Материаловедение и технология конструкционных материалов

ацетиленокислородным пламенем, затем в зону резки направ­ ляется струя режущего кислорода, и нагретый металл начинает гореть. Горение сопровождается выделением теплоты, которая вместе с подогревающим пламенем разогревает лежащие ниже слои на всю толщину металла. Образующиеся оксиды расплав­ ляются и выдуваются струей режущего кислорода из зоны реза. Траектория перемещения струи соответствует заданной форме реза.

Для обеспечения нормального процесса резки металл должен отвечать следующим требованиям:

□температура его плавления должна быть выше температу­ ры горения в кислороде;

□температура плавления оксидов металла должна быть ниже температуры его плавления;

□количество теплоты, выделяющейся при сгорании металла

вкислородной струе, должно быть достаточным для поддержа­ ния непрерывного процесса резки;

□теплопроводность металла не должна быть слишком высо­ кой, в противном случае теплота будет отводиться слишком ин­ тенсивно и процесс резки прервется;

□образующиеся оксиды должны быть достаточно жидкоте­ кучими и легко выдуваться вниз струей режущего кислорода.

Указанным требованиям отвечают железо, низкоуглеродистые и низколегированные стали.

По характеру и направленности кислородной струи различа­ ют несколько способов резки.

При разделительной резке режущая струя направлена нор­ мально к поверхности металла и прорезает его на всю толщину. Разделительной резкой раскраивают листовую сталь, разрезают профильный материал, вырезают косынки, круги, фланцы и т.п.

При поверхностной резке режущая струя направлена под очень малым углом к поверхности металла (почти параллельно ей) и обеспечивает грубую его строжку или обдирку. Ею удаля­ ют поверхностные дефекты отливок.

При резке кислородным копьем копье образуется тонкостен­ ной стальной трубкой, присоединенной к рукоятке и свободным концом прижатой к прожигаемому металлу. Резка начинается с подогрева конца трубки сварочной дугой или горелкой. При пропускании кислорода через трубку (копье) ее конец быстро загорается и дальнейший подогрев не нужен. Копье прижимают

к металлу и углубляют в него. Таким образом выжигают отвер­ стия круглого сечения. Кислородным копьем отрезают прибыли крупных отливок, прожигают летки в металлургических печах, отверстия в бетоне и т.п.

Газокислородная резка может быть ручной и машинной. Для ручной резки применяют универсальный резак со сменными мундштуками (рис. 19.28). В резаке конструктивно объединены подогревающая и режущая части. Подогревающая часть анало­ гична таковой у сварочных горелок. Режущая часть состоит из до­ полнительной трубки 4 для подачи режущего кислорода. В мунд­ штуке находятся два концентрически расположенных отверстия для выхода подогревающего пламени 1 и режущей струи 2. Мундштук резака 3 образует прямой угол со стволом. При заме­ не ацетилена другими горючими газами в резаке увеличивают сечения каналов инжектора и смесительной камеры.

2'

Рис. 19.28. Схема газокислородного резака

Ручная резка вследствие неравномерности перемещения ре­ зака и вибрации режущей струи не дает высокого качества по­ верхности реза.

Для получения реза высокого качества применяют машинную резку, которая обеспечивает равномерное перемещение резака по линии реза, строгую перпендикулярность режущей струи к раз­ резаемой поверхности и постоянное расстояние от мундштука до поверхности металла. Машинную резку выполняют специаль­ ными автоматами и полуавтоматами с одним или несколькими резаками. Вырезку прямолинейных и криволинейных фасонных заготовок осуществляют по металлическому копиру.

Обычной кислородной резкой разрезают металлы, толщина которых 5...300 мм. При резке металла толщиной более 300 мм применяют специальные резаки.

Газокислородная резка хромистых и хромоникелевых сталей, а также чугуна, меди и ее сплавов практически невозможна. Для резки этих металлов применяют кислородно-флюсовуюрезку, которая состоит в том, что в струю режущего кислорода подают порошкообразный флюс (преимущественно железный порошок).

Подводимый к месту реза флюс при сгорании выделяет допол­ нительное количество теплоты, способствующей расплавлению тугоплавких оксидов. Расплавленные оксиды образуют жидкие шлаки, которые стекают и не препятствуют процессу резки.

При дуговой резке металлическим электродом металл в месте реза проплавляют электрической дугой. Силу тока при резке устанавливают максимально возможной. Обычно при та­ кой резке сила тока на 20...30 % больше, чем при сварке элек­ тродами такого же диаметра.

Металлическим электродом можно резать чугун, коррозион- но-стойкие стали и цветные металлы, которые не поддаются обычной кислородной резке.

При кислородно-дуговой резке разрезаемый металл разо­ гревают электрической дугой, а затем сжигают струей кислоро­ да. Обычно режущая струя кислорода следует за направлением движения электрода. Для этого способа резки применяют спе­ циальные резаки, обеспечивающие закрепление электрода и под­ вод кислорода к месту реза. Для резки применяют угольные, графитизированные или стальные электроды.

Кислородно-дуговой резкой можно резать углеродистые, леги­ рованные, коррозионно-стойкие стали, чугун и цветные металлы. По чистоте получаемого реза она почти не уступает газокисло­ родной, а по производительности в некоторых случаях превос­ ходит ее.

Сущность воздушно-дуговой резки заключается в том, что металл расплавляют теплотой электрической дуги, а затем вы­ дувают из места реза струей воздуха. Этот способ можно исполь­ зовать для разделительной и поверхностной резки листового и профильного проката, удаления прибылей с отливок, головок заклепок, дефектных участков сварных швов, трещин, раковин, а также для разделки канавок и съема фасок. Резать можно

в любых пространственных положениях. Качество реза почти не уступает качеству реза при газокислородной резке.

Резку производят омедненными угольными или графитизированными электродами круглого, квадратного или прямоуголь­ ного сечения на постоянном токе обратной полярности. Пластин­ чатые электроды применяют только для поверхностной резки.

Плазменно-дуговую резку выполняют плазменной дугой и плазменной струей. При резке плазменной дугой расплавлен­ ный металл удаляется из полости реза направленным потоком плазмы, совпадающим с токоведущим столбом создающей его дуги прямого действия. Этим способом разрезают толстые лис­ ты алюминия и его сплавов (до 80... 120 мм), высоколегирован­ ную сталь и медные сплавы.

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

Скорость резки плазменной дугой при прочих равных усло­ виях выше скорости резки плазменной струей.

Плазменную резку выполняют специальным резаком, назы­ ваемым плазмотроном.

20 СВАРКА ДАВЛЕНИЕМ

Общая характеристика способов контактной сварки

Контактная электрическая сварка является основным видом сварки давлением. Все способы контактной сварки основаны на нагреве и пластической деформации заготовок в месте их соеди­ нения. Нагрев осуществляется теплотой, которая выделяется при прохождении электрического тока через находящиеся в кон­ такте соединяемые части.

Под термином «контактная сварка» подразумевают процесс образования неразъемных соединений металлов в результате их кратковременного нагрева электрическим током и пластического деформирования усилием сжатия.

Известные способы контактной сварки классифицируются по следующим признакам:

а технологии получения соединений — точечная, рельефная, шовная, стыковая;

□состоянию металла в зоне сварки — с расплавлением ме­ талла и без расплавления;

□способу подвода тока — одно- и двусторонняя;

□числу одновременно выполняемых соединений — одното­ чечная, многоточечная, сварка одним или несколькими швами

ит.д.;

□характеру перемещения роликов при шовной сварке — не­ прерывная (с постоянным вращением роликов) или шаговая (с остановкой роликов во время сварки).

Точечная сварка — способ контактной сварки, при котором детали свариваются по отдельным ограниченным участкам каса­ ния. При точечной сварке (рис. 20.1, а) детали 1 собирают вна­ хлестку, сжимают усилием электродами 2, к которым подключен источник 3 электрической энергии. Детали нагреваются при кратковременном прохождении тока 1СВдо образования зоны взаимного расплавления деталей 4, называемой ядром. Нагрев

Гк

б

с ■< *• •!1

'с.

t

Рис. 20.2. Циклограммы точечной сварки:

а — с постоянным усилием F CB; б — то же, с приложением

усилия проковки FK

при сварке в этой зоне повышаются плотность тока и скорость тепловыделения. При нагреве рельеф постепенно деформируется; на определенной стадии процесса сварки образуется ядро 4, как при обычной точечной сварке* Часто на поверхности детали вы­ полняют несколько рельефов или один протяженный выступ замк­ нутой формы (например, в виде кольца) и после прохождения сварочного тока получают одновременно несколько точек или непрерывный плотный шов (контурная рельефная сварка).

Шовная сварка — способ получения герметичного соединения (шва) путем образования ряда перекрывающихся точек. Подвод тока и перемещение деталей осуществляют с помощью вращаю­ щихся дисковых электродов — роликов 7 (см. рис. 20.1, г). Как и при точечной сварке, детали собирают внахлестку и нагревают кратковременными импульсами сварочного тока. Перекрытие точек достигается соответствующим выбором пауз между им­ пульсами тока и скорости вращения роликов. В зависимости от того, вращаются ролики при сварке шва непрерывно или оста­ навливаются на время прохождения сварочного тока, различают

непрерывную и шаговую сварку.

К основным параметрам шовной сварки относятся сварочный ток / св, усилие Fca, время протекания тока tCB, время паузы ширина рабочей поверхности роликов /р, скорость сварки исв.

Наиболее распространенные циклограммы изменения усилия и тока при шовной сварке показаны на рис. 20.3.

Стыковая сварка — способ контактной сварки, при котором детали соединяются по всей площади касания. Детали 1 (см. рис. 20.1, д) закрепляют в токопроводящих зажимах 8 и 9,

t

Рис. 20.3. Циклограмма шовной сварки:

а — с непрерывным включением тока / св, непрерывным вращением роли­ ков S„, постоянным усилием FCB; б — с прерывистым включением тока 1СВ, непрерывным вращением роликов S„, постоянным усилием Fc,

один из которых подвижный и соединен с приводом усилия сжатия машины. По степени нагрева металла торцов деталей различают стыковую сварку сопротивлением и оплавлением.

При стыковой сварке сопротивлением детали 1 предваритель­ но сжимают усилием F и включают сварочный трансформатор 3. По деталям протекает сварочный ток 7СВ, в результате чего про­ исходит постепенный назрев стыка деталей до температуры, близкой к температуре плавления. Затем сварочный ток вы­ ключают и резко увеличивают усилие осадки деталей. При этом из зоны сварки частично выдавливаются поверхностные плен­ ки, формируется физический контакт и образуется соединение.

При стыковой сварке оплавлением вначале на детали пода­ ют напряжение от сварочного трансформатора, а затем их сбли­ жают. При соприкосновении деталей на отдельных небольших участках из-за большой плотности тока металл нагревается и взры­ вообразно разрушается. Нагрев торцов деталей происходит за счет непрерывного образования и разрушения контактов — пе­ ремычек, т.е. оплавления торцов. К концу процесса на торцах образуется сплошной слой жидкого металла. В этот момент рез­ ко увеличивают скорость сближения и усилие осадки деталей. Торцы смыкаются, большая часть жидкого металла вместе с по­ верхностными пленками и частью твердого металла выдавлива­ ется из зоны сварки, образуя утолщение — грат. Сварочный ток автоматически выключается во время осадки деталей.

Основными параметрами стыковой сварки сопротивлением являются сварочный ток / с„ (или плотность тока /'), время проте­ кания тока tCB, усилие сварки — начальное усилие сжатия FC)K

■F

t

'СВ 'ОС

Рис. 20.4. Циклограмма стыковой сварки:

а— сопротивлением; б — оплавлением

иусилие осадки Foc(или соответственное начальное давление рн

идавление осадки рос), установочная длина детали 10(расстояние от торца детали до зажима); стыковой сварки оплавлением — плот­ ность тока при оплавлении jonjI, припуск на оплавление Аопл или время оплавления *опл, скорость оплавления иопл, величина осадки A QC ( и л и длительность осадки £ос), величина осадки под током Дос

(или длительность осадки под током *жл), усилие осадки Foc(или давление осадки p j), установочная длина детали 10.

Циклограмма стыковой сварки приведена на рис. 20.4.

Образование соединений при контактной сварке

Процессы точечной, рельефной и шовной сварки характери­ зуются весьма малым временем сварки при больших сварочных токах и больших усилиях, обеспечивающих локальное плавление металла. Необходимым условием формирования соединения яв­ ляется образование общей зоны расплавления заданных разме­ ров, что обеспечивает важнейшие эксплуатационные свойства — прочность и герметичность соединения. При этих способах свар­ ки образование соединения происходит в значительной мере по единой схеме, состоящей из трех этапов (рис. 20.5).

Первый этап начинается с обжатия деталей, вызывающего пластическую деформацию микронеровностей в контактах элек­ трод — деталь и деталь — деталь. Последующие включение

тока и нагрев металла облегчают выравнивание микрорельефа, разрушение поверхностных пленок и формирование электриче­ ского контакта. При рельефной сварке на данном этапе начина­ ется осадка рельефа. Нагретый металл деформируется преиму­ щественно в зазоре между деталями и образуется уплотняющий поясок.

Рис. 20.5. Этапы образования соединения при точечной сварке:

о— сжатие; б — сварка; в — проковка

Второй этап характеризуется расплавлением металла и обра­ зованием ядра. По мере прохождения тока ядро увеличивается до максимальных размеров — по высоте и диаметру. При этом происходит перемешивание металла, удаление поверхностных пленок и образование металлических связей в жидкой фазе. Продолжается процесс пластической деформации и тепловое расширение металла. К концу этого этапа отмечается почти полная осадка рельефа.

Третий этап начинается с выключения тока, сопровождае­ мого охлаждением и кристаллизацией металла. В результате образуется общее для деталей литое ядро. При охлаждении уменьшается объем металла и возникают остаточные напряже­ ния, для снижения уровня этих напряжений и предотвращения усадочных трещин и раковин требуются значительные усилия.

Образование соединения при стыковой сварке происходит в процессе совместной пластической деформации нагретых элек­ трическим током торцов деталей при осадке. Стыковая сварка сопротивлением и оплавлением происходит практически по единой схеме, состоящей из двух этапов: нагрева торцов дета­ лей и осадки (рис. 20.6).