Технологические особенности основных способов получения неразъем-ных соединений.

При выборе способа получения неразъемного соединения, устранения трещин и других целей необходимо обращать внимание на условия работы изделия (нагрузка, температура, среда и пр.), и его трудоемкость.

Электродуговая сварка металлов и их сплавов, как наиболее распространенная, может обеспечить прочность сварного соединения на уровне основного материала, если будут учтены особенности ее технологического процесса. В первую очередь это касается правильного выбора режима сварки и сварочных материалов, а также последующей термической обработки сварного соединения.

Неравномерный нагрев основного металла, литейная усадка сварного шва и структурные превращения в ЗТВ приводят к возникновению напряжений и деформаций при сварке. Складываясь с напряжениями, возникающими от приложения внешних усилий, они могут достигать величин, превышающих допустимые. Тогда в сварных швах или в ЗТВ могут возникнуть трещины, приводящие к разрушению сварной детали.

Основными способами уменьшения указанных напряжений и деформаций являются: предварительный подогрев детали, а после сварки - отжиг или нормализация.

Предварительный подогрев уменьшает разность температур между ненагретым и нагретым до высоких температур основным и расплавленным присадочным металлом и снижает внутренние напряжения. Температура подогрева определяется свойствами металла. Так, при сварке различных сталей она составляет 100-600⁰С, при сварке чугуна - 500-800⁰С, алюминия - 250-270⁰С, бронзы - 300-400⁰С. Подогрев может быть общим или местным.

Температура подогрева может быть также определена и по соответствующей приближенной формуле.

Отжиг после сварки снимает внутренние напряжения и повышает пластичность сварных швов.

Сварка углеродистых сталей определяется в основном содержанием в ней углерода. При содержании в них до 0,25%С они хорошо свариваются всеми способами. При большем содержании С - необходим предварительный подогрев.

Сварка низко- и высоколегированных сталей производится, как правило, с предварительным подогревом, температура которого определяется по известной формуле. После сварки их подвергают термической обработке - нормализации или высокому отпуску.

Сварка чугуна производится в основном при исправлении брака чугунных отливок, заварке трещин в блоке цилиндров и фундаментной раме двигателей и др. Основные трудности при выполнении этих работ связаны с образованием в сварном соединении зоны отбеливания (структуры цементита), возникающей при быстром охлаждении расплавленного чугуна, и появлением в ЗТВ структур закалки. Чугун с такими структурами имеет высокую твердость и очень хрупок, его трудно обрабатывать обычным инструментом. Поэтому основной задачей при сварке чугуна является получение сварного соединения с одинаковой твердостью металла шва и переходных зон без трещин. На практике применяют несколько способов сварки чугуна, которые можно разделить на три группы: горячая, полугорячая и холодная сварки.

Горячая сварка чугуна осуществляется с предварительным и сопутствующим нагревом всего изделия до 600-700⁰С с последующим медленным охлаждением. Присадочным металлом служат чугунные стержни диаметром 5-15 мм, содержащие 3-3,5% углерода и 3-4,6% кремния. После сварки деталь медленно охлаждают вместе с печью или засыпают сухим песком или шлаком. Такой способ обеспечивает полную графитизацию металла шва и отсутствие отбела в ЗТВ, исключает возможность появления сварочных напряжений. Его применяют для сварки (ремонта) наиболее ответственных деталей или деталей имеющих сложную форму (блоки цилиндров, станины и др.).

Полугорячая сварка чугуна производится при нагреве детали до 250-450⁰С (в основном в местах сварки). Такой способ применяют для деталей небольшой толщины и при небольшом объеме наплавляемого металла. После сварки также деталь также засыпают сухим песком или шлаком для медленного охлаждения.

Холодная сварка чугуна производится без предварительного подогрева детали. Для этого используются стальные электроды, электроды из цветных металлов, порошковая проволока. Поверхность кромок наплавляется короткими валиками, электродами малого диаметра при малой силе тока, чтобы металл не успел разогреваться.

Сварка алюминия и его сплавов может производится всеми способами. В качестве присадочного материала применяют проволоку или стержни того же химического состава, что и основной металл. Основными затруднениями при их сварке является присутствие на поверхности металла тугоплавкой (Т_пл = 2050⁰С) и плотной (g = 3,9 г/см³) окисной пленки Al₂O₃ , толщина которой увеличивается с течением времени и с повышением температуры ( для Al Т_пл = 658⁰C, g = 2,7 г/см³). Ее необходимо механически удалять и не допускать образования при сварке. С этой целью используются флюсы, в состав которых входят фтористые и хлористые соединения лития, калия, натрия и др. Под действием этих флюсов Al₂O₃ переходит в летучий AlCl₃, имеющий малую плотность (2,7 г/см³) и самовозгоняющийся при 183⁰С. Большие значения коэффициентов линейного расширения и теплопроводности часто приводят к деформациям, а иногда и к трещинам в сварных соединениях. Поэтому при сварке производится предварительный подогрев до 250-260⁰С, а иногда и отжиг при 300-350⁰С.

Сварка меди и ее сплавов сопряжена с рядом особенностей, затрудняющих этот процесс. Высокая теплопроводность меди вызывает необходимость применения концентрированных источников нагрева и часто подогрева. Легкая окисляемость и большая растворимость водорода в расплавленной меди в сочетании с Cu₂O и CO может явиться причиной образования пор и мелких трещин в шве и ЗТВ. Высокий коэффициент линейного расширения приводит к значительным остаточным деформациям детали. Существуют различные способы сварки меди и ее сплавов. Ручная электродуговая сварка меди осуществляется угольными и металлическими электродами.

Сварку меди угольным электродом производят с применением флюсов, из которых наиболее распространен борный шлак. Сила тока составляет 250-350 А, а диаметры электрода и присадочной проволоки - соответственно 12-14 и 3-7 мм.

Сварка меди металлическим электродом ведется на постоянном токе обратной полярности, короткой дугой, электродами диаметром 3-6 мм, без колебаний. Сила тока выбирается по диаметру электрода:

I = 50d.

Сварка бронзы производится в основном при исправлении брака отливок, заварке трещин и других дефектов в деталях. В качестве присадочного материала применяются прутки или электроды того же химического состава, что и основной металл. Электродные покрытия и флюсы те же, что и при сварке меди. При нагреве бронзы выше 500⁰С она теряет вязкость и становится хрупкой. Поэтому для предупреждения сварочных трещин необходимо применять предварительный подогрев до 300-450⁰С.

Сварка латуни графитовым электродом производится на постоянном токе прямой полярности с использованием флюсов, состоящих из криолита, хлористых калия и натрия, древесного угля. Флюс наносят на стержни диаметром 6-8 мм из присадочного материала марки ЛК80-3. Сварка латуни металлическим электродом ведется также на постоянном токе электродами из латуни ЛК80-3 или бронзы БрКМц3-1 с соответствующим покрытием.

Сварка титана и его сплавов сопряжена с определенными трудностями, главной из которых является большая химическая активность Ti при высоких температурах по отношению к N₂, O₂ и H₂. Поэтому для получения качественного сварного соединения необходима тщательная защита от газов воздуха не только сварочной ванны, но и остывающих участков металла шва и ЗТВ вплоть до температуры 500⁰С. Следует также защищать обратную сторону шва даже в том случае, если она не расплавляется, а только нагревается свыше 500⁰С. О качестве газовой защиты при сварке титана можно судить по цвету металла шва и околошовной зоны. Блестящая серебристая поверхность шва свидетельствует о хорошей защите от О₂ и удовлетворительных свойствах шва. Синий цвет шва и серые налеты на нем указывают на плохую защиту. Для соединения деталей из Ti и его сплавов широко применяется аргоно-дуговая сварка неплавящимся (вольфрамовым) электродом на постоянном токе при прямой полярности.

Сварка пластмасс производится с помощью теплоносителя (нагретый газ или инструмент) или нагрева ТВЧ, ультразвуком, трением. Технологический процесс сварки неметаллических материалов (термопластов) заключается в разогреве заготовок и последующем их сдавливании.

Пайку металлов, в зависимости от температуры плавления припоя (присадочного материала), разделяют на пайку мягкими и твердыми припоями.

Пайка мягкими припоями производится оловянно-свинцовыми припоями марок ПОС-90, ПОС-40 и ПОС-30, содержащие соответственно 90, 40 и 30% олова (остальное - свинец и примеси). Температура плавления их составляет 180-260⁰С. Мягкие припои обеспечивают прочность соединения до 50-70 МПа.

Для получения качественных соединений поверхность изделий в месте спая необходимо тщательно очистить механическим или химическим способом; зазор не должен превышать 0,1 мм. Для защиты от окисления металла и припоя, а также для растворения образующихся оксидов и растекания жидкого припоя по поверхности места спая применяют флюсы: канифоль, хлористый цинк или смесь хлористого цинка с хлористым аммонием и др.

Пайка твердыми припоями производится медно-цинковыми припоями марок ПМЦ-42, ПМЦ-47 и ПМЦ-52. Они имеют соответственно 42, 47 и 52% меди и температуру плавления 840, 860 и 885⁰С. Для пайки ответственного назначения используют также медно-серебряные припои (ПС-25 и ПСр-45) с температурой плавления 780-830⁰С и содержащие от 10 до 70% серебра (остальное - медь и цинк).

Предел прочности соединений при пайке твердыми припоями достигает 400-500МПа. В качестве флюсов используется бура, борная кислота или их смесь, хлористый цинк и пр. Изделия нагреваются сварочными горелками, ТВЧ и др. Зазор в соединении не должен превышать 0,05-0,08 мм.

Пайке твердым припоем хорошо поддаются все углеродистые и легированные стали, твердые сплавы, чугуны, большинство цветных металлов и их сплавов.

При газовой сварке место соединения нагревают до расплавления высокотемпературным газовым пламенем. При нагреве кромки свариваемых заготовок расплавляются, а зазор между ними заполняется присадочным металлом, который вводят в пламя горелки извне. Газовое пламя получают при сгорании горючего газа в атмосфере технически чистого кислорода.

Кислород, используемый для сварочных работ, поставляют к месту работ в стальных баллонах под давлением 15 МПа. Баллоны окрашивают в голубой цвет с черной надписью "Кислород".

Для снижения давления газа на выходе из баллона и поддержания постоянной величины рабочего давления применяют газовые редукторы.

В качестве горючих газов можно применять природные газы, водород, пары бензина и керосина и др.

Для газовой сварки применяют ацетилен, так как он имеет большую теплоту сгорания по сравнению с другими горючими газами и высокую температуру пламени (3200⁰С). Ацетилен (С₂Н₂) получают в специальных аппаратах - газогенераторах - при взаимодействии воды с карбидом кальцин.

При разложении 1 кг карбида кальция образуется 250 - 300 дм³ ацетилена. Ацетилен взрывоопасен при избыточном давлении свыше 0,175 МПа, хорошо растворяется в ацетоне. Последнее свойство используют для его безопасного хранения в баллонах.

На пути следования газа от генератора к сварочной горелке устанавливают предохранительные водяные затворы, предотвращающие проникновение кислородно-ацетиленового пламени в ацетиленовый генератор при обратном ударе. Обратный удар происходит, когда скорость истечения газов становится меньше скорости их горения. Практически обратный удар происходит при перегреве горелки и засорении сопла.

Ацетиленовые баллоны окрашивают в белый цвет и делают на них красной краской надпись "Ацетилен". Давление 1,5 МПа. В баллоне находятся пористая масса (активированный уголь) и ацетон. Растворение ацетилена в ацетоне позволяет поместить в малом объеме большое количество ацетилена. Растворенный в ацетоне ацетилен пропитывает пористую массу и становится безопасным.

Для образования газосварочного пламени используют газосварочные горелки.

Газосварочное пламя образуется в результате сгорания ацетилена, смешивающегося в определенных пропорциях с кислородом в сварочных горелках. Ацетилено-кислородное пламя состоит из трех зон (рис.5.3): ядра пламени 1, средней зоны 2 (сварочной), факела пламени 3. На рисунке показано строение газосварочного пламени и распределение температур по его оси.

Рис. Газосварочное пламя

В зоне 1 происходит постепенный нагрев до температуры воспламенения газовой смеси, поступающей из мундштука; в зоне 2 - первая стадия горения ацетилена за счет кислорода, поступающего из баллона.

Зона 2, имеющая самую высокую температуру и обладающая восстановительными свойствами, называется сварочной или рабочей зоной. В зоне 3 (факеле) протекает вторая стадия горения ацетилена за счет атмосферного кислорода.

Для газовой сварки сталей присадочную проволоку выбирают в зависимости от состава сплава свариваемого металла. Для сварки чугуна применяют специальные литые чугунные стержни; для наплавки износостойких покрытий - литые стержни из твердых сплавов. Для сварки цветных металлов используют флюсы, которые могут быть в виде порошков и паст.

При газовой сварке заготовки нагреваются более плавно, чем при дуговой; это и определяет основные области её применения: для сварки металлов малой толщины (0,62 - 3 мм); легкоплавких цветных металлов и сплавов; для металлов и сплавов, требующих постепенного нагрева и охлаждения; для пайки, подварки дефектов и т.д. При увеличении толщины металла производительность газовой сварки резко снижается. При этом за счет медленного нагрева свариваемые изделия значительно деформируются. Это ограничивает применение газовой сварки.

Газокислородная резка заключается в сжигании металла в струе кислорода и удалении этой струёй образующихся оксидов. При горении железа в кислороде выделяется значительное количество теплоты. Для начала горения металл подогревают до температуры его воспламенения в кислороде (например, сталь - до 1000 – 1200⁰С).

Для обеспечения нормального процесса резки металл должен отвечать следующим требованиям: температура его плавления должна быть выше температуры горения в кислороде; температура плавления оксидов металла должна быть ниже температуры его плавления; количество теплоты, выделяющейся при сгорании металла в кислородной струе, должно быть достаточным для поддержания непрерывного процесса резки; теплопроводность металла не должна быть слишком высокой, в противном случае теплота слишком интенсивно отводится и процесс резки прерывается; образующиеся оксиды должны быть достаточно жидкотекучими и легко выдуваться вниз струёй режущего кислорода.

По характеру и направленности кислородной струи различают следующие способы резки.

Разделительная резка - режущая струя направлена нормально к поверхности металла и прорезает его на всю толщину. Разделительной резкой раскраивают листовую сталь, вырезают крути , фланцы и т.д.

Поверхностная резка - режущая струя направлена под очень малым утлом к поверхности металла (почти параллельно ей) и обеспечивает грубую его строжку или обдирку. Ею удаляют поверхностные дефекты отливок.

Резка может быть ручной и машинной. Ручная резка вследствие неравномерности перемещения резака и вибрации режущей струи не обеспечивает высокого качества поверхности реза, поэтому полость реза механически обрабатывают.

Обычно кислородной резкой разрезают металлы толщиной 5 - 300 мм.

При воздушно-дуговой резке металл расплавляется дугой неплавящимся графитовым электродом, а расплавленный металл выдувается из полости реза потоком сжатого воздуха, подаваемого параллельно электроду. Воздушно-дуговую резку можно выполнять во всех пространственных положениях. Основная область её применения - поверхностная обработка металла (различные углубления в виде канавок и т.п.).