Огневая резка материалов

Огневая резка, как и механическая, делит материал на части. К огневым способам резки можно отнести газо­вую, электродуговую и плазменную.

Газовую резку, являющуюся одним из самых распро­страненных видов огневой резки, применяют для метал­лов и сплавов, которые удовлетворяют следующим тре­бованиям: температура плавления металла должна быть выше его температуры воспламенения в кислороде; тем­пература плавления оксида металла должна быть ниже температуры плавления самого металла (в противном случае тугоплавкая пленка оксида будет препятствовать плавлению); невысокая теплопроводность металла, так как интенсивный отвод теплоты из зоны резки также препятствует плавлению металла. Исходя из этих требо­ваний, газовую резку целесообразно применять для угле­родистых сталей с содержанием углерода до 0,7% и не­которых низколегированных сталей с содержанием леги­рующих компонентов до 5%.

Газовую резку обычно используют при раскрое ли­стовой стали, профильного проката и получении фа­сонных заготовок. Она позволяет разрезать заготовки толщиной до 300 мм.

Газовая резка выполняется специальными режущими горелками-резаками, которые несколько отличаются от сварочных горелок. Резка может быть ручной и машин­ной. При машинной резке, осуществляемой на автоматах и полуавтоматах, механизировано перемещение резака, что повышает точность и производительность процесса. Машины могут иметь один или несколько резаков, поз­воляющих резать материал по прямой линии или любому фасонному контуру. В последнем случае резак переме­щается по шаблону.

Для металлов, не поддающихся обычной газовой ре­зке (чугуна, меди, латуни, хромоникелевых сталей), при­меняют кислородно-флюсовую резку. Этот процесс осу­ществляется при введении в зону резки порошкооб­разных флюсов, состоящих в основном из железного порошка и кварцевого песка. Флюс, сгорая в кислороде, повышает температуру в зоне реза, разжижает тугоплав­кие оксиды, частично переводит тугоплавкие оксиды в более легкоплавкие соединения. Кроме того, частицы флюса, выходя из сопла резака с большой скоростью, механически удаляют с поверхности реза тугоплавкие оксиды.

Сущность электродуговой резки заключается в том, что металл плавится за счет теплоты электрической дуги и удаляется из зоны реза струей воздуха (воздушно-дуго­вая резка) или кислорода (кислородно-дуговая). При электродуговой резке используются угольные или метал­лические электроды. Этот способ уступает газовой резке по качеству поверхностей, производительности и приме­няется для грубой предварительной отрезки, удаления де­фектных участков сварных швов, удаления заклепок и т. п.

Сварка давлением

Электрическая контактная сварка. При этом методе свариваемые заготовки предварительно нагреваются электрическим током большой плотности, проходящем через их поверхности. Сила тока достигает сотен и тысяч ампер, происходит интенсивное выделение теплоты в ме­сте контакта свариваемых поверхностей, металл перехо­дит в пластичное, а иногда расплавленное состояние. По­сле этого ток отключают и осуществляют сжатие свариваемых заготовок, способствующее взаимодей­ствию атомов металлов и образованию сварного соеди­нения.

Надежность и высокое качество сварного соединения, высокий уровень механизации и автоматизации процесса, обеспечение высокой производительности труда позволи­ли широко использовать электроконтактную сварку в промышленности. Этим методом получают более 30% сварных соединений, что уступает лишь электродуговой сварке.

Различают три основных вида электрической контакт­ной сварки: стыковую, точечную и шовную.

Стыковая сварка выполняется на специальных машинах, которые могут быть ручного и автоматическо­го действия. Заготовки 7 и 2 (рис. 18,36), соединяемые встык, закрепляют в контактных колодках (зажимах) 3 и 5, к которым подводится электрический ток от вторич­ной обмотки трансформатора 4. Стыковую сварку разде­ляют на сварку оплавлением и сварку сопротивлением.

При сварке сопротивлением соединяемые заготовки сжимаются небольшим усилием для обеспечения контак­та по свариваемым поверхностям. Затем включается электрический ток. В зоне контакта выделяется наиболь­шее количество теплоты, торцы заготовок нагреваются, и в зоне нагрева металл переходит в пластическое со­стояние. После этого ток отключают, а заготовки сжи­мают. В результате образуется сварное соединение. Для получения высококачественного сварного соединения не­обходимо тщательно обрабатывать стыкующиеся по­верхности. Сварку сопротивлением применяют для не­ответственных конструкций небольшого сечения (диамет­ром до 20 — 25 мм), изготовляемых из низкоуглеродистых сталей.

При сварке оплавлением заготовки сближают при включенном трансформаторе. Происходит постепенный контакт по небольшим площадкам поперечного сечения, в которых металл плавится благодаря выделению значи­тельного количества теплоты при прохождении тока вы­сокой плотности. По мере сближения заготовок обеспе­чивается их контакт по всему поперечному сечению, и поверхности стыка равномерно оплавляются. После этого заготовки сжимаются. При этом методе стыкую­щиеся поверхности предварительно не обрабатываются, а оксидные пленки выдавливаются в процессе сжатия из зоны сварки, обеспечивая высокую прочность сварного соединения. Расход электроэнергии при этом методе меньше по сравнению со сваркой сопротивлением за счет уменьшения площадок контакта. Стыковую сварку опла­влением применяют для получения ответственных соеди­нений, заготовок сложной формы с большой площадью поперечного сечения, а также для сварки разнородных материалов (например, быстрорежущей инструменталь­ной и углеродистой и конструкционной сталей).

Точечную сварку применяют для соединения заготовок внахлестку, свариваемых в отдельных точках. В зависимости от количества электродов на сварочной машине можно одновременно получить одну или несколь­ко точек. Свариваемые заготовки 2 (рис. 18.37) для обеспе­чения их контакта зажимаются силой между двумя стержневыми медными электродами 1 и 3, к которым подводится электрический ток от вторичной обмотки трансформатора 4. Включается электрический ток крат­ковременными импульсами, которые называются време­нем сварки (0,01-1,5 с). В месте стыка заготовок, где возникают наиболее высокое сопротивление и темпе­ратура, металл переходит в пластичное или расплавлен­ное состояние. После выключения тока сжатие снимает­ся. В результате образуется сварная точка в виде литого ядра.

Большое влияние на качество сварного соединения оказывает правильный выбор режима точечной сварки (плотности тока, удельных давлений, времени сварки) и диаметра электрода, который определяет диаметр сварной точки (он должен быть в 2 — 3 раза больше тол­щины наиболее тонкой заготовки).

Машины для точечной сварки отличаются высокой производительностью, могут иметь до 50 пар электро­дов, выполняющих до 10000 точек в час. Все машины ра­ботают по автоматическому или полуавтоматическому циклу. Они состоят из двух основных частей: источника электрического тока и механизмов сжатия. В качестве ис­точника электрической энергии обычно используется однофазный трансформатор переменного тока. Синхро­низация работы механизмов сжатия и источника электри­ческого тока обеспечивается электронными программны­ми устройствами, задающими цикл работы машины. Точечную сварку применяют для соединения заготовок из углеродистых и легированных конструкционных ста­лей, алюминиевых, медных, титановых сплавов. Толщина свариваемых заготовок может составлять от 0,001 до 30 мм.

При шовной сварке свариваемые заготовки 2 (рис. 18.38), соединяемые внахлестку, зажимают постоянной силой меж­ду двумя медными электродами i, 3, выполненными в виде вращаю­щихся роликов. Роликовая свар­ка аналогична точечной, но она предназначена для получения не­прерывного сварного шва, состоя­щего из ряда последовательных, перекрываемых сварных точек. Машины для шовной сварки подобны машинам для точечной сварки, но они имеют дополнительный привод вращения роликов.

Шовную сварку применяют для получения герме­тичных соединений: различных емкостей, баков, сосудов высокого давления, изготовляемых из тех же металлов, которые сваривают точечной сваркой. Толщина свари­ваемых заготовок может быть от 0,001 до 3 мм.

Газопрессовая сварка. При газопрессовой сварке заго­товки, соединяемые встык, нагревают до пластического или расплавленного состояния многопламенными га­зовыми горелками. Затем их сдавливают для образова­ния сварного соединения. Этот процесс аналогичен про­цессу стыковой контактной сварки, но отличается источ­ником теплоты. Газопрессовая сварка уступает электро­контактной по производительности и качеству сварного соединения. Способ широко применяют для сварки тру­бопроводов, рельсов, труб, арматуры железобетона. Га­зопрессовая сварка незаменима в полевых условиях, ког­да отсутствуют источники электрического тока.

Специальные методы сварки давлением

Диффузионная сварка в вакууме. Процесс диффузион­ной сварки в вакууме разработан проф. Н. Ф. Казаковым. Свариваемые заготовки помещают в камеру, в которой создают вакуум 10ˉ⁴ — 10ˉ⁷ кПа, и сдавливают неболь­шой силой. Затем заготовки нагревают высокочастотны­ми индукторами, вольфрамовыми, молибденовыми на­гревателями или электронным лучом, выдерживая их некоторое время при заданной температуре. После мед­ленного охлаждения давление снимается.

Сварное соединение обеспечивается за счет взаимной диффузии атомов в поверхностных слоях контактируемых материалов. При этом методе металл находится в твердом состоянии, но температура нагрева близка к температуре плавления свариваемых металлов. Вакуум предотвращает образование на поверхностях оксидных пленок, которые препятствуют диффузии. Во время свар­ки между свариваемыми поверхностями должен быть надежный контакт, что обеспечивается предварительной механической обработкой поверхностей с малой шерохо­ватостью и очисткой их от оксидов и загрязнений.

Соединения, полученные диффузионной сваркой, обладают высоким качеством, прочностью, коррозион­ной стойкостью, плотностью, поэтому диффузионную сварку в вакууме применяют для изготовления ответ­ственных конструкций. Таким методом сваривают одно­родные и разнородные материалы. При этом физико-ме­ханические свойства свариваемых материалов практически не изменяются. Этот метод не требует вспомогательных материалов (электродов, флюсов, присадочной проволо­ки и др.). Масса свариваемых частей конструкций не уве­личивается, а коробление их отсутствует.

Диффузионную сварку применяют для тех материа­лов, которые другими методами сварить трудно или не­возможно (например, сталь с чугуном, титаном, ниобием вольфрамом, металлокерамикой, металлы с кварцем, стеклом, графитом), для жаропрочных сплавов, тугоплав­ких и химически активных металлов, а также используют для получения многослойных изделий — биметалличе­ских, триметаллических и др.

Ультразвуковая сварка. Для получения сварного со­единения используется механическая энергия ультразву­ковых колебаний. Ультразвуковая сварка относится к хо­лодным методам. Она может выполняться точечным и шовным методами.

К свариваемым заготовкам, соединяемым внахлестку, подаются УЗК с частотой 16—170 кГц от преобразовате­ля и высокочастотного генератора с помощью специаль­ного инструмента. Благодаря механическому воздей­ствию УЗК происходят деформации сдвига, истечение и взаимная диффузия атомов свариваемых материалов. Температуры, возникающие в зоне контакта в результате воздействия УЗК, незначительны, поэтому структурные изменения материала практически отсутствуют. Этот способ обеспечивает высокое качество и прочность свар­ного соединения. Особенно эффективен он при сварке разностенных заготовок из разнородных материалов, на­пример: меди со сталью или алюминием, никеля с воль­фрамом, тугоплавких металлов со сталью, металлов с ке­рамикой, а также пластмасс.

Сварка трением. Ее применяют для получения сты­ковых соединений, заготовки при этом плотно прижи­мают и одну из них приводят во вращательное движение. В результате механического и теплового воздействия при трении металл переходит в пластическое состояние. По­сле этого прикладывается осевая сила сжатия. Сварное соединение образуется за счет диффузии атомов в кон­тактирующих поверхностях. Оксидные пленки, препят­ствующие диффузии, разрушаются трением и удаляются из зоны сварки.

Сварку трением можно условно отнести к холодным методам сварки. Повышение температуры в зоне сварки в результате трения не вызывает особых изменений структуры, а следовательно, механических свойств метал­ла. Данный метод обеспечивает высокое качество соеди­нений и может применяться при изготовлении ответ­ственных конструкций. По сравнению с контактной стыковой сваркой затраты энергий значительно сни­жаются. Сваркой трением соединяют однородные и раз­нородные металлы. Этот способ нашел применение в промышленности при изготовлении составных режу­щих инструментов, валов, штампов и т. п.

Холодная сварка. Этот метод выполняется за счет ме­ханической энергии сжатия. Сварное соединение обра­зуется в результате пластической деформации и возник­новения межатомных связей между свариваемыми по­верхностями при их сжатии. Для возникновения этих связей необходимо предварительно очистить поверхно­сти от оксидов, загрязнений и приложить силу сжатия, превышающую предел текучести свариваемого материа­ла. Удельные давления, выбираемые в зависимости от химического состава и толщины свариваемых заготовок, находятся в пределах 150—1000 МПа. При таких давле­ниях металл течет, и на стыке поверхностей образуется сварное соединение. В результате пластической деформа­ции в месте приложения силы толщины заготовок умень­шаются, происходит их упрочнение и наклеп поверхно­стей.

Этим методом можно сваривать внахлестку листовой материал толщиной 0,2 — 15 мм, встык тонкую проволо­ку, полые заготовки по контуру. Соединения можно выполнять в виде отдельных точек или непрерывного шва. Холодную сварку применяют для пластичных материа­лов: алюминия, дюралюминия, меди, олова, золота, се­ребра. Можно сваривать также и разнородные мате­риалы — медь с коваром, медь с алюминием. Преимуще­ствами этой сварки является высокая производитель­ность, малый расход энергии, возможность автоматиза­ции процесса, обеспечение высокого качества сварного соединения. Холодная сварка выполняется на гидравли­ческих, винтовых, эксцентриковых прессах. Она нашла применение при изготовлении деталей для электроприбо­ров и др. Трудность получения высоких давлений, возни­кающие изменения размеров и механических свойств сва­риваемых конструкций ограничивают ее применение.

К специальным методам сварки давлением можно от­нести также сварку взрывом, позволяющую получать би­металлические изделия; термитную сварку, применяемую при сварке рельсов и стальных проводов связи; индук­ционную сварку, используемую при изготовлении труб.