Специальные виды сварки

Размещено на http://allbest.ru

Министерство сельского хозяйства Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Красноярский государственный аграрный университет»

Институт энергетики и управления энергетическими ресурсами АПК

Кафедра общеинженерных дисциплин

Реферат

По материаловедению и технологии конструкционных материалов

Тема: Специальные виды сварки (Плазменная, термитная, холодная, диффузионная, трением и взрывом)

Выполнил: ст. группы ЭТ-11

Макаров П.Д.

Проверил: преподаватель

Беспалов В.Ф.

Красноярск, 2015



Оглавление

1. Плазменная сварка

2. Термитная сварка

3. Холодная сварка

4. Диффузионная сварка

5. Сварка трением

6. Сварка взрывом



1. Плазменная сварка

Источником теплоты является плазменная струя, то есть сжатая дуга, получаемая с помощью плазмотрона (техническое устройство, в котором при протекании электрического тока через разрядный промежуток образуется плазма, используемая для обработки материалов или как источник света и тепла. Буквально, плазмотрон означает -- генератор плазмы).

Устройство плазмотрона с продольной стабилизацией

Плазмотрон может быть прямого действия (дуга горит между электродом и основным металлом) и косвенного действия (дуга горит между электродом и соплом плазмотрона). Струя плазмы сжимается и ускоряется под действием электромагнитных сил, оказывая на свариваемое изделие как тепловое, так и газодинамическое воздействие. Помимо собственно сварки, этот способ часто используется для технологических операций наплавки, напыления и резки. плазмотрон сварка дуга электрод

Плазмой принято называть газ, который предварительно прошел ионизацию и который состоит из нейтральных молекул. Кроме того, такой газ имеет ионы и электроны, которые заряжены электрически. Учитывая это определение, даже обычную электродугу уже можно назвать плазменной. Но при этом заметим, что если говорить о стандартной сварочной дуге, то в ее отношении данный термин применять не принято, так как температура электродуги намного меньше, а также энергия меньше, чем у той, которую считают плазменной.

Для того чтобы дуга из стандартной электрической стала плазменной, то есть повысилась ее мощность и температура, могут осуществляться два процесса:

Ш Газ вдувают принудительно для плазмообразования;

Ш Сжатие дуги;

Отметим, что для сжатия дуги применяется специальное устройство, носящее название плазмотрон. В процессе работы стенки этого плазмотрона интенсивно охлаждаются водой. Устройство работает на уменьшение поперечного сечения дуги, что в свою очередь увеличивает ее энергию, мощность и пр. Температура стандартной дуги составляет около 5000 градусов, а в плазменной дуге она поднимается до 30000.

Одновременно с сжатием электродуги, в зону дуги принудительно вдувают специальный плазмообразующий газ. Под действием температуры электродуги он нагревается и ионизируется.

В результате этого процесса используемый газ расширяется примерно в 50-100 раз. Газ начинает истекать из сопла, а кинетическая энергия дополняет тепловую, которая выделяется в результате происходящих электрических процессов. По этой причине, плазменная дуга в разы мощнее обычной.

Главные черты, которыми отличаются плазменная и обычная дуга:

· Меньший диаметр дуги;

· Куда более высокая температура;

· Дуга имеет куда более высокое давление на металл;

· В отличие от конической обычной дуги, она имеет цилиндрическую форму;

· Дуга может поддерживаться на малой силе тока.

Перечисленные черты плазменной дуги делают ее значительно эффективнее. Обеспечивая более высокую температуру нагрева, плазменное сваривание обладает большими возможности, в сравнении с обычным дуговым свариванием. Плазменный вид сварки отличается от дугового большим проплавлением вглубь металлоизделия, при этом значительно уменьшается расплавление свариваемого металла.

Эти виды сваривания дают и разную форму проплавления из-за того, что плазменная дуга является куда более интенсивным источником тепла, так что можно, не проводя раздела кромок металла, сваривать очень большую толщину. Особая цилиндрическая форма позволяет увеличить длину, а также проводить работу в довольно труднодоступных местах. Также, плазменная сварка металла может проводиться при колебании расстояния от горелки до самого изделия.



Возможные варианты процесса:

· Сварка дугой из плазмы, при этом дуга горит между самим изделием и неплавящимся электродом.

· Плазменная струя, дуга горит между соплом плазмотрона и электродом, при этом выдувается при помощи потока газа.

Чаще всего при сварке используется аргон, он же является защитным газом. Электрод изготавливают из вольфрама, а также из гафния или меди.

Разновидности плазменной сварки:

· Микроплазменная сварка ( где ток силой 0,1 - 25 Ампер).

· Сваривание на средних токах (50 - 150 Aмпер).

· Сваривание на больших токах (более 150 Ампер).

На сегодня наиболее распространенным является именно микроплазменное сваривание. Газ в плазмотроне имеет очень большую степень ионизации, а также применяются электроды из вольфрама на 1 - 2 мм. При таких условиях плазменная дуга может гореть и на малых токах, минимум при этом - 0,1 Ампер.

Непрерывный источник питания позволяет создать дугу между электродом и водохлаждающим соплом из меди. Когда подводится изделие к плазмотрону, в нем загорается дуга, а плазмообразующий газ передается через сопло. Сопло плазмотрона обычно имеет диаметр от 0,5 до 1,5 мм. При этом защитный газ подается через специальное керамическое сопло, а сама установка охлаждается водой.

Напоследок следует сказать, что наиболее часто используется микроплазменное сваривание тогда, когда необходимо соединить детали изделия, имеющую толщину не более полутора миллиметров. При этом отметим, что диаметр плазменной дуги составляет не больше 2 мм. Этот факт позволяет сконцентрировать тепло исключительно в отведенной для сварки зоне, и при этом не повреждать соседние участки изделия.

2. Термитная сварка

Термитная сварка применяется в местах, где нет возможности выполнить электросварочные работы. К таким работам относят сваривание рельс железнодорожных линий, проводов связи, электрические кабели и т.д. Для этого промышленность выпускает термитные патроны (карандаши) и спички к ним. Принцип действия термитной сварки основан на создании температуры плавления при сгорании термитного патрона. Конструкция термитного карандаша на рис. 1.

Рис. 1. Термитный карандаш: 1 -проволока; 2-термит; 3-затравка

Карандаш представляет собой отрезок сварочной проволоки, диаметр которой зависит от толщины свариваемых деталей. На проволоку наносят термит, круто замешанный на нитроцеллюлозном клее. Состоит термит из смеси 23% (по массе) опилок алюминия и 77% железной окалины, размер грнанул которых составляет около 0,5 мм. Конец термитного карандаша обмазан затравкой, которая предназначена для поджигания карандаша. Состоит затравка из 1 м.ч. бертолетовой соли (КСЮ3) и 0,5 м.ч. мелких алюминиевых опилок При массовом изготовлении карандашей пользуются устройством, состоящим из подставки и закрепленной на ней гофрирозанной алюминиевой полосы. Торцевые стороны гофрированной полосы ограничены металлическими стенками, в которых просверлены отверстия для карандашей.

Внутренние стенки гофра смазывают разделительным составом, состоящим из керосина (65% по массе) и стеарина или парафина (35% по массе). После высыхания разделительного состава в отверстия стенок вставляют отрезки проволоки необходимого диаметра и секции заполняют термитом, замешанном на клею. Как только термитная масса высохнет, карандаши вынимают и наносят головки из затравки. Во время сварки термитный карандаш вставляют в держатель, представляющий собой не что иное, как электрододержатель.

Для хранения и транспортировки термитные карандаши (патроны) заворачивают в один слой парафиновой бумаги и складывают в полиэтиленовый пакет с заваренными торцами. Следует учитывать что термитные патроны очень чувствительны к механическим и тепловым воздействиям, поэтому их хранение и транспортировка должны выполняться со всеми мерами предосторожности.

Ни в коем случае нельзя хранить и транспортировать термитные патроны в одной упаковке со спичками. Запрещается хранение термитных патронов в помещениях с повышенной пожарной опасностью. При их транспортировке в кузове автомобиля не должно быть горючих и смазочных материалов и других сгораемых веществ.

При погрузочно-разгрузочных работах тару с термитными патронами нельзя подвергать толчкам или бросать ее. При проведении сварочных работ следует придерживаться мер безопасности.

До начала сварочных работ следует побеспокоиться о противопожарных мерах, убрав из зоны сварки все воспламеняющиеся предметы и материалы. Зажигать термитные спички и поджигать термитные карандаши или патроны необходимо в защитных очках со светофильтрами.

После охлаждения термитной шашки до темного цвета шлак следует сбивать в направлении, обратном от себя, на заранее подготовленное место. Сгоревшие термитные шашки укладывают в специальный металлический ящик, предварительно установленный в месте сварочных работ.

В процессе сварки следует избегать попадания воды, чтобы избежать взрыва и ожогов. Нельзя дотрагиваться рукой к термитному патрону, который горит или поправлять его рукой.

3. Холодная сварка

Холодная сварка -- технологический процесс сварки давлением с пластическим деформированием соединяемых поверхностей заготовок без дополнительного нагрева внешними источниками тепла. Этот метод сварки базируется на пластической деформации металлов в месте их соединения при сжатии и / или путем сдвига (скольжения). Сварка происходит при нормальных или отрицательных температурах мгновенно в результате схватывания (без диффузии).

Вероятно холодная сварка является самым древним способом сварки. В древние времена этот способ использовался для неразъёмного соединения благородных металлов, которые практически не окисляются. При ударе по сложенным вместе кускам металла, удавалось добиться прочного соединения. В Дублинском Национальном музее хранится золотая коробка, изготовленная в эпоху поздней бронзы, стенки и днище её скованы плотным швом. Как считают эксперты, изготовлена она с помощью холодной сварки.

Виды соединений при холодной сварке: Сварка осуществляется с помощью специальных устройств, вызывающих одновременную направленную деформацию предварительно очищенных поверхностей и нарастающее напряженное состояние, при котором образуется монолитное высокопрочное соединение.

Схема точечной холодной сварки

Различные формы пуансонов при холодной сварке

Качество сварного соединения определяется исходным физико-химическим состоянием контактных поверхностей, давлением (усилием сжатия) и степенью деформации при сварке. Оно также зависит от схемы деформации и способа приложения давления (статического, вибрационного). В зависимости от схемы пластической деформации заготовок сварка может быть точечной, шовной и стыковой.

Холодной сваркой можно соединять, например, алюминий, медь, свинец, цинк, никель, серебро, кадмий, железо. Особенно велико преимущество холодной сварки перед другими способами сварки при соединении разнородных металлов, чувствительных к нагреву или образующих интерметаллиды.

Преимущества и недостатки: Преимуществом холодной сварки является то, что для её выполнения не требуется мощный источник электроэнергии для нагрева свариваемых заготовок. Сварной шов при холодной сварке металла не загрязняется примесями, имеет высокую однородность и высокие показатели коррозионной стойкости и стабильности электрического сопротивления. Простота подготовки деталей к сварке и контролю параметров режима, отсутствие вспомогательных материалов, газовых и тепловых выделений, возможность дистанционного управления и скорость процесса делают холодную сварку высокотехнологичной, не требуют высокой квалификации сварщика-оператора. К недостаткам холодной сварки можно отнести сравнительно небольшую номенклатуру свариваемых материалов (свариваются только металлы и сплавы с высокой пластичностью) и значительные расходы металла на величину припуска под стыковую сварку.

Холодная сварка широко применяется в электротехнической промышленности и на транспорте для соединения алюминиевых и медных проводов, а также алюминиевых проводов с медными наконечниками, в электромонтажном производстве, при производстве теплообменников и бытовых приборов. Как разновидность холодной сварки рассматривается ультразвуковая сварка - сварка давлением с приложением ультразвуковых колебаний.

4. Диффузионная сварка

Диффузионная сварка -- сварка за счёт взаимной диффузии на атомарном уровне свариваемых поверхностей деталей.

Этим видом сварки производится полуавтоматическая, автоматическая в различных пространственных положениях, черных и цветных металлов и сплавов широко диапазона толщин.

История: Процесс диффузионной сварки в вакууме был разработан в 1953 году Н. Ф. Казаковым.

Сущность: Определения и сущность диффузной сварки описаны в ГОСТ 26011-74.

Диффузионная сварка производится воздействием давления и нагревом свариваемых деталей в защитной среде. Перед сваркой поверхность детали обрабатывают по 6 классу шероховатости и промывают для обезжиривания ацетоном.

Температура нагрева составляет 0,5 - 0,7 от температуры расплавления металла свариваемых деталей. Выcокая температура обеспечивает большую скорость диффузии и большую пластичность деформирования металла. При недостаточной диффузии в сварке используют металлические прокладки (фольга из припоя ВПр7 толщиной 0,1 - 0,06 мм.) или порошок (фтористый аммоний), прокладываемые в месте сварки. Перед сваркой фольгу приваривают к поверхности одной из деталей с помощью контактной сварки. В процессе сварки прокладка расплавляется.

Процесс сварки осуществляется с использованием разных источников нагрева. В основном применяют индукционный, радиационный, электронно-лучевой нагрев, нагрев проходящим током, тлеющим разрядом или в расплаве солей

Сварка протекает при давление в камере - 10^-2 мм. рт. ст. или в атмосфере инертного газа (иногда водорода). Вакуум или защитная атмосфера предохраняет свариваемые поверхности от загрязнения.

Сварка производится сжатием деталей с давлением 1 - 4 кгс/мм². Давление, применяемое при способах сварки без расплавления материалов, способствует разрушению и удалению окисных пленок и загрязнений на поверхности металла, сближению свариваемых поверхностей до физического контакта и эффективного атомного взаимодействия, обеспечению активации поверхностей для протекания диффузии и рекристаллизации. Различается сварка с высокоинтенсивным силовым воздействием (свыше 20 МПа) и сварка с низкоинтенсивным силовым воздействием (до 2 МПа).

Диффузионная сварка походит в две стадии:

· сжатие свариваемых поверхностей, при котором все точки соединяемых материалов сближаются на расстоянии межатомных взаимодействий;

· формирование структуры сварного соединения под влиянием процессов релаксации.

Недостатки:

· необходимость вакуумирования рабочей камеры;

· тщательная подготовка и очистка свариваемых поверхностей.

Преимущества:

· диффузионная сварка не требует сварочных припоев, электродов;

· не нужна дополнительная механическая обработка свариваемых поверхностей;

· высоко качество сварного соединения;

· мал расход затрачиваемой энергии;

· широк диапазон толщин свариваемых деталей - от долей мкм, до нескольких метров.

Оборудование: Для проведения диффузионной сварки выпускается оборудование, различаемое по степени вакуумирования: с низким вакуумом (до 10-2 мм рт. ст.), со средним вакуумом (10-3...10-5 мм рт. ст.), с высоким вакуумом (свыше 10-5 мм рт. ст.), с защитным газом разной степени давления.

Для нагрева деталей применяют индукционный нагрев токами высокой частоты, электроконтактный нагрев током, радиационный нагрев электронагревателем.

В установках используют гидравлические или механические системы давления. Установки бывают с ручным управлением, полуавтоматические и автоматические с программным управлением. Автоматы применяются в крупносерийном или массовом производстве.



5. Сварка трением

Сварка трением предусматривает взаимное перемещение свариваемых поверхностей относительно друг друга при одновременном сдавливании их.

В результате этого свариваемые поверхности нагреваются силами трения, а имеющиеся на поверхности пленки оксидов, разрушаются и выдавливаются из зоны контакта в радиальном направлении.

В результате возникшей пластической деформации очищенные от оксидов поверхности деталей сближаются до возникновения межатомных связей и металлургических реакций, сопровождающихся взаимной диффузией атомов.

После прекращения движения металл остывает, образуя прочное соединение. Особенностью этого процесса является мгновенная остановка взаимного перемещения, так как при замедленной остановке возможно разрушение контактного соединения. Сдавливающую нагрузку снимают после остывания контакта.

Принципиальная схема сварки трением приведена на рис. 2.

Поскольку в процессе сварки трением не происходит расплавления материала, то, технически, его нельзя назвать в полной мере "сваркой". Однако ввиду схожести этой технологии и традиционной сварки, термин прижился.

Сварка трением используется для соединения различных металлов и термопластиков в авиастроении и автомобилестроении.

Следует отметить, что окончательное соединение формируется на завершающей стадии процесса, когда к уже неподвижным образцам прикладывается проковочное усилие.



Рис. 2. Сварка трением: А-вращение одной детали; Б-вращение обеих деталей; В-вращение вствки при двух неподвижных деталях; Г-возвратно-поступающее движение одной детали

Соединение, полученное сваркой трением



Процесс образования сварного соединения:

· Разрушение и удаление оксидных плёнок под действием сил трения;

· Разогрев кромок свариваемого металла до пластичного состояния, возникает временный контакт, происходит его разрушение и наиболее пластичные объёмы металла выдавливаются из стыка;

· Прекращение вращения с образованием сварного соединения.

Сварка трением сопровождается процессом, при котором механическая энергия, подводимая к одной из свариваемых деталей, преобразуется в тепловую; при этом генерирование теплоты происходит непосредственно в месте будущего соединения.

Теплота может выделяться при вращении одной детали относительно другой или вставки между деталями. Детали при этом прижимаются постоянным или возрастающим во времени давлением. Сварка завершается осадкой и быстрым прекращением вращения.

В зоне стыка при сварке протекают следующие процессы: по мере увеличения частоты вращения свариваемых заготовок при наличии сжимающего давления происходит притирка контактных поверхностей и разрушение жировых и оксидных плёнок, присутствующих на них в исходном состоянии; граничное трение уступает место сухому, в контакт вступают отдельные микровыступы, происходит их деформация и образование ювенильных участков с ненасыщенными связями поверхностных атомов, между которыми мгновенно формируются металлические связи, которые немедленно разрушаются вследствие относительного движения поверхностей.

Практическому использованию сварки трением положили начало опыты токаря-новатора А. И. Чудикова (1956 г.), получившие развитие в работах ВНИИЭСО (Россия). Эти работы послужили толчком для начала исследований сварки трением в США, Японии, Великобритании, Германии и других странах. В 1960--1990 гг. сварку трением интенсивно исследовали и внедряли в промышленность как в СССР, так и в других странах мира.

6. Сварка взрывом

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

При сварке взрывом привариваемая (подвижная) 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.

При этом из-за скоротечности процесса не успевает развиваться объемная диффузия, вследствие чего этот вид сварки применим для соединения разнородных металлов и сплавов. Перед сваркой детали должны зачищаться до металлического блеска и быть обезжирены.

Угловая схема сварки взрывом на стадии взрыва: 1. Подвижная (привариваемая) деталь 2. Сплавленная поверхность 3. Неподвижная деталь 4-5. Заряд взрывчатого вещества 6. Кумулятивная струя



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

В качестве взрывных веществ используются насыпные вещества: гранулотол, гранулит, аммониты, аммонал, аммиачная селитра, гексоген.

Возможность нетрадиционного использования энергии взрыва для соединения металлов в твердой фазе была открыта еще в начале 60 годов минувшего столетия практически одновременно в России и США. В Волгоградском техническом университете за сравнительно короткий срок была создана научная школа сварки взрывом.

При этой технологии соединение происходит за счет совместной пластической деформации в результате соударения, вызванного взрывом быстродвижущихся соединяемых частей.

При этом кинетическая энергия движущихся деталей выполняет работу по совместной пластической деформации контактирующих слоев. Принципиальная схема сварки взрывом представлена на рис. 3.

Рис. 3. Схема сварки взрывом: 1-детонатор; 2-взрывчатое вещество; 3-всрхняя свариваемая деталь; 4-нижняя свариваемая деталь



Соединяемые детали, одна из которых неподвижна, располагают на некотором расстоянии (или под определенным углом) друг от друга.

На подвижную заготовку кладут взрывчатое вещество с детонатором. При срабатывании детонатора происходит процесс разложения взрывчатого вещества, создавая давление, распространяющееся позади фронта детонации.

В результате этого подвижная заготовка получает ускоренной движение, направленное в сторону неподвижной заготовки.

Соударяясь заготовки получают взаимную пластическук деформацию, необходимую для прочного соединения.

Процесс формирования прочного соединения при сварке взрывом имеет две стадии: образования физического контакта, при котором происходит сближение атомов соединяемых материалов, и их слабое химическое взаимодействие; активация контактных поверхностей с образованием активных центров, в результате чего реализуется схватывание металлов.

Решающую роль в формировании сварного соединения играет пластическая деформация металла в околошовной зоне, распределяющаяся экспоненциально по толщине свариваемых заготовок и достигающая вблизи линии соединения сотен процентов.

Благодаря интенсивной пластической деформации приконтактных слоев металла линия соединения свариваемых заготовок имеет волнообразный профиль (рис.4).

Благодаря малому времени образования сварного соединения, недостаточному для протекания активных диффузионных процессов на межслойных границах, способ сварки взрывом обладает уникальными возможностями соединения не свариваемых обычными методами сплавов и металлов: титан + сталь; алюминий + сталь; магний + алюминий; алюминий + титан; цирконий + сталь и многие другие.



Рис. 4. Общий вид линии сращивания слоев свариваемых деталей в результате взрыва (А); Б-эпюра сдвиговой пластической деформации в зоне сращивания

Эта особенность, а также возможность изготавливать как плоские, площадью от нескольких квадратных сантиметров до десятков квадратных метров, так и криволинейные двух- и многослойные заготовки с высокими прочностными свойствами, открывает широкие перспективы перед сваркой взрывом. Основные технологические возможности сварки взрывом представлены в таблице ВСВ.

Таблица ВСВ. (Возможности сварки взрывом)

Марка стали или сплава	Толщина основного слоя, мм	Толщина плакирующего слоя, м	Максимальные габариты, мм	Варианты конечных изделий
Основной слой	Стали 20, 20К, 09Г2С, 16ГС, 12XM,12X1Мф и др.	2-5	0,2-05	850x3000	Корпуса аппаратов
Плакирующий слой	Стали М08Х13, 08Х18Н10Т, 12Х18Н10Т Никель, латунь, титан илр.	5-30 1 0-300	0,5-4,0 1,0-12,0	1600x6000 3000x3000	То же То же



Изготовление при помощи сварки взрывом биметаллических и многослойных композиционных материалов открывает широкие перспективы. Сортамент биметаллических листов и плит, изготавливаемых сваркой взрывом приведен в таблице.

Детали, изготовленные сваркой взрывом, в отличие от аналогов, полученных другими методами, характеризуются прочноплотным соединением составляющих слоев с близким к нулю электрическим сопротивлением, отсутствием межслойной коррозии в процессе эксплуатации и высокой чистотой контактирующих поверхностей.

Размещено на Allbest.ru