Конспект лекций_Соединения элементов МК

1.1.4. Соединение цементами

Этот способ соединения материалов, в основном неметаллических, используется в стро-

ительной технике. Затвердевание цементов, соединяющих камни, кирпич, бетон проис-

ходит за счет химических реакций. Цементы обычно взаимодействуют с соединяемым материалом.

1.2. Развитие сварки в производстве сварных конструкций

Существующие ныне различные способы и виды сварки возникли не одновременно, не-

которые из них были известны человечеству еще в далекие времена, другие стали из-

вестны совсем недавно.

Еще в бронзовый век человек научился паять и сваривать плавлением, так называе-

мым способом промежуточного литья. Образцы соединенных таким образом изделий из золота, серебра и бронзы имеют возраст 5000-5500 лет.

С появлением железа стала быстро развиваться сварка в твердой фазе, или сварка давлением, в виде так называемой кузнечной или горновой сварки. Изделия, сваренные таким образом, имеют возраст до 3500 лет.

Крупный скачок в развитии сварки связан с появлением новых источников тепла для нагрева металла: электрический ток, газокислородное пламя, термитная реакция. Пер-

вым был применен электрический нагрев.

Электрический ток для нагрева металла при сварке может быть использован различ-

ным способом. По масштабам применения и промышленному значению электродуговая сварка является наиболее важным видом сварки, в создании и совершенствовании кото-

рого видная роль принадлежит ученым и инженерам нашей страны.

Основоположниками открытия сварочной дуги и применения ее для сварки являются русские ученые и инженеры В.В. Петров, Н.Н. Бенардос и Н.Г.Славянов.

Впервые открытая в 1802г. проф. Петровым В.В. электрическая дуга долгое время не могла быть примененной на практике из-за отсутствия необходимых источников тока.

Только в 1849г. дуга Петрова зажглась на башне Адмиралтейства, осветив Петербург-

ские улицы.

В 1876г. известный электротехник Н.Н. Яблочков решил задачу автоматического ре-

гулирования дуги, осветив своей «свечой» улицы Парижа и Лондона.

Н.Н. Бенардос, талантливый изобретатель, является родоначальником всех сущест-

вующих способов дуговой сварки, а также электрической контактной сварки. В 1882г.

он впервые в мире использовал дуговой разряд для соединения и разъединения металлов

9

непосредственным действием электрического тока, т.е. дуговой сварки и резки металлов

(дуга между изделием и угольным электродом, питание от специально построенной ак-

кумуляторной батареи). Н.Н. Бенардос является автором всех основных видов электро-

дуговой сварки, наиболее широко распространенной сейчас, и многих других (~100)

изобретений в различных областях техники: сварка металлическим электродом, в т.ч. и с применением флюса; сварка косвенно действующей дугой, горящей между двумя или несколькими электродами; магнитное управление дугой; сварка в струе газа; электриче-

ская контактная точечная и стыковая сварка.

Н.Н. Бенардосом были изобретены автоматы для сварки угольным электродом и ме-

таллическим. Дальнейшее совершенствование дуговой сварки связано с именем крупно-

го русского инженера Н.Г. Славянова, который в 1888г. предложил способ сварки ме-

таллическим электродом, впервые спроектировал и построил специальные сварочные генераторы. Его работы положили начало развитию теории сварочных процессов, в ча-

стности, металлургических основ электродуговой сварки.

Отсталость царской России не позволила реализовать возможности, открытые изо-

бретениями Н.Н. Бенардоса и Н.Г. Славянова.

Только после Великой Октябрьской социалистической революции электродуговая сварка нашла широкое промышленное применение. Новый этап в истории сварки начи-

нается с 1929г., когда было принято постановление Совета Труда и Обороны о развитии сварочной техники. Это постановление позволило создать материально-техническую ба-

зу для разработки и внедрения передовых методов сварки в СССР, начать подготовку кадров специалистов по сварке.

В строительных конструкциях сварку в СССР впервые широко начали применять на новостройках страны (Магнитогорский и Кузнецкий металлургический комбинаты, з-д «Азовсталь» и др.) в 1929-1930 гг. Сварные конструкции изготовляли из малоуглероди-

стых сталей с применением электродов со стабилизирующими покрытиями. Примене-

ние сварки давало экономию 10-20%. Для сварки арматуры применяли главным образом контактную сварку. Качество сварных соединений получалось низким ( шв 0,6 ),

соединения проектировались по типу клепаных, концентрация напряжений в сварных соединениях не учитывалась.

Во второй половине тридцатых годов темпы развития сварки в конструкциях возрос-

ли. Появились более качественные электроды с толстыми покрытиями, дающие более качественные сварные соединения ( шв 0,9 ), покрытия которых выполнены на ру-

дах кислого типа.

В конце тридцатых годов произошел коренной поворот в развитии сварки. Благодаря выдающейся деятельности академика Е.О. Патона и Института электросварки (ИЭС) АН УССР была разработана автоматическая сварка под флюсом в ее современном виде. С 1940г. в СССР этот способ сварки получил промышленное применение и благодаря вы-

10

соким технико-экономическим показателям стал основным из механизированных спо-

собов сварки (ИЭС разработал технологию изготовления рулонных заготовок резервуа-

ров). В совершенствовании и внедрении этого метода большая заслуга принадлежит также ЦНИИТМаш, ВНИИЭСО, кафедрам сварки УПИ, ЛПИ, МВТУ им. Баумана и пе-

редовым заводам страны; зарубежным фирмам США, Англии и т.д.

Разработка электрошлаковой сварки (ИЭС им. Патона) значительно изменила техно-

логический процесс изготовления конструкций из металла больших толщин.

В конце сороковых годов промышленное применение получил метод сварки в среде защитных газов, а в начале 50-х годов - в углекислом газе на основе работ НИАТ,

ЦНИИТМаш,ИЭСи др.Крометого, совершенствовались идругие способыиметодысварки.

Развитие атомной энергетики и ракетостроения потребовало применения в сварных конструкциях новых марок специальных сталей и сплавов. Появились и внедряются но-

вые методы сварки: электроннолучевая, ультразвуковая, диффузионная в вакууме, в

контролируемой атмосфере, сварка трением, токами высокой частоты и др. Интенсивное развитие получили прогрессивные способы резки металлов: кислородный, газоэлектри-

ческий, газофлюсовый, плазменный и др.

Для этого периода характерным является разработка и внедрение в промышленность механизированных и автоматических поточных линий и участков по изготовлению сварных конструкций.

Выпуск сварочного оборудования в 1962г. по сравнению с 1958г. возрос более чем в

3 раза и превзошел темпы роста США и ФРГ. В 1963г. уровень механизации сварочных работ в строительстве достиг 22%, а в строительной индустрии - 62,4%. К концу 1970г.

уровень механизации сварочных работ в строительстве был доведен до 40%.

В 1960г. на Днепропетровском ЗМК им. Бабушкина введена в эксплуатацию поточ-

ная линия двутавровых балок, а также участок сборки и сварки газгольдеров постоянно-

го объема.

11

1.3 Характеристика основных способов сварки

1.3.1. Сварка давлением

Сварка давлением включает следующие способы: холодная сварка, ультразвуковая сварка, кузнечно-горновая, газопрессовая (с последовательным нагревом или с одно-

временным нагревом), электрическая контактная сварка (стыковая, точечная, шовная),

индукционная сварка (при наличии газовой атмосферы или диффузионная в вакууме),

термитная давлением и др.

а) Холодная сварка. Две тщательно очищенные у стыка пластины обжимают шайба-

ми, исключающими выпучивание при деформации (дет.1), затем вдавливают пуансоны из твердого металла. При этом металл пластин сильно деформируется и течет вблизи поверхностей раздела. Ювенильные поверхности войдут в соприкосновение и между ними возникнут межатомные силы сцепления. При таком способе степень деформации зависит от свойств металла, свойств пленок окислов и схемы деформирования, а также глубины вдавливания пуансонов. Этот способ применим для пластичных металлов (Al, Cu, Ag, Ni) при соединениях внахлестку и встык (рис. 1.3)

а)

б)

Рис. 1.3. Холодная сварка:

а – процесс деформирования; б – сварное соединение; 1 – свариваемые детали; 2 – обжимные шайбы; 3 – пуансоны; 4 – зубки пуансонов; 5 – углубление в деталях вследствие пластического деформирования

б) Ультразвуковая сварка. Разрушение поверхностных окисных пленок и проявление межатомных сил сцепления может произойти при местной деформации поверхностей в месте контакта при введении в металл ультразвуковых колебаний (рис.1.4).

12

а)

б)

Рис. 1.4. Ультразвуковая сварка:

а – процесс постановки точки; б – сварное соединение; 1–генератор колебаний; 2–пуансон; 3–свариваемые детали; 4–опора; 5–сварное соединение.

Генератор 1, дающий частоту 8-15 кГц, и пуансон 2 приводят к разрушению окислов,

некоторому местному повышению Т (~350°С) и свариванию. Таким способом сварива-

ют при точечной и шовной контактной сварке тонкие листы (0,05-0,6мм) или тонкие с толстыми.

в) Кузнечно-горновая сварка. Это самый древний способ, имеющий сейчас ограни-

ченное применение. После разогрева в горне металла до температуры сварочного жара

(1100-1300°) осуществляют сварочную операцию ручной или механизированной про-

ковкой. Очистка окислов производится механическим способом и флюсованием (для ос-

тавшихся) – бура Na2B4O7, поваренная соль NaCl, речной песок SiO2.

г) Газопрессовая сварка. Принцип газопрессовой сварки аналогичен кузнечно-

горновой с использованием для нагрева пламени газообразных горючих. Осуществляет-

ся как с последовательным нагревом от участка к участку с соответствующей их про-

ковкой или статическим сдавливанием (чаще продольные швы, газовое пламя Т=1800°С) так и с одновременным нагревом сечения свариваемых элементов и их по-

следующим одновременным сдавливанием (кольцевые швы, ацетилено-кислородное пламя, Т =3000°С).

д) Электрическая контактная сварка. Этот способ сварки один из самых важных и используется преимущественно в массовом иди серийном производстве однотипных из-

делий. Этот способ основан на разогреве металла проходящим по нему током. Количе-

ство выделяемого в металле тепла определяется законом Джоуля-Ленца: Q=0,24·I·U·t=0,24·I2·R·t,

где Q – кол-во тепла, кал; I – сила тока, А; U – напряжение, B; R – сопротивление, Ом; t – время, сек.

В последовательной цепи на участке большего сопротивления (место контакта дета-

13

лей) выделяется и большее количество тепла. Выбором соответствующей мощности для различных деталей можно обеспечить их быстрый нагрев (0,003÷10 сек.) и сварку по-

следующим обжатием. При этом, ввиду большой электропроводности и малого удель-

ного сопротивления металлов необходимо пользоваться большими токами – до несколь-

ких тыс., даже десятков тыс., ампер при очень малом напряжении (U = I·R, U ≈ 2-6

вольт). Обычно используют переменный ток с применением силовых понижающих трансформаторов с регулятором.

Контактная сварка подразделяется на несколько видов, причем электрическая часть машины во всех случаях примерно одинакова. Основные способы: стыковая, точечная и шовная контактная сварка, а также рельефная.

Стыковая сварка осуществляется по двум схемам: сварка сопротивлением и сварка оплавлением. При сварке сопротивлением свариваемые детали 1 соосно зажимают в не-

подвижном (2) и подвижном (3) устройствах машины. Под некоторым давлением они приводятся в контакт друг с другом и включением трансформатора (4) через контактор

(прерыватель) 5 обеспечивается замыкание цепи. После нагрева до температуры сварки

(сварочного жара) давление увеличивается до осадочного - происходит пластическое деформирование нагретого металла для осуществления сварки (рис.1.5).

Рис. 1.5. Контактная стыковая сварка:

1 – свариваемые детали; 2 – подвижный электрод; 3 – неподвижный электрод; 4 – сварочный трансформатор машины; 5 – контактор (прерыватель)

При сварке оплавлением напряжение на детали подается, когда между ними зазор.

При медленном сближении элементов 1 появляется контакт между отдельными точками торцов, приводящий к оплавлению всей поверхности. В нужный момент контактором 5

выключают ток и нагретые поверхности сдавливают. При этом выдавливается расплав-

ленный металл, и твердые (в пластическом состоянии) нагретые объемы металла свари-

ваются. Таким способом сваривают стержни, трубы, полосы, рельсы, звенья цепей и т.д.

14

Точечная сварка. Применяется для соединения деталей внахлестку t ≤ 5-6мм. Детали зажимают между двумя электродами с выпуклой поверхностью до контакта, включают контактором трансформатор; металл разогревается выделенным теплом, образуя ядро литого металла. Ток выключают, увеличивают сдавливание, после затвердевания жид-

кого металла происходит сваривание в районе литой точки (рис. 1.6).

Рис. 1.6. Контактная точеная сварка:

1 – электроды; 2 – свариваемые детали; 3 – сварочный трансформатор; 4 – контактор; 5 – сварная точка

Шовная сварка. В принципе осуществляется так же как точечная, обеспечивая плот-

но-прочные герметические швы. Это достигается последовательной постановкой ряда точек с частичным перекрытием последующей точкой предыдущей. Электроды выпол-

нены в виде роликов, которые при вращении протаскивают свариваемые элементы меж-

ду собой, а периодическое включение тока приводит к последовательной сварке точек.

е) Индукционная сварка. В этом случае металл до сварочной температуры нагревает-

ся токами высокой частоты с помощью специального индуктора, имеющего форму, со-

ответствующую форме нагреваемой детали. С помощью индукционного нагрева металл нагревают до расплавления и осуществляют плавлением, но практически требуется при-

ложить осадочное давление, когда достигнута температура сварочного жара (рис.1.7).

Рис. 1.7. Индукционная сварка:

1 – свариваемые детали; 2 – индуктор

15

ж) Диффузионная сварка в вакууме. Применяется для сварки химически активных металлов. Для защиты от воздействия O2; N2 воздуха применяют вакуумные камеры с вакуумом 10-3-10-5мм рт.ст. После достижения такого вакуума осуществляют индукци-

онный нагрев и дают осадочное давление.

з) Термитная сварка. Термитами называют порошкообразные или зернистые смеси,

состоящие из металла с большой теплотой образования окисла (Al, Mg) и окисла метал-

ла с меньшей теплотой образования (Fe, Cu - окислы). Наиболее известный термит – Al

и железная окалина Fe3O4.

При сгорании смесь дает восстановленное железо и окись алюминия, нагреваясь до Т =3000°С, с выделением большого количества тепла.

3Fe3O4+8Al=4Al2O3+9Fe+Q.

1кг смеси дает при сгорании 750 ккал тепла. Изделие, которое нужно сварить, за-

формовывают и нагревают до начала красного каления с одновременной прокалкой формы. Термитную смесь сжигают в тигле, и после отстойки расплав разделяется на два слоя: нижний - жидкое железо, верхний - жидкий шлак, в основном из Al2O3. Этим рас-

плавом заливают заформованное изделие, расплавляя кромки изделий, сплавляя их с ме-

таллом из тигля (сварка плавлением) или же только разогревая их кромки до сварочного жара и производит сварку путем сдавливания разогретых частей (сварка давлением). В

тигель иногда добавляют присадки: например, ферромарганец. Таким способом свари-

вают рельсы, стальные трубы, чугунные детали.

1.3.2. Сварка плавлением

Включает следующие способы: газовая сварка, дуговая, электрошлаковая, электронно-

лучевая и др.

1) Газовая сварка плавлением. При этом способе источником тепла является высоко-

температурное пламя горючих газов, из которых наибольшую температуру дает (свыше

3000°С) ацетилено-кислородное пламя (рис. 1.8, а).

При местном нагреве сосредоточенным пламенем кромки двух деталей могут быть расплавлены, образуя ванну. При движении пламени вдоль стыка металл под ним будет расплавляться, а позади пламени (вследствие охлаждения) затвердевать, образуя свар-

ной шов между деталями. При соответствующем режиме можно получить необходимое проплавление металла и рабочее сечение шва. Для обеспечения равнопрочности соеди-

нения требуется сквозное проплавление металла, поэтому при большой толщине листов кромки обрабатывают под сварку, а объем разделки заполняют расплавленным приса-

дочным материалом в виде прутка, подаваемого при сварке в пламя и расплавляющегося вместе с основным металлом.

16

а)

б)

Рис. 1.8. Сварное соединение:

а– газовая; б – дуговая;

1– свариваемое изделие; 2 – присадочный металл; 3 – сварочная горелка; 4 – электрод; 5 – жидкий металл; 6 – наплавленный металл

2)Электрическая дуговая сварка. При дуговой сварке нагрев металла осуществляется сварочной дугой. При устойчивом длительном протекании тока через ионизированный газовый промежуток между двумя электродами, подсоединенными к источнику пита-

ния, выделяется тепловая и световая энергия (рис.1.8.б).

Температура, развиваемая дугой очень высока (6000-30000°С) и значительно превы-

шает температуру плавления различных конструкционных материалов. Дуговой разряд для сварки металлов применяют при различных формах его использования.

Сварка независимой дугой. Осуществляется нагревом металла дугой, горящей между

2-мя или 3-мя неплавящимися электродами, подключенным к разным полюсам источни-

ка. Изделие в электрическую цепь не включено, и дуга горит независимо от свариваемо-

го изделия. Нагретые газы столба дуги контактируют с поверхностью металла, нагрева-

ют и расплавляют его. Дуга воздействует на изделие аналогично газосварочному пламе-

ни, а сама операция сварки производится так же. Сварку ведут как без присадок, так и с добавлением присадки, подаваемой в дугу в виде прутка (рис. 1.9).

17

Рис. 1.9. Сварка независимой дугой:

1 – сварочная дуга; 2 – электрод; 3 –свариваемое изделие; 4 – жидкий металл

Сварка неплавящимся электродом выполняется, когда свариваемое изделие включе-

но в цепь дуги и является одним из его полюсов, а вторым полюсом является неплавя-

щийся (угольный, графитовый или вольфрамовый) электрод. За счет тепла дуги изделие,

а также присадочный металл, расплавляются. Эффективность сварки таким способом значительно выше предыдущего способа. Способ имеет довольно широкое применение.

Сварка плавящимся электродом. (Прямое действие дуги). Этот способ наиболее эф-

фективен и имеет высокий к.п.д. Дуга питается как постоянным, так и переменным то-

ком. Чаще к электроду присоединяют отрицательный полюс источника тока, к изде-

лию – положительный (это прямая или нормальная полярность). Присоединение плюса к электроду дает обратную полярность. Выполняется сварка плавящимся электродом по такой же схеме, как и при неплавящемся электроде. Металлический электрод является одновременно источником присадочного металла. Сварка плавящимся электродом мо-

жет выполняться (см. рис.1.10):

а) открытой дугой, когда металл в области действия дуги не защищен от воздействия воздуха или защищается от его воздействия специальными веществами (газо- и шлако-

образующими), вносимыми с электродом в виде покрытия.

б) закрытой дугой, когда место горения ее закрыто порошкообразным флюсом, пла-

вящимся теплом дуги и образующим шлак; дуга горит при этом в пространстве, изоли-

рованном слоем шлака и нерасплавленного флюса (в газовом пузыре). Этот метод защи-

ты характерен для механизированной сварки – автоматической и полуавтоматической под слоем флюса.

в) дугой, защищенной от воздуха специальной газовой защитой – углекислым газом,

аргоном или гелием. Этот способ относится к способам сварки в среде защитного газа.

18