Технологии сварочного производства. Сварка материалов

ТЕХНОЛОГИИ СВАРОЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА 1. Сварка материалов Сварка – это технологический процесс получения неразъёмного соединения деталей, осуществляемый за счёт использования межатомных сил сцепления. Для соединения двух или более частей металла в одно целое необходимо осуществить тесное сближение их атомов на расстояние порядка 4·10-8 см, чтобы между ними начали действовать силы взаимного притяжения. При сварке это достигается либо расплавлением кромок свариваемых деталей, либо путем соединения давлением нагретого до пластического (размягченного) состояния металла. Следовательно, все существующие методы сварки разделяются на сварку плавлением и сварку давлением (пластическую). При сварке плавлением кромки соединяемых деталей и дополнительный (присадочный) металл, применяемый для заполнения зазора между ними, нагреваются до расплавления. После перемешивания основного и дополнительного металлов получается общая сварочная ванна. В результате охлаждения и затвердевания этой ванны образуется прочное соединение металлических деталей. Процесс образования сварочного соединения происходит в данном случае без воздействия давления. При сварке давлением металл соединяемых поверхностей деталей нагревается только до пластического состояния, т.е. ниже температуры плавления. В результате такого нагрева повышается способность атомов к перемещениям и диффузии. Однако для образования сварочного соединения при сварке давлением одного нагрева недостаточно. После нагрева к месту сварки необходимо приложить давление, вызывающее пластическую деформацию (осадку). В процессе деформации происходит смятие неровностей и разрушение оксидных пленок, что обеспечивает плотный контакт между соединяемыми деталями и возникновение межатомных связей. Для соединения деталей из алюминия и его сплавов, меди, свинца, цинка и других пластичных материалов применяется холодная сварка давлением. Применение давления, превышающего предел текучести свариваемого металла, позволяет сблизить атомы соседних частей на расстояние, достаточное для проявления между ними сил взаимного притяжения. Для получения надежных соединений при помощи холодной сварки необходимо со свариваемых поверхностей удалить оксиды и загрязнения. Методы сварки классифицируют по следующим признакам. В зависимости от формы энергии активации все существующие способы сварки подразделяются на три класса: термический, термомеханический и механический. Термический класс включает способы сварки, осуществляемые плавлением с использованием тепловой энергии: дуговая, электрошлаковая, электронно-лучевая, плазменно-лучевая, ионно-лучевая, тлеющим разрядом, световая, индукционная, газовая, термитная и литейная. Термомеханический класс включает все виды сварки, осуществляемые с использованием тепловой энергии и давления: контактная, диффузионная, индукционнопрессовая, газопрессовая, термокомпрессионная, дугопрессовая, шлакопрессовая, термитнопрессовая и печная. Механический класс включает способы сварки, осуществляемые с использованием механической энергии и давления: взрывом, трением, магнитоимпульсная, ультразвуковая и холодная. По состоянию металла в зоне сварки различают сварку плавлением и сварку давлением. Сварка по способу защиты металла в зоне сварки может выполняться в следующих средах: в воздухе, в вакууме, в защитном газе, под флюсом, по флюсу, в пене и с комбинированной защитой. Современные способы сварки по непрерывности выполнения подразделяются на непрерывные и периодические; по степени механизации на ручные, механизированные, автоматизированные и автоматические. Сварное соединение – это совокупность деталей, соединённых сварным швом. Под сварным швом понимается место соединения деталей, образовавшееся в результате сварки. При сварке плавлением шов представляет собой литой металл, а при пластической сварке является зоной срастания кристаллов соединяемых деталей. Часть свариваемого металла, примыкающая к шву, называется околошовной зоной или зоной термического влияния. Взаимное расположение свариваемых деталей, форма и размеры их кромок определяют вид сварного соединения и шва. Распространены следующие типы сварных соединений: стыковые, внахлёстку, тавровые и угловые (рис. 1). В зависимости от толщины деталей и требований к узлу свариваемых деталей кромки деталей могут быть без скоса, с одним и двумя скосами. Рис. 1. Виды сварных соединений: а – стыковые; б – внахлёстку; в – тавровые; г – угловые По отношению к направлению, действующей на сварную конструкцию нагрузки P, различают сварные швы фланговые 1, если они расположены параллельно направлению действия нагрузки; лобовые сварные швы 2, если они перпендикулярны и косые 3, если сварные швы расположены под углом к направлению действия нагрузки (рис. 2). Сварные швы подразделяются по их местонахождению в пространстве на нижние (сектор от 0 0 до 60 0), вертикальные (сектор от 60 0 до 120 0) и потолочные (сектор от 120 0 до 180 0) (рис. 2). Сварочные швы, выполняемые при вертикальном расположении свариваемых элементов заготовок по горизонтали принято называть горизонтальными. Сварочные швы по их расположению в пространстве могут иметь местонахождение промежуточного характера, т.е. располагаться на границах областей указанных на рис. 2. В этих случаях их называют соответственно полугоризонтальные, полувертикальные и полупотолочные. Рис. 2. Типы швов по отношению к направлению действующих нагрузок и расположению их в пространстве: 1 – фланговые; 2 – лобовые; 3 – косые I – нижние; II –вертикальные; III – потолочные По виду погонной конфигурации сварные швы подразделяются на прямолинейные, кольцевые и криволинейные. По протяженности выполнения сварные швы бывают прерывистые и сплошные (короткие, средние и длинные). В зависимости от применяемого способа выполнения сварки сварные швы подразделяют следующим образом: а) швы ручной дуговой сварки; б) швы полуавтоматической и автоматической сварки под флюсом; в) швы электродуговой сварки в среде защитных газов; г) шов электрошлаковой сварки; д) швы контактной электросварки; е) электрозаклёпочные швы; ж) швы газовой сварки и з) швы, получаемые посредством выполнения специальных видов сварки. Сварные швы подразделяют также по методу их выполнения на односторонние, двухсторонние, многослойные и многослойные многопроходные. По способу формирования металла сварного шва в процессе сварки швы подразделяют на: швы, выполняемые без подкладок; швы, выполняемые на подкладках из различных материалов; швы, выполняемые на газовых и флюсовых подушках. По объёму металла шва различают нормальные, усиленные и ослабленные сварные швы. Свариваемость – это технологическое свойство, характеризующее способность металлов и сплавов образовывать сварное соединение, надежное в эксплуатации. Наилучшей свариваемостью обладают металлы с хорошей взаимной растворимостью, высокой теплопроводностью, незначительным коэффициентом линейного и объемного расширения и малой усадкой. К хорошо сваривающимся относятся стали с содержанием углерода до 0,30 %. К удовлетворительной свариваемости относятся стали с содержанием углерода от 0,30 до 0,42 %; к ограниченной – от 0,42 до 0,55 %; к плохой – свыше 0,55 %. При одинаковом содержании углерода свариваемость легированных сталей хуже углеродистых и после сварки необходимо производить термическую обработку. Дуговая электросварка представляет собой такой метод сварки, при котором местный нагрев и расплавление свариваемых частей осуществляется электрической (сварочной) дугой. Сварочная дуга представляет собой мощный электрический разряд в газах, характеризуется ярким свечением и высокой температурой (около 6000 0С при атмосферном давлении). Газ при низкой температуре не проводит электрический ток. Газ может проводить ток только при наличии в нем электрически заряженных частиц – ионов, и в этом случае его называют ионизированным. При дуговом разряде выделяется большое количество тепла, происходит ионизация газа. Сильно ионизированный газ столба электрического разряда (дуги) обладает повышенной электропроводностью, приближающейся к электропроводности металлов, и обеспечивает поддержание устойчивого разряда при прохождении тока. Основаниями столба дугового разряда служат резко ограниченные области на поверхности электродов - электродные пятна (катодное и анодное). Ионизация газа происходит в основном в результате соударений с молекулами электронов, эмиссирующих с поверхности отрицательного электрода (катода). С увеличением силы тока увеличивается кинетическая энергия электронов. В дуге происходит взаимная бомбардировка катода положительными ионами и анода отрицательными ионами и электронами; в результате этого кинетическая энергия переходит в тепловую энергию и происходит нагрев и расплавление электрода и основного металла. Напряжение дуги между электродом и деталью главным образом зависит от длины дуги, силы тока, а также от материала и размера электродов, теплового состояния дугового столба, степени его ионизации и других. Для определения напряжения дуги упрощенно пользуются эмпирической формулой U = a + в · L, (1), где U – напряжение дуги, В; L – длина дуги, мм; а, в – постоянные коэффициенты, определяемые опытным путем и зависящие от материала электродов, состава газовой среды и др.; а – сумма катодного и анодного напряжения дуги (равна от 10 до 12 В при сварке стальным электродом); в – среднее падение напряжения на единицу длины дуги, равное в этом случае от 2 до 3 В на 1 мм. Зажигание дуги обычно производится мгновенным соприкосновением находящихся под электрическим напряжением электрода и основного металла и последующим их разъединением. Явление дугового разряда впервые открыл русский физик В.В. Петров в 1802 г. В зависимости от способа воздействия дуги на основной металл различают сварку дугой прямого действия и дугой косвенного действия. При сварке дугой прямого действия свариваемое изделие и электрод включены в электрическую цепь и между ними зажигается дуга (рис. 3). При сварке дугой косвенного действия свариваемое изделие не включается в электрическую цепь. В этом случае дуга горит между двумя электродами, расположенными под углом друг к другу. Рис. 3. Схема электрической сварочной дуги прямого действия По роду материала электрода разделяют дуговую электросварку неплавящимся (угольным или вольфрамовым) и плавящимся металлическим электродом. В зависимости от способа защиты расплавленного металла от воздействия воздуха различают дуговую электросварку незащищённой дугой, защищёнными электродами, в среде защитного газа, под слоем флюса. В зависимости от степени механизации процесса дуговая электросварка подразделяется на ручную, полуавтоматическую и автоматическую. Ручная дуговая электросварка осуществляется двумя способами: неплавящимся (угольным) электродом и плавящимся (металлическим) электродом. При этом все операции по управлению электрической дугой и присадочного материала выполняют вручную. Сварка неплавящимся угольным (графитовым) электродом изобретена русским инженером Н.Н. Бенардосом в 1882 г. Электрическая дуга горит между угольным электродом 1 и свариваемым изделием 2, где расплавляется как основной металл, так и в случае надобности присадочный материал 3 (рис. 5.4, б). После затвердевания сварочной ванны образуется сварочный шов. а б Рис. 4. Схема ручной дуговой электросварки: а – плавящимся электродом: 1 – металлический электрод; 2 – свариваемое изделие; б – неплавящимся электродом: 1 – угольный электрод; 2 – свариваемое изделие; 3 – присадочный материал Этим способом сваривают сталь толщиной до (1 … 2) мм, чугун, цветные металлы и производят наплавку твердых сплавов. Сварку производят только на постоянном токе при прямой полярности. Сварка плавящимся электродом изобретена русским инженером Н.Г. Славяновым в 1888 г. Электрическая дуга горит между металлическим электродом 1 и свариваемым изделием 2 (рис. 4, а). Свариваемый шов образуется за счёт расплавления электрода и кромок основного металла. Сварку ведут как на переменном, так и на постоянном токе при прямой и обратной полярности. Дуга переменного тока менее устойчива, чем постоянного тока. Электрод для дуговой сварки представляет собой стержень, предназначенный для подвода тока к сварочной дуге. Для дуговой электросварки применяют как плавящиеся металлические, так и неплавящиеся (угольные, графитовые или вольфрамовые) электроды. Угольные электроды выпускают в виде стержней диаметром от 5 до 30 мм и длиной от 200 до 300 мм. Для улучшения качества угольные электроды подвергают графитированию с помощью термической обработки при температуре 2600 0С. Графитовые электроды допускают сварку при плотности тока примерно в пять раз больше, чем угольные. Вольфрамовые электроды применяются при атомно-водородной сварке, сварке в среде защитного газа и в дуговой плазменной сварке. Металлические электроды выпускают в виде стержней длиной от 225 до 450 мм для ручной сварки и в виде бухт до 80 кг для полуавтоматической и автоматической сварки. Сварочная проволока диаметром от 0,3 до 12 мм выпускается из сталей 56 марок. Марки Св-08, Св-08А, Св-08ГА, Св-10ГА, Св-10Г2 применяются для сварки низко- и средне углеродистых сталей. Остальные марки применяют для сварки легированных сталей. Сварка «голым» электродом не даёт устойчивого горения дуги. Поэтому стержни покрывают обмазками. В зависимости от толщины электродные покрытия делятся на тонкие (стабилизирующие) с толщиной слоя обмазки от 0,1 до 0,3 мм и толстые (качественные) с толщиной слоя обмазки от 0,7 до 2,5 мм. Тонкие покрытия предназначаются для повышения устойчивости горения дуги. Они содержат мел, поташ, калиевую селитру, двуокись титана и другие вещества, обладающие способностью отдавать электроны в газовый столб дуги. Однако тонкие покрытия слабо защищают расплавленный металл от воздействия кислорода и азота воздуха и не повышают механических свойств шва. Из стабилизирующих – более простым является меловое покрытие, состоящее из (80 … 85) % мела и (15 … 20) % жидкого стекла (связующее вещество). Все ответственные сварочные работы производят электродами с качественными покрытиями. Они не только повышают устойчивость горения дуги, но и служат для: 1) создания вокруг дуги оболочки из газов и шлаков с целью защиты расплавленного металла от кислорода и азота воздуха; 2) образования шлаковой корки на поверхности ванны для замедления остывания металла шва; 3) раскисления металла шва и введения в его состав легирующих элементов, улучшающих механические свойства. С этой целью в состав покрытий, кроме стабилизирующих и связующих, вводят: газообразующие (древесная мука, крахмал, целлюлоза, пищевая мука и др.), шлакообразующие (марганцевая, титановая руда, полевой шпат, гранит и др.), раскисляющие (ферромарганец, ферросилиций, ферротитан, алюминий и др.) и легирующие (феррохром, ферротитан, ферромолибден и др.) вещества. Дуговая электросварка производится как на постоянном, так и на переменном токе. Источником питания дуги постоянным током служат сварочные генераторы, при сварке переменным током – сварочные аппараты, состоящие из понижающего трансформатора и дросселя (регулятора тока). В качестве источника постоянного тока применяют полупроводниковые выпрямители. Для выполнения ручной дуговой электросварки, кроме источника питания дуги необходимы: электродержатель, гибкий кабель, предохранительный щиток или маска и рабочий стол. Для зажигания дуги стальным электродом достаточно напряжение от 45 до 50 В, а угольным от 55 до 65 В. После установления дугового разряда напряжение падает и составляет от 18 до 25 В при стальных электродах и от 30 до 40 В – при угольных. Расстояние между свариваемым металлом и плавящимся электродом должно быть не более (0,6 … 0,8) диаметра электрода, где длина дуги составляет от 3 до 4 мм. Выше отмечено, что для питания дуги применяют специальные источники тока. Если при обычном питании током осветительных ламп, электродвигателей и других следует иметь постоянное напряжение в питающей сети в виде почти прямой линии (рис. 5.5, а), параллельной оси абсцисс, то при питании сварочной дуги того или иного типа необходим источник питания тока со специальной вольтамперной характеристикой (рис. 5.5, б). Опытная зависимость напряжения дуги от тока при постоянных значениях длины дуги имеет вид кривой линии (рис. 5, в). В случае использования силы тока, обычно применяемого при дуговой сварке, напряжение дуги почти не зависит от силы тока. Напряжение источника тока должно уменьшаться с увеличением сварочного тока, и пересекать в двух точках 1 и 2 характеристику дуги. В точке 1 происходит возбуждение дуги, а в точке 2 обеспечивается устойчивое её горение. В момент короткого замыкания в точке 3 напряжение источника тока уменьшается до нуля. Напряжение холостого хода и источника тока должно быть в (2,5 … 3) раза больше напряжения дуги и составлять при ручной дуговой сварке металлическим электродом постоянным током от 45 до 65 В, а переменным током от 55 до 100 В. Рис. 5. Внешние характеристики источника тока и сварочной дуги: а – при постоянном напряжении источника тока; б – при вольтамперной характеристике источника питания; в – при постоянных значениях длины дуги 1 – возбуждение дуги; 2 – устойчивое горение дуги; 3 – короткое замыкание Питание сварочной дуги при постоянном токе осуществляется от специального сварочного генератора. Сварочные генераторы подразделяются на однопостовые и многопостовые. Питание сварочных постов переменным током производится от сварочных трансформаторов, понижающих напряжение заводской сети (220 … 380) В до (60 … 65) В. При сварке переменным током падающую внешнюю характеристику получают включением последовательно с дугой в сварочную цепь достаточного индуктивного сопротивления. Это достигается включением во вторичную цепь трансформатора последовательно с дугой индуктивного сопротивления дроссельной катушки, отделённой от трансформатора. Сердечник дроссельной катушки состоит из двух частей – неподвижной, на которой имеются витки катушки, и подвижной, перемещаемой поворотом ручки. Электрическое сопротивление дроссельной катушки уменьшается при увеличении зазора S между подвижной и неподвижной частями сердечников, в связи с чем увеличивается сила тока в сварочной цепи; при уменьшении зазора между частями сердечника возрастает электрическое сопротивление дроссельной катушки и уменьшается величина сварочного тока. Режим ручной дуговой электросварки определяется диаметром электрода, величиной тока и длиной дуги (табл. 1). Длина дуги при работе металлическим электродом на (1,1 … 1,3) мм больше диаметра электрода, а при угольном электроде длина дуги не менее (6 … 15) мм. Таблица 1 Режим ручной дуговой сварки Диаметр электрода, мм от 1 до 1,5 от 1,5 до 2,5 от 2,5 до 4,0 от 4,0 до 6,0 от 5,0 до 8,0 Толщина металла, мм от 0,5 до 1,0 от 1,0 до 2,0 от 2,0 до 5,0 от 5,0 до 10 свыше 10,0 Сварку нижних швов сварщик выполняет тремя способами: 1) подаёт электрод горизонтально или вертикально по мере его расплавления для поддержания постоянной дуги; 2) перемещает его под углом от 15 до 20 0 к вертикальной оси шва в сторону движения для заполнения разделки кромок; 3) придаёт электроду колебательные движения поперёк шва для получения уширенного валика. Сила сварочного тока приближенно определяется по формуле I = k · d, (2) где I – сварочный ток, А; d – диаметр электрода, мм; k – коэффициент при сварке низкоуглеродистых сталей металлическим электродом от 45 до 60 А/мм, графитовым электродом от 18 до 22 А/мм и угольным от 5 до 8 А/мм. Автоматическая дуговая электросварка под слоем флюса обладает следующими особенностями. Электрическая дуга горит между концом голой электродной проволоки 3 и кромками свариваемого металла 2 под слоем флюса (рис. 6). Подача проволоки из кассеты 6 в зону дуги осуществляется сварочной головкой 5. Флюс засыпается в разделку кромок 1 впереди дуги из бункера 4. Сварной шов образуется либо в процессе перемещения головки относительно неподвижного изделия, либо при перемещении изделия относительно неподвижной сварочной головки со скоростью сварки. В процессе сварки часть флюса расплавляется и при остывании образует легко удаляемую шлаковую корку. Нерасплавленный флюс поступает обратно в бункер через сопло и шланг 7. Рис. 6. Схема автоматической дуговой сварки под флюсом: 1 – кромки свариваемого изделия; 2 – свариваемое изделие; 3 – электродная проволока; 4 – бункер с флюсом; 5 – сварочная головка; 6 – кассета с электродной проволокой; 7 – шланг Флюс обеспечивает изоляцию сварочной ванны от кислорода и азота воздуха, замедляет остывание шва, исключает потери металла на разбрызгивание, позволяет легировать сварочный шов, уменьшать объём наплавляемого металла, повышать глубину провара шва, экономить электроэнергию. По сравнению с ручной дуговой электросваркой производительность сварки увеличивается в (5 … 20) раз. Дуговая электросварка в среде защитных газов имеет следующие особенности. Изоляцию расплавленного металла от вредного воздействия кислорода и азота воздуха обеспечивают путем создания газовой атмосферы вокруг зоны сварки, что осуществляется дуговой электро сваркой в среде защитных газов. Из всех видов сварки наибольшее применение получили аргоно-дуговая сварка и сварка в среде углекислого газа. Аргоно-дуговую сварку выполняют неплавящимся вольфрамовым и плавящимся металлическим электродами. При сварке вольфрамовым электродом дуга 5 горит между вольфрамовым электродом 4 и металлом 1 (рис. 7, а). Защитный газ (аргон) 2 подаётся через кольцевой мундштук (держатель электрода) 3 и обволакивает зону дуги и сварочную ванну. Сварку ведут на постоянном токе прямой и обратной полярности и на переменном токе. Применяется для сварки коррозионных и жаропрочных сталей и сплавов, алюминия, меди, титана, циркония, тантала, ниобия и их сплавов, а также сплавов магния. а б Рис. 7. Дуговая электросварка в среде защитных газов: а – вольфрамовым электродом; б – металлическим электродом 1 – свариваемый металл; 2 – защитный газ; 3 – кольцевой мундштук; 4 и 6 – электроды; 5 – дуга Сварка металлическим электродом 6 производится на постоянном токе обратной полярности и целесообразна при сварке металла толщиной не менее 3 мм (рис. 5.7, б). При полуавтоматической и автоматической сварке сталей металлическим электродом применяют углекислый газ, который в (5 … 10) раз дешевле аргона. Электродную проволоку применяют с повышенным содержанием раскислителей – кремния и марганца. Сварку ведут на постоянном токе обратной полярности в любом пространственном положении. Электрическая контактная сварка выполняется следующим образом. Для нагрева свариваемых частей используется тепло, выделяемое при прохождении тока через место сварки. В месте контакта деталей наблюдается большое электрическое сопротивление по сравнению с другими участками цепи. После достижения в зоне сварки необходимой температуры, свариваемые части для их соединения сдавливают. Существует три вида контактной сварки: стыковая, точечная и роликовая. Для стыковой сварки, соединяемые части 1 (рис. 8) зажимают в контактных колодках (губках) 2 сварочной машины и пропускают через них ток большой силы, индуктирующийся во вторичной обмотке 3 трансформатора. В зоне контакта частей выделяется большое количество тепла и происходит нагрев их до термопластического состояния. Нагретые части сдавливают, и в месте их контакта происходит сварка; этот способ – сварка сопротивлением. Рис. 8. Стыковая сварка: 1 – свариваемый металл; 2 – контактные колодки; 3 – обмотка трансформатора Другие разновидности стыковой сварки: непрерывным и прерывистым оплавлением. При сварке непрерывным оплавлением ток включают, имея зазор между частями: при их сближении происходит выбрасывание искр и оплавление поверхностей на стыке. При последующем сжатии (осадке) частей жидкий металл и шлак вытесняются и части свариваются. Способом непрерывного оплавления сваривают легированные стали, а также разнородные металлы: медь и сталь, ковкий чугун и сталь, латунь и сталь, алюминий и медь и др. При сварке прерывистым оплавлением чередуют кратковременные (плотное и неплотное) соприкосновения свариваемых частей, После прогрева на нужную глубину части сдавливают. Этот способ применяют, когда мощность оборудования недостаточна для сварки оплавлением. Стыковая сварка возможна для сечений до 50 000 мм2 и более. При точечной сварке свариваемые части 1 зажимают между электродами 2, по которым пропускают ток большой силы от вторичной обмотки трансформатора (рис. 9). Вследствие большого сопротивления место контакта 3, свариваемых частей нагревается до термопластического состояния и под действием давления Р электрода происходит сварка. Электроды изготавливают водоохлаждаемыми из сплавов на медной основе. У многоточечных машин для сварки листов толщиной до 1,5 мм имеется до 50 электродов. Напряжение от 2 до 10 В; сила тока 700 А/мм2. а б Рис. 9. Точечная сварка: 1 – свариваемый металл; 2 – электроды; 3 – место контакта Роликовая (шовная) сварка используется для сварки листов толщиной 50 мм, при этом шов получается узким с ограниченной зоной термического влияния (рис. 10). Свариваемые части 1 пропускают между вращающимися роликами-электродами 2 шовной машины, через которые проходит ток, выделяющий тепло в месте соприкосновения частей. В результате этого образуется шов 3. Давление на ролики достигает 10 кН. Рис. 10. Шовная сварка: 1 – свариваемый металл; 2 – ролики-электроды; 3 – сварной шов Сварка плазменной струёй даёт хорошие результаты для тугоплавких металлов, нержавеющих сталей, её можно применять для соединения неметаллических материалов. Возможность широкого регулирования мощности плазменной струи обеспечивает сварку листов толщиной от 0,08 мм до материала взамен механической резки на станках. Носителем тепловой энергии при плазменной обработке является поток ионов, а также электрически нейтральных молекул и атомов, образующихся при пропускании аргона, азота, аммиака, других газов и их смесей, а также паров воды через дуговой разряд в дуговых плазменных горелках. Плазменная струя имеет температуру до 30 000 0С. Для плазменной обработки используют горелки с независимой дугой (косвенного действия, рис. 11, а) и горелки с зависимой дугой (прямого действия, рис. 11, б). а б Рис. 11. Плазменные горелки: а – с независимой дугой: 1 – вольфрамовый электрод; 2 – водоохлаждаемое сопло; б – с зависимой дугой: 1 – электрод; 2 – обрабатываемая деталь По первой схеме дуга образуется между вольфрамовым электродом 1 и водоохлаждаемым соплом 2 из меди или её сплавов. Струя ионизирующего газа сжимает столб дуги, придает ей вытянутую форму; ионизированный столб обеспечивает устойчивость электрического разряда, стабилизирует дугу. В этом случае плазменная струя вытекает из сопла горелки, образуя острый факел (подобно газовой сварке), и является независимым источником тепла, поэтому по такой схеме можно обрабатывать металлы, полупроводники и диэлектрики. По второй схеме могут обрабатываться только электропроводящие материалы. Плазменная струя совпадает с токопроводящим столбом дуги, которая образуется между электродом 1 и обрабатываемой деталью 2; тепловая мощность плазменной струи при этом выше. Наплавка плазменной струёй применяется главным образом для тугоплавких металлов (например, вольфрама, титана, их карбидов), причем можно получить весьма тонкий наплавленный слой. Помимо сварки, резки и наплавки плазменная струя используется для нанесения защитных и декоративных покрытий, получения тонких металлических нитей, мелкодисперсных порошков металлов, для термической обработки и других целей. Газовая сварка обладает следующими особенностями. Для расплавления кромок свариваемых деталей и присадочного материала используется теплота пламени, получаемого при сгорании смеси горючих газов или паров с кислородом. Кроме сварки газокислородным пламенем, производят также резку, пайку, поверхностную закалку и другие виды газопламенной обработки металлов. В качестве газообразных или парообразных горючих при газовой сварке применяют ацетилен, водород, метан, пары бензина, керосина и другие горючие материалы. Наибольшее распространение получил ацетилен, который по сравнению с другими горючими дает более высокую температуру и наибольшее количество тепла в рабочей зоне сварочного пламени. Технический ацетилен получают из карбида кальция СаС2 при его взаимодействии с водой. Реакция протекает с выделением большого количества тепла: CaC2 + 2H2O = Ca(OH)2 + C2H2 + О2. Выход ацетилена из 1 кг карбида кальция составляет от 230 до 280 л (теоретически 344,5 л). Ацетилен в больших объемах при давлении свыше 2 МПа/м2 взрывоопасен. Для повышения температуры сварочного пламени сжигание горючих газов производится в смеси с технически чистым кислородом, который получают из воздуха методом глубокого охлаждения – многократное сжатие до жидкого состояния, затем разделение, где используют более высокую температуру кипения кислорода (– 183 0С), чем азота (– 196 0С). Основным инструментом сварщика является газовая горелка, где происходит образование ацетилено-кислородной смеси и её сжигание. Сварочные горелки делятся на инжекторные (низкого давления) и безинжекторные (высокого давления). Наибольшее применение получили инжекторные горелки (рис. 12). В эту горелку кислород подаётся под давлением от 0,3 до 0,4 МПа/м2. Вытекая с большой скоростью из сопла инжектора 5, струя кислорода создает разряжение, обеспечивающее подсос ацетилена в смесительную камеру 4. Из смесительной камеры ацетилено-кислородная смесь через трубку 3 и мундштук 1 выталкивается в атмосферу, где, воспламеняясь, образует сварочное пламя. Для регулирования подачи газов горелка имеет вентили. Сменные наконечники горелки обеспечивают регулирование тепловой мощности сварочного пламени. Питание сварочной горелки ацетиленом осуществляется либо от баллона, либо от ацетиленового генератора, а питание кислородом – от кислородного баллона. Кислород хранится и транспортируется в стальных баллонах ёмкостью 40 л, который при давлении 15 МПа (150 ат) вмещает 6 м3 кислорода. Для понижения давления кислород от баллона проходит через редуктор и подается к горелке под давлением от 200 до 300 кПа. Рис. 12 Схема газосварочной инжекторной горелки: 1 – мундштук; 2 – наконечник; 3 – трубка; 4 – смесительная камера; 5 – инжектор; 6 – вентиль; 7 – подающий канал; 8 – вентиль; 9 – каналы Ацетилен в баллонах хранится и транспортируется растворенным в ацетоне, которым пропитана пористая масса (древесный уголь, асбест и др.), заполняющая баллон. Это необходимо потому, что чистый ацетилен в больших объёмах при давлении 200 кПа и более взрывоопасен. Растворенный ацетилен хранится в баллоне под давлением от 1500 до 1600 кПа. Для выпуска ацетилена из баллона открывают вентиль редуктора, при этом давление газа в баллоне понижается и ацетилен выделяется из растворителя. Давление ацетилена для питания горелки составляет от 0,001 до 0,002 МПа. Кислородные баллоны окрашивают в синий цвет, а ацетиленовые – в белый. Достоинством газовой сварки является простота оборудования и универсальность, позволяющая сваривать различные металлы. Недостатки газовой сварки – значительное падение производительности при увеличении толщины свариваемого металла, большая зона нагрева основного металла, низкая экономичность по сравнению с электродуговой сваркой. Газовая сварка применяется при изготовлении и ремонте изделий из стали толщиной от 1 до 3 мм, чугуна, алюминия, меди и её сплавов. В зависимости от соотношения ацетилена и кислорода в газовой смеси различают три вида ацетилено-кислородного пламени: нормальное (восстановительное), окислительное и науглераживающее (ацетиленистое). Нормальное пламя образуется при подаче в газовую горелку на 1 объём ацетилена от 1 до 1,3 объёма кислорода (рис. 13, а). Этот вид пламени не вызывает ни окисления расплавленного металла, ни насыщения его углеродом. В этом пламени различают три зоны: ядро 1, восстановительную (сварочную) зону 2 и факел 3. Ядро пламени резко очерчено и имеет ослепительно белый цвет. Оно состоит из несгоревшей ацетилено-кислородной смеси и продуктов распада ацетилена (водорода и углерода). Окружающая ядро восстановительная зона имеет синеватый цвет. В этой зоне происходит неполное сгорание ацетилена за счет кислорода, поступающего из горелки, с образованием водорода и окиси углерода. В восстановительной зоне на расстоянии от 2 до 6 мм от кольца ядра развивается максимальная температура, которая и используется для расплавления основного и присадочного материала. Сварочная зона пламени предотвращает расплавленный металл от окисления. В третьей зоне (факеле) за счёт кислорода воздуха происходит полное сгорание горючего газа с получением углекислого газа, паров воды и азота. Факел имеет желто-красный цвет. Нормальным пламенем сваривают стали и цветные металлы. Рис. 13. Схемы ацетилено-кислородного пламени: а – нормальное; б – окислительное; в – науглераживающее 1 – ядро; 2 – восстановительная зона; 3 – факел Пламя с избытком кислорода называется окислительным (рис. 13, б). В нём на 1 объём ацетилена приходится более 1,3 объема кислорода. Окислительное пламя имеет голубоватый оттенок и горит с шумом. Оно отличается укороченным ядром 1 и факелом 3. Рабочая зона 2 почти незаметна. Температура окислительного пламени выше нормального. Для защиты сварочной ванны от окислительного действия пламени сварку ведут с применением присадочной проволоки, содержащей повышенного количество раскислителей (марганца и кремния). Окислительным пламенем сваривают также латуни, так как образование на цинке окисной пленки приводит к уменьшению его испарения. Науглераживающее пламя (рис. 13, в) получается при соотношении ацетилена в газовой смеси (О2 : С2Н2 = 0,8 : 0,95). Оно характеризуется увеличенными размерами факела 2 и ядра 1. Сварочная зона сливается с ядром и практически незаметна. Пламя имеет желтый цвет и коптит. Этим пламенем сваривают чугун, а также напаивают твердые сплавы. Тепловая мощность сварочного пламени подбирается в зависимости от свариваемого материала и его толщины. Она измеряется расходом ацетилена в горелке (л/ч). При газовой сварке присадочный материал вводят под углом от 30 до 400 к поверхности детали независимо от её толщины. Применяют два способа данного вида сварки – левый и правый. При левой сварке горелку перемещают справа налево вслед за присадочной проволокой. В этом случае пламя направляется от свариваемого шва в сторону еще не заваренного соединения. Горелкой и присадочной проволокой совершают поперечные колебательные движения. Левый способ применяют для сварки металла толщиной до 3 мм, а правый – свыше 3 мм. Ось мундштука перемещается под углом к свариваемой поверхности. Этот угол колеблется от 20 0 (для сварки листов толщиной до 1 мм) до 80 0 (для сварки листов толщиной 15 мм и более). При правой сварке горелку перемещают слева направо впереди присадочной проволоки. Пламя при этом направлено на свариваемый шов и защищает шов от окисления. При правой сварке лучше используется тепло пламени, чем при левой сварке, повышается производительность и сокращается расход ацетилена. Сварка вертикальных швов производится обычно левым способом в направлении снизу вверх, а горизонтальных и потолочных швов – правым. Основным видом сварного соединения является встык, реже угловое соединение. Соединения тавровое и внахлёстку выполнять газовой сваркой не рекомендуется. Сварку электронным лучом производят в вакуумной камере фокусированным электронным лучом, при этом поверхность свариваемого материала бомбардируется электронами и их кинетическая энергия переходит в тепловую. Электронный луч имеет высокую плотность энергии и обеспечивает глубокое проплавление. Эту сварку применяют для магния, алюминия, вольфрама, молибдена и других металлов, а также неметаллических материалов. Сварку лазером можно производить в любой среде, проводящей свет. Источником теплоты для сварки является концентрированный световой луч, получаемый в установке, называемый лазером (оптический генератор). Сварка лазером применяется для малогабаритных изделий в приборостроении, например, при производстве микропечатных схем в радиоэлектронной промышленности. Лазером можно прошивать отверстия диаметром 5 мкм в алмазах, рубинах, твердых сплавах и др. Диффузионная сварка в вакууме производится при нагрева заготовок с помощью высокочастотных индукторов до температуры рекристаллизации свариваемых металлов и сжатия заготовок. В результате происходит взаимная диффузия в поверхностных слоях контактирующих материалов и прочное соединение частей. При диффузионной сварке детали не коробятся и соединения можно получить с высокой точностью размеров; свариваются разнородные металлы, металлы и сплавы, сплавы с неметаллами. Эту сварку применяют при изготовлении электровакуумных приборов, при производстве инструментов и других изделий. Сварку трением применяют чаще всего для стыковых соединений. Нагрев частей до пластического состояния производится за счет трения. Разогретые части сдавливаются (осаживаются) и свариваются. Сваркой трением соединяются однородные и разнородные металлы. Холодная сварка применяется для пластичных металлов. При больших давлениях (от 150 до 1000 МПа) в зоне контакта свариваемых частей возникают деформации, приводящие к разрушению поверхностных пленок, дроблению кристаллов, сближению материала частей до межатомных расстояний и образованию металлических связей. Около швов отсутствуют зоны термического влияния, поэтому холодную сварку применяют при изготовлении радио- и электротехнических изделий. Соединения могут быть стыковыми и нахлёсточными (с непрерывными и прерывистыми швами). Сварка взрывом применяется в основном для получения биметаллических изделий. Соединение частей (листов) происходит при направленном взрыве заряда взрывчатого вещества, вызывающем соударение этих частей. В поверхностных слоях соударяющихся частей металл течет подобно жидкости, диффундирует и сваривается. Таким образом, сварка взрывом в принципе аналогична холодной сварке; необходимое для сварки давление здесь обеспечивается за счет взрывной волны. Ультразвуковая сварка основана на преобразовании ультразвуковых колебаний в механические, которые вызывают в свариваемых частях деформации сдвига с одновременным нагревом на локальных участках. Это в сочетании с небольшим сдавливающим усилием от сварочного штифта приводит к срастанию частей и сварке. Этот способ применяют для соединения однородных и разнородных металлов и пластмасс. Термическую сварку производят с помощью термито-порошковой смеси алюминия с окалиной. Алюминий в окалине сгорает 8Al + 3Fe3O4 → 4Al2O3 + 9Fe. При горении термита температура возрастает до 3000 0С и выше. Алюминиевый термит применяют для сварки рельсов. Кузнечную (горновую) сварку применяют для низкоуглеродистых сталей. Она производится при температуре, близкой к точке солидуса (от 1400 до 1450 0С) при проковке свариваемых концов, наложенных один на другой. Дефекты сварных соединений снижают прочность детали или металлоконструкции, нарушают герметичность выполняемых посредством сварки емкостей, а также способствуют уменьшению надёжности эксплуатации данного узла или машины в целом. Дефекты по месту расположения в сварных швах бывают наружные и внутренние. Наружные дефекты практически обнаруживаются посредством внешнего осмотра выполняемого сварного соединения. К внешним дефектам, обнаруженным при внешнем осмотре сварных швов, относят следующие: наплывы, подрезы, наружные непровары и несплавления, поверхностные поры и трещины, поверхностные включения (рис. 14). а б в г д е Рис. 14. Виды дефектов в сварных соединениях: а – наплыв; б – непровар; в – поры; г – подрезы; д – трещины; е – включения Внутренние дефекты, которые обнаруживаются в процессе контроля сварных соединений посредством использования специальных методов неразрушающего и разрушающего характера, представляют собой скрытые трещины и поры, внутренние непровары и несплавления, шлаковые или металлические включения и др. Вероятность появления при выполнении сварки таких дефектов, как прожоги, непровары, наплывы и подрезы, обуславливаются, как правило, заранее неправильным определением режима сварки, а также нарушениями, связанными с неудовлетворительной подготовкой и последующей сборкой свариваемого стыка. Комплекс мер, связанных с предотвращением подобных дефектов сварных соединений, включает постоянный надзор за состоянием сварочного оборудования, за соответствием сложности выполнения сварочных работ уровню квалификации сварщиков, а также за соблюдением необходимых требований точности и технических условий, регламентирующих подготовительно-сборочные операции. В процессе выполнения сварки обязательным является обеспечение самоконтроля сварщиком соответствия текущих параметров сварки требуемому режиму, определяемому технологической картой на выполнение данной сварной конструкции. При выполнении дуговой сварки, необходимо не допускать отклонений от требований, предусматривающих правильную заварку кратеров, послойную тщательную зачистку сварных швов от шлака, а также своевременность выполнения термической обработки. Считаем, что необходимо более детально остановиться на рассмотрении дефектов сварных соединений, причин вызывающих их появление при сварке и радикальных средств, предотвращающих образования этих дефектов. Наиболее опасным дефектом, точнее одним из наиболее опасных, является непровар. Непровар – это местное несплавление основного и металла сварочного шва. Опасен непровар в сварных конструкциях тем, что в процессе последующей его эксплуатации данная локальная область будет являться концентратором напряжений. Следует указать, что величина возникающих местных напряжений может превышать в несколько раз величину общих напряжений в конструкции. В этом случае, аварийная ситуация наступает при значениях напряжений даже ниже расчетных, а значит и не прогнозируемых вообще при конструкторской разработке. Причинами непровара могут быть: малая величина сварочного тока; неправильный выбор полярности для данной марки электрода; неоправданно удерживаемая длинная дуга во время сварки; большая скорость перемещения электрода вдоль сварного шва; малый или большой угол скоса разделки кромок заготовки; неточности при сборке соединений под сварку (малая величина зазора), смещение и нагрев кромок; магнитное дутье при сварке на постоянном токе. Для предотвращения непровара предварительно производится контроль подготовительно-сборочных операций и технологического режима во время проведения сварки. В случае обнаружения в сварочном шве непровара производится подварка дефектных участков. Опасными и недопустимыми дефектами являются трещины. Причины появления трещин следующие: усадочные напряжения, превышающие предел прочности металла; сварка выполнена при недопустимо низких температурах; чрезмерно жесткое закрепление свариваемых элементов; структурные превращения в металле сварного шва и в зоне термического влияния; повышенное содержание в металле сварочного шва серы и фосфора; неоправданно большое количество швов в данном месте конструкции. Для устранения образовавшихся трещин в сварном шве выполняют вырубку металла и затем подварку данного участка сварного шва. Образование наплыва является превышение усиления сварного шва. Данный дефект приводит к уменьшению надежности работы данной конструкции в условиях динамического характера нагрузок в процессе эксплуатации. Причиной появления данного дефекта, как правило, является низкая квалификация сварщика. Наличие в сварном шве подрезов вызывается неправильным поперечным движением конца электрода в процессе сварки, что объясняется также низкой квалификацией сварщика. Причинами подреза могут быть: большая величина сварочного тока; неправильное направление сварочной дуги. Наплывы и подрезы исправляются удалением дефектных мест с последующей их подваркой. Кроме уже перечисленных дефектов сварных соединений могут иметь место еще такие, которые связаны с изменением структуры наплавленного металла. Таким дефектом является пережог. Пережог – это окисление наплавленного металла по границам зерен. Причины его образования: медленное движение электрода вдоль сварного шва; большая величина сварочного тока. Другим дефектом является прожог. Прожог – это сквозное проплавление металла. Причины прожога следующие: большая величина сварочного тока; медленное перемещение конца электрода вдоль шва; неправильный выбор диаметра электрода по отношению к толщине свариваемого металла; большой зазор между свариваемыми кромками заготовок; малый угол разделки кромок заготовок. Еще одним дефектом структурного характера является шлаковые включения в металла сварного шва. Шлаковые включения - это наличие в металле сварного шва неметаллических веществ (шлаковых частиц). Причиной этого могут быть: тугоплавкость и повышенная вязкость шлаков, образующихся при расплавлении покрытия электрода; недостаточное раскисление металла шва; неудовлетворительная очистка поверхности сварного шва при многослойном выполнении сварного шва; затекание шлака в процессе сварки в зазор между свариваемыми кромками заготовок. Все эти дефекты структурного характера удаляются и производится подварка дефектных мест. Меньшей опасностью обладают поры в металле сварного шва. Они имеют округлую форму и поэтому не служат явными концентраторами напряжений, количество пор может допускаться в определенных пределах, регламентируемых технической документацией на изготавливаемое сварное изделие. Причины образования в металле сварного шва пористости: наличие газов в металле к моменту окончания процесса кристаллизации; взаимодействие оксида железа с углеродом стали (самораскиление); наличие влаги в покрытии электрода или во флюсе; наличие оксида железа на кромках свариваемых заготовок. При перечислении внутренних дефектов сварных швов среди других были названы и металлические включения. Металлические включения в металле сварного шва – это могут быть частицы вольфрама, диффундирующие в жидкий металл сварочной ванны в процессе сварки вольфрамовым электродом. Появление такого дефекта вызывается проведением сварки при обратной полярности, усугубляясь при достаточно большом превышении величины сварочного тока по сравнению с оптимальной величиной. И в заключение изложения вопроса о дефектах сварных швов необходимо уделить должное внимание выяснению степени опасности тех или иных дефектов. Так, например, наличие непровара в металле шва до четверти от исходной толщины металла при низких температурах (до – 45 0С) вызывает уменьшение временного сопротивления растяжению в 2 раза и пластичности более чем в (3 … 4) раза. По этой причине для деталей ответственного назначения наличие дефектов в сварных швах вообще не допускается. Для узлов и конструкций общего назначения дефектные места в обязательном порядке удаляются и производится последующая подварка. Более двух исправлений дефектных мест не допускается в виду опасности перегрева и пережога металла заготовок в области зоны термического влияния. 2. Резка материалов Резка представляет собой процесс разделения исходных материалов на части (куски) заданных размеров и требуемой степени шероховатости их торцевых поверхностей. Необходимость применения данного вида сварочных технологий возникает, как правило, на начальном этапе выполнения работ ремонтного характера, при обслуживании технологического оборудования, а так же в процессе раскроя и подготовки материалов к сварке. Для выполнения этих технологических операций в промышленности наибольшее применение нашли следующие виды термической резки металлов и неметаллических материалов: огневая резка (кислородная и кислородно-флюсовая), плазменная резка, лазерная резка. Огневая резка осуществляется газовым пламенем или электрической дугой. Наибольшее распространение имеет газовая кислородная резка, применяемая в основном для получения заготовок из листового и сортового проката. Сущность газовой кислородной резки состоит в сквозном прожигании прогретого металла струей кислорода, перемещаемой по заранее намеченному контуру. Процесс этого метода резки состоит из трёх последовательно осуществляемых стадий: нагрева металла в месте реза до температуры воспламенения в кислороде, сгорание его в струе кислорода, расплавления образующихся окислов и выдувания их из места разреза струей режущего кислорода. Для нагрева металла в процессе резки используют те же горючие газы, что и при газовой сварке. Чаще всего металл нагревают ацетилено-кислородным пламенем. Кислородная резка осуществляется на обычном газосварочном оборудовании, лишь вместо газовой горелки применяются специальные резаки. Резак в отличие от горелки не только подает по каналу 2 газовую смесь для нагрева металла, но и имеет дополнительный канал 1 для подведения режущей струи кислорода (рис. 15). Рис. 15. Резак для кислородной резки: 1 – канал подведения струи кислорода; 2 – канал подачи газовой смеси Кроме ручной резки широко применяется резка на полуавтоматах и автоматах. Газовой кислородной резке могут подвергаться только металлы, у которых: а) температура сгорания в струе кислорода ниже температуры плавления; б) температура плавления их окислов ниже температуры плавления металла. Этим требованиям удовлетворяют железо, титан, углеродистые стали с содержанием углерода до 0,7 %, низколегированные стали. Чугун, большинство легированных сталей, алюминий, медь и их сплавы кислородной резке не поддаются. Эти металлические материалы режут кислородно-флюсовой резкой, характеризующейся подачей в режущую струю кислорода флюсов (порошков железа), при сгорании которых выделяется дополнительное тепло. При электродуговой резке металл расплавляется в зоне реза электрической дугой. Этим способом можно резать любые металлы и сплавы. Резку ведут как на постоянном, так и на переменном токе. Применяя то же оборудование, что и для электросварки. Электродуговая резка как по качеству, так и по производительности значительно уступает газовой кислородной резке. Она используется лишь для грубой разделки металла (резка лома и др.). Плазменная резка представляет собой резку металла посредством использования плазмы, получаемой в плазмотроне. В процессе плазменной резки металлов используют термическую плазму с температурой (5 … 30)·103 0С. Такую плазму используют для резки в аппаратах, называемых плазмотронами. В плазмотронах получают плазму посредством продувки газа через электрическую дугу. Формируемая в плазмотроне сжатая цилиндрическая струя истекает при скоростях равных скорости звука. При плазменной резке производится непрерывное расплавление материала струёй плазмы с одновременным удалением расплава, что и способствует получению области реза. По этой причине в стартовом положении плазменная струя, касаясь металла, расплавляет его и удаляет из зоны реза посредством продувки расплавленный металл. В последующий момент режущая плазменная струя поступательно перемещается по заданному прямолинейному или возможно криволинейному контуру, что, в конечном счёте, приводит к получению заготовки в соответствии с требуемыми размерами согласно чертежу. Частицы материала из реза удаляются потоком струи. Технологический процесс плазменной резки металлов состоит из следующих последовательно выполняемых операций: 1) начало резки – врезание с торца заготовки или с пробивки стартового отверстия; 2) непосредственно резка металла по прямолинейному или фигурной конфигурации маршруту; 3) окончание резки – заключительная операция. Режим плазменной резки металлов включает следующие основные параметры: рабочая среда (плазмообразующая); диаметр и длина сопла; расстояние от сопла до поверхности заготовки; рабочее напряжение дуги; рабочий ток; расход рабочей среды; скорость резки. Предел увеличения скорости плазменной резки ограничивается тем, что начиная с какой-то критической скорости разрезаемый металл не получает сквозного прорезания. В случае уменьшения скорости резания, сквозное прорезание становится стабильным процессом, но кромки реза имеют большие отклонения от перпендикулярности. Кроме этого, становится неизбежным увеличение степени шероховатости кромок, а также имеет место значительная по размеру зона термического влияния. При скоростях примерно в (1,5 … 2) раза меньше максимально достижимых процесс плазменной резки приобретает стабильность и устойчивость, обеспечивая при этом получение требуемой перпендикулярности кромок и необходимой степени шероховатости поверхностей кромок, что в отдельных случаях исключает последующую их механическую обработку. Плазменная резка даёт чистую поверхность и точные размеры по резу. Разрезают как толстые листы (например, алюминия до 100 мм, нержавеющей стали до 60 мм), так и тонкие. При микроплазменной резке струя имеет форму острой иглы; эта резка весьма эффективна при фигурном раскрое тонкого листового материала. Используется для сварки листов толщиной до 2 мм – из углеродистых сталей и до 1,5 мм – из нержавеющей хромистой стали, латуни, бронзы и алюминиевых сплавов. Лазерная резка получила преимущественное распространение в различных отраслях промышленности среди технологий лазерной обработки материалов. Данное обстоятельство объясняется следующими специфическими свойствами технологии лазерной резки металлов, часть из которых присуща только этому способу, а ряд других становятся таковыми при сопоставлении с аналогичными способами резки металлов. По сравнению с традиционно используемыми источниками тепловой энергии в таких технологических процессах как кислородная, кислородно-флюсовая и плазменная термические способы резки, достаточно точно сфокусированный лазерный луч более чем на порядок обеспечивает повышение плотности энергии на предельно узкой площади воздействия. Качество кромок заготовок после лазерной резки сопоставимо по степени шероховатости только с деталями после механической обработки на металлорежущих станках, а по сравнению с другими способами термической резки – на порядок выше. После лазерной резки получают уже не полуфабрикат – заготовки для их последующей обработки, например, механической, а готовые детали. Важным отличительным свойством лазерной резки является практически отсутствие термических деформаций в обрабатываемом металле и минимальные размеры зоны термического влияния. И, наконец, процесс лазерной резки металлов является безотходным и используется для обработки широкого ассортимента металлического проката, а также целого ряда не металлических материалов: от пластмасс и резины до тканей и кож, причём ширина реза находится в пределах от 0,1 до 0,3 мм, предельные отклонения размеров деталей ± (0,05 … 0,2) мм, а степень шероховатости торцевых стенок реза составляет от 10 до 40 мкм. Достижение таких достаточно высоких показателей резки материалов закономерно предполагает и высокий уровень автоматизации производства с использованием роботов и роботизированных комплексов. Технологический процесс лазерной резки представляет собой одновременное воздействие на материал заготовки сфокусированного посредством линзы или объектива лазерного излучения и вспомогательного газа. При лазерной резке протекают последовательно следующие процессы: нагрев материала выше температуры плавления, окисление металла с экзотермическим эффектом, частичное испарение продуктов расплавления и окисления, окончательное удаление продуктов разрезания с образованием полого пространства (реза) в заготовке. При лазерной резке металлов процесс получения реза может быть стационарным и не стационарным, практически в промышленной технологии резки преимущественное распространение получил процесс с нестационарным характером формирования полости реза металла заготовки. В качестве вспомогательного газа используют кислород, что, в свою очередь, позволяет снизить удельные затраты энергии излучения, а также интенсивно обеспечить удаление образующихся продуктов из области реза. Неметаллические материалы в процессе лазерной резки под термовоздействием плавятся или разлагаются. Плавятся при разрезании лазерным лучом керамика, стекло, бетон, а разлагаются при резке термопласты, натуральные ткани, резины и др. Для резки плавящихся материалов необходимы затраты большего количества тепла, чем для разлагающихся материалов. Для лазерной резки неметаллических материалов используют лазерное излучение с более низкими значениями параметров, чем для резки сталей и сплавов цветных металлов. Это объясняется тем, что неметаллические материалы, как правило, обладают меньшими удельными энергиями разрушения, имеют меньшие коэффициенты теплопроводности и температуропроводности. Технологический процесс лазерной резки неметаллических материалов имеет свои существенные отличительные черты от техпроцесса резки металлических материалов. Тонкослойные материалы, такие как ткани, кожа перед резкой укладывают в стопы, что резко увеличивает производительность подготовительных операций, например, при пошиве верхней одежды на предприятиях крупнейших фирм во Франции, Германии и Великобритании. Следует указать, что качество резки разлагающихся материалов достигается при меньших плотностях мощности излучения, чем плавящихся. Ширина реза для неметаллических материалов в (1,5 … 2) раза больше, чем для металлических при одинаковой исходной толщине; шероховатость при этом находится в пределах от 30 до 40 мкм. Точность резки регламентируется функциональным назначением и толщиной данной детали. Скорость лазерной резки составляет от 0,15 до 0,25 м/с в процессе изготовлении металлических деталей и полуфабрикатов. При лазерной резке неметаллических материалов скорость составляет от 0,5 до 1,0 м/с. В случае использования для резки лазерной техники при различной величине мощности установок толщина материала может колебаться от 4 до 15 мм для стальных заготовок и от 20 до 50 мм – для пластмасс. 3. Пайка материалов Сущность процесса пайки заключается в образовании неразъёмного соединения изделий и деталей с помощью специальных металлов или сплавов – припоев называют пайкой. При пайке металлов до плавления доводят только относительно легкоплавкий припой, а температура нагрева паяемых деталей должна быть примерно на (50 … 80) 0С выше температуры плавления припоя. Соединение частей основного металла происходит вследствие взаимной диффузии между расплавленным припоем и предварительно нагретым основным металлом. Для успешного хода диффузии необходима также чистота соединяемых поверхностей. Для этого их предварительно очищают механическим путем. В процессе пайки они дополнительно очищаются с помощью флюсов, которые служат также и для защиты припоя от окисления кислородом воздуха или пламенем во время паяния. Средства для нагрева мест пайки следующие: нагретые паяльники (простые, газовые и электрические), пламя паяльной лампы или горелки, нагревательная печь, электронагрев (пропускание тока или индукционный), погружение в расплавленный припой или в соляную ванну. В зависимости от температуры плавления припоя различают пайку мягкими и твёрдыми припоями. К мягким припоям относятся такие, температура плавления которых не превышает 400 0С, а механические свойства, как правило, довольно низкие (b до 70 МПа); поэтому спаянную деталь не следует подвергать механическим нагрузкам. В качестве мягких припоев применяют сплавы легкоплавких металлов: свинца, олова, висмута, кадмия, чаще всего свинца и олова. Наиболее легкоплавким сплавом в системе Pb–Sn является эвтектический, содержащий 62 % олова и 38 % свинца, т. е. приблизительно 1/3 свинца; поэтому в производстве он получил название третника, а его стандартное обозначение ПОС-61 (припой оловянно-свинцовый, 61 % Sn). На практике находят применение припои ПОС-90, ПОС-50, ПОС-30, ПОС-40, застывающие в интервале температур от 250 до 180 0С. Кроме оловянно-свинцовых мягких припоев применяют оловянно-цинковые припои: ПОЦ-90, ПОЦ-70, ПОЦ-60 и ПОЦ-40, из которых припой ПОЦ-90 является эвтектическим с температурой застывания около 200 0С. В качестве флюсов при пайке применяют канифоль, хлористый цинк или смесь его с хлористым аммонием и др. К твёрдым припоям относят такие, температура плавления которых от 600 до 1083 0С, а прочность спая высокая (σb от 400 до 500 МПа). К этим припоям относят чистую медь и сплавы меди с цинком и серебром. Наиболее часто применяют медно-цинковые припои марок ПМЦ-42, ПМЦ-47, ПМЦ-52, которые содержат соответственно 42, 47 и 52 % меди и застывают в интервале температур от 890 до 830 0С. При пайке изделий особо ответственного назначения применяют медно-серебряные припои, такие, как ПСр-10, ПСр-25, ПСр-72, содержащие соответственно 10, 25 и 72 % серебра (остальное медь и цинк). В качестве флюсов используют буру, борную кислоту и их смеси, хлористый цинк и другие. Пайке поддаются все углеродистые и легированные стали, в том числе инструментальные и коррозионно-стойкие, твердые сплавы, серые и ковкие чугуны, большинство цветных металлов и сплавов, а также металлов с неметаллическими материалами. Если пайка производится в нейтральной, восстановительной или защитной атмосфере в специальных печах или в вакууме, то можно обойтись без применения флюсов. Пайка алюминия с применением ультразвука выполняется специальным ультразвуковым паяльником, который присоединяется к высокочастотному генератору, вследствие чего в паяльнике подведенное высокочастотное магнитное поле преобразуется в механическую вибрацию паяльника. Части, подлежащие соединению пайкой, нагреваются до температуры плавления припоя. Далее на них паяльником наносится оловянный припой. Вследствие вибрации паяльника высокой частоты (20 000 Гц) происходит отрыв пленки оксидов от поверхности, подлежащей пайке, которая в виде мелких кусочков всплывает на поверхность припоя; одновременно происходит облужение спаиваемых поверхностей, предохраняющее их от окисления. Далее производят пайку. Контрольные вопросы 1. В чём заключается сущность процесса сварки? 2. Какие существуют виды сварных соединений и швов? 3. Каким образом реализуются способы дуговой электросварки? 4. В чём состоит сущность электрической контактной сварки? 5. Какими способами осуществляются процессы сварки и наплавки плазменной струёй? 6. Какие особенности имеют способы газовой сварки? 7. В чём заключается сущность процессов сварки электронным лучом и лазером? 8. Какими особенностями обладают технологии диффузионной и холодной видов сварки? 9. В чём состоит сущность процессов сварки трением и взрывом? 10. Какие особенности имеют способы ультразвуковой, термической и кузнечной сварки? 11. Какие дефекты сварных соединений возникают в процессе сварки? 12. В чём заключается сущность процессов резки материалов? 13. Какие особенности имеют процессы пайки материалов?