Технология конструкционных материалов

Размещено на http://www.allbest.ru/

СОДЕРЖАНИЕ

1 Получение заготовок методами литья

2 Изготовление отливок путем литья в разовые и постоянные формы

3 Литье под давлением, центробежное литье

4 Дефекты и методы технического контроля

5 Сварка в основном производстве и при ремонте автотракторной техники

6 Ручная и автоматическая электродуговая сварка

7 Сварка в среде защитных газов

8 Газопламенная сварка и резка

9 Контактная сварка

10 Дефекты и методы технического контроля

11 Технология получения заготовок и деталей методами обработки металлов давлением

12 Основные характеристики процесса ковки и гибки

13 Листовая и объемная штамповка. Вырубка

14 Обработка металлов резанием

15 Основные параметры режима обработки деталей резанием

16 Способы формообразования деталей резанием

17 Токарная обработка, фрезерование, обработка отверстий, строгание и долбление, протягивание

18 Зубонарезание

19 Шлифование

20 Пути совершенствования методов лезвийной обработки

21 Электрофизические и электрохимические методы обработки

22 Оборудование, режимы и основные характеристики электроискровой, электроимпульсной, электрохимической и ультразвуковой методов обработки

23 Лучевые методы обработки

24 Методы отделочной обработки деталей

25 Шлифование, хонингование, полирование, суперфиниш, поверхностное деформирование

Список используемой литературы

1 ПОЛУЧЕНИЕ ЗАГОТОВОК МЕТОДАМИ ЛИТЬЯ

Сущность литейного производства состоит в получении заготовок или деталей путем заливки расплавленного металла заданного химического состава в литейную форму, полость которой имеет конфигурацию заготовки или детали. При охлаждении залитый металл затвердевает и сохраняет конфигурацию полости формы. Литые заготовки (отливки) в дальнейшем подвергают механической обработке.

Литьем получают отливки, как простой, так и сложной конфигурации с внутренними полостями. Масса отливок колеблется от нескольких граммов до нескольких сотен тонн.

Важнейшей задачей литейного производства является получение отливок, по форме и размерам приближающихся к готовой детали, что существенно сокращает обработку резанием.

Литейные сплавы получают из двух или нескольких металлов и неметаллов. Такие сплавы должны обладать хорошей электро и теплопроводностью, повышенной пластичностью и др. Литейные сплавы по некоторым свойствам (прочности, твердости, способности воспроизводить очертания литейных форм, обрабатываемости режущим инструментом) превосходят чистые металлы. Это определяет их применение. Важное место в литейном производстве занимают сплавы с особыми физическими свойствами, например, электропроводностью, магнитной проницаемостью.

Приготовление литейных сплавов связано с процессом плавления различных материалов. Плавление - переход от кристаллического состояния в аморфное. При этом нарушается устойчивость кристаллических решеток, увеличиваются колебательные движения атомов, и твердые кристаллические материалы, проходя через область неустойчивых состояний, превращаются в жидкое. При этом они теряют постоянство формы, а также происходит изменение их физических свойств.

В современных литейных цехах получение жидкого металла осуществляется в автоматизированных плавильных комплексах. В них автоматизированы следующие процессы: составление шихты и загрузка ее в плавильный агрегат, контроль технологических параметров процесса плавки, контроль за состоянием футеровки плавильных печей, газовой среды, химического состава и свойств сплава.

2 ИЗГОТОВЛЕНИЕ ОТЛИВОК ПУТЕМ ЛИТЬЯ В РАЗОВЫЕ И ПОСТОЯННЫЕ ФОРМЫ

Для изготовления отливок служит литейная форма, которая представляет собой систему элементов, образующих рабочую полость, при заливке которой расплавленным металлом формируется отливка. Литейные формы изготовляют как из неметаллических материалов (песчаные формы, формы, изготовленные по выплавляемым моделям, оболочковые формы и др.), это все разовые формы они после однократного применения уничтожаются, так и из металлов (кокили, пресс-формы для литья под давлением, изложницы для центробежного литья) - это постоянные формы которые могут использоваться неоднократно.

Литье в песчаные формы является самым распространенным способом изготовления отливок. Этим способом изготовляют разнообразные по конфигурации отливки из чугуна, стали и сплавов цветных металлов от нескольких десятков грамм до сотен тонн с толщиной стенки от 3-5 до 1000 мм и длиной до 10 000 мм. Сущность литья в песчаные формы заключается в получении отливок из расплавленного металла, затвердевшего в формах, которые изготовлены из формовочных смесей путем уплотнения с использованием модельного комплекта.

Литейная форма обычно состоит из нижней и верхней полуформ, которые изготовляют в опоках - приспособлениях для удержания формовочной смеси. Нижнюю и верхнюю полуформы взаимно ориентируют с помощью металлических штырей которые вставляют в отверстия приливов у опок. Для образования полостей, отверстий или иных сложных контуров в формы устанавливают литейные стержни, которые фиксируют посредством выступов, входящих в соответствующие впадины в полости формы. Литейную форму заливают расплавленным металлом через литниковую систему.

Литниковая система - совокупность каналов и резервуаров, по которым расплав поступает из разливочного ковша в полость формы.

Модельный комплект - приспособления, включающие литейную модель, модели литниковой системы, стержневые ящики (один или несколько), модельные плиты, контрольные и сборочные шаблоны, используемые для образования при формовке рабочей полости литейной формы.

Литейная модель - приспособление, с помощью которого в литейной форме получают отпечаток, соответствующий конфигурации и размерам отливки. Модели бывают неразъемные, разъемные и специальные.

Стержневой ящик - формообразующее изделие, имеющее рабочую полость для получения в ней литейного стержня нужных размеров и очертаний из стержневой смеси. Стержневые ящики бывают разъемные и неразъемные.

Модельные плиты формируют разъем литейной формы, на них закрепляют части модели, включая модели литниковой системы. Эти плиты используют для изготовления опочных и безопочных полуформ.

Формовочные смеси представляют собой многокомпонентное сочетание материалов, соответствующее условиям технологического процесса изготовления литейных форм. В качестве огнеупорной составляющей смеси используют формовочный кварцевый песок различной зернистости, для соединения частиц песка между собой применяют формовочные глины, различные смолы и другие связующие. Кроме того, используют различные добавки (мазут, графит, древесная мука и др.), предназначенные для придания смесям специальных свойств. Формовочные смеси подразделяют на смеси для стальных, чугунных и цветных сплавов. Для изготовления отливок используют облицовочные, наполнительные и единые формовочные смеси.

Облицовочная смесь используется для образования рабочей поверхности формы, непосредственно контактирующей с расплавленным металлом.

Наполнительная смесь используется для заполнения опоки после нанесения облицовочного слоя на поверхность модели. Наполнительная смесь состоит в основном из оборотной смеси с небольшими добавками свежих исходных материалов.

Единая смесь применяется одновременно в качестве облицовочной и наполнительной смеси. В состав единой смеси входит 10-20% свежих формовочных материалов, а остальное - оборотная смесь. Единая формовочная смесь используется в условиях машинной формовки в среднесерийном и массовом производстве.

Стержневые смеси представляют собой многокомпонентное сочетание материалов, соответствующих условиям технологического процесса изготовления неметаллических литейных стержней.

Формовочные и стержневые смеси должны обладать достаточной прочностью, высокой газопроницаемостью, пластичностью, достаточной огнеупорностью и податливостью, пониженной газотворной способностью.

Извлечение моделей из форм при машинной формовке осуществляется с помощью специальных вытяжных и поворотных механизмов, что способствует получению более точных отливок.

В современных литейных цехах изготовление литейных форм осуществляется на автоматических формовочных машинах и линиях.

Сборка литейных форм включает установку стержней, контроль отклонения размеров основных полостей формы, накрывание нижней полуформы верхней, скрепление полуформ перед заливкой.

Заливку форм расплавленным металлом производят из конических, барабанных и других ковшей, футерованных огнеупорным материалом и высушенных до полного удаления влаги. Температура заливаемого металла зависит от рода сплава, толщины стенок отливки, их конфигурации и т. п. Заливку форм ведут непрерывно до полного заполнения литниковой чаши. В производстве широко применяют автоматические заливочные установки.

Выбивку отливок из литейных форм осуществляют на вибрационных решетках и очищают в очистных барабанах или дробеметных установках камерного или барабанного типа. При очистке в дробеметных установках отливки подвергают ударному воздействию струи металлической дроби, выбрасываемой дробеметным колесом со скоростью до 70 м/с. Обрубку и зачистку отливок от остатков питателей, заусенцев и заливов производят шлифовальными кругами или на обрезных прессах.

Литье по выплавляемым моделям - процесс получения отливок из расплавленного металла в формах, не требующих разъема, так как рабочая полость образуется благодаря удалению (вытеканию) легкоплавкого материала модели при ее предварительном нагревании. Выплавляемые модели, изготовляют из модельных составов, состоящих из двух и более компонентов. Для изготовления модельных составов широко используют модельный состав, содержащий парафин, буроугольный воск, и кубовый остаток. Этот состав хорошо заполняет полость пресс-формы, даёт четкий и^; чистый' отпечаток. Выплавляемые модели изготовляют в пресс-формах, состоящих из двух и более частей, с вертикальным или горизонтальным разъемами. Для извлечения моделей в конструкции пресс-форм предусматривают специальные толкатели.

Модельный состав в пастообразном состояний запрессовывают в пресс-формы. После затвердевания модельного состава пресс-форма раскрывается и модель выталкивается в ванну с холодной водой. Затем модели собирают в блоки с общей литниковой системой припаиванием, приклеиванием или механическим скреплением частей. В один блок объединяют 2- 100 моделей. Формы по выплавляемым моделям изготовляют многократным погружением разовой модели в специальную жидкую огнеупорную смесь, состоящую из связующего, пылевидного кварца и других компонентов, с последующей обсыпкой кварцевым песком и отвердением на воздухе. Обычно наносят три-пять слоев. Модели из форм удаляют, погружая в горячую воду или с помощью нагретого пара. После удаления модельного состава тонкостенные литейные формы заформовывают в опоки, а затем прокаливают в печи в течение 6-8 ч при температуре 850-950°С для удаления остатков модельного состава, спекания частичек связующего с частичками огнеупорного материала, испарения воды.

Заливку форм по выплавляемым моделям производят сразу же после прокалки в нагретом состоянии. Заливка может быть свободной, под действием центробежных сил, в вакууме и т. д. После затвердевания залитого металла и охлаждения отливки удаляют из форм механическими, а затем химическими методами, обрубают и, как правило, подвергают термической обработке.

Изготовление отливок литьем по выплавляемым моделям механизировано и автоматизировано. В массовом производстве используют автоматические установки для изготовления моделей, приготовления суспензии и нанесения ее на блоки моделей и обсыпки их песком, для прокаливания и заливки форм. Эти установки объединяют транспортные устройства в единую систему. Литье по выплавляемым моделям обеспечивает получение точных и сложных отливок из различных сплавов массой 0,02-15 кг с толщиной стенок 0,5-5 мм. Литьем по выплавляемым моделям изготовляют многие детали и заготовки для приборостроительной, авиационной и других отраслей промышленности.

Недостатком этого способа является сложность и длительность процесса производства отливок, применение специальной дорогостоящей оснастки.

Литье в оболочковые формы - процесс получения отливок из расплавленного металла в формы, изготовленные по горячей модельной оснастке из специальной смеси с термореактивными связующими материалами. Формовочную смесь приготовляют из мелкозернистого кварцевого или цирконового песков перемешиванием с термореактивными связующими материалами. В формовочную смесь добавляют увлажнители (керосин, глицерин), рас-творители (ацетон, этиловый спирт) и другие вещества.

При изготовлении оболочковых форм модельную плиту нагревают в печи до 200-250°С и пульверизатором наносят смазочный материал для облегчения последующего съема оболочки, затем плиту закрепляют на опрокидывающемся бункере с формовочной смесью и поворачивают на 180°. Формовочную смесь насыпают на модельную плиту и выдерживают 10-30 с. Под воздействием теплоты, исходящей от модельной плиты, термоактивная смола в пограничном слое расплавляется, склеивает песчинки и отвердевает с образованием песчано-смоляной оболочки толщиной 5-15 мм (в зависимости от времени выдержки). Бункер возвращается в исходное положение, излишки формовочной смеси осыпаются с оболочки, модельная плита с оболочкой прокаливается в печи при температуре 300-350°С, при этом смола переходит в твердое необратимое состояние. Твердая оболочка снимается с модели с помощью специальных выталкивателей.

Кроме оболочковых форм, этим способом изготовляют оболочковые стержни, используя нагреваемые стержневые ящики. При сборке форм полуформы склеивают специальным клеем на прессах, что обеспечивает высокую прочность шва.

Заливка форм производится в вертикальном или горизонтальном положении оболочки. При заливке форм в вертикальном положении их помещают в опоку и засыпают чугунной дробью для предохранения от преждевременного разрушения. Выбивка отливок производится на вибрационных решетках или на специальных выбивных установках. При очистке отливок удаляют заусенцы, зачищают на наждачных станках места подвода питателей и подвергают дробеструйной обработке. В промышленности внедрены многопозиционные автоматические машины и автоматические линии для изготовления оболочковых форм и стержней. Литье в оболочковые формы обеспечивает высокую точность отливок, малую шероховатость поверхности, снижает расход формовочных материалов и объем механической обработки, является высокопроизводительным процессом. В оболочковых формах изготовляют отливки массой 0,2-50 Кг и толщиной стенки 3-15 мм из всех литейных сплавов, для приборов, автомобилей, тракторов, металлообрабатывающих станков и др.

Изготовление отливок в металлических формах (постоянных) осуществляется различными способами. Наибольшее распространение получили литье в кокиль, под давлением и центробежное.

Литье в кокиль - изготовление отливок из расплавленного металла в металлических формах-кокилях. Формирование отливки происходит при интенсивном отводе теплоты от расплавленного металла, от затвердевающей и охлаждающейся отливки к массивному металлическому кокилю.

Рабочую поверхность кокиля с вертикальной плоскостью разъема, состоящей из поддона, двух симметричных полуформ и и металлического стержня предварительно нагретую до температуры 150-180°С, покрывают из пульверизатора слоем огнеупорного покрытия толщиной 0,3 0,8 мм. Огнеупорные покрытия защищают рабочую поверхность кокиля от резкого нагрева и схватывания с отливкой и позволяют регулировать скорость охлаждения отливки, обеспечивая высокое качество.

Покрытия выполняют из огнеупорных материалов (кварцевой муки, талька, мела, графита и др.), связующего материала (жидкого стекла) и воды. Затем с помощью манипулятора устанавливают песчаный стержень с помощью которого выполняют в отливке расширяющуюся полость. Половинки кокиля соединяют и заливают расплав. После затвердевания отливки и охлаждения ее до температуры выбивки кокиль раскрывают и протягивают вниз металлический стержень. Отливка 7 манипулятором удаляется из кокиля.

Основные элементы кокиля - полуформы, поддоны, стержни и т. д. - обычно изготовляют из серого и высокопрочного чугунов, стали и алюминиевых сплавов литьем, механической обработкой и т. д.

Отливки простой конфигурации изготовляют в неразъемных кокилях. Несложные отливки с небольшими выступами и впадинами на наружных поверхностях изготовляют в кокилях с вертикальным разъемом. При изготовлении крупных, простых по конфигурации отливок используют кокили с горизонтальными разъемами. Кокили с комбинированным разъемом применяют при изготовлении сложных отливок. Полости в отливках получают с помощью песчаных или металлических стержней. Металлические стержни удаляют из отливки после образования в ней прочной корки.

Расплавленный металл в форму подводят сверху, снизу (сифоном), сбоку - через щелевидный питатель или питатели, расположенные на нескольких уровнях. Для удаления воздуха и газов по плоскости разъема кокиля прорезают вентиляционные каналы. Отливки из плоскости кокиля извлекают выталкивателями. Заданный тепловой режим литья обеспечивается системой подогревания и охлаждения кокиля. Все операции технологического процесса механизированы и автоматизированы.

Литье в кокиль позволяет сократить, а во многих случаях полностью избежать расхода формовочных и стержневых смесей, трудоемких операций формовки и выбивки форм, повысить точность размеров отливок и уменьшить шероховатость поверхности, снизить в 2 раза объем механической обработки отливок. Литьем в кокиль получают разнообразные отливки с толщиной стенок 3-100 мм и массой 0,1-500 кг. Этим способом отливают корпуса приборов, детали двигателей внутреннего сгорания и другие детали из чугуна, стали и сплавов цветных металлов для всех отраслей промышленности.

3 ЛИТЬЕ ПОД ДАВЛЕНИЕМ, ЦЕНТРОБЕЖНОЕ ЛИТЬЕ

Литье под давлением - процесс получения отливок в металлических формах (пресс-формах), при котором заливка расплавленного металла в форму и формирование отливки осуществляется под давлением при интенсивном отводе теплоты от залитого металла, затвердевающей и охлаждающейся отливки к массивной металлической пресс-форме. Отливку изготовляют на специальных машинах литья под давлением с холодной или горячей камерой прессования.

При изготовлении отливок на машинах с холодной горизонтальной камерой прессования порцию расплавленного металла заливают в камеру прессования. Пресс-форма состоит из подвижной и неподвижной полуформ; в пресс-форму металл подается под действием плунжера. Полости в отливке получают металлическим стержнем. После затвердевания пресс-форма раскрывается и отливка удаляется из полости выталкивателями. Машины с холодной камерой прессования применяют для изготовления отливок массой до 45 кг. Давление плунжера на расплавленный металл составляет 50-100 МПа и более.

На машинах с горячей камерой прессования камера прессования расположена в обогреваемом тигле с расплавленным металлом. При верхнем положении плунжера через отверстие сплав заполняет камеру прессования. При движении плунжера вниз отверстия перекрываются, сплав под давлением 10-30 МПа заполняет полость пресс-формы. После затвердевания отливки плунжер возвращается в исходное положение, остатки расплавленного металла из канала сливаются в камеру прессования, а отливка удаляется из пресс-формы выталкивателями. Такие машины используют при изготовлении отливок из цинковых, алюминиевых и других сплавов массой от нескольких граммов до 25 кг.

Литье под давлением позволяет получать отливки, максимально приближенные по форме и размерам к готовой детали, дает возможность изготовить сложные тонкостенные отливки с толщиной стенок 0,8-6 мм и отверстиями диаметром до 1 мм, массой от нескольких граммов до 45 кг (корпуса приборов, декоративные изделия, детали двигателей автомобилей).

Недостатком этого способа является высокая стоимость, сложность изготовления, ограниченный срок службы пресс-форм, опасность появления трещин в отливках.

Центробежное литье - процесс получения отливок из расплавленного металла во вращающихся формах: Формирование отливки осуществляется в поле действия центробежных сил, что измельчает их структуру, очищает расплав от неметаллических включений, повышает механические свойства и герметичность отливок.

Центробежным литьем изготовляют отливки на специальных машинах с горизонтальной или вертикальной осями вращения.

В машинах с горизонтальной осью вращения расплавленный металл из ковша заливают по специальному желобу во вращающуюся форму с частотой вращения 200-1400 мин. Попадая на внутренние стенки формы, жидкий металл образует полую цилиндрическую отливку, которую после затвердевания извлекают из формы. На таких машинах получают детали и заготовки типа труб, втулок, гильз.

На машинах с вертикальной осью вращения расплавленный металл из ковша заливают во вращающуюся форму с частотой вращения 160-500 мин. Растекаясь по дну изложницы, металл увлекается центробежными силами и прижимается к боковой цилиндрической стенке, образуя вокруг нее кольцевой слой. Форма вращается до полного затвердевания металла, после чего форму останавливают и из нее извлекают отливку. На таких машинах получают отливки небольшой высоты, но большого диаметра: кольца, венцы зубчатых колес. При вращении формы вокруг вертикальной оси внутренняя свободная поверхность расплава приобретает форму параболоида вращения, что приводит к разностенности отливки по высоте. Это снижает применение таких машин.

Для изготовления отливок центробежным литьем используют автоматические однопозиционные и многопозиционные карусельные машины, в которых управление всеми технологическими операциями процесса осуществляется от ЭВМ.

При центробежном литье исключаются затраты на изготовление стержней, меньше расход металла на литниковую систему, лучше заполняемость форм металлом, выше плотность отливки, чем при литье в песчаные формы.

Не все сплавы в одинаковой степени пригодны для изготовления фасонных отливок. Из одних сплавов (серого чугуна, силумина) можно легко изготовить отливку сложной конфигурации, а из других (титановых сплавов, легированных сталей и др.) получение отливок сопряжено с определенными трудностями. Получение качественных отливок без раковин, трещин и других дефектов зависит от литейных свойств сплавов. К основным литейным свойствам сплавов относят жидкотекучесть, усадку сплавов, склонность к образованию трещин, газопоглощение и ликвацию.

4 ДЕФЕКТЫ И МЕТОДЫ ТЕХНИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ

В отливках вследствие неравномерного охлаждения и торможения усадки литейной формой возникают напряжения, особенно в отливках с различной толщиной стенок. При затвердевании температура отливки в массивных частях выше, чем в тонких сечениях или снаружи. Усадка в различных частях различна, но так как части одной и той же отливки не могут изменять свои размеры независимо друг от друга, то в ней возникают напряжения, которые могут вызывать образование трещин или коробление. Для предупреждения образования больших напряжений необходимо в литой детали предусматривать равномерную толщину стенок, плавные переходы и устранять элементы, затрудняющие усадку сплава, а также использовать литейные формы и стержни повышенной податливости. Трещины довольно часто образуются в отливках из углеродистых и легированных сталей, сплавов магния и многих алюминиевых сплавов. В зависимости от природы сплава и состояния расплава перед заливкой литейные сплавы склонны к образованию горячих трещин. Горячие трещины - дефект в виде разрыва или надрыва усадочного происхождения.

Газопоглощение - способность литейных сплавов в расплавленном состоянии растворять водород, азот, кислород и другие газы. Степень растворимости газов зависит от состояния сплава: с повышением температуры твердого сплава она увеличивается незначительно, несколько возрастает при плавлении и резко повышается при перегреве расплава. При затвердевании и последующем охлаждении растворимость газов уменьшается и в результате их выделения в отливке могут образоваться газовые раковины и поры. Растворимость газов зависит от химического состава сплава, температуры заливки, вязкости сплава и свойств литейной формы. Для уменьшения газонасыщенности сплавов применяют плавление в вакууме или в среде инертных газов и другие методы.

Ликвация - неоднородность химического состава в различных частях отливки. Различают зональную и дендритную ликвации. Зональная ликвация - это химическая неоднородность в объеме всей затвердевшей детали. Дендритная ликвация - химическая неоднородность в пределах одного зерна (дендрита) сплава. Ликвация зависит от химического состава сплава, конфигурации отливки, скорости охлаждения л других факторов.

К основным дефектам, которые могут возникнуть при заливке формы, так же относится недолив и спай. Недолив - дефект в виде неполного образования отливки из-за не заполнения полости формы расплавленным металлом. Спай - дефект в форме углубления с закругленными краями, образовавшимися из-за не слияния встречных потоков металла.

В результате прогрева формы на поверхности контакта ее с металлом интенсивно развиваются тепловые, физико-химические и механические процессы. Вследствие этих процессов на поверхности отливки образуется пригар - трудноудаляемый от поверхности отливки слой металла. Его оксидов и частичек формовочной смеси. Он ухудшает состояние поверхности отливки, увеличивает трудоемкость его очистки. Снижает стойкость инструмента при обработке резанием.

5 СВАРКА В ОСНОВНОМ ПРОИЗВОДСТВЕ И ПРИ РЕМОНТЕ АВТОТРАКТОРНОЙ ТЕХНИКИ

Сварка - технологический процесс получения неразъемных соединений материалов посредством установления межатомных связей между соединяемыми частями при их нагреве и (или) пластическом деформировании. Сваркой соединяют одно- и разнородные металлы и их сплавы, металлы с некоторыми неметаллическими материалами (керамикой, графитом, стеклом и др.), а также пластмассы.

Свариваемость - свойство металла или сочетания металлов образовывать при установленной технологии сварки сварные соединения, отвечающие требованиям, обусловленным конструкцией и эксплуатацией изделия. В зависимости от того, удовлетворяет ли сварное соединение предъявляемым требованиям, свариваемость может быть достаточной или недостаточной.

Безотносительно к виду конструкции и ее назначению свариваемость материалов оценивают степенью соответствия заданных свойств сварного соединения одноименным свойствам основного металла и их склонностью к образованию таких сварочных дефектов, как трещины, поры, шлаковые включения и др. По этим признакам материалы разделяют на хорошо, удовлетворительно, ограниченно и плохо свариваемые.

Свариваемость материалов в основном определяется типом и свойствами структуры, возникающей в сварном соединении при сварке. При сварке однородных металлов и сплавов в месте соединения, как правило, образуется структура, идентичная или близкая структуре соединяемых заготовок. Прочность соединения определяется внутрикристаллическими связями, и свариваемость в этих случаях оценивается как хорошая или удовлетворительная.

В зависимости от состояния металла в зоне соединения и использования внешних сил различают способы сварки плавлением и давлением. Сварка плавлением осуществляется местным сплавлением со- единяемых частей без приложения давления (виды сварки: дуговая, плазменная, электронно-лучевая, лазерная, электрошлаковая, газовая и др.). Сварка давлением осуществляется за счет пластической деформации свариваемых частей при температуре ниже температуры плавления (виды сварки: холодная, контактная, ультразвуковая, диффузионная, трением, взрывом и др.).

Сваркой и наплавкой восстанавливают более половины всей ремонтируемой автотракторной техники. При помощи сварки заваривают также трещины и изломы на раме и платформе, ставят заплаты, различные накладки и усилительные косынки и т.д. при ремонте автотракторной техники на ручные способы сварки приходится до 65% общей трудоемкости сварочных работ. Среди механизированных способов наибольшее распространение получила наплавка под слоем флюса, в среде защитных газов.

В зависимости от материала и числа электродов, а также способа включения электродов и заготовки в цепь электрического тока различают следующие виды дуговой сварки:

- сварку неплавящимся (графитовым или вольфрамовым) электродом дугой прямого действия, при которой соединение выполняется путем рас-
плавления только основного металла либо с применением при -садочного металла;

- сварку плавящимся (металлическим) электродом дугой прямого действия с одновременным расплавлением основного металла и электрода, который пополняет сварочную ванну жидким металлом;

- сварку косвенной дугой, горящей между двумя, как правило, неплавящимися электродами; при этом основной металл нагревается и расплавляется теплотой столба дуги;

- сварку трехфазной дугой, при которой дуга горит между электродами, а также между каждым электродом и основным металлом.

Питание дуги осуществляется постоянным или переменным током. При применении постоянного тока различают сварку на прямой и обратной полярностях. В первом случае электрод подключают к отрицательному полюсу (катод), во втором - к положительному (анод).

Кроме того, виды дуговой сварки различают также по способу защиты дуги и расплавленного металла и степени механизации процесса.

6 РУЧНАЯ И АВТОМАТИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОДУГОВАЯ СВАРКА

Ручную дуговую сварку выполняют сварочными электродами, которые вручную подают в дугу и перемещают вдоль заготовки. В процессе сварки металлическим покрытым электродом дуга горит между стержнем электрода и основным металлом. Стержень электрода плавится, и расплавленный металл каплями стекает в сварочную ванну. Вместе со стержнем плавится покрытие электрода, образуя защитную газовую атмосферу вокруг дуги и жидкую шлаковую ванну на поверхности расплавленного металла. По мере движения дуги сварочная ванна затвердевает и формируется сварной шов. Жидкий шлак после остывания образует твердую шлаковую корку.

Электроды представляют собой проволочные стержни с нанесенными на них покрытиями. Покрытия электродов предназначены для обеспечения стабильного горения дуги, защиты расплавленного металла от воздействия воздуха и получения металла шва заданных состава и свойств. В состав покрытия электродов входят стабилизирующие, газо- и шлакообразующие, раскисляющие, легирующие и связующие составляющие.

Основным параметром режима ручной дуговой сварки является сварочный ток (I_СВ, А) который выбирают в зависимости от диаметра и типа металла электрода:

I_св = К d₃,

где К - опытный коэффициент, равный 40... 60 для электродов со стержнем из низкоуглеродистой стали и 35... 40 для электродов со стержнем из высоколегированной стали при выполнении сварки в нижнем положении, А/мм;

- диаметр стержня электрода, мм.

Диаметр электродов выбирают, исходя из толщины стали у при сварке стыковых швов и катета к при сварке угловых.

При толщине стали до 6 мм можно сваривать по зазору без разделки кромок заготовки. При больших толщинах металла выполняют одно- и двустороннюю разделки кромок. Разделку выполняют путем скоса свариваемых кромок, каждой под углом 30°, при этом в корне оставляют притупление кромок 1.. 3 мм для предотвращения сквозного прожога и вытекания расплавленного металла сварочной ванны. Разделка необходима для обеспечения полного провара по толщине. Металл толщиной свыше 10мм сваривают многослойным швом.

Ручная сварка позволяет выполнять швы в различных пространственных положениях: нижнем, вертикальном, горизонтальном и потолочном. При сварке на вертикальной плоскости ток уменьшают на 10... 15%, в потолочном положении - на 15... 20% по сравнению с током для сварки в нижнем положении. При этом сварку выполняют электродами диаметром не более 4 мм.

Ручная сварка удобна при выполнении коротких криволинейных швов в любых пространственных положениях, при наложении швов в труднодоступных местах, а также при монтажных работах и сборке конструкций сложной формы. Ручная сварка обеспечивает хорошее качество сварных швов, но имеет более низкую производительность, например, по сравнению с автоматической дуговой сваркой под флюсом. Это обусловлено тем, что ток при ручной сварке покрытыми электродами ограничен, так как повышение тока сверх рекомендованного значения приводит к разогреву стержня электрода, отслаиванию покрытия, сильному разбрызгиванию и угару расплавленного металла. Ручную сварку постепенно заменяют механизированной в атмосфере защитных газов.

Для автоматической дуговой сварки под флюсом используют непокрытую электродную проволоку и флюс для защиты дуги и сварочной ванны от воздуха. Подача и перемещение электродной проволоки механизированы. Автоматизированы процессы зажигания дуги и заварки кратера в конце шва. В процессе автоматической сварки под флюсом дуга горит между проволокой и основным металлом. Столб дуги и металлическая ванна жидкого металла со всех сторон плотно закрыты слоем флюса толщиной 30... 50 мм. Часть флюса расплавляется, в результате чего вокруг дуги образуется газовая полость, а на поверхности расплавленного металла - ванна жидкого шлака.

Для сварки под флюсом характерно глубокое проплавление основного металла. Под действием мощной дуги и весьма быстрого движения электрода вдоль заготовки происходит оттеснение расплавленного металла в сторону, противоположную направлению сварки. По мере поступательного движения электрода металлическая и шлаковая ванны затвердевают с образованием сварного шва, покрытого твердой шлаковой коркой. Проволоку подают в дугу и перемещают ее вдоль шва с помощью механизмов подачи и перемещения. Ток к электроду поступает через токопровод.

Основные преимущества автоматической сварки под флюсом по сравнению с ручной дуговой сваркой состоят в повышении производительности процесса сварки в 5-20 раз, улучшении качества сварных соединений и уменьшении себестоимости 1 м сварного шва.

Повышенное качество сварных швов обусловлено получением более высоких механических свойств наплавленного метала. Благодаря надежной защите сварочной ванны флюсом, интенсивному раскислению и легированию вследствие, увеличения объема жидкого шлака, сравнительно медленного охлаждения шва под флюсом и твердой шлаковой коркой, улучшением формы и поверхности сварного шва и постоянством его размеров по всей длине вследствие регулирования режима сварки, механизированных подачи и перемещения электродной проволоки.

Для изоляции сварочной ванны от атмосферы воздуха, обеспечения устойчивого горения дуги, формирования поверхности шва и получения заданных состава и свойств наплавленного металла используют флюсы. По назначению их разделяют на флюсы для сварки низкоуглеродистых и низколегированных сталей, легированных и высоколегированных сталей.

Определение режима сварки проводится по экспериментально-расчетной методике с использованием эмпирических соотношений, полученных обработкой опытных данных. Параметрами режима автоматической сварки под флюсом являются сварочный ток, напряжение дуги, скорость сварки и скорость подачи сварочной проволоки.

Дуговую сварку под флюсом выполняют неподвижными подвесными автоматическими сварочными головками и передвижными сварочными автоматами (сварочными тракторами), перемещающимися непосредственно по изделию. Назначение сварочных автоматов - подача электродной проволоки в дугу и поддержание постоянного режима сварки в течение всего процесса.

Автоматическую сварку под флюсом применяют в серийном и массовом производствах для выполнения длинных прямолинейных и кольцевых швов в нижнем положении на металле толщиной 2... 100 мм. Под флюсом сваривают стали различных классов. Автоматическую сварку широко применяют при изготовлении котлов, резервуаров для хранения жидкостей и газов, корпусов судов, мостовых балок и других изделий. Она является одним из основных звеньев автоматических линий для изготовления сварных автомобильных колес и станов для производства сварных прямошовных и спиральных труб.

7 СВАРКА В СРЕДЕ ЗАЩИТНЫХ ГАЗОВ

При сварке в защитном газе электрод, зона дуги и сварочная ванна защищены струей защитного газа.

В качестве защитных газов применяют инертные (аргон и гелий) и активные газы (углекислый газ, азот, водород и др.), иногда - смеси двух газов или более. В нашей стране наиболее распространено применение аргона Аr и углекислого газа СО₂.

Аргонодуговую сварку можно выполнять неплавящимся и плавящимся электродами.

Сварку неплавящимся вольфрамовым электродом (Т_пл = 3370°С) применяют, как правило, при соединении металла толщиной 0,8... 6 мм. При этом возможна сварка с расплавлением только основного металла (толщиной до 3 мм), а при необходимости получения выпуклости шва или заполнения разделки кромок (толщина более 3 мм) - и присадочного материала (прутка или проволоки). Пруток подают в дугу и перемещают горелку вручную. Для проволоки можно использовать механизм подачи. В последнем случае сварка может быть механизированной, выполняемой с помощью полуавтоматов, или автоматической соответственно при перемещении горелки вручную или механизмом перемещения.

Сварку неплавящимся электродом ведут на постоянном токе прямой полярности. В этом случае дуга горит устойчиво при напряжении 10... 15 В и минимальном токе 10 А. Это обеспечивает возможность сварки малых толщин металла (0,8... 1,0 мм).

Для сварки листового металла толщиной 0,2... 1,5 мм применяют автоматическую сварку неплавящимся электродом в импульсном режиме. В этом случае между электродом и заготовкой горит маломощная постоянная дежурная дуга, обеспечивающая ионизацию дуги. На дежурную дугу накладываются более мощные импульсные дуги заданной длительности действия, следующие через паузы определенной продолжительности. Импульсный режим сварки позволяет точно дозировать тепловложение и снижать минимальную толщину свариваемого металла по сравнению со сваркой непрерывно действующей дугой.

Сварку плавящимся электродом выполняют автоматическим или механизированным с помощью полуавтоматов способами. Сваривают металл толщиной 3 мм и более. Нормальное протекание процесса сварки и хорошее качество шва обеспечиваются при высокой плотности тока (100 А/мм² и более). В противном случае имеет место крупнокапельный перенос расплавленного металла с электрода в сварочную ванну, приводящий к пористости шва, сильному разбрызгиванию расплавленного металла и малому проплавлению основного металла.

При высоких плотностях тока перенос расплавленного металла с электрода становится мелкокапельным или струйным. В условиях действия значительных электромагнитных сил быстродвижущиеся мелкие капли сливаются в сплошную струю. Такой перенос электродного металла обеспечивает глубокое проплавление основного металла, формирование плотного шва с ровной и чистой поверхностью и разбрызгивание в допустимых пределах.

Области применения аргонодуговой сварки охватывают широкий круг материалов и изделий (узлы летательных аппаратов, элементы атомных установок, корпуса и трубопроводы химических аппаратов и т.п.). Аргонодуговую сварку применяют для соединения цветных (алюминия, магния, меди) и тугоплавких (титана, ниобия, ванадия, циркония) металлов и их сплавов, а также легированных и высоколегированных сталей. Сварку выполняют в любом пространственном положении.

В углекислом газе сваривают конструкции из углеродистой и низколегированной сталей (газо- и нефтепроводы, корпуса судов и т.д.). Сварку выполняют в любом пространственном положении. Преимущества механизированной сварки СО₂ благодаря ее стоимости и производительности часто диктуют замену ею ручной дуговой сварки покрытыми электродами.

Дуговую сварку в защитных газах применяют в робототехнических комплексах для сварки изделий в мелко- и среднесерийном производствах. Комплекс включает в себя манипулятор с рабочим органом - сварочной горелкой; поворотный стол, на котором устанавливаются и точно позиционируются свариваемые изделия, и устройства программного управления.

Манипулятор имеет пять-шесть степеней подвижности, что позволяет ему перемещать сварочную горелку по сложной пространственной траектории. Траектория движения горелки программируется и может быстро изменяться при смене свариваемого изделия.

Роботы первого поколения имеют жестко заданную программу перемещения рабочего органа, что требует проводить позиционирование свариваемого изделия с высокой точностью. Роботы второго поколения (адаптивные, самонастраивающиеся) имеют специальные датчики, позволяющие им реагировать на отклонение траектории сварного шва и корректировать движения горелки.

8 ГАЗОПЛАМЕННАЯ СВАРКА И РЕЗКА

При газовой сварке заготовки и присадочный материал в виде прутка или проволоки расплавляют высокотемпературным пламенем газовой горелки. Газовое пламя получают при сгорании ацетилена в атмосфере технически чистого кислорода.

Кислород, используемый для сварочных работ, поставляют к месту потребления в стальных баллонах под давлением 15 МПа.

В качестве горючих газов кроме ацетилена можно также применять природные газы, водород, пары бензина и керосина, нефтяные газы и др. Перечисленные горючие газы могут быть использованы главным образом для кислородной резки, не требующей высокой температуры пламени.

Сварочные горелки используют для образования сварочного пламени. В промышленности наиболее распространена инжекторная горелка, так как она наиболее безопасна и работает на низком и среднем давлениях. В инжекторной горелке кислород под давлением 0,1... 0,4 МПа через регулировочный вентиль подается к инжектору. Выходя с большой скоростью из узкого канала инжекторного конуса, кислород создает значительное разрежение в камере и засасывает горючий газ, поступающий через вентиль в ацетиленовые каналы горелки и камеру смешения, где образуется горючая смесь. Затем горючая смесь поступает по наконечнику к мундштуку, на выходе из которого при сгорании образуется сварочное пламя.

Сварочное пламя образуется в результате сгорания ацетилена, смешивающегося в определенных пропорциях с кислородом в сварочных горелках. Ацетилено-кислородное пламя состоит из трех зон: ядра пламени, средней зоны и факела пламени.

В зоне ядра происходит постепенный нагрев до температуры воспламенения газовой смеси, поступающей из мундштука; в средней зоне - первая стадия горения ацетилена за счет кислорода, поступающего из баллона. Эта зона, имеющая самую высокую температуру и обладающая восстановительными свойствами, называется сварочной, или рабочей, зоной. В зоне факела протекает вторая стадия горения ацетилена за счет атмосферного кислорода.

Пары воды и СО₂ при высоких температурах окисляют металл, поэтому данную зону называют окислительной.

При газовой сварке заготовки нагреваются более плавно, чем при дуговой. Это и определяет основные области ее применения: для сварки металлов малой толщины (0,2... 3 мм); легкоплавких цветных металлов и сплавов; для металлов и сплавов, требующих постепенного нагрева и охлаждения, например инструментальных сталей, чугуна, латуней; для пайки и наплавочных работ; для подварки дефектов в чугунных и бронзовых отливках. При увеличении толщины металла производительность газовой сварки резко снижается, свариваемые изделия значительно деформируются. Это ограничивает применение газовой сварки.

При кислородной резке происходит локальное сжигание металла в струе кислорода и удаление этой струей образующихся оксидов. При горении железа в кислороде выделяется значительное количество теплоты.

Для начала горения металл подогревают до температуры его воспламенения в кислороде (например, сталь до 1000... 1200°С). Процесс кислородной резки: Металл (заготовка) нагревается в начальной точке реза подогревающим пламенем, затем направляется струя режущего кислорода, и нагретый металл начинает гореть. Горение металла сопровождается выделением теплоты, которая вместе с подогревающим пламенем разогревает лежащие ниже слои на всю толщину металла. Образующиеся оксиды расплавляются и выдуваются струей режущего кислорода из зоны реза. Конфигурация перемещения струи соответствует заданной форме вырезаемого изделия.

Для обеспечения нормального процесса резки металл должен обладать следующими свойствами: температура его плавления должна быть выше температуры горения в кислороде, а температура плавления оксидов металла - ниже температуры его горения; количество теплоты, выделяющейся при сгорании металла в кислородной струе, должно быть достаточным для поддержания непрерывного процесса резки; он должен иметь относительно низкую теплопроводность, в противном случае теплота интенсивно отводится и процесс резки прерывается; образующиеся оксиды должны быть достаточно жидкотекучими и легко выдуваться струей режущего кислорода.

Указанным требованиям отвечают железо, низкоуглеродистые и низколегированные стали.

По характеру и направленности кислородной струи различают следующие способы резки.

Разделительная резка - режущая струя направлена нормально к поверхности металла и прорезает его на всю толщину. Разделительной резкой раскраивают листовую сталь, разрезают профильный материал, вырезают косынки, круги, фланцы и т.п.

Поверхностная резка - режущая струя направлена под очень малым углом к поверхности металла (почти параллельно ей) и обеспечивает грубую его строжку или обдирку. Ею удаляют поверхностные дефекты отливок.

Резка может быть ручной и механизированной. Ручная резка вследствие неравномерности перемещения резака и вибрации режущей струи не обеспечивает высокого качества реза, поэтому поверхность реза обычно механически обрабатывают.

Для получения реза высокого качества применяют машинную резку, которая гарантирует равномерное перемещение резака по длине реза, строгую перпендикулярность режущей струи к разрезаемой поверхности и постоянное расстояние мундштука от поверхности металла. Машинную резку выполняют специальными автоматами и полуавтоматами с одним или несколькими резаками, а при вырезке прямо- и криволинейных фасонных заготовок применяют металлические копиры.

Обычной кислородной резкой разрезают металлы толщиной 5... 300 мм. При резке металла толщиной более 300 мм применяют специальные резаки.

Резку плазменной струей, плазменной дугой и лазерную можно применять практически для всех материалов.

Для резки токопроводящих материалов большой толщины с целью увеличения эффективной тепловой мощности используют плазменную дугу, совмещенную с плазменной струей. Этим способом разрезают толстые листы алюминия и его сплавов (до 80... 120 мм), высоколегированную сталь и медные сплавы. Скорость резки плазменной дугой при прочих равных условиях выше, чем плазменной струей. Плазменную резку можно проводить вручную; однако чаще всего применяют автоматизированные устройства, а для резки по сложному контуру - системы с ЧПУ.

9 КОНТАКТНАЯ СВАРКА

Контактная сварка относится к видам сварки с кратковременным нагревом места соединения без оплавления или с оплавлением и последующей осадкой разогретых заготовок. Характерная особенность этих процессов - пластическое деформирование, в ходе которого формируется сварное соединение.

Место соединения разогревается проходящим по металлу электрическим током, причем максимальное количество теплоты выделяется в месте сварочного контакта.

При непрерывном сдавливании нагретых заготовок пластичный металл в местах контакта деформируется, поверхностные оксидные пленки разрушаются и удаляются к периферии стыка. В соприкосновение приходят совершенно чистые слои металла, образующие сварное соединение.

Стыковая сварка - разновидность контактной сварки, при которой заготовки свариваются по всей поверхности соприкосновения. Свариваемые заготовки закрепляют в зажимах стыковой машины. Зажим установлен на подвижной плите, перемещающейся в направляющих, зажим укреплен на неподвижной плите. Сварочный трансформатор соединен с плитами гибкими шинами и питается от сети через включающее устройство. Плиты перемещаются, и заготовки сжимаются под действием силы Р, обеспечиваемой механизмом осадки.

Стыковую сварку с разогревом стыка до пластичного состояния и последующей осадкой называют сваркой сопротивлением, а при разогреве торцов заготовок до оплавления и последующей осадкой - сваркой оплавлением. Для правильного формирования сварного соединения необходимо, чтобы процесс протекал в определенной последовательности. Совместное графическое изображение тока и давления, изменяющихся в процессе сварки во времени, называют циклограммой сварки.

Точечная сварка - разновидность контактной сварки, при которой заготовки соединяются в отдельных точках. При точечной сварке заготовки собирают внахлестку и сжимают между двумя электродами, подводящими ток к месту сварки. Соприкасающиеся с медными электродами поверхности свариваемых заготовок нагреваются медленнее их внутренних слоев. Нагрев продолжают до пластичного состояния внешних и до расплавления внутренних слоев. После этого выключают ток и несколько увеличивают, а затем снимают давление. В результате образуется литая сварная точка.

Точечной сваркой изготовляют штампосварные конструкции при соединении отдельных штампованных элементов сварными точками. В этом случае упрощается технология изготовлений сварных узлов и повышается производительность.

Точечную сварку применяют для изготовления изделий из низкоуглеродистых, углеродистых, низко- и высоколегированных сталей, люминиевых сплавов. Толщина свариваемых металлов составляет 0,5... 5 мм.

Многоточечная контактная сварка - разновидность контактной сварки, когда за один цикл сваривается несколько точек. Многоточечную сварку выполняют по принципу односторонней точечной сварки. Машины для многоточечной сварки могут иметь от одной до 100 пар электродов; соответственно, можно сваривать 2...200 точек за одну установку изделия. Многоточечной сваркой сваривают одновременно и последовательно.