безокислительного нагрева. Процесс ведут в вакуумной камере с разрежением ІО-4 мм рт. ст.

Молибденовым нагревателем повышают температуру сварива­

состоит в разогреве мест сварки теплом, выделяющимся при вне­ запной остановке электронного потока, движущегося в вакууме. В электронных и ионных лампах и особенно в рентгеновских труб­ ках анод, непрерывно подвергающийся бомбардировке электрона­ ми, нагревается настолько, что легко плавится, если не охлаждать его. Это и положено в основу электронно-лучевой сварки (рис. 179). Процесс ведется в вакуумной камере 1 со степенью разрежения ІО-4 мм рт. ст. Электронная пушка <3 вырабатывает электронный ноток, направляемый на свариваемые детали 2. Для повышения удельной мощности пятна электронный луч фокусируется электро­ статическими линзами 6 или магнитным полем.

Генерирование теплоты происходит в самом металле, причем наиболее интенсивно на некотором расстоянии от поверхности. Это расстояние зависит от свойств свариваемого металла и ускоряюще­ го напряжения.

Установки для питания электронно-лучевой сварки включают в себя высоковольтный • трансформатор с выпрямителем 4, пакаль-

299