Астафьева Е.А. Технология конструкционных материалов

Подождите немного. Документ загружается.

ГЛАВА 7. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ СВАРНЫХ И ПАЯНЫХ ЗАГОТОВОК

7.3. Сварка давлением



Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -241-

стадии процесса создаются условия для образования металлических связей

между соединяемыми поверхностями. Низкое давление способствует

удалению (испарению) поверхностных пленок, а высокая температура

нагревания и давление приводят к уменьшению неровностей поверхностей и

сближению их до нужного расстояния (4

−8

см).

Рис. 7.27. Схема диффузионной сварки

Последующая выдержка вызывает диффузию атомов материалов сва-

риваемых заготовок и образование промежуточных слоев, увеличивающих

прочность соединения. Время диффузионной сварки зависит от химического

состава соединяемых заготовок, степени их очистки, температуры нагрева и

составляет 10–30 мин.

Достоинством этого способа является возможность соединения загото-

вок из разнообразных материалов. Диффузионную сварку применяют в эл

ек-

тротехнической, радиотехнической и других отраслях промышленности.

Сварка трением образует соединение в результате пластического

деформирования заготовок, предварительно нагретых в месте контакта

теплотой, выделившейся в результате их трения (рис. 7.28

а б в

Рис. 7.28. Схемы сварки трением

Основным отличием сварки трением от других видов сварки давлением

с подогревом является способ нагревания свариваемых поверхностей.

Р Р

Р Р Р

3 1

ГЛАВА 7. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ СВАРНЫХ И ПАЯНЫХ ЗАГОТОВОК

7.3. Сварка давлением



Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -242-

Свариваемые заготовки 1 (рис. 7.28, а) устанавливают соосно в зажимах

машины, один из которых

2 неподвижен, а второй 3 может совершать

вращательные и поступательные (вдоль оси заготовок) движения. Заготовки

сжимаются силой

Р, и включается механизм вращения. На соединяемых

поверхностях возникают силы трения, и работа на преодоление этих сил

превращается в теплоту, выделяющуюся на поверхность трения. При

достижении температуры поверхностей 980–1300 °С вращение заготовок

прекращают и их дополнительно сдавливают (проковка).

Проектирование изделий выполняют с учетом обеспечения эксплуата-

ционных характеристик сварных конструкций и их технологичности. На

стадии проектирования изделия необходимо определить принципиальную

возможность получения сварной заготовки. Затем устанавливают последова-

тельность сборочно-сварных операций и оценивают ожидаемые сварочные

деформации (коробление), точность размеров и конфигурацию сварного

изделия после механической обработки.

Рациональный вид сварки выбирают с учетом ко

нструкторско-техноло-

гических признаков изделия, технико-экономических показателей процесса

сварки и программы выпуска сварных конструкций. Одновременно с выбо-

ром вида сварки обычно назначают тип сварного соединения.

После этого разделяют заготовки на свариваемые элементы. Место

деления изделия выбирают с учетом двух обстоятельств: во-первых, в резуль-

тате деления должны образовываться элементы (исходные загот

овки), кото-

рые могут быть получены из профилей или технологичных отливок и поко-

вок; во-вторых, зона сварки должна быть удобной для осуществления

выбранного способа сварки, доступной для сварочного инструмента и

присадочного материала.

В случае если исходная заготовка − профиль, проектирование свари-

ваемых элементов сводится к выбору его оптим

альных размеров и определе-

нию разделки кромок в соответствии с выбранным типом сварного шва. При

необходимости на исходных заготовках предусматривают сборочные и фик-

сирующие элементы, а также припуски на механическую обработку после

сварки. Ввиду значительного влияния формы сварного соединения и режи-

мов сварки на прочность изделия конструирование заготовки должно вестись

одновременно с проработкой технологии ее изг

отовления.

В процессе изготовления сварных конструкций в них возникают напря-

жения и деформации. Сварочные напряжения, превышающие предел теку-

чести металла, вызывают пластическую деформацию конструкции, что

приводит к изменению размеров и формы изделия. Если сварочные напряже-

ГЛАВА 7. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ СВАРНЫХ И ПАЯНЫХ ЗАГОТОВОК

7.3. Сварка давлением



Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -243-

ния превышают предел прочности, то происходит образование трещин в шве

или в зоне термического влияния (ЗТВ).

Сварочные напряжения и деформации возникают в результате

неравномерного нагревания заготовок при сварке, усадке и структурных

превращениях в металле в процессе охлаждения.

Рассмотрим несколько примеров.

При местном нагреве стальной пластины, свободно лежащей на

сварочном столе, ее длина у

величивается на ΔL (рис. 7.29, а). Это увеличение

зависит от коэффициента линейного расширения материала заготовок, длины

нагретой зоны, а также от температуры нагрева. После охлаждения пластина

приобретает свои первоначальные размеры и в ней не будет ни внутренних

напряжений, ни остаточных деформаций.

Рис. 7.29. Местный нагрев незакрепленной (а) и закрепленной обоими концами (б)

пластин:

1 − кривая распределения температур; 2 − пластины; 3 − жесткое

крепление

При местном нагреве этой же пластины, жестко закрепленной с обоих

концов (рис. 7.29,

б), она не сможет свободно удлиняться, поэтому в ней

возникнут сжимающие внутренние напряжения. При температуре нагрева

выше 600 °С сжимающие напряжения превысят предел текучести металла

нагретого участка. Поэтому в этой зоне будет протекать пластическая

деформация сжатия и на длине

L' произойдет увеличение толщины.

При охлаждении пластина должна укоротиться, но этому будет препят-

ствовать жесткое закрепление, в результате чего в ней возникнут растягиваю-

щие напряжения.

Аналогичным образом возникают внутренние напряжения и деформа-

ции при наплавке валика на кромку полосы (рис. 7.30,

а). Наплавленный

валик и нагретая часть полосы будут расширяться и растягивать холодную

часть заготовки, вызывая в ней деформации растяжения с изгибом. Валик и

ΔL/2

1300

900

500

100

ΔL/2

L′

, °С

ГЛАВА 7. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ СВАРНЫХ И ПАЯНЫХ ЗАГОТОВОК

7.3. Сварка давлением



Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -244-

нагретая часть образца сожмутся, поскольку тепловому расширению будут

препятствовать холодные части полосы. Эпюра распределения напряжений в

образце имеет вид, представленный на рис. 7.30,

б. В результате такого

распределения напряжений полоса изогнется выпуклостью вверх.

В процессе остывания наплавленный валик и нагретая часть полосы,

претерпев пластические деформации сжатия, будут укорачиваться. Под

действием усадочных сил полоса прогнется выпуклостью вниз (рис. 7.30,

в).

Этому процессу будут препятствовать слои холодного металла, поэтому в

нагретой части полосы возникнут растягивающие напряжения, а в холод-ной

− сжимающие (рис. 7.30,

г).

Рис. 7.30. Возникновение напряжений и деформаций при наплавке валика на

кромку полосы металла: а − деформация полосы в процессе наплавки валика на кромку; б

− эпюра распределения напряжений в полосе при наплавке; в − деформация полосы после

остывания;

г − эпюра распределения напряжений в полосе с наплавленной кромкой; σ

−

предел текучести материала полос

Рис. 7.31. Направления действия продольных и поперечных внутренних

напряжений

Нагретая зона

Эпюры напряжений

Поперечные

напряжения

Продольные

напряжения

В−В

А−А

ГЛАВА 7. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ СВАРНЫХ И ПАЯНЫХ ЗАГОТОВОК

7.3. Сварка давлением



Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -245-

Рис. 7.32. Деформации сварных изделий от продольной усадки наплавленного

металла: а − при симметричном расположении швов; б, в − при несимметричном

расположении швов; г − при наплавке валика на кромку полосы; 1 − сварной шов; 2 − зона

нагрева; ΔL − величина деформации от продольной усадки; b − ширина зоны нагрева

Рис. 7.33. Деформация сварных изделий от поперечной усадки

наплавленного металла: а − до сварки; б − после сварки

При изготовлении изделий с использованием сварки плавлением соеди-

нения происходит продольная и поперечная усадка металла шва, поэтому

образуются продольные и поперечные внутренние напряжения (рис. 7.31

Эти напряжения вызывают деформацию сварных изделий. В результате про-

дольной усадки возникает коробление изделий в продольном направлении

(рис. 7.32

). Поперечная усадка, как правило, приводит к угловым деформа-

циям, т. е. к короблению в сторону большего объема расплавленного металла

(рис. 7.33

Эпюра

напряжения

ΔL

(+)

(

−

)

(+)

ГЛАВА 7. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ СВАРНЫХ И ПАЯНЫХ ЗАГОТОВОК

7.3. Сварка давлением



Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -246-

Дефекты сварных соединений при ручной электродуговой сварке

(РЭДС). К наиболее распространенным дефектам, возникающим при РЭДС,

относятся (рис. 7.34

наплыв (кромки не прогреты, много электродного металла);

подрез (кромки недогреты, мало электродного металла);

непровар (низкий сварочный ток, большая скорость сварки);

утяжки (неравномерный режим сварки.

Горячие трещины образуются в шве и в зоне термического влияния

(околошовной зоне) при температуре, близкой к температуре плавления.

Между зернами могут образоваться легкоплавкие прослойки (обычно

эвтектики с серой), по которым и происходит разрушение под действием

сварочных напряжений (рис. 7.35,

а).

М е т о д ы п р е д о т в р а щ е н и я: снижение количества примесей

(особенно серы) в металле шва, правильный выбор режима сварки и формы

шва.

Рис. 7.34. Наружные дефекты сварных соединений

а б

Рис. 7.35. Внутренние дефекты: а – трещины; б – поры

Рис. 7.36. Коробление при сварке

ПОДРЕ

Непровар

Наплыв

Утяжки

ГЛАВА 7. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ СВАРНЫХ И ПАЯНЫХ ЗАГОТОВОК

7.3. Сварка давлением



Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -247-

Холодные трещины образуются в шве и в зоне термического влияния

при температуре, близкой к комнатной, в результате насыщения шва водоро-

дом (флокены), образования закалочных структур, роста зерна (рис. 7.35,

а).

М е т о д ы п р е д о т в р а щ е н и я: снижение количества углерода,

предварительный подогрев свариваемых деталей, защита шва от водорода.

Поры – это газовые включения в твердом металле шва (рис. 7.35, б).

Они образуются при низкой жидкотекучести металла шва, плохой газопрони-

цаемости шлаковой пленки, слишком высокой скорости охлаждения. Газы

попадают в жидкий металл либо из воздуха (при плохой защите сварочной

дуги), либо через сварочные материалы (плохо очищенные кромки заготовки,

влажные электроды). Попав в металл, газы растворяются в нем при высокой

температуре и потом при охлаждении выделяют

ся из-за снижения раствори-

мости.

М е т о д ы п р е д о т в р а щ е н и я: надежная защита дуги, зачистка

кромок, подготовка сварочных материалов, правильный выбор технологии и

режима сварки.

Если дефекты все же получены, их необходимо вырезать и это мес

то

заварить снова.

Коробление – изменение геометрических размеров и формы сварного

соединения под действием сварочных напряжений (рис. 7.36

М е т о д ы п р е д о т в р а щ е н и я: правильный выбор схемы сборки

изделия, порядка наложения швов и режима сварки.

Потеря специальных свойств, т. е. тех свойств, которые определяют

эксплуатационную надежность данной сварной конструкции. Например, по-

теря коррозионной стойкости, теплостойкости, жаропрочности и других свойств.

М е т о д п р е д о т в р а щ е н и я: правильный выбор сварочных

материалов, способа и режима сварки.

Контроль качества РЭДС.

Ручная сварка удобна при выполнении

коротких и криволинейных швов в любых пространственных положениях, а

также для получения швов в труднодоступных местах. Она пока незаменима

при монтажных работах и сборке конструкций сложной формы.

Качество сварных соединений обеспечивают предварительным контро-

лем заготовок, текущим контролем за процессом сварки и приемочным

контролем сварных соединений. В зависимост

и от нарушения целостности

соединения при контроле различают разрушающие и неразрушающие мето-

ды контроля.

Разрушающие испытания проводят обычно на образцах-свидетелях,

моделях и реже на самих изделиях. Образцы-свидетели изготавливают из

того же материала и по той же технологии, что и сварные соединения

изделий. Механические испытания соединений и металла шва проводят на

растяжение, изгиб, сплющивание и т. п. По характеру нагрузки различают

статические, динамические и усталостные испытания. Методы разрушаю-

щего контроля, как правило, позволяют получить численные данные,

характеризующие механические свой

ства соединений.

ГЛАВА 7. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ СВАРНЫХ И ПАЯНЫХ ЗАГОТОВОК

7.3. Сварка давлением



Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -248-

Неразрушающие испытания осуществляют обычно на самих изделиях,

при этом оценивают физические свойства, которые косвенно характеризуют

качество изделий. Методы неразрушающего контроля сварных соединений в

зависимости от характера физических полей или движущихся масс,

взаимодействующих с контролируемым объектом, подразделяют на пять ви-

дов: радиационный, акустический (ультразвуковой), магнитный, капилляр-

ный и течеискателем.

В настоящее время при контроле сварных соединений и изделий

применяют все о

писанные способы контроля. Однако ни один из них не

универсален, поэтому важен не только правильный выбор метода конт-роля,

но и их комбинирование, сочетание разрушающих и неразрушающих

испытаний.

Дефекты сварных соединений при контактной сварке

Непровар, или малый диаметр точечного соединения, наблюдается при

малой силе тока и недостаточном времени его протекания, завышенном дав-

лении или большом диаметре электродов, при плохой зачистке свариваемых

поверхностей.

Пережог, или выплеск расплавленного металла, возникает при недо-

статочном давлении и малом диаметре электродов, слишком высоком токе

или завышенном времени его включения, при плохой зачистке деталей или

электродов, при малом удалении электродов от кромок деталей, при перекосе

деталей относительно электродов.

Трещины и радиальные раковины обусловлены малым временем вклю-

чения тока, малым временем проковки и недостаточным давлением на

электродах.

Глубокие вмятины от электродов на поверхности деталей возникают

при завышении тока, времени его протекания и давления на электродах,

перекосе деталей и плохой подготовке электродов (контактная поверхность

не является плоской).

Контроль качества контактной сварки проводят внешним осмотром

и механическими испытаниями на прочность. Внешний осмотр позволяет

выявить правильность отпечатков точек, наличие прожогов, трещин и других

внешних дефектов.

Рис. 7.37. Схема испытания на срез

ГЛАВА 7. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ СВАРНЫХ И ПАЯНЫХ ЗАГОТОВОК

7.3. Сварка давлением



Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -249-

а б

Рис. 7.38. Разрушение при испытании на отрыв: а – разрушение по сварной точке

(сварка некачественная); б – разрушение по основному металлу (сварка

качественная)

При механических испытаниях устанавливают размер ядра точки,

сравнительную прочность сварной точки и основного металла, прочность

сварного соединения.

При испытании на срез определяют величину разрушающей нагрузки,

которая должна отвечать техническим требованиям (рис. 7.37

Сварку считают качественной, если

при испытаниях на отрыв разру-

шение происходит по основному металлу с образованием сквозного отвер-

стия (рис. 7.38

Пайка – процесс получения неразъемного соединения заготовок без их

расплавления путем смачивания поверхностей жидким припоем с последую-

щей его кристаллизацией. Расплавленный припой затекает в специально

создаваемые зазоры между деталями и диффундирует в металл этих деталей.

Таким образом протекает процесс взаимного растворения металла деталей и

припоя, в результате чего образуется сплав более прочный, чем припой.

Образование со

единения без расплавления основного металла обеспе-

чивает возможность распая соединения.

Качество паяных соединений (прочность, герметичность, надежность и

др.) зависит от правильного выбора основного металла, припоя, флюса,

способа нагрева, типа соединения.

Сплав цветных металлов сложного состава −

припой должен хорошо

растворять основной металл, обладать смачивающей способностью, быть

дешевым и недефицитным. Припои представляют собой. По температуре

плавления припои подразделяют на особолегкоплавкие (температура плав-

ления ниже 145 °С), легкоплавкие (145–450 °С), среднеплавкие (450–1100 °С)

и тугоплавкие (выше 1050 °С). К особолегкоплавким и легкоплавким при-

поям относятся оловянно-свинцовые, на основе висмута, индия, олова, цинка,

свинца. К среднеплавки

м и тугоплавким относятся припои медные, медно-

ГЛАВА 7. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ СВАРНЫХ И ПАЯНЫХ ЗАГОТОВОК

7.4. Пайка



Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -250-

цинковые, медно-никелевые, с благородными металлами (серебром, золотом,

платиной). Припои изготавливают в виде прутков, листов, проволок, полос,

спиралей, дисков, колец, зерен, которые укладывают в место соединения.

При пайке применяются флюсы для защиты места спая от окисления

при нагреве сборочной единицы, обеспечения лучшей смачиваемости места

спая расплавленным металлом и растворения металлических окислов.

Температ

ура плавления флюса должна быть ниже температуры плавления

припоя. Флюсы могут быть твердые, пастообразные и жидкие. Для пайки

наиболее применимы флюсы: бура, плавиковый шпат, борная кислота,

канифоль, хлористый цинк, фтористый калий.

Пайку точных соединений производят без флюсов в защитной атмо-

сфере или в вакууме.

В зависимости от способа нагрева различают пайку газовую, погруже-

нием (в мет

аллическую или соляную ванну), электрическую (дуговая,

индукционная, контактная), ультразвуковую.

В единичном и мелкосерийном производстве применяют пайку с мест-

ным нагревом посредством паяльника или газовой горелки.

В крупносерийном и массовом производстве применяют нагрев в ван-

нах и газовых печах, электронагрев, импульсные паяльники, индукционный

нагрев, нагрев токами высокой частот

ы.

Перспективным направлением развития технологии пайки металличес-

ких и неметаллических материалов является использование ультразвука.

Генератор ультразвуковой частоты и паяльник с ультразвуковым магнито-

стрикционным вибратором применяются для безфлюсовой пайки на воздухе

и пайке алюминия. Оксидная пленка разрушается за счет колебаний ультра-

звуковой частоты.

Процесс пайки включает: подготовку сопрягаемых поверхностей дета-

лей под пайку, сборку, нанесение фл

юса и припоя, нагрев места спая,

промывку и зачистку шва.

Детали для пайки тщательно подготавливаются: их зачищают,

промывают, обезжиривают.

Зазор между сопрягаемыми поверхностями обеспечивает диффузион-

ный обмен припоя с металлом детали и прочность соединения. Зазор должен

быть одинаков по всему сечению.

Припой должен быть зафиксирован относительно места спая. Припой

закладывают в месте спая в виде фольговых прок

ладок, проволочных

контуров, лент, дроби, паст вместе с флюсом или наносят в расплавленном

виде, при автоматизированной пайке – в виде пасты с помощью шприц-

установок.

При возможности предусматриваются средства механизации –

полуавтоматы и автоматы для газовой, электрической пайки.

Паяные соединения контролируют по параметрам режимов пайки,

внешни

м осмотром, проверкой на прочность или герметичность, методами

дефекто- и рентгеноскопии.