Физическая сущность процесса

Термическая резка – это процесс разделения металла в результате его нагрева в зоне резки до температуры горения (интенсивного окисления) или расплавления и последующего удаления расплавленного металла или расплавленных оксидов из полости реза. Термическая резка может осуществляться с использованием газокислородного пламени, электрической дуги, потока плазмы и других источников тепла.

1. Газокислородная (кислородная) резка

Для резки применяется технический газообразный кислород. Кислород транспортируется в баллонах, представляющих собой полые стальные сосуды цилиндрической формы. Ёмкость баллона 40 л, начальное зарядное давление 15 МПа. В баллоне содержится 6 м³ кислорода. Баллоны для кислорода окрашиваются в голубой цвет и помечаются чёрной надписью “кислород”.

Ацетилен имеет более высокую теплотворную способность по сравнению с другими горючими газами, а также с парами бензина и керосина, получившими применение при кислородной резке. Ацетилен получают в специальных газогенераторах при взаимодействии карбида кальция с водой

CaC₂+2H₂O=C₂H₂+Ca(OH)₂

Кислородная резка выполняется при помощи резака (рис. 15), состоящего из штуцеров для подачи кислорода 1, ацетилена 2, инжектора 3, мундштука 4, канала для подачи режущего кислорода 5 и вентилей 6, регулирующих подачу подогревающего кислорода. Кислородная резка может быть ручной или машинной. Ручная резка проводится резаком, направляемым вручную по разметке или направляющей на поверхности детали, и применяется при одиночном изготовлении разнотипных деталей и заготовок. Она характеризуется невысокими чистотой и точностью поверхности резки и относительно невысокой производительностью.

Машинная резка используется при серийном изготовлении однотипных деталей. Машины бывают одно- и многорезаковые (имеются машины, насчитывающие до 20 резаков, действующих одновременно). Направление машины осуществляется с помощью копирных устройств или систем ЧПУ.

Машинная резка обеспечивает высокое качество поверхности резки (высокие чистота и точность) и высокую производительность.

Условия качественной кислородной резки. Для успешного проведения кислородной резки металл должен удовлетворять следующим условиям:

1. Температура плавления металла должна быть выше температуры его горения. При несоблюдении этого условия металл горит (окисляется) в расплавленном состоянии, что исключает получение качественной поверхности при резке.

2. Температура плавления окислов металла должна быть ниже температуры горения самого металла. В этом случае оксиды легко выдуваются из полости реза и режущий кислород получает беспрепятственный доступ к нижележащим слоям металла.

3. Теплота сгорания металла должна быть достаточно большой, иначе для ведения непрерывного процесса резки требуется слишком мощное подогревающее пламя.

4. Теплопроводность металла должна быть ограниченной. В противном случае высокая теплопроводность усиливает охлаждение зоны резки и затрудняет необходимый подогрев металла.

5. Образующиеся оксиды металла должны быть достаточно жидкотекучими, иначе затрудняется их удаление из зоны резки.

Указанным условиям удовлетворяют железо и низкоуглеродистые стали с содержанием углерода до 0,4%, а также низколегированные стали с содержанием углерода до 0,25%. Эти материалы хорошо режутся кислородом. Не удовлетворяют вышеперечисленным условиям высокоуглеродистые стали (содержание углерода выше 0,4%), чугуны, легированные и высоколегированные стали, медь, алюминий, магний и их сплавы.

2. Кислородно-флюсовая резка

Для разделения нержавеющих сталей , чугуна, медных сплавов применить кислородную резку не удаётся, так как на поверхности их реза образуются тугоплавкие оксидные плёнки, температура плавления которых превышает температуру плавления металла. У нержавеющих сплавов – это плёнки оксидов хрома Cr₂O₃, у чугуна – оксидов кремния SiO₂, у медных сплавов – оксида меди CuO. Тугоплавкие плёнки оксидов покрывают поверхность металла в зоне резки и преграждают доступ кислорода к металлу. Кроме тог, кислородная резка медных сплавов затрудняется их высокой теплопроводностью

Для резки вышеперечисленных металлов и сплавов применяется кислородно-флюсовый способ. Сущность его состоит в том, что вместе с режущим кислородом в зону резки подаётся порошкообразный флюс, состоящий в основном из порошка железа (90…95%),кварцевого песка (1…2%) и других добавок (рис. 16). Флюс хранится в бункере 1. При резке используют специальный резак 2. Порошок железа, сгорая в струе кислорода, выделяет количество теплоты, за счёт которого расплавляются тугоплавкие оксиды. Кроме того, окислы железа, образующиеся при сгорании железного порошка, сплавляются с оксидами разрезаемого металла и образуют легкоплавкий и жидкотекучий шлак. Шлак легко удаляется с поверхности металла и открывает к ней доступ кислорода.

Кислородно-флюсовая резка применяется также для разделения железобетона. Процесс в этом случае заключается в выплавлении материала в зоне резки. Данный способ был разработан на кафедре сварки МВТУ им. Н. Э. Баумана и в настоящее время получил широкое распространение в промышленности и в металлургии. В металлургии он применяется для разделения спёкшихся остатков шихты и шлака.

3. Плазменная резка

При резке используют поток дуговой плазмы, который представляет собой ионизированный газ, нагретый до 10000…15000^оС. Плазму получают при продувании плазмообразующего газа через столб сжатой дуги, имеющей температуру до 30000^оС (рис. 17). Сжатие дуги происходит в специальном резаке 1, где электрическая дуга 2, горящая между вольфрамовым электродом 3 и разрезаемым изделием 4, проходит через канал небольшого сечения. Плазмообразующий газ (аргон, азот, гелий) подаётся вдоль стенок канала и ещё больше сжимает дугу. Сечение дуги при этом уменьшается, а температура в ней повышается. При высокой температуре происходит ионизация плазмообразующего газа, например аргона. Возникает ярко светящаяся струя плазмы, направляемая на разрезаемую деталь. Воздействуя на металл, струя плазмы нагревает его до температуры плавления. Металл плавится в узкой зоне. Под действием давления потока плазмы расплавленный металл удаляется из зоны резки. Происходит разделение детали.

Плазменная река применяется для разделения материалов, которые нельзя или затруднительно разрезать кислородной или кислородно-флюсовой резкой: керамики, алюминиевых сплавов, жаропрочных сплавов, меди и её сплавов, нержавеющих сталей.

ХОЛОДНАЯ СВАРКА МЕТАЛЛОВ

Физическая сущность процесса

Холодная сварка относится к способам сварки давлением в твёрдой фазе со значительной пластической деформацией соединяемых материалов заготовок в зоне их контакта.

Как известно, все материалы имеют кристаллическое строение, которое характеризуется упорядоченным расположением атомов, образующих в объёме металла кристаллическую решётку. В кристаллической решётке атомы находятся на расстоянии (2…4)10^{-8 см, на котором действуют силы межатомной металлической связи, обусловливающие совокупность прочностных и пластических характеристик металла.}

 Для получения сварного соединения, т. е. для восстановления межатомных связей между поверхностями двух однородны свариваемых заготовок, необходимо их идеально обработать (высота неровностей не должна превышать несколько ангстрем), очистить от плёнок и приблизить друг к другу на расстояния, при которых эти связи возникнут, т.е. на 2…4 Ǻ (1Ǻ =10^-8см).

Практически при соприкосновении заготовок сварка не происходит по следующим причинам:

- известные способы обработки дают шероховатость на несколько порядков больше, чем это допустимо для сварки;

- на обработанных поверхностях очищенных заготовок не сохраняются свободные связи в результате взаимодействия поверхностных атомов с атмосферой.

Для преодоления этих препятствий в сварочной технике используют два основных средства: нагрев и давление .

При соединении заготовок по способу сварки давлением не требуется перевода металлов в жидкое состояние, необходимо лишь кратковременное механическое воздействие на заготовки для их сжатия и сближения атомов до возникновения межатомных сил связи. В этом случае очистка свариваемых поверхностей от оксидов и других дефектов поверхности, а также сближение поверхностных слоёв атомов до межатомных расстояний обеспечиваются совместной пластической деформацией заготовок в зоне соединения при сжатии. На рис.18 схематично представлено строение материала заготовок до сварки (рис.18а) и после сварки (рис.18б) в результате пластического деформирования. В условиях, исключающих пластическую деформацию металла, при любом усилии сжатия неразъёмное соединение не образуется. Положительная роль пластической деформации состоит в том, что при выдавливании части металла из зоны соединения происходит скольжение поверхностей соприкосновения металла, в результате которого сминаются неровности, разрушаются поверхностные плёнки, а их обломки выносятся из зоны соединения за счёт направленного течения пластичного металла. В результате этого процесса происходит контактирование заготовок по чистым поверхностям, при этом реализуются свободные связи между атомами и образуется неразъёмное соединение. Холодная сварка выполняется на воздухе без нагрева заготовок, при комнатной или даже отрицательной температуре.

В процессе пластического деформирования поверхности заготовок сближаются на расстояния, соизмеримые с параметрами кристаллической решётки, в результате возникают межатомные и межмолекулярные силы взаимодействия и образуются металлические связи. Образование неразъёмного соединения при холодной сварке проходит три стадии совместного пластического деформирования металла соединяемых заготовок: образование физического контакта (разрушение и удаление оксидных плёнок из зоны соединения, сглаживание поверхностных микронеровностей); активация контактных поверхностей (формирование активных центров в месте контакта); объёмное взаимодействие зон схватывания на активных центрах.

Холодной сваркой соединяют листы внахлёстку вдавливанием пуансона 1 в незажатые (рис.18а) или предварительно зажатые прижимами 2 заготовки 3 (рис.18б) и встык с использованием зажимных приспособлений (рис.18в). Для получения качественных соединений в месте сварки требуется значительная пластическая деформация металла с целью удаления жировых и оксидных плёнок из зоны контакта, снятие шероховатости поверхности. Степень относительной деформации ε_min при сварке внахлёстку листовых металлов определяется глубиной вдавливания пуансона h, отнесённой к толщине заготовки δ, ε_min= %. Ниже даны значения ε_min для различных материалов.

Сварка внахлёстку. Этим способом соединяют листы толщиной от 0,2 до 1,5 мм в отдельных точках либо непрерывным швом. При точечной сварке заготовки помещают между соосно расположенными пуансонами, состоящими из рабочего выступа круглого или прямоугольного сечения и опорной части (рис.18а). Диметр или ширина

рабочего выступа равна одной-трём толщинам свариваемых заготовок. Рабочие выступы вдавливаются в местах соединения заготовок, вызывая местную пластическую деформацию металла. Давление пуансона при сварке алюминия составляет 300…600 МПа (30…60 кгс/мм²), для меди – до 2000 МПа. Усилие в зажимах достигает 500…800 МПа.

Помимо сварки внахлёстку в отдельных точках можно сваривать непрерывные швы необходимой длины. В этом случае деформирование металла проводится вдавливанием в него рабочих выступов вращающихся роликов. На рис.19 представлена сварка кольцевым замкнутым швом донышка с цельностянутым корпусом. Для шовной сварки алюминия рекомендуется изготовлять ролики следующих размеров: d=50мм; ширина рабочего выступа α=(1…1,5)δ; высота рабочего выступа h=(0,8…0,9)δ; ширина опорной части S=(2,4…5)δ, где δ – толщина свариваемого металла.

Стыковая сварка (рис.20). Основными параметрами, определяющими прочность и надежность сварного соединения при холодной сварке встык, является длина вылета заготовки (расстояние от заготовки до места контакта) и степень пластической деформации. При сварке алюминиевых проводов длина вылета заготовки должна составлять 1…1,2 её диаметра, а при сварке медных 1,25…1,75 диаметра. Давление на заготовки при сварке алюминия с медью достигает 1500…2000 МПа.

Наиболее широко применяется холодная сварка в производстве изделий домашнего обихода из алюминия и его сплавов (чайников, подставок, различного рода каркасов), в электротехнической промышленности и транспорте для соединения алюминиевых и медных проводов диаметром от 1,5 до 10 мм, а также алюминиевых проводов с медными наконечниками, медно-алюминиевых шинных контактов, корпусов полупроводниковых приборов.

КОНТАКТНЫЕ СПОСОБЫ СВАРКИ

При контактных способах сварки образование неразъёмного соединения происходит в результате нагрева металла проходящим электрическим током и последующей совместной пластической деформацией заготовок за счёт применения сжимающего усилия. Нагрев заготовок облегчает пластическую деформацию и разрушение поверхностных оксидных плёнок. Для осуществления сварки к заготовкам 1 через контакты 2 подводится электрический ток (рис.21). При прохождении тока через свариваемые заготовки выделяется теплота в соответствии с законом Джоуля-Ленца