Химические способы сварки

Астраханский  Государственный Университет

Физико-Технический  Факультет

Кафедра Материаловедения и Технологии Сварки

 

 

 

 

 

 

Реферат

на тему: «Химические способы сварки»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил ст.гр. ТС-51

                                                                                                Бикбаев Р.Д

                                                                                            Проверил:

Сундетов М.Х

 

 

Астрахань 2012

Содержание

1  Введение

2 Химическая сварка металлов

2.1 Кузнечная сварка

2.2 Термитная сварка

2.3 Газовая (газо–кислородная)сварка

2.4 Сварка литьем

3  Химическая сварка полимерных материалов

3.1 Сварка с применением присадочного материала

3.2 Сварка без присадочного  материала

3.3 Примеры сварки некоторых  термореактивных пластмасс

4  Список используемой литературы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Сваркой называют технологический  процесс получения механически  неразъемных соединений, характеризующихся непрерывностью структур – непрерывной структурной связью. Это технологический процесс, с помощью которого изготавливаются все основные конструкции гидротехнических сооружений, паровых и атомных электростанций, автодорожные, городские и железнодорожные мосты, вагоны, наводные и подводные корабли, строительные металлоконструкции, всевозможные подъемные краны и многие другие изделия. Если некоторое время тому назад конструкции изготавливались в основном из относительно просто сваривающихся материалов, то в настоящее время, наряду с традиционными, для сварных конструкций применяются материалы с весьма различными физическими характеристиками: коррозионно-стойкие и жаропрочные стали и сплавы, никелевые и медные сплавы с особыми свойствами, лёгкие сплавы на алюминиевой о магниевой основах, титановые сплавы, ниобий, тантал и другие металлы и сплавы. Многообразие свариваемых конструкций и свойств материалов, используемых для изготовления, заставляют применять различные способы сварки, разнообразные сварочные источники теплоты. Для сварочного нагрева и формирования сварного соединения используются: энергия, преобразованная в тепловую посредством дугового разряда, электронного луча, квантовых генераторов ; джоулево тепло, выделяемое протекающим током по твёрдому или жидкому проводнику; химическая энергия горения, механическая энергия, энергия ультразвука и других источников. Все эти способы требуют разработки, производства и правильной эксплуатации разнообразного оборудования, в ряде случаев с применением аппаратуры, точно дозирующей энергию, со сложными схемами, иногда с использованием технической электроники и кибернетики. Разнообразие способов сварки, отраслей промышленности, в которых её используют, свариваемых материалов, видов конструкций и огромные объёмы применения позволяют охарактеризовать технологический процесс сварки, как один из важнейших  в металлообработке

 

 

 

 

 

 

1. Химическая сварка металлов

 

Химическую сварку применяют для сваривания элементов из малоуглеродистых сталей, тонких стальных листов, чугуна, цветных металлов и сплавов. Исключительную роль при производстве сварных конструкций играют процессы газовой резки металла. Существует несколько распространенных способов химической сварки:

 

1. Кузнечная (горновая) сварка

 

 - наиболее древний метод,  постепенно вытесненный современными, более производительными методами  сварки. Процесс кузнечной сварки  может быть отнесен к одной  из частных операций кузнечного  производства. 
Он состоит в том, что свариваемые детали разогревают по свариваемой поверхности до температур, почти достигающих температуры плавления, а затем складывают друг с другом и обжимают под молотом, прессом или прокаткой между валками. 
Нагрев производится или в горнах (отсюда и название «горновая» сварка) или в специальных нагревательных печах. 
Чтобы обеспечить требуемое качество соединения, необходимо скашивать (или скруглять) поверхности, подлежащие сварке, чтобы сделать возможным удаление шлака при нажатии, и обеспечивать равномерный нагрев всей поверхности. В месте соединения детали перед сваркой утолщают с тем, чтобы после проковки сохранить их форму и размеры. 
Прочность сварного соединения, выполненного кузнечной сваркой, обычно не превышает 80% прочности свариваемого материала. Кузнечная горновая сварка в судостроении теперь почти не применяется. 

2. Термитная сварка 
   

  При термитной сварке кромки свариваемых изделий и присадочного материала разогреваются и расплавляются за счет теплоты, выделяемой при обменной реакции компонентов термита. Термитом называется порошкообразная механическая смесь окиси железа и некоторых металлов (алюминия, магния). Наиболее распространен термит на основе алюминия. В состав термитной смеси входят закись железа (FeO), закись-окись железа (Fe3O4) и окись железа (Fe2O3), а также измельченный алюминий. 
 
На практике для термитной смеси обычно применяется окалина, которая по составу близка к магнитной окиси железа Fe3O4. При реакции развивается температура около 3000° С.

Схема процесса термитной сварки                 

3Fe₃O₄ + 8AI = 4AL₂O₃ + 9Fe +Q₁

Fe₂O₃ + 2AI + AI₂O₃ + 2Fe +Q₂

Где Q₁  ~= 3344 кДж/кг.

Термит загружается в специальный тигель, сообщающийся с формой, облегающей свариваемый стык (рельсов, стальных приводов, гребных валов судов и других изделий ), и поджигается за счёт магниевого или электрического запала. В результате горения подогретый металл затекает в стык, а образовавшийся шлак выпускают в специальный сосуд –приставку. Кроме варианта термитной сварки плавлением, в некоторых случаях используют вариант сварки давлением, отличающийся тем, что разогретые и оплавленные шлаком кромки соединяемых деталей сдавливают специальным приспособлением. Термитная сварка может производиться литьем, давлением или комбинированным способом. 
 
      3.  Газовая (газо–кислородная)сварка

 

При газовой (газо-кислородной) сварке свариваемые кромки нагревают до определенной температуры теплом экзотермической реакции, происходящей в пламени газовой горелки между горючим газом и кислородом, которые подводят в определенном объемном соотношении. Газовая сварка может осуществляться плавлением (с добавлением или без добавления присадочного материала) или давлением. Последний способ носит название «газопрессовой сварки». 
Газовой сваркой могут быть сварены различные материалы, в том числе стальной прокат, стальное литье, чугун, цветные металлы (медь, латунь, бронза, алюминий и др.), драгоценные металлы (золото, серебро, платина) и, наконец, неметаллические материалы, например, стекло и различные пластмассы. 
Вторым обязательным компонентом, подаваемым в газосварочное пламя, является кислород, который интенсифицирует горение и повышает температуру пламени. 
При газовой сварке кроме металла, подлежащие сварке, нагреваются до расплавления теплом экзотермической реакции, протекающей в пламени газовой горелки между горючим газом (как правило, ацетиленом) и кислородом. Ацетилен (C₂H₂) получают из карбида кальция при взаимодействии его с водой:

CaC₂ + 2H₂O = C₂H₂ + Ca (OH) ₂

Ацетилен сжигается в  смеси с кислородом посредством  специальной горелки. Процесс подготовки ацителено-кислородной смеси к горению и самого горения можно разделить на три стадии :

1-ая стадия : подготовка горючего к сгоранию (распад углерода)

 

   C₂H₂               2C + H₂ +226 000 кДж/моль

 

2-ая стадия : образование CO и H₂ (окисление углерода)

     C₂H₂ + O2               2C + H₂ + O₂ = 2CO + H₂ + 2472 200 кДж/моль.

 

3-я стадия : окончательное окисление оксида углерода и водорода :

     2CO + O₂             CO₂ +571 000 кДж/моль ;

     H₂ + 0,5O₂              H₂O + 142 000 кДж/моль.

 

Строение пламени при  горении ацетилена в смеси  с кислородом характеризуется наличием трёх зон : ядра (1), средней зоны (2) и факела (3). Наивысшая температура (2730-2230 ⁰С) имеет место в районе второй зоны. Поэтому при сварке горелку располагют так, чтобы ядро пламени касалось поверхности сварочной ванны. Газовая горелка применяется как при изготовлении изделий из тонколистовой стали, так и при сварке чугуна (при ремонтных работах) и некоторых цветных металлов и сплавов на их основе.

 

 

 

4.  Сварка литьем

При сварке литьем место соединения заливают жидким присадочным металлом - железом, скапливающимся в нижней части тигля. При сварке давлением сначала разогревают кромки жидким шлаком (глиноземом (АlО3), обладающим после реакции высокой температурой; жидкий шлак выливают из верхней части тигля. После этого разогретые с торцов детали сдавливают специальным приспособлением. При комбинированном способе сварки часть сечения сваривается литьем, а часть - давлением. Изменением состава термита и присадок, вводимых в смесь, при сварке литьем можно регулировать механические свойства сварного шва. Для воспламенения термита применяют различного состава зажигательные смеси, так как термит загорается только после подогрева некоторой его части до температуры не ниже 1200° С. Изделия, подлежащие термитной сварке, после соответствующей подготовки кромок заформовывают огнеупорной глиной в разъемных опоках, чтобы придать шву требуемую форму и избежать растекания жидкого металла. При сварке больших сечений свариваемые концы перед заливкой термитом подогревают для того, чтобы уменьшить скорость теплоотвода и обеспечить разогрев кромок до температуры плавления. Термитная сварка литьем применима преимущественно для соединения массивных деталей большого сечения. Например, в судостроении известны случаи применения термитной сварки для соединения частей отливок ахтерштевней и кронштейнов гребных валов. В настоящее время такие соединения выгоднее выполнять электрошлаковой сваркой. В ремонтных работах термитную сварку литьем иногда используют для восстановления лопнувших массивных машинных рам, станин и т. п. 
Термитная сварка давлением применима для стыкования труб, рельсов и различных стержней, но в судостроении она не распространена. Основные недостатки термитной сварки - большой объем подготовительных и вспомогательных работ (формовка, подогрев, обрубка прибылей и т. д.) и невозможность текущего контроля хода процесса. 
 

 

 

 

 

 

2. Химическая сварка полимерных материалов

 

Этот вид сварки применяют для соединения термореактивных полимерных материалов. Как известно, в полимерах, находящихся в отвержденном состоянии, тепловое движение выражается лишь в ограниченных колебаниях малых участков макромолекул. На этих участках сохраняются химически активные функциональные группы, В определенных для данного полимера условиях активные группы, расположенные на поверхности одного изделия, могут вступать в реакцию непосредственно или с помощью добавок с активными группами столь же: подвижных участков макромолекул на поверхности другого изделия. Это явление и было использовано для создания нового вида сварки — химической. Качество химической сварки определяется длиной подвижных участков молекул полимера в пограничных слоях, их степенью подвижности при выбранных условиях сварки, концентрацией в них химически активных групп и полнотой их участия в реакции соединения с полимером привариваемого материала. Для осуществления химической сварки необходим тесный контакт между соединяемыми поверхностями. Сварной шов, получаемый методом химической сварки, не отличается по своей структуре от основного материала, поэтому прочность соединения соответствует прочности отвержденного связующего (полимера). Сварной шов также устойчив к повышенным температурам и к действию растворителей, как и полимер в свариваемом материале. При химической сварке очень важно быстро и интенсивно прогреть контактирующие поверхности изделий.. Указанным требованиям удовлетворяют высокочастотный и ультразвуковой методы нагрева пластмасс.

Осуществить химическую сварку изделий из отвержденных смол удается и при комнатной температуре. Для этого нужно, чтобы процесс проходил в присутствии присадочного материала, в котором свариваемые поверхности слегка набухают, и чтобы химическая реакция между функциональными группами присадочного материала и отвержденной смолы могла проходить с достаточной скоростью и полнотой. Примером химической сварки, проходящей при комнатной температуре, служит сварка изделий из полиэфиров стиролом в присутствии органических перекисей и некоторых других соединений, ускоряющих полимеризацию.

Сварка с применением  присадочного материала

 

1. Сварка с применением присадочного материала

При сварке термореактивных  полимерных материалов в качестве присадочного материала может быть использована пленка, по составу близкая к связующему полимеру и отверждающаяся в процессе высокочастотного нагрева. Например, введение пленки или прутка из пластифицированного винипласта между свариваемыми поверхностями из непластифицированного винипласта облегчает процесс сварки и способствует повышению ударной прочности шва. В случае сварки изделий из стеклопластиков (КАСТ-В, ВФТ-С и пресс-материал АГ-4) применяют пленку на основе связующего БФ-4, наиболее близкого по составу к связующему этих стеклопластиков. Присадочный материал не только заполняет зазор и обеспечивает должный контакт между соединяемыми поверхностями, но и участвует в Совместном отверждении со связующим стеклопластика.

Основными технологическими параметрами, влияющими на сварку с  присадочным материалом, являются давление, продолжительность сварки и напряженность  поля при сварке ТВЧ. Зависимость прочности соединения от давления определяется количеством подводимой тепловой энергии, в частности напряженностью поля и продолжительностью сварки. С повышением давления до 40 кгс/см² предел прочности при сдвиге возрастает, главным образом в результате улучшения контакта. Увеличение давления способствует также уплотнению материала, удалению воздушной прослойки между соединяемыми поверхностями и присадочной пленкой; при этом улучшаются условия прогрева и отверждения сварного шва.

Длительность цикла сварки включает отрезок времени, необходимый  для разогрева изделия и присадочного материала, и продолжительность  выдержки для их совместного отверждения. От продолжительности сварки зависит  полнота прохождения процесса соединения и связанная с этим прочность  сварного шва. Резкое увеличение прочности  в начале нагрева объясняется  контактом по большей площади  соединения; дальнейший рост, по всей вероятности, вызван увеличением степени отверждения  сварного шва.

 

2. Сварка без присадочного материала

Решающее значение при  выборе режимов сварки имеет степень  отверждения полимера. С увеличением  степени отверждения ухудшается свариваемость.

При более интенсивном  нагреве и большем давлении свариваемость  материалов с повышенной степенью отверждения  улучшается. Например, стеклопластики с повышенной степенью отверждения  более стойки к термической деструкции. Чтобы достигнуть необходимой прочности  соединения, их нужно прогревать длительное время. С увеличением давления на соединяемые поверхности, вплоть до 65 кгс/см², прочность сварного шва резко возрастает. Дальнейшее повышение давления мало сказывается на качестве сварки, что указывает на достижение полного контакта. С повышением интенсивности нагрева возрастает пластичность материала, поэтому можно достигнуть такой же прочности соединения и при более низком давлении. Пределом интенсификации нагрева является термическая деструкция, которая приводит к снижению прочности сварного соединения.

Для сварки изделий из стеклотекстодитов, полученных на основе модифицированных фенолоформальдегидных смол, оптимальная величина давления 40÷50 кгс/см². Для изделий из стеклопластиков на основе полиэфирных и эпоксидных смол полный контакт достигается легче и максимальная прочность шва получается при меньшем давлении (25—30 кгс/см²).

При сварке изделий из отверждающихся смол с порошкообразным наполнителем (например, из пресс-порошка марки К-18-2) давление не должно превышать 25—30 кгс/см², так как этот материал при повышенных температурах имеет низкую прочность при сжатии.

3. Примеры сварки некоторых термореактивных пластмасс

 

1. Сварка отвержденных фенолоформальдегидных смол резольного типа.

При сваривании изделий из отвержденных феполоформальдегидных смол с участием присадочного материала, представляющего собой фенолоформальдегиднуго смолу, находящуюся еще в стадии резола, контакт между свариваемыми поверхностями возрастает. В реакцию отверждения присадочного материала вовлекаются функциональные группы полимера, находящиеся на поверхности свариваемых изделий. Фенолоформ альдегидные смолы новолачного типа отверждаются при взаимодействии с продуктами распада гексаметилен-тетрамина. Условия сварки изделий из этого материала требуют нанесения тонкого слоя отвердителя на контактируемуго поверхность.

2. Сварка кремнийорганических смол.

 Отвержденные кремнийорганические смолы содержат очень небольшое число функциональных групп, поэтому ничтожно мала вероятность их близкого расположения и химического взаимодействия в процессах дальнейшего отверждения, а тем более во время сварки.

Углеводородные (например, —СН₃) группы, находящиеся в большом количестве в отверждениой смоле, в том числе и на поверхности изделий, могут быть вовлечены в реакцию химической сварки, если использовать в качестве возбудителя этой реакции органические перекиси. Раствор связующего тонким слоем наносят на свариваемые поверхности, и при соответствующих условиях между присадочным материалом и активными углеводородными группами на свариваемых поверхностях происходит реакция соединения.

3. Сварка отвержденных полиэфиров.

В отвержденных полиэфирных смолах сохраняется некоторое количество ненасыщенных (кратных связей), которые из-за пространственных затруднений не могут вступить в реакцию между собой (в реакцию полимеризации). Отвержденные полиэфиры способны немного набухать в таких веществах, как стирол, а под действием инициатора и повышенной температуры стирол сополимеризуется внутри изделия из полиэфира. Присадочным материалом может служить тонкий слой вязкого раствора исходного неотвержденного полиэфира в стироле, диаллилфталате, винилтолуоле, в которые предварительно введен инициатор реакции полимеризации — органическая перекись.

 

 

 

 

 

 

Список используемой литературы

1. Лебедев Г.А. "Напыление. Сварка. Склеивание".
2. Солнцев Ю.П., Ермаков Б.С., Пирайнен В.Ю “ Технология конструкционных материалов”
3. Hyun Weinecken “Химическая сварка полимеров”
4. Д.Л. Глизманенко “ Сварка и резка металлов