- •Материаловедение и технология конструкционых материалов
- •Часть II Обработка металлов резанием, давлением, СварКой
- •Введение
- •Раздел I. Обработка резанием
- •1. Характеристики способов обработки резанием, деформации и силы резания
- •1.1. Способы обработки резанием
- •1.2. Металлорежущие станки
- •1.3. Режущие инструменты, действительные углы режущего лезвия
- •1.4. Характеристики режима резания и сечения срезаемого слоя
- •2. Деформации, напряжения, силы и температуры при резании
- •2.1. Схематизация стружкообразования и характеристики деформаций при резании
- •2.2. Силы при точении
- •2.3. Схема и расчет сил при торцовом фрезеровании
- •2.4. Предел текучести и температура деформации при резании
- •2.5. Температура полуплоскости от равномерно распределенного быстродвижущегося источника тепла
- •2.6. Температура передней поверхности режущего лезвия
- •2.7. Температура задней поверхности режущего лезвия
- •3. Износостойкость инструмента и режимы резания, проектирование технологического процесса
- •3.1. Изнашивание и износостойкость режущих инструментов
- •3.2. Обрабатываемость материалов, характеристики обрабатываемости
- •3.3. Назначение режимов резания и параметров инструмента при обработке резанием
- •Раздел II. Обработка металлов давлением в металлургии и машиностроении
- •4. Горячая и холодная обработка металлов давлением. Прокатка
- •4.2. Нагрев заготовок перед обработкой давлением
- •4.3. Прокатка: схемы процесса, продукция, оборудование и инструмент
- •4.4. Деформации при прокатке
- •4.5. Мощность и усилия деформирования при прокатке
- •4.6. Теплообмен и температура при горячей прокатке
- •5. Волочение и прессование
- •5.1. Волочение: схема процесса, продукция, оборудование и инструмент
- •5.2. Деформации и напряжения при волочении
- •5.3. Работа, мощность и усилия при волочении
- •5.4. Температура при волочении
- •5.5. Прессование: схемы процесса, продукция, инструмент
- •5.6. Деформации, работа и усилия деформирования при прессовании
- •6. Способы обработки металлов давлением в машиностроении
- •6.1. Общая характеристика операций ковки и горячей объемной штамповки
- •6.2. Оборудование для ковки и штамповки
- •6.3. Деформации, работа и усилия при различных операциях ковки и штамповки
- •6.4. Нагрев и охлаждение штампов при горячей штамповке
- •6.5. Холодная листовая штамповка
- •Раздел III. Теплофизические основы и технологии сварочного производства
- •7. Характеристика способов сварки и схематизация сварочных процессов
- •7.1. Классификация и технологические характеристики различных способов сварки
- •7.2. Основные источники энергии, применяющиеся при сварке
- •7.3. Схематизации процессов распространения тепла при сварке
- •7.4. Тепловой баланс электрической дуговой сварки
- •8. Способы термической сварки
- •8.1. Ручная дуговая сварка
- •8.2. Автоматическая дуговая сварка под флюсом
- •8.3. Сварка в защитных газах
- •8.4. Плазменная сварка и резка
- •8.5. Электрошлаковая сварка
- •8.6. Газовая сварка
- •9. Термомеханические способы сварки
- •9.1. Электрическая контактная стыковая сварка
- •9.2. Электрическая контактная точечная сварка
- •9.3. Электрическая контактная шовная сварка
- •9.4. Конденсаторная сварка
- •9.5. Сварка трением
- •9.6. Ультразвуковая сварка
- •Раздел IV. Изготовление деталей из композиционных материалов, электро-физико-химические и нетрадиционные методы обработки
- •10. Получение деталей методом порошковой металлургии
- •10.1. Технологический процесс получения деталей методом порошковой металлургии
- •10.2. Получение порошка исходного материала
- •10.3. Формование заготовок
- •10.4. Спекание и доводка заготовок
- •11. Производство изделий из полимерных материалов
- •11.1. Способы формообразования деталей из полимеров в вязкотекучем состоянии
- •11.2. Обработка полимеров в высокоэластичном состоянии
- •11.3. Обработка полимерных материалов в твердом состоянии
- •11.4. Сварка полимерных материалов
- •12. Электро-физико-химические и нетрадиционные методы обработки
- •12.1. Классификация электро-физико-химических методов
- •12.2. Электроэрозионная обработка
- •12.3. Схемы наиболее широко применяемых методов электроэрозионной обработки:
- •12.3. Электрохимическая (анодно-химическая) обработка
- •12.4. Ультразвуковая размерная обработка
- •12.4. Схема ультразвуковой размерной обработки прошиванием (долблением):
- •12.5. Лучевая обработка
- •12.5. Концентрация энергии (плотность мощности) различных тепловых источников:
- •12.6. Комбинированные процессы обработки
- •12.7. Нетрадиционные методы обработки
- •12.8. Методы формирования изделий путем наращивания
- •12.9. Методы поверхностной модификации свойств изделий
- •Библиографический список
8.4. Плазменная сварка и резка
Плазма образуется при электрических разрядах в газах или при нагреве газа до температуры, достаточно высокой для протекания интенсивной термической ионизации (10000–20000 С). Она отличается от обычного газа рядом качественных особенностей, позволяющих считать ее особым, «четвертым» состоянием вещества (после жидкого, твердого и газообразного).
Для сварки плазму получают в виде плазменной струи, пропуская газ через столб сжатой дуги в плазменных горелках. Различают плазменную струю, выделенную из дуги (рис. 8.7а), и плазменную дугу, совмещенную с плазменной струей (рис. 8.8б). Плазменная дуга представляет собой дуговой разряд между нагреваемым или расплавляемым телом (анодом) и катодом электродугового плазмотрона.
Рис. 8.7. Схемы получения плазменной струи, выделенной из дуги (а), и плазменной дуги,
совмещенной с плазменной струей: 1 – дуга, 2 – вольфрамовый электрод, 3 – керамическая прокладка, 4 – корпус горелки, 5 – сопло, 6 – плазменная струя, 7 – заготовка
В горелках для получения плазменной струи дуга 1 горит между вольфрамовым электродом 2 и соплом 4, к которому подключен положительный полюс источника тока (рис. 8.7а). Электрод изолирован от корпуса горелки керамической прокладкой 3. Сопло интенсивно охлаждается водой. Из сопла выходит ярко светящаяся плазменная струя 5. Горелка питается постоянным током прямой полярности от источников с падающей характеристикой. Дугу зажигают с помощью осциллятора.
Для уменьшения температуры горелки, предназначенные для сварки, снабжены вторым концентрическим соплом 6, через который подается защитный газ.
Недостаток плазменной сварки (резки) заключается в недолговечности горелок из-за высокой температуры.
Плазменная струя представляет собой независимый источник теплоты, характеризующийся очень высокой температурой и относительно небольшой тепловой мощностью. Распределение температуры в свариваемой детали качественно соответствует функции точечного источника тепла при очень малых значениях времени выравнивания . При этом температура плавления достигается очень близко к поверхности и в тонких слоях поверхностного слоя сосредотачивается тепловая энергия, достаточная для расплавления материала. Поэтому плазменную струю можно применять для сварки (или резки) очень тонких металлических листов и неэлектропроводных (нетеплопроводных) материалов, а также для напыления тугоплавких материалов на поверхность заготовки.
Плазменная дуга (рис. 8.7б) горит между электродом и заготовкой 7. Для облегчения зажигания дуги вначале возбуждается маломощная вспомогательная дуга между электродом и соплом. Для этого к соплу подключен токопровод от положительного полюса источника тока. При прикосновении плазменной струи заготовки зажигается основная дуга, а вспомогательная выключается.
Из-за относительно больших тепловых потоков в деталь при равных мощностях производительность плазменной сварки меньше, чем при электрической дуговой сварке (рис. 8.8).
Рис. 8.8. Баланс тепловых потоков при плазменной сварке стальной заготовки
при токе I = 10 A, U = 20 В, ширина фаски сварного шва f = 1 мм
Однако для плазменной сварки характерно применение малых мощностей, что дает ей преимущество при выполнении сложных технологических работ с мелкими деталями из тугоплавких металлов.
Плазменная дуга обладает большей тепловой мощностью в сравнении с плазменной струей. Ее используют для сварки и резки тугоплавких (титана, никеля, молибдена, вольфрама), а также для резки цветных металлов, характеризующихся высокой теплопроводностью (меди, алюминия).
Благодаря этому температурное поле концентрируется вблизи источника, уменьшается тепловое влияние дуги на свариваемый металл, повышается КПД источника сварки, увеличивается проплавляющая способность, расширяются технологические возможности. Плазменной дугой (струей) можно сваривать металл до 10 мм без разделки кромок и применения присадочного материала.
Плазменная дуга обладает высокой стабильностью горения. Она позволяет сваривать очень тонкие листы металла (0,025–0,8 мм) на малых токах 0,5–10 А.
В отличие от автоматической сварки под флюсом, где основная доля мощности затрачивалась на плавление электрода, при плазменной сварке почти вся мощность отводится в виде теплового потока в деталь.
Высокая температура плазменной струи позволяет легко плавить металл, но иногда она слишком высока для сварки. Увеличивая ток и расход газа, можно осуществлять плазменную резку расплавлением. При резке плазменной дугой металл выплавляется из полости реза направленным потоком плазмы, совпадающим с токоведущим столбом создающей его дуги прямого действия. Этим способом разрезают толстые (до 80–120 мм) листы алюминия и его сплавов, медные сплавы, высоколегированную сталь.
Плазменной струей, полученной в столбе дугового разряда независимой дуги, разрезают неэлектропроводные материалы (например, керамику), тонкие стальные листы, алюминиевые и медные сплавы, жаропрочные сплавы.
Скорость резки плазменной дугой выше, чем плазменной струей.