Обработка металлов

СОДЕРЖАНИЕ 

ВВЕДЕНИЕ …………………………………………………………….…...3

1. Общие сведения об обработке металлов давлением ………….…….….4

2. Понятие о сварке металлов ………………………………………….…...7

3. Основные виды сварки ………………………………………………..….9

4. Достоинства и недостатки процесса сварки

(приведены некоторые  виды) ………………………………………….…..13

5. Техника безопасности при пайке металлов ……………………….…..18

ЗАКЛЮЧЕНИЕ  …………………………………………………….……..22

СПИСОК  ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ ……………….….23 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     ВВЕДЕНИЕ 

     Использование металлов человеком началось в глубокой древности (более пяти тысячелетий  до н.э.). Вначале находили применение цветные металлы (медь, сплавы меди, золото, серебро, олово, свинец и др.), позднее начали применять черные - железо и сплавы на его основе.

     Длительное  время производство металлов носило примитивный характер и по объему было весьма незначительным. Однако в конце XIX в. мировая выплавка стали резко возросла с 0,5 млн. т в 1870 г. до 28 млн. т в 1900 г. Еще в большем объеме растет металлургическая промышленность в XX столетии.

     Способность металлов принимать значительную пластическую деформацию в горячем и холодном состоянии широко используется в  технике. При этом изменение формы  тела осуществляется преимущественно  с помощью давящего на металл инструмента. Поэтому полученное изделие таким  способом называют обработкой металлов давлением или пластической обработкой.

     Обработка металлов давлением представляет собой  важный технологический процесс  металлургического производства. При  этом обеспечивается не только придание слитку или заготовке необходимой  формы и размеров, но совместно  с другими видами обработки существенно  улучшаются механические и другие свойства металлов. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ  ОБ ОБРАБОТКЕ МЕТАЛЛОВ  ДАВЛЕНИЕМ 

     В основе процессов обработки металлов давлением лежит способность  металлов и сплавов к пластической деформации. Обработке давлением  подвергают металлы и сплавы, обладающие пластичностью. В результате давления изменяется форма, размеры, структура  и механические свойства.

     В металлообрабатывающей промышленности обработка давлением является одним  из основных способов производства. В  сочетании с термической обработкой обработка давлением обеспечивает самые высокие механические свойства металлов.

     Основными процессами обработки металлов давлением  являются: проката, прессование, свободная  ковка, объемная штамповка.

     Теоретические основы обработки металлов давлением  были впервые разработаны русским  ученым Д. К. Черновым. Большой вклад  также внесли работы Н. С. Курнакова, В. В. Соколовского, С. Н. Губкина, А. Н. Целикова, А. П. Чекмарева, Н. М. Павлова и др.

     Обработка металлов давлением - технологический процесс получения заготовок или деталей в результате силового воздействия инструмента на обрабатываемый материал.

     Основными видами обработки металлов давлением  являются: прокатка, прессование, волочение, ковка и штамповка.

     Обработка давлением заключается в пластическом деформировании или разделении материала  заготовки без снятия стружки, а  также может улучшать качество и  механические свойства металла. При  обработке давлением многих металлов и сплавов сначала производится горячая обработка, позволяющая  использовать повышенную пластичность нагретого материала, а затем  следует окончательная обработка  в холодном состоянии, обеспечивающая высокое качество поверхности и  точные размеры.

     Если  обработка металлов давлением выполняется  при температуре ниже температуры  рекристаллизации, то такая обработка  называется холодной. Если обработка металлов давлением происходит при нагреве металлического тела выше температуры рекристаллизации, то она называется горячей.

     Так как пластичность металлов и сплавов  неодинакова, то одни из них обрабатываются в холодном, а другие в горячем  состоянии. Например, свинец, олово, алюминий, медь, цинк и некоторые другие металлы, обладая высокой пластичностью, обрабатываются без предварительного нагрева. Что касается стали, то для  повышения пластичности ее предварительно нагревают до определенной температуры. . В качестве заготовок используют слитки из стали и цветных сплавов, а также сортовой и листовой прокат.

     Это весьма экономичный и прогрессивный  технологический процесс. Нет другого  такого технологического процесса, где  бы отходы металла были так незначительны, как при обработке давлением. Они не превышают (за исключением  свободной ковки) 20 ... 25% от массы  получаемого изделия, а при холодной штамповке и того меньше 5 ... 10%. Обработка  металлов давлением обеспечивает высокую  производительность труда в сравнении  с другими видами обработки.

     Процесс обработки давлением преследует две основные цели: получение изделий  сложной конфигурации из заготовок  простейших форм; улучшение структуры  и физико-механических свойств металлов и сплавов. Обработке давлением  поддаются только ковкие материалы, обладающие определенной пластичностью. Хрупкие металлы и сплавы (чугун, марганец, твердые сплавы и др.) давлением  не обрабатываются.

     Процессы  обработки металлов давлением по назначению подразделяют на два вида:

     1) для получения заготовок постоянного  поперечного сечения по длине  (прутков, проволоки, лент, листов), применяемых в строительных конструкциях  или в качестве заготовок для  последующего изготовления из  них деталей - только обработкой резанием или с использованием предварительного пластического формоизменения, основными разновидностями таких процессов являются прокатка, прессование и волочение;

     2) для получения деталей или  заготовок (полуфабрикатов), имеющих  приближённо формы и размеры  готовых деталей и требующих  обработки резанием лишь для  придания им окончательных размеров  и получения поверхности заданного  качества; основными разновидностями  таких процессов являются ковка  и штамповка.

     Основными схемами деформирования объемной заготовки  являются:

     – сжатие между плоскостями инструмента  – ковка;

     – ротационное обжатие вращающимися валками – прокатка;

     – затекание металла в полость  инструмента – штамповка;

     – выдавливание металла из полости  инструмента – прессование;

     – вытягивание металла из полости  инструмента – волочение.

     Характер  пластической деформации зависит от соотношения процессов упрочнения и разупрочнения.

     Обработка металлов давлением осуществляется воздействием на заготовку внешних  сил. Источником деформирующей силы может быть мускульная энергия человека (при ручной ковке, выколотке) или  энергия, создаваемая в специальных  машинах - прокатных и волочильных  станах, прессах, молотах и другие. Деформирующие силы могут создаваться  также действием ударной волны  на заготовку, например при взрывной штамповке, или мощными магнитными полями. например при электромагнитной штамповке. Деформирующие силы передаются на заготовку инструментом, который  обычно является твёрдым, испытывающим малые упругие деформации при  пластической деформации заготовки; в  некоторых случаях используются эластичные среды (например, при штамповке - резина, полиуретан) или жидкости (например, при гидростатическом прессовании).

     Одним из существенных преимуществ обработки металлов давлением является возможность значительного уменьшения отходов металла по сравнению с обработкой резанием. Другим достоинством является возможность повышения производительности труда, в результате однократного приложения усилия можно значительно изменить форму и размеры заготовки. Кроме того, пластическая деформация сопровождается изменением физико-механических свойств металла заготовки, которые можно использовать для получения деталей с требуемыми служебными свойствами (прочностью, жесткостью, сопротивлением износу) при наименьшей их массе. Эти и другие достоинства приводят к тому, что удельный вес обработки давлением неуклонно возрастает. Недостатки: точность изделия невысокая. 

2. ПОНЯТИЕ О СВАРКЕ  МЕТАЛЛОВ 

     Сварка  металлов является одним из выдающихся русских изобретений и впервые  была освоена в нашей стране, которая  является родиной многих важных открытий в области науки и техники.

     В 1802 г. русский академик Василий Владимирович Петров обратил внимание на то, что при пропускании электрического тока через два стержня из угля или металла между их концами возникает ослепительно горящая дуга (электрический разряд), имеющая очень высокую температуру.

     Сварка - технологический процесс получения  неразъемных соединений материалов посредством установления межатомных связей между свариваемыми частями  при их местном или пластическом деформировании, или совместным действием  того и другого. Сваркой соединяют  однородные и разнородные металлы  и их сплавы, металлы с некоторыми неметаллическими материалами (керамикой, графитом, стеклом и др.), а также  пластмассы.

     Сварка - экономически выгодный, высокопроизводительный и в значительной степени механизированный технологический процесс, широко применяемый  практически во всех отраслях машиностроения.

     Физическая  сущность процесса сварки заключается  в образовании прочных связей между атомами и молекулами на соединяемых поверхностях заготовок. Для образования соединений необходимо выполнение следующих условий: освобождение свариваемых поверхностей от загрязнений, оксидов и адсорбированных на них инородных атомов; энергетическая активация поверхностных атомов, облегчающая их взаимодействие друг с другом; сближение свариваемых поверхностей на расстояния, сопоставимым с межатомным расстоянием в свариваемых заготовках.

     В зависимости от формы энергии, используемой для образования сварного соединения, все виды сварки разделяют на три  класса: термический, термомеханический  и механический.

     К термическому классу относятся виды сварки, осуществляемые плавлением с  использованием тепловой энергии (дуговая, плазменная, электрошлаковая, электронно-лучевая, лазерная, газовая и др.).

     К термомеханическому классу относятся виды сварки, с использованием тепловой энергии и давления (контактная, диффузионная и др.).

     К механическому классу относятся  виды сварки, осуществляемые с использованием механической энергии и давления (ультразвуковая, взрывом, трением, холодная и др.).

     Процесс соединения металлических частей путем  местного нагрева их до пластичного  или расплавленного состояния называется сваркой. Сварку можно осуществлять без применения или с применением  давления для сжатия свариваемых  деталей.

     Все свариваемые металлы и сплавы относятся к твердым кристаллическим  телам и, состоят из множества  отдельных зерен — кристаллитов, связанных между собой межатомными  и межмолекулярными силами взаимодействия. Для соединения двух частиц металла  в одно целое нужно сблизить их атомы настолько, чтобы между  ними начали действовать силы взаимного  притяжения. Это возможно при расстоянии между атомами около 4 Ю-8 см (четыре стомиллионные доли сантиметра), что осуществимо только при следующих условиях:

     1) применении очень больших усилий сжатия деталей без их нагрева;

     2) нагревании и одновременном сжатии деталей умеренными усилиями;

     3) нагревании металла в месте  соединения до расплавления без  применения сжатия.

     В не нагретом (холодном) состоянии сваривают только очень пластичные металлы, например алюминий, и при условии применения очень высоких удельных давлений сжатия.

     Сварным соединением называют неразъемное  соединение металлических частей, полученное сваркой.

     Сварным швом называется та часть сварного соединения, которая образуется расплавленным  в процессе сварки и затем затвердевшим металлом.

     Основным  металлом называется металл, из которого изготовляются свариваемые детали. Электрическая дуга или пламя  горелки расплавляет одновременно с основным металлом также металлический  электрод или присадочный пруток, образуя жидкий металл, заполняющий  шов. Металл присадочного прутка или  электрода, смешиваясь с расплавленной  частью основного металла, образует металл шва. Металл шва по своему составу  и строению отличается от основного  и присадочного металла.

     В месте нагрева основного металла  сварочной дугой или пламенем горелки образуется заполненное  жидким металлом углубление, называемое сварочной ванной. 

3. ОСНОВНЫЕ ВИДЫ СВАРКИ 

     Сварка  представляет собой процесс, при  котором две различные детали или материалы соединяются между  собой путем плавления.

     Всего существует три основных вида сварки: механическая, термическая и термомеханическая  сварка.

     - Механическая сварка. Она же сварка взрывом. Выделение тепла происходит за счет трения между соединяемыми материалами. Трение происходит за счет взрыва, который сжимает соприкасающиеся поверхности деталей. Данный метод применяется для плакирования металлов инородным материалом. Например, сталь плакируется алюминием.

     - Термическая сварка. Данный тип сварки включает в себя несколько разновидностей, которые мы сейчас и рассмотрим.

     - Электродуговая сварка. Самый распространённый вид сварки. Расплавление свариваемых материалов и/или деталей происходит за счет выделяемой электрической дугой теплоты. После застывания поверхности образуют единое сварное соединение. Здесь необходим сильноточный источник питания низкого напряжения. К его зажиму присоединяется сварочный электрод, к которому прикасается свариваемая деталь.

     Основными «подвидами» электродуговой сварки являются: ручная дуговая сварка, сварка неплавящимся электродом, сварка плавящимся электродом, сварка под флюсом, электрошлаковая  сварка.

     - Ручная дуговая сварка. Является универсальным технологическим процессом. С её помощью можно производить сварочные работы в любом положении, из различных марок сталей, даже при отсутствии необходимого оборудования. Используется покрытый флюсом электрод. Покрытие используется для защиты шва металла от внешних воздействий. Сварка проводится на постоянном токе прямой или обратной полярности и на переменном токе. Данный вид сварки применяется для выполнения коротких и криволинейных швов в труднодоступных местах, или монтажных работах.

     - Сварка неплавящимся электродом. В качестве электрода используется стержень из графита или вольфрама. Температура плавления данных материалов выше температуры, при которой протекает сварочный процесс. Сварка чаще всего проводится в среде защитного газа (аргон, гелий, азот и их смесях). Сварку может проводить как без присадочного материала, так и с ним. В качестве присадочного материала используются металлические прутки, проволока, полосы.

     - Сварка плавящимся электродом. В качестве электрода используется проволока (стальная, медная или алюминиевая), к которой через токопроводящий наконечник подводится ток. Электрическая дуга расплавляет проволоку, и для обеспечения её постоянной длины проволока подаётся автоматически механизмом подачи. Для защиты от атмосферы применяются защитные газы (аргон, гелий, углекислый газ и их смеси), подающиеся из сварочной головки вместе с электродной проволокой.

     - Сварка под флюсом. В этом виде сварки конец электрода также представлен в виде металлической проволоки или стержня, на конец которой (-го) подается слой флюса. В качестве флюсов применяют прокаленную буру, борную кислоту, кремниевую кислоту и др. Флюсы используются в виде порошков, паст, водных растворов. Горение дуги происходит в газовом пузыре, находящемся между металлом и слоем флюса. Сама дуга при этом не видна. Благодаря этой технологии усиливается защита металла от вредного воздействия атмосферы и улучшается глубина проплавления металла.

     - Электрошлаковая сварка. При электрошлаковой сварке в качестве электродов служат: электродная проволока, стержни, пластины. Источником теплоты является расплавленный шлак, через который протекает электрический ток. При этом теплота, выделяемая флюсом, расплавляет кромки свариваемых деталей и присадочную проволоку. Способ находит своё применение при сварке вертикальных швов толстостенных изделий. Электрошлаковую сварку используют в машиностроении для изготовления ковано-сварных и лито-сварных конструкций.

     - Плазменная сварка. Источником теплоты является плазменная струя, получаемая при нагреве электрическим током электрода. Струя плазмы сжимается и ускоряется под действием электромагнитных сил, оказывая на свариваемое изделие как тепловое, так и газодинамическое воздействие. Теплом струи расплавляется основной металл около дуги, а также присадочный металл. Помимо сварки этот способ часто используется для наплавки, напыления и резки.

     - Электронно-лучевая сварка. Источником теплоты является электронный луч. Луч получается за счёт термоэлектронной эмиссии с катода электронно-лучевой пушки. Данный вид сварки применяется в промышленных условиях в вакуумных камерах. Известна также технология сварки электронным лучом в атмосфере нормального давления, когда электронный луч покидает область вакуума непосредственно перед свариваемыми деталями.

     - Лазерная сварка. Источником теплоты служит сфокусированный лазерный луч. Применяют твердотельные, газовые, жидкостные и полупроводниковые лазерные установки. Лазерный луч также используется для резки различных материалов. Основными достоинствами лазерной сварки являются: возможность вести процесс на больших скоростях, практически отсутствие деформаций изделия и узкий шов.

     - Газопламенная сварка. Источником теплоты является газовый факел, образующийся при сгорании смеси кислорода и горючего газа. В качестве горючего газа могут быть использованы ацетилен, водород, пропан, бутан и их смеси. Тепло, выделяющееся при горении смеси кислорода и горючего газа, оплавляет свариваемые поверхности и присадочный материал с образованием сварочной ванны. Пламя может быть «окислительным» или «восстановительным», это регулируется количеством кислорода.

     - Термомеханическая сварка. Сварка происходит за счет нагревания свариваемых поверхностей. У этого вида сварки тоже имеются свои разновидности.

     - Контактная сварка. При данном типе сварки изделия нагреваются, и происходит их деформация, что обеспечивает их взаимное проникновение. Свариваемые детали зажимаются в сварочных клещах, и по электродам пускают ток высокого напряжения, который плавит детали. Затем ток отключают и сильно сжимают клещи, из-за чего металл кристаллизируется, образуя, сварной шов.

     - Диффузионная сварка. При диффузионной сварке соединяемые поверхности сдавливают и нагревают. Обычно этот процесс происходит в вакууме. В результате этого образуется сварочный шов. Данная технология весьма дорогостоящая и поэтому находит свое применение в основном в авиакосмической, электронной и инструментальной промышленности.

     - Кузнечная сварка. Сваривание поверхностей происходит за счет ударов кованым молотом по раскаленным деталям. Данный тип сварки не надежен, малопроизводителен и пригоден для ограниченного числа сплавов. Кузнечная сварка на сегодняшний день практически нигде не используется.

     - Сварка высокочастотными токами. Свариваемые изделия располагают вплотную друг к другу и разогревают за счет пропускания тока высокой частоты, затем детали сжимают. После этого полученному изделию необходимо остыть, и оно готово. Метод применяется в основном для изготовления труб и фасонных изделий из сортовой стали. 

4. ДОСТОИНСТВА И  НЕДОСТАТКИ ПРОЦЕССА  СВАРКИ

(приведены  некоторые виды) 

     1. Газовая сварка - это сварка плавлением, при которой метал в зоне соединения нагревается до расплавления газовым пламенем.

     У газовой сварки, как и у электродуговой, лазерной, есть свои достоинства и недостатки, обязательные к тому, чтобы их учитывать во время выбора способа сваривания.

     Преимущества газовой сварки

     Не  нужно сложного дорогого оборудования и дополнительного источника электроэнергии. Таким образом, сваривать можно даже в чистом поле. Кстати, все нефтепроводы, создаваемые в промежутке между 1926 и 1935 годами, сваривались именно с помощью газовой сварки. Эта же особенность позволяет проводить ремонтные работы в самых разных частях зданий, сооружений, областях и регионах. Можно в очень широких пределах варьировать мощностью пламени, сваривая металлы с самыми разными температурами плавления.

     Чугун, медь, свинец и латунь лучше свариваются с помощью газовой сварки. При правильном выборе марки присадочной проволоки, мощности и вида пламени, получаются высококачественные швы. Медленный нагрев и остывание свариваемых поверхностей.

     Сварщик может легко варьировать температурой пламени. Оказывается, при изменении угла наклона пламени к свариваемой поверхности меняется также температура. Если пламя расположено по нормали, то его температура максимальна. Прочность получаемых при газовой сварке швов может быть выше, чем при электродуговой сварке с применением электродов низкого качества. Газовая сварка позволяет сваривать, резать и закалять металлы.

     Недостатки газовой сварки.

     Большая зона нагрева. Близлежащие к месту сварки термически неустойчивые элементы могут быть повреждены из-за повышенной зоны нагрева. С толщиной падает производительность. Сварка металлов толщиной более 5 миллиметров невыгодна. В этих случаях применяют электродуговую сварку. При соединении внахлёст металлов толщиной более 3 миллиметров применять газовую сварку не рекомендуется, потому что возникают напряжения в металле, которые могут привести к деформации и разрушению места спайки.

     При газовой сварке применяются достаточно опасные вещества, дающие с кислородом воздуха взрывные смеси (водород, ацетилен и т.д.) Газовые баллоны, применяемые при сварке, должны быть максимально удалены от органических веществ (жиров, масел, углеводородов).

     Медленный нагрев и остывание свариваемых поверхностей. Практически не поддаётся механизации, в отличие от электродуговой сварки.При газовой сварке не получается легировать наплавляемый металл. Качество швов, получаемых электродуговой сваркой очень сильно зависит от электродов и обмазки.

     Высокоуглеродистые стали не рекомендуется сваривать с помощью газовой сварки. Вы наверняка заметили, что среди преимуществ и недостатков мы одновременно отметили медленные скорости нагревания и остывания. В действительности, это качество является и достоинством и недостатком газовой сварки. Достоинство заключается в том, что многие металлы и сплавы требуют мягких (постепенного нагрева) условий при сваривании.

     2. Преимущества и недостатки сварки под флюсом.

     Сущность процесса сварки под флюсом определяет его особенности по сравнению с ручной дуговой сваркой.

     Производительность по сравнению с ручной сваркой увеличивается в 5-12 раз. При сварке под флюсом ток по электродной проволоке проходит только в ее вылете. Поэтому можно использовать повышенные (25-100 А/мм2) по сравнению с ручной дуговой сваркой (10-20 А/мм2) плотности сварочного тока без опасения значительного перегрева электрода в вылете и отслаивания обмазки, как в покрытом электроде.

     Использование больших сварочных токов резко повышает глубину проплавления основного металла и появляется возможность сварки металла повышенной толщины без разделки кромок. При сварке с разделкой кромок уменьшается угол разделки и увеличивается величина их притупления, т.е. уменьшается количество электродного металла, необходимого для заполнения разделки. Металл шва обычно состоит приблизительно на 2/3 из переплавленного основного металла (при ручной дуговой сварке соотношение обратное). В результате растут скорость и производительность сварки. Под флюсом сваривают металл толщиной 2-60 мм при скорости однодуговой сварки до 0,07 км/ч. Применение многодуговой сварки позволяет повысить се скорость до 0,3 км/ч.