Ермолаев Технологические процессы в машиностроении 2011

ния те металлы, которые не растворяются друг в друге в твердом состоянии или образуют хрупкие соединения. Эти металлы подвергают сварке давлением или при сварке вводят промежуточный металл, который способен растворятся в обоих металлах.

Алюминий и его сплавы можно сваривать всеми рассмотренными способами. Перед сваркой кромки изделия и присадочные проводки очищают металлической щеткой от грязи, обезжиривают бензином и раствором каустической соды и подвергают травлению. Травление производят при 50–70 °С в растворе едкого натрия (45– 50 °С воды) в течение 1 мин. После травления изделия промывают в холодной и горячей воде.

Для удаления пленки окиси алюминия из сварочной ванны применяют порошкообразные флюсы и специальные пасты. Наибольшее распространение получил флюс АФ-4а, содержащий 50 % хлористого калия, 20 % хлористого натрия, 14 % хлористого лития и 8 % фтористого натрия. Остатки флюса вызывают коррозию, поэтому после сварки шлак и остатки этого флюса смывают с поверхности шва теплой водой, а затем 5 %-ным раствором азотной кислоты с 2 % хромпика с последующей промывкой водой в течение 5 мин и сушкой. Этот флюс в виде пасты, замешанной на воде, применяют при газовой сварке.

При сварке алюминия и его сплавов в качестве присадки применяют проволоку того же химического состава, что и химический состав свариваемого металла. Хорошие результаты при сварке сплава АМц и некоторых термически обрабатываемых алюминиевых сплавов дает применение присадочной проволоки марки АК, содержащей около 5 % Si. Эта проволока обеспечивает повышенную жидкотекучесть металла шва и меньшую усадку его при остывании.

Сварку алюминиевого литья ведут с предварительным подогревом до 250– 60 °С. Для получения мелкозернистого строения шва и устранения внутренних напряжений иногда его подвергают отжигу при 300–350 °С.

При электродуговой сварке металлическим электродом применяют специальную обмазку, в состав которой входит до 15 % хлористого натрия, до 50 % хлористого калия и до 35 % криолита. На

191

100 г смеси добавляют 50 см3 воды. Связывающим веществом служит хлористый натрий, который одновременно является и флюсующим. Толщина обмазки на электроде достигает 1–1,2 мм на сторону. Сварку алюминия и его сплавов ведут на постоянном токе при обратной полярности. Шлак после сварки удаляется горячей водой.

Дуговую сварку алюминия угольным электродом производят с присадочным металлом и флюсом того же состава, что и при газовой сварке.

Атомноводородную сварку алюминия и его сплавов применяют для ответственных конструкций (толщина деталей составляет 1,5– 10 мм). Состав присадочного металла и флюса тот же, что и при газовой сварке.

Аргонно-дуговую сварку плавящимся электродом применяют для деталей толщиной 4–100 мм и более, а неплавящимся электро-

дом – 0,5–15 мм.

При электроконтактной точечной или роликовой сварке алюминиевых сплавов применяют токи большей силы, чем при сварке сталей той же толщины. Продолжительность сварки должна быть меньше. Это объясняется повышенной теплопроводностью и электропроводностью алюминиевых сплавов по сравнению со сталью. Например, при точечной сварке листовой стали толщиной 2 мм применяют силу тока 7500 А при продолжительности сварки 0,5 с и давлении электродов 3 кН (300 кг), а при сварке листового дюралюминия такой же толщины соответственно 31000 А, 0,12 с и 5 кН (500 кг). В машинах, используемых для сварки алюминиевых сплавов, применяют специальные ионные прерыватели, обеспечивающие минимальное время протекания тока. Широкое применение нашли конденсаторные машины, дающие мощный импульс сварочного тока за сотые доли секунды.

Сварка магниевых сплавов. В технике применяют сварные изделия из сплавов магния с марганцем, цинком и алюминием. При газовой сварке магниевые сплавы легко воспламеняются, что затрудняет процесс сварки. Сварку затрудняют так же низкая температура плавления магниевых сплавов и образование на поверхности сварочной ванны очень тугоплавкой (2500 °С) окиси магния.

192

Магниевые сплавы при нагревании не только окисляются, но и активно соединяются с азотом, образуя нитрид магния, который снижает прочность сварочного шва.

Сварка магниевых сплавов осуществляется так же, как и сварка алюминиевых сплавов. Магниевые сплавы можно сваривать газовой, дуговой (угольным электродом), аргонно-дуговой, точечной и роликовой сваркой. При газовой и дуговой сварке магниевые сплавы чаще всего применяют флюсы такого же состава, что и при сварке алюминия.

Сварка титана и его сплавов. В последние годы широко при-

меняют дуговую сварку титана и его сплавов в атмосфере инертного газа или автоматическую дуговую сварку под флюсом на основе Са, Na, исключающим возможность взаимодействия титана с кислородом.

Хорошие результаты получают при аргонно-дуговой автоматической сварке деталей из титана и его сплавов малых толщин вольфрамовыми электродами диаметром 1,5–3 мм при короткой дуге (1,0–1,5 мм) и плотности тока 40–75 А/мм3. Для сварки титана и его сплавов чаще всего применяют постоянный ток прямой полярности или переменный ток. Скорость автоматической дуговой сварки составляет 18–27 м/ч при расходе аргона 360–650 дм3/ч.

Автоматическую электродуговую сварку в среде аргона можно также производить плавящимся электродом на постоянном токе обратной полярности. В качестве электрода применяют сварочную проволоку диаметром 1,2–5 мм. Плотность тока равна 75–100 А/мм3, скорость сварки 16–40 м/ч.

Сварку толстых деталей (до 40 мм) из титана и его сплавов осуществляют методом электрошлаковой сварки электродом толщиной 3–4 мм с использованием переменного тока. Место сварки и прилегающие зоны основного металла необходимо тщательно зачищать от воздействия азота, водорода и кислорода, так как титан обладает большой химической активностью к этим элементам и восстанавливает их. При температурах выше 600 °С титан интенсивно поглощает газы.

Электрошлаковую сварку ведут с применением специального флюса АН-12, содержащего стойкие бескислородные соединения

193

титана и обладающего высокой температурой плавления и кипения.

При точечной и роликовой сварке титана защитная атмосфера их нейтрального газа не нужна; необходимо иметь лишь чистую поверхность изделий.

Сварка меди и медных сплавов. При сварке меди и ее сплавов необходимо учитывать некоторые свойства меди и компонентов, входящих в ее сплавы (цинка, олова).

Для меди применяют главным образом, газовую или электродуговую (угольным электродом) сварку.

При газовой сварке меди используют присадочные прутки из чистой электролитической меди или из меди с содержанием до 0,2 % Р и до 0,3 % Si. Последние два элемента являются энергичными раскислителями сварочной ванны.

Наиболее распространенный флюс для сварки меди содержит 70 % буры, 10 % борной кислоты и 20 % поваренной соли.

Мощность горелок при сварке меди, вследствие ее большой теплопроводности, должна быть в 1,5–2 раза больше, чем при сварке стали. Расход ацетилена составляет 150–200 дм3/ч на 1 мм толщины изделия.

Сварка меди осуществляется с повышенной скоростью (во избежание перегрева металла вблизи места сварки), при наклоне мундштука горелки под углом 70–80° к поверхности изделия. Изделия из меди большой толщины необходимо подогревать во время сварки с помощью второй горелки. Сварной шов из меди рекомендуется проковать при 400–500 °С с целью повышения его механических свойств, а изделие подвергнуть отжигу для получения мелкозернистой структуры. Пламя при сварке должно быть нормальным.

При сварке меди угольным электродом можно пользоваться открытой или закрытой (под флюсом) дугой. При сварке открытой дугой применяют присадочные прутки из фосфористой меди с нанесенным на них покрытием, в состав которого входят бура, кислый и фосфорнокислый натрий, кремниевая кислота и древесный уголь. При сварке меди закрытой дугой применяют специальные флюсы.

194

Изделия из меди, и особенно листовой материал, можно сваривать электродуговым способом с применением медного электрода. В этом случае сварку меди, в том числе и автоматическую, надо вести под слоем флюса.

Латунь сваривают в основном нормальным ацетиленокислородным пламенем и электрической дугой (угольными электродами). При сварке применяют те же флюсы и прутки, что и при сварке меди. В настоящее время освоена автоматическая сварка латуни электрической дугой под флюсом (медной проволокой).

Бронзу сваривают газовой, дуговой и аргонодуговой сваркой. Оловянистая бронза при температуре примерно 600 °С приобретает повышенную хрупкость, поэтому процесс ее сварки обязательно ведут на подкладках. Назначение подкладок – отвод лишнего тепла с целью ускорения охлаждения металла ванны.

При газовой сварке бронзы в качестве флюса применяют буру, а при сварке алюминиевых бронз – флюс марки АФ-4а.

Наплавка твердых сплавов. Наплавку применяют с целью повышения в определенном месте механических и физикохимических свойств основного металла, а также для восстановления деталей после износа.

В качестве наплавочных материалов применяют литые, керамические и порошковые твердые сплавы, содержащие карбиды марганца, хрома, вольфрама, титана и др. Наплавка износостойкими сплавами повышает срок службы изделий в 3–4 раза и позволяет многократно восстанавливать изношенные детали.

Наплавку любого материала можно производить газовой, электродуговой и газоэлектрической сваркой.

Наносить наплавочные материалы на изделия следует тонкими слоями. Толщина наплавленного слоя должна быть, как правило, не больше 2 мм; при большей толщине повышается склонность наплавки к образованию трещин.

Детали, подвергающиеся наплавке, предварительно нагревают до 350–500 °С; после окончания наплавки их медленно охлаждают.

Наибольшее распространение получила электродуговая наплавка. Она экономична и обеспечивает хорошее качество наплавлен-

195

ного металла, позволяет автоматизировать процесс наплавки и требует сравнительно простого оборудования.

Электронаплавка может быть ручной, автоматической и полуавтоматической.

Перспективны следующие виды наплавки: пучком электродов, трехфазной дугой, ленчатым или пластинчатым электродом. Применяют также наплавку в защитных газах (углекислом газе, аргоне, атомарном водороде и др.).

Газовую наплавку применяют реже, так как она не обеспечивает достаточной стабильности химического состава наплавленного металла.

7.4. Кислородная резка

Процесс кислородной резки. Газокислородная резка основана на способности некоторых металлов гореть в струе кислорода с выделением большего количества тепла.

Различают два вида газовой резки металлов: разделительную и поверхностную (огневую строжку).

Газокислородным способом можно резать только те металлы, у которых температура воспламенения ниже температуры плавления, а температура плавления образующихся окислов ниже температуры плавления металла. Окислы должны обладать хорошей жидкотекучестью и легко удаляться продувкой воздухом или кислородной струей. Для концентрации тепла теплопроводность металла должна быть низкой. Этим методом можно резать углеродистые стали с содержанием до 0,7% С и низколегированные конструкционные стали. При резке высокоуглеродистых сталей требуется предварительный их нагрев до 650 – 7000 С. Не поддаются газовой резке: чугун, так как температура его плавления 12000 С, а температура воспламенения 13500 С; высоколегированные хромистые и хромоникелевые стали; цветные сплавы, так как температура плавления окислов выше температуры плавления металла.

Схема процесса газовой резки приведена на рис. 7.7. Смесь кислорода и горючего газа направляется в кольцевой канал мундштука 2 режущей горелки. При выходе из мундштука такая газовая

196

смесь зажигается, образуя пламя, которое направляют на разрезаемый металл 3. После нагрева металла до требуемой температуры подача горючего газа прекращается и усиливается поступление кислорода, который при выходе из мундштука, соприкасаясь с нагретым металлом, активизирует горение. В процессе сгорания металла образуются окислы 4, которые увлекаются струей 1 режущего кислорода и затем выдуваются из полости реза.

Таким образом, газовая резка слагается из трех процессов: подогрева металла, горения металла в среде кислорода, выдувания окислов.

Газокислородная резка осуществляется с помощью обычного газосварочного оборудования, только вместо сварочной горелки присоединяют резак, подающий газовую смесь для подогрева металла и кислород для его сжигания. Резак имеет сменные мундштуки – подогревательные (наружные) и режущие (внутренние).

Газовую резку можно выполнять ручным и механизированным способами.

При ручной резке производительность низкая; точность размеров неудовлетворительная. Механизация разделительной резки значительно повышает качество реза и производительность процесса.

Газы, применяемые при сварке и резке металла. При газовой сварке плавлением для местного нагревания соединяемых деталей используют тепло реакций горения газов в струе кислорода; при этом образуется факел пламени с очень высокой температурой. В момент расплавления основного металла в пламя вносят пруток из присадочного металла, который также плавится и образует вместе с основным расплавленным металлом единое сварное соединение.

Газовую сварку широко используют при ремонте и изготовлении тонкостенных изделий из стали и сплавов цветных металлов.

При газовой сварке в качестве горючих газов могут быть использованы ацетилен С2Н2, водород Н2, природный газ (содержа-

197

щий примерно 94 % СН4), нефтегаз, пары бензина и керосина. В сварочном производстве чаще всего применяют ацетилен, который при горении в технически чистом кислороде дает наиболее высокую температуру пламени (3150 °С) и выделяет наибольшее количество тепла[48 МДж/м3 (11470 ккал/м3)].

Ацетилен легче воздуха и кислорода. При содержании в воздухе 2,8–65 % С2Н2 образуется взрывчатая смесь. Воспламеняется ацетилен при 420 °С, становится взрывоопасным при сжатии свыше 0,18 МН/м2 (1,75 ат), а также при длительном соприкосновении с медью и серебром.

Ацетилен получают из карбида кальция при взаимодействии последнего с водой. Реакция протекает с выделением значительного количества тепла

СаС2 +2Н2О=С2 Н2 +Са(ОН)2 .

Теоретически для разложения 1 кг карбида кальция требуется 0,562 дм3 воды, а практически во избежание перегрева ацетилена расходуют 5–20 дм3 воды. Средний выход ацетилена составляет

0,23–0,28 м3/кг.

Ацетилен для сварки поступает из генератора, в котором его получают или из металлических баллонов. В баллонах ацетилен находится в смеси с ацетоном под давлением 1,5–1,6 МН/м2 (15–16 ат). Для полной безопасности баллон с ацетиленом заполняют древесным углем, создающим систему капиллярных сосудов.

Технический кислород (98,5–99,5 %) для сварки поступает к сварочным постам по трубопроводам под давлением 0,5–1,6 МН/м2 (5–16 ат), или в баллонах под давлением по 15 МН/м2 (150 ат).

Полуавтоматы ПП-1 и ПП-2, в которых перемещение резака производится механически, а движение направляется вручную при помощи различных приспособлений, широко применяют в промышленности и строительстве. На корпусе 1 машины ПП-1 (рис. 7.8) помещен суппорт 3, на котором укреплен резак 2. Внутри корпуса расположен механизм с системой зубчатых колес, соединенных с электродвигателем 4 мощностью 50 Вт и передающих вращение валу ведущего ролика тележки. Скорость передвижения тележки можно регулировать, изменяя число оборотов вала электро-

198

двигателя посредством реостата 5, включенного в цепь обмотки якоря.

Рис. 7.8. Полуавтоматическая переносная машина ПП-1 для кислородной резки

Если на суппорт установить два резака, причем один из них под углом 400, то можно производить за один проход резку листа и скос его кромок под сварку. Машина ПП-2 снабжена двумя резаками. Этой машиной можно вырезать полосы из листов и фланцы.

Автоматические машины позволяют не только механизировать перемещение резаков, но и угол его наклона. Стационарные машины могут выполнять прямые и фигурные разрезы, используя механизмы с продольно-поперечным перемещением рабочих частей или с шар- нирно-круговой связью. Эти резаки повторяют движение магнитного ролика, перемещающегося по шаблону, и производят точную вырезку изделий без последующей механической обработки.

На специальных машинах резку производят по контуру (при помощи магнитной ведущей головки) и по чертежу или разметке (при помощи механической головки, направляемой от руки).

Машина АСШ-2 (рис. 7.9) шарнирного типа позволяет вырезать из листов толщиной до 100 мм с допуском 0,3–0,5 мм детали любой формы размерами 750–1500 мм. На массивной колонне 1 установ-

199

лены шарнирные рычаги 2 и 3. В верхней части шарнира 3 имеется электродвигатель 7 и ведущая головка с магнитной катушкой 5. Внутри катушки может вращаться стальной палец с рифленым концом. Этот палец при прохождении тока по обмотке катушки намагничивается, притягивается к кромке стального шаблона 6 и катится по ней, описывая фигуру шаблона. Шаблоны крепят к штангам 8 на хоботе машины 9. В нижней части шарнирного рычага укреплен резак 4, воспроизводящий по поверхности разрезаемого листа фигуру, соответствующую шаблону. Струя кислорода вырезает из листа, уложенного на стол, эту фигуру.

Рис. 7.9. Машина АСШ-2

Имеются машины с фотоэлектронным копированием контура вырезки по чертежу: машины для резки листов, машины с дистанционным управлением и масштабным копированием вырезаемых деталей.

200