Механические способы сварки

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

Государственное образовательное учреждение высшего

профессионального образования

«МАТИ» - РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ имени К.Э.ЦИОЛКОВСКОГО

 

 

 

 

Кафедра “Материаловедение и технология обработки материалов”

 

 

 

 

 

 

Реферат на тему:

«Механические способы сварки»

 

 

 

Выполнил:

студент 2 курса

группы 4МТМ-2ДБ-075

Давыдов Иван Михайлович

 

 

 

 

 

МОСКВА – 2013

Содержание

 

Введение…………………………………………………………………..……	3
Холодная  сварка металлов…………………………………………..…......….	6
Ультразвуковая  сварка металлов………………………….……...……..……	8
Сварка взрывом………………………………………………………….……..	10
Сварка трением………………………………………………………...…..…..	14
Заключение  ………………………………………………………………..…...	17
Список использованных источников ……………………………..………….	19

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Сварка –  один из ведущих технологических  процессов промышленности, от степени  развития и совершенствования которого во многом зависит уровень технологии в машиностроении, строительстве  и ряде других отраслей народного хозяйства. Современная сварочная наука и техника позволяют надежно соединять детали любых толщин и конфигураций – от деталей мельчайших электронных приборов до гигантских частей машин и сооружений.

Сварка открыла  возможность коренного улучшения технологии производства всевозможных машин, приборов,  строительных конструкций. Она способствует автоматизации и механизации работ при их изготовлении.

Современный уровень  развития сварочной техники в  нашей стране – прочная база для  еще более широкого и эффективного использования сварки как мощного средства значительного повышения производительности труда, экономии металлов в промышленности, строительстве, сельском хозяйстве и транспорте, повышения качества и удешевления продукции.

 Дальнейшее  развитие современной техники в существенной степени определяется разработкой новых материалов с особым свойствам. Это вызвано тем, что атомной энергетике, электронике, большой химии, ракетостроению и другим отраслям производства присущи чрезвычайно высокие скорости процессов, большие давления, высокие температуры и некоторые особые эффекты. Важно, чтобы конструкционный материал был устойчив в этих условиях работы при быстрых сменах температур и напряжений, незначительно испарялся в вакууме, не меняя свойств при облучении продуктами ядерного распада, противостоял действию агрессивных сред и т.д.

Современное состояние  техники характеризуется возросшим  применением редких металлов и сплавов  и неметаллических материалов. Освоение их как конструкционных материалов и расширение областей их применения играет важнейшую роль в деле технического прогресса.

В перспективных  конструкциях новой техники находят  широкое применение такие тугоплавкие  и редкие металлы, как вольфрам, молибден, тантал, ниобий, цирконий и т.п., обладающие высокими жаростойкостью, жаропрочностью, сопротивлением коррозии и другими специфическими свойствами.

В ряде случаев  эксплуатации при экстремальных  температурных условиях, в чрезвычайно  агрессивных средах, в потоках  нейтронов высокой интенсивности  и под воздействием других особых факторов даже эти металлы не могут удовлетворить требованиям, предъявляемым к изделиям условиями их работы. Вследствие этого создаются материалы, имеющие особые свойства. Кроме того, к широко применяемым материалам в ряде случаев начинают предъявлять повышенные требования в связи с использованием их в новых видах ответственных конструкций.

В связи с  этим перед сварщиками возникают  все новые и новые задачи разработки более совершенной технологии сварки широко применяемых и новых материалов, что требует или модернизации соответствующего оборудования и технологии, или разработки новых более совершенных методов сварки.

Использование в различных отраслях новой техники  в качестве конструкционных материалов редких и тугоплавких металлов, которые ранее находили ограниченное применение, в основном лишь в качестве легирующих добавок, выдвинуло проблему разработки методов их сварки. Эти металлы составляют группу трудносваривающихся вследствие того, что, помимо высокой  температуры плавления, они характеризуются высокой химической активностью при повышенных температурах. Большинство из них реагирует со всеми известными флюсами, а некоторые являются геттерами. Поэтому применительно к этим металлам оказались неприемлемыми такие методы сварки, как ручная дуговая сварка плавящимся электродом, сварка под флюсом и газовая.

 

Холодная  сварка металлов

 

Для осуществления  холодной сварки необходимо удалить  со свариваемых поверхностей окислы и загрязнения и  сблизить соединяемые  поверхности на расстояние параметра кристаллической решетки; на практике создаются значительные пластические деформации.

Холодной сваркой  можно получать соединения встык, внахлестку и втавр. Перед сваркой поверхности, подлежащие сварке, очищают от загрязнений  обезжириванием, обработкой вращающейся проволочной щеткой, шарбением. При сварке встык проволок только обрезают торцы.

Листы толщиной 0,2-15 мм сваривают внахлестку путем  вдавливания в толщу металла  с одной или с двух сторон пуансонов. Соединения выполняют в виде отдельных точек или непрерывного шва. Ширину или диаметр пуансона выбирают в зависимости от толщины δ свариваемого материала: r=(1÷3)δ;

Основной параметр, определяющий процесс холодной сварки, - величина деформации металла в  месте соединения, которая зависит от свойств металла, его толщины, типа соединения и способов подготовки поверхностей.

Холодную сварку можно осуществлять путем сдавливания  соединяемых изделий с одновременным  их тангенциальным относительным смещением. Этот способ сварки получил название сварки сдвигом.

При приложении тангенциальной силы начинается перемещение  поверхностей, в процессе чего окисные  пленки и загрязнения сдираются  и образуются отдельные мостики  контакта. Тангенциальное смещение соединяемых  изделий дает возможность получить сравнительно большие площади очищенных от пленок поверхностей при небольшом растекании каждой из них. Наличие тангенциальной силы уменьшает сопротивление металла пластическим деформациям и при данной нормальной силе позволяет получить большую площадь контакта. Это ведет к тому, что при точечной сварке сдвигом схватывание происходит при малых деформациях и усилиях.

При сварке сдвигом  разноименных металлов прочное соединение возникает только у металлов с  близкими механическими свойствами, например наклепанного алюминия и отожженной меди и некоторых других.

При холодной сварке сдвигом основные параметры –  величина давления и величина сдвига. Величина давления должна быть такой, чтобы возможно было относительное  перемещение поверхностей. Величина сдвига не зависит от размеров изделий и определяется нормальным давлением и геометрией трущихся поверхностей. Достаточная площадь сцепления поверхностей, обработанная напильником, возникает после сдвига на 5-7 мм.

При сварке сдвигом  прочность соединений на срез может  быть высокой при условии достаточной величины нахлестки, однако сопротивление отрыву всегда низкое.

 

Ультразвуковая сварка металлов

 

Ультразвук  находит широкое применение в  науке для исследования некоторых  физических явлений и свойств  веществ. В технике ультразвуковые колебания используют для обработки металлов и в дефектоскопии.

В сварочной  технике ультразвук может быть использован  в различных целях. Воздействуя  им на сварочную ванну в процессе кристаллизации, можно улучшить механические свойства сварного соединения благодаря измельчению структуры шва и удалению газов. Ультразвук может быть источником энергии для создания точечных и шовных соединений. Ультразвуковые колебания активно разрушают естественные и искусственные пленки, что позволяет сваривать металлы с окисленной поверхностью, покрытые слоем лака и т.п. Ультразвук снижает или снимает собственные напряжения и деформации, возникающие при сварке. Им можно стабилизировать структурные составляющие металла сварного соединения, устраняя возможность самопроизвольного деформирования сварных конструкций со временем.

В качестве источника  энергии при сварке металлов ультразвук еще не нашел широкого применения, хотя этот способ имеет ряд преимуществ  и особенностей по сравнению с  контактной и холодной сваркой.

При сварке ультразвуком неразъемное  соединение металлов образуется при  совместном воздействии на детали механических колебаний высокой частоты и  относительно небольших сдавливающих усилий. В принципе этот метод сварки имеет много общего с холодной сваркой сдвигом.

Сварка ультразвуком по сравнению  с другими видами сварки имеет  ряд преимуществ: не происходит нагрева  значительных объемов металла до температуры плавления или близкой  к ней, поэтому сварка ультразвуком незначительно изменяет физико-химические свойства металла; для получения сварного соединения требуется малая электрическая мощность; возможность производить сварку плакированных и оксидированных поверхностей, так как при этом способе сварки пластические деформации происходят лишь в тонком слое у поверхности соприкосновения соединяемых деталей. Не требуется тщательная подготовка поверхностей свариваемых деталей, обычно ограничиваются их обезжириванием.

Этот способ можно применять  как для сварки двух листов малой  толщины, так и для пакетной сварки, сварки разнородных металлов (коррозионно-стойких сталей с алюминием, меди с алюминием и др.), деталей малой и большой толщины, трудносвариваемых металлов (молибдена, вольфрама, тантала, циркония и др.), а также для сварки пластмасс.

Экспериментально установлено, что прочность соединения, выполненного сваркой ультразвуком, во многих случаях превосходит прочность соединения, полученного контактной сваркой.

При сварке сталей различных  толщин ультразвуковые колебания вводят со стороны более тонкой детали.

 

 

 

 

 

 

 

Сварка взрывом

 

Было замечено, что при взрывах разлетающиеся  куски металла, ударяясь об окружающие металлоконструкции, иногда прочно привариваются  к ним. Проведенные исследования позволили создать промышленно  пригодный способ сварки взрывом. Сущность его состоит в том, что привариваемая или ударяющая деталь с большой скоростью бросается к ударяемой детали. Скорость движения ударяющей детали должна к моменту соударения достигать нескольких сотен метров в секунду, приближаясь к скорости снаряда огнестрельного оружия. В зоне соударения металл соединяемых деталей течет подобно жидкости и сливается в одно целое, образуя монолитное соединение.

Ударяющая деталь бросается зарядом взрывчатого  вещества, вес которого составляет 10-20% веса детали. Ударяемая неподвижная деталь может иметь любую массу; при недостаточности массы детали ее укладывают на массивное основание, - увеличение массы ударяемой детали улучшает использование энергии взрыва. Одни из наиболее известных применений сварки взрывом - изготовление биметаллических заготовок

Сварка взрывом - процесс получения соединения под  действием энергии, выделяющейся при  взрыве заряда взрывчатого вещества (ВВ). Принципиальная схема сварки взрывом приведена на Рис. 1: неподвижную пластину (основание) ‘4’ и метаемую пластину (облицовку) ‘3’ располагают под углом α = 2-16° на заданном расстоянии h = 2-3 мм от вершины угла. На метаемую пластину укладывают заряд ВВ ‘2’. В вершине угла устанавливают детонатор ‘1’. Сварка производится на опоре ‘5’.

 

Рис. 1 Угловая схема сварки взрывом до начала (а) и на стадии взрыва (б)

В современных  процессах металлообработки взрывом  применяют заряды ВВ массой от нескольких граммов до сотен килограммов. Большая  часть энергии, выделяющейся при  взрыве, излучается в окружающую среду  в виде ударных волн, сейсмических возмущений, разлета осколков. Воздушная ударная волна - наиболее опасный поражающий фактор взрыва. Поэтому сварку взрывом производят на полигонах (открытых и подземных), удаленных на значительные расстояния от жилых и промышленных объектов, и во взрывных камерах.

 

После инициирования  взрыва детонация распространяется по заряду ВВ со скоростью D нескольких тысяч метров в секунду.

Под действием высокого давления расширяющихся продуктов взрыва метаемая пластина приобретает скорость ν_H порядка нескольких сотен метров в секунду и соударяется с неподвижной пластиной под углом γ, который увеличивается с ростом отношения ν_н/D. В месте соударения возникает эффект кумуляции - из зоны соударения выбрасывается с очень высокой скоростью кумулятивная струя, состоящая из металла основания и облицовки. Эта струя обеспечивает очистку свариваемых поверхностей в момент, непосредственно предшествующий их соединению. Со свариваемых поверхностей при обычно применяемых режимах сварки удаляется слой металла суммарной толщиной 1-15 мкм.

Соударение  метаемой пластины и основания сопровождается пластической деформацией, вызывающей местный нагрев поверхностных слоев  металла. В результате деформации и нагрева развиваются физический контакт, активация свариваемых поверхностей и образуются соединения.

Исследование  пластической деформации в зоне соударения по искажению координатной сетки  показало, что прочное соединение образуется только там, где соударение сопровождается взаимным сдвигом поверхностных слоев метаемой пластины и основания. Там же, где взаимный сдвиг отсутствовал, и в частности в зоне инициирования взрыва, прочного соединения не было получено. Очевидно, что «лобовой» удар метаемой пластины в основание без тангенциальной составляющей скорости и сдвиговой деформации в зоне соединения не приводит к сварке.

Соединяемые поверхности  перед сваркой должны быть чистыми (в особенности по органическим загрязнениям), так как ни действие кумулятивной струи, ни вакуумная сдвиговая деформация при соударении полностью не исключают вредного влияния таких загрязнений.

Сварка взрывом  дает возможность сваривать практически  любые металлы. Однако последующий  нагрев сваренных заготовок может вызвать интенсивную диффузию в зоне соединения и образование интерметаллидных фаз. Последнее приводит к снижению прочности соединения, которая при достаточно высоких температурах может снизиться практически до нуля. Для предотвращения этих явлений сварку взрывом проводят через промежуточные прослойки из металлов, не образующих химических соединений со свариваемыми материалами. Например, при сварке титана со сталью используют в качестве промежуточного материала ниобий, ванадий или тантал.

Сварка взрывом применяется для плакирования стержней и труб, внутренних поверхностей цилиндров и цилиндрических изделий.

Рис. 3 Плакированный взрывом подпятник пресса

Толщина плакирующей  трубы может быть от 0,5 до 15 мм, а  диаметр теоретически не ограничивается.

Применение  сварки взрывом, конечно, требует строгого соблюдения правил техники безопасности и хранения взрывчатки. Сварка взрывом  достаточно удобна для изготовления отдельных изделий сравнительно простой формы; регулирование процесса сварки возможно лишь приблизительное, так как результат зависит от плотности взрывчатки, равномерности ее размещения и прочих параметров, поддающихся лишь приблизительному регулированию. Для серийного и массового производства небольших деталей иногда более удобным может оказаться способ магнитно-импульсной сварки, во многом подобной сварке взрывом.  

Сварка трением

 

Для нагрева  места сварки можно использовать превращение механической энергии в тепловую при трении.

Сварка трением  иногда используется для заварки  днища у баллона для сжатых газов. Отрезок цельнотянутой стальной трубы с предварительно нагретым концом насаживают на быстро вращающуюся  оправку. К вращающейся заготовке  приближают обжимку, осаживающую металл и придающую ему полусферическую форму днища баллона. При быстром вращении заготовки осаживаемый металл быстро разогревается трением между обжимкой и заготовкой в процессе осадки; его температура не снижается, а растет за счет механической работы сил трения. В результате трения металл днища сильно разогревается и осаживается с образованием утолщения. Для соединения круглых цилиндрических стержней или трубок детали закрепляют в зажимах машины и приводят в соприкосновение торцами. Одна деталь остается неподвижной, другая приводится во вращение со скоростью 500- 1500 об/мин и все время прижимается к неподвижной детали. Вследствие трения торцы деталей быстро разогреваются и через короткое время доводятся до оплавления; автоматически выключается фрикционная муфта, прекращая вращение шпинделя; затем производится осевая осадка деталей. В ряде случаев способ оказался весьма эффективным. Он отличается высокой производительностью (машинное время для разных деталей 1,5-50 сек), высоким качеством и стабильностью сварки, поскольку процесс автоматизирован, все параметры (число оборотов, усилие осадки, время сварки) отличаются большим постоянством. Способ весьма экономичен и обладает высоким КПД. Потребление электрической мощности 15-20 вт/мм², а потребление электроэнергии в 7-40 раз меньше, чем при контактной электросварке; нагрузка трехфазной сети, питающей приводной электродвигатель, вполне равномерна;  cos f = 0,8.

Способ позволяет  сваривать разнородные металлы (алюминий с медью, алюминий со сталью, медь со сталью и пр.). Ширина зоны влияния сварного соединения не более 2-3 мм. Особенно эффективна сварка заготовок металлорежущего инструмента сверл, метчиков и т. д. из углеродистой и быстрорежущей стали.

Превращение части  механической энергии в тепловую, всегда сопутствующее процессу трения, было известно еще с давних времен.

В подавляющем  большинстве случаев выделение  тепла при трении рассматривалось  как явление безусловно вредное, и в технике с ним постоянно  велась и ведется борьба; можно  назвать лишь ничтожно малое число примеров полезного его использования.

Одним из таких  примеров является применение теплоты  трения для сварки металлов.

Из практики металлообработки давно были известны многочисленные случаи приваривания стружки  к резцу, неподвижного заднего центра токарного станка к обрабатываемой детали, приваривание шеек осей вагонов к подшипникам букс и др. Более того были даже известны целенаправленные попытки сварки трением металлических прутков на токарных станках. Однако эти нередко успешные попытки обычно рассматривались лишь как технические курьезы и серьезного значения им не придавалось. Упоминания о принципиальной возможности осуществления сварки металлов трением, правда очень скупые и редкие, можно было встретить в литературе.

Но практического применения сварка трением не находила. Вероятно, немалую роль в этом сыграла отрицательная оценка, которая была ей дана и долгое время оставалась распространенной в литературе.

Лишь в 1956 г. эта оценка сварки трением была опровергнута опытами токаря-новатора А. И. Чудикова. Его большая заслуга состоит не в том, что он — как многие считают — «открыл» сварку трением в том, что он, впервые положил начало практическому применению сварки трением.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

 

Процесс образования  сварного соединения ранее обычно связывали с нагревом металла до высоких температур. Современные представления о природе металлических межатомных связей показывают возможность использования этого механизма для соединения металлов в твердом состоянии.

В последние годы появилось несколько методов сварки металлов без их расплавления, основанных на эффекте образования металлических связей на ювенильных поверхностях с использованием пластических деформаций металла (холодная, ультразвуковая, трением, взрывом и диффузионная). Перечисленные методы сварки объединяет общность физических процессов возникновения металлических связей между соединяемыми поверхностями. В этих процессах образование металлических связей происходит в твердом состоянии металла в результате совместной пластической деформации. Методы сварки в твердом состоянии различаются способами, которыми осуществляется пластическая деформация, величиной пластической деформации и температурным режимом.

Новые способы  позволяют осуществить так называемую прецизионную сварку, т. е. получить конструкции с заданными расчетными размерами. Это, в свою очередь, открывает неограниченные возможности для автоматизации сварочного производства, для создания самого совершенного сварочного оборудования с программным управлением.

В промышленности, строительстве и сельском хозяйстве  все более широкое применение находят полимерные материалы. Использование  этих материалов снижает вес изделий, габаритные размеры, эксплуатационные расходы и повышает производительность труда. В связи с широким использованием полимеров в качестве конструкционных материалов возникла проблема их соединения. В промышленности используется несколько методов сварки полимеров: теплоносителями, ультразвуком, инфракрасным излучением и др. Предстоит дальнейшая работа по совершенствованию методов сварки полимеров и пластмасс.

 

Список использованных источников

1. Николаев Г.А., Ольшанский Н.А. Специальные методы  сварки. М., «Машиностроение», 1975.

2. Вилль В.И. Сварка металлов трением. Л., «Машиностроение», 1970.

3. Справочник по сварке. Под редакцией Е.В. Соколова, т. 2,4, М., Машгиз, 1961, 564 с., «Машиностроение», 1971, 415 с.

4. Холопов Ю.В. Ультразвуковая сварка. Л., «Машиностроение», 1972, 152 с.