Електрошлакове зварювання

При електрошлаковому зварюванні основний і присадний мета­ли розплавляються теплотою, що виділяється під час проходження електричного струму через розплавлений шлак.

Рисунок 4 - Автомат рельсового типу для електрошлакового зварювання дротовими електродами: 1 — напрямна рельс-колонна, закріплена на виробі; 2 — передній та задній повзуни; 3 — струмопровідні мундштуки с електродами; 4 — пластина для кріплення заднього повзуна; 5 -виріб; 6 — пульт керування; 7 — механізм горизонтальної подачі.

У простір між кромками вертикально встановлених деталей (рисунок 4) приставною стальною або мідною планкою і шлакоутримувальними мідними повзунами подається флюс та один чи кілька зварювальних дротів діаметром 2...3 мм. Зварювання починає­ться із збудження дуги під шаром флюсу між елек­тродними дротами і при­ставною планкою. В міру розплавлений флюсу й ут­ворення шлакової ванни зварювальні дроти зану­рюються в розплавлений шлак, і горіння дуги при­пиняється.

Проте струм продовжує протікати крізь рідкий шлак, і теплота, яка виділяється в ньому, витрачається на подальше плавлення флюсу, кромок зварюваних деталей і при­садного металу. Під час зварювання по зігнутих струмопідвідних мундшту­ках за допомогою системи подавальних роликів безперервно надходить дріт у рідкий шлак. Автомат за допомогою коліс або спеціальних електромагнітів переміщається у вертикальному напря­мі разом з повзунами. Останні, охолоджуючись проточною водою, сприяють примусовому формуванню зварного шва, що утворює­ться з ванни розплавленого металу. Трубою, встановленою трохи вище мундштуків, у зону зварювання подається флюс.

Порівняно з автоматичним дуговим зварюванням електрошла­кове має такі переваги:

- більшу продуктивність внаслідок без­перервності процесу зварювання, який виконується за один про­хід при будь-якій товщині металу,

- зменшення витрат електродного металу, тому що зварюють по зазору без обробки кромок,

- змен­шення витрат флюсу, електроенергії,

- спрощення підготовки кро­мок.

Електрошлакове зварювання широко застосовується у важкому машинобудуванні при виготовленні зварно-литих і зварно-кованих конструкцій, у виробництві товстостінних котлів високого тиску, ста­нин потужних пресів і верстатів, валів гідротурбін та ін.

5 Зварювання електронним променем у вакуумі

При зварюванні електронним променем метал нагрівають сфо­кусованим пучком електронів, які прискорюються електричним по­лем високої напруги. При падінні цього пучка на виріб близько 99 % кінетичної енергії електронів перетворюється на теплову.

Температура металу в місці нагрівання фокусною плямою пе­ревищує 6000 °С. Зварювання виконують в герметичних камерах, в яких підтримують високий вакуум порядку 133-10-⁴... 133-10-⁶ Па або здійснюють в них середовище проточного інерт­ного газу.

Джерелом випромінювання електронів є розжарений катод у вигляді вольфрамової спіралі, що живиться від низьковольтового трансформатора. Для прискорення руху електронів від розжареного катода на деякій відстані від нього знаходиться прискорювальний анод з центральним отвором. Напруга, яку одержу­ють в спеціальних трансформаторах з випрямним устаткуванням, між катодом і анодом становить від 10...35 до 150 кВ. При нагрі­ванні катода до температури 2400 °С і під дією прискорювального електричного поля високої напруги з його поверхні випромінюється потужний потік електронів. На шляху до виробу він проходить крізь фокусувальну лінзу, яка являє собою електромагнітну ко­тушку. Фокусуванням і зміною сили струму електронний промінь може бути сфокусований на площі 0,1...20 мм². Відхильною систе­мою, яка також складається з кількох електромагнітних котушок, фокусну пляму можна переміщувати по поверхні в різних на­прямах. Щоб перемістити промінь по лінії зварювання, в середині камери пересувають зварювальні деталі за допомогою електропри­вода, розміщеного поза камерою. Спостерігають за процесом зварювання крізь оглядове вікно. Електронним променем зва­рюють низько- і високолеговані сталі, тугоплавкі (вольфрам, мо­лібден, тантал), активні (уран, цирконій, берилій) і різнорідні (алюміній з міддю) метали та їхні сплави. За один прохід можна зварювати метал завтовшки 0,01...100 мм і більше. Зварні з'єднан­ня мають дуже високу якість та дзеркально гладку поверхню ме­талу шва.

6 Холодне зварювання тиском

Холодне зварювання тиском здійснюється без нагріву, тільки за рахунок зусиль стискання. Цим методом зварюють такі високо-пластичні метали, як свинець, алюміній, мідь, кадмій, срібло, ні­кель та ін. Для виготовлення міцного з'єднання перед зварюван­ням слід старанно очистити вироби від оксидів і забруднень, а також застосувати великі зусилля стискання, внаслідок чого прояв­ляться міжатомні сили зчеплення. Для холодного зварювання по­трібна дуже інтенсивна пластична деформація, яка б змушувала метал текти вздовж поверхні поділу і сприяла б видаленню по­верхневого шару адсорбованих газів. Оголені (ювенільні) поверхні під дією високого тиску з'єднуються в одне ціле.

Тепер холодне зварювання тиском застосовують переважно при з'єднанні у стик або внапусток деяких алюмінієвих і мідних про­водів, шин та ін.

7 Зварювання тертям

Способи зварювання тертям і газопресуванням належать до зва­рювання тиском і відрізняються вони лише джерелом теплоти. Для зварювання тертям використовують перетворення механіч­ної енергії в теплову, яка здійснюється взаємним переміщенням зварювальних поверхонь.

Рисунок 5 - Схема зварювання тертям

Робота сил тертя, яка перетворюється в тепло, інтенсивно нагріває поверхні, які труться. Зварювальні поверхні нагріваються до пластичного стану, після чого їх стиску­ють осьовими зусиллями. Так, у більшості випадків зварюють у стик деталі круглого перерізу, наприклад труби, стержні, деякі різальні інструменти (свердла, кінцеві фрези та ін.), які виготовлено з однорідних і різнорідних металів, а також із різних пластмас. Зварювання тертям здійснюють на спеціалізованих зварювальних машинах обертанням або зворотньо-поворотним переміщенням зва­рюваних деталей за однією із схем, наведених на рисунку 5.

8 Плазмове зварювання

Електронною плазмою називають дуже іонізований газ стовпа дуги, який складається з нейтральних атомів і молекул, іонів і елек­тронів. Щоб одержати плазмову дугу співосно стовпові дуги, яка горить між катодом і анодом, через вузький канал водоохолоджувального мідного сопла 3 спеціального плазменного пальника (рисунок 6) пропускають потік газу. При збільшенні струму стовп дуги в обмеженому стінками каналу соплі пальника розширятися не може, тому за рахунок його стиснення, а також за рахунок стис­нення газовим потоком температура стовпа дуги і ступінь іонізації газу різко підвищуються. Практично майже весь газ, який прохо­дить крізь стовп стисненої дуги, іонізується і перетворюється в плазму.

Розрізняють плазмову дугу прямої і побічної дії. Дуга 4 прямої дії (рисунок 8, а) горить між вольфрамовим електродом (катодом) 1 і виробом (анодом) 5. Температура такої дуги досягає 20 000... 30 000 °С. Дуга побічної дії (рисунок 8, б) горить між вольфрамо­вим електродом 1 і мідним соплом 3 пальника. Тиском струменя газу іонізований газовий потік видувається з сопла пальника у ви­гляді яскравого концентрованого полум'я 4. Його температура до­сягає 15 000 °С і вище.

Рисунок 6 - Схеми пальників для плазмової на плавки

Струм до вольфрамового електрода підводять крізь мундштук 2, а до корпусу пальника — близько від соп­ла. Як плазмоутворюючий газ для зварювання використовують в основному аргон. Плазмовою дугою зварюють вуглецеві і нержа­віючі сталі, тугоплавкі і кольорові метали, а також неметалеві ма­теріали завтовшки від кількох десятків мікрометрів і більше.

Питання для самоперевірки:

1. Чи є щось спільного між способами зварювання—індукційним, дифузійним і ультразвуком?

2. Яка основна різниця між зварюванням, електронним променем і пучком лазер­ного випромінювання?

3. Чим відрізняється холодне зварювання тиском від зварювання тертям?

4. На якому принципі ґрунтується контактне зварювання і які основні його види?

5. Які є види стикового зварювання і яка між ними різниця?

6. Як здійснюється точкове зварювання і які його види?

7. Як здійснюється шовне і конденсаторне зварювання і де воно застосовується?

Список використаних джерел:

1. Кондратюк С Є., Кіндрачук М. В., Степаненко В. О, Моска­ленко Ю Н Матеріалознавство та обробка металів — Київ: Вікторія, 2000.

2. Петров Г. Л., Тумарев А. С. Теория сварочных процессов.— М.: Высш. шк., 1977.—389 с.

3. Сологуб М А, Рожнецький І. О., Нікоз О. І. та ін Технологія конструкційних матеріалів. — Київ- Вища школа, 2002

СРС № 10

Тема: Різновиди електричного дугового зварювання

Мета: Оволодіти знаннями про фізичну суть, характеристики зварювальної дуги, пояснити роль електродугового зварювання в сучасному виробництві, формування потреби у набутті практичних навичок при роботі зі зварювальним обладнанням.

План

1 Суть способу зварювання під флюсом

2 Автоматичне і напівавтоматичне дугове зварювання

2.1 Будова і принцип роботи зварювальних автоматів

2.2 Напівавтоматичне дугове зварювання

3 Джерела струму для дугового зварювання

3.1 Загальні відомості

3.2 Основні вимоги щодо джерел зварювального струму

3.3 Вибір режиму ручного дугового зварювання

1 Суть способу зварювання під флюсом

Рисунок 1 - Схема під шаром флюсу

При автоматичному ду­говому зварюванні захист розплавленого металу від атмосферного повітря в зоні зварювання здійснюється за допомогою порошко­подібної речовини (флюсу), або за допомогою захисних газів. При зварюванні під флюсом до зварюваного виробу 9 (рисунок 6) по­дається голий дріт 1 і окремо флюс 3.

Зварювальна дуга 2 горить під шаром флюсу між кінцем зварювального дроту і виробом у газовому пузирі 4, що утворюється навколо стовпа дуги з парів присадного та основного металів і продуктів дисоціації складових флюсу. Розтоплена частіша флюсу 5 оточує газовий пузир і вкри­ває зварювальну ванну 6 тонким шаром шлаку, цим самим пере­шкоджаючи стиканню розплавленого присадного і основного металів з киснем і азотом повітря. Після остигання металу і шлаку останній у вигляді шлакової кірки 7 легко відділяється від наплав­леного металу. Невикористана частина флюсу відсмоктується з виробу назад у бункер за допомогою флюсовідсмоктувальних при­строїв.

Флюси для автоматичного зварювання так само, як і елек­тродні покриття, повинні забезпечувати стійке горіння дуги, по­трібний хімічний склад і механічні властивості наплавленого мета­лу, добре формування зварювального шва і легке відокремлення шлакової кірки з наплавленого металу. За способом виготовлення флюси поділяються на плавлені і неплавлені, або керамічні.

Плавлені флюси виготовляють сплавленням шихти в полуменевих або електричних печах з наступною грануляцією. До складу цих флюсів входять тільки шлакоутворюючі компоненти (SiO₂, MnO, CaF₂ тa ін.).

Неплавлені, або керамічні, флюси виготовляють з порошкопо­дібних компонентів замісом їх па рідкому склі і наступній грану­ляції і прокалюванні або спіканні. Такий спосіб виготовлення цих флюсів дає змогу добавляти до їх складу такі металеві компонен­ти, як розкислювачі і легуючі елементи.

У плавлені флюси їх не можна вводити тому, що вони осідають на дно печі і окислюються під час плавлення флюсів. Неплавлені флюси застосовують для зварювання деяких марок легованих ста­лей та одержання твердих наплавок. Але їх застосування досить обмежене.

2 Автоматичне і напівавтоматичне дугове зварювання

2.1 Будова і принцип роботи зварювальних автоматів

При авто­матичному дуговому зварюванні всі основні операції процесу (за­палювання дуги, подавання зварювального дроту до виробу, під­тримання постійної довжини дуги і переміщення дуги в напрямку зварювання) механізовані.

Схему будови зварювального автомата подано на рисунку 2. Електродвигун 6 за допомогою механічного редуктора 5 передає обертання роликам 2, які подають дріт до виробу. Зварювальний дріт 3 подавальні ролики змотують з мотка чи бухти, розміщеної на барабані або в касеті 4, і спрямовують крізь струмопідвідний мундштук 1 у зону зварювання.

Залежно від принципу підтримання постійної довжини дуги, яка змінюється в процесі зварювання в зв'язку з нерівностями поверхні зварюваного металу, нестабільністю напруги в мережі, пробуксо­вуванням дроту в подавальних роликах тощо, зварювальні авто­мати поділяють на два тиші: з автоматичним регулюванням і з саморегулюванням довжини дуги. В автоматах першого типу швид­кість подачі дроту пропорційна напрузі

Рисунок 3 - Зварювальний автомат для дугового зварювання: 1 — флюсовідсмоктувач; 2 — зварювальна головка; 3 — механізм подачі з редуктором; 4 — механізм підйому; 5 — ходовий механізм; 6 — флюсоаппарат; 7 — рейкова колія; 8 — подаючий ролик; 9 — мундштук; 10 — воронка для флюсу.

на дузі. При раптовій зміні довжини дуги змінюється швидкість подачі дроту і порушена рів­новага відновлюється. Таким чином, автомати цього типу мають перемінну швидкість подачі дроту при зварюванні. В зв'язку з тим, що ці автомати мають відносно складну електричну схему, застосу­вання їх обмежене. Найпростішими і найпоширенішими є автома­ти, побудовані за принципом саморегулювання довжини дуги, які мають постійну швидкість подачі дроту.

Рисунок 2 - Схеми будови зварю­вального автомата

2.2 Напівавтоматичне дугове зварювання

В середині шланга вмонто­вано стальну дротяну спіраль, мідний гнучкий провід і два провід­ники, які з’єднують пускову кнопку на тримачі, що знаходиться на кінці шланга з магнітним пускачем. Останній призначений для одночасного вмикання електродвигуна механізму подачі і джерела зварювального струму. Зварювання здійснюється під флюсом, який подається в дугу з воронки, закріпленої на кінці тримача чи в стру­мені захисного газу. Дугу переміщують вручну.

3 Джерела струму для дугового зварювання

3.1 Загальні відомості

Устаткування робочого місця зварювальника. Робоче місце зварювальника може бути як стаціонарним, так і мобільним. Але в будь-якому випадку в зварювальника повинні бути в наявності (рисунок 4): джерело електроживлення, зварювальний трансформатор, зварювальні дроти, електродотримач, захисний щиток для особи, щільний (брезентова) захисний одяг, огороджувальні щити, засоби пожежегасіння, необхідні інструменти, азбестовий лист для настилання в місці зварювання.

Рисунок 4 - Робоче місце зварювальника (дугове зварювання). 1 — джерело електроживлення; 2 — кабелі; 3 — електродотримач; 4— шухляда для електродів; 5— стіл; 6— шухляда для інструментів; 7— витяжна вентиляція; 8— протипожежний інвентар.

Для дугового зварювання застосовують як постійний, так і змінний струм. Джерелами постійного струму є зварювальні генератори постійного струму і зварювальні випрям­лячі—селенові, германієві і кремнієві. Генератори постійного струму виготовляють стаціонарними і пересувними з приводом від електродвигуна і від двигуна внутрішнього згоряння.

При зварюванні змінним струмом використовують переважно зварювальні трансформатори, які поширені значно більше, ніж дже­рела постійного струму. Зварювальні трансформатори простіші у виготовленні і в експлуатації, мають невелику вагу і меншу вар­тість, більш високий ККД і значно довговічніші.

Джерела постійного струму для дугового зварювання виготов­ляють однопостовими і багатопостовими, а джерела змінного стру­му — лише однопостовими.

3.2 Основні вимоги щодо джерел зварювального струму

Джере­ла зварювального струму повинні забезпечувати легке запалюван­ня і стійке горіння дуги, обмежувати струм короткого замикання і бути безпечними в роботі. В зв'язку з тим що у момент запалю­вання дуги, коли електрод, зварюваний виріб і повітряний промі­жок між ними ще не досить нагріті, для іонізації повітряного проміжку потрібна більша кінетична енергія електронів, а отже, і у більш висока напруга ніж при горінні дуги. Напруга, що потрібна для запалювання дуги, яку називають напругою холостого ходу джерела зварювального струму, повинна бути не нижчою за 30...35 В для джерел постійного струму і не меншою за 50...55 В для джерел змінного струму. З міркувань безпеки вона не повинна пе­ревищувати 80 В. Для джерел постійного і змінного струму вона становить близько 60...80 В. Для стійкого горіння відкритої дуги в більшості випадків досить напруги 18...30 В.

Під час коротких замикань електрода з виробом, які відбува­ються в моменти запалювання дуги і перенесення електродних крапель через дуговий проміжок (до 30...40 замикань/с) при зва­рюванні плавким електродом, опір зварювального кола спадає майже до нуля, а зварювальний струм навіть при незначній напрузі дуже зростає. Для обмеження струму короткого замикання тре­ба, щоб із збільшенням струму навантаження напруга на затиска­чах джерела струму знижувалась, тобто, щоб джерела струму мали так звану спадну зовнішню характеристику

Важливе значення для джерел струму має час відновлення на­пруги від моменту короткого замикання, коли вона майже дорівнює нулю, до значення 18...20 В, коли відбувається запалювання дуги. Цей час не повинен бути більшим ніж 0,05 с.

Зварювальний трансформатор знижує високу напругу мере­жі (220 або 380 В) до напруги холостого ходу трансформатора (60...80 В). Крім того, трансформатор створює на дузі спадну зов­нішню характеристику. Для цього послідовно з дугою і вторинною обмоткою трансформатора вмикають так звану дросельну, тобто реактивну обмотку, або використовують трансформатори із збіль­шенням магнітних потоків розсіяння. Під час проходження зварю­вального струму у витках дросельної обмотки індукується ЕРС (електрорушійна сила) самоіндукції, яка має напрям, протилеж­ний напряму основної ЕРС трансформатора. Тому напруга, під­ведена до дуги, знижується від значення холостого ходу до 18...30 В під час горіння дуги і майже до нуля при короткому зами­канні.

На рисунку 5 представлений зварювальний трансформатор ТСК-500. Первинна обмотка його нерухома, а вторинна пересувається по сердечнику. Переміщенням вторинної обмотки регулюється зварювальним струмом. У нижній частині сердечника 4 знаходиться первинна обмотка 2, що складається з двох котушок, розташованих на двох стрижнях магнітодроту. Котушки первинної обмотки закріплені нерухомо.

Рисунок 5 - Зварювальний трансформатор ТСК-500

Вторинна обмотка 3, що також складається з двох котушок, розташована на значній відстані від первинної. Котушки як первинної, так і вторинної обмоток з'єднані паралельно. Вторинна обмотка, жорстко з'єднана з плитою, переміщається по сердечнику за допомогою гвинта 6, з яким вона зв'язана, і рукоятки 5, що знаходиться на кришці кожуха трансформатора.

Зварювальний струм регулюють зміною відстані між первинною і вторинною обмотками. При обертанні рукоятки 5 по годинниковій стрілці вторинна обмотка наближається до первинного, магнітний потік розсіювання й індуктивний опір зменшуються, зварювальний струм зростає. При обертанні рукоятки проти годинникової стрілки вторинна обмотка віддаляється від первинної, індуктивний опір і магнітний потік розсіювання ростуть і зварювальний струм зменшується. Тік із вторинної обмотки надходить на вихід 7.

Межі регулювання зварювального струму 165—650 А.

Для підвищення коефіцієнта потужності зварювальний трансформатор ТСК-500 має в первинному ланцюзі конденсатор великої потужності.

Однопостові зварювальні генератори постійного струму ма­ють спадну зовнішню характеристику, яка утворюється безпосеред­ньо в самому генераторі. Це досягається розмагнічуванням основ­ного потоку генератора магнітним потоком послідовної обмотки збудження або магнітним потоком обмоток якоря (реакцією якоря).

Зварювальні випрямлячі складають із напівпровідникових елементів—вентилів. Напівпровідниковий вентиль добре прово­дить струм тільки в одному напрямі. Для зварювальних випрям­лячів в основному використовують селенові вентилі на алюмініє­вій основі. Тепер розроблені і випускаються германієві і кремнієві випрямлячі, які краще від селенових за технічними даними.

Випрямні установки складаються з трансформатора і напів­провідникового випрямляча. Всі випрямлячі мають високий ККД і невеликі розміри, дають змогу плавно регулювати струм і забез­печують стійке горіння дуги.

3.3 Вибір режиму ручного дугового зварювання

Під режимом зварювання розуміють групу показників, що визначають характер протікання процесу зварювання. Ці показники впливають на кількість теплоти, що вводиться у виріб при зварюванні. До основних показників режиму зварювання відносяться: діаметр чи електрода зварювального дроту, зварювальний струм, напруга на дузі і швидкість зварювання. Додаткові показники режиму зварювання: рід і полярність струму, тип і марка покритого електрода, кут нахилу електрода, температура попереднього нагрівання металу.

Вибір режиму ручного дугового зварювання, часто зводиться до визначення діаметра електрода і зварювального струму. Швидкість зварювання і напруга на дузі встановлюються самим зварником у залежності від виду (типу) звареного з'єднання, марки сталі й електрода, положення шва в просторі і т.д.

Діаметр електрода вибирається в залежності від товщини металу, що зварюється, типу звареного з'єднання, типу шва й ін. При зварюванні в стик аркушів товщиною до 4 мм у нижнім положенні діаметр електрода береться рівним товщині сталі, що зварюється. При зварюванні стали більшої товщини застосовують електроди діаметром 4 — 6 мм за умови забезпечення повної можливості провару металу деталей, що з'єднуються, і правильного формування шва. Застосування електродів діаметром більш 6 мм обмежується унаслідок великої маси електрода й електроду тримача. Крім того, міцність зварених з'єднань, виконаних електродами великих діаметрів, знижується внаслідок можливого непровару в корені шва і великої стовпчастої макроструктури металу шва.

У багатошарових стикових і кутових швах перший чи шар прохід виконується електродом діаметром 2 — 4 мм; наступні шари і проходи виконуються електродом більшого діаметра в залежності від товщини металу і форми скосу крайок.

У багатошарових швах зварювання першого шару електродом малого діаметра рекомендується для кращого провару кореня шва. Це відноситься як до стикових, так і кутовим швам.

Зварювання у вертикальному положенні виконуються звичайно електродами діаметром не більш 4 мм, рідше 5 мм; електроди діаметром 6 мм можуть застосовуватися тільки зварниками високої кваліфікації.

Стельові шви, як правило, виконуються електродами не більше 4 мм.

Тік вибирають у залежності від діаметра електрода. Для вибору струму можна користатися залежністю: І = Кd, де К= 35 - 60 А/мм; d — діаметр електрода, мм. Відносно малий зварювальний струм веде до нестійкого горіння дуги, непровару і малій продуктивності. Надмірно великий струм веде до сильного нагрівання електрода при зварюванні, збільшенню швидкості плавлення електрода і непровару, підвищеному розбризкуванню електродного матеріалу і погіршенню формування шва.

При зварюванні з вертикальними і горизонтальними швами струм повинен бути зменшений проти прийнятого для зварювання в нижньому положенні приблизно на 5 — 10%, а для стельових — на 10 — 15%, для того щоб рідкий метал не випливав зі зварювальної ванни.

Числовими коефіцієнтами форми й опуклості шва задаються при проектуванні зварених виробів. Наприклад, коефіцієнт форми провару при ручному дуговому зварюванні може бути прийнятий від 1 до 20.

Зменшення діаметра електрода при постійному зварювальному струмі підвищує щільність струму в електроді і глибину провару. Зі зменшенням діаметра електрода ширина шва зменшується внаслідок зменшення катодної й анодної плям. Зі зміною струму міняється глибина провару. Під впливом тиску дуги, що збільшується зі зростанням струму, розплавлений метал витісняється з-під підстави дуги, що може привести до наскрізного проплавленню.

Підвищення напруги дуги за рахунок збільшення її довжини приводить до зниження зварювального струму (при ручному зварюванні) і глибини провару. Ширина шва при цьому підвищується незалежно від полярності зварювання. Зі збільшенням швидкості ручного зварювання глибина провару і ширина шва знижуються.

Питання для самоперевірки

1. У чому фізична суть електродугового зварювання і як класифікуються його способи?

2. Які основні властивості зварювальної дуги та джерел її живлення?

3. Як досягається спад зовнішньої характеристики в джерелах змінного та постійного струму для дугового зварювання?

4. Для чого призначені електродні покриття і які їх складові елементи?

5. Як забезпечується регулювання постійної довжини дуги в зварювальних автоматах і яким чином при автоматичному зварюванні створюється захист розплав­леного металу?

6. У чому суть електрошлакового зварювання і які галузі його застосування?

7. Які є види зварювання в захисних газах і для чого воно призначене?

Список використаних джерел:

1. Никифоров В.М. Технология металлов и конструкционные материалы. -Л.: Машиностроение 1987 г.-363с., ил.

2. Технология металлов и материаловедение. Кнорозов Б. В., Усова Л. Ф., Третьяков А. В. И др. - М.: Металлургия, 1987 г. - 800 с., ил

3. Хільчевський Б. В., Кондратюк С. Є., Степаненко В. О. Матеріалознавство і технологія конструкційних матеріалів. Навч. посібник. – К.: Либідь, 2002. -328 с.

СРС № 11

Тема: Нанесення покриття на деталі машин газотермічними методами

Мета: ознайомити студентів з технологією процесу гагазотермічного нанесення покриття, його класифікацією, сформувати активність, виробити навички самостійного вибору правильного варіанта використання різних способів відновлення та ремонту деталей машин.

План

1 Загальна характеристика процесу гагазотермічного нанесення покриття

2 Вплив технологічних параметрів на ефективність процесу напилення

3 Методи газотермічного напилення та їх класифікація

4 Параметри, що характеризують умови напилення та їхній взаємозв’язок

5 Основні особливості електродугової металізації

6 Технологія детонаційного нанесення метало карбідного покриття на деталі машин

1 Загальна характеристика процесу гагазотермічного нанесення покриття

Для відновлення і зміцнення робочої поверхні деталей, працюючих в умовах знакозмінних температурних навантаженнях ефективно використовуються технології нанесення захисних покрить. У загальній класифікації покриттів, що нараховує більш 120 різних технологій, особливе місце займає група газотермічних покриттів. Це покриття на основі металевих, керамічних матеріалів, карбідів вольфраму, хрому й ін. товщиною в сотні і тисячі мкм. Нанесенням їх на підкладку, наприклад з сталі 45, удається наблизити міцність, зносостійкість, корозійну стійкість та інші експлуатаційні показники робочої поверхні до характеристик керамічних матеріалів і твердих сплавів.

Під відновленням деталей газотермічним напиленням розуміють процес нанесення покриття розпилення нагрітого до рідкого стану диспергованого (порошкоподібного) матеріалу газовою струєю. Перед напиленням відновлювана поверхня підготавлюється. Частинки розпиленого металу досягають поверхні в пластичному стані та мають велику швидкість польоту. При контакті з поверхнею деталі вони деформуються і, заходячи в її нерівності, утворюють покриття. Зчеплення покриття з поверхнею деталі носить в основному механічний характер і лише в окремих локальних точках можна спостерігати місця зварки.

Нанесення і утворення зносостійкого покриття на деталях машин має ряд безперечних переваг:

- незначний нагрів (до 250 К) деталі;

- висока продуктивність процесу,

- можливість регулювання в широкому діапазоні (0,1-10 мм) товщини нанесеного покриття;

- простота технологічного процесу та обладнаня;

- широкий діапазон матеріалів, котрі використовуються для отримання покриття з антифрикційними властивостями.

Розглядуваний спосіб дозволяє не лише придати деталям необхідні форми та розміри, але й змінити в широких межах поверхневі властивості покриття. В результаті більшість деталей з дорогостоящих та дефіцитних металів і сплавів мохна замінити деталями з більш дешевих матеріалів. Напилення на робочі поверхні спеціальних матеріалів з необхідними фізико-механічними властивостями забезпечує більш низьку собівартість вілновлення та зміцнення деталей, а показники їх надійності та довговічності не поступаються відповідним показникам деталей, виготовленими цілком з дорогого матеріалу.

2 Вплив технологічних параметрів на ефективність процесу напилення

Газотермічне напилення покриттів характеризується багатьма технологічними параметрами, що впливають на ефективність процесу. Найбільш доцільно озглядати вплив параметрів при їх розділенні на наступні групи:

- конструктивні параметри розпилюючих пристроїв;

- параметри, що характеризують режим роботи розпилювача;

- параметри, що пов’язані з напилюваним матеріалом;

- параметри, що характеризують умови напилення покриття;

- параметри потоку при напиленні покриття.

Під ефективністю технологічного процесу напилення слід розуміти, в першу чергу, якість покриття, коефіцієнт використання розпиленого матеріалу і енергії, яка підвдиться, аткож продуктивність.

Якість покриття характеризується багатьма показниками. Найбільш важливими є міцнісні показники- адгезійна () та когезійна міцність ().

Ці показники, в основному, визначають надійність напилених покриттів. При оцінці якості все більшу уваги приділяють густині покриття () та повязаною з нею щильністю (П).

В критерії якості входять також шорсткість поверхні покриття (),рівномірність по товщині (), однорідність складу мікро- та макроструктури.

3 Методи газотермічного напилення та їх класифікація

В методах і технологіях газотермічного напилення є багато спільного. При малому числі методів зустрічається велика кількість їх різновидів, що називаються способами газотермічного напилення покриттів.

В основу класифікації покладені різні ознаки.

Вид енергії. Розрізняють методи з використанням електричної енергії (газоелектричні методи) і методи, в яких теплова енергія утворюється зарахунок згорання паливних газів (газополуменеві методи).

Вид джерела теплоти. Для нагріву розпиленого матеріалу використовують дугу, плазму, високочастотні індукційні джерела та газове полумя. Відповідно до цього встановлені назви методів напилення:

- електродугова металізація;

- полуменеве напилення;

- високочастотна металізація;

- газополуменеве напилення;

- детонаційно-газове напилення.

Вид розпиленого матеріалу. Застосовують порошкові, дротові (стрижневі) та комбіновані. При комбінованих способах застосовують порошковий дріт.

Вид захисту. Відомі способи напилення без захисту процесу, з місцевим захистом і з загальним захистом в герметичних камерах. При загальному захисті розрізняють ведення процесу при нормальному (атмосферному тиску), підвищеному та при розрідженні (при низькому вакуумі).

Періодичність потоку. Більшість методів напилення здійснюється безперервним потоком. Для деяких методів можливе лише циклічне ведення процесу.

У таблиці 1 приведені деякі порівняльні характеристики різних технологій нанесення покриття, які дозволяють оцінити ефективність, продуктивність і доцільність використання кожного з них.

Таблиця 1 - Характеристика термічних технологій нанесення покриття

Види методів термічного нанесення покриттів
	Газополуменеве	Електродугове	Плазмове	Детонаційне
Енергоносій	Пальний газ і кисень	Електрика	Електрика	Пальний газ і кисень
Швидкість частинок покриття,м/с	50..200		350..450	1200..1500
Форма сировини	Порошок, дріт	Дріт	Порошок	Порошок
Матеріал покриття	металокарбіди	Карбіди хрому, молібдену і т. д.	Кераміка, метали	Кераміка, карбіди і метали в будь-якому сполученні

На рисунку 1 показано блок-схему технологічного процесу відновлення деталей газотермічними методами. Основні технологічні операції, показані на блок-схемі:

- очищення: після розбирання деталь поступає в очисний відділ, де її очищають від різних забруднень. В якості миючих засобів застосовують синтетичні миючі засоби типу лабомід та МС. Ці розчини не викликають корозії чорних металів;

- механічна обробка деталей: для усунеея дефектів, що утворилися в процесі експлуатації чи надання правильної геометричної форми зношеним поверхням деталі механічній обробці, в тому числі спеціальній (нарізання рваної різі, фрезованих канавок, насічку поверхонь, накатка профіля роликами тощо);

- обезжирювання: перед абразивною обробкою поверхні, на яку належить нанести газотермічне покриття, обезжирюють органічними розчинниками;

- дробоструменева обробка: така обробка призначена для активізації та придання шорсткості відновлюваним поверхням деталі. Дробоструменеву обробку виконують притискові повітря 0,5-0,7 Мпа. В якості абразивного матеріалу використовують чавунний дріб;

- сушіння матеріалу: перед використанням композиційні порошкові матеріали необхідно просушувати в електричній шафі;

- напилення: в процесі напилення металогазовий струмінь повинен бути стійким, без пульсацій. Витрата порошку і транспортуючого газу регулюють в необхідних межах. Необхідну товщину покриття отримують багаторазовим повтореннямоперацій напилення. Після напилення виоб знімають з пристосувння, не допускаючи пошкодження покриття;

- механічна обробка: кінцева механічна обробка деталей здійснюється абразивним інструментом;

Рисунок 1 - Схема технологічного процесу відновлення деталей газотермічними методами

- контроль якості покриття: вироби з покриттям контролюють по зовнішньому вигляду, товщині, геометричним розмірам. Контроль по зовнішньому вигляду здійснюється для виявлення зовнішеіх дефектів: сколів, відшарувань і т.д.

4 Параметри, що характеризують умови напилення та їхній взаємозв’язок

Найбільш головними параметрами цієї групи є:

- дистанція напилення (L );

- кут напилення ();

- температура виробу в процесі нанесення покриття;

- форма та розміри покриття;

- швидкість переміщення плями напилення;

5 Основні особливості електродугової металізації

При дуговій металізації утворення потоку напилених частинок відбувається за рахунок плавлення розпиленого матеріалу високоамперною дугою та його диспергування швидкісним потоком газу. Горіння дуги відбувається в специфічних умовах. Площа активних плям на електродах обмежена невеликими діаметрами використаних для розпилення дротів. Горіння дуги відбувається в умовах впливу потужного потоку газу. Це спричиняє стиск (контрагування) стовпа дуги. Другою особливістю горіння дуги є непостійність її довжини. Принципово можливі дві схеми горіння дуги: без короткого замикання і з періодичними короткими замиканнями. При живленні дуги змінним струмом уникнути коротких замикань не можливо. Застосування джерел постійного струму дає можливість ведення процесу як з коротким замиканням, так і без нього. Однак і в цьому випадку в горінні дуги просліджується циклічність.

Дуга, знаходячись під впливом електродинамічних та газодинамічних сил, рухається в міжелектродному просторі. Досить чітко просліджуються два етапи в циклі горіння. Перший етап пов’язаний із збудженням і розвитком початкової стадії горіння дуги. На другому етапі відбувається винос дуги за межі оплавлених торців електродів (зависання дуги).

Розглянемо деякі головні конструктивні параметри, що впливають на процес металізації. Досить важливими є діаметр електродного дроту та швидкість його подачі. Звичайно підбирають в межах 1,0-3,5 мм і більше.

Необхідно враховувати, що із збільшенням діаметру дроту збільшується турбулізація розпиленого струменю. Коефіцієнт турбулізації а може бути визначений з залежності:

,

де - коефіцієнт турбулізації при вільному випромінюванні струменя в соплі.

В момент диспергування розпиленого металу утворені частинки знаходяться в рідкому стані. Їх орієнтовний розмір може бути розрахований з рівняння:

,

де - продуктивність ропилення;

- густина розпиленого метеріалу;

- коефіцієнт, що враховує безперервність горіння дуги;

Рисунок 2 - Ручний електродуговий металізатор ЭМ14-М

- константа, що залежить від властивостей розпиленого матеріалу;

- константа, що залежить від, радіуса і форми сопла.

На даному етапі існує багато різновидів електродугових металізаторів. Найширше застосування знайшли металізатори типу ЕМ-14 - для ручної металізації та апарати типу ЕМ-12 (стаціонарні) - для металізації на верстатах.

Наведемо основні технологічні параметри роботи даного металізатора в таблиці 1

Таблиця 1 - Основні параметри роботи електродугового металізатора ЭМ14-М

Параметр	ЭМ14-М
Номінальна продуктивність по розпиленому матеріалу, кг/год	Цинк: 40 Алюминий: 12,5
Діаметр розпиленого дроту, мм	Цинк: 1,5-2,5 Алюминий: 1,5
Рабочий струм дуги, А	50-400
Рабоча напруга дуги, В	17-40
Рабочий тиск стиснутого повітря, МПа	0,5-0,6
Габаритні розміри, мм	230x220x133
Маса, кг	2,3

6 Технологія детонаційного нанесення метало карбідного покриття на деталі машин

Детонаційне нанесення покриття (ДНП) - прогресивна технологія, що має велике майбутнє в багатьох галузях промисловості. Основний розвиток вона одержала в США й у колишньому СРСР. Мету, що ставили перед собою розроблювачі - одержання технології "холодного" нанесення (від 10 мкм до одиниць міліметрів) твердих, жароміцних, корозійностійких і зносостійких покрить на поверхню самих різних виробів. Для досягнення цієї мети був розроблений автоматичний детонаційний комплекс (АДК).

Рисунок 3 – Автоматичний детонаційний комплекс

Детонаційні покриття (ДП) практично застосовні у всіх галузях промислового виробництва, де необхідно підвищити надійність і ресурс вузлів і механізмів машин, використовуючи при цьому традиційні, звичайно застосовувані конструкційні матеріали.

Процес ДНП є прогресивним методом нанесення захисних покрить у порівнянні із широко застосовуваним плазмовим методом.

Крім того, даний метод і устаткування - практично єдині, за допомогою яких можна наносити тверді сплави на основі карбідів: вольфраму, титана, хрому. При цьому властивості покрить мало відрізняються від властивостей аналогічних твердих сплавів, отриманих методами спікання.

Процес ДНП можна представити в такий спосіб. Закритий з однієї сторони стовбур детонаційної установки заповнюють вибуховою газовою сумішшю. Потім у нього впорскують порцію напиленого матеріалу. У дулового зрізу стовбура розташовують підкладку. Після цього ініціюють вибух газової суміші, наприклад електричним розрядом. При цьому виникаючий високотемпературний газовий потік продуктів детонації з великою швидкістю виходить із стовбура, викликаючи нагрівання та прискорення часток порошку напиленого матеріалу. Унаслідок термічної й ударної взаємодії часток з підкладкою, відбувається закріплення на ній основної маси порошку, тобто формується шар детонаційного покриття.

Детонація являє собою процес хімічного перетворення вибухової речовини при поширенні по ньому зони горіння у виді детонаційної хвилі. Остання рухається з максимально можливої для даних умов швидкістю, що перевищує швидкість звуку в даній речовині. Для ацетилено-кисневих сумішей швидкість детонації лежить у межах

Рисунок 4 - Нанесення детонаційного покриття на колінчатий вал

2000-3000м/с.

Виділення тепла, яким супроводжується хімічна реакція, викликає нагрівання до 3000-3500°С и розширення газоподібних продуктів детонації, внаслідок чого вони під великим тиском (до 200 МПа) минають зі стовбура.

Особливістю процесів, що протікають при детонаційному напилюванні покрить, є їх надзвичайно мала тривалість. Так, детонація вибухової суміші, що заповнює стовбур, завершується приблизно через 0,5 мс після її ініціювання; тривалість динамічного і теплового впливу газового потоку на порошок звичайно не перевищує 3 мс; час ударної деформації часток напиленого матеріалу в момент формування покриття не перевищує 0,1 мкс.

ДНП дає можливість одержати міцність зчеплення покриття з матеріалом основи, що наближається до міцності основного металу, що властиво лише даному методові. Характеристики покрить приведені нижче в таблиці.

Детонаційний метод дозволяє використовувати для нанесення покрить різноманітні матеріали: метали і сплави, тугоплавкі з'єднання, окисли, композиційні матеріали. Ці матеріали застосовуються винятково у виді порошків з розміром часток 2-150 мкм. Характеристики покрить і порошків, застосовуваних для ДП, приведені в таблиці нижче.

Питання для самоперевірки

1. Які види газо термічного нанесення покриття вам відомі?

2. В чому полягає сутність детонаційного нанесення покриття?

3. Які переваги газо термічних покриттів?

4. В чому полягає сутність електродугового нанесення покриття?

5. Які матеріали використовують при газо термічному нанесенні покриття?

6. Пояснити послідовність технологічного процесу відновлення деталей газотермічними методами?

Список використаних джерел:

1. Восстановление изношенных деталей тонкостенными покрытиями / Н. В. Власенко, М. И. Черновол, В. Я. Чабанный, В. Е. Мороз.- К.:Выща шк., 1988.- 63 с.

2. Самсонов Г. В., Тугоплавкие покрытия.- М.: Металлургия, 1973.- 400 с.

3. Структура и свойства композиционных материалов / К.И. Портной, С. Е. Салибеков, И. Л. Светлов, В. М. Чубаров.- М.: Машиностроение, 1979.- 255 с.

4. Хазов Б. Ф., Дидусев Б. А. Справочник по расчету надежности машин на стадии проектирования.- М.: Машиностроение, 1986.- 224 с.

СРС № 12

Тема: Зварювання кольорових металів та їх сплавів

Мета: сформувати знання організації, принципу проведення процесу зварювання кольорових металів та їх сплавів, потребу до набуття знань шляхом власної розумової діяльності

План

1 Зварювання міді та її сплавів

1.1 Зварюваність міді

1.2 Зварювання латуні