авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |   ...   | 7 |

«В.М. ВИНОГРАДОВ, А.А. ЧЕРЕПАХИН, Н.Ф. ШПУНЬКИН ОСНОВЫ СВАРОЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА Учебное пособие по курсу «Технология ...»

-- [ Страница 3 ] --

ГРК 10) в постоянный объем воды подают карбид кальция. Количество об разующегося газа регулируют подачей карбида. Эта система обеспе чивает большую полноту реакции и теплоотвода при разложении кар бида кальция водой, дает охлажденный, хорошо промытый газ. Гене раторы, работающие по этой системе можно форсировать по произво дительности (до 50%). Недостатком генераторов работающих по этой системе является значительный расход воды и обусловленные этим большие размеры аппарата, а также большое количество отходов жидкого ила. Эти генераторы требуют более сложных механизмов для регулирования подачи карбида кальция в генератор. Данная система нашла применение для генераторов производительностью свыше 20м3/час.

В генераторах с системой «вода на карбид» (марка: МГ-65) в специальное загрузочное устройство засыпают карбид и периодически подают воду. Количество образующегося газа регулируют подачей воды. Генераторы, работающие по системе «вода на карбид» - проще по конструкции, дешевле в изготовлении, более удобны в эксплуата ции. Они требуют небольшого количества воды, способны работать на карбиде кальция с разными размерами кусков, дают небольшое коли чество отходов в виде жидкой гашеной извести. Недостатком этих ге нераторов является перегрев ацетилена в зоне реакции и неполное разложение карбида кальция. Они не допускают форсирования по производительности. Генераторы «вода на карбид» строят преимуще ственно передвижного типа.

В генераторах с системой вытеснения (марки: ГВД-0,8;

МГВ 0,8;

АСМ-1-66) вода и карбид периодически соприкасаются. Эти гене раторы достаточно надежны и удобны в работе, допускают форсиро вание по производительности. Недостатком их является опасность пе регрева газа и спекания извести в зоне реакции в случае внезапного прекращения отбора газа при повышенном расходе, так как при этом смачивается сразу большое количество карбида кальция, который при прекращении расхода газа оказывается не погруженным в воду. Сис тема «вытеснения» находит применение в генераторах производи тельностью до 10м3/час.

Независимо от системы регулирования взаимодействия карбида с водой, все ацетиленовые генераторы (рис. 3.2) имеют следующие основные части: бункер или барабан с карбидом кальция, газосбор ник, систему подачи воды, систему отбора газа и систему спуска ила.

Рассмотрим устройство и работу передвижного генератора низ кого давления марки ГНВ-1,25 (рис. 3.3), работающего по комбиниро ванной системе «вода на карбид + вытеснение». Корпус 2 генератора разделен перегородкой 8 на две полости. Реторта 3 сообщается с ниж ней частью корпуса через резиновый шланг 6, вентиль 5 и трубку 7.

конусообразный сосуд 9 сообщается с атмосферой в своей верхней части. Верхняя часть генератора соединена с нижней частью посред ством трубки 12. выделяющийся газ поступает в газовую магистраль через вентиль 10. В сухую реторту устанавливают корзину с карбидом кальция и закрывают ее герметичной крышкой 4. в верхнюю полость генератора заливают воду при закрытом вентиле 5 и открытом венти ле 10. Вода через трубку 12 поступает в нижнюю полость генератора.



При открытом вентиле 5, вода поступает в реторту. Образующий при реакции с водой ацетилен по трубке 7 поступает в нижнюю полость генератора, вытесняя из нее часть воды и открывая доступ к трубке.

11. Через вентиль 10 ацетилен подается в газовую магистраль. По скольку образующий объем ацетилена больше, чем расходуется при газовой сварке, то продолжается вытеснение из нижней полости. Как только уровень воды достигнет уровня вентиля 5, подача воды из нижней полости в реторту прекратится. Однако давление ацетилен в нижней полости генератора и в реторте продолжает повышаться, но более медленно. Под действием этого давления, вода из реторты вы тиснится в конусообразный сосуд. Уменьшится объем карбида сопри касающийся с водой и уменьшится выделение ацетилена. По мере от бора ацетилена, его давление в генераторе упадет. Вода из конусооб разного сосуда поступит в реторту и образование ацетилена увеличит ся.

При работе газовой горелки возможен обратный удар - воспла менение ацетиленокислородной смеси в каналах горелки и распро странение пламени навстречу потоку ацетилена. Иногда пламя про ходит даже в ацетиленовый шланг, и если на его пути нет преграды, то обратный удар пройдет в ацетиленопровод или генератор, что при ведет к взрыву ацетилена. Горение ацетиленокислородной смеси, т. е.

распространение в ней пламени, происходит с определенной скоро стью, которая зависит от состава и температуры смеси. Горючая смесь вытекает из отверстия горелки с некоторой скоростью, которая долж на быть всегда больше скорости сгорания. Если скорость истечения смеси станет меньше скорости горения, то пламя может проникнуть в канал горелки и воспламенить в нем горючую смесь. При этом про изойдет хлопок, а если пламя проникло глубоко в горелку, то возника ет обратный удар пламени. Обратный удар может произойти, если увеличится скорость горения, например, вследствие перегрева горел ки или увеличения количества кислорода в смеси. Обратный удар мо жет также произойти при закупорке выходного канала горелки каплей расплавленного металла.

Для предохранения ацетиленовых генераторов и газопроводов (при централизованном снабжении газосварочных постов) от взрыва при обратном ударе применяют специальные предохранительные уст ройства – водяные затворы.

Для генераторов низкого давления применяют затворы открыто го типа. В них взрывная волна и пламя, движущиеся навстречу горю чему газу, выводятся в атмосферу. Для генераторов среднего давления применяют затворы закрытого типа. В них взрывная волна и пламя га сятся внутри затвора. В корпусе 6 водяного затвора открытого типа (рис. 3.4) размещены газоподводящая 2 и предохранительная 5 труб ки. При заправке затвора водой (рис. 3.4, а), ее излишек сливается че рез контрольный кран 7. При нормальной работе газовой горелки (рис. 3.4, б) газ, через слой воды и газоотводную трубку 1, подается к газовой горелке. При превышении скорости горения газовой смеси скорости подачи газа (обратный удар), пламя от газовой горелки до ходит до газоотводящей трубки, и проникает в затвор. Ацетилен, на ходящийся в затворе воспламеняется и давит на зеркало воды. Часть воды уходит в газоподводящую трубку и перекрывает подачу ацети лена. Продукты горения ацетилена выбрасываются наружу через в предохранительную трубку и воронку 4. Отбойник 3 необходим для предотвращения выплескивания воды из затвора.





В корпусе водяного затвора закрытого типа (рис. 3.5) размеще ны газоподводящая трубка 1, диск – отражатель 2 и обратный клапан 6. Через наливной штуцер 4 затвор заполняется водой до уровня кон трольного крана 5. При нормальной работе (рис. 3.5, а) ацетилен про ходит по газоподводящей трубе, через обратный клапан, слой воды и через ниппель 3 подается к газовой горелке. При обратном ударе (рис.

3.5, б) воздушная волна давит на воду и перекрывает обратный кла пан. Проходя через зазор между корпусом диском – отражателем, ударная волна гасится.

Наиболее безопасно использовать ацетилен, поставляемый в баллонах. Ацетилен поставляется в баллонах белого цвета с красной надписью «ацетилен». Ацетиленовые баллоны, для уменьшения взры воопасности, заполнены пористым наполнителем (пемза или гранули рованный активированный уголь размером зерна 1…3,5 мм) и ацето ном. При давлении 1,5 МПа в 1 литре ацетона растворяется до 368 л ацетилена. Максимальное давление в ацетиленовых баллонах – 1, МПа. Баллоны окрашены в белый цвет с кранной надписью «Ацети лен». Ацетиленовые вентили изготавливаются из стали. В ацетилено вой аппаратуре запрещено применять медь и сплавы, содержащие свыше 70% меди, так как с медью ацетилен может образовывать взрывчатое соединение — ацетиленистую медь.

При отборе ацетилена из ацетиленового баллона водяной затвор не ставят, так как ввиду повышенного давления поступающего в го релку ацетилена из баллона обратный удар пламени маловероятен.

Кроме того, установленный на баллоне редуктор и заполняющая бал лон пористая масса являются надежной защитой баллона от обратного удара пламени.

Кислород поставляется в баллонах голубого цвета с черной над писью «кислород». При давлении 15 МПа, в баллоне помещается л газообразного кислорода.

Так как масла и жиры в атмосфере сжатого кислорода способны самовоспламеняться, то вся кислородная аппаратура не должна кон тактировать с этими веществами. В противном случае возможен взрыв с воронкой глубиной до пяти метров. Вентили для кислородного бал лона изготовляют из латуни. Сталь для деталей вентиля, соприкасаю щихся с кислородом, применять нельзя, так как она сильно коррози рует в среде сжатого влажного кислорода. При случайном попадании масла на детали вентиля или при воспламенении от трения фибровой прокладки сальника, возможно загорание стальных деталей, так как сталь может гореть в струе сжатого кислорода. Латунь не горит в ки слороде, поэтому ее применение в кислородных вентилях безопасно Для уменьшения сетевого или баллонного давления газа и обес печения постоянного рабочего давления в газовых магистралях при меняются газовые редукторы.

Одноступенчатый (однокамерный) газовый редуктор показан на рис. 3.6. Запорный клапан 3 редуктора находится под давлением двух сил: давление запорной пружины 1 и давления гибкой мембраны 7.

При нормальном рабочем давлении редуцированного газа в камере низкого давления 4 устанавливается равновесие, запорный клапан прижимается к седлу 8 запорной пружины и преграждает доступ газа из камеры высокого давления 6 (из баллона). Гибкая мембрана, за счет регулировочной пружины 6,через нажимной диск 5 и толкач 9 воздей ствует на запорный клапан и стремится открыть его. Изменяя натяже ние регулировочной пружины можно менять рабочее давление.

Более точно поддерживают рабочее давление двухступенчатые редукторы. Эти редукторы не нуждаются в частой регулировке давле ния газа в процессе работы и не замерзают при низких температурах.

Но они более сложны по устройству и, соответственно, более дороги.

Корпуса редукторов для различных газов окрашиваются в тот же цвет, что и газовые баллоны.

Газовые шланги (рукава) необходимы для подвода газов к го релке. В соответствии с ГОСТ 9356-75 газовые шланги изготавлива ются из вулканизированной резины армированной тканевым наполни телем. По всей длине шланга несмываемой краской нанесена цветная сплошная полоса. Цвет полосы соответствует типу шланга. Различают шланги: тип 1 – для ацетилена, пропана и других горючих газов (цвет полосы - красный, рабочее давление – до 6 ати);

тип 2 – для жидких горючих (цвет - полосы, рабочее давление – до 6 ати);

тип 3 – для ки слорода (цвет полосы - синий, рабочее давление – до 15 ати). При ра боте в условиях низких температур (ниже -35оС) применяют рукава из морозоустойчивой резины (некрашеные рукава). Длина шланга долж на быть не менее 8 м. При длине шланга более 20 м резко возрастают потери давления в шланге.

Горелка для газовой сварки – устройство для газовой сварки с регулируемым смешением газов и созданием направленного газового пламени.

В соответствии с ГОСТ 1077-69 горелки классифицируются: По роду применяемого горючего газа или жидкости: ацетиленовые;

для газов – заменителей;

водородные;

для жидких горючих. По назначе нию: универсальные (для сварки, резки, пайки, наплавки);

специали зированные (для выполнения одной из операций). По способу подачи горючего газа и кислорода (инжекторного типа и безинжекторные).

По числу пламени (однопламенные и многопламенные). По мощности пламени (микромощные – с расходом ацетилена 5…60 л/час, малой мощности – с расходом 25…700 л/час, средней мощности – с расхо дом 50…2500 л/час, большой мощности – с расходом 2500… л/час). По способу применения (ручные и машинные).

Для сварки чаще всего используются газосварочные горелки инжекторного типа (рис. 3.7), так как они наиболее безопасны.

Горелка инжекторного типа – горелка для газовой сварки со встроенным инжектором для подсоса горючего газа струей кислоро да.

Под давлением 0,1…0,4 МПа, кислород поступает в горелку че рез вентиль 4 и подается в кольцевой инжектор 6. Выходя с большой скоростью из узкого канала инжектора, кислород подсасывает горю чий газ, поступающий через вентиль 5. В смесительной камере 3 по лучаем горючую смесь, которая, через мундштук 2, подается к смен ному наконечнику 1. Поэтому, во избежание взрыва, первым откры вают кислородный вентиль, а по окончании сварки первым отключа ют горючий газ.

Рекомендации по применению газосварочных горелок инжек торного типа приведены в табл. 3.2.

Таблица 3.2.

Толщина свариваемых заготовок из низкоуглеродистых сталей в мм Тип горелки «Москва» ГС-3 ГС-4 «Звездочка»

№ наконеч ника 0,3…0,6 0,2…0, 0 - 0,5…1,5 0,5…1,5 0,5…1,5 0,5…1, 1,0…2,5 1,0…2,5 1,0…2, 2 1… 2,5…4 2,5…4 2,5…4 2,5… 4 4…7 4…7 - 5 7…11 7…11 - 6 10…18 10…18 - 7 17…30 17…30 - При нагревании мундштука инжекторной горелки инжекти рующее действие струи кислорода, вытекающей из сопла инжектора, ухудшается и количество поступающего в горелку ацетилена умень шается. Вследствие этого состав горючей смеси изменяется и в ней появляется избыток кислорода. Это свойство инжекторных горелок является их существенным недостатком, которого лишены безынжек торные горелки.

В безынжекторных горелках кислород и ацетилен поступают под одинаковым давлением. Горелки обеспечивают постоянный со став горючей смеси. Поэтому горелки большой мощности и много пламенные горелки, работающие в тяжелых условиях и при высокой температуре мундштука выполняются безынжекторными.

Все горючие газы, содержащие углеводороды, при сгорании об разуют сварочное пламя, имеющее три отчетливо видимые зоны (рис.

3.8, а). Зона 1 – ядро пламени, зона 2 – восстановительная;

зона 3 – факел.

Ядро имеет форму закругленного ярко светящегося конуса. Оно состоит из раскаленных частиц углерода сгорающих в наружной части ядра. Восстановительная зона в основном состоит из окиси углерода, получаемого за счет сгорания ацетилена: C2H2+O2=2CO2+2H2O. Эта зона имеет более темный цвет. Наибольшая температура сварочного пламени находится в этой зоне, на расстоянии 2…4 мм от ядра. Факел имеет удлиненную конусообразную форму. Он состоит из углекисло го газа и паров воды, получаемых при сгорании окиси углерода и во дорода, поступающих из восстановительной зоны и из окружающего атмосферного воздуха: 4CO+2H2+3O2=4CO2+2H2O. Внешний вид и температура газового пламени зависит от соотношения объемов аце тилена и кислорода, =VК/VА, где VК - объем подаваемого в горелку кислорода;

VА - объем подаваемого в горелку ацетилена. В зависимо сти от величины можно получить три вида сварочного пламени:

нормальное, окислительное и восстановительное.

Для нормального пламени ( = 1…1,3) характерно отсутствие в восстановительной зоне свободного кислорода и углерода. Окисли тельное пламя (рис. 3.8, б) получается при избытке кислорода ( = 1,5…1,7). Ядро окислительного пламени имеет конусообразную фор му бледной окраски. Все пламя приобретает синевато – фиолетовую окраску и горит с характерным шумом. Температура пламени не сколько выше, чем у нормального. При сварке сталей окислительным пламенем наблюдается значительное окисление сварного шва, поэто му пламя применяют для сварки латуни и для пайки твердыми при поями. Науглероживающее пламя (рис. 3.8, в) получается при избытке ацетилена ( = 0,95). Ядро пламени может иметь несколько зубчиков, теряет резкость очертаний, а на его конце появляется зеленый венчик.

Восстановительная зона почти сливается с ядром. При большом из бытке ацетилена ( 0.95) пламя начинает коптить. Избыточный уг лерод легко поглощается расплавленным металлом сварного шва.

Пропан - бутан - кислородное и метан - кислородное пламя дают значительно меньшие температуры, поэтому использование их огра ничено. Пропан - бутан - кислородное пламя используется для сварки:

сталей толщиной до 6 мм;

цветных сплавов;

кислородной резки, ме таллизации. Метан - кислородное пламя используется для сварки лег коплавких металлов и сплавов и пайки.

Металлургические процессы при газовой сварке Газовая сварка происходит при относительно низкой скорости нагрева и охлаждения сварного соединения. Поэтому велика вероят ность получения крупнозернистых структур.

При использовании окислительного сварочного пламени проис ходит интенсивное окисление железа: Fe +O=FeO. Образующаяся за кись железа окисляет легирующие элементы и углерод:

Si+2FeO=SiO2+2Fe;

Mn+FeO=MnO+Fe;

Fe3C+FeO = CO+4Fe (проис ходит частичное восстановление железа). Оксиды марганца и кремния могут остаться в металле сварного шва или всплыть вверх и перейти в сварочный шлак. Если содержание марганца, кремния и углерода в сварочной ванне недостаточно, то восстановление железа не происхо дит, что приводит к ухудшению механических свойств сварного шва.

При сварке науглероживающим пламенем окись углерода и сво бодный углерод реагируют с железом, образуя карбид железа:

3Fe+2CO=Fe3C+CO2;

3Fe+C= Fe3C. Следовательно, происходит науг лероживание железа. Эти химические реакции позволяют применять науглероживающее пламя для сварки чугуна.

При сварке нормальным пламенем сварочная ванна контактиру ет в основном с водородом и окисью углерода образующимися в вос становительной зоне сварочного пламени. Обычно оксид углерода не успевает вступить в химическую реакцию с легирующими элементами стали. При высоких температурах водород растворяется в расплаве железа. При охлаждении сварочной ванны водород выделяется из расплава, поступает в факел сварочного пламени и сгорает с образо вание паров воды. При сварке медных и алюминиевых сплавов, высо колегированных сталей, выделяющийся водород приводит к растрес киванию и пористости сварного шва.

Технологические особенности газовой сварки Для получения качественного сварного соединения необходимо хорошо подготовить свариваемые кромки заготовок, правильно уста новить положение горелки, выбрать рациональный способ сварки, оп ределить мощность горелки и диаметр присадочного прутка.

Подготовка кромок под сварку заключается в очистке их от мас ла, окалины, других загрязнений, разделке под сварку, прихватке ко роткими швами.

Очистка свариваемых кромок производится на ширину 20… мм с каждой стороны шва. Для этого используют пламя сварочной го релки. При нагреве, окалина отстает то основного металла, а краска и масла выгорают. Далее, поверхность свариваемых заготовок зачища ют стальной щеткой до металлического блеска. При сварке алюми ниевых сплавов свариваемые кромки травят в кислоте, затем промы вают и сушат.

Для обеспечения полного провара металла, необходимо провес ти подгонку кромок свариваемых заготовок. Разделка кромок под сварку зависит от применяемого типа сварного соединения. Наиболее распространенным типом соединения при газовой сварке является стыковое. Заготовки толщиной до двух мм сваривают встык с отбор товкой без присадочного материала или без отбортовки с присадоч ным материалом. Заготовки толщиной 2…5 мм сваривают встык без отбортовки, с зазором, с присадочным материалом. При сварке заго товок толщиной более 5 мм применяют Y – и Х - образную разделку кромок. Для обеспечения хорошего провара вершины шва угол скоса выбирают в пределах 70…90о. При сварке заготовок малой толщины допустимо применение угловых и тавровых соединений. Нахлесточ ные соединения допустимы только при сварке заготовок толщиной менее трех мм, так как при больших толщинах неравномерный разо грев заготовок вызывает большие внутренние напряжения, деформа ции и трещины.

Перед сваркой заготовки предварительно соединяю друг с дру гом короткими швами (прихватками). При сварке тонких листов дли на прихваток должна быть не более 5 мм, а расстояние между ними – 50…100 мм. При сварке толстых листов и при швах значительной длины длина прихваток берется в пределах 3…20 мм, а расстояние между ними – в пределах 300…500 мм.

При выполнении газосварочных работ необходима достаточная тепловая мощность сварочного пламени. Тепловая мощность пламени определяется расходом ацетилена, проходящего через горелку:

P=(100…130)S;

где: P- расход ацетилена в л/час;

S – толщина свариваемого металла в мм. Увеличение мощности пламени повышает производительность сварки, однако повышается опасность пережога металла.

При газовой сварке различают правую и левую сварку. При ле вом способе (рис. 3.9, а) горелку держат в правой руке, присадочный пруток – в левой. Горелку 4 перемещают с права на лево, направляя сварочное пламя на присадочный пруток 2 и на не сваренную часть шва 5. Для обеспечения равномерного нагрева кромок и лучшего пе ремешивания металла в сварочной ванне, производятся зигзагообраз ные движения горелкой и присадочным прутком. Мощность свароч ного пламени должна быть в пределах 100…130 л3/час. Диаметр при садочного прутка выбирается по формуле: d = 0,5s+1;

где: d – диаметр присадочного прутка в мм;

s – суммарная толщина свариваемого ме талла в мм. Левая сварка применяется для сварки тонких (до 5 мм) листов и легкоплавких сплавов. При толщине металла более 5 мм, при сварке сплавов с большой теплопроводностью применяется правый способ сварки (рис. 3.9, б). При этом горелку держат в левой руке, присадочный пруток – в правой. Горелку 4 перемещают с лева на пра во, направляя сварочное пламя на шов. Сварочное пламя обеспечивает лучшую защиту сварочной ванны от кислорода и азота воздуха и за медляет охлаждение металла шва в процессе кристаллизации. Поэто му качество шва лучше. Мощность сварочного пламени должна быть в пределах 120…150 л3/час. Диаметр присадочного прутка выбирается по формуле: d = 0,5s. Способ мене удобен для сварщика и требует бо лее высокой квалификации.

Пламя горелки необходимо направлять таким образом, чтобы кромки свариваемых заготовок находились в восстановительной зоне сварочного пламени (на расстоянии 4…6 мм от ядра). Если касаться концом ядра пламени металла заготовок или присадочного прутка, то произойдет науглероживание шва и возможен обратный удар. Ско рость нагрева металла регулируется наклоном мундштука горелки от носительно свариваемых заготовок.

В процессе сварки конец мундштука совершает два движения:

основное (продольное) вдоль оси шва и дополнительное (поперечное), перпендикулярно оси шва. Поперечное движение необходимо для равномерного прогрева зоны сварки и для получения шва нужной ши рины. Перемещение мундштука по спирали применяется для получе ния широкого шва или при сварке металла большой толщины. Пере мещение «полумесяцем» применяется для сварки металла средней толщины. Передвижение по синусоиде применяется для сварки тон ких листов.

3.3. Газокислородная резка металлов Данный способ резки заключается в сжигании нагретого метал ла в струе чистого кислорода. Различают два вида резки: разделитель ная и поверхностная. При разделительной резке из металлического листа вырезается заготовка для дальнейшей обработки. Разделитель ная резка может осуществляться вручную по разметке. В серийном производстве применяется резка с использованием стационарных ма шин по шаблонам. При поверхностной резке удаляется лишний ме талл с поверхности изделий.

Для осуществления процесса резки необходимы следующие ус ловия: Температура плавления металла должна быть больше темпера туры его горения в атмосфере кислорода. В противном случае, металл будет плавиться и переходит в жидкое состояние до резки. Темпера тура плавления шлаков должна быть меньше температуры горения металла в атмосфере кислорода (выделение шлаков должно происхо дит в жидкотекучем состоянии). Количество тепла, выделяемого при резке должно быть достаточным для поддержания непрерывности процесса. Теплопроводность металла не должна быть слишком высо кой и должна способствовать сохранению тепла на поверхности кром ки реза. Количество теплоты, выделяемой при резке должно поддер живать непрерывность процесса.

Наиболее полно этому условию удовлетворяют низкоуглероди стые и низколегированные стали. При содержании в стали углерода 0,4…0,5% резка усложнена, при содержании углерода 1,2% резка невозможна. При содержании в стали марганца 4…10% резка услож няется;

при содержании марганца 14% резка невозможна.

Газовый резак отличается от газовой горелки наличием допол нительного кислородного вентиля. Процесс резки осуществляется в два этапа. Первый - нагрев зоны резки до температуры горения метал ла в кислороде (характеризуется появлением большого числа искр);

второй - собственно резка (отключается ацетилен и кислород из ос новной магистрали). Дополнительным вентилем подключается кисло род.

Контрольные вопросы Что является источником тепла при термитной сварке?

66.

Какие преимущества и недостатки имеет газовая сварка пе 67.

ред электрическими способами сварки?

Какие химические реакции протекают при получении аце 68.

тилен в газовых генераторах?

Как работает генератора низкого давления марки ГНВ 69.

1,25?

Как работает инжекторная горелка?

70.

Зачем нужен водяной затвор?

71.

Опишите строение газового пламени.

72.

Какие металлургические процессы протекают при газовой 73.

сварке?

Что такое газокислородная резка металлов?

74.

Каким требованиям должен удовлетворять металл, подвер 75.

гаемый газокислородной резке?

ГЛАВА. 4. ЛУЧЕВЫЕ СПОСОБЫ СВАРКИ В зависимости от способа превращения лучевой энергии в теп ловую, различают электроннолучевую лазерную сварку.

4.1. Электроннолучевая сварка Электроннолучевая сварка (ЭЛС) – сварка плавлением, при ко торой для нагрева используется энергия ускоренных электронов.

Электронный луч это сжатый поток электронов, перемещаю щихся с большой скоростью от катода к аноду в сильном электриче ском поле. При соударении электронного потока с твердым телом до 90% кинетической энергии электронов переходит в тепловую. Темпе ратура в месте соударения достигает 5000…6000оС.

Схема формирования сварного шва показана на рис. 4.1. При сварке электронным лучом теплота выделяется непосредственно в са мом свариваемом металле, вызывая плавление и частичное испарение металла. Расплавленный металл 5 заготовок 4 вытесняется из зоны сварки давлением паров металла 2. Расплавленный металл распреде ляется по сварочной ванне неравномерно: фронт расплава 5 (передняя стенка канала) имеет толщину 0,05…0,5 мм, а сзади электронного лу ча 3, ближе к верхней части ванны, сосредоточен основной объем рас плава. При кристаллизации этого основного объема и образуется сварной шов 1.

Силы, действующие на расплавленный металл весьма значи тельны, а размеры пародинамического канала и объем сварочной ван ны невелики. Поэтому в сварочной ванне протекают интенсивные электродинамические и гидродинамические процессы, влияющие на условия образования сварного шва. Это приводит к тому, что ЭЛС имеет особенности, заключающиеся в следующем:

Из-за наличия зазора между свариваемыми заготовками, час o тичного испарения и выброса материала заготовок наблюдается зани жение уровня сварного шва.

Остаточные магнитные поля в деталях из ферромагнитных ма o териалов отклоняют электронный луч от плоскости стыка заготовок.

Поэтому после сборки заготовок, непосредственно перед сваркой, не обходимо их размагнитить.

На характер вытеснения материала заготовок из парогазового o кратера влияет угол наклона луча к плоскости сварного шва. Перед сваркой необходимо провести специальную разделку поверхностей стыка заготовок, которая обеспечит оптимальные условия формиро вания сварного шва и повысит точность сварки. Иногда необходимо выполнить специальные технологические буртики, удаляемые после сварки механической обработкой.

Для повышения точности сварки лучше выполнить предвари o тельное прихватывание. Число, расположение и последовательность точек прихвата зависят от конструкции свариваемого узла (детали).

Для обеспечения качества сварного шва используются различ o ные приемы сварки: полное проплавление;

развертка и наклон элек тронного луча;

сварка с присадочным материалом;

сварка с подклад кой;

сварка смещенным или расфокусированным электронным лучом;

модуляция силы тока луча При сварке разнородных материалов электронный луч смещают в сторону более тугоплавкого материала. В качестве технологической развертки используют траектории по окружности, эллипсу, строчного продольного или поперечного перемещения. При кольцевой сварке очень сложно выполнить замыкание кольцевого шва. В процессе за мыкания в сварном шве могут появиться прожоги, кратеры, непрова ры, горячие и холодные трещины, колебания глубины проплавления.

Эти явления можно устранить плавным изменением мощности луча и формы его развертки. Для защиты поверхностей свариваемых загото вок от брызг расплавленного металла необходимо использовать экра ны.

Современные сварочные установки позволяют сфокусировать электронный луч на площади менее 10-2 мм2, что позволяет получить высокую концентрацию энергии в сфокусированном луче (50… КВт/мм2).

Благодаря такой концентрации энергии в сфокусированной луче реализуется кинжальное плавление материала заготовок, основанное на подводе энергии к границе расплава через узкий парогазовый ка нал. Кинжальное плавление материала заготовок позволяет получать сварные швы с отношением глубины шва к его ширине до 1:30. При сварке менне концентрированными источниками теплоты (газовая или дуговая сварка) отношение равно 1:1, 1:2, а сечение шва приближается к равноберенному треугольнику. Высокая скорость сварки в сочетании с кинжальным проплавлениемпозволяет обеспечит малую ширину зоны термического влияния, следовательно, малые тепловые деформации и коробления готового изделия.

Обычно ЭЛС производится в вакуумных камерах при давлении 10-3Па. Вакуум обеспечивает беспрепятственное перемещение элек тронов и защиту от окисления катодной нити и зоны сварки.

На рис. 4.2 приведена схема ЭЛС с классической электронной пушкой. Образование луча начинается с эмиссии электронов с нагре той вольфрамовой спирали 6. Ускорение электронов происходит за счет ускоряющего напряжения (30…150 кВ) между катодом 5 и коль цевым анодом 4. Для прохождения электронного луча 7, анод снабжен центральным отверстием. Фокусирующая обмотка 3 фокусирует луч до диаметра 0,1…0,5 мм. При перемещении заготовок 1 под непод вижным лучом образуется сварной шов. При необходимости элек тронный луч перемещают с помощью отклоняющей системы 2. ЭЛС выполняют на серийных установках мод. ЭЛУ – 9;

ЭЛУ – 10;

ЭЛУ – 20;

ЭЛУР – 1АТ. Например, автоматизированный комплекс ЭЛС ЭЛУР – 1АТ снабжен системой управления параметрами режима сварки и устройством числового программного управления с шестью управляемыми осями перемещения электронных пушек и рабочего стола с установленными на нем заготовками. Сварку производят две одновременно работающие электронные пушки, расположенные друг против друга. Комплекс снабжен: Системой визуального наблюдения за процессом сварки. Видеоустройством, позволяющим точно наво дить луч на кромки свариваемых заготовок. Системой диагностики состояния катодного узла, электронной пушки и аппаратуры в целом.

Устройством управления электронным лучом, позволяющим прово дить развертку луча по окружности, эллипсу, линии, прямоугольному растру. Устройством ввода – вывода кратера, позволяющим, при свар ке кольцевых деталей, плавно регулировать мощность луча в начале и в конце процесса сварки. Комплекс позволяет сваривать изделия диа метром до 3,2 м, высотой до 1.8 м, общей массой до 10 т.

ЭЛС позволяет сваривать большинство токопроводящих мате риалов (легированные и высоколегированные стали;

титановые, вольфрамовые, танталовые, ниобиевые, циркониевые, молибденовые и никелевые сплавы;

некоторые керамики). Плохо свариваются стали с высокой концентрацией углерода, серы и фосфора из – за низких прочностных свойств сварного шва и образования горячих и холод ных трещин. Не свариваются легкоиспаряемые материалы (бронзы, содержащие кадмий и свинец;

латуни). При воздействии высококон центрированного электронного луча происходит их взрывное вскипа ние с выбросом основной массы расплава, что не позволяет добиться сплошности сварного шва. Металлы и сплавы можно сваривать в од нородных и разнородных сочетаниях, со значительной разностью толщин заготовок. Минимальная толщина свариваемых заготовок со ставляет 0,02 мм, максимальная – 100 мм. ЭЛС применяют для соеди нения малогабаритных (электроника, приборостроение, часовая про мышленность) и крупногабаритных деталей (диски диаметром 50 – 2300 мм;

цапфы;

валы;

рычаги;

трубные и корпусные изделия).

4.2. Лазерная сварка Лазерная сварка – сварка плавлением, при которой для нагрева используется энергия излучения лазера.

Лазерный луч представляет собой вынужденное монохромати ческое излучение. Длина волны излучения, в зависимости от природы рабочего тела лазера, лежит в пределах от 0,1 до 10 мкм.

Атомы вещества имеют определенный запас энергии и находят ся в устойчивом энергетическом состоянии. Если атому дать дополни тельную энергию («накачка» или «возбуждение» атома), он выйдет из равновесного состояния. Излучение возникает в результате вынуж денных скачкообразных переходов атомов рабочего тела лазера на бо лее низкие орбиты. При этом возбужденный атом стремится вернуться в устойчивое энергетическое состояние и отдает квант энергии в виде фотона. Испускание света можно инициировать воздействием внеш него фотона, обладающего энергией, соответствующей разнице энер гий атома в возбужденном и нормальном состоянии. В результате, ге нерируются два фотона с одинаковой частотой, которые распростра няются в направлении вектора внешнего фотона.

Одновременно протекает и обратный переход. Поэтому, для по лучения заметной генерации вынужденного излучения необходимо добиться превалирования переходов с возникновением новых фото нов. Этого можно добиться воздействием различных источников энергии (световой, тлеющий или электрический разряд;

химическая реакция).

Источником светового излучения является оптический кванто вый генератор (ОКГ) – лазер. Работа ОКГ основана на принципе сти мулированного генерирования светового излучения.

Схема рубинового лазера показана на рис. 4.3. Рубиновый стер жень 4 установлен в корпусе лазера. Торцы стержня строго парал лельны и перпендикулярны его оси. Левый торец покрыт непрозрач ным слоем серебра. Правый – покрыт полупрозрачным (коэффициент светопропускания 8%) слоем серебра. Источником возбуждения ато мов хрома является ксеноновая импульсная лампа 3. Лампа питается от батареи конденсаторов 1 и включается пускателем 2. При включе нии пускового устройства энергия конденсаторов преобразуется в световую энергию импульсной лампы. Световой поток лампы фоку сируется на рубиновом стержне отражателем 7, в результате чего воз буждаются атомы хрома. Атомы хрома излучают фотоны с длиной волны 0,6943 мкм. Лавинообразный поток фотонов многократно от ражается от зеркальных торцовых поверхностей рубинового стержня и, проходя через полупрозрачный правый торец, фокусируются опти ческой системой 5 на заготовке 6.

Энергия единичного импульса невелика, но эта энергия выделя ется за 10-6с на площади 0,01 мм2. Поэтому в фокусе луча обеспечива ется температура 6000…8000оС. В месте попадания луча (на поверх ности заготовки), металл мгновенно нагревается и испаряется.

Наиболее часто используемые для сварки лазеры имеют сле дующие длины волн: рубиновый 0,6943 мкм;

стекло с неодимом 1, мкм;

гелий – неоновый 0,6328 мкм;

СО2 – лазеры 10,6 мкм. Чем меньше длина волны лазерного излучения, тем больше его способ ность беспрепятственно проходить через вещество. Обычно твердоте лые лазеры имеют небольшую мощность (непрерывный режим – не более 500 Вт;

импульсный режим – не более 300 Вт). Однако энергия одиночного импульса достигает мощности до 100 Дж, что обеспечи вает плотность мощности в фокусе более 107 Вт/мм2. Для получения непрерывного излучения большой мощности (10 кВт и более) приме няют газовые лазеры. Чаще всего, рабочим веществом у них является СО2, который в смеси с аргоном или гелием прогоняется через рабо чую камеру с тлеющим электрическим разрядом.

Направленное на поверхность заготовки лазерное излучение частично отражается от нее, и частично поглощается материалом за готовки. Поглощение излучения приводит к появлению как на по верхности, так и на некоторой глубине интенсивного источника теп лоты. Характер теплового воздействия излучения в основном зависит от плотности мощности лазерного излучения Е в зоне обработки.

Е = P/ S, где: P – мощность лазерного излучения в КВт, S – площадь пятна, сфокусированного на обрабатываемой поверхности в мм2.

При Е 0,1…1 КВт/мм2 происходит локальный разогрев по верхности. Нет заметного испарения и разрушения материала заготов ки. При Е 10…102 КВт/мм2 основная доля излучения расходуется на испарение материала заготовки и на увеличение внутренней энергии разлетающихся паров, капель и твердых частиц. В зоне обработки практически отсутствует жидкая фаза, сварка практически невозмож на. При Е 1…10 КВт/мм2 основная доля излучения расходуется на плавление материала заготовки, происходит интенсивное (кинжаль ное) проплавление. При этом в пятне нагрева (рис. 4.4) начинается ло кальное испарение металла и в расплавленном металле 2 образуется полость 3. Давление паров испаряющегося металла заготовки 1 не да ет ей захлопнуться под действием гидростатических сил расплава.

При соответствующей скорости перемещения (Vсв) лазерного луча образовавшаяся полость приобретает динамическую устойчивость и движется вместе с лучом. Перед полостью происходит плавление ме талла, а позади нее – затвердевание. При перемещении лазерного луча расплавленный металл под действием давления паров и вследствие разности сил поверхностного натяжения в центральной и хвостовой частях сварочной ванны оттесняется в хвостовую часть ванны. После прохождения луча, полость заполняется жидким металлом и образует ся узкий сварной шов 5, глубина которого значительно больше его ширины.

В установившемся режиме энергетический баланс можно опи сать системой уравнений:

Q л q л qф1 qф 2 qотр q разр, q л qф 2 qв q тп где: Qл – энергия сфокусированного луча лазера;

qл – энергия луча, поглощенная в процессе фотонно - электронных соударений на стен ках канала;

qф1 – энергия рассеивания излучения плазменного факела в окружающую среду;

qф2 – энергия, поглощаемая стенками канала в результате теплообмена (конвективного и лучистого);

qотр – энергия лазерного излучения, отраженная от поверхности заготовок и от дна кратера;

qразр – энергия продуктов разрушения, уносимая парогазовой струей;

qв – полное теплосодержание жидкой фазы в сварочной ванне;

qтп – энергия, отводимая в глубь заготовок и сварного шва за счет теп лопроводности. Эффективность передачи энергии лазерного излуче ния свариваемым заготовкам определяется суммой потерь: в факеле, на отражение, испарение и выброс металла из зоны обработки.

Эффективность процесса лазерной сварки можно определить через эффективный коэффициент поглощения А (qл + qф2)/Qл. Эф фективный КПД (и) представляет отношение энергии (мощности) поглощенной заготовками при сварке q к энергии (мощности) подво димой в зону сварки Р: и =q/Р. Наибольшее влияние на эффективный КПД оказывает скорость перемещения лазерного луча (скорость свар ки). Наибольшая энергетическая эффективность процесса (и = 0,6…0,7) обеспечивается при скорости сварки 25…30 м/с. Эта ско рость значительно выше скорости дуговой сварки.

Сварку малых толщин (до 1 мм) осуществляют в непрерывном режиме (шовная сварка) или в импульсном режиме (шовная или то чечная сварка) с концентрацией энергии в одной точке (острая фоку сировка излучения). При плотности мощности в зоне сварки 103… Вт/мм2 происходит только плавление металла без существенного его испарения.

Сварку с глубоким проплавлением ведут мощными непрерыв ными СО2 – лазерами или импульсно – периодическими твердотель ными лазерами. Лазерную сварку ведут с использованием вспомога тельного газа (гелия или аргона), подаваемого в зону сварки через со пло под давлением. Если не использовать вспомогательный газ, то над зоной сварки образуется стационарное облако ионизированных паров испаренного металла, которой закроет поверхности заготовок от пря мого действия луча. Кроме того, продувка вспомогательным газом защищает оптическую систему фокусировки от паров и брызг метал ла, а металл заготовок от окисления. Для защиты от окисления метал ла заготовок вспомогательный газ подается и с обратной стороны сварного шва. Струю газа подают в сторону возможного стекания расплав, что предотвращает деформирование сварочной ванны под действием сил тяжести.

Независимо от назначения и типа применяемого лазера техноло гическая установка содержит следующие системы (рис. 4.5): источник мощного оптического излучения 1;

оптическую систему 6 для форми рования лазерного излучения (в оптическую систему может входить отклоняющая подсистема для перемещения лазерного пучка по задан ной траектории);

устройство для регулировки и модуляции лазерного излучения 5;

систему наблюдения 11;

систему базирования, закрепле ния и перемещения заготовок 16;

систему управления 18.

Источник оптического излучения (технологический лазер) со стоит из источника питания 2, излучателя 3 и системы охлаждения 4.

Технологический лазер обеспечивает энергетические и временные па раметры светового воздействия на свариваемые заготовки. Лазер дол жен обеспечить генерацию излучения мощности достаточной для проведения сварки с необходимой производительностью и с мини мальным тепловым влиянием на около шовную зону. Для сварки заго товок малой толщины (до 1,5 мм) применяют твердотельные лазеры, так как они имеют малые потери мощности, просты в эксплуатации, имеют малые габариты и массу. При сваре больших толщин приме няют газовые, в основном СО2 – лазеры. Эти лазеры долговечны и обеспечивают высокий уровень выходной мощности.

Оптическая система 6 выполняет следующие функции: передача лазерного излучения 9 в зону обработки;

формирование светового лу ча необходимой мощности и конфигурации;

наводку луча в заданный участок обработки. В состав оптической системы входят: прозрачная оптика проходного типа (объектив 7, объектив фокусирующей систе мы 13);

отражательная металлооптика 8 и ответвители пучка 10. Про зрачная оптика используется при мощности лазера до 3 кВт. При большей мощности используются зеркальные фокусирующие системы из металлооптики, обеспечивающие значительно больший срок служ бы.

Система наблюдения 11 позволяет: вести наблюдение за ходом процесса сварки и производить ручную наводку пучка в зону сварки.

Система управления 18 позволяет перемещать свариваемые за готовки в процессе сварки и, при наличии соответствующих датчиков и отрицательной обратной связи, производить корректировку пара метров излучения.

Оснащение оптической системы поворотными отклоняющими зеркалами позволяет: сваривать заготовки по криволинейному конту ру и в труднодоступных местах;

использовать одну технологическую сварочную установку для сварки на двух и более рабочих местах (рис.

4.6). Одновременно со сборкой заготовок 2 на рабочем месте I, на ра бочем месте II - ведется сборка заготовок 2. По окончании сварки на рабочем месте I, отклоняющее зеркало 4 переводит лазерный луч на рабочее место II.

Для получения качественного сварного соединения необходимо:

Высокая точность и стабильность направления воздействия лазерного луча (отклонение лазерного луча должно быть не более 0,2 мм на метр сварного шва). Тщательная подготовка кромок свариваемых загото вок. Поэтому лазерной сварке предшествует или лазерная резка (рас крой) или механическая обработка с большой точностью. Тщательная сборка заготовок перед сваркой, с минимальными зазорами (не более 0,3 мм) для того, чтобы исключить уменьшение сечения сварного шва.

Тщательная очистка свариваемых кромок от загрязнений, которая производится металлическими щетками. Зачищаются торцы загото вок, лицевые и задние участки на ширину не менее 10…15 мм. После очистки производится обезжиривание места сварки. Обеспечение теп лоотвода от корня сварного шва для создания условий направленной кристаллизации снизу вверх, что исключит возникновение усадочных раковин внутри шва. Защита поверхности шва от окисления. Защиту производят гелием или смесями: гелий – аргон (2:1), аргон – углекис лый газ (3:1) через специальное сопло 14 (рис. 4.5).

Глубокое проплавление, высокие скорости сварки и жесткий термический цикл предопределяют высокое качество сварных соеди нений при лазерной сварке.

При сварке низкоуглеродистых сталей высокие скорости охлаж дения (до 3000 град/с) сварки (до 120 м/час) влияют на первичную и вторичную структуру шва. За счет отставания скорости затвердевания от скорости увеличения температурного градиента на фронте кри сталлизации, первичная структура – дендритно-столбчатая. За счет высокой скорости охлаждения шва вторичная структура претерпевает бейнитное превращение с появлением игольчатого феррита микро твердостью до 2150 МПа (при дуговой сварке - структура ферритно перлитная микротвердостью до 1200 МПа). Жесткий термический цикл сварки обеспечивает минимальное время пребывания зоны свар ки в состоянии перегрева, что уменьшает вероятность аустенитного превращения, исключает возможность роста зерна и снижения меха нических свойств шва. Малая зона термического влияния (в 10… раз меньше, чем при дуговой сварке) предупреждает разупрочнение околошовной зоны, особенно при сварке термически упрочненных сталей.

Затруднения дуговой сварки легированных сталей связаны с:

появлением закалочных структур на участках перегрева и нормализа ции;

высокой вероятностью появления горячих и холодных трещин;

увеличением размера зерна в шве;

высокой пористостью шва.

Высокая скорость охлаждения и низкая погонная энергия (в 3…10 раз меньше, чем при дуговой сварке) позволяют избежать зака лочных структур в зоне термического влияния. Например, при сварке стали 17ГС в шве наблюдается мартенситно-бейнитная структура, на участке сплавления зоны термического влияния – мартенситная структура, на участке частичной перекристаллизации, как в основном металле – ферритно-перлитная структура. Эти же факторы обеспечи вают получение мелкозернистой разориентированной структуры (рис.

4.7), что повышает устойчивость шва к появлению горячих трещин.

Высокие скорости охлаждения шва, малый объем сварочной ванны и активное перемешивание жидкого металла затрудняют насыщение металла шва газами (особенно водородом), что уменьшает пористость шва и повышает его сопротивляемость появлению холодных трещин.

Лазерная сварка позволяет: Соединять разнородные металлы при толщине заготовок от 0,5 до 10 мм и скорости сварки до 50 м/мин.

Обеспечивать небольшое тепловое влияние на около шовную зону и малые деформации готового изделия. Легко автоматизировать про цесс сварки. Сваривать конструкции, которые невозможно было со единять обычными способами сварки. Управление лучом с помощью системы специальных зеркал позволяет сваривать труднодоступные места и получать криволинейные сварные швы.

Лазерную сварку малых толщин применяют в электронной и ра диотехнической промышленности для сварки проводов, элементов микросхем, при ремонте вакуумных приборов и так далее. Лазерную сварку с глубоким проплавлением применяют при производстве крупногабаритных конструкций, корпусных деталей в авиастроении, емкостей и элементов обшивки судов и самолетов, валов (в том числе карданных), осей, для сварки труб, арматурных конструкций.

4.3. Лазерная резка материалов Лазерная резка применяется для резки заготовок со сложным контуром из листовых материалов. Сфокусированным лазерным лу чом можно разрезать практически любые материалы. Лазерная резка позволяет получать узкий и точный рез с минимальной зоной терми ческого влияния. При этом отсутствие механического воздействия на материал позволяет разрезать легкодеформируемые и нежесткие заго товки.

Схема головки для лазерной резки приведена на рис. 4.8. В кор пусе 9 головки размещен твердотелый или газовый СО2 лазер 1 мощ ностью от 2,3 до 6 кВт. Луч 2 отражается от зеркала 3, проходит через фокусирующую систему 4 и прозрачное окно 5 газовой камеры 6.

Конфигурация реза обеспечивается перемещениями корпуса головки.

Воздействие лазерного луча на разрезаемый материал характе ризуется поглощением и отражением излучения, и распространением энергии луча по объему заготовки за счет теплопроводности. Высокая удельная мощность лазерного излучения позволяет расплавлять мате риал (вплоть до его испарения) по линии реза. В образующейся ванне жидкого материала конвективное перемешивание, что увеличивает скорость проплавления. Продукты разрушения материала удаляются струей вспомогательного газа подаваемого в камеру 6. Подача вспо могательного газа позволяет: интенсифицировать процесс резания за счет горения металла (при подаче кислорода или воздуха);

уменьшить зону термического влияния за счет охлаждения боковых поверхностей реза;

защитить зону реза от окисления.

Технологические особенности лазерной резки неметаллических материалов Резка кварцевого стекла относительно проста. Кварцевое стекло практически не подвержено влиянию температурных перепадов, воз никающих под воздействием лазерного излучения. При резке проис ходит возгонка оксида кремния при температуре близкой к темпера туре плавления стекла. Поэтому жидкая ванна практически не образу ется, рез имеет вид полированной поверхности с небольшим оплавле нием краев. При толщине разрезаемого кварцевого стекла 1…4 мм достаточно использовать излучение мощностью до 200 Вт. При за плывании разрезаемого канала расплавленным кварцем необходимо уменьшить скорость резки или повысить мощность излучения.

Резка обычного стекла затруднена потому, что: При большой скорости резки не обеспечивается возгонка сквозного паза, образуется жидкая фаза из расплавленного стекла. Вдоль линии прохождения лу ча образуется канавка. Вследствие размягчения стеклянной поверхно сти, с обратной стороны образуется аналогичная канавка. При низкой скорости резки, материал по линии реза полностью возгоняется с об разованием закругленных краев. На расстоянии до трех мм от линии реза образуются продольные трещины. Для предохранения стекла от разрушения, необходимо нагревать его в процессе, и после обработки до температуры 600оС.

При резке материалов органического происхождения (При низких скоростях резки или мощности излучения более 2 кВт) наблюдается обугливание краев реза и возможно возгорание заготовки. Профили поперечного канала реза, и ширина зоны обугливания изменяются в зависимости от скорости резки. С увеличением скорости резки форма канала и зоны обугливания переходят от расширяющейся формы, к сужающейся, одновременно уменьшается ширина зоны обугливания.

Для предотвращения возгорания и уменьшения ширины зоны обугли вания в зону обработки подают воду или углекислый газ.

При многослойной (толщина настила до 3 м) резке текстильных син тетических материалов слои перекладывают тонкой бумагой или ув лажняют, что предотвращает их сваривание. Неширокая (до 0,5) мм зона оплавления краев реза предотвращает распускание материала.

Лазерная резка широко применяется при обработке трехмерных конструкций (резка труб, профилей …), точного раскроя листового материала (стальных листов толщиной до 25 мм), разрезания нетепло проводных или хрупких материалов (керамик).

контрольные вопросы 76. Что такое электронный луч?

77. Опишите схему формирования шва при электроннолучевой сварке.

78. Какие заготовки можно соединять электроннолучевой сваркой?

79. Опишите схему формирования шва при лазерной сварке.

80. Как работает рубиновый лазер?

81. В чем особенности лазерной сварки заготовок малых толщин?

82. Какие системы содержит технологическая лазерная установка?

83. Зачем в лазерной сварке используют вспомогательный газ?

ГЛАВА. 5. МЕХАНИЧЕСКИЕ СПОСОБЫ СВАРКИ В зависимости от способа превращения механической энергии в тепловую, различают холодную сварку, ультразвуковую сварку, свар ку трением, сварку взрывом.

5.1. Холодная сварка Холодная сварка (ХС) – сварка давлением при значительной пластической деформации без нагрева свариваемых частей внешними источниками тепла.

ХС – один из наиболее рациональных способов получения не разъемного соединения пластичных металлов (алюминий и его спла вы, медь, свинец, олово …). Основным достоинством ХС является от сутствие теплового воздействия на соединяемые заготовки. В основе ХС лежит пластическая деформация соединяемых металлов.

Надежное сварное соединение может быть получено при со блюдении следующих условий:

Одновременная пластическая деформация соединяемых o металлов.

Значительное и симметричное относительно центра зоны o соединения растекание металла в плоскости соединения. Растекание металла вызывает разрушение оксидных или иных пленок, вытесне ние их обломков из зоны соединения. Одновременно, растекание ме талла создает условия для интенсивного движения дислокаций с обра зованием активных центров на соединяемых поверхностях. Симмет ричное растекание металла необходимо для более полного удаления пленок из зоны сварки.

Сжатие заготовок на заключительной стадии образования o сварного соединения, что требует значительных давлений в зоне кон такта.

Очистка кромок соединяемых заготовок от загрязнений o (промывка растворами, бензином, спиртом) и окисных пленок. При менение абразивного инструмента недопустимо, так как шаржирован ные в поверхность заготовок абразивные зерна затруднят получение сварного соединения.

Предварительная подготовка поверхностей заготовок (ше o роховатость - Rz не более 10 мкм;

не плоскостность поверхности не более 0,1 мм).

Холодная сварка подразделяется на: точечную, шовную, стыко вую и комбинированную.

Точечной сваркой соединяют внахлестку листовые мате риалы. Сварное соединение (сварная точка) получается в результате вдавливания пуансонов в заготовки. Сварная точка образуется в ре зультате значительной деформации металла, поэтому она упрочнена по отношению к основному металлу заготовок. Точечная ХС характе ризуется степенью деформации (процентное отношение глубины вдавливания пуансонов к суммарной толщине соединяемых загото вок). В табл. 5.1. приведена наименьшая величина степени деформа ции, необходимая для точечной Х.С.

В практике применяется сварка без предварительного зажатия заготовок, с предварительным зажатием и со свободным течением ме талла вокруг пуансона.

При точечной сварке без предварительного зажатия заготовок (рис. 5.1, а), подготовленные к сварке заготовки 3 устанавливают ме жду соосно расположенными пуансонами 1. Под воздействием усилия осадки, рабочие выступы 2 пуансонов вдавливаются в металл загото вок, обеспечивая необходимую для сварки пластическую деформа цию. Полученный сварной шов представляет собой дискретную по следовательность сварных точек. Для получения прочного соединения минимальная глубина внедрения пуансонов рассчитывается по фор муле:

(h1+h2)min= (S1 + S2)/100, где: h1+h2 – глубина внедрения пуансонов, в мм;

S1 и S2 – толщины свариваемых листов, в мм;

– степень деформации материала загото вок. Прочность сварной точки составляет 0,75…0,9 прочности основ ного металла.

Таблица 5. Наименьшая величина степени деформации Материал загото- Материал заготовок вок Алюминий Алюминиевые сплавы 60..70 75… Медь Свинец 85…90 55… Олово Железо Армко 86…88 85… Титан Никель 70…75 85… Точечную сварку с односторонним деформированием (рис. 5.1, б) применяют при необходимости получения ровной поверхности сварного соединения с какой-либо одной стороны. Соединяемые в на хлестку заготовки 3 размещают на плоском основании. Пуансоны за данной формы вдавливаются в заготовки. Недостатком данного спо соба является коробление заготовок (особенно при толщине заготовок более 4 мм) изготовленных из сплавов с малой пластичностью (алю миниевые сплавы). Вследствие коробления сварка каждой последую щей точки или ослабляет предыдущую точку или разрушает ее.

Точечная сварка с предварительным зажатием заготовок (рис.5.2), позволяет устранить коробление заготовок 1 за счет исполь зования прижимов 2. ПРИжатие заготовок рабочими поверхностями прижимов (напряжения прижима 29…49 МПа, площадь прижима должна превышать площадь пуансонов в 15…20 раз) производится или одновременно с вдавливанием пуансонов 3, или до вдавливания.

Необходимость приложения дополнительного усилия прижатия Рп не позволяет использовать этот способ при сварке нежестких заготовок.

Точечная сварка со свободным течением металла вокруг пуан сона позволяет уменьшить величину усилия предварительного прижа тия Рп и сваривать нежесткие заготовки. В прижимных плитах 1 (рис.

5.3) вокруг посадочных отверстий для пуансонов 2 выполнены допол нительные кольцевые выточки. Металл, вытесненный из-под пуансо нов, заполняет эти выточки. После заполнения выточек снимается усилие предварительного прижатия и к пуансону прикладывается усилие осадки Р. Существенным недостатком этой схемы является наличие выступов на свариваемых поверхностях.

Холодная точечная сварка применяется при: оконцевании алю миниевых токопроводящих элементов медными флажками или ка бельными наконечниками;

при армировании алюминиевых токопро водящих шин медью;

при сварке алюминиевых ребер с радиаторами полупроводниковых приборов;

при изготовлении электрических кон денсаторов;

при изготовлении алюминиевой посуды и емкостей.

Шовной сваркой соединяют листовые материалы непрерывным швом. Различают шовную сварку роликами и сварку одновременно по всему периметру заготовки.

При роликовой сварке предварительно подготовленные заготов ки помещают между роликами, сдавливают до полного проникнове ния рабочих выступов роликов в металл, роликам придают вращение.

При этом заготовки перемещаются, и происходит их сварка по шву.

При односторонней роликовой сварке (рис. 5.4, а) заготовки 1 и поддерживаются опорным роликом 3. деформирование заготовок производится роликом – пуансоном 4. При двухсторонней сварке (рис.

5.4, б) ролики - пуансоны 4 размещены по обеим сторонам заготовок и 2. При сварке прямолинейных непрерывных швов ослабление сече ния по всей его длине может сказаться на работоспособности сварного соединения. В этом случае применяют ролик – пуансон 4 с рабочими выступами на периферии (рис. 5.4, в) - шовно-точечная сварка. Свар ной шов получается в виде прерывистой цепочки сварных точек, и ос лабление шва носит локальный характер. Сварка кольцевым замкну тым швом не ослабляет сварное соединение. Поэтому при наварке крышек корпусных заготовок применяют схему, показанную на рис.

5.4, г, а при наварке крышек или перегородок в трубчатых заготовках применяется схема, показанная на рис. 5.4, д.

Основные технологические параметры шовной сварки анало гичны параметрам точечной сварки. Для кольцевой сварки степень деформации определяется по формуле:

= [1- (D1-D2)/2(1 – 2)]100%, где: D1 – диаметр отверстия матрицы;

D2 – диаметр рабочей части пу ансона;


1, 2 – толщины заготовок.

Холодная шовная сварка применяется при: сварке донышка алюминиевой посуды, герметизации корпусов различных изделий, герметизации поплавков карбюраторов;

при сварке алюминиевых ре бер радиаторов силовых полупроводниковых приборов.

Стыковой сваркой соединяют стержни по поверхности стыкуе мых торцов. Свариваемые заготовки 1 и 4 (рис. 5.5) зажимают с выле том в соосно расположенных захватах (губках) 2 и 3, после чего при кладывают осевое усилие, вызывающее пластическую деформацию (осадку) выпущенных из губок концов заготовок. При этом образуется сварное соединение с образованием облоя 5. При использовании пло ских губок (рис. 5.5, а) облой 5 необходимо непрерывно расплющи вать. Во время деформации площадь облоя увеличивается, следова тельно, в конце осадки большая часть приложенного усилия осадки Р тратится не на сварку, а на расплющивание облоя. Облой так же пре пятствует полному вытеснению поверхностных пленок из зоны свар ки, что ухудшает качество сварного шва. Использование губок с за остренными краями (рис. 5.5, б) позволяет относительно свободно вы теснять металл из зоны сварки, что создает благоприятные условия для сварки. Образующийся облой подрезается режущим клином 6 гу бок и легко удаляется.

Основными технологическими параметрами стыковой сварки являются степень деформации свободных (не зажатых в захватах) концов заготовок, определяемая их вылетом и величина давления осадки. Для сварки одноименных металлов давление осадки (р) и ве личина вылета (Н) связаны зависимостью:

A Т0 HV р, H D 0 tg HV где: А – безразмерный коэффициент (для алюминия и меди А=3,25);

т0 – предел текучести свариваемого материала в исходном состоянии в МПа;

HV1 – твердость деформированного металла по Виккерсу;

HV – твердость по Виккерсу металла в исходном состоянии;

Н – сум марный вылет заготовок в мм;

D0 – диаметр заготовок в мм;

– пе редний угол режущего клина губок. Учитывая, что предел текучести деформированного металла равен: т1 = т0(HV1/ HV0), для разноимен ных металлов эта зависимость примет вид:

A т р, H tg Dо При стыковой сварке заготовки устанавливают в зажимах так, чтобы их вылеты были равны 1,2 диаметра (для прутковых материа лов) или толщины (для листовых материалов). При сварке разнород ных материалов вылет со стороны более прочной заготовки делают на больше.

Холодная стыковая сварка применяется при: оконцевании алю миниевых проводов медью, при сращивании алюминиевых и медных проводов и шин (безотходная намотка катушек), при соединении мед ных силовых проводов (на линиях электропередач), при изготовлении алюминиевых колец из полосы, при изготовлении тавровых соедине ний (ребра радиаторов полупроводниковых приборов).

Для повышения прочности сварного соединения применяется комбинированные способы холодной сварки.

Сварка прокаткой применяется при производстве трубчатых па нелей (например, при изготовлении испарителей бытовых холодиль ников). На очищенную поверхность алюминиевой заготовки (карты) наносится оттиск рисунка будущих каналов. На карту с оттиском на кладывают карту без оттиска. Полученный пакет прокатывают. В процессе прокатки алюминий сваривается, а поверхности, закрытые рисунком не свариваются. Сваренный пакет помещают между глад кими параллельно расположенными плитами и в каналы подают воду под давлением 10 МПа. Каналы раздуваются и приобретают требуе мые размеры сечения.

5.2. Ультразвуковая сварка Ультразвуковая сварка - сварка давлением, осуществляемая при воздействии ультразвуковых колебаний.

Ультразвуковая волна, как всякая гармоническая волна, харак теризуется: периодом Т или частотой колебаний f (f = 1/Т);

круговой частотой ( = 2f);

фазовой скоростью (С);

длиной волны, равной расстоянию между ближайшими точками, колеблющимися в одной фазе ( = СТ = С/f). Если в процессе колебания частицы среды пере мещаются в направлении распространения волны, то колебания назы ваются продольными. Если перемещение частиц среды перпендику лярно направлению распространения волны, то колебания называются поперечными. В жидкостях и газах возможны только продольные волны. В твердых телах возможны: продольные и поперечные и по верхностные волны.

Фазовая скорость звука для продольной волны в неограниченной твердой среде равна:

E 1 K 0.75G Сl, 1 1 2 где: Е – модуль Юнга;

– коэффициент Пуассона;

– плотность сре ды;

К – модуль объемного сжатия;

G – модуль сдвига. Для тонких стержней, поперечные размеры которых значительно меньше длины волны, можно пренебречь поперечной деформацией, (=0), фазовая (стержневая) скорость равна:

Е С Для толстых стержней круглого сечения (отношение диаметра стерж ня к длине волны лежит в пределах от 0,3 до 1,4) фазовая (стержневая) скорость равна:

d Е 1 2 С, 4 где: d – наибольший диаметр стержня.

Действие переменной силы в произвольной точке упругой сре ды приведет к переменным смещениям, деформациям и напряжениям.

Каждому моменту времени будет соответствовать определенное рас пределение смещений, деформаций, напряжений. Если это распреде ление перемещается, то упругая волна называется бегущей. В идеаль ной среде (при отсутствии трения) бегущая волна описывается урав нением: u = A sin(t±kx), где: u – смещение произвольной точки вдоль оси X;

A – амплитуда смещения;

k=2/=/С – волновое число. Первая и вторая производные по времени дадут колебательную скорость (V) и ускорение (a), первая производная по x даст выражение для волны де формации ():

V = u/t = A cos(t±kx) = Vmcos(t±kx);

а = 2u/2 t= A 2sin(t±kx) = amsin(t±kx);

= u/x = ±k Acos(t±kx).

По закону Гука, в упругой среде напряжения () и деформации () связаны зависимостью: = Е. Следовательно:

= Е = Е±kAcos(t±kx). При распространении упругой волны проис ходит перенос энергии, при этом, происходит циклический переход кинетической энергии в потенциальную и наоборот.

Кинетическая энергия в единице объема равна:

Ек = 0,5V2 = 0,5[Acos(t±kx)]2.

Средняя кинетическая энергия в единице объема равна:

Еср = 0,252А2.

Полная средняя энергия равна:

Е = 0,5 2А2 = 2f2 А2.

Сопротивление распространению упругой волны в реальной уп ругой среде носит активный и реактивный характер. В результате ак тивного сопротивления (внутреннего трения) происходит поглощение средой механической энергии и выделение ее в виде теплоты. Реак тивное сопротивление обусловлено тем, что каждый бесконечно ма лый объем среды обладает массой и упругостью. Полное сопротивле ние среды можно характеризовать модулем комплексного сопротив ления Z:

R 2 в m D Fm Z в, Vm где: Fm – амплитуда колебаний силы;

Vm – амплитуда колебаний ско рости;

R – активное сопротивление;

в – круговая частота вынужден ных колебаний;

m – масса;

D – упругость.

При расчете ультразвуковых колебательных систем часто ис пользуется понятие интенсивности или силы звука (I). Интенсивность (сила) звука – это энергия, проходящая в единицу времени через еди ничную площадку, ориентированную перпендикулярно направлению распространения волны. В плоской волне сила звука (I) равна энергии, заключенной в параллелепипеде, площадь основания которого равна единице, а высота равна скорости звука (с):

I = Ес = 0,5 2сА2 == 22t2 А2с.

Величина (с) – удельное волновое сопротивление упругой сре ды. Это сопротивление носит активный характер, так как не может за пасать энергию. Однако она не может преобразовать энергию в тепло ту подобно элементу трения. Активный характер волнового сопротив ления проявляется в том, что при перемещении энергии колебаний от источника колебаний в каждом поперечном сечении среда поглощает энергию за счет ее передачи следующему сечению, обладающему тем же сопротивлением.

При распространении волны в вязкоупругой среду (в полимер ных материалах) интенсивность волны уменьшается: I = I0e-2x, где: I0 интенсивность в начальной точке;

– коэффициент затухания. Актив ная мощность, подводимая к нагрузке (свариваемым заготовкам из полимерных материалов) равна:

P = 22f2A2rакт, где: rакт – активная (поглощающая) составляющая нагрузки.

При приложении ультразвуковых колебаний к свариваемым за готовкам в них возникают касательные напряжения, вызывающие пластическую деформацию материала свариваемых поверхностей. В месте соединения развивается повышенная температура (0,4…0,6 от температуры плавления металла.), зависящая от свойств свариваемых материалов. Эта температура способствует возникновению пластиче ского состояния свариваемых материалов и их соединению. В месте сварки образуются совместные кристаллы, обеспечивающие проч ность сварного соединения. Одновременно, под действием ультразву ка разрушаются оксидные пленки на поверхностях заготовок, что об легчает получение соединения.

Технологическое оборудование для ультразвуковой сварки со стоит из следующих узлов: источника питания, аппаратуры управле ния сварочным циклом, механической колебательной системы и при вода давления.

Механическая колебательная система необходима для: преобра зования электрической энергии в механическую;

передачи этой энер гии в зону сварки;

согласования сопротивления нагрузки с внутрен ним сопротивлением системы и геометрических размеров зоны ввода энергии с размерами излучателя;

концентрирования энергии и полу чения необходимой амплитуды колебаний. Система должна работать с максимальным КПД на резонансной частоте независимо от измене ния сопротивления нагрузки. Типовая колебательная система (рис.

5.6, а) состоит из электромеханического преобразователя 1, волновода - трансформатора или иначе концентратора колебательной скорости 2, акустической развязки системы от корпуса машины 6, излучателя ультразвука - сварочного наконечника 3 и опоры 4, на которой распо лагаются свариваемые заготовки 5.

Электроакустический преобразо ватель 1 изготовлен из магнитострикционных или электрострикцион ных материалов (никель, пермендюр, титанат бария и других). Под воздействием переменного электромагнитного поля в преобразователе возникают механические напряжения, которые вызывают упругие де формации материала. Таким образом, преобразователь является ис точником механических колебаний. Амплитуда этих колебаний лежит в пределах 3…5 мкм. Для увеличения амплитуды к преобразователю подсоединено волновое звено 2. Сужение волнового звена позволяет увеличить амплитуду колебаний в 10…20 раз. Рассмотрим колебания ступенчатого стержня – волновода (рис. 5.6, б). этот стержень можно представит в виде двух массовой системы (А-Б), включающей в себя массу mА и жесткость СА верхнего звена и массу mБ и жесткость СБ нижнего звена. В сечении Г-Г располагается единственная плоскость узла колебаний, в которой отсутствуют перемещения. Жесткость и масса верхней ступени больше жесткости и массы нижней ступени.

Так как плоскость n-n неподвижна, то усилия в этом сечении взаимно компенсируют друг друга:

d 2 xА d 2x mА mБ 2 Б, d 2t dt где: d2xА/d2t и d2xБ/d2t – ускорения с которыми перемещаются массы «А» и «Б». Так как mА mБ, то d2xА/d2t d2xБ/d2t. Обе части стержня колеблются с одной частотой, поэтому:

d2xА/d2t = AА 2sin(t±kx) d2 xБ /d2t = AБ 2sin(t±kx), где: AА и AБ – амплитуды колебаний частей стержня. Следовательно:

AА AБ.

В практике часто встречаются колебательные системы с исполь зованием резонирующих стержней 7 (рис. 5.6, в), работающих в ре жиме изгибных колебаний (рис. 5.6, г).

При вводе механических колебаний в свариваемые металлы за готовки начинают вибрировать с ультразвуковой частотой. Форма ко лебаний определяется геометрическими размерами изделия.

Наиболее часто производят сварку листов прямоугольной фор мы. В заготовках устанавливается стоячая волна с характерным чере дованием узлов и пучностей плоской волны изгибных колебаний.

Уровень напряжений возникающих в пучностях, определяется мощ ностью энергии, вводимой в зону сварки. При этом возникает опас ность появления микро - и макротрещин в зоне сварки. Образование трещин при достаточном уровне энергии свойственно металлам, об ладающим малой пластичностью, имеющим местные дефекты, чрез мерный наклеп и т. п. Для снижения вредного эффекта вибрации сва риваемого изделия применяют: струбцины с резиновыми прокладка ми;

предварительное снятие заусенцев;

округление углов, если это возможно по условиям изготовления детали;

предварительный отжиг места соединения и т. п. Наиболее рациональной мерой является сни жение амплитуды колебаний сварочного наконечника.

При УЗС некоторых металлов наблюдается интенсивное сцеп ление сварочного наконечника со свариваемым металлом. С техноло гической точки зрения это совершенно неприемлемо, так как приварка сварочного наконечника к детали исключает нормальную эксплуата цию сварочной машины. Поэтому для сварочного наконечника нужен материал, который обладал бы максимальной когезией поверхностно го слоя относительно свариваемого материала (сормайт, сталь ШХ15).

Иногда при УЗС наблюдается самопроизвольное разворачива ние заготовок друг относительно друга (прокручивание). Прокручива ние можно объяснить тем, что: единичные узлы схватывания в про цессе УЗС возникают не одновременной во всей зоне сварки. Ампли туда колебаний заготовок в узле схватывания существенно меньше амплитуды проскальзывания в тех зонах сварки, где отсутствуют узлы схватывания. Поэтому, при интенсивном внешнем трении между сва риваемыми заготовками и небольшими зажимными силами появляю щаяся пара сил прокручивает одну из заготовок.

Основные технологические достоинства УЗС заключаются: в низкой энергоемкости процесса;

возможности питания нескольких сварочных головок от одного генератора;

возможности выноса сва рочных головок на значительное расстояние;

в простоте автоматиза ции процесса работы колебательной системы;

в гигиеничности про цесса.

УЗС позволяет:

Соединять металлы без снятия поверхностных пленок и рас плавления. Микросмешения заготовок относительно друг друга вызывают дробление твердых окислов и выгорание жировых пленок, что приводит к самопроизвольной очистке поверхно стей свариваемых металлов и к последующей их сварке. Это по зволяет наиболее эффективно решать проблему присоединения токоотводов в электро- и радиотехнических устройствах. При этом УЗС обеспечивает переходное сопротивление на уровне сопротивления свариваемых металлов. Низкая температура в зоне соединения обеспечивает минимальное искажение исход ной структуры, отсутствие выплесков и брызг металла.

Сваривать чистый и сверхчистый алюминий, медь, серебро.

Сваривать большинство известных термопластичных полиме ров. Сваривать заготовки с существенным перепадом толщин и свойств свариваемых металлов (металл - стекло;

отношение толщин 1/1 000).

Соединять тончайшую металлическую фольгу со стеклом и ке рамикой.

УЗС применяют в приборостроении, радиоэлектронике, авиаци онной промышленности. Особенно широкое применение УЗС находит при сварке пластмасс.

Особенности УЗС пластмасс Процесс сварки пластмасс можно рассматривать как топохими ческую реакцию (химическую реакцию, протекающую на поверхно сти твердого тела). Для этих реакций характерно протекание в две стадии: 1) образование физического контакта;

2) объемное развитие взаимодействия.

При УЗС стадия образования физического контакта сопровож дается термической активацией контактных поверхностей. На опреде ленных этапах термическая активация протекает совместно с объем ным развитием взаимодействия.

Стадия образования физического контакта связана со статиче ским и вибрационным уплотнением свариваемого материала. Для мягких пластмасс и волокнистых материалов эта стадия характеризу ется уменьшением толщины свариваемого материала: = (1+), где:

и - толщина волокнистого материала начальная и в предельно уп лотненном состоянии;

- коэффициент пористости, равный отноше нию объема пустот к объему волокон. Для жестких пластмасс эта ста дия протекает за счет пластического деформирования макро и микро неровностей, т.е. за счет сближения контактирующих поверхностей на расстояния, соизмеримые с межатомными. Часть работы деформации затрачивается на удаление из контактной зоны инородных включений (газовых пузырей, масляных и жировых пятен).

Термической активации предшествуют: ввод и распространение ультразвуковых колебаний в свариваемых заготовках;

концентрация и преобразование энергии механических колебаний в тепловую энер гию. При УЗС интенсивно протекают: структурные превращения на молекулярном и надмолекулярном уровнях, различные химические реакции полимеров, накопление повреждений от силовых нагрузок.

Воздействие на разогретый материал статических и динамических на грузок приводит к развитию деформационных процессов. Эти процес сы проявляются: во внедрении рабочего торца волновода в поверх ность заготовки;

в вытеснении разогретого (пластифицированного или расплавленного) материала заготовки из зоны сварки.

Стадия объемного развития взаимодействия проявляется в: те чении и перемешивании материала заготовок в сварочной зоне;

вза имной диффузии материалов в микрообъемах;

кристаллизации рас плава на заключительном этапе сварки.

Если сварка происходит в области вязкотекучести (сварка плав лением), то основную роль в стадии объемного развития взаимодейст вия играет перемешивание материала заготовок. При этом, чем мень ше вязкость размягченного полимера, тем больше перемешивание.

Это явление можно объяснить «насосным» действием поверхности движущегося излучателя – волновода. При движении вперед, излуча тель отталкивает полимер, а при движении назад не полностью увле кает его за собой. Поэтому при каждом ходе излучателя в область раз ряжения, образующуюся на границе раздела заготовок притекают но вые частицы полимера. При этом в сварном шве практически отсутст вует граница раздела соединяемых поверхностей. Шов не разрушается по первоначальной плоскости контакта. Надмолекулярная структура шва может отличаться от структуры материала заготовок.

Если сварка происходит в интервале температур высокоэлла стичности, преимущественным является диффузионный механизм.

При этом необходим длительный контакт свариваемых поверхностей друг с другом. Сварной шов сохраняет границу раздела. Материал в зоне контакта, по надмолекулярной структуре не отличается от ис ходного.

Сварка мягких пластмасс Типичными представителями этих пластмасс являются поли этилен высокого и низкого давления, полипропилен, пластифициро ванный поливинилхлорид. Характерная особенность УЗС этих пласт масс состоит в значительном тепловыделении, как на границе раздела свариваемых материалов, так и в объемах, прилегающих к волноводу и опоре. Тепловыделение приводит к: большой деформации поверх ностей свариваемых заготовок;

внедрению рабочего торца волновода в материал заготовки (до 50% от суммарной свариваемых поверхно стей) и вытеснению из зоны сварки пластифицированного материала (грат). Поэтому УЗС мягких пластмасс чаще всего применяется для соединения по контуру (изготовление емкостей, контейнеров, соеди нение труб). При сварке толстостенных (толщина свариваемых по верхностей до 15 + 15 мм) полиэтиленовых труб, для снижения потерь энергии и температуры в объемах, прилегающих к волноводу, заго товки и волновод желательно охлаждать. Полиэтилен высокого дав ления – до 230оК, полиэтилен – низкого давления – до 247оК.

Сварка жестких пластмасс Типичными представителями этих пластмасс являются поли стирол, его сополимеры, полиметилметакрилат, винипласт, капролон.

Эти полимеры имеют большой модуль упругости и малый коэффици ент затухания колебаний. Поэтому для УЗС используется контактная и передаточная сварка.



Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |   ...   | 7 |
 

Похожие работы:





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.