Виды и классификация сварок

 

 

 

Рисунок   2. -  Стяжной   пресс   для  рельсового стыка

 

 

 

 

1 — стяжная  штанга;   2 — стяжная  гайка;   3 — зажимная гайка; 4 — термитный  тигель;  5 — крышка тигля.

Термитную сварку можно использовать для ремонта  крупных стальных и чугунных деталей. При сварке чугуна применяют специальный  термит со значительным содержанием  ферросилиция. Посредством термитной  сварки можно приливать отломанные части стальных деталей, например зубья крупных шестерен, наплавлять поверхности и т. п. Термитная сварка позволяет изготовлять стальные отливки, на месте в любых, даже полевых условиях, что в ряде случаев может представлять практический интерес.

 

3.3.Выбор основных и присадочных материалов.

 

Для группы материалов (сталей с С_э < 1,2%, стального литья, серого чугуна  и алюминия) химический состав присадочных материалов определяют в зависимости от химического состава основного материала.

Присадочный материал состоит из порошкообразного окисла металла и порошкообразного алюминия и расплавляется в тигле. Термитную смесь легируют присадкой ферросплавов, карбидов, окислов и чистых элементов) Их 20%-ная добавка к шихте снижает температуру разливаемого металла и повышает выход присадочного материала до 50%; остальные 50% — шлак.

Присадочные материалы выбирают в зависимости от технологического варианта сварки и от характера износа поверхности при наплавке.

Количество присадочного материала, кг:

m_AT = 12.8 V_ges                 (2)

где V_ges — объем заполняемого пространства, дм³.

 

 

3.4.Техника сварки.

 

Рассмотрим  кратко технику термитной сварки. Термитную смесь сжигают в  специальных огнеупорных тиглях (рисунок 3). Размер тигля принимают в соответствии с величиной сжигаемой  порции термита.

Рисунок 3 - Тигель для сжигания термита

 

 

а — тигель; б — область днища тигля; 1 — корпус; 2 — футеровка; 3 — стакан; 4 — штепсель-втулка для выпуска расплава; 5 — магнезитовый песок; 6 — термит; 7 — асбестовый кружок; 8 — запорный гвоздь; 9 — стакан.

Тигель имеет  корпус 1 из листового железа с внутренней огнеупорной магнезитовой футеровкой 2. При сжигании первой порции термита футеровка несколько оплавляется и зашлаковывается окисью алюминия термитной смеси.

В зависимости  от размеров изделия, подлежащего сварке, вес термитной порции может меняться от нескольких сотен граммов до нескольких сотен килограммов. Для сварки нормального рельсового стыка профиля 1-А требуется 7—8 кг термита. Для сварки используются горячие расплавленные продукты сгорания термитной смеси. Иногда расплавленную смесь выливают на место сварки через край тигля, наклоняя его, но такой прием применяется редко. Обычно продукты сгорания выпускают через дно тигля. Для возможности выпускания через дно при набивке футеровки тигля в его донную часть вставляют стакан 3 из высококачественного обожженного огнеупорного материала, обычно магнезита. Внутрь стакана вставляют сменный магнезитовый Штепсель-втулку. Отверстие штепселя перед засыпкой термитной смеси закрывают специальным запорным гвоздем со стержнем диаметром 5—6 мм длиной около 120 мм, с плоской шляпкой диаметром около 17 мм. Поверх шляпки гвоздя кладут асбестовый кружок и сверху засыпают небольшим количеством огнеупорного магнезитового песка, который слегка утрамбовывают. После этого в тигель насыпают и тщательно перемешивают термитную смесь. Такое перемешивание необходимо ввиду возможной сепарации частиц термита при хранении.

Термит хранится на складе обычно отдельными порциями, необходимыми для данной работы, например для сварки рельсового стыка, причем каждая порция упакована в отдельный пакет или мешок.

Зажигание засыпанной в тигель термитной смеси может  производиться сварочной дугой или специальным запалом. От обычных источников тепла, например от пламени зажженной спички, термит не загорается, что делает его сравнительно безопасным в обращении и хранении. Запальные смеси загораются от пламени спички, развивают высокую температуру и зажигают термит. В состав запальной смеси для термита обычно входит бертолетова соль и тонкий порошок  (пудра)  алюминия.

После того как  термитная смесь загорелась, тигель накрывают крышкой с отверстием для выхода газов. По окончании реакции горения, через 20—30 сек после зажигания, расплавленные продукты готовы к выпуску. Для выпуска расплавленных продуктов выбивают запорный гвоздь ударом по нижнему концу ударником — железной полоской или трубкой с расплющенным концом. Горячая смесь выливается на место сварки. При выпуске через дно тигля сначала выливается металл, затем шлак; при выпуске через край тигля сначала льется шлак, затем металл.

Место сварки должно быть предварительно заформовано таким образом, чтобы осталась полость для термитного металла и шлака. Заформовка производится огнеупорными материалами в коробке из листового железа. При заформовке необходимо оставить каналы и отверстия в стенках железной формы для облегчения удаления газов.

Расплавленные продукты подводят по специальному литниковому каналу в заформовке в нижнюю часть формы, откуда они постепенно поднимаются кверху и заполняют весь объем формы. После окончания заформовки форму сушат и прокаливают, а также подогревают места сварки до красного каления (700—800° С). Прокалку и подогрев чаще всего проводят подогревательными горелками-форсунками, работающими на керосине или нефти. Просушиваются и прокаливаются не только заформовка, но и тигель вместе с крышкой перед засыпкой первой порции термитной смеси. Просушке и прокалке при термитной сварке уделяется большое внимание, так как остатки влаги в заформовке или футеровке тигля могут вызывать разбрызгивание жидкого металла и шлака.

Термитная сварка по способу выполнения имеет несколько  разновидностей:

1) сварка давлением,  или пластическая, без заметного  расплавления основного металла; 

2) сварка плавлением (способ промежуточного литья), при  которой основной металл расплавляется  по всему сечению и сплавляется с жидким присадочным металлом, осадочного давления не требуется;

3) комбинированный способ, при котором основной металл расплавляется  по всему сечению или частично и используется осадочное давление.

 

3.5.Основные элементы устройств для термитной сварки.

 

Тигель с  донным сливом (материал: магнезит, защитная футеровка, хромовая руда,кварцевый песок).

Размер тигля  зависит от поставленной задачи (следует  учитывать возможность прорыва тигля при большом объеме наплавляемого материала).

Формы для сварки: одноразового пользования (материал: кварцевый  песок, шамот); многоразового пользования (графит, серый чугун, медь для серийной сварки).

Поддерживающее  и зажимное устройства применяют  при использовании неразъемных  и составных форм для сварки.

Специальные устройства: приемник для тигля, домик для  выпуска металла, кислородный резак, полозковый термометр, горелка для  предварительного подогрева (пропан).

Инструменты: кузнечное  зубило, плоская обжимка, шлифовальный круг, проволочная щетка.

Специальный запальник  с ручным или электрическим управлением.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. Лазерная сварка.

5.1.Сущность и основные преимущества сварки лазерным лучом.

 

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

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

Основные элементы лазера - это генератор накачки  и активная среда. По активным средам различают твердотельные, газовые  и полупроводниковые лазеры. В твердотельных лазерах (рисунок 4) в качестве активной среды чаще всего применяют стержни из розового рубина - окиси алюминия А1₂О₃ с примесью ионов хрома Сг³⁺ (до 0,05 %). При облучении ионы хрома переходят в другое энергетическое состояние -возбуждаются и затем отдают запасенную энергию в виде света. На торцах рубинового стержня нанесен слой отражающего вещества (например, серебра) так, что с одного конца образовано непрозрачное, а с другого - полупрозрачное зеркало. Излучение ионов хрома, отражаясь от этих зеркал, циркулирует параллельно оптической оси стержня, возбуждая новые ионы, - идет лавинообразный процесс. Происходит бурное выделение лучистой энергии, которая излучается параллельным пучком через полупрозрачное зеркало и фокусируется линзой в месте сварки. Выходная мощность твердотельных лазеров достигает 10⁷ Вт при сечении луча менее 1 см². В фокусе достигается громадная концентрация энергии, позволяющая получать температуру до миллиона градусов.

 

Рисунок 4. Схема твердотельного лазера

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

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

 

Типичная конструкция  газового лазера - это заполненная газом трубка, ограниченная с двух сторон строго параллельными зеркалами: непрозрачным и полупрозрачным (рисунок 5). В результате электрического разряда между введенными в трубку электродами возникают быстрые электроны, которые возбуждают газовые молекулы. Возвращаясь в стабильное состояние, эти молекулы образуют кванты света так же, как и в твердотельном лазере. Газовые лазеры могут работать в непрерывном режиме. Для сварки используют твердотельные и газовые лазеры импульсного и непрерывного действия.

 

Рисунок 5. Схема газового лазера.

1 - разрядная  трубка; 2 - непрозрачное зеркало; 3 - источник питания; 4 - вакуумный насос; 5 - полупрозрачное зеркало.

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

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

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

 

5.2.Технологические особенности процесса лазерной сварки.

Лазерную сварку можно производить со сквозным и  с частичным проплавлением. Сварные  швы одинаково хорошо формируются  в любом пространственном положении. При толщине свариваемых кромок менее 0,1 мм и при сварке больших  толщин с глубоким проплавлением по-разному происходит формирование шва и различны подходы к выбору параметров режима сварки. При сварке как непрерывным, так и импульсным излучением малых толщин используют более мягкие режимы, обеспечивающие лишь расплавление металла в стыке деталей без перегрева его до температуры интенсивного испарения. Сварку сталей и других относительно малоактивных металлов можно в этом случае выполнять без дополнительной защиты зоны нагрева, что существенно упрощает технологию, тогда как сварку с глубоким проплавлением ведут с защитой шва газом, состав которого подбирают в зависимости от свариваемого материала.

Основные параметры  режима импульсной лазерной сварки - это  энергия и длительность импульсов, диаметр сфокусированного излучения, частота следования импульсов, положение фокального пятна относительно поверхности свариваемых деталей. Длительность лазерного импульса должна соответствовать тепловой постоянной времени для данного материала, приближенно определяемой по формуле:

 

τ = δ2/(4α),

где δ и α - соответственно толщина и коэффициент температуропроводности свариваемого материала.