Технология сварки металлов

Технология сварки металлов

Военно-Космическая академия имени А.Ф. Можайского

Институт подготовки гражданских специалистов

РЕФЕРАТ

По дисциплине «Материаловедение».

Выполнил: Мартынович В.А.

Проверил: Федотова Г.П.

г. Санкт-Петербург 2010г.

Содержание

Введение

.        Основные виды термической обработки стали

.        Технология сварки металлов

§  Электродуговая

§  Газовая сварка и резка

3.      Пайка

Список литературы

Введение

В решение задач научно-технического прогресса важное место принадлежит термической обработки металлов и их сварке.

Цель термообработки - это придание сплавам таких свойств, которые требуются в процессе эксплуатации этих изделий (например: коленчатый вал в двигателе автомобиля - к нему предъявляется повышенная прочность при эксплуатации). Но есть и такие технологические процессы, в которых термообработка не является конечной операцией, а промежуточной и её цель - снижение твёрдости стали, сплава для последующей обработки. Процесс термообработки состоит из нагревания до каких-то определённых температур, выдержки детали, заготовки при этих температурах и последующем охлаждении с определённой скоростью. Термообработке подвергают заготовки (кованные, штампованные и т.д.), детали машин и различный инструмент. Для заготовок термообработка заключается в снижении твердости, улучшении их структуры, а для деталей - это придание им определённых свойств (твердости, прочности, износостойкости). Улучшение механических качеств даёт возможности использовать сплавы более простых составов, расширить область их применения. Термообработкой можно повысить допускаемые напряжения, уменьшить массу деталей и механизмов, а также существенно повысить их надёжность и долговечность, что очень важно в машиностроении. Например, упрочнению термообработкой подвергаются до 10% общей выплавки в стране, а в машиностроении до 40%.

Сварка является технологическим процессом, широко применяемая практически во всех отраслях народного хозяйства. С применением сварки создаются серийные и уникальные машины. Сварка внесла коренные изменения в конструкцию и технологию производства многих изделий. При изготовлении металлоконструкций, прокладке трубопроводов, установке технологического оборудования, на сварку приходится четвертая часть всех строительно-монтажных работ. Основным видом сварки является дуговая сварка. Основоположниками сварки являются русские ученые и инженеры - В.В. Петров, Н.Н. Бенардос и Н.Г.Славянов. В 1802г. профессор физики Петров открыл и наблюдал дуговой разряд от построенного им мощного «вольтового столба». Этот столб или батарея был самым мощным источником электрического тока того времени. В то время электротехника только начинала создаваться, и открытие Петровым дугового разряда значительно опередило свой век. На современном этапе развития сварочного производства в связи с развитием научно-технической революции резко возрос диагноз свариваемых толщин, материалов, видов сварки. В настоящее время сваривают материалы толщиной от несколько микрон (в микроэлектронике) до нескольких метров (в тяжелом машиностроении).

1. Основные виды термической обработки стали

Термическая обработка стали - это совокупность операций нагрева, выдержки и охлаждения твёрдых металлических сплавов с целью придания им определённых свойств за счёт изменения внутреннего строения и структуры. После проката, литья, ковки, обработки резаньем и прочих видов обработки происходит неравномерное охлаждение заготовок. В результате чего появляется неоднородность, как структуры, так и свойств, а также появление внутренних напряжений. А также отливки при затвердевании получаются неоднородными по химическому составу. Для устранения таких дефектов и применяют отжиг.

Отжиг - вид термической обработки, состоящий в нагреве металла, имеющего неустойчивое состояние в результате предшествующей обработки и приводящей металл в более устойчивое состояние. При этом процессе заготовки и изделия получают устойчивую структуру без остаточных напряжений.

Цели отжига - снятие внутренних напряжений, устранение структурной и химической неоднородности, снижение твердости и улучшение обрабатываемости, подготовка к последующим операциям.

Отжиг делится на полный, неполный, диффузиционный, рекристаллизационный, низкий, изотермический и нормализационный.

Полный отжиг применяется для снижения твердости, прочности стали, а пластичность при этом повышается. При полном отжиге в металле происходит, перекристаллизация стали и уменьшения размера зерна, за счёт чего и достигаются указанные выше свойства.

Неполный отжиг применяется, для улучшения обрабатываемости резанием и для подготовки стали к закаливанию.

Изотермический отжиг заключается, в нагреве стали до определённой температуры и относительно быстром охлаждении, также до определенных температур и последующем охлаждении на воздухе. При этом получается, более однородная структура стали. Изотермическая выдержка производится в расплаве соли.

Диффузионный отжиг заключается, в нагреве стали до 1000-1100 градусов по Цельсию, выдержке (10-15 часов) при этой температуре и последующем медленном охлаждении. В результате такого отжига происходит, выравнивание неоднородности стали по химическому составу. Такая высокая температура необходима для ускорения диффузионных процессов. При высокой температуре нагрева и продолжительной выдержке получается крупнозернистая структура, которая устраняется последующим полным отжигом.

Рекристаллизационный отжиг необходим для снятия наклёпа и внутренних напряжений после холодных деформаций и подготовки к дальнейшему деформированию. В результате такого отжига образуется однородная мелкозернистая структура с небольшой твердостью и значительной вязкостью.

Низкий отжиг применяют для того, что бы только снять внутреннее напряжение, которое возникает после механической обработки.

Нормализация состоит, из нагрева стали, её выдержке при определенной температуре и после чего оставляют охлаждаться на воздухе. Нормализация - это более дешёвая термическая операция, чем отжиг, так как печи используют только для нагрева и выдержки.

К термической обработке стали также, относят закалку. Суть этого процесса заключается, в нагреве стали до больших температур и после чего сталь быстро охлаждают. Цель закалки - это придание стали повышенной прочности, твердости, но при этом снижается вязкость и пластичность. Закалка характеризуется двумя способностями: закаливаемостью и прокаливаемостью. Закаливаемость характеризуется определённой твёрдостью, которая сталь приобретает после закалки, а также зависит от содержания углерода в данной стали. Стали с очень низким содержанием углерода (до 0,3%) закалке не поддаются и она для них не применяется.

Прокаливаемость - это глубина проникновения закалённой зоны (области), она зависит от химического состава стали. С повышением содержания углерода прокаливаемость увеличивается. На прокаливаемость влияет также скорость охлаждения. Чем выше скорость охлаждения, тем больше прокаливаемость. Поэтому при закалке в воде прокаливаемость более высокая, чем при закалке в масле. Большие размеры закаливаемой детали, также приводят к значительному уменьшению прокаливаемости.

Способы охлаждения также относят к одной из операций термообработки. По способу охлаждения различают виды закалки: в одной среде, в двух средах, ступенчатая и изотермическая.

Закалке в одной среде проще и наиболее чаще применяется, но недостаток её состоит в том, что возникают внутренние напряжения. При закалке в двух средах, изделие сначала охлаждают сначала в одной среде, а затем в другой (вода, масло, воздух).

Ступенчатую закалку производят путем быстрого охлаждения в соляной ванне, затем делают выдержку и охлаждают на воздухе. Ступенчатую закалку применяют для деталей из углеродистой стали небольшого сечения (8-10 мм). Для сталей, имеющих небольшую критическую скорость закалки, ступенчатую закалку применяют в основном для изделий большого сечения.

При изотермической закалке, как и при ступенчатой, детали переохлаждают в среде, далее на воздухе. Преимущества этого способа закалки заключается в большей вязкости, отсутствии трещин, минимальном короблении. Изотермическую закалку применяют для изделий сложной формы. Существенную роль играют также способы погружения деталей в охлаждающую жидкость. Например, длинные изделия вытянутой формы (свёрла, метчики) погружают в строго вертикальном положении, чтобы избежать коробления.

Отпуск стали - это вид термической обработки, следующий за закалкой и заключающийся в нагреве стали до определённой температуры, выдержки и охлаждении. Цель отпуска стали - снятие внутренних напряжений, повышение вязкости и пластичности. Различают: низкий, средний, высокий отпуск.

Низкий отпуск проводится при температуре 150-200^оС. В результате снимаются внутренние напряжения, происходит увеличение пластичности и вязкости без заметного снижения твердости и износостойкости. Низкому отпуску подвергают режущий и мерительный инструмент, а также детали, которые должны обладать высокой износостойкостью и твёрдостью.

При среднем отпуске нагрев производится до 350-450^оС. При этом происходит некоторое снижение твёрдости при значительном увеличении упругости и сопротивляемости действию ударных нагрузок. Применяется для пружин, рессор, ударного инструмента.

Высокий отпуск производится при 550-650^оС. При этом твёрдость и прочность снижаются значительно, но очень сильно возрастают вязкость и пластичность, однако создаётся оптимальный вариант для конструкционных сталей сочетание механических свойств. Применяется для деталей, которые подвергаются действию высоких нагрузок. Термическая обработка, состоящая из закалки и высокого отпуска, называется улучшением. Она является основным видом обработки конструкционных сталей. Продолжительность выдержки зависит от размеров деталей: чем они больше, тем длиннее выдержка. Низкий отпуск инструментов обычно происходит в течение 0,5-2,5 часа. Для измерительных инструментов проводят более длительный отпуск до 10-15 часов. Наряду с горячей обработкой стали, применяется также обработка холодом.

Обработка холодом состоит в том, что закаливаемые детали на некоторое время погружают в среду имеющую температуру ниже 0^оС. Производить обработку холодом нужно сразу после закалки. Такой обработке подвергают измерительный инструмент, части точных механизмов, детали шарикоподшипников. Обработка холодом не уменьшает внутренних напряжений, поэтому после неё необходим отпуск.

Термомеханическая обработка относится к комбинированным способам и представляет собой пластическую деформацию металла с закалкой. Как при закалке, так и при пластической деформации повышение прочности всегда связано с уменьшением пластичности. Преимуществом является то, что при большом увеличении прочности характеристики пластичности снижаются незначительно, а ударная вязкость в 1,5-2 раза выше по сравнению с той же маркой стали после закалки низким отпуском. Термомеханическая обработка делится на два способа: высокотемпературный и низкотемпературный.

При высокотемпературном - сталь нагревают и подвергают деформации. Сразу после деформации сталь подвергается закалке, после закалки производят низкий отпуск.

При низкотемпературном - сталь нагревается и охлаждается, после чего её деформируют. После деформации следует закалка. После закалки следует низкий отпуск.

Низкотемпературная обработка получила незначительное применение. Наиболее часто применяют высокотемпературную обработку. Её удобство в том, что заготовки сразу после окончания горячей обработки давлением: ковки или проката, могут подвергаться закалке без специального нагрева, используя только тепло после горячего деформирования. Преимущество этого процесса состоит в экономии топлива, для нагрева под закалку, сокращение времени изготовления деталей, повышении механических свойств, увеличение прочности, ударной вязкости при незначительном снижении пластичности.

2. Технология сварки металлов

сталь электродуговой сварка пайка

Сварка - технологический процесс получения неразъемных соединений материалов посредством установления межатомных связей между свариваемыми частями при их местном или пластическом деформировании, или совместным действием того и другого. Сваркой соединяют однородные и разнородные металлы и их сплавы, металлы с некоторыми неметаллическими материалами (керамикой, графитом, стеклом и др.), а также пластмассы.

Сварка экономически выгодный, высокопроизводительный и в значительной степени механизированный технологический процесс, широко применяемый практически во всех отраслях машиностроения.

Физическая сущность процесса сварки заключается в образовании прочных связей между атомами и молекулами на соединяемых поверхностях заготовок. Для образования соединений необходимо выполнение следующих условий: освобождение свариваемых поверхностей от загрязнений, оксидов и адсорбированных на них инородных атомов; энергетическая активация поверхностных атомов, облегчающая их взаимодействие друг с другом; сближение свариваемых поверхностей на расстояния, сопоставимым с межатомным расстоянием в свариваемых заготовках. В зависимости от формы энергии, используемой для образования сварного соединения, все виды сварки разделяют на три класса: термический, термомеханический и механический. К термическому классу относятся виды сварки, осуществляемые плавлением с использованием тепловой энергии (дуговая, плазменная, электрошлаковая, электронно-лучевая, лазерная, газовая и др.).

К термомеханическому классу относятся виды сварки, осуществляемые с использованием тепловой энергии и давления (контактная, диффузионная и др.). К механическому классу относятся виды сварки, осуществляемые с использованием механической энергии и давления.

Электродуговая сварка

Дуга - мощный стабильный разряд электричества в ионизированной атмосфере газов и паров металла. Ионизация дугового промежутка происходит во время зажигания дуги и непрерывно поддерживается в процессе ее горения.

Процесс зажигания дуги в большинстве случаев включает в себя три этапа: короткое замыкание электрода на заготовку, отвод электрода на расстояние 3-6 мм и возникновение устойчивого дугового разряда. Короткое замыкание выполняется для разогрева торца электрода и заготовки в зоне контакта с электродом. После отвода электрода с его разогретого торца (катода) под действием электрического поля начинается термоэлектронная эмиссия электронов.

Столкновение быстродвижущихся по направлению к аноду электронов с молекулами газов и паров металла приводит к их ионизации. По мере разогрева столбца дуги и повышение кинетической энергии атомов и молекул происходит дополнительная ионизация за счет их соударения. Отдельные атомы также ионизируются в результате поглощения энергии, выделяемой при соударении других частиц. В результате дуговой промежуток становится электропроводным и через него начинается разряд электричества. Процесс зажигания дуги заканчивается возникновением устойчивого дугового разряда.

Источником теплоты при дуговой сварке служит электрическая дуга, которая горит между электродом и заготовкой. В зависимости от материала и числа электродов, а также способа включения электродов и заготовки в цепь электрического тока различают следующие способы дуговой сварки:

а) Сварка неплавящимся (графитным или вольфрамовым) электродом, дугой прямого действия, при которой соединение выполняется путем расплавления только основного металла, либо с применением присадочного металла.

б) Сварка плавящимся (металлическим) электродом, дугой прямого действия, с одновременным расплавлением основного металла и электрода, который пополняет сварочную ванну жидким металлом.

в) Сварка косвенной дугой, горящей между двумя, как правило, неплавящимися электродами. При этом основной металл нагревается и расплавляется теплотой столба дуги.

г) Сварка трехфазной дугой, при которой дуга горит между электродами, а также между каждым электродом и основным металлом.

Питание дуги осуществляется постоянным или переменным током. При применение постоянного тока различают сварку на прямой и обратной полярностях. В первом случае электрод подключают к отрицательному полюсу (катод), во втором - к положительному (анод).

Ручная дуговая сварка

Ручную дуговую сварку выполняют сварочными электродами, которые вручную подают в дугу и перемещают вдоль заготовки. В процессе сварки металлическим покрытым электродом - дуга горит между стержнем электрода и основным металлом. Стержень электрода плавится, и расплавленный металл каплями стекает в металлическую ванну. Вместе со стержнем плавится покрытие электрода, образуя газовую защитную атмосферу вокруг дуги и жидкую шлаковую ванну на поверхности расплавленного металла. Металлическая и шлаковые ванны вместе образуют сварочную ванну. По мере движения дуги сварочная ванна затвердевает и образуется сварочный шов. Жидкий шлак после остывания образует твердую шлаковую корку.

Электроды для ручной сварки представляют собой стержни с нанесенными на них покрытиями. Стержень изготовляют из сварочной проволоки повышенного качества. Сварочную проволоку всех марок в зависимости от состава разделяют на три группы: низкоуглеродистая, легированная и высоколегированная.

Ручная сварка удобна при выполнении коротких и криволинейных швов в любых пространственных положениях - нижнем, вертикальном, горизонтальном, потолочном, при наложении швов в труднодоступных местах, а также при монтажных работах и сборке конструкций сложной формы. Ручная сварка обеспечивает хорошее качество сварных швов, но обладает более низкой производительностью, например, по сравнению с автоматической дуговой сваркой под флюсом.

Производительность процесса в основном определяется сварочным током. Однако ток при ручной сварке покрытыми электродами ограничен, так как повышение тока сверх рекомендованного значения приводит к разогреву стержня электрода, отслаиванию покрытия, сильному разбрызгиванию и угару расплавленного металла. Ручную сварку постепенно заменяют полуавтоматической в атмосфере защитных газов.

Автоматическая дуговая сварка под флюсом.

Для автоматической дуговой сварки под флюсом используют непокрытую электродную проволоку и флюс для защиты дуги и сварочной ванны от воздуха. Подача и перемещение электродной проволоки механизированы. Автоматизированы процессы зажигания дуги и заварки кратера в конце шва.

В процессе автоматической сварки под флюсом дуга горит между проволокой и основным металлом. Столб дуги и металлическая ванна жидкого металла со всех сторон плотно закрыты слоем флюса толщиной 30 - 35 мм. Часть флюса расплавляется, в результате чего вокруг дуги образуется газовая полость, а на поверхности расплавленного металла - жидкий шлак. Для сварки под флюсом характерно глубокое проплавление основного металла. Действие мощной дуги и весьма быстрое движение электрода вдоль заготовки обусловливают оттеснение расплавленного металла в сторону, противоположную направлению сварки. По мере поступательного движения электрода происходит затвердевание металлической и шлаковой ванн с образованием сварного шва, покрытого твердой шлаковой коркой. Проволоку подают в дугу и перемещают ее вдоль шва с помощью механизмов подачи и перемещения. Ток к электроду поступает через кабель.

Дуговую сварку под флюсом выполняют сварочными автоматами, сварочными головками или самоходными тракторами, перемещающимися непосредственно по изделию. Назначение сварочных автоматов - подача электродной проволоки в дугу и поддержание постоянного режима сварки в течение всего процесса. Автоматическую сварку под флюсом применяют в серийном и массовом производствах, для выполнения длинных прямолинейных и кольцевых швов в нижнем положении на металле толщиной 2 - 100мм. Под флюсом сваривают металлы различных классов. Автоматическую сварку широко применяют при изготовлении котлов, резервуаров для хранения жидкостей и газов, корпусов судов, мостовых балок и других изделий. Она является одним из основных звеньев автоматической линий для изготовления сварных автомобильных колес и станов для производства сварных прямошовных и спиральных труб.

Электрошлаковая сварка и приплав.

При электрошлаковой сварке основной и электродный металлы расплавляются теплотой, выделяющейся при прохождении электрического тока через шлаковую ванну. Процесс электрошлаковой сварки начинается с образования шлаковой ванны в пространстве между кромками основного металла и формирующими устройствами (ползунами), охлаждаемые водой, подаваемой по трубам, путем расплавления флюса электрической дугой, возбуждаемой между сварочной проволокой и вводной планкой. После накопления определенного количества жидкого шлака дуга шунтируется шлаком и гаснет, а подача проволоки и подвод тока продолжаются. При прохождении тока через расплавленный шлак, являющийся электропроводящим электролитом, в нем выделяется теплота, достаточная для поддержания высокой температуры шлака (до 2000^оС) и расплавления кромок основного металла и электродной проволоки. Проволока вводится в зазор и подается в шлаковую ванну с помощью мундштука. Проволока служит для подвода тока и пополнения сварочной ванны расплавленным металлом. Как правило, электрошлаковую сварку выполняют при вертикальном положении свариваемых заготовок. По мере заполнения зазора между ними мундштук для подачи проволоки, и формирующие ползуны передвигаются в вертикальном направлении, оставляя после себя затвердевший сварной шов.

В начальном и конечном участках шва образуются дефекты. В начале шва - непровар, кромок, в конце шва - усадочная раковина и неметаллические включения. Поэтому сварку начинают на вводной, а заканчивают на выходной планках, которые затем удаляют газовой резкой.

Шлаковая ванна более распределенный источник теплоты, чем электрическая дуга. Основной металл расплавляется одновременно по всему периметру шлаковой ванны, что позволяет вести сварку металла большой толщины за один проход.

Заготовки толщиной до 150мм можно сваривать одним электродом, совершающим поперечные колебания в зазоре для обеспечения равномерного разогрева шлаковой ванны по всей толщине. Металл толщиной более 150мм сваривают тремя проволоками, а иногда и большим числом проволок, исходя из использования одного электрода на 45 - 60мм толщины металла. Специальные автоматы обеспечивают подачу электродных проволок и их поперечное перемещение в зазоре.

Электрошлаковая сварка имеет ряд преимуществ по сравнению с автоматической сваркой под флюсом: повышенную производительность, лучшую макроструктуру шва и меньшие затраты на выполнение 1м сварного шва.

К недостаткам электрошлаковой сварки следует отнести образование крупного зерна в шве и в околошовной зоне вследствие замедленного нагрева и охлаждения. После сварки необходима термическая обработка (отжиг или нормализация) для измельчения зерна в металле сварного соединения.

Электрошлаковую сварку широко применяют в тяжелом машиностроении для изготовления ковано-сварных и лито-сварных конструкций, таких, как станины и детали мощных прессов и станков, коленчатые валы судовых дизелей, роторы и валы гидротурбин, котлы высокого давления и т. п. Толщина свариваемого металла составляет 50 - 2000мм.

Сварка в среде защитных газов.

При сварке в защитном газе электрод, зона дуги и сварочная ванна защищены струей защитного газа. В качестве защитных газов применяют инертные газы (аргон и гелий) и активные газы (углекислый газ, азот, водород и др.), а иногда - смеси двух газов и более. Сварка в среде защитных газов в зависимости от степени механизации процессов подачи присадочной или сварочной проволоки и перемещения сварочной горелки может быть ручной, полуавтоматической и автоматической.

По сравнению с ручной сваркой покрытыми электродами и автоматической под флюсом сварка в защитных газах имеет следующие преимущества: высокую степень защиты расплавленного металла от воздействия воздуха; отсутствие на поверхности шва при применении аргона, оксидов и шлаковых включений; возможность ведения процесса во всех пространственных положениях; возможность визуального наблюдения за процессом формирования шва и его регулирования; более высокую производительность процесса, чем при ручной дуговой сварке; относительно низкую стоимость сварки в углекислом газе.

Области применения сварки в защитных газах охватывают широкий круг материалов и изделий (узлы летательных аппаратов, элементы атомных установок, корпуса и трубопроводы химических аппаратов и т. п.). Аргонодуговую сварку применяют для цветных (алюминия, магния, меди) и тугоплавких (титана, ниобия, ванадия, циркония) металлов и их сплавов, а также легированных и высоколегированных сталей.

Контактная сварка.

Контактная сварка относится к видам сварки с кратковременным нагревом места соединения без оплавления или с оплавлением и осадкой разогретых заготовок. Характерная особенность этих процессов - пластическая деформация, в ходе которой формируется сварное соединение.

Место соединения разогревается проходящим по металлу электрическим током, причем максимальное количество теплоты выделяется в месте сварочного контакта.

На поверхности свариваемого металла имеются пленки оксидов и загрязнения с малой электропроводимостью, которые также увеличивают электросопротивление контакта. В результате в точках контакта металл нагревается до термопластического состояния или до оплавления. При непрерывном сдавливании нагретых заготовок образуются новые точки соприкосновения, пока не произойдет полное сближение до межатомных расстояний, т. е. сварка поверхностей.

Контактную сварку классифицируют по типу сварного соединения, определяющего вид сварочной машины, и по роду тока, питающего сварочный трансформатор. По типу сварного соединения различают сварку стыковую, точечную, шовную.

Стыковая сварка - разновидность контактной сварки, при которой заготовки свариваются по всей поверхности соприкосновения. Свариваемые заготовки закрепляют в зажимах стыковой машины. Зажим 1 установлен на подвижной плите, перемещающийся в направляющих, зажим 2 укреплен на неподвижной плите. Сварочный трансформатор соединен с плитами, гибкими шинами и питается от сети через включающее устройство. Плиты перемещаются, и заготовки сжимаются под действием усилия, развиваемого механизмом осадки.

Стыковую сварку с разогревом стыка до пластического состояния и последующей осадкой называют - сваркой оплавлением. Она имеет преимущества перед сваркой сопротивлением. В процессе оплавления выравниваются все неровности стыка, а оксиды и загрязнения удаляются, поэтому не требуются особой подготовки места соединения. Можно сваривать заготовки с сечением, разнородные металлы (быстрорежущую и углеродистую стали, медь и алюминий и т.д.). Наиболее распространенными изделиями, изготовляемые стыковой сваркой, служат элементы трубчатых конструкций, колеса и кольца, инструмент, рельсы, железобетонная арматура.

Точечная сварка - разновидность контактной сварки, при которой заготовки соединяются в отдельных точках. При точечной сварке заготовки собирают внахлестку и зажимают между электродами, подводящими ток к месту сварки. Соприкасающиеся с медными электродами поверхности свариваемых заготовок нагреваются медленнее их внутренних слоев. Нагрев продолжается до пластического состояния внешних слоев и до расплавления внутренних слоев. Затем выключают ток и снимают давление. В результате образуется литая сварная точка. Точечная сварка в зависимости от расположения электродов по отношению к свариваемым заготовкам может быть двусторонней и односторонней.

Многоточечная контактная сварка - разновидность контактной сварки, когда за один цикл свариваются несколько точек. Многоточечную сварку выполняют по принципу односторонней точечной сварки. Многоточечные машины могут иметь от одной пары до 100 пар электродов, соответственно сваривать 2 - 200 точек одновременно. Многоточечной сваркой сваривают одновременно и последовательно. В первом случае все электроды сразу прижимают к изделию, что обеспечивает меньшее коробление и большую точность сборки. Ток распределяется между прижатыми электродами специальным токораспределителем, включающим электроды попарно. Во втором случае пары электродов опускают поочередно или одновременно, а ток подключают поочередно к каждой паре электродов от сварочного трансформатора. Многоточечную сварку применяют в основном в массовом производстве, где требуется большое число сварных точек на заготовке.

Шовная сварка - разновидность контактной сварки, при которой между свариваемыми заготовками образуется прочное и плотное соединение. Электроды выполняют в виде плоских роликов, между которыми пропускают свариваемые заготовки. В процессе шовной сварки листовые заготовки соединяют внахлестку, зажимают между электродами и пропускают ток. При движении роликов по заготовкам образуются перекрывающие друг друга сварные точки, в результате чего получается сплошной геометрически шов. Шовную точку, так же как и точечную, можно выполнить при двустороннем и одностороннем расположениях электродов.

Шовную сварку применяют в массовом производстве при изготовлении различных сосудов. Толщина свариваемых листов составляет 0,3 - 3 мм. Шовной сваркой выполняют те же типы сварных соединений, что и точечной, но используют для получения герметичного шва.

Газовая сварка и резка металлов

Для нее применяется сварочная горелка, работающая в большинстве случаев на ацетилене и кислороде. Не так давно для лабораторий выпущен небольшой генератор ацетилена с емкостью около 1 кг карбида, кроме того, в продаже имеются небольшие стальные баллоны с ацетиленом, обеспечивающие еще более чистое выполнение работ. Установка пригодна, между прочим, и для многих жестяных работ. Она не требует наличия каких-либо особых знаний или приготовлений, дешева в изготовлении и в эксплуатации.

При сварке поступают следующим образом: после выбора соответствующей горелки, прежде всего, закрывают краны горелки. Вслед за этим открывают ацетиленовый кран на генераторе или на стальном баллоне, а затем - кислородный кран. После этого несколько приоткрывают ацетиленовый кран на горелке, зажигают вытекающий из него газ и поворачивают кислородный кран на горелке, открывая его до тех пор, пока у выхода горелки не возникает маленький острый конус пламени. Теперь горелка готова к работе. Свариваемую деталь сначала обрабатывают на некотором расстоянии вокруг места сварки, после чего легким прикосновением конуса пламени начинают расплавлять шов и, добавляя материал в виде сварочной проволоки, постепенно заполняют весь шов целиком. Чтобы приобрести некоторую уверенность в этих работах, начинающим следует попросить опытного сварщика показать им все операции сварки. Этим способом могут быть сварены почти все железосодержащие материалы.

При сварке место соединения нагревают до расплавления высокотемпературным газовым пламенем. При нагреве газосварочным пламенем 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.

Кислородный баллон представляет собой стальной цилиндр со сферическим днищем и горловиной для крепления запорного вентиля. На нижнюю часть баллона насаживается башмак, позволяющий ставить баллон вертикально. На горловине имеется кольцо с резьбой для навертывания защитного колпака. Средняя жидкостная вместимость баллона 40 дм³. При давлении 15 МПа он вмещает ~ 6000 дм³ кислорода.

Ацетиленовые баллоны окрашивают в белый цвет и делают на них надпись красной краской «Ацетилен». Их конструкция аналогична конструкции кислородных баллонов. Давление ацетилена в баллоне 1,5 МПа. В баллоне находится пористая масса (активизированный уголь) и ацетон. Растворения ацетилена в ацетоне позволяет поместить в малом объеме большое количество ацетилена. Растворенный в ацетоне ацетилен пропитывает пористую массу и становится безопасным.

При газовой сварке, заготовки нагреваются более плавно, чем при дуговой; это и определяет основные области ее применения: для сварки металлов малой толщины (0,2 - 3мм); легкоплавких цветных металлов и сплавов, требующих постепенного нагрева и охлаждения (например, инструментальных сталей, чугуна, латуней); для пайки и наплавочных работ; для подварки дефектов в чугунных и бронзовых отливках. 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 струей образующихся оксидов. При горении железа в кислороде выделяется значительное количество теплоты.

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, выделяющееся 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 прекращается; образующиеся оксиды должны быть достаточно жидкотекучими и легко выдуваться вниз струей режущего кислорода. Практически указанным требования отвечают железо, низкоуглеродистые и низколегированные стали.

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, разрезают профильной материал, вырезают косынки, круги, фланцы и т. п. Поверхностная резка - режущая струя направлена под очень малым углом к поверхности металла (почти параллельно ей) и обеспечивают грубую ее строжку или обдирку. Ею удаляют поверхностные дефекты отливок. Резка кислородным копьем - копье образуется тонкостенной стальной трубкой, присоединенной к рукоятке и свободным концом прижатой к прожигаемому металлу. Кислородным копьем отрезают прибыли крупных отливок, прожигают летки в металлургических печах, отверстия в бетоне и т. п. Резка может быть ручной и машинной.

3. Пайка

Под пайкой понимают соединение двух металлических деталей при помощи припоя, температура плавления которого лежит ниже температуры плавления более легкоплавкой детали; благодаря этому детали могут быть разъединены при нагревании. Рабочий процесс пайки, кроме соединяемых металлических деталей, требует наличия припоя, мягкого или твердого, флюса и источника тепла для нагревания припоя и спаиваемых деталей. Важно также придать спаиваемым деталям форму, благоприятную для получения после пайки хорошего шва.

Флюс служит для устранения окисляющего действия кислорода воздуха на нагретые поверхности металлических частей и для получения хорошей смачиваемости их расплавленным припоем. Прежде почти для всех металлов применялся универсальный флюс; в настоящее время рекомендуется применять изготовляемые специальными фирмами особые флюсы, различные в разных случаях, состав которых, естественно, является секретом выпускающих их фирм. Эти флюсы, проверенные на опытах, дают значительно лучшие результаты, чем ранее применявшиеся кустарные средства.

В качестве источника тепла при мягком припое в большинстве случаев применяется паяльник, а также ванночки для нагревания и бунзеновская горелка. При пайке твердым припоем применяется паяльная горелка с дутьем, ванночка для нагревания или муфельная печь. Последняя вместе с защитным газом представляет собой новейший метод пайки без применения флюса; этот метод вводится теперь повсеместно, в особенности для больших паяльных работ, а также в тех случаях, когда предъявляются высокие требования к прочности изделий.

Мягкими называются припои, температура плавления которых, лежит ниже 400°С. Мягкие припои, в значительной степени, стандартизованы. Под названием «оловянный припой» подразумевают оловянно-свинцовые сплавы, служащие для пайки тяжелых металлов и их сплавов. Оловянно-свинцовые припои применяют в различных отраслях промышленности при низкотемпературной пайке сталей, никеля, меди и ее сплавов. Они обладают высокими технологическими свойствами, пластичны и при выполнении пайки не требуют дорогостоящего оборудования. Пайку оловянно-свинцовыми припоями производят обычно при нагреве паяльником. В зависимости от содержания в припоях олова изменяются свойства и температура плавления (рис. 1). Минимальная температура плавления (183,3°С) достигается при содержании 61,9 % Sn. Сплав при этом имеет эвтектическую структуру, весьма пластичен, обладает высокими технологическими свойствами.

Введение в оловянно-свинцовые припои сурьмы приводит к повышению предела ползучести, снижает склонность к старению и предотвращает аллотропические превращения олова, однако большое количество сурьмы ухудшает способность припоев смачивать поверхность паяемых металлов. При содержании цинка и алюминия свыше 0,005 % снижается растекаемость припоя, ухудшается его взаимодействие с паяемым металлом, появляется склонность к образованию трещин при затвердевании.

Рис. 1. Химический состав оловянно-свинцовых припоев

Таблица

Физико-механические свойства оловянно-свинцовых припоев.

Оловянно-свинцовые припои, а также и паяные соединения, выполненные ими, при охлаждении до низких температур меняют свои механические свойства - охрупчиваются. Пластичность припоев уменьшается одновременно с ростом их прочности. Паяные соединения, выполненные оловянно-свинцовыми припоями, имеют низкую коррозионную стойкость в условиях тропиков, а также при наличии конденсата; стойкость припоя понижается с повышением содержания в их составе свинца. Для работы в этих условиях паяные соединения необходимо защищать лакокрасочными покрытиями.

Условные обозначения припоев:

Припой Х1 Х2 Х3 Х4 ГОСТ 21931-76

Х1 наименование профильного сортамента

(Прв - проволока; Пр - пруток; Л - лента; Т - трубка; Пор - порошок)

Х2 форма сечения

(КР - круглая; КВ - квадратная; ТРГ - трехгранная)

Х3 размеры

Х4 марка

Вместо отсутствующего показателя ставят знак «Х».

Примеры условных обозначений:

Припой в виде проволоки круглого сечения диаметром 2мм марки ПОССу 61-0,5:

Припой Прв КР2 ПОССу 61-0,5 ГОСТ 21931-76

Припой в виде прутка трехгранного сечения с размером сторон 14мм марки ПОС 61:

Припой Пт ТРГ14 ПОС 61 ГОСТ 21931-76

Припой в виде ленты толщиной 0,8мм, шириной 8мм марки ПОС 40:

Припой Л 0,8×8 ПОС 40 ГОСТ 21931-76

Припой в виде трубки с наружным диаметром 5мм с наполнителем канифолью марки ПОССу 25-2:

Припой Т 5 ПОССу 25-2 ГОСТ 21931-76

Припой в виде порошка марки ПОССу 30-2:

Припой Пор ПОССу 30-2 ГОСТ 21931-76

Области применения оловянно-свинцовых припоев:

Малосурьмянистые припои рекомендуются для пайки цинковых и оцинкованных деталей.

Особую группу среди мягких припоев составляют серебряные мягкие припои. Они имеют то же неприятное свойство, что и свинцово-оловянные припои - обнаруживают текучесть под действием длительной нагрузки. Опыты показали, что если две поверхности по 1см², наложенные друг на друга, спаяны мягким серебряным припоем и находятся под действием перпендикулярной к ним статической нагрузки в 100кг, то предел текучести еще не достигается. Далее, серебряные мягкие припои хорошо допускают гальванические операции, их можно по частям покрывать лаками, требующими вжигания.

) Пайка алюминия. Принимая специальные меры предосторожности, алюминий можно спаивать мягким припоем. Припой состоит из Sb, Zn и Cd, иногда с добавлением небольшого количества алюминия Al. Различают мягкие припои для пайки узких швов и более твердые, больше пригодные при изготовлении макетов. Обычные оловянные припои, вследствие содержания в них свинца, неприменимы! Успешно можно пользоваться чистым оловом. Обычный паяльник как источник тепла достаточен, лить для пайки пластин толщиной 0,2мм или тонких проводов. Поэтому применяют более эффективные источники тепла: горелки, ванну для погружения.

Различают три основных способа пайки: пайку трением, реактивную пайку и ультразвуковую пайку.

При пайке трением слой окиси на А1 разрушается механическим путем. При этом нельзя применять паяльную жидкость или нашатырь! Спаиваемый металл нагревают до плавления на его поверхности припоя, в которую последний втирают щетками, шабрами или шероховатыми пластинками. Залуженная таким образом поверхность алюминия припаивается затем обычным способом. Однако при таком способе припой никогда не затекает в швы, которые не были залужены. Для очистки поверхностей можно также пользоваться вращающимися инструментами с острыми гранями или щеточками; их вводят вместе со спаиваемыми деталями в расплавленное олово, в котором и происходит залуживание зачищенных поверхностей. Для этого имеются некоторые приспособления, похожие на маленькие электрические паяльники, например, для залуживания алюминиевых проволок.

При реактивном способе пайки применяется флюс, содержащий хлористый цинк. Около 280°С начинается реакция с образованием дыма; соли проникают в оксидный слой и разрывают его. На чистой поверхности металла осаждается Zn, что предотвращает ее от нового окисления. После этого пайка производится с применением мягких алюминиевых припоев и заканчивается тщательным смыванием остатков солей.

При новом способе пайки пользуются ультразвуковым пистолетом, который с помощью излучаемых им колебаний разрушает пленку окиси на поверхности алюминия, что обеспечивает хорошее прилипание к нему мягкого припоя. Паять алюминий этим способом можно, выдерживая спаиваемую деталь в оловянной ванне при 250° С, в которую одновременно погружен и ультразвуковой пистолет; точно так же можно, подогревая деталь на горячей пластине, расплавить несколько шариков олова на спаиваемой поверхности, которые затем с помощью ультразвукового пистолета распределяются на ней тонким слоем. После залуживания алюминия его паяют так же, как и все другие металлы.

Слой полуды, который при этом способе получается на поверхности алюминия, пристает к ней настолько прочно, что его не удается снять ни в холодном, ни в горячем состоянии. В качестве припоя следует применять чистое олово без флюса.

) Чугун, вследствие высокого содержания в нем углерода, непосредственно не поддается залуживанию. Поэтому необходимо предварительно удалять углерод из поверхностного слоя чугуна.

Это достигается путем основательного травления, за которым следует очистка песком. Такую процедуру повторяют еще раз, затем чугун следует просушить. После этой предварительной обработки чугун можно лудить обычными приемами.

) Нержавеющая сталь хорошо паяется обычными оловянными припоями, однако при залуживании требует специального флюса, значительно более активного, чем обычный. Можно применять один из следующих флюсов:

§  Соляную кислоту, насыщенную кусками цинка до прекращения выделения пузырьков водорода.

§  Жидкость с добавлением 25% чистой соляной кислоты.

§  Жидкость с добавлением 10% уксусной кислоты.

§  10-20% раствор ортофосфорной кислоты в воде.

§  Жидкость и 2-5% плавиковую кислоту, в особенности дли сталей, содержащих молибден, титан или ниобий.

После залуживания место спая тщательно промывают; окончательную спайку производят, применяя флюс, не вызывающий коррозии. Нержавеющие стали в месте спая могут стать хрупкими, если его температура превышала 260^оС., поэтому не следует спай перегревать.

) Платина легко образует с расплавленным припоем серый хрупкий сплав. Поэтому температура пайки ни в коем случае не должна быть выше и продолжительность нагрева больше, чем это, безусловно, необходимо для пайки. Целесообразно применять наиболее низкоплавкий припой и маленький паяльник.

) Свинец и олово паяются низкоплавкими эвтектическими специальными припоями. Как олово, так и свинец можно и непосредственно, без припоя, приплавить, т. е. сварить.

) Тантал непосредственно не поддается пайке. Но его можно предварительно покрыть слоем меди и затем паять.

) Магний не поддаётся пайке мягким припоем, его не удается паять таким припоем даже с помощью ультразвука.

) Вольфрам и молибден не поддаются пайке мягким припоем.

) Некоторые сплавы, которые сами по себе совсем или почти совсем не поддаются пайке, все же возможно покрывать легко растекающимся слоем полуды, если на этих металлах предварительно отложить гальванический слой меди.

Пайка твердым припоем дает соединение двух металлических деталей с ограниченной возможностью их разъединения. Температуры плавления твердых припоев, обычно лежащие выше 600°С, должны быть всегда, по крайней мере, на 50°С ниже температуры плавления наиболее легкоплавкого из спаиваемых металлов. При твердой пайке, кроме твердого припоя, необходимо, как правило, применять флюс и соответствующий источник тепла; последним в основном и определяется выбор подходящего способа пайки.

В качестве флюса при пайке твердым припоем применяется большинстве случаев кашицеобразная смесь буры и воды. Кроме буры в продаже имеются для всех специальных случаев особые флюсы. Детали, предназначенные для пайки, следует, возможно, более тщательно очистить, обезжирить и плотно прижать друг к другу. Пайку сплавов благородных металлов и в особенности изделий, плакированных благородными металлами, следует производить в атмосфере защитного газа, предохраняя им всю нагреваемую поверхность от образования окалины.

Общие технические указания. Прежде всего необходима тщательная очистка швов от жира, для того чтобы они могли быть равномерно смочены припоем. После этого наносится флюс, и соединяемые части располагаются так, чтобы их взаимное расположение сохранилось при пайке; для этого применяются щипцы, наложение тяжестей или другие крепления. Необходимо предотвратить нежелательный отвод тепла! Флюс надо наносить в холодном состоянии. Нецелесообразно паяльник сначала нагревать, а лишь затем окунать его в флюс. Но нагревание флюса до 90°С, несомненно, повышает его смачивающую способность, после охлаждения остатки флюса удаляют осторожным постукиванием или травлением 10% азотной кислотой, а затем промывают горячей водой. Если необходимо абсолютно полное удаление остатков флюса, то можно воспользоваться имеющимися в продаже растворами, изменение цвета которых указывает на наличие остатков флюса.

Известны три группы твердых припоев: латунный припой с температурой плавления от 800 до 900°С, серебряный и серебряно-кадмиевый припой с температурами плавления от 600 до 850°С; кроме того, в особых случаях применяют чистые металлы, такие, как серебро, медь и 24-каратное золото.

Если на одной и той же детали необходимо провести последовательно несколько паек твердым припоем, то, применяя один и тот же припой, можно было бы повредить прежние пайки. Поэтому в таких случаях следует применять два или три припоя, температуры, плавления которых различаются примерно на 30° С: «первый припой», «второй припой», «третий припой».

Новую группу припоев составляют так называемые припои с низкой температурой плавления и присадки, понижающие точку плавления. С помощью этих припоев становится возможным производить очень прочную и изящную спайку материалов при температурах значительно ниже их температуры плавления. Так, имеются паяльные палочки для алюминия, которые обеспечивают прочное соединение уже при 420°С, т. е. на 250°С ниже температуры плавления алюминия.

Таким приемом, применяя особый припой, можно паять оцинкованные детали без разрушения слоя цинка. При этом достигается прочность до 50кг/см². Медь, латунь, бронзу, нержавеющую сталь, никель, серебро и золото можно паять этим способом при 496°С, применяя специальный сплав. Имеются различные типы специальных припоев, которые служат для получения больших прочностей при повышенных температурах или устойчивости против коррозии в морской воде и горячих парах, для пайки в защитном газе и для применения в высоковакуумных приборах с прогревающимися местами спая.

Специальным припоем является также «сильфос», состоящий из Ag-Cu-P. Он позволяет производить пайку сплавов медь - олово и медь - серебро без применения флюса. Выделяющийся при нагревании фосфор растворяет оксидный слой и образует предохранительную глазурь.

В зависимости от источника тепла методы пайки различаются следующим образом:

·        С паяльной горелкой; для этой цели пригодно любое мягко горящее пламя, как, например, светильный газ - воздух, ацетилен - сжатый воздух; однако водородно-кислородное пламя здесь непригодно.

·        Пайка джоулевым теплом и токами высокой частоты. Эти методы пайки дают возможность обеспечить ограниченный местный нагрев и применяются в основном для сложных деталей. Поскольку в таких случаях почти никогда не удается обходиться без специального приспособления, целесообразно применять этот вид пайки лишь в случае большого количества однородных деталей.

·        Пайка в атмосфере защитного газа. Этот метод сильно развился в последние годы. Он допускает изящные пайки, выполнение которых другими путями почти невозможно. При этом следует иметь в виду, что прочность спайки стальных деталей в защитном газе почти равна прочности самой стали. Попытки учёных в создании экологически чистых технологий пайки привели к созданию бесфлюсовой пайки в инертных (Ar, He) и защитных газах (N₂, CO₂, H₂), а также в вакууме. Однако, инертные и защитные газы дороги, а водородсодержащие смеси к тому же взрывоопасны. Вакуумная пайка требует применения специального дорогостоящего оборудования и малопроизводительна. Поэтому, несмотря на превосходство бесфлюсовых способов в экологическом аспекте, эти технологии применяются ограниченно и непригодны для массового производства.

·        При пайке окунанием детали погружаются в жидкую металлическую ванну. Этот метод применяется в большинстве случаев для очень маленьких деталей. Он дает очень хорошо наполненные плотно запаянные швы. Кроме того, на деталь, подвергаемую пайке, можно одновременно нанести поверхностный слой цветного металла.

Латунные припои непригодны, если паянные твердым сплавом металлические детали должны нагреваться в вакууме, так как цинк испаряется из них и осаждается на более холодных стеклянных стенках. В таких случаях рекомендуется применять серебряные припои, не содержащие цинка.

Алюминий допускает без особых трудностей пайку специальными твердыми припоями, имеющимися в продаже. При атом необходимо применять специальный флюс, который в большинстве случаев содержит хлористый литий. Пайка производится таким же образом, как и пайка стальных деталей. Необходимо только обеспечить небольшой перепад температур между расплавленным припоем и плавящимся алюминием, чтобы последний не был поврежден. Железо может быть припаяно к алюминию, если оно в месте спая будет предварительно омеднено. С алюминием также можно спаивать медь, латунь и другие металлы. Молибден и вольфрам можно спаивать с другими деталями латунным припоем при большом количестве буры. Проволоки диаметром меньше 0,1мм, например для термопар, могут сгореть при внесении их в пламя. К угольной микрофонной мембране М, закрепленной на пластине, снизу прижат уголь дуговой лампы с остро заточенным кончиком. В электрическую цепь включают предохранительное сопротивление и выключатель. Ток идет от мембраны к углю; при замыкании тока место касания уголька и мембраны сильно нагревается, и на мембране появляется накаленное резко ограниченное пятно, которое после охлаждения можно узнать по темному цвету. Спаиваемые проволоки выравниваются на мембране так, чтобы место спая приходилось как раз на пятне, после чего, пользуясь флюсом и серебром или оловом с паяльной жидкостью, производят пайку, замыкая в цепи ток. В продаже имеются серебряные припои для пайки тонких проволок.

Титан можно паять с чистым алюминием и с алюминиевым припоем при помощи твердого никелевого или медного припоя. Но все операции при этом необходимо производить в газозащитной атмосфере.

Твердые металлы хорошо обрабатываются флюсом, состоящим из борной кислоты или силикатной смеси. Применяемый припой должен легко менять форму, чтобы выравнивать различие в уменьшении размеров при остывании стали и твердых металлов.

Рис. 2. Пайка тонких проволок.

Список литературы

1.      Алешин Н.П., Щербинский В.Г. «Контроль качества сварочных работ». М.: Высшая школа, 1986г.

.        Волченко В.Н. «Сварные конструкции». - М.: Машиностроение, 1986г.

.        «Сварные и паяные соединения». Учебное пособие/ С.А. Федоров, МАТИ, М, 1989г.

.        А.Н.Пейсхахов, А.М.Кучер «Материаловедение и технология конструкционных материалов». Учебник. Изд-во Михайлова, 2003г.

.        Ю.П.Солнцев «Материаловедение и технология металлов» 1988г.

.        О.В.Травин, Н.Т.Травина «Материаловедение» 1989г.

.        Краткий справочник паяльщика / И.Е. Петрунин, И.Ю. Марков, Л.Л. Гржимальский и др.; Под общ. ред. И.Е. Петрунина. - М.: Машиностроение, 1991г.

.        ГОСТ 21930-76 Припои оловянно-свинцовые в чушках. Технические условия.

.        ГОСТ 21931-76 Припои оловянно-свинцовые в изделиях. Технические условия.