Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Технология конструкционных материалов. В 2 частях. Ч.2. Учебное пособие
.pdf
Дефекты по месту расположения в сварных швах бывают наружные и внутренние. Наружные дефекты практически обнаруживаются посредством внешнего осмотра выполняемого сварного соединения.
К внешним дефектам, обнаруженным при внешнем осмотре
сварных швов, относят следующие: наплывы, подрезы, наружные
непровары и несплавления, поверхностные поры и трещины, поверхностные включения (рис. 2.14).
а б в
г д е
Рис. 2.14. Виды дефектов в сварных соединениях:
а – наплыв; б – непровар; в – поры; г – подрезы; д – трещины; е – включения
Внутренние дефекты, которые обнаруживаются в процессе контроля сварных соединений посредством использования специальных
методов неразрушающего и разрушающего характера, представляют
собой скрытые трещины и поры, внутренние непровары и несплавления, шлаковые или металлические включения и др.
Вероятность появления при выполнении сварки таких дефектов,
как прожоги, непровары, наплывы и подрезы, обуславливаются, как
правило
же нарушениями, связанными с неудовлетворительной подготовкой
и последующей сборкой свариваемого стыка.
, заранее неправильным определением режима сварки, а так-
Комплекс мер, связанных с предотвращением подобных дефектов сварных соединений, включает постоянный надзор за состоянием
сварочного оборудования, за соответствием сложности выполнения
81
сварочных работ уровню квалификации сварщиков, а также за соблюдением необходимых требований точности и технических условий,
регламентирующих подготовительно-сборочные операции.
В процессе выполнения сварки обязательным является обеспечение самоконтроля сварщиком соответствия текущих параметров
сварки требуемому режиму, определяемому технологической картой
на выполнение данной сварной конструкции. При выполнении
дуговой сварки, необходимо не допускать
отклонений от требований,
предусматривающих правильную заварку кратеров, послойную тщательную зачистку сварных швов от шлака, а также своевременность
выполнения термической обработки.
Считаем, что необходимо более детально остановиться на рассмотрении дефектов сварных соединений, причин вызывающих их
появление при сварке и радикальных средств, предотвращающих образования этих дефектов.
Наиболее опасным дефектом,
точнее одним из наиболее опасных, является непровар. Непровар – это местное несплавление основного и металла сварочного шва. Опасен непровар в сварных конструкциях тем, что в процессе последующей его эксплуатации данная
локальная область будет являться концентратором напряжений. Следует указать, что величина возникающих местных напряжений может
превышать в несколько раз
величину общих напряжений в конструкции. В этом случае, аварийная ситуация наступает при значениях
напряжений даже ниже расчетных, а значит и не прогнозируемых вообще при конструкторской разработке.
Причинами непровара могут быть: малая величина сварочного
тока; неправильный выбор полярности для данной марки электрода;
неоправданно удерживаемая длинная дуга во время сварки;
большая
скорость перемещения электрода вдоль сварного шва; малый
или большой угол скоса разделки кромок заготовки; неточности при
сборке соединений под сварку (малая величина зазора), смещение
и нагрев кромок; магнитное дутье при сварке на постоянном токе.
Для предотвращения непровара предварительно производится
контроль подготовительно-сборочных операций и технологического
режима во время проведения сварки
. В случае обнаружения в свароч-
ном шве непровара производится подварка дефектных участков.
Опасными и недопустимыми дефектами являются трещины.
Причины появления трещин следующие: усадочные напряжения, превышающие предел прочности металла; сварка выполнена при недопустимо низких температурах; чрезмерно жесткое закрепление свари-
82
ваемых элементов; структурные превращения в металле сварного шва
и в зоне термического влияния; повышенное содержание в металле
сварочного шва серы и фосфора; неоправданно большое количество
швов в данном месте конструкции. Для устранения образовавшихся
трещин в сварном шве выполняют вырубку металла и затем подварку
данного участка сварного шва.
Образование наплыва является превышение
усиления сварного
шва. Данный дефект приводит к уменьшению надежности работы
данной конструкции в условиях динамического характера нагрузок
в процессе эксплуатации. Причиной появления данного дефекта, как
правило, является низкая квалификация сварщика. Наличие в сварном
шве подрезов вызывается неправильным поперечным движением
конца электрода в процессе сварки, что объясняется также низкой
квалификацией сварщика.
Причинами подреза могут быть: большая
величина сварочного тока; неправильное направление сварочной дуги. Наплывы и подрезы исправляются удалением дефектных мест
с последующей их подваркой.
Кроме уже перечисленных дефектов сварных соединений могут
иметь место еще такие, которые связаны с изменением структуры наплавленного металла. Таким дефектом является пережог. Пережог –
это окисление наплавленного
металла по границам зерен. Причины
его образования: медленное движение электрода вдоль сварного шва;
большая величина сварочного тока.
Другим дефектом является прожог. Прожог – это сквозное проплавление металла. Причины прожога следующие: большая величина
сварочного тока; медленное перемещение конца электрода вдоль шва;
неправильный выбор диаметра электрода по отношению к толщине
свариваемого металла;
большой зазор между свариваемыми кромками
заготовок; малый угол разделки кромок заготовок.
Еще одним дефектом структурного характера является шлаковые включения в металла сварного шва. Шлаковые включения – это
наличие в металле сварного шва неметаллических веществ (шлаковых
частиц). Причиной этого могут быть: тугоплавкость и повышенная
вязкость шлаков, образующихся при расплавлении покрытия электрода
; недостаточное раскисление металла шва; неудовлетворительная очистка поверхности сварного шва при многослойном выполнении сварного шва; затекание шлака в процессе сварки в зазор между
свариваемыми кромками заготовок. Все эти дефекты структурного
характера удаляются и производится подварка дефектных мест.
Меньшей опасностью обладают поры в металле сварного шва.
Они имеют округлую форму
и поэтому не служат явными концентра-
83
торами напряжений, количество пор может допускаться в определенных пределах, регламентируемых технической документацией на изготавливаемое сварное изделие. Причины образования в металле
сварного шва пористости: наличие газов в металле к моменту окончания процесса кристаллизации; взаимодействие оксида железа с углеродом стали (самораскиление); наличие влаги в покрытии электрода
или во флюсе
; наличие оксида железа на кромках свариваемых заго-
товок.
При перечислении внутренних дефектов сварных швов среди
других были названы и металлические включения. Металлические
включения в металле сварного шва – это могут быть частицы вольфрама, диффундирующие в жидкий металл сварочной ванны в процессе сварки вольфрамовым электродом. Появление такого дефекта вызывается
проведением сварки при обратной полярности, усугубляясь
при достаточно большом превышении величины сварочного тока по
сравнению с оптимальной величиной.
И в заключение изложения вопроса о дефектах сварных швов
необходимо уделить должное внимание выяснению степени опасности тех или иных дефектов. Так, например, наличие непровара в металле шва до четверти от исходной
толщины металла при низких
температурах (до – 45 ºС) вызывает уменьшение временного сопротивления растяжению в 2 раза и пластичности более чем в (3…4) раза.
По этой причине для деталей ответственного назначения наличие дефектов в сварных швах вообще не допускается. Для узлов
и конструкций общего назначения дефектные места в обязательном
порядке удаляются и
производится последующая подварка. Более
двух исправлений дефектных мест не допускается в виду опасности
перегрева и пережога металла заготовок в области зоны термического
влияния.
2.2. РЕЗКА МАТЕРИАЛОВ
Резка представляет собой процесс разделения исходных мате-
риалов на части (куски) заданных размеров и требуемой степени шероховатости их торцевых поверхностей. Необходимость применения
данного вида сварочных технологий возникает, как правило, на начальном этапе выполнения работ ремонтного характера, при обслуживании технологического оборудования, а так же в процессе раскроя
и подготовки
материалов к сварке.
Для выполнения этих технологических операций в промышлен-
ности наибольшее применение нашли следующие виды термической
84
резки металлов и неметаллических материалов: огневая резка (кислородная и кислородно-флюсовая), плазменная резка, лазерная резка.
Огневая резка осуществляется газовым пламенем или электри-
ческой дугой. Наибольшее распространение имеет газовая кислородная резка, применяемая в основном для получения заготовок из листового и сортового проката.
Сущность газовой кислородной резки состоит в сквозном прожигании прогретого металла струей кислорода, перемещаемой по заранее намеченному контуру. Процесс этого метода резки состоит
из трёх последовательно осуществляемых стадий: нагрева металла
в месте реза до температуры воспламенения в кислороде, сгорание
его в струе кислорода, расплавления образующихся окислов и выдувания их из места разреза струей режущего кислорода. Для нагрева
металла в процессе резки используют те же горючие газы, что и при
газовой сварке. Чаще всего
металл нагревают ацетилено-кисло-
родным пламенем.
Кислородная резка осуществляется на обычном газосварочном
оборудовании, лишь вместо газовой горелки применяются специальные резаки. Резак в отличие от горелки не только подает по каналу 2
газовую смесь для нагрева металла, но и имеет дополнительный
канал 1 для подведения режущей струи кислорода (рис. 2.15).
1 2
Рис. 2.15. Резак для кислородной резки:
1 – канал подведения струи кислорода; 2 – канал подачи газовой смеси
Кроме ручной резки широко применяется резка на полуавтоматах и автоматах.
Газовой кислородной резке могут подвергаться только металлы,
у которых: а) температура сгорания в струе кислорода ниже температуры плавления; б) температура плавления их окислов ниже температуры плавления металла. Этим требованиям удовлетворяют железо,
85
титан, углеродистые стали с содержанием углерода до 0,7 %, низколегированные стали. Чугун, большинство легированных сталей, алюминий, медь и их сплавы кислородной резке не поддаются. Эти металлические материалы режут кислородно-флюсовой резкой, характеризующейся подачей в режущую струю кислорода флюсов (порошков
железа), при сгорании которых выделяется дополнительное тепло.
При электродуговой резке
металл расплавляется в зоне реза
электрической дугой. Этим способом можно резать любые металлы и
сплавы. Резку ведут как на постоянном, так и на переменном токе.
Применяя то же оборудование, что и для электросварки. Электродуговая резка как по качеству, так и по производительности значительно
уступает газовой кислородной резке. Она используется
лишь для гру-
бой разделки металла (резка лома и др.).
Плазменная резка представляет собой резку металла посредст-
вом использования плазмы, получаемой в плазмотроне. В процессе
плазменной резки металлов используют термическую плазму с тем-
3
пературой (5…30) · 10
ºС. Такую плазму используют для резки в ап-
паратах, называемых плазмотронами. В плазмотронах получают
плазму посредством продувки газа через электрическую дугу. Формируемая в плазмотроне сжатая цилиндрическая струя истекает при
скоростях равных скорости звука.
При плазменной резке производится непрерывное расплавление
материала струёй плазмы с одновременным удалением расплава, что
и способствует
получению области реза. По этой причине в стартовом
положении плазменная струя, касаясь металла, расплавляет его и удаляет из зоны реза посредством продувки расплавленного металла.
В последующий момент режущая плазменная струя поступательно
перемещается по заданному прямолинейному или возможно криволинейному контуру, что, в конечном счёте, приводит к получению заготовки в
соответствии с требуемыми размерами согласно чертежу.
Частицы материала из реза удаляются потоком струи.
Технологический процесс плазменной резки металлов состоит
из следующих последовательно выполняемых операций: 1) начало
резки – врезание с торца заготовки или с пробивки стартового отверстия; 2) непосредственно резка металла по прямолинейному или фигурной конфигурации маршруту; 3) окончание резки – заключитель-
операция.
ная
Режим плазменной резки металлов включает следующие основные параметры: рабочая среда (плазмообразующая); диаметр и длина
сопла; расстояние от сопла до поверхности заготовки; рабочее напряжение дуги; рабочий ток; расход рабочей среды; скорость резки.
86
Предел увеличения скорости плазменной резки ограничивается
тем, что начиная с какой-то критической скорости разрезаемый металл не получает сквозного прорезания. В случае уменьшения скорости резания, сквозное прорезание становится стабильным процессом,
но кромки реза имеют большие отклонения от перпендикулярности.
Кроме этого, становится неизбежным увеличение степени шероховатости кромок, а также
имеет место значительная по размеру зона тер-
мического влияния.
При скоростях примерно в (1,5…2) раза меньше максимально
достижимых процесс плазменной резки приобретает стабильность
и устойчивость, обеспечивая при этом получение требуемой перпендикулярности кромок и необходимой степени шероховатости поверхностей кромок, что в отдельных случаях исключает последующую их
механическую обработку.
Плазменная резка
даёт чистую поверхность и точные размеры
по резу. Разрезают как толстые листы (например, алюминия до 100 мм,
нержавеющей стали до 60 мм), так и тонкие. При микроплазменной
резке струя имеет форму острой иглы; эта резка весьма эффективна
при фигурном раскрое тонкого листового материала. Используется
для сварки листов толщиной до 2 мм – из углеродистых сталей
и до
1,5 мм – из нержавеющей хромистой стали, латуни, бронзы и алюминиевых сплавов.
Лазерная резка получила преимущественное распространение
в различных отраслях промышленности среди технологий лазерной
обработки материалов. Данное обстоятельство объясняется следующими специфическими свойствами технологии лазерной резки металлов, часть из которых присуща только этому способу, а ряд других
становятся таковыми при сопоставлении с аналогичными способами
резки металлов.
По сравнению с традиционно используемыми термическими ис-
точниками
тепловой энергии в таких технологических процессах как
кислородная, кислородно-флюсовая и плазменная способы резки,
достаточно точно сфокусированный лазерный луч более чем на порядок обеспечивает повышение плотности энергии на предельно узкой
площади воздействия.
Качество кромок заготовок после лазерной резки сопоставимо
по степени шероховатости только с деталями после механической обработки
на металлорежущих станках, а по сравнению с другими способами термической резки – на порядок выше. После лазерной резки
получают уже не полуфабрикат – заготовки для их последующей обработки, например, механической, а готовые детали.
87
Важным отличительным свойством лазерной резки является
практически отсутствие термических деформаций в обрабатываемом
металле и минимальные размеры зоны термического влияния. И, наконец, процесс лазерной резки металлов является безотходным и используется для обработки широкого ассортимента металлического
проката, а также целого ряда неметаллических материалов: от пластмасс и резины до тканей и
кож, причём ширина реза находится в пределах от 0,1 до 0,3 мм, предельные отклонения размеров деталей
± (0,05…0,2) мм, а степень шероховатости торцевых стенок реза составляет от 10 до 40 мкм.
Достижение таких достаточно высоких показателей резки материалов закономерно предполагает и высокий уровень автоматизации
производства с использованием роботов и роботизированных комплексов.
Технологический
процесс лазерной резки представляет собой
одновременное воздействие на материал заготовки сфокусированного
посредством линзы или объектива лазерного излучения и вспомогательного газа. При лазерной резке протекают последовательно следующие процессы: нагрев материала выше температуры плавления,
окисление металла с экзотермическим эффектом, частичное испарение продуктов расплавления и окисления, окончательное удаление
продуктов разрезания
с образованием полого пространства (реза)
в заготовке.
При лазерной резке металлов процесс получения реза может
быть стационарным и не стационарным, практически в промышленной технологии резки преимущественное распространение получил
процесс с нестационарным характером формирования полости реза
металла заготовки. В качестве вспомогательного газа используют кислород, что, в свою очередь, позволяет снизить
удельные затраты
энергии излучения, а также интенсивно обеспечить удаление образующихся продуктов из области реза.
Неметаллические материалы в процессе лазерной резки под
термовоздействием плавятся или разлагаются. Плавятся при разрезании лазерным лучом керамика, стекло, бетон, а разлагаются при резке
термопласты, натуральные ткани, резины и др. Для резки плавящихся
материалов необходимы
затраты большего количества тепла, чем для
разлагающихся материалов.
Для лазерной резки неметаллических материалов используют
лазерное излучение с более низкими значениями параметров, чем для
88
резки сталей и сплавов цветных металлов. Это объясняется тем, что
неметаллические материалы, как правило, обладают меньшими
удельными энергиями разрушения, имеют меньшие коэффициенты
теплопроводности и температуропроводности.
Технологический процесс лазерной резки неметаллических материалов имеет свои существенные отличительные черты от техпроцесса резки металлических материалов. Тонкослойные материалы,
такие как ткани, кожа перед резкой
укладывают в стопы, что резко
увеличивает производительность подготовительных операций, например, при пошиве верхней одежды на предприятиях крупнейших
фирм во Франции, Германии и Великобритании.
Следует указать, что качество резки разлагающихся материалов
достигается при меньших плотностях мощности излучения, чем плавящихся. Ширина реза для неметаллических материалов в (1,5…2) раза
больше, чем для
металлических при одинаковой исходной толщине;
шероховатость при этом находится в пределах от 30 до 40 мкм.
Точность резки регламентируется функциональным назначением
и толщиной данной детали.
Скорость лазерной резки составляет от 0,15 до 0,25 м/с в процессе изготовлении металлических деталей и полуфабрикатов. При
лазерной резке неметаллических материалов скорость составляет от
0,5 до 1,0 м/с.
В случае использования для резки лазерной техники
при различной величине мощности установок толщина материала
может колебаться от 4 до 15 мм для стальных заготовок и от 20
до 50 мм – для пластмасс.
2.3. ПАЙКА МАТЕРИАЛОВ
Сущность процесса пайки заключается в образовании неразъ-
ёмного соединения изделий и деталей с помощью специальных металлов или сплавов – припоев называют пайкой. При пайке металлов
до плавления доводят только относительно легкоплавкий припой,
а температура нагрева паяемых деталей должна быть примерно
на (50…80) ºС выше температуры плавления припоя. Соединение
частей основного металла происходит вследствие взаимной диффузии
между расплавленным припоем и предварительно нагретым основным металлом.
Для успешного хода диффузии необходима также чистота соединяемых поверхностей. Для этого их предварительно очищают механическим путем. В процессе пайки они дополнительно очищаются
89
с помощью флюсов, которые служат также и для защиты припоя
от окисления кислородом воздуха или пламенем во время паяния.
Средства для нагрева мест пайки следующие: нагретые паяльники (простые, газовые и электрические), пламя паяльной лампы или
горелки, нагревательная печь, электронагрев (пропускание тока или
индукционный), погружение в расплавленный припой или в соляную
ванну.
В зависимости от температуры плавления припоя различают
пайку мягкими и твёрдыми припоями. К мягким припоям относятся
такие, температура плавления которых не превышает 400 ºС, а меха-
нические свойства, как правило, довольно низкие (σb до 70 МПа); поэтому спаянную деталь не следует подвергать механическим нагрузкам.
В качестве мягких припоев применяют сплавы легкоплавких металлов: свинца, олова, висмута, кадмия, чаще всего свинца и олова.
Наиболее легкоплавким сплавом в системе Pb–Sn является эвтектический,
содержащий 62 % олова и 38 % свинца, т. е. приблизительно 1/3 свинца;
поэтому в производстве он получил название третника, а его стандартное обозначение ПОС-61 (припой оловянно-свинцовый, 61 % Sn).
На практике находят применение припои ПОС-90, ПОС-50, ПОС-30,
ПОС-40, застывающие в интервале температур от 250 до 180 ºС.
Кроме оловянно-свинцовых мягких припоев применяют оловянно-цинковые припои: ПОЦ-90, ПОЦ-70, ПОЦ-60 и ПОЦ-40, из которых припой ПОЦ-90 является эвтектическим с температурой застывания около 200 ºС. В качестве флюсов при пайке применяют канифоль,
хлористый цинк или смесь его с хлористым аммонием и др.
К твёрдым припоям относят такие, температура плавления которых от 600 до 1083 ºС, а прочность спая высокая (σb от 400 до 500 МПа).
К этим припоям относят чистую медь и сплавы меди с цинком и серебром. Наиболее часто применяют медно-цинковые припои марок
ПМЦ-42, ПМЦ-47, ПМЦ-52, которые содержат соответственно 42, 47
и 52 % меди и застывают в интервале температур от 890 до 830 ºС.
При пайке изделий особо ответственного назначения применяют
медно-серебряные припои, такие, как ПСр-10, ПСр-25, ПСр-72, содержащие соответственно 10, 25 и 72 % серебра (остальное медь
и цинк). В качестве флюсов используют буру, борную кислоту и их
смеси, хлористый цинк и другие.
Пайке поддаются все углеродистые и легированные стали, в том
числе инструментальные и коррозионно-стойкие, твердые сплавы, серые и ковкие чугуны, большинство цветных металлов и сплавов,
а также металлов с неметаллическими материалами. Если пайка про-
90
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]