Лекция 13. Общие сведения и физическая сущность способов получения неразъемных соединений

План лекции: Способы получения неразъемных соединений. Физическая сущность электродуговой и газовой сварки, пайки и склеивания материалов.

1. Общие сведения о способах получения неразъемных соединений. Основными способами получения неразъемных соединений являются сварка, пайка и склеивание. Использование их для получения заготовок и деталей значительно уменьшает трудоемкость изготовления изделий и снижает расход материала.

При сварке неразъемное соединение получается за счет совме-стной пластической деформации деталей или совместного плавления зоны их контакта. Благодаря этим процессам удаляются неровности механической обработки и окисные пленки, происходит сближение деталей на межатомное расстояние, обеспечивая тем самым действие межатомных сил сцепления. В связи с этим сварку делят на две основные группы: сварку давлением и сварку плавлением.

При пайке неразъемное соединение получается за счет приса-дочного сплава (припоя). В этом случае основной металл не плавится, а плавится лишь припой. Происходит диффузия расплавленного припоя в нагретые поверхностные слои заготовок, обеспечивая так же как и при сварке сближение его частиц и основного металла и образование межатомных связей по всей поверхности контакта деталей (припой - металлический сплав, имеющий температуру плавления ниже температуры плавления соединяемых материалов). Температура пайки обычно на 10-30⁰С выше температуры ликвидуса припоя.

При с клеивании неразъемное соединение получается за счет адгезии, когезии и механического сцепления клеевой пленки с поверхностями склеиваемых заготовок. При этом адгезией (прилипае-мостью) называется способность клеевой пленки прочно удерживаться на поверхности склеиваемых материалов, а когезия представляет собой собственную прочность пленки.

Сварка имеет наиболее важное значение по сравнению с другими методами получения неразъемных соединений. Это объясняется ее широ-ким распространением и высокой технико-экономической эффективно-стью. Так, замена литья сваркой экономит 40-50% массы детали. Сварка позволяет получать более рациональные конструкции, используя различ-ные профили проката. Большой эконо-мический эффект дает использо-вание сварки при ремонтных работах по устранению дефектов и восста-новлению изношенных деталей, а также при исправлении брака литья.

Сварку широко применяют для соединения однородных и разнород-

ных материалов.

Наряду со сваркой давлением и сваркой плавлением существуют также промежуточные методы сварки, при которых металлы свариваются одновременно пластической деформацией и плавлением. К ним относят методы электрической контактной сварки: точечную, шовную и стыковую.

В зависимости от способа подачи в зону сварки присадочного материала и флюса ее подразделяют на ручную, автоматическую и полуавтоматическую.

Для быстрого нагрева и плавления металлов в процессе сварки используют различные источники тепловой энергии. Основными из них являются электрический ток и газовое пламя.

Способы сварки плавлением и давлением имеют ряд разновидностей: электродуговая, плазменная, электрошлаковая, газовая, термитная литьем, литейная, лучевая, электроконтактная, индукцион-ная, горновая, прессовая, трением, ультразвуковая, диффузионная и др.

Пайка характеризуется широкими возможностями в отношении соединения разнородных материалов: металлов с керамикой, стеклом, графитом и т.п. Качество паяных соединений (прочность, плотность, коррозионная стойкость и др.) в значительной степени зависит от многих побочных процессов, протекающих в зоне пайки.

Принято различать пайку мягкими и твердыми припоями. Температура плавления мягких припоев, а соответственно, и пайки, ниже 450⁰С, твердых припоев - выше 450⁰С (обычно даже выше 800 - 900⁰С).

В зависимости от физического или химического процесса, используемого для получения качественного паяного соединения, разли-чают следующие виды пайки: капиллярную, металлокерамическую, кон-тактно-реактивную, диффузионную и пайку самофлюсующими припоями.

Склеивание по сравнению с другими способами получения нера-зъемных соединений имеет ряд преимуществ: возможность соединения различных материалов (металлов и сплавов, пластмасс, стекол, керамики и др.) как между собой, так и в различных сочетаниях; атмосферостойкость и стойкость к коррозии клеевого шва; возможность соединения тонких материалов, значительное упрощение технологии изготовления изделий и др. Недостатками клеевых соединений являются относительно низкая длительная теплостойкость (до 350⁰С), склонность к старению и др.

2. Физическая сущность электродуговой сварки. Источником тепла при электродуговой сварке является электрическая дуга, представ-ляющая собой непрерывный поток электронов и ионов, который образует-ся между двумя электродами в той или иной среде, с выделением значи-тельного количества тепла и света. Ионизация газового промежутка при дуговой сварке в основном обусловлена электронной эмиссией с горячего катода.

Для разогрева катода между ним и анодом, подключенными к источнику сварочного тока, производят кратковременное короткое замыкание. После отрыва электрода от изделия с разогретого катода, каким при сварке постоянным током может быть и электрод (прямая полярность) и изделие (обратная полярность), под воздействием электрического поля начинается электронная эмиссия (при переменном токе полярность постоянно изменяется). Электроны, вылетевшие с поверхности катода, направляются к аноду и, сталкиваясь на своем пути с молекулами и атомами воздуха, ионизируют их. Образуемые в воздушном промежутке отрицательные ионы и электроны перемещаются к аноду, а положительные ионы - к катоду. На поверхности катода и анода осущест-вляется нейтрализация заряженных частиц и преобразование электри-ческой энергии в тепловую.

Выделение тепловой энергии в сварочной дуге происходит неравномерно. Количество тепла, выделяемого на аноде, составляет около 43% за счет бомбардировки его электронами, имеющими кинетическую энергию больше, чем ионы, бомбардирующие катод. На катоде выделяется около 36% общего количества тепла сварочной дуги. Остальное количество тепла выделяется в столбе дуги. Это обстоятельство следует учитывать, например, при сварке тонких листов, где полярность иг-рает большую роль.

При электродуговой сварке на нагревание и расплавление ме-талла используется 60-70% тепла. Остальное количество тепла рас-сеивается в окружающем прост-ранстве.

К основным параметрам, характеризующим свойства дуги, относятся напряжение, ток и длина дуги. Напряжение дуги V зависит от ее длины L, тока в ней I, материала и размеров электрода, состава и давления газов и др. Чем больше L, тем больше V. Устойчивое горение дуги при высоком качестве сварки обеспечивается при L = 3...5 мм. Зависимость между V и I, при установившемся стационарном состоя-нии дуги (L=const), выражается ее статической вольт-амперной харак-теристикой (рис. 13. 2). Как видно из рисунка, она может быть падающей I, жесткой II и возрастающей III. Самое широкое применение имеет дуга с жесткой характеристикой, при которой напряжение на дуге не зависит от силы сварочного тока.

Для устойчивого горения дуги на переменном токе необходимо увеличивать напряжение и частоту тока, применять специальный газ или обмазку (для ионизации среды).

При электродуговой сварке кромки соединяемых деталей, основ-ной металл, и при необходимости дополнительный (присадочный), нагре-вается до расплавленного состояния, образуя общую сварочную ванну. После удаления источника нагрева металл ванны охлаждается и затвер-девает, образуя наплавленный металл, или сварной шов, соединяющий свариваемые поверхности в одно целое. Свойства металла в зоне шва определяются условиями протекания процессов плавления, металлур-гической обработки основного и присадочного материалов и кристалли-зации полученного металла шва при охлаждении. Свойства сварного сое-динения в целом определяются характером теплового воздействия на ме-талл в околошовных зонах.

Свариваемость металлов и сплавов при электродуговой сварке зави-сит от их физико-химических свойств. Наилучшей свариваемостью обла-дают металлы, образующие между собой ряд твердых растворов, хуже - с ограниченной растворимостью в твердом состоянии. Высокая теп-лопроводность, малый коэффициент линейного и объемного расшире-ния и малая усадка также приводят к хорошей свариваемости. Нельзя свари-вать способом металлы, не растворимые в твердом состоянии. В этом случае применяется либо сварка давлением, либо диффузионная, либо подбирается промежуточный металл, растворимый в обоих свариваемых металлах.

3. Общие сведения и физическая сущность газовой сварки и резки. Источником тепла при газовой сварке и резке являетсягазовое пламя, которое получают при сгорании горючего газа в атмосфере технически чистого кислорода. В качестве горючих газов можно применять природные газы, водород, пары бензина и керосина и др.

Для газовой сварки применяют ацетилен, так как он имеет большую теплоту сгорания по сравнению с другими горючими газами и высокую температуру пламени (3200⁰С). Ацетилен (С₂Н₂) получают в специальных аппаратах - газогенераторах - при взаимодействии воды с карбидом каль-ция.

При разложении 1 кг карбида кальция образуется 250 - 300 дм³ ацетилена. Ацетилен взрывоопасен при избыточном давлении свыше 0,175 МПа, хорошо растворяется в ацетоне. Последнее свойство используют для его безопасного хранения в баллонах.

Газосварочное пламя образуется в результате сгорания ацетилена, смешивающегося в определенных пропорциях с кислородом в сварочных горелках. На рис.13.3 показано строение газосварочного пламени и распределение температур по его оси. Ацетилено-кислородное пламя сос-тоит из трех зон: ядра пламени 1, средней зоны 2 (сварочной), факела пламени 3.

В зоне 1 происходит постепенный нагрев до температуры воспла-менения газовой смеси, поступающей из мундштука; в зоне 2 - первая стадия горения ацетилена за счет кислорода, поступающего из баллона:

С₂Н₂ + 0₂ = 2СО + Н₂.

Зона 2, имеющая самую высокую температуру и обладающая вос-

Рис. Газосварочное пламя

становительными свойствами, называется сварочной или рабочей зоной. В зоне 3 (факеле) протекает вторая стадия горения ацетилена за счет атмосферного кислорода:

2СО + Н₂ + (³/₂)О₂ = 2СО₂ + Н₂0.

Углекислый газ и пары воды при высоких температурах окисляют металл и поэтому зону 3 называют окислительной.

Газосварочное пламя называется нормальным, когда соотношение газов О₂/С₂Н₂=1. Нормальным пламенем сваривают большинство сталей.

При увеличении содержания кислорода (0₂/С₂Н₂>1) пламя приобре-тает голубоватый оттенок и имеет заостренную форму ядра. Такое пламя обладает окислительными свойствами и может быть использовано только при сварке латуни. В этом случае избыточный кислород образует с цин-ком, содержащимся в латуни, тугоплавкие оксиды, пленка которых препят-ствует дальнейшему испарению цинка.

При увеличении содержания ацетилена (O₂/C₂Н₂<1) пламя стано-вится коптящим удлиняется и имеет красноватый оттенок. Такое пламя называют науглероживающими и применяют для сварки чугуна и цветных металлов, так как в этом случае компенсируется выгорание углерода и во-сстанавливаются оксиды цветных металлов.

Для газовой сварки сталей присадочную проволоку выбирают в зависимости от состава сплава свариваемого металла. Для сварки чугуна применяют специальные литые чугунные стержни; для наплавки износо-стойких покрытий - литые стержни из твердых сплавов. Для сварки цветных металлов и некоторых специальных сплавов применяют флюсы, которые могут быть в виде порошков и паст; для сварки меди и ее сплавов - кислые флюсы (буру, буру с борной кислотой); для сварки алюминиевых сплавов - бескислородные флюсы на основе фтористых, хлористых солей лития, калия, натрия, кальция. Роль флюса состоит в растворении оксидов и образования шлаков, легко всплывающих на поверхность сварочной ванны. Во флюсы можно вводить элементы раскисляющие и легирующие наплавленный металл.

При газовой сварке заготовки нагреваются более плавно, чем при дуговой; это и определяет основные области её применения: для сварки металлов малой толщины (0,62 - 3 мм); легкоплавких цветных металлов и сплавов; для металлов и сплавов, требующих постепенного нагрева и охлаждения; для пайки, подварки дефектов и т.д. При увеличении тол-щины металла производительность газовой сварки резко снижается. При этом за счет медленного нагрева свариваемые изделия значительно дефор-мируются. Это ограничивает применение газовой сварки.

Газокислородная резк а заключается в сжигании металла в струе кислорода и удалении этой струёй образующихся оксидов. При горении железа в кислороде выделяется значительное количество теплоты. Для начала горения металл подогревают до температуры его воспламенения в кислороде (например, сталь - до 1000 – 1200⁰С).

Для обеспечения нормального процесса резки металл должен отвечать следующим требованиям: температура его плавления должна быть выше температуры горения в кислороде; температура плавления оксидов металла должна быть ниже температуры его плавления; количество теплоты, выделяющейся при сгорании металла в кислородной струе, должно быть достаточным для поддержания непрерывного процесса резки; теплопроводность металла не должна быть слишком высокой, в противном случае теплота слишком интенсивно отводится и процесс резки прерывается; образующиеся оксиды должны быть достаточно жидкоте-кучими и легко выдуваться вниз струёй режущего кислорода.

4. Физическая сущность пайки. При пайке, так же как и при свар-ке, образованию межатомных связей по всей поверхности контакта дета-лей предшествует сближение частиц припоя и основного металла – обра-зование физического контакта. Чем быстрее и надежнее протекает этот процесс, тем лучше припой смачивает поверхность металла и растекается на ней. Смачиваемость определяет такое важное свойство, как капилляр-ное проникновение в узкие зазоры между соединяемыми деталями. Она оценивается углом (рис. 13.2). Чем меньше угол , тем выше смачивае-мость. Наличие на поповерхности окисных, жировых и других посторон-них пленок увеличивает и резко ухудшает смачиваемость. Поэтому де-тали перед пайкой обязательно проходят механическую или химическую очистку, а пайку производят либо с применением флюсов, либо в камерах с защитной нейтральной или активной атмосферой.

5. Физическая сущность склеивания материалов. Прочность сцепления клеевых соединений зависит в основном от адгезии и когезии. Для объяснения физико-химической сущности адгезионных явлений существует три теории: адсорбционная, электрическая и диффузионная.

Адсорбционная теория рассматривает адгезию как чисто поверх-ностный процесс, аналогичный адсорбции; пленка удерживается на по-верхности материала в результате действия межмолекулярных сил.

Электрическая теория рассматривает адгезию как результат дей-ствия электростатических и ван-дер-ваальсовых сил.

Диффузионная теория предполагает, что при образовании связи между неполярными полимерами электрический механизм адгезии невоз-можен, и адгезия обусловливается переплетением макромолекул поверх-ностных слоев в результате их взаимодиффузии.

В состав клеящих материалов входят следующие компоненты: пленкообразующее вещество (смолы, каучук) - основа клея, определяющая адгезионные, когезионные свойства клея и основные физико-механические характеристики клеевого соединения; растворители (спирт, ацетон, бензин и др.), создающие определенную вязкость клея; пластификаторы для устранения усадочных явлений в пленке и повышения ее эластичности; отвердители и катализаторы для перевода пленкообразующего вещества в термостабильное состояние; наполнители (порошки, волокна, ткани) для уменьшения усадки клеевой пленки, повышения прочности склеивания и экономии клеящих материалов.

Марки клея и типовые режимы склеивания различных материалов приведены в [7, табл. 3.12 и 3.13 на с. 72-76].

Поиск по сайту: