Разделительные операции листовой штамповки

Разделительные операции листовой штамповки предназначены или для получения заготовки из листа или ленты, или для отделения одной части заготовки от другой. Операции могут выполняться по замкнутому или по незамкнутому контуру.

Отделение одной части заготовки от другой осуществляется относительным смещением этих частей в направлении, перпендикулярном к плоскости заготовки. Это смещение вначале характеризуется пластическим деформированием, а завершается разрушением.

Отрезка– отделение части заготовки по незамкнутому контуру на специальных машинах – ножницах или в штампах.

Обычно ее применяют как заготовительную операции для разделения листов на полосы и заготовки нужных размеров.

Основные типы ножниц представлены на рис. 69.

Рис. 69. Схемы действия ножниц: а – гильотинных; б – дисковых

Ножницы с поступательным движением режущих кромок ножа могут быть с параллельными ножами, для резки узких полос, с одним наклонным ножом – гильотинные (рис. 69.а). Режущие кромки в гильотинных ножницах наклонены друг к другу под углом 1…5⁰ для уменьшения усилия резания. Лист подают до упора, определяющего ширину отрезаемой полосы В. Длина отрезаемой полосы L не должна превышать длины ножей.

Ножницы с вращательным движением режущих кромок – дисковые (рис. 69.б). Длина отрезаемой заготовки не ограничена инструментом. Вращение дисковых ножей обеспечивает не только разделение, но и подачу заготовки под действием сил трения. Режущие кромки ножей заходят одна за другую, это обеспечивает прямолинейность линии отрезки. Для обеспечения захвата и подачи заготовки диаметр ножей должен быть в 30…70 раз больше толщины заготовки, увеличиваясь с уменьшением коэффициента трения.

Вырубка и пробивка – отделение металла по замкнутому контуру в штампе.

При вырубке и пробивке характер деформирования заготовки одинаков. Эти операции отличаются только назначением. Вырубкой оформляют наружный контур детали, а пробивкой – внутренний контур (изготовление отверстий).

Вырубку и пробивку осуществляют металлическими пуансоном и матрицей. Пуансон вдавливает часть заготовки в отверстие матрицы. Основным технологическим параметром операций является радиальный зазор между пуансоном и матрицей . Зазор назначают в зависимости от толщины и механических свойств заготовки, он приближенно составляет . При вырубке размеры отверстия матрицы равны размерам изделия, а размеры пуансона на меньше их. При пробивке размер пуансона равен размерам отверстия, а размеры матрицы на больше их.

Рис. 70. Схема процессов вырубки (а) и пробивки (б)

1 – пуансон, 2 – матрица, 3 – изделие, 4 – отход

Уменьшение усилия резания достигается выполнением скоса на матрице при вырубке, на пуансоне – при пробивке.

При штамповке мало- и среднегабаритных деталей из одной листовой заготовки вырубают несколько плоских заготовок для штамповки. Между смежными контурами вырубаемых заготовок оставляют перемычки шириной, примерно равной толщине заготовки. В отдельных случаях смежные заготовки вырубают без перемычек (экономия металла при ухудшении качества среза и снижении стойкости инструмента).

Расположение контуров смежных вырубаемых заготовок на листовом материале называется раскроем. Часть заготовки, оставшаяся после вырубки – высечкой.

Высечка составляет основной отход при листовой штамповке. Тип раскроя следует выбирать из условия уменьшения отхода металла в высечку (рис. 71).

Рис. 71. Примеры раскроя материала с перемычками (а) и без перемычек (б)

Экономия металла может быть получена: уменьшением расхода металла на перемычки, применением безотходного и малоотходного раскроя, повышением точности расчета размеров заготовки и уменьшением припусков на обрезку.

Формообразующие операции листовой штамповки

При формообразующих операциях стремятся получить заданную величину деформации, чтобы заготовка приобрела требуемую форму.

Основные формообразующие операции: гибка, вытяжка, отбортовка, обжим, раздача, рельефная формовка. Схемы формообразующих операций представлены на рис. 72.

Рис. 72. Формообразующие операции листовой штамповки

Гибка– образование угла между частями заготовки или придание заготовке криволинейной формы.

При гибке пластически деформируется только участок заготовки в зоне контакта с пуансоном 1 (рис. 72.а): наружные слои заготовки растягиваются, а внутренние – сжимаются. Деформация растяжения наружных слоев и сжатия внутренних увеличивается с уменьшением радиуса скругления рабочего торца пуансона, при этом возрастает вероятность образования трещин. Поэтому минимальный радиус пуансона ограничивается величиной в пределах 0.1…2,0 от толщины заготовки, в зависимости от механических свойств материала.

При снятии нагрузки растянутые слои заготовки упруго сжимаются, а сжатые – растягиваются, что приводит к изменению угла гибки , т.е. к пружинению детали. Это следует учитывать или уменьшением угла инструмента на величину пружинения, или применением в конце рабочего хода дополнительного усилия.

Гибку производят в штампах, а также вращающимися фигурными роликами, играющими роль матрицы, на профилегибочных станах.

Вытяжка– образование полого изделия из плоской или полой заготовки (рис.72.б).

Вырубленную заготовку диаметром и толщиной укладывают на плоскость матрицы 3. Пуансон 1 надавливает на заготовку и она, смещаясь в отверстие матрицы, образует стенки вытянутой детали диаметром .

Формоизменение при вытяжке оценивают коэффициентом вытяжки , который в зависимости от механических характеристик металла и условий вытяжки не должен превышать 2,1.

При , возможны потеря устойчивости фланца и образование складок при вытяжке. Их предотвращают прижимом 2 фланца заготовки к матрице с определенным усилием .

Высокие детали малого диаметра получают за несколько операций вытяжки с постепенным уменьшением диаметра D полуфабриката и увеличением его высоты (рис.72.в). При последующих переходах для предотвращения разрушения металла принимают

Промежуточный отжиг для устранения наклепа позволяет увеличить до 1,4…1,6.

Опасность разрушения заготовок устраняют применением смазочных материалов для уменьшения сил трения между поверхностями заготовок и инструмента.

При вытяжке зазор между матрицей и пуансоном составляет .

Отбортовка– получение борта диаметром путем вдавливания центральной части заготовки с предварительно пробитым отверстием в матрицу (рис. 72.г).

Формоизменение оценивают коэффициентом отбортовки

,

который зависит от механических характеристик металла заготовки и ее относительной толщины . Большее увеличение диаметра можно получить, если заготовку отжечь перед отбортовкой или изготовить отверстие резанием, создающим меньшее упрочнение у края отверстия.

Отбортовку применяют для изготовления кольцевых деталей с фланцами и для образования уступов в деталях для нарезания резьбы, сварки, а также для увеличения жесткости конструкции при малой массе.

Выделяется отбортовка наружного контура – образование невысоких бортов по наружному криволинейному краю заготовки.

Обжим – уменьшение периметра поперечного сечения концевой части полой заготовки.

Производится заталкиванием заготовки в сужающуюся полость матрицы (рис. 16.1.д). За один переход можно получить . Для большего формоизменения выполняют несколько последовательных операций обжима.

Раздача– увеличение периметра поперечного сечения концевой части полой заготовки коническим пуансоном; это операция противоположная обжиму.

Рельефная формовка – местное деформирование заготовки с целью образования рельефа в результате уменьшения толщины заготовки (рис. 72.е).

Формовкой получают конструкционные выступы и впадины, ребра жесткости, лабиринтные уплотнения.

Штампы для листовой штамповки делятся по технологическому признаку в зависимости от выполняемой операции: вырубные, гибочные, вытяжные и т.д. В зависимости от числа выполняемых операций различают одно- и многооперационные штампы. Многооперационные штампы бывают последовательного действия, в которых операции выполняются последовательно при перемещении заготовки по нескольким рабочим позициям штампа, и совмещенного действия, в которых операции выполняются на одной позиции, например, одновременно вырубка и пробивка, вырубка и вытяжка и т.д.

В настоящее время применяют специальные конструкции штампов, в которых металлические пуансоны или матрицы отсутствуют, и давление на материал осуществляется при помощи резины, жидкости или сжатого воздуха (рис. 73.). При этом резина или жидкость легко удаляются из штампованной детали, а матрица должна быть разъемной.

При изготовлении небольших по глубине изделий пуансон заменяет резиновая подушка (рис. 73.а). С помощью резины можно осуществлять все операции: вырубку, гибку, вытяжку, формовку. Матрица 3 крепится к столу, а резиновая подушка, помещенная в стальную обойму 1, крепится к ходовой части пресса (толщина заготовки 2 – до 1,5 мм).

Рис. 73. Схемы листовой штамповки при помощи эластичной среды и жидкости

Резиновые пуансоны цилиндрической формы применяются при вытяжке изделий сложной формы, при необходимости увеличения диаметральных размеров средней части цилиндрических полуфабрикатов (рис. 73.б).

При гидравлической вытяжке (рис. 73.в) полые детали цилиндрической, конической, сферической или другой формы получают надавливанием на заготовку жидкостью или жидкостью, заключенной в эластичную оболочку.

Высокоскоростные методы листовой штамповки

Особенностью таких методов является высокая скорость деформирования в соответствии с высокими скоростями преобразования энергии. Кратковременное приложение больших усилий разгоняет заготовку до скоростей 150 м/с. Последующее ее деформирование происходит за счет накопленной в период разгона кинетической энергии. Основными разновидностями высокоскоростной листовой штамповки являются: штамповка взрывом, электрогидравлическая и электромагнитная штамповка (рис. 74).

Рис. 74. а- электрогидравлическая, б – электромагнитная штамповка

Штамповка взрывом осуществляется в бассейнах, наполненных водой (рис. 74.а). Заготовку 3, зажатую между матрицей 5 и прижимом 4 опускают в бассейн с водой 2. Полость матрицы под заготовкой вакуумируется при помощи вакуумной линии 6. Заряд с детонатором 1 подвешивают в воде над заготовкой. Взрыв образует волну высокого давления, которая, достигая заготовки, вызывает ее разгон. Процесс штамповки длится тысячные доли секунды, а скорости перемещения заготовки соизмеримы со скоростями распространения пластических деформаций в металле. При штамповке взрывом не требуется дорогостоящего прессового оборудования, конструкция штампа крайне проста.

Электрогидравлическую штамповку также осуществляют в бассейне с водой. Ударная волна, разгоняющая заготовку, возникает при кратковременном электрическом разряде в жидкости. Мощный искровой разряд подобен взрыву. В результате разряда в жидкости возникает ударная волна, которая, дойдя до заготовки, оказывает на нее сильное воздействие и деформирует ее по матрице.

При электромагнитной штамповке (рис. 74. б) электрическая энергия преобразуется в механическую за счет импульсного разряда батареи конденсаторов через соленоид 7, вокруг которого при этом возникает мгновенное магнитное поле высокой мощности, наводящее вихревые токи в трубчатой токопроводящей заготовке 3. Взаимодействие магнитных полей вихревых токов с магнитным полем индуктора создает механические силы , деформирующие заготовку. Для электромагнитной штамповки трубчатых и плоских заготовок созданы установки, на которых можно проводить обжим, раздачу, формовку и операции получения неразъемных соединения деталей.

Формообразование заготовок из порошковых материалов

Заготовки из порошковых материалов получают прессованием (холодным, горячим), изостатическим формованием, прокаткой и другими способами.

При холодном прессовании в пресс-форму (рис. 75.а) засыпают определенное количество подготовленного порошка 3 и прессуют пуансоном 1.

В процессе прессования увеличивается контакт между частицами, уменьшается пористость, деформируются или разрушаются отдельные частицы. Прочность получаемой заготовки достигается благодаря силам механического сцепления частиц порошка электростатическими силами притяжения и трения. С увеличением давления прессования прочность заготовки возрастает. Давление распределяется неравномерно по высоте прессуемой заготовки из-за влияния сил трения порошка о стенки пресс-формы, вследствие чего заготовки получаются с различной прочностью и пористостью по высоте. В зависимости от размеров и сложности прессуемых заготовок применяют одно- и двустороннее прессование.

???????????

Рис. 75. Схема холодного прессования: а – одностороннего; б – двустороннего

Односторонним прессованием получают заготовки простой формы с отношением высоты к диаметру, меньшим единицы, и заготовки втулок с отношением наружного диаметра к толщине стенки, меньшим трех.

Двустороннее прессование (рис. 75.б) применяют для формообразования заготовок сложной формы. После заполнения пресс-формы порошком к верхнему пуансону с помощью гидропресса прикладывают давление для предварительного прессования. Затем гидропривод выключают и удаляют подкладку 4. В дальнейшем в процессе прессования участвуют оба пуансона. В этом случае требуемое давление для получения равномерной плотности снижается на

30…40 %. Использование вибрационного прессования позволяет в десятки раз уменьшить требуемое давление.

В процессе прессования частицы порошка подвергаются упругому и пластическому деформированию. После извлечения заготовки из пресс-формы ее размеры увеличиваются в результате упругого последействия.

При горячем прессовании технологически совмещаются прессование и спекание заготовки. Температура горячего прессования составляет обычно 0,6…0,8 температуры плавления порошка. Благодаря нагреву уплотнение протекает гораздо интенсивнее, чем при холодном прессовании. Это позволяет значительно уменьшить необходимое давление. Горячим прессованием получают материалы, характеризующиеся высокой прочностью и однородностью структуры. Этот способ применяют для таких плохо прессуемых композиций, как тугоплавкие металлоподобные соединения (карбиды, бориды, силициды).

Изостатическое (всестороннее) формование применяют для получения крупногабаритных заготовок с массой до 500 кг и более. Отсутствие потерь на внешнее трение и равномерность давления со всех сторон дают возможность получать необходимую плотность заготовок при давлениях, значительно меньших, чем при прессовании в закрытых пресс-формах.

При гидростатическом формовании (рис. 76.) на порошок 3, заключенный в эластичную оболочку 2, передается давление с помощью жидкости, находящейся в сосуде высокого давления 1. В качестве рабочей жидкости используют масло, глицерин, воду и т.д.

Рис. 76. Схема гидростатического формования

Прокатка – наиболее производительный и перспективный способ переработки порошковых материалов. Характерной особенностью является высокая степень автоматизации и непрерывность прокатки. Схема прокатки представлена на

рис. 77.

Рис. 77. Схема прокатки порошков

Порошок непрерывно поступает из бункера 1 в зазор между валками. При вращении валков 3 происходит обжатие и вытяжка порошка 2 в ленту или полосу 4 определенной толщины. Прокатка может быть совмещена со спеканием и окончательной обработкой получаемых заготовок. В этом случае лента проходит через печь для спекания, а затем снова подвергается прокатке для получения листов заданных размеров. Применяя бункеры с перегородкой (рис. 77.б) изготавливают ленты из разных материалов (двухслойные). Применение валков определенной формы позволяет получать валки различного профиля, в том числе и проволоку.

2. ПОЛУЧЕНИЕ ЗАГОТОВОК СВАРКОЙ

Сварочное производство.

Способ получения неразъемных соединений деталей путем сварки и пайки стал известен людям в глубокой древности. История не сохранила нам имен первых сварщиков. Об их искусстве мы можем судить лишь по раскопкам археологов и гипотезам ученых. В египетских пирамидах были найдены золотые изделия, которые имели паяные оловом соединения, а при раскопках Помпеи обнаружены свинцовые водопроводные трубы с продольным паяным швом.

Мысль о возможности практического применения «электрических искр» для плавления металлов впервые высказал в 1753 году академик Российской Академии Наук Г.Р. Рихман при исследовании атмосферного электричества.

Итак, сваркой называется процесс получения неразъемных соединений посредством установления межатомных связей между соединяемыми частями при их нагревании и (или) пластическом деформировании. Такое определение понятия «сварка» содержит ГОСТ 2601-84.

Прочные связи между атомами двух металлических поверхностей, легко образуются при соприкосновении этих поверхностей. Надо только сблизить эти поверхности до расстояния, на котором действуют электромагнитные силы межатомного взаимодействия. Это расстояние составляет 3...5 А, [(3...5) • 10~7 мкм]. На соединяемых поверхностях не должно быть никаких загрязнений, поверхности должны быть свободны от окисных и жировых пленок, прилипших молекул газов и жидкостей. Такие условия реально могут быть только в глубоком вакууме. И, действительно, в открытом космосе детали механизмов даже при случайном соприкосновении могут схватываться друг с другом на отдельных участках поверхностей, нарушая работу космических аппаратов. В обычных условиях даже после тщательной зачистки пленки окислов, газов и жидкостей на металлических поверхностях восстанавливаются практически мгновенно (мономолекулярный слой газа, например, возникает за 2,4 • 10^-9с).

Кроме загрязнений поверхностей их соединению мешают неровности, выступы и впадины, которые образуются при любой чистоте обработки. Эти неровности могут быть не заметны невооруженным глазом, но по сравнению с расстояниями действия межатомных сил они огромны. Поэтому при сближении поверхностей контакт между ними возникает только в отдельных точках.

Устранить эти препятствия и обеспечить условия для возникнове­ния прочных связей между атомами соединяемых поверхностей можно, если в зону соединения ввести энергию. Получив эту энергию, атомы поверхности активируются. Это облегчает межатомное взаимодействие поверхностей и способствует разрыву связей между атомами металла, газовых и жидкостных пленок и молекулами окислов. Вводимую в зону соединения энергию называют энергией активации. Под ее воздействием поверхности пластически деформируются или оплавляются. Это устраняет их неровности. Обеспечивается практически полный контакт между поверхностями, их сближение на расстояние, необходимое для взаимодействия межатомных сил. При этом пленки загрязнений разрушаются или вытесняются из зоны соединения, поверхности очищаются. При всех способах сварки используют тепловую (нагрев) или механическую (давление) энергию активации или их сочетание, поэтому все способы сварки делят на три класса:

- термический (сварка плавлением),

- механический (сварка давлением),

- термомеханический (ГОСТ 19521-74).

При сварке плавлением атомно-молекулярные связи между деталями создают, оплавляя их примыкающие кромки, так, чтобы получилась смачивающая их, общая ванна. Эта ванна затвердевает при охлаждении и соединяет детали в одно целое. Как правило, в жидкую ванну вводят дополнительный металл, чтобы полностью заполнить зазор между деталями, но возможна сварка и без него.

При сварке давлением обязательным является совместная пластическая деформация деталей сжатием зоны соединения. Этим обеспечивается очистка свариваемых поверхностей от пленок загрязнений, изменение их рельефа и образование атомно-молекулярных связей. Пластической деформации обычно предшествует нагрев, так как с ростом температуры уменьшается значение деформации, необходимой для сварки и повышается пластичность металла.

Нагрев свариваемых деталей осуществляется разными способами: электрической дугой, газокислородным пламенем, пропусканием тока, лазером и т.д. По-разному обеспечиваются защита зоны сварки от воздействия воздуха и ее принудительная деформация.

Существует множество технологических процессов сварки (более 70).

Сварка является наиболее важным способом получения неразъемных соединений из различных материалов, свариваются металлы и сплавы, керамика, стекло, пластмассы, разнородные материалы. Сварка применяется во всех областях техники.

Сварка плавлением

Дуговая сварка

Источником теплоты является электрическая дуга, которая горит между электродом и заготовкой.

Сварочной дугой называется мощный электрический разряд между электродами, находящимися в среде ионизированных газов и паров.

В зависимости от материала и числа электродов, а также способа включения электродов и заготовки в цепь электрического тока различают следующие разновидности дуговой сварки (рис. 78):

· сварка неплавящимся (графитовым или вольфрамовым) электродом 1 дугой прямого действия 2 (рис. 78.а), при которой соединение выполняется путем расплавления только основного металла 3, либо с применением присадочного металла 4;

· сварка плавящимся электродом (металлическим) 1 дугой прямого действия с одновременным расплавлением основного металла и электрода, который пополняет сварочную ванну жидким металлом (рис. 78.б);

· сварка косвенной дугой 5, горящей между двумя, как правило, неплавящимися электродами, при этом основной металл нагревается и расплавляется теплотой столба дуги (рис. 78.в);

· сварка трехфазной дугой, при которой дуга горит между каждым электродом и основным металлом (рис. 78.г).

Рис. 78. Схемы дуговой сварки

Разновидности дуговой сварки различают по способу защиты дуги и расплавленного металла и степени механизации процесса.

Ручная дуговая сварка.

Ручную дуговую сварку выполняют сварочными электродами, которые подают вручную в дугу и перемещают вдоль заготовки. В процессе сварки металлическим покрытым электродом (рис. 79.) дуга 8 горит между стержнем 7 электрода и основным металлом 1.

Стержень электрода плавится, и расплавленный металл каплями стекает в сварочную ванну 9. Вместе со стержнем плавится покрытие электрода 6, образуя защитную газовую атмосферу 5 вокруг дуги и жидкую шлаковую ванну 4 на поверхности расплавленного металла. По мере движения дуги сварочная ванна затвердевает и формируется сварной шов 3. Жидкий шлак образует твердую шлаковую корку 2.

Рис. 79. Схема процесса сварки металлическим покрытым электродом

Ручная сварка позволяет выполнять швы в любых пространственных положениях: нижнем, вертикальном, горизонтальном, вертикальном, потолочном. Ручная сварка удобна при выполнении коротких криволинейных швов в любых пространственных положениях, при выполнении швов в труднодоступных местах, а также при монтажных работах и сборке конструкций сложной формы.

Оборудование для ручной сварки: источник питания дуги, электрододержатель, гибкие провода, защитная маска или щиток.

Автоматическая дуговая сварка под флюсом.

Для сварки используют непокрытую электродную проволоку и флюс для защиты дуги и сварочной ванны от воздуха.

Рис. 80. Схема автоматической дуговой сварки под флюсом

Подача и перемещение электродной проволоки механизированы. Автоматизированы процессы зажигания дуги и заварки кратера в конце шва. Дуга 10 горит между проволокой 3 и основным металлом 8. Столб дуги и металлическая ванна жидкого металла 9 со всех сторон плотно закрыты слоем флюса 5 толщиной 30…50 мм. Часть флюса плавится и образуется жидкий шлак 4, защищающий жидкий металл от воздуха. Качество защиты лучше, чем при ручной дуговой сварке. По мере поступательного движения электрода металлическая и шлаковая ванны затвердевают с образованием сварного шва 7, покрытого твердой шлаковой коркой 6. Проволоку подают в дугу с помощью механизма подачи 2. Ток к электроду подводят через токопровод 1.

Для сварки под флюсом характерно глубокое проплавление основного металла.

Преимущества автоматической сварки под флюсом по сравнению с ручной: повышение производительности процесса сварки в 5…20 раз, повышение качества сварных соединений и уменьшение себестоимости 1 м сварного шва.

Флюсы. Применяемые флюсы различают по назначению.

Флюсы для сварки низкоуглеродистых и низколегированных сталей предназначены для раскисления шва и легирования его марганцем и кремнием. Для этого применяют высококремнистые марганцевые флюсы, которые получают путем сплавления марганцевой руды, кремнезема и плавикового шпата в электропечах.

Флюсы для сварки легированных и высоколегированных сталей должны обеспечивать минимальное окисление легирующих элементов в шве. Для этого применяют керамические низкокремнистые, безкремнистые и фторидные флюсы, которые изготавливают из порошкообразных компонентов путем замеса их на жидком стекле, гранулирования и последующего прокаливания. Основу керамических флюсов составляют мрамор, плавиковый шпат и хлориды щелочно-земельных металлов.

Дуговая сварка в защитных газах.

При сварке в защитном газе электрод, зона дуги и сварочная ванна защищены струей защитного газа (инертного – аргон, гелий; активного – углекислый газ, азот, водород).

Сварку в инертных газах можно выполнять неплавящимся и плавящимся электродами.

В качестве неплавящегося электрода применяется пруток вольфрама, а в качестве плавящегося – проволока из основного металла или близкого ему по химическому составу. Область применения аргонодуговой сварки охватывает широкий круг материалов и изделий (узлы летательных аппаратов, элементы атомных установок, корпуса и трубопроводы химических аппаратов). Аргонодуговую сварку применяют для легированных и высоколегированных сталей, цветных (алюминия, магния, меди) и тугоплавких (титана, ниобия, ванадия, циркония) металлов и их сплавов.

Сварка в углекислом газе выполняется только плавящимся электродом. Защита сварочной ванны осуществляется углекислым газом. Углекислый газ химически активен по отношению к жидкому металлу. При нагреве он диссоциирует на оксид углерода и кислород, который окисляет железо и легирующие элементы. Окисляющее действие кислорода нейтрализуется введением в проволоку дополнительного количества раскислителей. Для сварки углеродистых и низколегированных сталей применяют сварочную проволоку с повышенным содержанием кремния и марганца. Хорошее качество сварного шва получается при использовании специальной порошковой проволоки.

Обычно свариваются конструкции из углеродистых и низколегированных сталей (газо- и нефтепроводы, корпуса судов и т.п.). При сварке меди, алюминия, титана и редких металлов невозможно связать свободный кислород введением раскислителей.

Преимуществами данного способа являются низкая стоимость углекислого газа и высокая производительность.

Основной недостаток – разбрызгивание металла (на зачистку расходуется 30…40% времени сварки).

Плазменная сварка

Плазменная струя, применяемая для сварки, представляет собой направленный поток частиц или полностью ионизированного газа, имеющего температуру 10000…20000⁰С. Плазму получают в плазменных горелках, пропуская газ через столб сжатой дуги. В качестве плазмообразующих газов применяют азот, аргон, водород, гелий, воздух и их смеси.

Применяют два основных плазменных источника нагрева: плазменную струю, выделенную из столба косвенной дуги и плазменную дугу, в которых дуга прямого действия совмещена с плазменной струей.

Плазменная струя представляет собой независимый источник теплоты, позволяющий в широких пределах изменять степень нагрева и глубину проплавления поверхности заготовок. Тепловая мощность плазменной струи ограничена, и ее применяют для сварки и резки тонких металлических листов и неэлектропроводящих материалов, для напыления тугоплавки материалов.

Плазменная дуга обладает большой тепловой мощностью, имеет более широкое применение: для сварки высоколегированной стали, сплавов титана, никеля, молибдена, вольфрама. Плазменную дугу применяют для резки материалов (меди, алюминия), наплавки тугоплавких материалов на поверхность.

Плазменной дугой можно сваривать металл толщиной до 10 мм без разделки кромок и применения присадочного материала. Так как плазменная дуга обладает высокой стабильностью, то обеспечивается повышенное качество сварных швов. Это позволяет выполнять микроплазменную сварку металла толщиной 0,025…0,8 мм.

Недостаток плазменной сварки – недолговечность горелок.

Электрошлаковая сварка.

Сущность процесса заключается в том, что тепловую энергию, необходимую для расплавления основного и присадочного металла, дает теплота, выделяемая в объеме шлаковой ванны при прохождении через нее тока (рис. 81).

Рис. 81. Схема электрошлаковой сварки

Свариваемые заготовки 1 устанавливают в вертикальном положении. В замкнутое пространство между водоохлаждаемыми медными ползунами 4 и вертикально установленными кромками изделий засыпают флюс и подают электродную проволоку 7 при помощи специального механизма подачи 6.

В начале процесса возбуждают дугу, флюс плавится и образуется электропроводный шлак 5. Шлак шунтирует дугу, она гаснет, выходная цепь источника питания замыкается через шлак. Ток, проходя через шлак, разогревает его, это приводит к раславлению кромок основного металла и электрода. Расплав стекает вниз и образует сварочную ванну 8, выжимая шлак вверх, и затвердевает.

В начальном и конечном участках шва образуются дефекты: в начале шва – непровар кромок, в конце шва – усадочная раковина и неметаллические включения. Поэтому сварку начинают и заканчивают на специальных планках 2 и 3, которые затем удаляют газовой резкой.

Преимущества: возможна сварка металла любой толщины (с 16 мм). Заготовки с толщиной до 150 мм можно сваривать одним электродом, совершающим поперечное колебание в плоскости стыка, при толщине более 150 мм используются нескольких проволок. Есть опыт сварки толщиной до 2 м.

Недостаток способа – образование крупного зерна в шве и околошовной зоне вследствие замедленного нагрева и охлаждения. Необходимо проведение термической обработки: нормализации или отжига для измельчения зерна.

Электрошлаковую сварку широко применяют в тяжелом машиностроении для изготовления ковано-сварных и лито-сварных конструкций; станины и детали мощных прессов и станков, коленчатые валы судовых дизелей, роторы и валы гидротурбин, котлы высокого давления и т.п.

Лучевые способы сварки

Электронно-лучевая сварка.

Сущность процесса состоит в том, что свариваемые детали, собранные без зазора, помещают в вакуумную камеру и подают на них электродный луч – пучок электронов, движущихся с большой скоростью. При соударении с изделием электроны тормозятся, их кинетическая энергия переходит в тепловую энергию и расплавляет металл. Температура в месте соударения достигает 5000…6000 ⁰С. Перемещая электронный луч вдоль стыка, получают сварной шов.

Рис. 82. Схема установки для электронно-дуговой сварки

Электроны, испускаемые катодом 1 электронной пушки, формируются в пучок электродом 2, расположенным непосредственно за катодом, ускоряются под действием разности потенциалов между катодом и анодом 3, составляющей 20…150 кВ и выше, затем фокусируются в виде луча и направляются специальной отклоняющей магнитной системой 5 на обрабатываемое изделие 6. На формирующий электрод 2 подается отрицательный или нулевой по отношению к катоду потенциал. Фокусировкой достигается высокая удельная мощность луча. Ток электронного луча невелик – от нескольких миллиампер до единиц ампер.

Процессу электронно-лучевой сварки присущи две характерные особенности:

· сварка протекает в вакууме, обеспечивается получение зеркально чистой поверхности и дегазация расплавленного металла;

· интенсивность нагрева очень велика, что обеспечивает быстрое плавление и затвердевание металла. Шов получается мелкозернистый с высокими механическими свойствами, с минимальной шириной, что позволяет сваривать сплавы, чувствительные к нагреву.

Электронно-лучевой сваркой изготовляют детали из тугоплавких, химически активных металлов и их сплавов (вольфрамовых, танталовых, молибденовых, ниобиевых, циркониевых), а также алюминиевых и титановых сплавов и высоколегированных сталей. Металлы и сплавы можно сваривать в однородных и разнородных сочетаниях, со значительной разностью толщин, температур плавления. Минимальная толщина свариваемых заготовок составляет 0,02 мм, максимальная – до 100 мм.

Лазерная сварка.

Лазерная сварка – способ сварки плавлением, при которых металл нагревают излучением лазера.

Лазерный луч представляет собой вынужденное монохроматическое излучение, длина волны которого зависит от природы рабочего тела лазера-излучателя. Оно возникает в результате вынужденных скачкообразных переходов возбужденных атомов рабочих тел на более низкие энергетические уровни.

Основными параметрами режимов лазерной обработки являются мощность излучения, диаметр пятна фокусировки, скорость перемещения обрабатываемого материала относительно луча.

Преимуществом лазерной сварки является быстрый точечный нагрев металла до плавления. Интенсивный сосредоточенный нагрев обуславливает и чрезвычайно большую скорость охлаждения после прекращения воздействия луча. Это позволяет свести к минимуму ширину околошовной зоны, сварочные напряжения и деформации.

Механизм процессов при лазерной сварке схож с электронно-лучевой сваркой, но не обязательно вакуумировать изделие.

Лазером сваривают преимущественно толщины до 1 мм, так как коэффициент полезного действия преобразования энергии в лазерное излучение довольно низкий.

Газовая сварка

При газовой сварке заготовки 1 и присадочный материал 2 в виде прутка или проволоки расплавляют высокотемпературным пламенем 4 газовой горелки 3 (рис. 83).

Рис. 83. Схема газовой сварки

Газовое пламя получают при сгорании горючего газа в атмосфере технически чистого кислорода. Мощность пламени регулируют сменой наконечников горелки.

Нагрев заготовки осуществляется более плавно, чем при дуговой сварке, поэтому газовую сварку применяют для сварки металла малой толщины (0,2…3 мм), легкоплавких цветных металлов и сплавов; металлов и сплавов, требующих постепенного нагрева и охлаждения (инструментальные стали, латуни); для подварки дефектов в чугунных и бронзовых отливках. При увеличении толщины металла снижается производительность и увеличивается деформация.

Сварка давлением.

Специальные термические процессы в сварочном производстве.

К сварке давлением относят способы, при которых применяют только механическую или тепловую и механическую энергию совместно. В последнем случае сварка может происходить с оплавлением металла или без его оплавления.

К сварке давлением без нагрева относится холодная сварка, сварка взрывом, магнитно-импульсная сварка. Для этих способов характерно высокое давление на детали в зоне соединения, в несколько раз превышающее предел текучести и даже предел прочности свариваемого металла при комнатной температуре, что обеспечивает совместное пластическое деформирование соединяемых поверхностей.

Сварка давлением с нагревом без оплавления происходит при высоких температурах, переводящих металл в пластическое состояние. Это снижает предел текучести металла и позволяет получить нужную для сварки деформацию при небольшом удельном осадочном давлении, в несколько раз меньшем предела текучести металла при комнатной температуре.

Примерами способов сварки давлением с нагревом без оплавления могут служить кузнечная, диффузионная и ультразвуковая сварка, газопрессовая сварка, при которой нагрев производят пламенем от сжигания горючих газов в кислороде, сварка токами высокой частоты, нагревающими свариваемые кромки индуцируемыми в них вихревыми токами.

Сварка давлением с нагревом и оплавлением характеризуется высокой температурой нагрева зоны соединения, превышающей температуру плавления свариваемого металла. На поверхности соединяемых деталей тонкий слой металла оплавляется. Под действием прилагаемого давления жидкий металл при некоторых способах сварки может выдавливаться из зоны соединения, например при сварке трением, контактной стыковой, сварке оплавлением. С жидким металлом выносятся за пределы зоны соединения загрязнения поверхности. Вокруг соединения образуется наплыв выдавленного металлаграт, который после сварки удаляется. Соединение образуется за счет деформации нагретых, но не расплавленных слоев металла, находившихся под оплавленным слоем. При контактной точечной и роликовой (шовной) сварке расплавленный металл остается в зоне соединения и после прекращения нагрева кристаллизуется между соединяемыми поверхностями под давлением, образуя сварное соединение.

Сварка давлением незначительно изменяет химический состав, структуру и свойства металла. С ее помощью могут быть получены сварные соединения с такими же свойствами, как у основного металла без дополнительной обработки после сварки. Это одно из основных преимуществ сварки давлением перед сваркой плавлением. Но большинство способов сварки давлением (за исключением контактной сварки) требует создания особых условий (например, вакуума при диффузионной сварке, обеспечения безопасности работ при сварке взрывом), либо они применимы только для небольшой группы конструкций деталей. Поэтому сварка плавлением применяется чаще.

Природа образования соединения во всех случаях сварки как с нагревом, так и без него одна: это результат взаимодействия между активированными атомами соединяемых поверхностей. Различают три стадии процесса образования соединения при сварке давлением. На первой стадии образуется физический контакт, происходит активация поверхностей, которые сближаются на параметр кристаллической решетки, преодолевая энергетический барьер, но сохраняют устойчивое состояние, не сливаясь. На второй стадии образуется химическое соединение активированных поверхностей, происходит сварка - сближение атомов на расстояние межатомарного взаимодействия. Ширина границы раздела становится соизмеримой с шириной межзеренной границы, прочность соединения становится соизмеримой с прочностью основного металла. Н а третьей стадии происходит диффузионный обмен масс через объединенную поверхность соединения. При этом вновь полученная поверхность раздела размывается или расчленяется продуктами взаимодействия.

На третьей стадии в зависимости от ее продолжительности и рода соединяемых металлов может происходить один из следующих процессов (рис. 84.). При сварке одноименных металлов мелкозернистая граница раздела при длительной выдержке замещается крупными рекристаллизованными зернами. Прочность соединения снижается на 10...20%.

При сварке пар металлов с неограниченной растворимостью друг в друге при достаточно большой выдержке (до 10 мин) на вновь образованной границе раздела развивается диффузионная прослойка, состоящая из твердого раствора свариваемых металлов. Прочность соединения в этом случае выше прочности одного из металлов пары.

При соединении некоторых пар металлов может образовываться эвтектика - механическая смесь кристаллитов компонентов этих ме­таллов. Она хрупкая, имеет низкую прочность. Другие разнородные металлы могут образовывать друг с другом химические соединения интерметаллиды. Они имеют высокую прочность, но низкую пластичность. При сварке таких металлов между собой в их контакте в третьей стадии процесса будут возникать эвтектические и интерметаллидные включения, ухудшающие механические свойства промежуточной прослойки. Поэтому при затягивании третьей стадии диффузионные процессы в контакте разнородных металлов могут привести к полному разрушению соединения.

Рис. 84. Преобразование соединения в третьей стадии процесса сварки давлением: а - сварка деталей из одинакового металла А; б - разнородные металлы А и Б с неограниченной растворимостью; в - разнородные металлы А и Б, образующие эвтектику или интерметаллиды; 1 и 2 - начало и конец процесса

Рис. 85. Неровности физических поверхностей: - макроотклонения формы поверхности (класс точности); - волнистость; - микрошероховатость (класс чистоты); - субмикрошероховатость

Основная трудность при всех способах сварки давлением заключается в том, что надо обеспечить физический контакт между соединяемыми поверхностями и активировать их так, чтобы остаточная деформация деталей (вмятины, грат) была минимальной.

Реальные поверхности кроме макро-, микро- и субмикрошероховатостей (рис. 85) имеют макроотклонения или отклонения формы сопрягаемых поверхностей, характеризующие точность их обработки (рис. 86). Физическое контактирование должно сопровождаться большой деформацией. Действительно, чтобы снять микронеровности высотой всего 10... 15 мкм или выровнять неплоскостность на 50...500 мкм, приходится деформировать всю массу детали на величину, достигающую 90 % ее толщины. Это "вынужденная" деформация - такая относительная остаточная деформация, при которой под действием усилия сжатия произошло завершение физического контакта по всей плоскости сварки.

Рис. 86. Отклонения формы поверхности: а - нецилиндричность; 1 - овальность; 2 - огранка; 3 - бочкообразность; 4 - конусность; 5 - корсетность; 6 - изогнутость; б - неплоскостность; 7- прогнутость; 8 – выпуклость

Уменьшить можно тремя приемами. Первый из них - уменьшение деформационного упрочнения шероховатого слоя в контакте путем замедленного сжатия деталей при высокой температуре нагрева (диффузионная и газопрессовая сварка). В этом случае Второй прием - это резкое увеличение напряженного состояния в шероховатом слое контакта путем чисто контактного сжатия (сварка взрывом, импульсом магнитной энергии). В этом случае Третий прием - создание чисто контактного, локального нагрева при одновременном сохранении условий, при которых не происходит деформационного упрочнения в контакте. Это способы контактной сварки, при которых и прецизионные способы контактной сварки, при которых

Среди известных способов сварки давлением только при диффузионной сварке и сварке взрывом приближается к минимально возможной. Это обусловлено контактированием с критическими скоростями, при которых благодаря диффузионным процессам разупрочнение в контакте преобладает перед его деформационным упрочнением. Для всех остальных способов сварки давлением фактические скорости контактирования намного превышают критические. Следовательно, при этих способах нельзя получить соединения с минимальной остаточной деформацией. Например, чтобы при холодной сварке получить соединение с минимальной осадкой, скорость контактирования при комнатной температуре должна быть настолько медленной, что для завершения сварки потребуются годы.

Несмотря на это способы сварки давлением значительно расширяют область применения сварки, позволяя сваривать между собой разнородные металлы, соединение которых сваркой плавлением невозможно, неметаллические материалы с металлами, и резко повышают производительность в условиях массового производства.
Способы сварки давлением с нагревом.

К этим способам относятся кузнечная и ультразвуковая сварка, сварка трением, высокочастотная, газопрессовая, диффузионная и контактная сварка. Рассмотрим особенности остальных способов сварки давлением с нагревом.

Кузнечная сварка

Кузнечно-горновая сварка - родоначальник всех современных способов сварки давлением. Сварог - так назывался древнеславянский бог-кузнец. Сварожичем называли огонь, считая его сыном Сварога. Отсюда "сварка", "сварить" - намертво соединить два куска железа посредством огня и ударов кузнеца. Таинственная роль кузнеца у древних славян почиталась священной. Кузнец владел таинствами горячей обработки металлов и основной технологией того времени - сваркой. Найденные в раскопках инструменты, оружие и сельскохозяйственные орудия VIII...VII вв. до н. э., так же как и изделия более поздних времен, показывают, что кузнечно-горновая сварка вплоть до конца XIX в. была единственным способом изготовления всех изделий из железа. Все инструменты и оружие делались только сварными. Режущие и рубящие кромки изготавливали из стали с содержанием 0,6...0,9 % углерода, державочные части делали из мягкого железа. Кузнечная сварка появилась как прием превращения кричного, хрупкого, железа в пластичное, ковкое.

Кричное железо получают в результате восстановления красного железняка древесным углем при нагреве до температуры 1300 °С:

Кричное железо представляет собой малопригодную для изготовления поковок смесь чистого железа с карбидом железа Fe3C (цементитом) с температурой плавления 1150 °С. Для придания слитку пластичности его нагревают в горне до "сварочного жара" (800...900 °С), окисляя с поверхности и многократно расплющивают, "уковывают", с поочередным сворачиванием вдвое. При уковке цементит восстанавливает железо из окиси:

Благодаря такой уковке из поковки удаляется избыток углерода и кислорода, чем обеспечивается ее пластичность. И, кроме того, оказалось, что две свернутые части поковки снова становились одним монолитом. Это явление и назвали кузнечной сваркой.

Только в 1970-х годах было установлено, что в процессе взаимодействия карбида железа с его окислами образуется так называемое активированное железо. Такое железо, концентрируясь в контакте между двумя поверхностями, является "сшивающим" материалом, так как оно несет на своей поверхности свободные, активированные атомы, способные к образованию прочного неразъемного соединения друг с другом. Благодаря тому, что процесс идет при высокой температуре, кузнечная сварка завершается при

Кузнечная сварка была незаменима в течении 24 веков при изготовлении клинков, кольчуг, якорей, металлических решеток, предметов домашней утвари, лемехов плугов и т.п. В наше время кузнечная сварка применяется главным образом для ремонта изделий в сельской местности. Кузнечной сваркой хорошо сваривается мягкая сталь с содержанием углерода 0,15...0,25 %. Примеси снижают свариваемость.