Основы материаловедения

Азотирование проводят на готовых изделиях, прошедших окончательную механическую и термическую обработку (закалка с высоким отпуском).

После азотирования в сердцевине изделия сохраняется структура сорбита, которая обеспечивает повышенную прочность и вязкость.

Цианирование стали

Цианирование проводят при температурах от 800 до 950 °С в расплавах, содержащих цианистые соли, причем с повышением температуры химико-термической обработки доля углерода в слое растет, а азота -- понижается. Структура насыщенного слоя после цианирования оказывается аналогичной структуре слоя после нитроцементации.

Цианирование и нитроцементация.

Цианирование - химико-термическая обработка, при которой поверхностьнасыщается одновременно углеродом и азотом.

Осуществляется в ваннах с расплавленными цианистыми солями, например NaCN с добавками солей NаCl, BaCl и др. При окислении цианистого натрия образуется атомарный азот и окись углерода:

Глубина слоя и концентрация в нем углерода и азота зависят от температуры процесса и его продолжительности.

Цианированный слой обладает высокой твердостью 58…62 HRC и хорошо сопротивляется износу. Повышаются усталостная прочность и коррозионная стойкость.

Продолжительности процесса 0,5…2 часа.

Высокотемпературное цианирование - проводится при температуре 800…950oС, сопровождается преимущественным насыщением стали углеродом до 0,6…1,2 %, (жидкостная цементация). Содержание азота в цианированном слое 0,2…0,6 %, толщина слоя 0,15…2 мм. После цианирования изделия подвергаются закалке и низкому отпуску. Окончательная структура цианированного слоя состоит из тонкого слоя карбонитридов Fe2(C, N), а затем азотистый мартенсит.

По сравнению с цементацией высокотемпературное цианирование происходит с большей скоростью, приводит к меньшей деформации деталей, обеспечивает большую твердость и сопротивление износу.

Низкотемпературное цианирование - проводится при температуре 540…600oС, сопровождается преимущественным насыщением стали азотом

Проводится для инструментов из быстрорежущих, высокохромистых сталей, Является окончательной обработкой.

Основным недостатком цианирования является ядовитость цианистых солей.

Нитроцементация - газовое цианирование, осуществляется в газовых смесях из цементующего газа и диссоциированного аммиака.

Состав газа температура процесса определяют соотношение углерода и азота в цианированном слое. Глубина слоя зависит от температуры и продолжительности выдержки.

Высокотемпературная нитроцементация проводится при температуре 830…950oС, для машиностроительных деталей из углеродистых и малолегированных сталей при повышенном содержании аммиака. Завершающей термической обработкой является закалка с низким отпуском. Твердость достигает 56…62 HRC.

На ВАЗе 95 % деталей подвергаются нитроцементации.

Низкотемпературной нитроцементации подвергают инструмент из быстрорежущей стали после термической обработки (закалки и отпуска). Процесс проводят при температуре 530…570oС, в течение 1,5…3 часов. Образуется поверхностный слой толщиной 0,02…0,004 мм с твердостью 900…1200 HV.

Н итроцементация характеризуется безопасностью в работе, низкой стоимостью.

35. Выберите и обоснуйте марки сплавов для изготовления: пружины, работающей в условиях коррозии, метчика, поршня автомобильного двигателя

Цилиндрические пружины с круглым сечением прутка применяют в качестве упругих элементов в рессорном подвешивании тележек современных пассажирских и грузовых вагонов.

Материал для пружин должен удовлетворять требованиям статической, динамической и ударной прочности, обладать высоким пределом выносливости, достаточной пластичностью и сохранять свои упругие свойства в течение срока службы пружины.

Цилиндрические винтовые пружины изготовляют из кремнистых рессорно-пружинных сталей марок 55С2 и 60С2.

Упругие элементы машин и приборов, в том числе витые пружины, работающие на сжатии е и растяжение, изготовленные из разных марок сталей и специальных сплавов, являются весьма распространёнными деталями в современной технике.

Применяемые пружины имеют различную конструкцию. Наиболее широко применяются цилиндрические винтовые пружины, работающие на растяжение и сжатие, обычно изготовляемые из высококачественной проволоки.

Для правильной работы механизма пружины после снятия приложенной нагрузки должны полностью восстанавливать свои первоначальные, т.е. заданные по чертежу размеры.

Необходимо хорошо знать вопросы, связанные с процессами не только навивки пружин, но и их химической и электрохимической обработок, а так же антикоррозийных покрытий, влияющих на работоспособность, стойкость и надёжность пружин.

Защитные антикоррозийные покрытия, наносимые на поверхность пружин, в некоторых случаях разрушаются от действия агрессивных сред (например, под действием потоков жидкости и газов), и создаются условия для активной коррозии и выхода деталей из строя.

Кроме того, от неправильного выбора гальванических процессов или в следствии их нарушения происходят поломки пружин (от насыщения металла водородом).

Материалом для изготовления пружин служат высокоуглеродистые стали (ГОСТ 9389-75) и легированные стали марок 60С2А, 65С2ВА, а также 51ХФА, способные работать при температуре до 120oС. Для того, чтобы повысить стойкость к коррозии на пружины может наноситься защитное покрытие: грунт, лак, эмаль, порошковое покрытие, а также производиться гальваническая обработка: химическое фосфатирование, цинкование и никелирование.

Пружины, работающие в условиях агрессивных сред и температур до 250oС: эти пружины изготавливаются из нержавеющих марок сталей. Для повышения коррозионной стойкости дополнительно проводится электрополирование.

Возможно изготовление пружин из жаропрочных никелевых сплавов ЭИ437Б(ХН77ТЮР) и ЭИ828(ХН70МВЮ), эксплуатирующиеся при температурах 500 - 800oС, а также из бронзового сплава марки БР-КМЦ3.

Рессорно-пружинная сталь поставляется в виде горячекатаного профиля, холоднокатаной ленты, проволоки.

Для изготовления пружин, навиваемых в холодном состоянии из проволоки диаметром от 0,14 до 8,0 мм и не подвергающихся закалке, употребляется сталь марок У7А--У13А. Из этих же сталей изготовляют холоднокатаную ленту для ленточных пружин и пружинных деталей.

Области применения:

65, 55ГС, 55СГ, 65Г, 60СГ и 60СГА -- пружины и рессоры, пружинные кольца, шайбы Гровера, тормозные ленты и др.

50С2, 55С2, 60С2, 60С2А и 70СЗА -- пружины и рессоры для автомобильного, тракторного и транспортного машиностроения, торсионные валы, пружины независимой подвески, пружины передней подвески автомобиля и др.

50ХГ, 50ХГА, 50ХФА -- рессоры легковых автомобилей, ответственные клапанные пружины, секционные кольца поршней, сальников и другие пружины.

60С2ХА -- высоконагруженные ответственные пружины и рессоры.

Технические требования на метчики оговорены в ГОСТ 3449-71.

Рассмотрим технические требования, которые должны быть оговорены на стадии расчета и конструирования метчиков, но не вошли в расчет рассмотренных выше конструктивных элементов.

Марка быстрорежущей стали для изготовления рабочей части метчика выбирается в зависимости от свойств обрабатываемого материала, состояния поверхностного слоя отверстия заготовки и технологических требований на операцию резьбонарезания (шероховатость поверхности, точность и т.д.).

Для нарезания резьбы в углеродистых сталях обычного качества, конструкционных углеродистых качественных сталях, низколегированных сталях, цветных металлах, сплавах и пластмассах рекомендуется быстрорежущая сталь марки Р6М5.

Для нарезания резьбы в высоколегированных, трудно-обрабатываемых, жаропрочных, коррозионностойких сталях и сплавах рекомендуется быстрорежущая сталь марки Р6М5К5 (основная), а также стали Р9М4КВ, Р9К1С.

Машинно-ручные метчики диаметром от 1 до 2,5 мм допускается изготавливать из углеродистой стали марок У11А и У12А.

Прямые хвостовики сварных машинно-ручных и гаечных метчиков должны изготавливаться из стали марки 45 или 40Х; для повышения износостойкости и прочности изогнутые хвостовики сварных гаечных метчиков изготавливаются из стали марки У7.

Материалы для поршней

К материалам, применяемым для изготовления поршней автомобильных двигателей, предъявляются следующие требования: 1) высокая механическая прочность и стабильность ее показателей при повышенной температуре и переменных нагрузках; 2) малая плотность; 3) хорошая теплопроводность; 4) малый коэффициент линейного расширения; 5) стойкость против коррозии; 6) высокие антифрикционные свойства при повышенной температуре и плохой смазке;7)небольшая стоимость и хорошая обрабатываемость.

Для изготовления поршней применяют серый и ковкий чугун следующих марок: СЧ 24-44, СЧ 28-48, СЧ 32-52. Из легких алюминиевых сплавов наибольшее применение получили сплавы АЛ1, АК2, АК4, ЖЛС. В качестве материала для вставок под первое компрессионное кольцо применяются низкоуглеродистая сталь или чугун.

В последние годы ведутся работы по применению для поршней жаропрочных сталей, которые позволяют получить прочную конструкцию при наименьшей массе, так как стенки юбки могут быть сделаны достаточно тонкими. Основными недостатками такой конструкции являются: повышение стоимости обработки поршня и увеличение износа гильзы цилиндра.

Все поршни подвергаются термической обработке (закалке и старению или только старению). Твердость поршней из алюминиевых сплавов колеблется в пределах НВ 90--120.

Для сокращения периода приработки пары поршень -- стенка цилиндра боковую поверхность поршня покрывают легкоплавкими металлами (лужение с толщиной покрытия0,005--0,002мм).

50. Из каких операций состоит процесс получения отливок в оболочковых (скорлупочных) формах? Укажите преимущества этого способа перед литьём в земельные формы

Литьё в оболочковые формы -- способ получения фасонных отливок из металлических сплавов в формах, состоящих из смеси песчаных зёрен (обычно кварцевых) и синтетического порошка (обычно фенолоформальдегидной смолы и пульвер-бакелита). Предпочтительно применение плакированных песчаных зёрен (покрытых слоем синтетической смолы).

Оболочковую форму получают одним из двух методов. Смесь насыпают на металлическую модель, нагретую до 300 °C, выдерживают в течение нескольких десятков секунд до образования тонкого упрочнённого слоя, избыток смеси удаляют. При использовании плакированной смеси её вдувают в зазор между нагретой моделью и наружной контурной плитой. В обоих случаях необходимо доупрочнение оболочки в печи (при температуре до 400 °C) на модели. Полученные оболочковые полуформы скрепляют, и в них заливают жидкий сплав. Во избежание деформации форм под действием заливаемого сплава перед заливкой их помещают в металлический кожух, а пространство между его стенками и формой заполняют металлической дробью, наличие которой воздействует также на температурный режим охлаждающейся отливки.

Этим способом изготавливают различные отливки массой до 25 кг. Преимуществами способа являются значительные повышение производительности по сравнению с изготовлением отливок литьём в песчаные формы, управление тепловым режимом охлаждения отливки и возможность механизировать процесс.

Оболочковое литье (литье в корковые формы); особенности процесса, оборудование, достоинства и недостатки, область применения

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. 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 6 в верти­кальном положении их помещают в опоку 7 и засыпают чугунной дробью 8 для предохранения от пре­ждевременного разрушения (рис. д). 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.

70. Перечислите новые методы сварки. Укажите их сущность

Сварку и пайку, как виды получения неразъемных соединений, широко применяют в различных отраслях техники. За последние 20 лет разработаны и освоены новые и специальные виды (методы) сварки и пайки, которые внесли корённые изменения в технологию изготовления машин, механизмов, приборов и сооружений.

Достигнуты большие успехи в совершенствовании и внедрении в промышленность широко известных, прогрессивных видов дуговой, электрошлаковой и контактной сварки, низкотемпературной и высокотемпературной пайки с флюсами, в защитном газе и вакууме. Совершенствуется сварка и пайка углеродистых, легированных и нержавеющих сталей, цветных и тугоплавких металлов, жаропрочных сплавов и неметаллических материалов.

Расширяется применение высокопрочных сталей, жаропрочных сплавов на основе никеля и хрома, титановых и алюминиевых сплавов, монокристаллов, волокнистых композитных и неметаллических материалов на основе карбидов, боридов, силицидов и др. Большинство из этих материалов при сварке обычными, традиционными видами сварки, нагреваясь, окисляется, реагируя при этом со многими компонентами газов и флюсов, в результате чего снижается их прочность.

Новые и специальные виды сварки, а также пайки не имеют указанных выше недостатков, так как зона нагрева незначительна вследствие высокой концентрации энергия и малой длительности процессов (например, действие электронного луча, светового излучения, взрыва) или нагрев отсутствует (например, холодная сварка). Применение новых и специальных видов сварки и пайки дает большой экономический эффект.

Электронно-лучевая сварка позволяет получать соединения стальных деталей толщиной от долей миллиметра до 120 мм, а деталей из алюминия и титана толщиной до 200 мм за один проход. Многопучковые лучи обеспечивают высококачественную сварку труб в трубные решетки за один импульс. За доли секунды девятипучковый луч сваривает сепаратор шарикоподшипника. Производство изделий новой техники связано с применением световой, лазерной, диффузионной и прессовой сварки. При сварке разнородных металлов, плакировании и резке все шире применяют энергию взрыва. Ультразвуковую сварку наряду с получением соединений из металлов и пластмасс применяют даже в медицине.

Область применения новых и специальных видов сварки значительно расширяется в микроэлектронике и приборостроении, автомобилестроении и энергомашиностроении, в авиационной и космической технике, в строительстве и сельском хозяйстве, в медицинской практике. Новые и специальные виды сварки и пайки позволяют теперь создавать конструкции с заданными параметрами из материалов с различными теплофизическими свойствами, свободными от внутренних напряжений и не требующих последующей термической и механической обработки.

Классификация сварки.

Холодная сварка.

Холодная сварка, способ сварки металлов без нагрева при сдавливании соединяемых деталей. Х. с. обычно производится при комнатной температуре и при высоких давлениях -- до 1 Гн/м2 (104 кгс /см2) и более, вызывающих пластическое течение металлов. Х. с. высокопроизводительна и экономична; особенно хорошо свариваются пластичные материалы (пластмассы, смолы и др.) и металлы с кубической гранецентрированной решёткой -- алюминий, медь, никель, серебро, g-железо. Наиболее распространена Х. с. алюминия. Х. с. разнородных металлов, например алюминия и меди, позволяет избежать образования в месте соединения хрупких, малопрочных металлидов, возникающих при обычной сварке плавлением. Х. с. широко применяется в электротехнической, авиационной и др. отраслях промышленности.

Диффузионная сварка.

Диффузионная сварка, способ сварки без расплавления основного металла за счёт нагрева и сдавливания соединяемых деталей. В месте сварки деталей происходит диффузия одного металла в другой. Детали с тщательно зачищенными и пригнанными поверхностями помещают в закрытую сварочную камеру с разрежением до ~0,01--0,001 н/м2, т. е. до 10-5 мм рт. ст. Детали сдавливают небольшим постоянным усилием, для повышения пластичности и ускорения диффузии нагревают до 600--800°С. Через несколько минут после окончания сварки детали охлаждаются, и их выгружают из камеры. При нагреве в вакуумной камере происходит интенсивная очистка поверхностей от органических загрязнений и окислов. Д. с. позволяет получать сварные швы высокого качества без внутренних напряжений и без перегрева металла в околошовной зоне. Этим способом можно соединять детали из одинаковых твёрдых и хрупких или разнородных материалов: из стали, твёрдых сплавов, титана, меди, никеля и их сплавов и т.д. Возможна сварка деталей из некоторых неметаллических материалов, например двух керамических или керамической с металлической. Д. с. применяется в основном в электронной промышленности, машиностроении, при производстве металлорежущего инструмента, штампов и др. Применение Д. с. ограничивается необходимостью иметь сложную и дорогую аппаратуру. Производительность Д. с. не очень высока из-за наличия таких операций, как вакуумирование камеры, нагрев деталей, выдержка для проведения диффузии

Сварка взрывом.

Угловая схема сварки взрывом на стадии взрыва:

1. метаемая деталь

2. сплавленная поверхность

3. неподвижная деталь

4-5. заряд взрывчатого вещества

6. кумулятивная струя

Сварка взрывом, или взрывная сварка -- метод сварки на основе использования энергии взрыва; разновидность обработки металлов взрывом[1].

При сварке взрывом привариваемая (метаемая) деталь располагается под углом к неподвижной детали-мишени (основанию) или параллельно ей (в большинстве случаев) и приводится в движение контролируемым взрывом, в результате чего с большой скоростью соударяется с ней; соединение образуется за счет совместной пластической деформации поверхностей.

Сварка взрывом применяется для соединения деталей из разнородных металлов[2], в частности для плакирования.

Ультразвуковая сварка

Ультразвуковая сварка, способ сварки с применением ультразвука для сообщения колебаний инструменту, прижимаемому к поверхностям свариваемых материалов. Сварка металлов происходит в твёрдой фазе (без расплавления). Металл разогревается до 200--600 °С в результате действия сил трения между инструментом и металлом. Колебания инструмента способствуют очистке поверхностей, поэтому шов получается хорошего качества. Этим способом соединяют отдельными точками или непрерывным швом главным образом листовые металлы (Al, Ti, Cu), некоторые сплавы, пластмассы. Толщина листов 0,1--2 мм. Время сварки точки 0,1--5,0 сек при силе прижатия инструмента 20--200 кгс (0,2--2 кн).

При сварке деталей разной толщины одна должна быть тонкой (не более 1 мм), вторая может иметь сколь угодно большую толщину. К оборудованию для У. с. относятся: высокочастотный ламповый генератор мощностью 0,5--5 квт, магнитострикционный преобразователь с сердечником, длина которого может изменяться. Сердечник соединён с волноводным концентратором акустическим, несущим рабочий инструмент с наконечником из твёрдого сплава. У. с. находит применение главным образом в радиотехнической, электронной, электротехнической промышленности.

Общепринятые обозначения:

PAW - Plasma Arc Welding - сварка плазменной дугой

Технология плазменной сварки

Плазмой называется частично или полностью ионизированный газ, состоящий из нейтральных атомов и молекул, а также электрически заряженных ионов и электронов. В таком определении обычная дуга может быть названа плазмой. Однако по отношению к обычной дуге термин «плазма» практически не применяют, так как обычная дуга имеет относительно невысокую температуру и обладает невысоким запасом энергии по сравнению с традиционным понятием плазмы.

Рисунок. Схема процесса плазменной сварки

Для повышения температуры и мощности обычной дуги и превращения ее в плазменную используются два процесса: сжатие дуги и принудительное вдувание в нее плазмообразующего газа. Схема получения плазменной дуги приведена на рисунке выше. Сжатие дуги осуществляется за счет размещения ее в специальном устройстве - плазмотроне, стенки которого интенсивно охлаждаются водой. В результате сжатия уменьшается поперечное сечение дуги и возрастает ее мощность - количество энергии, приходящееся на единицу площади. Температура в столбе обычной дуги, горящей в среде аргона, и паров железа составляет 5000-7000°С. Температура в плазменной дуге достигает 30 000°С.

Одновременно со сжатием в зону плазменной дуги вдувается плазмообразующий газ, который нагревается дугой, ионизируется и в результате теплового расширения увеличивается в объеме в 50-100 раз. Это заставляет газ истекать из канала сопла плазмотрона с высокой скоростью. Кинетическая энергия движущихся ионизированных частиц плазмообразующего газа дополняет тепловую энергию, выделяющуюся в дуге в результате происходящих электрических процессов. Поэтому плазменная дуга является более мощным источником энергии, чем обычная.

Основными чертами, отличающими плазменную дугу от обычной, являются:

более высокая температура;

меньший диаметр дуги;

цилиндрическая форма дуги (в отличие от обычной конической);

давление дуги на металл в 6-10 раз выше, чем у обычной;

возможность поддерживать дугу на малых токах (0,2-30 А).

Перечисленные отличительные черты делают плазменную дугу по сравнению с обычной более универсальным источником нагрева металла. Она обеспечивает более глубокое проплавление металла при одновременном уменьшении объема его расплавления. На рисунке приведена форма проплавления для обычной дуги и плазменной. Из рисунка видно, что плазменная дуга - более концентрированный источник нагрева и позволяет без разделки кромок сваривать большие толщины металла. Из-за своей цилиндрической формы и возможности существенно увеличить длину такая дуга позволяет вести сварку в труднодоступных местах, а также при колебаниях расстояния от сопла горелки до изделия.

Рисунок. Форма проплавления для обычной и плазменной дуги

Возможны две схемы процесса:

сварка плазменной дугой, когда дуга горит между неплавящимся электродом и изделием,

и плазменной струей, когда дуга горит между неплавящимся электродом и соплом плазмотрона и выдувается потоком газа.

Первая схема наиболее распространена.

В качестве плазмообразующего газа при сварке используется обычно аргон, иногда с добавками гелия или водорода. В качестве защитного газа используется чаще всего также аргон. Материал электрода - вольфрам, активированный иттрием, лантаном или торием, а также гафний и медь.

Разновидности:

В зависимости от силы тока различают три разновидности плазменной сварки:

микроплазменная (Iсв = 0,1-25А);

на средних токах (Iсв = 50-150А);

на больших токах (Iсв > 150А).

Микроплазменная сварка

Наиболее распространенной является микроплазменная сварка. В связи с достаточно высокой степенью ионизации газа в плазмотроне и при использовании вольфрамовых электродов диаметром 1-2 мм плазменная дуга может гореть при очень малых токах, начиная с 0,1 А.

Рисунок. Схема процесса микроплазменной сварки

Специальный малоамперный источник питания (см. рисунок выше) постоянного тока предназначен для получения дежурной дуги, непрерывно горящей между электродом и медным водоохлаждаемым соплом. При подведении плазмотрона к изделию зажигается основная дуга, которая питается от источника. Плазмообразующий газ подается через сопло плазмотрона, имеющее диаметр 0,5-1,5 мм.

Защитный газ подается через керамическое сопло. Плазменная горелка охлаждается водой. Для зажигания дуги в сварочной установке имеются осцилляторы дежурной и основной дуги.

Микроплазменная сварка является весьма эффективным способом сплавления изделий малой толщины, до 1,5 мм. Диаметр плазменной дуги составляет около 2 мм, что позволяет сконцентрировать тепло на ограниченном участке изделия и нагревать зону сварки, не повреждая соседние участки. Такая дуга имеет цилиндрическую форму, поэтому глубина проплавления и другие параметры шва мало зависят от длины дуги, что позволяет при манипуляциях сварщиком горелкой избежать прожогов, характерных для обычной аргонодуговой сварки тонкого металла.

Основным газом, использующимся в качестве плазмообразующего и защитного, является аргон. Однако в зависимости от свариваемого металла к нему могут осуществляться добавки, увеличивающие эффективность процесса сварки. При сварке сталей к защитному аргону целесообразна добавка (8-10%) водорода, что позволяет повысить тепловую эффективность плазменной дуги. Это связано с диссоциацией водорода на периферии столба дуги и последующей его рекомбинацией с выделением тепла на поверхности свариваемого металла. При сварке низкоуглеродистых сталей к аргону возможна добавка углекислого газа, при сварке титана - добавка гелия.

Установки для микроплазменной сварки позволяют осуществлять сварку в различных режимах: непрерывный прямой полярности, импульсный прямой полярности (позволяет регулировать тепловложение), разнополярными импульсами (для алюминия, обеспечивает разрушение оксидной пленки), непрерывный обратной полярности. Наиболее распространенной установкой является МПУ-4у.

К основным параметрам процесса микроплазменной сварки относятся сила тока, напряжение, расход плазмообразующего и защитного газа, диаметр канала сопла, глубина погружения в сопло электрода, диаметр электрода.

Микроплазменная сварка успешно применяется при производстве тонкостенных труб и емкостей, приварке мембран и сильфонов к массивным деталям, соединении фольги, термопар, при изготовлении ювелирных изделий.

Плазменная сварка на средних токах

Плазменная сварка на токах Iсв = 50-150А имеет много общего с аргонодуговой сваркой вольфрамовым электродом. Однако из-за более высокой мощности дуги и ограниченной площади нагрева она является более эффективной. По энергетическим характеристикам плазменная дуга занимает промежуточное положение между обычной дугой и электронным или лазерным лучом. Она обеспечивает более глубокое проплавление, чем обычная дуга, при меньшей ширине шва. Кроме энергетических характеристик, это связано и с более высоким давлением дуги на сварочную ванну, вследствие чего уменьшается толщина прослойки жидкого металла под дугой и улучшаются условия теплопередачи в глубь основного металла. Сварка может осуществляться с применением присадочной проволоки или без нее.

Плазменная сварка на больших токах

Плазменная сварка на токах более I = 150A оказывает еще большее силовое воздействие на металл (плазменная дуга на токах 150А эквивалентна 300А дуге при сварке неплавящимся электродом).

Сварка сопровождается полным проплавлением с образованием в ванне сквозного отверстия. Происходит как бы разрезание деталей с последующей заваркой.

Рисунок. Формирование шва со сквозным проплавлением при плазменной сварке на больших токах

Металл с обратной стороны шва удерживается силами поверхностного натяжения. Диапазон режимов весьма ограничен, поскольку при сварке возможны прожоги.

Плазменная сварка на больших токах используется при сплавлении низкоуглеродистых и легированных сталей, меди, алюминиевых сплавов, титана и других материалов. Во многих случаях она позволяет значительно уменьшить затраты, связанные с разделкой кромок, повысить производительность, улучшить качество швов.

Плазменная сварка требует высокой культуры производства, соблюдения технологии заготовки и сборки, тщательного обеспечения условий охлаждения плазмотронов и правил их эксплуатации. Даже небольшие нарушения режима охлаждения плазмотрона вследствие высоких температур и малого диаметра сопла приводят к его разрушению.

Лазерная сварка.

Сущность и основные преимущества сварки лазерным лучом

При облучении поверхности тела светом энергия квантов (порций) света поглощается этой поверхностью. Образуется теплота, температура поверхности повышается. Если световую энергию сконцентрировать на малом участке поверхности, можно получить высокую температуру. На этом основана сварка световым лучом оптического квантового генератора - лазера.

Термин "лазер" происходит от первых букв английской фразы: "Light amplification by the stimulated emission of radiation", что означает в переводе: "Усиление света посредством индуцирования эмиссии излучения". Академик Н.Г. Басов, удостоенный в 1964 г. совместно с академиком А.М.Прохоровым и американским ученым Ч.Таунсом Нобелевской премии за теоретическое обоснование и разработку лазеров, так характеризует лазер: "Это устройство, в котором энергия, например тепловая, химическая, электрическая, преобразуется в энергию электромагнитного поля - лазерный луч. При таком преобразовании часть энергии неизбежно теряется, но важно то, что полученная в результате лазерная энергия обладает несравненно более высоким качеством. Качество лазерной энергии определяется ее высокой концентрацией и возможностью передачи на значительное расстояние".

Основные элементы лазера - это генератор накачки и активная среда. По активным средам различают твердотельные, газовые и полупроводниковые лазеры. В твердотельных лазерах (рис. 1) в качестве активной среды чаще всего применяют стержни из розового рубина - окиси алюминия А12О3 с примесью ионов хрома Сг3+ (до 0,05 %). При облучении ионы хрома переходят в другое энергетическое состояние -возбуждаются и затем отдают запасенную энергию в виде света. На торцах рубинового стержня нанесен слой отражающего вещества (например, серебра) так, что с одного конца образовано непрозрачное, а с другого - полупрозрачное зеркало. Излучение ионов хрома, отражаясь от этих зеркал, циркулирует параллельно оптической оси стержня, возбуждая новые ионы, - идет лавинообразный процесс. Происходит бурное выделение лучистой энергии, которая излучается параллельным пучком через полупрозрачное зеркало и фокусируется линзой в месте сварки. Выходная мощность твердотельных лазеров достигает 107 Вт при сечении луча менее 1 см2. В фокусе достигается громадная концентрация энергии, позволяющая получать температуру до миллиона градусов.

Рис. 1. Схема твердотельного лазера: 1 - рубиновый стержень; 2 - генератор накачки; 3 - отражатель; 4 - непрозрачное зеркало; 5 - охлаждающая среда; 6 - источник питания; 7 - полупрозрачное зеркало; 8 - световой луч; 9 - фокусирующая линза; 10 - обрабатываемые детали

При работе в импульсном режиме существенный недостаток твердотельного лазера - низкий КПД (0,01...2,0 %). Более высокую мощность и больший КПД обеспечивают лазеры, работающие в непрерывном режиме, например твердотельный лазер на алюмоит-триевом гранате, активированном атомами неодима (приблизительно 1 %). Еще более высокий КПД и мощность у газовых лазеров. В качестве активной среды в них применяют чаще всего СО2 или смесь газов, генераторами накачки могут служить искровые разрядники или электронный луч.

Типичная конструкция газового лазера - это заполненная газом трубка, ограниченная с двух сторон строго параллельными зеркалами: непрозрачным и полупрозрачным (рис. 2). В результате электрического разряда между введенными в трубку электродами возникают быстрые электроны, которые возбуждают газовые молекулы. Возвращаясь в стабильное состояние, эти молекулы образуют кванты света так же, как и в твердотельном лазере. Газовые лазеры могут работать в непрерывном режиме. Для сварки используют твердотельные и газовые лазеры импульсного и непрерывного действия.

Рис. 2. Схема газового лазера: 1 - разрядная трубка; 2 - непрозрачное зеркало; 3 - источник питания; 4 - вакуумный насос; 5 - полупрозрачное зеркало

Лазерную сварку производят на воздухе или в среде защитных газов: аргона, СО2. Вакуум, как при электронно-лучевой сварке, здесь не нужен, поэтому лазерным лучом можно сваривать крупногабаритные конструкции. Лазерный луч легко управляется и регулируется, с помощью зеркальных оптических систем легко транспортируется и направляется в труднодоступные для других способов места. В отличие от электронного луча и электрической дуги на него не влияют магнитные поля, что обеспечивает стабильное формирование шва. Из-за высокой концентрации энергии (в пятне диаметром 0,1 мм и менее) в процессе лазерной сварки объем сварочной ванны небольшой, малая ширина зоны термического влияния, высокие скорости нагрева и охлаждения. Это обеспечивает высокую технологическую прочность сварных соединений, небольшие деформации сварных конструкций. Например, лазерная сварка вилки с карданным валом автомобиля по сравнению с дуговой сваркой увеличивает срок службы карданной передачи в три раза, потому что более чем вдвое уменьшается площадь сечения сварного шва, в несколько раз -время сварки. Деформации вилки, вызывающие преждевременный износ, практически отсутствуют.

Основные энергетические характеристики процесса лазерной сварки - это плотность Е мощности лазерного излучения и длительность t его действия. При непрерывном излучении t определяется продолжительностью времени экспонирования, а при импульсном - длительностью импульса. Превышение верхнего предела Е вызывает интенсивное объемное кипение и испарение металла, приводящее к выбросам металла и дефектам шва. На практике лазерную сварку ведут при Е=106...107 Вт/см2. При Е < 105 Вт/см2 лазерное излучение теряет свое основное достоинство - высокую концентрацию энергии. Изменение Е и t позволяет сваривать лазерным лучом различные конструкционные материалы с толщиной от нескольких микрометров до десятков миллиметров.

Скорость лазерной сварки непрерывным излучением в несколько раз превышает скорости традиционных способов сварки плавлением. Например, стальной лист толщиной 20 мм электрической дугой сваривают со скоростью 15 м/ч за 5...8 проходов, ширина шва получается 20 мм. Непрерывным лазерным лучом этот лист сваривается со скоростью 100 м/ч за 1 проход, получают ширину шва 5 мм. Однако лазерная сварка импульсным излучением по скорости сопоставима с традиционными способами сварки.

Электродуговая сварка

Источником теплоты при дуговой сварке служит электрическая дуга, которая горит между электродом и заготовкой. В зависимости от материала и числа электродов, а также способа включения электродов и заготовки в цепь электрического тока различают следующие способы дуговой сварки:

а) Сварка неплавящимся (графитным или вольфрамовым) электродом, дугой прямого действия, при которой соединение выполняется путем расплавления только основного металла, либо с применением присадочного металла.

б) Сварка плавящимся (металлическим) электродом, дугой прямого действия, с одновременным расплавлением основного металла и электрода, который пополняет сварочную ванну жидким металлом.

в) Сварка косвенной дугой, горящей между двумя, как правило, неплавящимися электродами. При этом основной металл нагревается и расплавляется теплотой столба дуги.

г) Сварка трехфазной дугой, при которой дуга горит между электродами, а также между каждым электродом и основным металлом.

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

Электрошлаковая сварка и приплав

При электрошлаковой сварке основной и электродный металл расплавляются теплотой, выделяющейся при прохождении электрического тока через шлаковую ванну. Процесс электрошлаковой сварки начинается с образования шлаковой ванны в пространстве между кромками основного металла и формирующими устройствами (ползунами), охлаждаемые водой, подаваемой по трубам, путем расплавления флюса электрической дугой, возбуждаемой между сварочной проволокой и вводной планкой.

После накопления определенного количества жидкого шлака дуга шунтируется шлаком и гаснет, а подача проволоки и подвод тока продолжаются. При прохождении тока через расплавленный шлак, являющийся электропроводящим электролитом, в нем выделяется теплота, достаточная для поддержания высокой температуры шлака (до 2000 градусов по Цельсию) и расплавления кромок основного металла и электродной проволоки. Проволока вводится в зазор и подается в шлаковую ванну с помощью мундштука. Проволока служит для подвода тока и пополнения сварочной ванны расплавленным металлом.

Как правило, электрошлаковую сварку выполняют при вертикальном положении свариваемых заготовок. По мере заполнения зазора между ними мундштук для подачи проволоки и формирующие ползуны передвигаются в вертикальном направлении, оставляя после себя затвердевший сварной шов.

В начальном и конечном участках шва образуются дефекты. В начале шва - непровар кромок, в конце шва - усадочная раковина и неметаллические включения. Поэтому сварку начинают на вводной, а заканчивают на выходной планках, которые затем удаляют газовой резкой.

Шлаковая ванна - более распределенный источник теплоты, чем электрическая дуга. Основной металл расплавляется одновременно по всему периметру шлаковой ванны, что позволяет вести сварку металла большой толщины за один проход.

Заготовки толщиной до 150 мм можно сваривать одним электродом, совершающим поперечные колебания в зазоре для обеспечения равномерного разогрева шлаковой ванны по всей толщине. Металл толщиной более 150 мм сваривают тремя проволоками, а иногда и большим числом проволок, исходя из использования одного электрода на 45 - 60 мм толщины металла. Специальные автоматы обеспечивают подачу электродных проволок и их поперечной перемещение в зазоре.

Электрошлаковая сварка имеет ряд преимуществ по сравнению с автоматической сваркой под флюсом: повышенную производительность, лучшую макроструктуру шва и меньшие затраты на выполнение 1 м сварного шва.

К недостаткам электрошлаковой сварки следует отнести образование крупного зерна в шве и околошовной зоне вследствие замедленного нагрева и охлаждения. После сварки необходима термическая обработка (отжиг или нормализация) для измельчения зерна в металле сварного соединения.

Электрошлаковую сварку широко применяют в тяжелом машиностроении для изготовления ковано - сварных и лито - сварных конструкций, таких, как станины и детали мощных прессов и станков, коленчатые валы судовых дизелей, роторы и валы гидротурбин, котлы высокого давления и т. п. Толщина свариваемого металла составляет 50 - 2000 мм.

80. Перечислите основные электрические методы обработки материалов. На каких физических явлениях они основаны? Каковы их достоинства?

Электрофизические и электрохимические методы обработки, общее название методов обработки конструкционных материалов непосредственно электрическим током, электролизом и их сочетанием с механическим воздействием. В Э. и э. м. о. включают также методы ультразвуковые, плазменные и ряд других методов. С разработкой и внедрением в производство этих методов сделан принципиально новый шаг в технологии обработки материалов -- электрическая энергия из вспомогательного средства при механической обработке (осуществление движения заготовки, инструмента) стала рабочим агентом. Всё более широкое использование Э. и э. м. о. в промышленности обусловлено их высокой производительностью, возможностью выполнять технологические операции, недоступные механическим методам обработки. Э. и э. м. о. весьма разнообразны и условно их можно разделить на электрофизические (электроэрозионные, электромеханические, лучевые), электрохимические и комбинированные

Электрофизические методы обработки

Электроэрозионная обработка основана на вырывании частиц материала с поверхности импульсом электрического разряда. Если задано напряжение (расстояние) между электродами, погруженными в жидкий диэлектрик, то при их сближении (увеличении напряжения) происходит пробой диэлектрика -- возникает электрический разряд, в канале которого образуется плазма с высокой температурой.

Т. к. длительность используемых в данном методе обработки электрических импульсов не превышает 10--2 сек, выделяющееся тепло не успевает распространиться в глубь материала и даже незначительной энергии оказывается достаточно, чтобы разогреть, расплавить и испарить небольшое количество вещества. Кроме того, давление, развиваемое частицами плазмы при ударе об электрод, способствует выбросу (эрозии) не только расплавленного, но и просто разогретого вещества. Поскольку электрический пробой, как правило, происходит по кратчайшему пути, то прежде всего разрушаются наиболее близко расположенные участки электродов. Т. о., при приближении одного электрода заданной формы (инструмента) к другому (заготовке) поверхность последнего примет форму поверхности первого). Производительность процесса, качество получаемой поверхности в основном определяются параметрами электрических импульсов (их длительностью, частотой следования, энергией в импульсе). Электроэрозионный метод обработки объединил электроискровой и электроимпульсный методы.

Электроискровая обработка была предложена советскими учёными H. И. и Б. Р. Лазаренко в 1943. Она основана на использовании искрового разряда. При этом в канале разряда температура достигает 10000 °С, развиваются значительные гидродинамические силы, но сами импульсы относительно короткие и, следовательно, содержат мало энергии, поэтому воздействие каждого импульса на поверхность материала невелико. Метод позволяет получить хорошую поверхность, но не обладает достаточной производительностью. Кроме того, при этом методе износ инструмента относительно велик (достигает 100% от объёма снятого материала). Метод используется в основном при прецизионной обработке небольших деталей, мелких отверстий, вырезке контуров. твердосплавных штампов проволочным электродом

Электроимпульсная обработка основана на использовании импульсов дугового разряда. Предложена советским специалистом М.М. Писаревским в 1948. Этот метод стал внедряться в промышленность в начале 1950-х гг. В отличие от искрового, дуговой разряд имеет температуру плазмы ниже (4000--5000°С), что позволяет увеличивать длительность импульсов, уменьшать промежутки между ними и т. о. вводить в зону обработки значительные мощности (несколько десятков квт), т. е. увеличивать производительность обработки. Характерное для дугового разряда преимущественно разрушение катода приводит к тому, что износ инструмента (в этом случае он подключается к аноду) ниже, чем при электроискровой обработке, составляя 0,05--0,3% от объёма снятого материала (иногда инструмент вообще не изнашивается). Более экономичный электроимпульсный метод используется в основном для черновой обработки и для трёхкоординатной обработки фасонных поверхностей. Оба метода (электроискровой и электроимпульсный) дополняют друг друга.

Электроэрозионные методы особенно эффективны при обработке твёрдых материалов и сложных фасонных изделий. При обработке твёрдых материалов механическими способами большое значение приобретает износ инструмента. Преимущество электроэрозионных методов (как и вообще всех Э. и э. м. о.) состоит в том, что для изготовления инструмента используются более дешёвые, легко обрабатываемые материалы. Часто при этом износ инструментов незначителен. Например, при изготовлении некоторых типов штампов механическими способами более 50% технологической стоимости обработки составляет стоимость используемого инструмента. При обработке этих же штампов электроэрозионными методами стоимость инструмента не превышает 3,5%. Условно технологические. приёмы электроэрозионной обработки можно разделить на прошивание и копирование. Прошиванием удаётся получать отверстия диаметром менее 0,3 мм, что невозможно сделать механическими методами. В этом случае инструментом служит тонкая проволочка. Этот приём на 20--70% сократил затраты на изготовление отверстий в фильерах, в том числе алмазных. Более того, электроэрозионные методы позволяют изготовлять спиральные отверстия. При копировании получила распространение обработка ленточным электродом (рис. 3). Лента, перематываясь с катушки на катушку, огибает копир, повторяющий форму зуба. На грубых режимах лента "прорезает" заготовку на требуемую глубину, после чего вращением заготовки щель расширяется на нужную ширину. Более распространена обработка проволочным электродом (лента заменяется проволокой). Этим способом, например, можно получать из единого куска материала одновременно пуансон и матрицу штампа, причём их соответствие практически идеально. Возможности электроэрозионной обработки при изготовлении деталей сложной формы видны из рис. 4. Другие её разновидности: размерная обработка, упрочнение инструмента, получение порошков для порошковой металлургии и др. См. также Вихрекопировальная обработка.

Электромеханическая обработка объединяет методы, совмещающие одновременное механическое и электрическое воздействие на обрабатываемый материал в зоне обработки. К ним же относят методы, основанные на использовании некоторых физических явлений (например, гидравлический удар, ультразвук и др.).

Электроконтактная обработка основана на введении в зону механической обработки электрической энергии -- возбуждении мощной дуги переменного или постоянного тока (до 12 ка при напряжении до 50 в) между, например, диском, служащим для удаления материала из зоны обработки, и изделием (рис. 6). Применяется для обдирки литья, резки и других видов обработки, аналогичных по кинематике движений почти всем видам механической обработки. Преимущества метода -- высокая производительность (до 106 мм3/мин)на грубых режимах, простота инструмента, работа при относительно небольших напряжениях, низкие удельные давления инструмента -- 30--50 кн/м2 (0,3-- 0,5 кгс/см2) и, как следствие, возможность использования для обработки твёрдых материалов инструмента, изготовленного из относительно мягких материалов. Недостатки -- большая шероховатость обработанной поверхности, тепловые воздействия на металл при жёстких режимах.

Разновидностью электроконтактной обработки является электроабразивная обработка -- обработка абразивным инструментом (в т. ч. алмазно-абразивным), изготовленным на основе проводящих материалов. Введение в зону обработки электрической энергии значительно сокращает износ инструмента.

Электроконтактные станки по кинематике не отличаются практически от соответствующих металлорежущих станков; имеют мощный источник тока.

Магнитоимпульсная обработка применяется для пластического деформирования металлов и сплавов (обжатие и раздача труб, формовка трубчатых и листовых заготовок, калибровка и т. п.) и основана на непосредственном преобразовании энергии меняющегося с большой скоростью магнитного поля, возбуждаемого, например, при разряде батареи мощных конденсаторов на индуктор, в механическую работу при взаимодействии с проводником (заготовкой) (рис. 7). Преимущества метода -- отсутствие движущихся и трущихся частей в установках, высокая надёжность и производительность, лёгкость управления и компактность, наличие лишь одного инструмента -- матрицы или пуансона (роль другого выполняет поле) и др.: недостатки -- относительно невысокий кпд, затруднительность обработки заготовок с отверстиями или пазами (мешающими протеканию тока) и большой толщины.

Электрогидравлическая обработка (главным образом штамповка). Основана на использовании энергии гидравлического удара при мощном электрическом (искровом) разряде в жидком диэлектрике (рис. 8). При этом необходимо вакуумирование полости между заготовкой и матрицей, поскольку из-за огромных скоростей движения заготовки к матрице воздух не успевает уйти из полости и препятствует плотному прилеганию заготовки к матрице. Метод прост, надёжен, но обладает небольшим кпд, требует высоких электрических напряжений и не всегда даёт воспроизводимые результаты.

К электромеханической обработке относится также ультразвуковая обработка.

Лучевая обработка. К лучевым методам обработки относится обработка материалов электронным пучком и световыми лучами (см. Лазерная технология). Электроннолучевая обработка осуществляется потоком электронов высоких энергий (до 100 кэв). Таким путём можно обрабатывать все известные материалы (современная электронная оптика позволяет концентрировать электронный пучок на весьма малой площади, создавать в зоне обработки огромные плотности мощности). Электроннолучевые станки могут выполнять резание (в т. ч. прошивание отверстий) и сварку с большой точностью (до 50 ). Основой электроннолучевого станка является электронная пушка. Станки имеют также устройства контроля режима обработки, перемещения заготовки, вакуумное оборудование. Из-за относительно высокой стоимости, малой производительности, технической сложности станки используются в основном для выполнения прецизионных работ в микроэлектронике, изготовления фильер с отверстиями малых (до 5 мкм)диаметров, работ с особо чистыми материалами.

К электрофизическим методам обработки относится также плазменная обработка.

Электрохимические методы обработки

Основаны на законах электрохимии. По используемым принципам эти методы разделяют на анодные и катодные, по технологическим возможностям -- на поверхностные и размерные.

Поверхностная электрохимическая обработка. Практическое использование электрохимических методов началось с 30-х гг. 19 в. (гальваностегия и гальванопластика, см. Гальванотехника). Первый патент на электролитическое полирование был выдан в 1910 Е. И. Шпитальскому. Суть метода состоит в том, что под действием электрического тока в электролите происходит растворение материала анода (анодное растворение), причём быстрее всего растворяются выступающие части поверхности, что приводит к её выравниванию. При этом материал снимается со всей поверхности, в отличие от механического полирования, где снимаются только наиболее выступающие части. Электролитическое полирование позволяет получить поверхности весьма малой шероховатости. Важное отличие от механического полирования -- отсутствие каких-либо изменений в структуре обрабатываемого материала. См. статьи Анодирование, Пассивирование.

Размерная электрохимическая обработка. К этим методам обработки относят анодно-гидравлическую и анодно-механическую обработку.

Анодно-гидравлическая обработка впервые была применена в Советском Союзе в конце 20-х гг. для извлечения из заготовки остатков застрявшего сломанного инструмента. Скорость анодного растворения зависит от расстояния между электродами: чем оно меньше, тем интенсивнее происходит растворение. Поэтому при сближении электродов поверхность анода (заготовка) будет в точности повторять поверхность катода (инструмента). Однако процессу растворения мешают продукты электролиза, скапливающиеся в зоне обработки, и истощение электролита. Удаление продуктов растворения и обновление электролита осуществляются либо механическим способом (анодно-механическая обработка), либо прокачиванием электролита через зону обработки