Контрольная работа по "Металлургии"

Наибольшее промышленное применение получила конденсаторная сварка. Энергия в конденсаторах накапливается при их зарядке от источника постоянного тока (генератора или выпрямителя), а затем в процессе их разрядки преобразуется в теплоту, используемую для сварки.

При конденсаторной сварке возможна точная дозировка количества энергии, не зависящая от внешних  условий, в частности от напряжения сети; малое время протекания тока (тысячные и десятитысячные доли секунды) при высокой плотности тока, обеспечивающее небольшую зону термического влияния, позволяет сваривать материалы малых толщин (до нескольких микрометров) и разнородные материалы между собой; способ отличается невысокой потребляемой мощностью (0,2 – 2кВ А).

Существуют два способа  конденсаторной сварки: бестрансформаторная, когда конденсаторы разряжаются непосредственно на свариваемые детали, и трансформаторная, когда конденсатор разряжается на первичную обмотку сварочного трансформатора, во вторичной цепи которого между электродами помещены предварительно сжатые свариваемые заготовки.

Примером бестрансформаторной  сварки служит ударная конденсаторная сварка (рис. 19, а), когда концы обкладок конденсатора подключены непосредственно к свариваемым заготовкам 2 и 3, одна из которых жестко закреплена, а другая может перемещаться в направляющих 5. Если освободить защелку 4, удерживающую заготовку 2, то под действием пружины 1 она быстро переместится по направлению неподвижной заготовки 3 и ударится о нее. Перед соударением возникает мощный разряд за счет энергии, накопленной в конденсаторе. Этот разряд оплавляет торцы обеих заготовок, которые после соударения свариваются между собой под действием силы осадки. Бестрансформаторной сваркой можно сваривать встык проволоки и тонкие стержни разной толщины из разнородных металлов (вольфрам – никель, молибден – никель, медь – константан).

Рис. 19. Схемы конденсаторной сварки: а - бестрансформаторная; б - трансформаторная; Т1 - повышающий трансформатор; Т2 - сварочный трансформатор; С - конденсаторная батарея; В - выпрямитель; П - переключатель

 

Трансформаторная конденсаторная сварка предназначена в основном для точечной и шовной сварки, но может быть использована и для стыковой. При этом способе разряд конденсатора преобразуется с помощью сварочного трансформатора (рис. 19, б). В левом положении переключателя П конденсатор С заряжается от источника постоянного тока. В правом положении переключателя происходит разряд конденсатора на первичную обмотку сварочного трансформатора Т2. При этом во вторичной обмотке индуктируется ток большой силы, обеспечивающий сварку предварительно зажатых между электродами заготовок.

Конденсаторную сварку применяют в производстве электроизмерительных и авиационных приборов, часовых механизмов, фотоаппаратов, элементов полупроводников, электронных схем и т.п.

 

 

8. Высокочастотная сварка

Сущность высокочастотной  сварки состоит в нагреве до пластичного состояния соединяемых участков детали электрическими токами высокой частоты с последующим сжатием, приводящим к образованию соединения. Особенность нагрева токами высокой частоты состоит в использовании явления поверхностного эффекта, связанного с неравномерностью распределения тока по сечению проводника. Сущность его можно представить следующим образом. При протекании переменного электрического тока по проводнику вокруг него возникает переменное магнитное поле. Под воздействием этого поля значительно возрастает индуктивное сопротивление центральной части проводника и происходит вытеснение тока в периферийную часть (рис. 20, а). С увеличением частоты тока неравномерность его распределения увеличивается и приводит к высокой плотности тока, а следовательно, и высокой (до 80 – 95 %) концентрации тепловой энергии в поверхностном слое проводника, в данном случае – свариваемой детали.

Рис. 20. Схема нагрева  поверхности токами высокой частоты

 

Другая особенность  высокочастотного нагрева - эффект близости, возникающем в результате взаимодействия магнитных полей токов, протекающих в близко расположенных проводниках. В зависимости от направлений тока в зазоре между проводниками будет наблюдаться увеличение или уменьшение суммарной напряженности магнитного поля. Это также приводит к неравномерности распределения тока в проводниках. В случае противоположной направленности тока в заготовках (рис. 20, б) наибольшая плотность его будет в тех частях поверхности, которые обращены к другому проводнику.

Эффект близости совместно с поверхностным эффектом способствует высокой интенсивности нагрева поверхностного слоя свариваемой детали.

Токи высокой частоты  могут подводиться от внешнего источника (машинные или электронные генераторы) или возникать непосредственно  в металле заготовки вследствие наведения в них ЭДС самоиндукции в переменном магнитном поле. Вследствие большой интенсивности нагрева (8 – 150) 10 °С/с скорость сварки может достигать десятков и даже сотен метров в минуту, что значительно больше, чем при контактной, шовной или дуговой сварке.

Процесс может осуществляться в атмосфере, в защитных газах, в  вакууме, с применением флюсов и  т.п. Зона термического влияния, характеризуемая  структурными превращениями в основном металле, очень мала: 0,15 – 0,20 мм.

Высокочастотной сваркой могут свариваться стали, в том числе и высоколегированные, коррозионно-стойкие, медные и алюминиевые сплавы, высокоактивные металлы и сплавы, а также соединения из разнородных материалов толщиной 0,8 – 14 мм. По сравнению с контактной шовной высокочастотная сварка – в 3 - 4 раза менее энергоемкий процесс. Полученные соединения имеют высокую механическую прочность и отличаются стабильностью качества. Как правило, процесс высокочастотной сварки полностью автоматизируется: параметры режима – сила тока, его частота, качество контакта, точность формовки и величины зазоров, а также давление осадки, скорость подачи заготовки – отслеживаются и корректируются следящими системами.

8. Сварка трением

Сварка трением происходит в твердом состоянии при воздействии теплоты, возникающей при трении свариваемых поверхностей.

Трение поверхностей осуществляется вращением или возвратно-поступательным перемещением сжатых заготовок (рис. 21). В результате нагрева и сжатия происходит совместная пластическая деформация. Сварное соединение образуется вследствие возникновения металлических связей между чистыми контактирующими поверхностями свариваемых заготовок. Оксидные пленки на соединяемых поверхностях разрушаются в результате трения и удаляются в радиальных направлениях за счет пластической деформации.

.

Рис. 21. Схемы сварки трением: а - с вращением одной  детали; б - с вращением обеих деталей; в - с вращающейся вставкой; г - с возвратно-поступательным движением одной детали

 

Основные параметры  сварки трением: скорость относительного перемещения свариваемых поверхностей, продолжительность нагрева, сила сжатия, величина пластической деформации, т.е. осадки. Требуемый для сварки нагрев обусловлен скоростью вращения, осевой силой и временем вращения. Для получения качественного соединения в конце процесса необходимы быстрое прекращение движения и приложение осадочного сдавливания. Сваркой трением соединяют однородные и разнородные металлы и сплавы с различными свойствами, например медь со сталью, алюминий с титаном и др.

В промышленности сварку трением применяют при изготовлении режущего инструмента, различных валов, штоков с поршнями, пуансонов и  т.п. При сварке трением по сравнению  с контактной стыковой сваркой снижаются  затраты энергии (в 5 – 10 раз).

 

9. Ультразвуковая сварка

Ультразвуковая сварка относится к процессам, в которых  используют давление и взаимное трение в свариваемых поверхностях. Силы трения возникают в результате действия на заготовки, сжатые осевой силой Р, механических колебаний с ультразвуковой частотой. Для получения механических колебаний высокой частоты используют магнитострикционный эффект, основанный на изменении размеров некоторых материалов под действием переменного магнитного поля. Изменения размеров магнитострикционных материалов очень незначительны, поэтому для увеличения амплитуды S и концентрации энергии колебаний, а также для передачи механических колебаний к месту сварки используют волноводы, в большинстве случаев сужающейся формы.

При ультразвуковой сварке (рис. 22) свариваемые заготовки 5 размещают на опоре б. Наконечник 4 рабочего инструмента 3 соединен с магнитострикционным преобразователем 1 через трансформатор 2 продольных упругих колебаний, представляющих собой вместе с рабочим инструментом волновод. Нормальная сжимающая сила Р создается моментом М в узле колебаний. В результате ультразвуковых колебаний в тонких слоях контактирующих поверхностей создаются сдвиговые деформации, разрушающие поверхностные пленки. Тонкие поверхностные слои металла нагреваются, металл в этих слоях немного размягчается и под действием силы Р пластически деформируется. При сближении поверхностей на расстояние действия межатомных сил между ними возникает прочная связь. Сравнительно небольшое тепловое воздействие на свариваемые материалы обеспечивает минимальные изменения их структуры, механических и других свойств. Например, при сварке меди температура в зоне контакта не превышает 600 °С, а при сварке алюминия 200 – 300 °С. Это особенно важно при сварке химически активных металлов.

Рис. 22. Схема ультразвуковой сварки

 

Ультразвуковой сваркой можно получать точечные и шовные соединения внахлестку, а также соединения по замкнутому контуру. При сварке по контуру, например по кольцу, в волновод вставляют сменный рабочий инструмент, имеющий окончание в форме трубы.

Ультразвуковой сваркой  можно сваривать заготовки толщиной 0,001 – 1 мм, а также приваривать тонкую фольгу к массивным деталям. Ультразвук активно разрушает поверхностную пленку, что позволяет получать качественные соединения окисленных или покрытых лаком поверхностей без их предварительной очистки.

Способ позволяет получать соединения разнородных материалов, например алюминия с медью, меди со сталью и т.п. Ультразвуковую сварку применяют в приборостроении, радиоэлектронике, авиационной промышленности. Особенно широкое применение она находит при сварке пластмасс.

10. Сварка взрывом

Большинство технологических  схем сварки взрывом основано на использовании  направленного (кумулятивного) взрыва (рис. 23). Соединяемые поверхности двух заготовок 4 и 5, в частности пластин, одна из которых неподвижна и служит основанием, располагают под углом α друг к другу на расстоянии h₀. На заготовку 3 укладывают взрывчатое вещество 2 толщиной Н, а со стороны, находящейся над вершиной угла, устанавливают детонатор 1. Сваривают на жесткой опоре. Давление, возникающее при взрыве, сообщает импульс расположенной под зарядом пластине. Детонация взрывчатого вещества с выделением газов и теплоты происходит с большой скоростью (несколько тысяч метров в секунду).

В месте контакта метаемой пластины с основанием образуется угол γ, который перемещается вдоль соединяемых поверхностей. При соударении пластин, движущихся с большой скоростью, между ними образуется кумулятивная струя, которая разрушает и уносит оксидные поверхностные пленки и другие загрязнения, подготовляя тем самым поверхности для сварки. Поверхности сближаются до расстояния действия межатомных сил взаимодействия, и происходит схватывание по всей площади соединения. Продолжительность сварки взрывом не превышает нескольких микросекунд. Этого времени недостаточно для протекания диффузионных процессов, в сварных соединениях не образуются промежуточные соединения между разнородными металлами и сплавами.

Рис. 23. Схема сварки взрывом

 

Сварку взрывом с одинаковым основанием можно отнести как к способам сварки с оплавлением при кратковременном нагреве, так и к холодной сварке. При исследовании места соединения можно обнаружить как участки оплавленного металла, так и участки со структурой, характерной для холодной сварки.

Прочность соединений, выполненных  сваркой взрывом, выше прочности  соединяемых материалов. Это объясняется  упрочнением тонких слоев металла, прилегающих к соединенным поверхностям, при их пластической деформации.

Сварку взрывом используют при изготовлении заготовок для проката биметалла, плакировке поверхностей конструкционных сталей металлами и сплавами с особыми физическими и химическими свойствами, при сварке заготовок из разнородных материалов. Целесообразно сочетание сварки взрывом со штамповкой и ковкой.

11. Диффузионная сварка

При диффузионной сварке соединение образуется в результате взаимной диффузии атомов в поверхностных слоях контактирующих материалов, находящихся в твердом состоянии. Диффузионные процессы в поверхностных слоях контактирующих заготовок протекают достаточно активно при нагреве до температур рекристаллизации (0,4 Т_пл) и давления, необходимого для пластического деформирования микровыступов и их смятия с целью обеспечения физического контакта по всей поверхности.

Диффузионную сварку в большинстве случаев выполняют  в вакууме, однако она возможна в  атмосфере инертных и защитных газов. Свариваемые заготовки 3 (рис. 24) устанавливают внутри охлаждаемой металлической камеры 2, в которой создается вакуум 133(10^-3 – 10^-5) Па, и нагревают с помощью вольфрамового или молибденового нагревателя либо индуктора ТВЧ 4. Все вводы в камеру (5 – к вакуумному насосу, 6 - к высокочастотному генератору и др.) хорошо герметизируются. С целью ускорения процесса в камеру может быть введен электронный луч, позволяющий нагревать заготовки с еще более высокими скоростями, чем при использовании ТВЧ. Обычно такой нагрев применяют при диффузионной сварке тугоплавких металлов и сплавов.