Зварювання металів

Реферат

Зварювання металів

Зварюванням називається технологічний процес утворення нероз'ємних з'єднань за рахунок сил взаємодії атомів (молекул) в місці, де з'єднуються матеріали. Для виникнення цих сил взаємодії атоми чи молекули треба наблизити до відстані, достатньої для прояву міжмолекулярного щеплення. Практично це можна здійснити або шляхом розплавлення металу в місці з'єднання деталей, або шляхом стиснення деталей. У залежності від цього всі види зварювання розподіляються на дві основні групи: зварювання плавленням і зварювання тиском (пластичним деформуванням).

Історично першим виникло зварювання шляхом плавлення. Після відкриття електричної дуги Петровим у 1882 р. російський інженер Н. Н. Бенардос запропонував спосіб зварювання, при якому метал плавився за рахунок електричної дуги, яка виникає між електродом і металом деталей, які зварюються. В полум'ї дуги виникає температура близько 2000 — 3000 °C, яка і спричиняє плавлення металу в зоні з'єднання.

В запропонованому Н. Н. Бенардосом способі зварювання (рис. 1.) дуга виникає між деталями 1 та вугільним електродом 3, а зварювальна ванна заповнюється розплавленим металом, який утворюється з присадочного дроту 2.

Рис. 1.

Проте цей спосіб виявився незручним і малоефективним. У 1888 р. російський інженер Н. Г. Слов’янов запропонував вугільний електрод замінити на стальний, який одночасно служить і присадочним металом (рис. 2).

Рис. 2. Схема зварювання металевим електродом відкритою дугою: 1 виріб; 2 — зварний шов; 3 — шлакова кірка; 4 — зварочна ванна; 5 — рідкий шлак; 6 — захисна атмосфера; 7 — електрод; 8 — обмазка електрода.

Це вдалося зробити завдяки тому, що стальний електрод, був покритий спеціальною обмазкою, яка сприяє горінню дуги та захищає розплавлений метал і шов від впливу кисню повітря. З того часу цей спосіб зварювання принципово не змінювався, хоч і відбулось багато удосконалень.

Для більш глибокого розуміння електродугового зварювання треба з’ясувати фізичні основи виникнення і горіння електричної дуги.

У звичайних умовах гази складаються з нейтральних атомів і молекул. Тому газ не проводить електричний струм, тобто є ізолятором. Під дією температури чи значного електричного поля газ можна іонізувати. При цьому від нейтральних молекул відриваються електрони, в результаті чого створюються носії струму — позитивні іони та електрони. Проте електрони у вільному стані тривалий час не можуть існувати, вони «прилипають» до нейтральних молекул і створюють негативні іони. Таким чином, під дією тепла, у просторі можна створити носії струму, а значить, забезпечити умови для проходження електричного струму. Середовище з іонізованим газом утворює плазму, яка при відносно низьких температурах називається електричною дугою. Процес запалення дуги при зварюванні починається з короткого замикання електрода з металом, який зварюється. Струм короткого замикання миттєво розплавляє метал у точці дотику електрода до місця з'єднання. При цьому між електродом і металом утворюється перемичка з рідкого металу. Метал перегрівається, закипає, пари металу та повітря іонізуються. В цей момент віддаляють електрод від металу. Перемичка розплавленого металу розривається і утворюється електрична дуга.

Електрична дуга складається з трьох частин: катодної області, стовпа дуги та анодної області (рис. 3).

Стовп дуги з газовою плазмою знаходиться в термодинамічній рівновазі. Напруга електричного поля у стовпі дуги відносно невелика. Проте в електродних областях, в зв’язку з утворенням об'ємних електричних зарядів (додатнього біля катоду і від'ємного біля аноду), напруга різко збільшується.

Рис. 3.

газовий зварювання метал плавлення Електричні характеристики дуги визначають вимоги до зварювального обладнання і, перш за все, до зварювального транс форматора Залежність між напругою і струмом виражається вольт-амперною характеристикою дуги (рис. 4).

Струм дуги, А Рис. 4.

На рисунку показана статична характеристика дуги при зміні зварювального струму в широкому діапазоні. При відносно малому струмі (область 1) напруга дуги зменшується із збільшенням струму. При цьому статична характеристика має падаючий характер. Це пояснюється тим, що із збільшенням струму збільшується електропровідність і переріз стовпа дуги, а значить, зменшується спад напруги у ньому в той час, як сума катодної і анодної напруги не змінюється.

Із збільшенням струму (область 2) електропровідність стовпа дуги майже не змінюється, а переріз зростає пропорційно струму. Напруга залишається майже постійною, опір стовпа змінюється пропорційно струму, а спад напруги в стовпі не залежить від зміни струму. Ця область відповідає режиму ручного зварювання металів.

При великому струмі (область 3) поперечний переріз стовпа дуги не може зрости, бо катодна пляма вже займає всю поверхню торця електрода. Температура стовпа та електропровідність дуги дещо збільшується, але опір змінюється мало. Спад напруги в стовпі дуги росте із збільшенням струму. Ця область відповідає зварці закритими (під флюсом) та захищеними (у газах) дугами, тобто при автоматичному зварюванні.

Для забезпечення горіння дуги потрібний зварювальний трансформатор або генератор. Значно частіше користуються трансформатором. Зварювальний трансформатор повинен відповідати ряду вимог. По-перше, його вольт-амперна характеристика, на відміну від силового трансформатора, повинна бути крутопадаючою і перетинати вольт-амперну характеристику дуги на початку другої зони (рис. 5).

Рис. 5.

По-друге, конструкцією трансформатора повинно бути передбачено регулювання зварювального струму. Взагалі, є декілька способів регулювання зварювального струму. Одним з поширених є зміна числа витків первинної обмотки та послідовне і паралельне підключення вторинної обмотки. Ефективним є спосіб переміщенням вторинної обмотки відносно первинної. В цьому способі використовується вплив розсіяного магнітного поля первинної обмотки на вторинну. За конструкцією обмотки робляться рознесеними, завдяки чому магнітне поле замикається не тільки по осердю, а й розсіюється. Коли вторинну обмотку наближують до первинної, то вплив магнітного поля збільшується — струм росте, і навпаки.

Крім того, регулювати струм можна дроселем, шляхом використання струму самоіндукції. Дросель — це довга котушка з дроту, в середині якої знаходиться стальне осердя. Вона підключається послідовно в коло вторинної обмотки. Змінючи зазор в осерді, можна збільшувати або зменшувати зварювальний струм (рис. 6).

Рис. 6.

Досить часто для регулювання зварювального струму використовують активний опір. У коло вторинної обмотки включають котушку з дроту, який має великий опір. Змінюючи число витків в котушці, змінюють зварювальний струм.

З поширенням напівпровідникових приладів почали розробляти схеми електронного регулювання зварювального струму, в яких використовуються тиристори.

Зварювальний трансформатор підключається до мережі 220 В або 380 В. На виході з трансформатора максимальна напруга 60 — 70 В. Вона забезпечує стабільне горіння дуги та є небезпечною при роботі.

Для зварювання постійним струмом крім трансформатора потрібен випрямляч, або генератор.

Електродугове зварювання здійснюється спеціальними електродами. Стальні електроди мають довжину 250 — 450 мм і діаметр 1 — 12 мм. Їх виготовляють із стального електродного дроту. Маркують буквами та цифрами. Букви Зв. відповідають слову «зварювальний». Цифри показують наявність вуглецю у відсотках. Наступні букви та цифри показують вміст різних легуючих елементів. Вуглецеві електроди маркуються — Зв0,8; Зв0,8 Г; ЗвІ0Г2С; леговані — ЗвІ8ХМА; ЗвІ0Х5М; високолеговані — Зв0,7ХІ8Н9.

За призначенням електроди розділяються на електроди для зварювання конструкційних, теплостійких і високолегованих сталей і електроди для наплавки поверхонь. Електроди для зварювання конструкційних сталей позначають буквою Е та цифрами, які показують міцність металу в кгс/мм² — Е42, Е34. У маркуванні електродів для зварювання теплостійких сталей вводяться букви, які вказують на вміст легуючих елементів — ЕХМ, ЕХМФБ та ін. Електроди для зварювання високолегованих сталей класифікуються по структурі і складу металу зварювального шва. Тому в позначення їх додатково вводять букви, які вказують на структуру електродів — ЕА-ЗМ6, ЕФ-13 та ін. (А — аустенітна, Ф — феритна).

Електроди, які застосовуються для ручного зварювання, покриваються обмазкою. При автоматичному зварюванні обмазку замінюють флюсами. Призначення обмазки та флюсів — захищати розплавлений метал і шов від впливу повітря та стабілізувати горіння дуги.

Розрізняють два види електродних обмазок: тонкі (товщина шару 0,1 — 0,4 мм) і товсті (товщина шару 0,6 — 3 мм). Перші використовуються при зварюванні маловідповідальних виробів з вуглецевої сталі, другі — при зварюванні відповідальних виробів. До складу товстої обмазки входять шлакоутворюючі речовини (польовий шпат, титанова і залізна руда, кварцевий пісок), газоутворюючі речовини (крохмаль, борошно з деревини, харчове борошно), розкислювачі (феросіліцій, феромарганець, алюміній) та стабілізуючі горіння дуги (лужні метали).

Різні метали по різному зварюються, одні краще, інші гірше. Технологічна властивість матеріалів, яка характеризує здатність до утворення зварних з'єднань, називається зварюваність. Її оцінюють, як по близькості властивостей металу зварного шва до властивостей металу, який зварюється, так і по схильності до утворення дефектів (тріщин, шлакових включень тощо). Ідентичність структури основного металу і зони з'єднання свідчить про хорошу зварюваність. Якщо у зоні зварного шва утворюються нові фази (особливо крихкі інтерметаліди), загартовані ділянки та ін., зварюваність є поганою. У такому разі можливе утворення гарячих та холодних тріщин. Перші виникають в зоні шва в процесі кристалізації металу в рідко-твердому стані, а другі — в зоні термічного впливу вже в твердому стані в період завершення охолодження або після зварювання. При електродуговому зварюванні біля шва утворюються зони термічного впливу (рис. 7).

Рис. 7.

Шов 1 має дендритну (деревоподібну) будову, яка характерна для лиття. В зв’язку з високою швидкістю охолодження в зернах ділянки 2 може відбутись гартування металу. Ця ділянка має високу крихкість і низькі механічні властивості.

Ділянка 2 — 3 характерна перегрівом металу. Більші зерна аустеніту захоплюють менші, що сприяє росту зерна. На ділянці 3 — 4 створюється нормалізована структура, яка переходить на ділянці 4 — 5 в структуру з неповною перекристалізацією. Рекристалізаційне зерно буде на ділянці 5 — 6. При температурі 200 — 500 °C відбуватиметься процес старіння — закріплення атомами впровадження дислокацій, які викликають зменшення їх рухливості та підвищення крихкості. Це відповідає ділянці 6 — синеломкості.

Властивості зварних нероз'ємних з'єднань залежать не тільки від металу, електродів, режиму зварювання, а й від вибору зварних з'єднань та швів.

На практиці найбільш часто використовуються такі зварні з'єднання (рис. 8): встик (а), внахльостку (б), таврові (в), кутові (г) та бокові (д).

Рис. 8.

При стиковому зварюванні кромки попередньо обробляють. Якщо зварюють тонкий метал, то кромки загинають (Рис. 88, е). При товщині металу до 8 мм зварювання проводять без розводки кромок при зазорі до 2 мм. Метал з товщиною 8 — 15 мм зварюють з односторонньою V-подібною розділкою кромок (рис. 88, з). Якщо метал має товщину 15 — 20 мм, то застосовують Х-подібну розділку кромок (рис. 88, и).

Зварні шви підрозділяються по розташуванню у просторі на нижні, горизонтальні, вертикальні та стельові; по протяжності — на суцільні і переривні; по відношенню і напрямку діючих на них зусиль — на флангові, торцеві або лобові, косі та комбіновані.

На практиці широко застосовується ручне зварювання. Його можна використовувати при зварюванні вуглецевих, легованих і високолегованих сталей, а також чавунів, мідних та алюмінієвих сплавів. Ручним зварюваннням можна проводити зварювання в любих просторових положеннях, любі конфігурації і довжини шва. Особливо широко воно використовується при монтажних роботах. Проте ручне зварювання малопродуктивне і потребує значних зусиль та уваги від зварника. Тому на машинобудівних підприємствах, в умовах ремонтних майстерень часто використовують автоматичне зварювання, при якому забезпечується автоматичне запалення дуги, підтримується стабільний режим горіння дуги під час зварювання, витримується заданий напрям руху по виробу, механізується подача електродного дроту.

При автоматичному зварюванні під флюсом дуга виникає між виробом 1 і голим електродним дротом 2 (рис. 9).

Рис. 9.

Дуга горить під шаром флюсу 3, який поступає в зону зварювання з бункера. Частина його розплавляється і утворює на поверхні розплавленого металу ванну рідкого металу. Розплавлений метал швидко кристалізується і утворює шов 4, який покритий шлаковою кіркою 5. Шлакова кірка захищає шов від впливу повітря, покращує умови кристалізації металу, знижує внутрішні напруги. З часом її легко видаляють.

Автоматичне зварювання під флюсом проводять спеціальними зварювальними головками або самохідними тракторами, які переміщуються безпосередньо по виробу.

Крім автоматичного зварювання під флюсом широко застосовується зварка в захисних газах. При цьому зона зварювання, електрична дуга та електрод захищаються газом (аргоном, гелієм, вуглекислим газом), який захищає розплавлений метал від атмосферного впливу. Таке зварювання може відбуватись у спеціальній камері або за допомогою струменя захисного газу.

Дугове зварювання в середовищі захисного газу має ряд переваг над іншими видами зварювання:

1. Висока якість зварних з'єднань.

2. Відсутність необхідності застосування флюсів, а значить, наступної очистки швів від шлаків.

3. Забезпечення незмінності хімічного складу металу шва.

4. Наявність концентрованого джерела тепла, що забезпечує малий термічний вплив на метал виробу.

5. Можливість з'єднання металів товщиною від 0,1 до 1000 мм.

6. Можливість спостережень за дугою.

7. Висока продуктивність і можливість автоматизації процесу.

Останнім часом в умовах ремонтних майстерень широко застосовується напівавтоматичне зварювання з використанням вуглекислого газу. Проте таке зварювання можна застосовувати тільки для сталей.

Газове зварювання металів

Після електродугового зварювання друге місце за поширенням має газове зварювання. Це теж спосіб нероз'ємного з'єднання деталей шляхом плавлення металу. Але при газовому зварюванні метал нагрівають високотемпературним полум’ям, яке виникає при горінні горючого газу в атмосфері кисню.

В якості горючих газів можна використати природні гази, пари бензину та гасу, нафтові гази, ацетилен тощо. Проте найбільшого поширення набув газ ацетилен, оскільки він має найбільшу теплотворну здатність і дає найвищу температуру при горінні — 3200 °C. Ацетилен може використовуватись у балонах або вироблятись під час зварювання у спеціальних генераторах з карбіду кальцію.

Газовий генератор представляє собою стальний балон 1, який зверху герметично закривається кришкою (рис. 10).

Рис. 10.

У балон заливається вода. У воду опускається металічна сітка з карбідом кальцію (корзина) 2 і щільно закривається кришкою. У результаті взаємодії карбіду кальцію з водою утворюється газ ацетилен, який через водяний клапан 3 поступає до горілки. Водяний клапан запобігає проникненню полум’я і киснево-ацетиленової суміші в генератор при зворотному ударі, який може виникнути при неправильному поводженні з горілкою. Зворотній удар виникає, коли швидкість виходу газової суміші стає меншою, ніж швидкість її горіння. Якщо при зворотному ударі полум’я або кисень проникне в ацетиленовий генератор, то відбудеться вибух.

Водяний клапан представляє собою посудину з водою, через яку відбувається з'єднання газового генератора з горілкою. Ацетилен перш ніж потрапити до горілки проходить через воду, яка знаходиться у водяному клапані. При зворотному ударі у клапані різко зростає тиск газу, що спричинює проникнення води у газопідвідну трубку — газ тимчасово перестає поступати з генератора до газового клапану. Зворотний удар припиняється.

Кисень для зварювання використовується з спеціальних балонів, які пофарбовані у блакитний колір.

Водяна ємність балону біля 40 л і при тиску 150 ат вміщує біля 6000 л кисню.

Балони з киснем вибухонебезпечні. Не можна допускати забруднення балону, особливо його вентиля маслом та жиром, які можуть самозагорятись в присутності кисню. Тому при роботі з киснем треба дотримуватись правил безпеки.

Для пониження тиску газів на виході з балону та підтримання робочого тиску застосовують газові редуктори. Редуктор має два манометри, один з яких показує тиск газу у балоні, а другий — тиск газу на виході з редуктора.

Для отримання полум’я використовують зварні горілки. Вони можуть бути низького і середнього тиску. В горілках середнього тиску змішування газів забезпечується завдяки достатньо великому тиску ацетилену. В горілках низького тиску змішування газів здійснюється примусовим засмоктуванням ацетилену. Кисень, виходячи з горілки, створює розрідження, завдяки якому всмоктується ацетилен. Така горілка називається інжекторною (рис. 11).

Рис. 11.

Працює вона так. Кисень під тиском поступає в горілку і через ніпель, регулюючий вентиль і трубку 1 подається до інжектора 3. Кисень, ви ходячи з конуса 3, створює розрідження в камері 4, що спричиняє всмоктування ацетилену через ніпель і вентиль 2. В камері 5 ацетилен змішується з киснем. Утворена горюча суміш через наконечник 6 поступає до мундштука 7. Підпалена суміш дає полум’я. Ацетилено-кисневе полум’я складається з трьох зон (рис.12).

Рис. 12.

В першій зоні 1 (ядро) відбувається поступове нагрівання до температури запалення газової суміші, яка надходить з мундштука. В зоні 2 (зварна зона) відбувається згоряння ацетилену в присутності кисню, який є в суміші. Температура в цій зоні найбільша. В зоні 3 (факел) відбувається горіння ацетилену за рахунок кисню повітря. У залежності від співвідношення кисню і ацетилену полум’я може бути нормальним, окислювальним і навуглецьовувальним. В нормальному полум'ї співвідношення кисню з ацетиленом майже однакове. Таким полум’ям користуються при зварюванні більшості сталей. В окислювальному полум'ї кисню більше ніж ацетилену. Воно має блакитний відтинок і чітко виділене ядро. Його використовують тільки при зварюванні латуні. При надлишку ацетилену полум’я є навуглецьованим. Воно коптить, видовжується і набуває червонуватого відтінку. Ним зварюють чавуни та кольорові метали.

Суттєвою різницею між газовим зварюванням і дуговим є більш плавне нагрівання металу, це дає можливість зварювати тонкий листовий метал.

При зварюванні кольорових металів, наприклад, алюмінієвих та мідних сплавів, застосовують флюси. Для зварювання міді та її сплавів використовують кислі флюси (бура або бура з борною кислотою). При зварюванні алюмінієвих сплавів застосовують безкисневі флюси на основі фтористих, хлористих солей літію, калію, натрію і кальцію.

Газове різання металу полягає у спалюванні металу у струмені кисню. Процес різання починається з нагрівання металу до температури загорання металу. Нагрівання здійснюється підігрівальним полум’ям. Коли температура металу досягає необхідного значення, пускається струмінь ріжучого кисню, який потрапляє на нагрітий метал і запалює його. Утворені при згоранні окисли видуваються із зони різання струменем кисню.

Газове різання металів може здійснюватись при виконанні таких вимог:

а) температура плавлення металу повинна бути вище температури його загорання в кисні;

б) температура плавлення окислів металу повинна бути нижче температури плавлення металу та температури, яка наявна в процесі різання;

в) кількість теплоти, яка виділяється при горінні металу в кисневому струмені, повинна бути достатньою для підтримання процесу різання;

г) теплопровідність металу не повинна бути дуже високою;

д) окисли повинні легко видуватись струменем кисню.

Аналіз зазначених вище вимог свідчить про те, що найкраще ним задовольняє різання заліза і маловуглецевих сталей. При вмісті вуглецю більше 0,7% процес газового різання ускладнюється, оскільки підвищується температура згорання металу і досягає температури плавлення. Вміст легуючих компонентів не повинен перевищувати більше 5%.

Чавуни, мідні та алюмінієві сплави не піддаються нормальному різанню. Чавуни мають температуру загорання, яка рівна температурі плавлення. Високолеговані сталі та алюмінієві сплави вкриті тугоплавкою плівкою окислів. Мідні сплави мають високу теплопровідність.

Ріжуть метал за допомогою спеціальних різаків. Конструкція різака відрізняється від газової горілки тим, що в нього наконечник утворює прямий кут з корпусом різака. Крім того, різак має додаткову трубу для подачі ріжучого кисню. Мундштук різака має центральний отвір для подачі ріжучого кисню (рис. 13).

Рис. 13.

Різання металів може бути ручним та машинним, напівавтоматичним та автоматичним.

У машинобудуванні часто виникає необхідність у зварюванні масивних деталей по значним площинам. Зварити такі деталі електродуговим або газовим зварюванням по всій площині неможливо. Це можна зробити електрошлаковим зварюванням (рис. 14).

При електрошлаковому, зварюванні розплавлення основного металу 2 і присадочного 4 здійснюється за рахунок теплоти, яка виділяється при проходженні електричного струму через розплавлений флюс. При цьому шар розплавленого флюсу (шлаку) є захисним середовищем від впливу повітря. Рідкий метал 5 до кристалізації в зоні зварювання утримується спеціальними мідними повзунами 3.

Рис. 14.

Технологія електрошлакового зварювання полягає в слідуючому. Крупногабаритні деталі розташовують на необхідній відстані. Зазор між деталями обмежують мідними повзунами 3. В зазор засипають порошкоподібний шлак. До однієї деталі 2 під'єднують електрод, а другий електрод встановлюють у шлак до дна. Цим електродом доторкуються до деталі 2, що викликає електричну дугу. Вона розплавляє шлак. Розплавлений шлак гасить дугу. Оскільки розплавлений шлак проводить електричний струм, то електричне коло не розривається. Струм, який проходить через шлак, утворює значну кількість тепла, якого достатньо для плавлення електроду і оплавлення стінок деталі, які з'єднаються. Після кристалізації розплавленого металу утворюється надійний шов. Якщо одного електроду недостатньо для утворення шва, можна використати декілька.

При контактному зварюванні нероз'ємність з'єднання досягається нагрівом місця з'єднання струмом до пластиного або рідкого стану з послідовним стискуванням.

По виду зварного з'єднання контактне зварювання може бути точкове, стикове та шовне (роликове) (рис. 15).

При точковому зварюванні (рис. 15, б) використовується зварювання способом внахльостку. Підготовлені до зварювання деталі 2 стискуються електродами 3, які виготовлені з міді або мідних сплавів. Потім включається струм, який нагріває метал у місці з'єднання. Розплавлений метал утримується в ядрі до кристалізації. Після кристалізації розплавленого металу утворюється міцне з'єднання деталей. Режим точкового зварювання вибирається, виходячи з товщини зварюваних деталей.

Рис. 15.

При стиковому зварюванні деталі з'єднуються по всій площині їх дотику (рис. 15, а). Розділяють стикове зварювання оплавленням та опором. При зварюванні методом оплавлення торці заготовок нагрівають до оплавлення, а при зварюванні опором — до пластичного стану, а потім стискують (осаджують).

Технологія зварювання відбувається так. Зварювані деталі 2 розміщують між затискачами (електродами) які підключені до вторинної обмотки трансформатора 4. Лівий зажим закріплений на нерухомій відносно станини 3 плиті 1, а правий зажим — на плиті 6, яка може переміщуватись по направляючій станини.

При зварюванні опором заготовки стискуються невеликими зусиллями. Потім включається струм, метал нагрівається до пластичного стану. Далі деталі стискуються. Після охолодження місце з'єднання зачищається.

При шовному зварюванні (рис. 15, в) між зварюваними деталями утворюється шов, створений рядом точок, які частково перекриваються між собою. Електродами в даному разі служать ролики 1. Як і у випадку точкового зварювання, метал нагрівається імпульсами струму. Ролики для шовного зварювання виготовляють з металів, які мають високу електропровідність і достатню жаростійкість.

Роликовим зварюванням, зварюють баки, батареї для опалення будинків, труби тощо.

Цей метод зварювання полягає у використанні тепла, яке виділяється при згоранні термітної суміші.

На практиці найбільш поширеними є суміші, виготовлені з порошків алюмінію або магнію. Алюмінієвий терміт включає 20 — 23% алюмінію і 77 — 80% залізної окалини. При нагріванні за допомогою термосірників або електричної дуги до температури 1230 — 1280 °C алюмінієвий терміт загорається. При горінні терміту відновлюється залізо, яке заповнює зазор між кромками деталі, які зварюються. На рис. 16 показано зварювання рейок.

Рис. 16.

Місце зварювання рейок з двох сторін закривається спеціальною формою. Над місцем з'єднання встановлюється тигель, в який засипається терміт. Після запалювання терміту відбувається виділення заліза, яке стікає в зазор між рейками. Розплавлений метал оплавляє краї рейок і кристалізується. В результаті отримується міцне з'єднання по всьому перерізу.

При цьому виді зварювання з'єднання відбувається за рахунок тепла, яке виділяється при терті між собою деталей та їх стисненні. Одна з деталей обертається навколо своєї осі, а інша притискується до неї. Завдяки тертю поверхні деталей нагріваються на певну глибину. Потім перша деталь зупиняється, а друга до неї міцно притискується. Відбувається міцне з'єднання.

Зварювання тертям здійснюють на токарному, свердлильному, фрезерному верстатах та на спеціальному обладнанні.

Зварювання тертям використовують при виготовлені ріжучого інструменту, різних валів, штоків з поршнями, пуансонів тощо.

Так, при виготовленні свердла великого діаметру хвостовик приварюють до його робочої частини. Це значно економить витрату дорогостоячого металу.

Цей спосіб зварювання заснований на використанні енергії направленого вибуху. Його використовують при з'єднанні масивних плит. Суть способу можна зрозуміти з рисунку (рис. 17).

Рис. 17.

Дві заготовки розташовуються під кутом одна до іншої. Одна з них нерухома. На рухому заготовку кладуть вибухівку. При вибуху рухома заготовка нахльостується на нерухому. Тиск, який при цьому виникає, надає імпульсу заготовці, яка розташована під вибухівкою Швидкість співударяння заготовок може досягати 1000 м/с. Співударяння деталей викликає пластичне течіння металу в їх поверхневих шарах, а на окремих ділянках спостерігаються зони, які нагріті до оплавлення. За рахунок цього відбувається міцне і надійне з'єднання деталей.

Суть цього методу зварювання полягає у використанні тепла світлового променя, який виробляє оптичний прилад лазер. Промінь лазера особливий. В нього електромагнітні коливання когерентні та абсолютно паралельні між собою, що дає можливість за допомогою оптичної системи зфокусувати його в дуже малій точці. Це дає можливість зконцентрувати енергію променя на невеликій площині та отримати температуру, достатню для плавлення металу.

Зварювання лазерним променем можна здійснювати через оптичне прозоре середовище. Це дає можливість зварювати деталі у вакуумі. В балоні з скла розміщують деталі для зварювання. З нього відкачують повітря, а потім на місце зварювання спрямовують лазерний промінь і деталі зварюють. Звичайно таким методом зварюють дуже малі деталі для електронного обладнання, спеціального обладнання. Велика густина потужності, локальність нагріву, мала зона термічного впливу зменшує деформацію виробів і дозволяє виконувати зварювання біля термочутливих елементів електронних схем.

При зварюванні електронним променем зварювання відбувається методом плавлення металу деталей, які з'єднуються. Тепло для розплавлення металу виділяється при бомбардуванні його потоком електронів.

Потік електронів створюється спеціальною електронною пушкою. Катод пушки, завдяки термоелектронній емісії, створює хмарку електронів, які анодними напругами розганяються до великої швидкості. При ударі електронів по поверхні металу їх кінетична енергія перетворюється в теплову, що спричиняє значне нагрівання металу.

Таке зварювання можливе лише у вакуумі, бо потоку електронів можна надати великої швидкості тільки у вакуумі. Звідси виникає і використання зварювання електронним променем.

При електронно-променевому зварюванні забезпечується велика концентрація нагріву, температура в точці зварювання досягає температури випаровування металу. Це дозволяє здійснювати свердління таких матеріалів, як сапфір, рубін, алмаз, тверде скло тощо. Завдяки високій густині енергії електронний промінь може забезпечити глибоке проплавлення місць з'єднань.

При цьому методі зварювання джерелом тепла є плазма — високоіонізований газ, який має великий запас енергії. Плазма утворюється у спеціальних пристроях — дугових плазмових головках.

Значного застосування, крім зварювання, плазма знайшла для наплавки різних матеріалів, переважно карбідів вольфраму та інших тугоплавких металів. За допомогою плазми також можна створювати захисні покриття, які працюють у агресивних середовищах при високих температурах та високих швидкостях газових потоків.

Плазмою можна здійснювати випаровування металів, виготовляти дрібнодисперсні порошки металів.

Зварювання ультразвуком здійснюється за рахунок взаємодії на деталі ультразвукових коливань та невеликих стискуючих зусиль. Схема зварювальної установки показана на рисунку 18.

Рис. 18.

Джерелом ультразвукових коливань є магнітострикційний генератор 5. Передача навантаження і вібрації до деталей 3, які зварюється, відбувається наконечником 2. Стискуються деталі гідравлічною, пневматичною або механічною системами 4.

Під дією ультразвуку створюються зсувні напруги, забезпечується руйнування тонких плівок, відбувається нагрів місця з'єднання. При досягненні певної температури і під дією стискуючого зусилля матеріал пластично деформується. При наближенні поверхонь на відстань дії міжатомних сил деталі міцно з'єднуються.

Ультразвуком добре зварюється мідь, алюміній і багато інших пластичних матеріалів. Важливою особливістю ультразвукового зварювання є можливість приварювати тонкі листи металу до товстих. Наприклад, можна приварювати тонкі спіральні ребра до стержнів, тонкі гофрировані листи до товстих деталей.

Ультразвуковим зварюванням можна з'єднувати не тільки метали, а й пластичні маси.

Паяння металів — це процес нероз'ємного з'єднання металічних деталей, який ґрунтується на властивості розплавленого присадочного металу (припою) змочувати нагріті до температури плавлення їх поверхні. Після остигання розплавленого припою створюється міцне нероз'ємне з'єднання, яке не потребує наступної обробки. Міцність зщеплення припою з поверхнями деталей залежить від фізико-хімічних процесів, які відбуваються в зоні контакту, від металічних властивостей припою та ретельності підготовки поверхні деталей, які з'єднуються.

У залежності від температури плавлення припої розділяють на легкоплавкі (м'які), які мають температуру плавлення до 400 °C, і тугоплавкі (тверді), які мають температуру плавлення вище 500 °C.

Для паяння майже всіх металів використовують олов’яно-свинцеві припої марок ПОС 90, ПОС 40, ПОС 30, які мають відповідно 90, 40 і 30% олова.

Щоб захистити нагрітий основний метал і розплавлений припій від окислення, а також розчинити утворені оксиди та сприяти розтіканню рідкого припою по поверхні місця паяння, застосовують такі флюси, як каніфоль і хлористий цинк або суміш хлористого цинку з хлористим амонієм. Крім того можна застосувати ортофосфорну або саліцилову кислоту. Часто при виконанні монтажних з'єднань використовують каніфоль без будь-яких добавок. М’які припої виготовляють у вигляді прутиків, дроту, порошку тощо. Нагрівають деталі звичайно паяльниками, газовими паяльниками, зануренням у розплавлений припій, покритий зверху флюсом.

Паяння м’якими припоями широко застосовують у радіоелектронній галузі, побуті тощо.

Серед тугоплавких припоїв широко використовують мідно-цинкові та срібні припої з добавками олова, марганцю, алюмінію, заліза та інших металів.

Мідно-цинкові припої випускають трьох марок: ПМЦ-36 — для паяння латуні, яка має 60 — 68% міді; ПМЦ-48 — для паяння мідних сплавів, які включають більше 68% міді; ПМЦ-48 — для паяння бронзи, міді та сталі.

Тверді припої поділяють на тугоплавкі (875 — 1100 °С) і легкоплавкі (до 875 °С).

Найбільш поширеними флюсами при паянні твердими припоями є бура (Na2B4O7), борна кислота та їх суміші. Щоб під час паяння бура не закипала її спочатку прожарюють.

При паянні твердими припоями місця з'єднання нагрівають газовими горілками, електричною дугою, струмом високої частоти тощо.

Паянню добре піддаються всі вуглецеві та леговані сталі, у тому числі нержавіючі та інструментальні, тверді сплави, сірі та ковкі чавуни, кольорові метали і їх сплави, благородні метали. Значно гірше паяти алюміній і його сплави. Ці метали паяють безфлюсовим способом за допомогою тертя або використовують спеціальні флюси. Паяння за першим способом виконують цинковим або цинко-олов'яним припоєм, а окисні плівки під час паяння видаляють шабером чи дротяною щіткою. При другому способі, який забезпечує значно більшу міцність з'єднання, використовують активні флюси і як припій — мідно-кремнієвий сплав на алюмінієвій основі.

Література

1. Алаи С. И. Технология конструкционных материалов / Под ред. А. Н. Ростовцева — М.: Просвещение, 2006. — 302 с.

2. Гуляев А. П. Металловедение. — М.: Металлургия, 2007. — 456 с.

3. Дьогтєв Г. Ф. Матеріалознавство. — К.: Вища школа, 2005. — 350 с.

4. Основы материаловедения / Под ред. И. И. Сидорина. — М.: Машиностроение, 2006. — 439 с.

5. Травин О. В., Травина Н. Г. Материаловедение. — М.: Металлургия, 2009. — 382 с.

6. Технология конструкционных материалов / Под ред. Г. А. Прейса. — К.: Вища школа, 2001. — 390 с.