Технология конструкционных материалов

Ротационная вытяжка — один из древнейших процессов обработ­ ки металлов — служит для получения полых изделий типа тел враще­ ния различных форм.

При ротационной вытяжке изделие оформляется по оправке. Фор­ ма изделия копирует форму оправки, как показано на рис. 16.58. Заго­ товка 4 прижимается к оправке 1 прижимной бабкой 3 и вращается вместе с ними. Давильный ролик 5движется от центра заготовки к пе­ риферии, изменяя форму заготовки на некоторый угол. Затем ролик 5 движется в обратном направлении. Заготовка постепенно приближа­ ется к форме оправки (2) и обжимается на ней. При вытяжке длинных деталей применяют поддерживающие ролики 6.

Рис. 16.58. Схема ротационной вытяжки полусферы

Большое значение и широкое распространение имеет метод хо­ лодной формовки фасонных профилей из листовой или полосовой стали на специальных профилегибочных станах. Основными потре­ бителями гнутых профилей являются авиастроение, автостроение, вагоностроение, промышленное и гражданское строительство. Холод­ ная формовка на профилегибочных станах представляет собой процесс, в котором лист или полоса металла, проходя через серию последова­ тельно расположенных пар валков, приобретает необходимую форму без изменения площади поперечного сечения. Количество формо­ вочных клетей (2...30) определяется характером и сложностью про­ филя, а также толщиной и свойствами деформируемого материала. Кроме формовки лист или полоса подвергаются автоматической об­ резке, прошивке отверстий и т. д. Давление, возникающее при фор­ мовке, незначительно, поэтому без повреждения поверхности можно

формовать этим способом тонкий металл, предварительно прошед­ ший такие отделочные операции, как оцинковка, полировка, покры­ тие поверхности органическими материалами и т. д.

Вавтостроении из гнутых профилей изготавливают рамы для окон, изделия для дверной панели, подножки, рамы для сидений, детали ку­ зовов, половые настилы и т. д.

Для строительной промышленности на профилегибочных станах изготавливаются рамы и оконные переплеты, конструкции легких строений, рифленые листы, панели, водосточные желоба, металлоче­ репицу и др.

Описанные выше методы листовой штамповки являются статиче­ скими либо квазистатическими, т. е. скорость нарастания нагрузки и движения рабочего инструмента в них невелики. Известны также вы­ сокоскоростные, или импульсные, методы листовой штамповки, ко­ торые характеризуются мгновенным приложением больших нагру­ зок, что разгоняет заготовку до скоростей 150 м/с, и последующее деформирование происходит за счет кинетической энергии, накоп­ ленной в период разгона. В промышленности широко применяются взрывная и магнитно-импульсная (электромагнитная) штамповки.

Для штамповки взрывом характерны высокие давления (около 3000 МПа), прилагаемые к заготовке в течение тысячных долей се­ кунды. Штамповка взрывом применяется для вытяжки, отбортовки, раздачи и обжима труб, формовки ребер жесткости, калибровки, правки, вырубки и других операций.

Схема вытяжки взрывом показана на рис. 16.59. Заготовка 3укла­ дывается на матрицу 2 и прижимается к ней прижимом 4. Над заго­ товкой помещают заряд взрывчатых веществ 5, бассейн 1 заливают водой 6. При взрыве заряда возникший газовый шар возбуждает в воде ударную волну, давление которой через слой воды передается на поверхность заготовки. Часть энергии ударной волны расходуется на придание заготовке ускорения, частьна пластическуюдеформацию.

Магнитно-импульсная штамповка осуществляется только одним инструментом — пуансоном или матрицей. Функции второго инстру­ мента выполняет магнитное поле, что позволяет изготовлять детали сложных форм. Кратковременность приложения нагрузки и высокие скорости деформирования обеспечивают возможность изготовления инструмента из конструкционных сталей и пластмасс, благодаря чему стоимость инструмента снижается более чем в 2 раза.

Технологические операции магнитно-импульсной штамповки осу­ ществляют в основном по двум схемам: обжим и раздача. На рис. 16.61 даны схемы взаимного расположения обмотки индуктора 1, инстру­ мента 2 и изделия 3. Стрелками показано направление магнитных си­ ловых линий.

Рис. 16.61. Схема взаимного расположения индуктора, матрицы-оправки

изаготовки:

а— обжим; б — раздача

Магнитно-импульсной штамповкой можно получать не только трубчатые, но и плоские изделия, а также выполнять сборочные опе­ рации путем пластического деформирования одной детали по кон­ туру другой: соединение концов труб, запрессовку в трубах колец и фланцев, соединение втулки со стержнем и т. д.

Раздел

Сварочное V производство

Глава 17

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СВАРКИ

17.1.Физические основы сварки

Втехнике широко используются различные виды разъемных и нера­ зъемных соединений. Неразъемные соединения могут быть монолит­ ными (сплошными) и немонолитными (например, заклепочные). Мо­ нолитные соединения получают сваркой, пайкой или склеиванием.

Сварка — это процесс получения неразъемных соединений по­ средством установления межатомных связей между соединяемыми (свариваемыми) частями при их местном нагреве (сварка плавлени­ ем), пластическом деформировании или совместном действии того

идругого (сварка давлением). С помощью сварки между собой со­ единяют однородные и разнородные металлы, их сплавы, некоторые керамические материалы и пластмассы. Сварка является одним из наиболее широко распространенных технологических процессов в ма­ шиностроении, строительстве, ремонтном деле.

Преимуществами большинства способов сварки являются их вы­ сокая производительность и прочность сварных соединений, во мно­ гих случаяхдостигающая прочности цельного металла. К недостаткам сварки следует отнести стоимость специального оборудования (ино­ гда довольно значительную), необходимость нагрева металла до вы­ соких температур и применения больших давлений.

Соединение, полученное при сварке, характеризуется непрерыв­ ной структурной связью и монолитностью строения, достигаемыми

за счет образования атомно-молекулярных связей между элементар­ ными частицами соединяемыхтвердыхтел. Неразъемное монолитное соединение, образуемое при сварке, называется сварнымсоединением.

Под пайкой понимают преимущественно процесс соединения ме­ таллов (хотя возможна пайка и некоторых неметаллических мате­ риалов), занимающий промежуточное положение между сваркой и склеиванием. Обычно все же считают, что пайка ближе к сварке, и рассматривают ее как способ соединения металлов, примыкающий к сварке плавлением. Соединение производится с помощью сравни­ тельно легкоплавкого металла, называемого припоем. Температура плавления его должна быть ниже, чем соединяемого металла. Рас­ плавленный припой наносится на хорошо зачищенные кромки со­ единяемых частей, смачивает их и после затвердения образует со­ единение. Припои и соединяемые металлы весьма разнообразны, что обусловливает резкие различия в процессе пайки и характере получаемых соединений. Существенную роль играет способность припоя хорошо смачивать основной металл. Чаще всего основной составной частью припоев служат олово, медь, серебро. Наиболее характерной особенностью пайки, отличающей ее от сварки плавле­ нием, является то, что применяемый в ней основной металл, не рас­ плавляясь, смачивается жидким припоем.

Для пайки исключительно важна подготовка поверхности метал­ ла. Поэтому почти всегда применяются флюсы для очистки поверх­ ности металла от оксидов и других загрязнений и усиления адгезии (прилипания) жидкого припоя к твердому металлу.

Преимуществами пайки являются сравнительно небольшой нагрев металла, возможность механизации и обеспечения высокой произво­ дительности процесса, достаточная прочность соединений. К недос­ таткам способаможно отнести трудности, связанные с пайкой изделий больших размеров, довольно высокую стоимость припоев, необходи­ мость точной пригонки и очистки соединяемых поверхностей.

От склеивания пайка отличается наличием взаимодействия при­ поя с основным металлом и характером затвердения припоя. Слой расплавленного припоя практически не оказывает сопротивления сдвигу. Прочность соединения возрастает скачком при затвердении припоя.

Склеивание — это самый универсальный способ соединения твер­ дых материалов за счет сил молекулярного сцепления. Склеивать можно дерево, металлы, пластмассы, бетон, стекло, резину и др.,

366 Раздел V. Сварочное производство

а также разнородные материалы, например металлы с деревом, пла­ стмассами, резиной и т. д.

В настоящее время наиболее известны клеи из различных органи­ ческих соединений. Клей вводится между соединяемыми частями обычно в жидком виде, реже — в виде твердого порошка и пластинок, размягчаемых нагреванием. Введенный жидкий клей вследствие ис­ парения растворителя и химических реакций постепенно затвердевает. В отличие от припоев он с самого начала обладает некоторой, хотя и незначительной, прочностью, позволяющей удерживать соединяе­ мые детали в определенном положении. По мере затвердевания клея прочность его постепенно растет и достигает максимума. Склеивание почти полностью основано на адгезии, причем клей не взаимодейству­ ет с соединяемым материалом. Прочность соединения может быть до­ вольно высокой. При правильном склеивании разрушение во время испытаний происходит или по соединяемому материалу, или по про­ слойке клея. Отделение клея от материала на границе раздела служит признаком неудовлетворительного склеивания.

Преимуществами данного способа являются простота, неболь­ шая стоимость и высокая универсальность, позволяющие соединять чрезвычайно широкий круг материалов в самых разнообразных со­ четаниях.

17.2. Процесс образования соединения при сварке

Процесс образования соединения при сварке происходит в три ста­ дии. На первой стадиидостигается физический контакт, т. е. осущест­ вляется сближение соединяемых веществ на расстояния, необходи­ мые для межатомного взаимодействия. На второй стадии происходит химическое взаимодействие и заканчивается процесс образования прочного соединения. Эти две стадии характерны для микроучастков. В микрообъемах процесс сварки завершается третьей стадией —диф­ фузией.

Для качественного соединения материалов необходимо обеспе­ чить контакт по большей части стыкуемых поверхностей и их актива­ цию. Активация поверхностей состоит в том, что поверхностным ато­ мам твердого тела сообщается некоторая энергия, необходимая для обрыва связей между атомами тела и атомами внешней среды и для повышения энергии поверхностных атомовдо уровня энергетического

барьера схватывания, т. е. для перевода их в активное состояние. Та­ кая энергия может быть сообщена в виде теплоты (термическая акти­ вация), упругопластической деформации (механическая активация) и других видов воздействия.

При сварке плавлением и пайке сближение атомов твердых тел осу­ ществляется вследствие смачивания поверхностей тел жидким метал­ лом (припоем, расплавом), а активация поверхности твердого метал­ ла — путем сообщения ее частицам тепловой энергии. Жидкий металл может растекаться по всей поверхности тела и обеспечивать соприкос­ новение и прилипание его молекул и молекул поверхностного слоя твердых тел.

При сваркеплавлением металл соединяемых элементов (рис. 17.1, а) в месте сварки доводится до жидкого состояния теплотой, при этом происходит локальное расплавление основного (свариваемого) метал­ ла по кромкам соединяемых элементов. Сварка может осуществляться за счетрасплавления основного металла или основного и дополнитель­ ного (присадочного) металлов. В практике преимущественное приме­ нение находит второй вариант.

Рис. 17.1. Схемаобразования сварногосоединения при сварке плавлением: а —соединяемыедетали; б —сварочнаяванна; в —кристаллизация;

г, д —структурашва

Расплавленные основной и дополнительный металлы самопроиз­ вольно, без приложения внешних сил, сливаются в общую сварочную ванну (рис. 17.1, б), смачивающую оставшуюся твердую поверхность соединяемых элементов. При этом происходит сближение атомов ме­ талла сварочной ванны и основного металла до расстояния, при кото­

ром возникают атомно-молекулярные связи. Впроцессе расплавления металла устраняются неровности поверхности, органические пленки, адсорбированные газы, оксиды и другие загрязнения, мешающие сближению атомов. Межатомному сцеплению способствует повышен­ ная подвижность атомов, обусловленная высокой температурой рас­ плавленного металла.

По мере удаления источника нагрева жидкий металл остывает и происходит его затвердевание — кристаллизация. Кристаллизация на­ чинается на границе раздела междутвердым основным металлом и рас­ плавленным металлом сварочной ванны. Граница раздела является по­ верхностью охлаждения основного и присадочного материала.

Зародышевыми центрами кристаллизации являются оплавлен­ ные зерна основного металла, на которых, как на своеобразной под­ ложке, начинают расти первичные столбчатые кристаллы сварного шва (рис. 17.1, в). Эти кристаллы растут нормально к поверхности охлаждения в глубь жидкого металла ванны и имеют вид дендритов разной величины.

При сравнительно малой продолжительности существования сва­ рочной ванны (малый объем ванны, повышенная скорость сварки) столбчатые кристаллы могут прорасти до встречи в области централь­ ной линии шва (рис. 17.1, г). При большой ванне и медленной ее кри­ сталлизации в центральной части сварочного шва образуется неболь­ шая зона равноосных кристаллов (рис. 17.1, д). После завершения кристаллизации сварочной ванны образуется монолитный, имеющий литую структуру шов, соединяющий в единое целое ранее разобщен­ ные детали.

При сварке давлением (в твердом состоянии) сближение атомов и активация (очистка) поверхностей достигаются в результате совме­ стной упругопластической деформации в месте контакта соединяе­ мых материалов, часто с дополнительным нагревом.

Первая стадия сварки характеризуется деформацией как микро­ шероховатостей, так и волнистостей на соединяемых поверхностях (рис. 17.2, а). Взависимости от количества оксидных и адсорбцион­ ных наслоений в процессе сближения могут создаваться металличе­ ские связи в масштабе немногих микроскопических островков, но прочной связи не наблюдается.

Под действием усилия / ’возможно фактическое соприкосновение отдельных микровыступов. Для реального металла, деформируемого на воздухе, в лучшем случае только десятитысячные доли общей пло­ щади контакта приходят в такое близкое соприкосновение. На ос­

тальной плоскости зазоры между контактируемыми деталями изме­ ряются долями микрометра или даже микрометрами. При этом даже высокие давления не способны в холодном состоянии создать через эти плоскости непосредственный контакт. Этот процесс происходит более эффективно при нагреве соединяемых поверхностей.

Iе

Рис. 17.2. Схема образования сварного соединения при сварке давлением: а —деформация микрошероховатостей в зоне контакта; б — рекристаллиза­ ция и образование прочного соединения

В процессе сближения, т. е. при одновременном деформировании микрошероховатостей и волнистостей, начинается вторая стадия свар­ ки — формирование физического контакта. Вего ходе осуществляются схватывание отдельных атомов, их химическое взаимодействие и обра­ зование общих кристаллов на границе раздела соединяемых поверхно­ стей. Вдальнейшем идет процесс рекристаллизации и создания проч­ ного сварного соединения (рис. 17.2, 6).

Длительность стадий образования физического контакта и хими­ ческого взаимодействия здесь существенно больше, чем при сварке плавлением, и зависит от ряда факторов: физико-химических и ме­ ханических свойств соединяемых материалов, состояния их поверх­ ности, состава внешней среды, характера приложения давления и других средств активации (ультразвук, трение и т. д.).

17.3. Классификация процессови способов сварки

Все известные в настоящее время процессы сварки осуществляются за счет введения только двух видов энергии — термической и механи­ ческой или их сочетания. В связи с этим по виду вводимой энергии все сварочные процессы разделены на три группы, а каждой группе соответствуют определенные методы сварки:

□ термический (сварка плавлением) — дуговая, электрошлаковая, электронно-лучевая, лазерная, плазменная, газовая, термитная;