Особенности сварки тугоплавких металлов и сплавов

К тугоплавким относят металлы с температурой плавления выше, чем температура плавления железа (1535 °С). За исключением титана все тугоплавкие металлы относятся к редким элементам. Однако их применение в технике быстро расширяется в связи с ценными свойствами. Наиболее тугоплавкими являются вольфрам, рений, тантал и осмий. В качестве жаропрочных наибольшее применение имеют сплавы на основе ниобия, тантала, молибдена, вольфрама. Показателями свариваемости тугоплавких металлов являются:

а) активность по отношению к атмосферным газам как в расплавленном, так и в твердом состояниях при повышенных температурах;

б) сопротивляемость образованию технологических трещин и трещин замедленного разрушения;

в) чувствительность к теплофизическому воздействию сварочного процесса, которая определяется, склонностью к росту зерна, протеканием структурных и фазовых превращений при охлаждении и старении, неоднородностью свойств соединения; г) чувствительность к образованию пор;

д) соответствие свойств сварных соединений эксплуатационным требованиям. Свариваемость тугоплавких металлов определяется: а) химической активностью; б) растворимостью примесей внедрения и чувствительностью к ним; в) типом кристаллической решетки, полиморфизмом; г) типом и степенью легирования; д) теплофизическими свойствами.

Главным технологическим требованием при сварке тугоплавких металлов является изоляция от атмосферы расплавленного металла и металла, нагреваемого в процессе сварки до температур начала его реакции с газами; для этого следует использовать инертные газы высокой чистоты (аргон высшего сорта по ГОСТ 10157–73, гелий по ВЧ МРТ4 51-04–65) или вакуум при давлении не выше 310^-4 мм рт. ст. Наряду с защитой необходима тщательная подготовка деталей под сварку: зачистка (не допускаются расслоения, заусенцы и другие дефекты), травление для удаления поверхностных окислов, промывка, сушка, обезжиривание, обезвоживание. Наряду с металлом необходимо очищать и обезвоживать сварочные приспособления и инструменты. В связи с высокой чувствительностью тугоплавких металлов и особенно сплавов к термическому циклу (склонность к росту зерна, перегреву, структурным превращениям с образованием промежуточных фаз) сварку нужно производить на режимах, обеспечивающих оптимальные свойства и формирование соединения.

Для соединения тугоплавких металлов применяют преимущественно сварку плавлением: дуговую в среде инертных газов (в камерах и со струйной защитой); электронно-лучевую, вакуумно-дуговую, полым катодом, лазерную; под флюсом (для титана). Для некоторых изделий используют контактную сварку, диффузионную, ультразвуковую, взрывом, трением, холодную давлением, химическим осаждением металла из жидкой фазы. В отличие от сталей ручная дуговая сварка жаропрочных металлов покрытыми электродами не нашла широкого применения в связи с высокой активностью и чувствительностью к примесям большинства этих металлов.

Технологичность сварных конструкций.

Требования к технологичности конструкции учитываются при проектировании сварных конструкций. Технологичностью называется такой подбор конструкции заготовки, который обеспечивает: а) простоту и удобство ее изготовления применяемыми в технике способами сварки при различных режимах; б) применение высокопроизводительных способов сварки; в) автоматизацию и механизацию наибольшего количества операций процесса сварки; г) низкую себестоимость и высокое качество изготовления сварной конструкции за счет повышения производительности труда и механизации операций, экономии сварочных материалов, обеспечения минимального уровня искажений формы под влиянием тепловых и механических воздействий.

Технологичность сварной конструкции достигается за счет соответствующего выбора металла и формы свариваемых элементов, типа сварного соединения, способов сварки и применения мероприятий по снижения сварочных напряжений и деформаций.

Выбор материала.

Выбор металла осуществляется с учетом не только его эксплуатационных свойств, но и свариваемости или возможности применения технологических мероприятий, обеспечивающих хорошую свариваемость изготавливаемой конструкции. При проведении сварки металл испытывает термические, механические и химические воздействия, что приводит к изменению состава, структуры и свойств различных зон основного металла вблизи сварного шва. В связи с этим механические и эксплуатационные свойства металла в зоне сварного шва могут отличаться от таких же свойств основного металла.

Чтобы свойства сварного шва не отличались от свойств основного металла, при проектировании необходимо выбирать металлы, имеющие хорошую свариваемость. Такими металлами являются спокойные низкоуглеродистые стали, многие низколегированные стали, некоторые сплавы цветных металлов, при использовании которых не вводятся ограничения на вид и режим сварки.

При использовании металлов с пониженной свариваемостью неблагоприятные изменения свойств металла сварного шва минимизируются за счет применения способов и режимов сварки, оказывающих наименьшее термическое, механическое и химическое воздействия на металл. Кроме того, следует проводить технологические мероприятия, уменьшающие влияние на металл сварочных воздействий, например, подогрев, принудительное охлаждение и т.д.

Выбор типа соединения и формы свариваемых элементов.

Выбор типа сварного соединения и геометрических параметров шва ведется в зависимости от способа сварки, толщины свариваемых деталей и условий эксплуатации конструкции.

Стыковые соединения (рис. 19.1 а) отличаются высокой прочностью, как при статических, так и динамических нагрузках. Их применяют для сварки элементов из листового материала, а также угловых профилей, швеллеров и двутавровых балок.

Рис.19.1 Типы сварных соединений:

а — стыковые; б — угловые; в — тавровые; г — нахлестанные; д — торцовые; 1—20 — номера по порядку (не по ГОСТу); d — диаметр точечного шва

Тавровые соединения (рис. 19.1 в) применяется при изготовлении балок, стоек, колонн, каркасов зданий и др. пространственных конструкций. Если конструкции при работе не испытывают знакопеременных и ударных нагрузок, то сварные соединения следует вести с разделкой кромок.

Соединение внахлестку (рис. 19.1 г) применяют при сварке листовых конструкций, разного рода обшивок, строительных ферм и др. решетчатых конструкций. Такие соединения менее и прочны по сравнению со стыковыми при знакопеременных и ударных нагрузках, требуют повышенного расхода металла. Однако отличаются простотой сборки под сварку и не требуется разделка кромок. Эти соединения выполняют чаще всего фланговыми швами. Длина шва обычно не превышает 50 К (К – катет шва).

Угловые соединения (рис. 19.1 б) представляют собой частный случай тавровых. Их, как правило, применяют в качестве связующих элементов.

Точечные соединения выполненные контактной точеч­ной сваркой, применяют чаше всего в листовых изделиях толщиной стенки до 20 мм, для сварки арматурных стержней. Конструкция точечного соединения определяется числом рядов, диаметром точек d_T (мм), значения которых выбирают в зависимости от толщины соединяемых листов S (мм). При S  3 мм d_T=1,2S+4 мм. При S  3 мм d_T=1,5S+5 мм, а также шагом t=3d_T мм, расстоянием от центра точки до края листа в направлении действующей силы t₁=2d_T мм, расстоянием от центра точки до края листа в направлении, перпендикулярном к действующей силе t₁=1,5d_T мм и расстоянием между точками .

Выбор способа сварки.

Способ сварки выбирается в зависимости от размера и формы соединяемых элементов, расположения швов в соединении, физико-химических свойств свариваемых металлов, возможности механизации и автоматизации сварочных операций.

Выбор режима сварки. Режим сварки – совокупность параметров процесса сварки, обеспечивающих получение швов заданных размеров, формы и качества. Режим сварки выбирается в зависимости от способа сварки, типа соединения, формы разделки кромок, толщины металла или катета углового шва, а также условий эксплуатации конструкции.

Для ручной дуговой сварки основными параметрами режима сварки являются: диаметр электрода (d_Э, мм), сила сварочного тока (I_СВ, А) и скорость сварки ( V_СВ, м/ч)

Диаметр электрода выбирают в зависимости от толщины свариваемого металла (табл. 19.1).

Таблица 19.1

Зависимость диаметра электрода от толщины свариваемого металла

S, мм	1,5	3	4..5	6..8	9..12	13..15	16..20
dЭ, мм	1,6	2;3	3;4	3..5	3..5	3..5	3..5

Электроды диаметром 2 и 3 мм применяют при сварке изделий толщиной менее 4 мм и для подварки корня шва. Вертикальные швы варят электродами диаметром не более 5 мм, потолочные – не более 4 мм.

Силу сварочного тока выбирают в зависимости от диаметра электрода. Для сварки в нижнем положении ее определяют по формуле:

I_СВ=Кd_Э,

где К – коэффициент пропорциональности, зависящий от диаметра и типа электрода, А/мм (табл. 19.2).

Таблица 19.2

Зависимость коэффициента пропорциональности от диаметра электрода

dЭ, мм	1…2	3…4	5…6
К, А/мм	25…30	30…45	45…60

При наложении вертикальных и горизонтальных швов силу сварочного тока уменьшают на 5...10 %, а потолочных – на 10...15 % по сравнению с расчетными значениями тока при сварке в нижнем положении. Правильный выбор сварочного тока обеспечивает наибольшую глубину проплавления и высокое качество шва. Завышенные значения силы тока вызывают подрезы, прожоги. Кроме того, это приводит к перегреву электрода и растрескиванию его покрытия, разбрызгиванию металла и ухудшению формы шва.

Параметрами режима механизированной сварки под слоем флюса являются сила сварочного тока, диаметр электродной проволоки, род тока, скорость подачи электродной проволоки и скорость сварки.

При механизированной сварке в среде углекислого газа основными параметрами режима являются, диаметр электродной проволоки, вылет электрода, сила сварочного тока и расход углекислого газа.

Диаметр электродной проволоки выбирают в зависимости от толщины свариваемой стали и др. факторов по справочной литературе.

Оптимальное значение вылета электрода находится в пределах Ι5...25 мм. При сварке с вылетом менее 15 мм быстро изнашивается мундштук горелки, при сварке с вылетом более 25 мм повышается разбрызгивание металла и ухудшается качество шва.

Силу сварного тока выбирают в зависимости от диаметра электродной проволоки (табл. 19.3).

Таблица 19.3

Зависимость коэффициента пропорциональности от диаметра электрода

dЭ, мм	0,8	1,0	1,2	1,6	2,0	2,5
IСВ, А	50…100	70…120	90…150	140…300	200…500	300…700

Выбор сварочного оборудования.

В качестве источников питания сварочной дуги при ручной дуговой сварке на постоянном токе применяют сварочные генераторы,и полупроводниковое выпрямители, на переменном токе – сварочные трансформаторы.

При сварке механизированной используется сварочные автоматы и полуавтоматы. Выбор типа и марки сварочного оборудования зависит от способа сварки, пространственного положения шва, его длины и условий сварки.

В последнее время широкое распространение получили инверторные источники питания. Основное их достоинство – компактность.

Сущность обработки металла резанием. Элементы резания. Режимы резания

Резание металла является в настоящее время самым распространенным способом окончательного формообразования деталей машин и, несмотря на появление принципиально новых способов формообразования, такое положение сохранится еще не одно десятилетие.

Это определяется:

– широкими возможностями формообразования (резанием можно получить как форму простейшего ступенчатого валика, так и форму лопатки турбины);

– относительно низкими энергозатратами процесса;

– высокой точностью и низкой шероховатостью поверхностей, достижимой в процессах резания;

– достаточно широким спектром обрабатываемых материалов;

– возможностью применения универсального режущего инструмента;

– наличием широкой номенклатуры оборудования, обеспечивающего получение различных по форме поверхностей.

К существенным недостаткам процесса следует отнести:

– большой, в ряде случаев, отход материала в виде стружки;

– низкую производительность;

– сложности автоматизации (из-за сложной кинематики процесса и трудностей контроля параметров изделия в процессе резания).

Физические основы резания металлов. Процесс резания состоит в отделении слоя материала заготовки за счет внедрения в неё режущего клина инструмента.

Основные методы. Для получения заданной формы, размеров и чистоты поверхности обрабатываемой детали и (или) инструменту необходимо сообщить определенные движения – рабочие движения станка. Кроме того, станки имеют вспомогательные движения, необходимые для установки детали, быстрого подвода и отвода инструмента, изменения положения детали, смены инструмента и т. п.

Рабочее движение подразделяется на главное – движение с наибольшей скоростью, необходимое для осуществления резания, и движение подачи (одно или несколько), необходимое для получения заданной формы и чистоты поверхности.

Как главное движение, так и движения подачи могут быть вращательными, поступательными (возвратно-поступательными) или комбинациями этих двух движений и могут сообщаться как детали, так и инструменту. Каждая из таких комбинаций определяет схему обработки. Аналогичные схемы дают метод обработки и в основном определяют группу станков. Так, группа токарных станков характеризуется следующими движениями: главное – вращательное движение заготовки; движение подачи – поступательное движение инструмента (резца).

У фрезерных станков главным является вращательное движение инструмента, а движения подачи сообщаются, как правило, детали.

На рис. 21.1 приведены схемы некоторых видов обработки, при этом даны обычно принятые обозначения главного движения стрелкой V и движения подачи стрелкой S. Индексы соответствуют продольной, поперечной или круговой подаче.

В настоящее время практически используются далеко не все из возможных комбинаций движения.

Скорость главного движения, или скорость резания, при вращательном движении лезвийного инструмента определяется по формуле:

 = Dn/1000 м/мин,

где D – наибольший диаметр обрабатываемой поверхности заготовки или инструмента, мм; n – число оборотов заготовки или инструмента в минуту.

Поверхности обрабатываемой детали. На обрабатываемой детали различают три вида поверхностей – обрабатываемую, обработанную и поверхность резания.

Рис. 21.1. Некоторые виды обработки.

а – продольное точение; б – сверление; в – фрезерование; г – строгание на поперечно-строгальном станке; д– строгание на продольно-строгальном станке; е – наружное круглое шлифование; ж – плоское шлифование

Обрабатываемая поверхность 2 – поверхность заготовки, подлежащая обработке; обработанная поверхность 1 – поверхность, полученная после прохода режущего инструмента; поверхность резания 3 – поверхность, получаемая при непосредственном движении режущего лезвия инструмента (промежуточная между обрабатываемой и обработанной поверхностями).

Если обрабатываемая поверхность имеет произвольную форму, то обработанная должна приближаться к заданной геометрической форме. Наиболее сложной, как правило, является поверхность резания. Так, при точении обычным проходным резцом поверхность резания является винтовой конической; шаг ее равен величине подачи. При малой подаче эту поверхность условно можно принять как поверхность усечённого конуса.

Режим резания. Элементами режима резания являются скорость резания v, глубина резания t и подача S.

Рис. 21.4. Элементы режима резания

При токарной обработке (рис. 21.4) глубина резания t равна расстоянию между обрабатываемой и обработанной поверхностями, измеренному в радиальном направлении:

t = (D–d)/2,

Подача s (мм/об) – перемещение резца за один оборот заготовки.

Элементы режима резания определяют площадь сечения срезаемого слоя, т. е. F = tS, мм², но при одинаковой площади сечения его форма может быть различна в зависимости от угла φ и формы режущего лезвия.

Процесс резания более точно характеризуется шириной b и толщиной а срезаемого слоя.

, которые могут быть найдены по формулам:

b = t/sin; a = Ssin.

На рис. 21.4 следует обратить внимание на образование остаточного гребешка, геометрическая высота которого зависит от подачи s, углов φ и φ₁. Фактически высота неровностей значительно больше и зависит еще от скорости резания и пластических свойств металла. На рис. 21.4 условно показан один гребешок. Очевидно, что такие гребешки будут на всей обработанной поверхности.

Процесс стружкообразования.

Образование стружки является сложным процессом деформации металла режущим клином, который, внедряясь в металл, производит все виды деформации – упругую, пластическую и разрушение.

Впервые процесс стружкообразования был исследован проф. И. А. Тиме, уточнен К. А. Зворыкиным, Я. Г. Усачевым и детально разработан в трудах советских ученых И. И. Зорева, А. П. Еремина, А. М. Розенберга и др. Ниже рассматривается лишь принципиальная схема стружкообразования (рис. 21.5).

Рис. 21.5. Образование стружки (по Тиме)

В начальный момент (a) внедрения резца в металл под действием усилия Р возникает сложное напряженное состояние с упругими, а затем пластическими деформациями и постепенным увеличением напряжений сжатия. Нарастание пластической деформации (б) сопровождается вспучиванием материала и дальнейшим увеличением напряжений до критических, когда происходит отделение (скалывание) элемента стружки (в). Затем процесс повторяется. Проф. И. А. Тиме назвал процесс резания процессом последовательного скалывания элементов срезаемого слоя. Им же впервые было обнаружено, что скалывание элемента происходит по вполне определенной плоскости АВ (рис 21.5.г), которая была на звана плоскостью скалывания. Расположение плоскости скалывания в пространстве вполне определенно, угол, который она составляет с плоскостью резания, названный углом скалывания φ, является для всех вязких материалов величиной постоянной, равной 145…150 °.

Угол скалывания состоит из двух углов – угла резания δ и угла, заключенного между передней поверхностью резца и плоскостью скалывания, или угла действия η. Поскольку угол φ есть величина постоянная, то очевидно, что с увеличением угла δ уменьшается угол η, а следовательно, возрастает степень деформации металла. Это явление сопровождается не только возрастанием усилия резания, но и увеличением усадки, т. е. укорочением стружки, связанным с пластической деформацией и утолщением по сравнению с сечением среза.

Усадку стружки k определяют как отношение пути резца L_o к средней длине стружки L (k = L₀/L). Величина k колеблется от 1 для хрупких материалов до 8 для очень вязких.

И. А. Тиме предложил классификацию типов стружки, разделив ее на сливную, скалывания и надлома.

Сливная стружка (рис. 21.6.а) получается при обработке вязких материалов с высокими скоростями резания при небольших подачах. На ней трудно выделить отдельные элементы, она может быть в виде ленты или спирали. Сливная стружка, имея острые зазубренные края, может травмировать рабочего, загромождает проходы, трудно транспортируется и плохо брикетируется. Все это заставляет принимать различные методы стружкозавивания и стружкодробления, начиная от изменения геометрии инструмента и режимов резания вплоть до создания специальных устройств (экранные защитные стружколоматели, колебательные системы, создающие прерывистое резание и т. д.).

Рис. 21.6. Типы стружки

Стружка скалывания (рис. 21.6.б) получается при обработке более твердых материалов с более низкими скоростями резания и большими подачами, имеет достаточно четкие границы отдельных элементов, которые продолжают оставаться соединенными между собой, образуя гладкую подрезцовую сторону.

Стружка надлома (рис. 21.6.в) имеет отдельные, не связанные между собой элементы, получаемые за счет хрупкого разрушения срезаемого слоя при обработке твердых и непластичных материалов (чугун, бронза, ряд неметаллических материалов). При образовании стружки надлома очень трудно получить хорошую чистоту обрабатываемой поверхности, на которой остаются отдельные впадины.

Приведенная классификация не ставит четких границ между отдельными типами стружек. Одним из основных факторов, определяющих вид стружки, является скорость деформации материала, т. е. скорость резания.

Деформация вязких металлов передней поверхностью резца сопровождается во многих случаях образованием заторможенного слоя – нароста, имеющего высокую твердость и вследствие сильного разогрева приваренного (прилипшего) к передней поверхности инструмента. Нарост изменяет геометрию режущей части резца, а также толщину срезаемого слоя. В процессе резания нарост постепенно увеличивается. Одновременно увеличиваются силы, стремящиеся сдвинуть нарост. В какой-то момент происходит срыв нароста, который частично уходит со стружкой, частично приваривается к обработанной поверхности.

Образование и срыв нароста ухудшают чистоту поверхности и во многих случаях ведут к выкрашиванию режущей кромки резца. Борьба с наростом ведется путем улучшения чистоты передней поверхности инструмента, увеличения передних углов, применения смазывающе-охлаждающих жидкостей. Однако наиболее радикальным средством является изменение скорости резания. Зоной интенсивного образования нароста является скорость 10…40 м/мин (для обычных конструкционных сталей). Увеличение скорости до 80…100 м/мин, всегда сопровождаемое повышением температуры в зоне резания, ведет к исчезновению нароста. Нарост не образуется и при низких скоростях резания (5…6 м/мин).

Классификация металлорежущих станков.

По общности технологического метода обработки различают станки: токарные, фрезерные, сверлильные и др.

По назначению различают станки: широкоуниверсальные, универсальные, широкого назначения, специализированные, специальные.

Универсальные станки обрабатывают разнотипным инструментом различающиеся по размерам, форме и расположению поверхностей заготовки.

Широкоуниверсальные – предназначены для выполнения особо широкого разнообразия работ.

Станки широкого назначения характеризуются однотипностью применяемого инструмента.

Специализированные станки предназначены для обработки однотипных заготовок различных размеров.

Специальные станки предназначены для выполнения определенных видов работ на заготовках одинаковых размеров и конфигурации.

– по массе: легкие (до 1 т ), средние (до 10 т ), тяжелые (свыше 10 т ) и уникальные (свыше 100 т ).

– по степени автоматизации: с ручным управлением, полуавтоматы и автоматы.

– по компоновке основных рабочих органов: горизонтальные и вертикальные.

В общегосударственной единой системе (ЭНИМС) станки разделяются на 10 групп и 10 типов. В группы объединены станки одинаковые или схожие по технологическому методу обработки. Типы характеризуют их назначение, степень автоматизации, компоновку.