Тема:Пластмассы и их основные компоненты. Сварка металлов и ееназначение
План
Введение
1 Пластмассы. Основные компонентыпластмасс. Слоистые пластические материалы
1.1 Общие сведения, основные свойства и компоненты,входящие в состав пластмасс
1.2 Слоистые пластические материалы
2 Сварка металлов и ее назначение.Технология электросварки
Заключение
Список используемой литературы
Введение
К металлургии относятся производственныепроцессы обработки добытых руд, процессы получения металлов, очистки металловот нежелательных примесей (рафинирование), производства металлических сплавов,порошковая металлургия, термическая (тепловая) обработка и химико-термическаяобработка металлов и сплавов, обработка металлов давлением, литьем, сварка ипайка металлов, покрытие металла слоем другого металла и диффузионное внедрениев поверхностный слой металлических деталей различных металлических инеметаллических веществ.
В истории техники весь приведенный комплексметаллургических производств по мере своего развития одновременно претерпевалзначительную внутреннюю дифференциацию, и в конце XIX в. и особенно в XX в. многие изназванных металлургических производств стали выполняться не в собственнометаллургической промышленности, а вошли в состав различных отраслеймашиностроения и строительной индустрии. Современные машиностроительные заводы могут иметь сталеплавильные,литейные, прокатные, кузнечные, штамповочные, сварочные, термические,гальванические цехи или участки в составе механических цехов. Однако этиизменения, связанные с рациональной организацией современной промышленности, неповлияли на существо металлургических процессов и состава понятия«металлургия», приведенного выше; крупные машиностроительные заводы имеют отделглавного металлурга.
Развитие металлургического производства,постепенное и все возрастающее повышение требований к качеству металлов исплавов предопределили возникновение во второй половине XIX в. и дальнейшее широкое развитиеметалловедения – науки, изучающей в общей связи состав, строение и свойства металлови сплавов, а также закономерности изменения свойств под влиянием теплового,механического и химического воздействий.
Кмеханической обработке относят обработку со снятием стружки режущимиинструментами (резание резцами, сверлами, фрезами) и без режущих инструментов(лазерная, плазменная, ультразвуковая, электроискровая, анодно-механическаяобработка). Такая обработка металлов и неметаллических материалов производитсяна металлообрабатывающих станках в механических, инструментальных, ремонтныхцехах машиностроительных заводов, в отделениях агропромышленного комплекса,экспериментальных и учебных мастерских. В механической обработке выделяюттехнологические процессы и науку о резании металлов и режущих инструментах,металлообрабатывающих станках, их приводах, управлении, автоматизации иработах, выполняемых на них.
Неметаллическиеконструкционные материалы значительно отличаются от металлов по физическим,химическим, механическим и технологическим свойствам; технологические процессыих производства и обработки являются оригинальными и рассматриваются отдельноот способов обработки металлов, хотя и имеют часто одинаковые наименования.
Промышленное производствонемыслимо без допусков размеров, а производство машин и механизмов также безпринципов взаимозаменяемости, качества поверхностного слоя, обеспеченияустановленных посадок сопрягаемых деталей.
Техническиеизмерения являются сопутствующими при всех видах производства и обработкиконструкционных материалов, а также при сборке машин, механизмов и строительныхконструкций.
К металламотносят большинство химических элементов периодической системы Д. И.Менделеева. Некоторые металлы находят широкое применение в технически чистомвиде, т.е. с малым содержанием примесей, например железо, медь и алюминий вэлектро- и радиотехнике. Другие металлы, например тантал, ниобий, гафний,цирконий, кремний используют в сверхчистом виде, т.е. с миллионными долямипроцента всех примесей или даже на уровне отдельных атомов примесей, вприборостроении, атомной технике, вычислительной технике.
Несравненно шире иразнообразнее применение металлических сплавов, которых насчитывается десяткитысяч марок. Важнейшим промышленным металлом является железо, которое в чистомвиде и в сплавах с углеродом и другими элементами относят к группе черныхметаллов. Сплавами этой группы являются сталь, чугун и ферросплавы. Из общегочисла выплавляемых во всем мире металлов около 94 % приходится на черные. Онипредставляют главный конструкционный материал в машино- и приборостроении иодин из главных в строительной индустрии, транспорте и связи.
Все остальные металлы и ихсплавы относят к группе цветных металлов; их принято делить на легкие(плотность до 3 г/см3) и тяжелые. Выделяют также благородные иредкие металлы.
Из цветных металлов важное промышленноезначение имеют алюминий, медь, магний, свинец, цинк, олово, титан. Но стоимостьцветных металлов по сравнению с черными высока, поэтому во всех случаях, когдаэто допустимо, их стараются заменить черными металлами или неметаллическимиматериалами.
Кроме перечисленных,промышленное применение имеют также следующие цветные металлы: хром, никель,марганец, молибден, кобальт, ванадий, вольфрам, цирконий, тантал, ниобий,рений, индий, серебро, платина, золото, германий, селен, теллур.
Металлургическая промышленностьохватывает подготовку и обогащение добытых руд, процессы получения металлов изподготовленного сырья, очистку их (рафинирование), производство металлическихсплавов, прокатку.
Всоответствии с подразделением металлов и исходных руд различают металлургиючерных и цветных металлов. В зависимости от вида энергии, используемой приосновных процессах, различают пирометаллургию и гидрометаллургию.
В гидрометаллургии металлыполучают из руд путем выщелачивания и выделения из растворов без нагрева довысокой температуры.
В пирометаллургии металлы исплавы получают и рафинируют при сжигании топлива, экзотермических реакциях,электроплавке, электролизе расплавов, дистилляции (т. е. восстановленииметаллов в газообразном состоянии с последующей конденсацией), термическойдиссоциации из летучих соединений, металлотермии (т. е. выделении металлов изих соединений другими, более химически активными, металлами).
Наиболее распространенной впирометаллургии является плавка, основанная на сжигании топлива в печах.Исходные материалы для плавки, взятые в рассчитанном массовом соотношении,называют шихтой. В состав шихты входят топливо, руды (чаще рудные концентраты,так или иначе подготовленные к плавке), металлы (в основном в виде лома),флюсы, шлаки предыдущих плавок и другие оборотные материалы.
1 Пластмассы. Основные компоненты пластмасс. Слоистыепластические материалы
1.1 Общие сведения, основные свойства и компоненты,входящие в состав пластмасс
Среди новых конструкционныхматериалов видное место принадлежит пластическим массам (пластмассам) исинтетическим смолам. Пластическими массами называют неметаллическиематериалы, получаемые, на основе природных и синтетических полимеров.
Производство машин необходится без использования пластмасс и резин. Они являются как заменителямидефицитных цветных металлов, так и материалами с особыми свойствами, длякоторых не всегда может быть найдена замена. Этим и объясняется широкоеиспользование пластмасс для изготовления огромной номенклатуры деталей машин.Применение пластмасс повышает качество машин и оборудования за счет снижения ихмассы, улучшает внешний вид, позволяет экономить цветные и черные металлы.Особенно эффективна замена пластмассами цветных металлов (свинца, меди, цинка,латуни, бронзы) и легированных сталей. Применение, например, 1 т эпоксиднойсмолы в электротехнике дает экономию более 4 т меди.
Исходными материалами дляполучения пластмасс служат дешевые природные вещества: продукты переработкикаменного угля, нефти, природного газа и т. д. На производство пластмасстребуется гораздо меньше капитальных вложений, чем на получение цветныхметаллов.
Основой пластических массявляются смолы – высокомолекулярные соединения органическогопроисхождения. Смолы в чистом виде используются реже.
Пластмассы в зависимости отповедения смолы при нагреве делятся на термореактивные (реактопласты) и термопластические(термопласты). Реактопласты под действием тепла и давления (или инициаторов– ускорителей отвержения) переходят в твердое, неплавкое и нерастворимое состояние.Реактопласты не могут быть вторично переработаны. Термопласты под действиемтепла плавятся и затвердевают при охлаждении. Изделия из термопластов могутнеоднократно перерабатываться. Однако повторный нагрев несколько ухудшаетфизико-механические свойства материала (за счет разложения и загрязнения его).
В зависимости от применяемогонаполнителя пластические массы разделяют на композиционные и слоистые.Композиционные в свою очередь делятся на порошкообразные и волокнистые.
В настоящее время поставлена задачавозможно более полного использования во всех отраслях народного хозяйствадостижений современной химии и, в частности, замена традиционных материаловновыми более экономичными и практичными синтетическими материалами.Предусмотрено увеличение использования нефтяного и газового сырья дляпроизводства полимерных материалов, создание достаточных мощностей попереработке полимерных материалов в изделия для нужд народного хозяйства.Наиболее крупными потребителями пластмасс являются электротехническая промышленность,радиоэлектроника, общее машиностроение.
Основные свойства пластмасс.
Синтетические материалыполучают синтезом органических веществ. К таким материалам относятсяпластмассы, пленки и волокна, резины, клеи, герметики, краски, лаки. Свойствасинтетических материалов определяются физико-механическими показателями техполимеров, из которых они получены. Все полимеры отличаются исключительнобольшими размерами молекул. Форма молекул полимеров может быть линейной(нитевидной) или сетчатой. Каждая молекула полимера (макромолекула)представляет собой совокупность звеньев какой-то одной определенной структуры,соединенных химическими связями. Часто макромолекулы представляют собойсочетание звеньев двух или трех различных типов структур. Такие полимеры называютсовмещенными полимерами или сополимерами. Свойства сополимеров по ихзначениям бывают средними по сравнению со свойствами отдельных полимеров,составляющих данный сополимер. Сильнее выражены свойства того полимера, звеньевкоторого больше в макромолекулах сополимера.
/>
Структурамакромолекул
а) – линейная,б) – разветвленная, в) – сетчатая (сшитая).
Изделия из пластмасс приобычных условиях обычно представляют собой твердые и упругие тела.
Ассортимент применяемых впромышленности пластмасс весьма разнообразен. Для подавляющего большинства иххарактерны следующие положительные качества:
1) малая плотностьполимерных материалов (1,1—1,8 г/см3), что позволяет значительноуменьшить массу машин при изготовлении их деталей из пластмасс;
2) химическая стойкость –пластмассы не подвержены коррозии, даже в агрессивных средах;
3) электроизоляционныесвойства, позволяющие применять пластмассы в качестве диэлектриков, незаменимыхв высокочастотных устройствах радиосвязи, телевидения и т. д.;
4) высокая удельная иабсолютная механическая прочность и возможность создания анизотропныхматериалов;
5) высокаятехнологичность – трудоемкость изготовления самых сложных деталей из пластмасснезначительна по сравнению с трудоемкостью изготовления деталей из другихматериалов;
6) наличие неограниченныхресурсов дешевого сырья.
В зависимости от видапластмасс они могут обладать и другими полезными свойствами:
7) низким коэффициентомтрения – некоторые виды пластмасс, например текстолит, ДСП (древеснослоистыепластики), капрон, капролон, успешно заменяют бронзу и баббит в подшипниковыхузлах машин;
8) высоким коэффициентомтрения в сочетании с износостойкостью — фенопласты с асбестовым наполнителем,пресскомпозиции на основе каучуков и другие виды специальных пластмасс суспехом заменяют в конструкциях транспортных и прочих машин чугун и дорогиесорта дерева;
9) прозрачностью –некоторые ненаполненные пластические массы, такие, как полиметилметакрилат(органическое стекло), полистирол и другие, способны пропускать лучи света вшироком диапазоне волн, в том числе ультрафиолетовую часть спектра, значительнопревосходя в этом отношении силикатные стекла; эти пластмассы широко применяютв оптической промышленности и машиностроении для изготовления прозрачныхдеталей – водомерных стекол, арматуры масляных и охлаждающих систем, линзсмотровых отверстий и т. д.
Одновременно, с указаннымидостоинствами пластмассы обладают следующими недостатками:
1) низкой теплостойкостью– основные виды пластмасс могут удовлетворительно работать лишь в сравнительнонебольшом интервале температур (от — 60 до +200 °С); для пластмасс на основекремний органических полимеров, фурфурольных композиций и фторопластов верхнийпредел температур несколько выше: 300 — 400 °С;
2) низкойтеплопроводностью, которая в 500 — 600 раз ниже теплопроводности металлов, чтоограничивает их применение в узлах и деталях машин, где необходим быстрый отводбольших количеств теплоты;
3) низкой твердостью (НВ6 — 60);
4) выраженным свойствомползучести, особенно ярко заметным у термопластов;
5) малой жесткостью –модуль упругости самых жестких пластмасс (стеклопластиков) на один-два порядканиже, чем у металлов;
6) старением – свойствапластмасс со временем ухудшаются под действием температуры, влажности, света,воды.
Все это необходимо учитыватьпри конструировании деталей из пластмасс.
Компоненты, входящие в состав пластмасс
В большинстве своем пластмассысостоят из смолы, а также наполнителя, пластификатора, стабилизатора,красителя и других добавок, улучшающих технологические и эксплуатационныесвойства пластмассы. Свойства полимеров могут быть в значительной степениулучшены и изменены, в зависимости от требований, предъявляемых различнымиотраслями техники, с помощью различных составляющих пластмассы.
Наполнители служат для улучшения физико-механических,диэлектрических, фрикционных или антифрикционных свойств, повышениятеплостойкости, уменьшения усадки, а также для снижения стоимости пластмасс.Наполнители бывают органические и неорганические. Органическими наполнителямиявляются древесная мука, хлопковые очесы, целлюлоза, бумага, хлопчатобумажнаяткань, древесный шпон. В качестве неорганических наполнителей используютасбест, графит, стекловолокно, стеклоткань, слюду, кварц.
Используя как наполнительдревесную муку, получают порошкообразные полимерные материалы – пресспорошки,употребляемые для изготовления не сильно нагруженных деталей. Для полученияматериала с более высокой механической прочностью употребляют волокнистыенаполнители (волокна хлопка, асбеста). Еще большую прочность пластмассампридают листовые наполнители – их применяют для получения слоистых пластмасс:при применении хлопчатобумажной ткани – текстолит, стеклоткани –стеклотекстолит, бумаги – гетинакс асбестовой ткани – асботекстолит. Приприменении древесного шпона вырабатывают древесные слоистые пластики. Дляизготовления деталей, по прочности не уступающих сталям, в качественаполнителей используют стекловолокно, стеклошнуры, стекломаты.
По массе содержаниенаполнителей в пластмассах составляет от 40 до 70 %. Исключение здесьсоставляют теплоизоляционные материалы, где в качестве наполнителя используютгазы, получая газонаполненные полимерные материалы – пенопласты и поропласты.
Пластификаторы увеличивают пластичность и текучесть пластмасс, улучшаютморозостойкость. В качестве пластификаторов применяют дибутилфталат,трикрезилфосфат и др.
В состав пластмасс частовводят стабилизаторы – вещества, предотвращающие разложение полимерныхматериалов во время их переработки и эксплуатации под воздействием света,влажности, повышенных температур и других факторов. Для стабилизации используютароматические амины, фенолы, сернистые соединения, газовую сажу.
Красители добавляют для окрашивания пластических масс. Применяют какминеральные красители (мумия, охра, умбра, литопон, крон и т. д.), так иорганические (нигрозин, родамин).
Смазочные вещества – стеарин, олеиновая кислота,трансформаторное масло – снижают вязкость композиции и предотвращают прилипаниематериала к стенкам пресс-формы.
1.2 Слоистые пластические материалы
Материалы, получаемые присоединении между собой наложенных друг на друга нескольких слоев волокнистыхнаполнителей (ткани, бумаги, древесины и т. п.), пропитанных синтетическимисмолами, называются слоистыми. Слоистые пластмассы выпускают либо в видеполуфабриката, представляющего собой листы наполнителя, пропитанные смолой,либо в виде отпрессованных заготовок: листы, плиты различной толщины, трубыразличных диаметров, стержни, диски, либо в виде фасонных изделий. Плитыизготовляют, пропитывая наполнитель смолой и раскраивая его на листы, которыескладывают друг с другом в пакеты заранее установленной толщины. Пакет прессуютпри давлении 8 — 10 МПа и температуре 140 — 160 °С.
Необходимость предварительнораскраивать листы наполнителя, пропитанного смолой, и собирать пакеты приводитк тому, что из слоистых пластмасс преимущественно формуют заготовки. Поэтомудля слоистых пластмасс механическая обработка является одним из основныхметодов их переработки в изделия. Слоистые пластмассы отличаются анизотропиейсвойств, особенно это касается механической прочности. Наиболее прочен материалвдоль нитей основы ткани или волокон шпона.
Промышленность выпускаетследующие виды слоистых пластмасс: гетинакс, текстолит, асботекстолит, ДСП,стеклотекстолит и др.
Гетинакс – слоистая пластмасса на основе фенолоформальдегидной смолы и листовбумаги. Гетинакс выпускают марок А, Б, В, Г. Гетинакс марок Д и В имеетповышенные электрические свойства, марок Б и Г – повышенную механическую прочность.Гетинакс выпускают в виде листов толщиной 0,5 — 50 мм, стержней диаметром до 25 мм и трубок различных диаметров. Гетинакс применяют главным образомкак электроизоляционный материал. Выпускают также декоративный гетинакс дляотделочных работ.
Текстолит – слоистая пластмасса, где в качестве наполнителя используетсяхлопчатобумажная ткань, в качестве связующего – фенолоформальдегидная смола.
Текстолит обладаетотносительно высокой механической прочностью, малой плотностью и высокимиантифрикционными свойствами, высокой стойкостью к вибрационным нагрузкам ихорошими диэлектрическими свойствами. Теплостойкость текстолита 120 — 125 °С.Текстолит нашел широкое применение как заменитель цветных металлов длявкладышей подшипников прокатных станов, как конструкционный и поделочныйматериал в машиностроении, для изготовления направляющих роликов в самолетах,шестерен в автомобилях и др. Текстолитовые шестерни в отличие от металлическихработают бесшумно.
Электротехнический текстолитприменяют для изготовления электроизоляционных изделий повышенной прочности дляработы на воздухе и в трансформаторном масле.
Асботекстолит представляет собой слоистую пластмассу с наполнителем изасбестовой ткани и связующим – фенолоформальдегидной смолой. Он имеет высокуютеплостойкость – до 250 °С. Асботекстолит применяют преимущественно в качестветеплоизоляционных облицовок для тормозных колодок и дисков сцепления, так какон обладает большим коэффициентом трения.
Древеснослоистый пластик (ДСП) – пропитанный небольшим количеством фенолоформальдегиднойсмолы, спрессованный древесный шпон. ДСП имеет высокую механическую прочность,пониженную влагостойкость и худшие диэлектрические показатели.
Дельта-древесина, как и другие виды ДСП, применяется как конструкционный, обшивочныйи поделочный материал в машиностроении, как заменитель цветных металлов дляизготовления шкивов, вкладышей подшипников, втулок, шестерен, опорных рам.
Стеклотекстолит изготовляют прессованием пакета стеклоткани, пропитанной смолой.Выбор связующего определяется назначением стеклотекстолита, и способомизготовления изделия. Так, стекло-текстолит КАСТ получают при использованиисмеси фенолоформальдегидной смолы с поливинилацетатами, стеклотекстолит ВФГ – полисилоксанаи полиацеталя, стеклотекстолит ЭФ-32-301 – при использовании эпоксидной смолы.
Диаметр стекловолокна встеклоткани составляет 3,5 — 5 мкм. Связующее в стеклотекстолите выполняет рольклея, и его содержание не превышает 25 — 30%, иначе прочность изделияснижается.
Из пакета пропитаннойстеклоткани прессуют листы, плиты, трубы. Стеклотекстолит применяют дляизготовления сильно нагруженных конструкционных изделий, работающих в сухих ивлажных средах, при температурах до 350 °С, стойких к растворам электролитов,маслам и жидким топливам, а также изделий, которые должны обладать высокимидиэлектрическими свойствами и радиопрозрачностью. Он нашел также широкоеприменение для изготовления разнообразных высоконагруженных крупногабаритныхизделий (кузовов легковых автомобилей, автобусов, кабин грузовых автомашин,лодок, катеров, авто- и железнодорожных цистерн, емкостей и аппаратурыхимической промышленности).
2 Сварка металлов и ее назначение. Технология электросварки
Сваркой называют технологический процесс получения неразъемных соединенийзаготовок посредством установления межатомных и межмолекулярных связей междусвариваемыми частями, что возможно при сближении атомов на расстояние, близкоек параметру кристаллической решетки.
Сварочные процессы применяютдля изготовления сварных конструкций, исправления брака литья и восстановленияполоманных и изношенных изделий.
Развитие сварки (особенно впоследние годы) привело к появлению новых ее видов и расширению возможностей иобласти ее применения. Новые виды сварки вследствие высокой концентрацииэнергии и малой длительности процесса (сварка электронным лучом, взрывом,лазерная, ультразвуковая, холодная сварка) характеризуются отсутствием реакцийобразования оксидов и других соединений от взаимодействия свариваемых металловс газами, флюсами, что обеспечивает прочность сварки и возможность соединенияматериалов, которые не свариваются традиционными способами.
Свариваются между собой какоднородные металлы, так и разнородные (например, сталь с медью, медь с алюминием),а также металлы с неметаллами (керамикой, стеклом, керметами и др.),пластмассы. ГОСТ 19521 — 74 определяет три класса сварки: термический,механический и термомеханический.
К термическому классуотносятся виды сварки плавлением, когда металл кромок свариваемых частейрасплавляется, образуя сварочную ванну (иногда вместе с присадочным металлом),а затем затвердевает, образуя сварной шов. Тепловая энергия, необходимая дляэтого, получается при преобразовании электрической или химической энергии. К этомуклассу относятся дуговая, электрошлаковая, плазменная, электронно-лучевая,лазерная, газовая, термитная сварка.
К механическому классуотносятся те виды сварки, при которых определяющим фактором являетсяпластическое деформирование, возникающее под влиянием давления в поверхностныхслоях соединяемых частей, в результате чего в зонах контакта дробятся ивытесняются адсорбированные включения кислорода, азота, паров воды, жировыхзагрязнений, происходит смятие выступов и заполнение впадин от шероховатостиповерхностей, увеличение активных площадок взаимодействия, сближение атомов доразмеров атомных радиусов, обобщение их электронов и образование благодаряэтому сварного соединения. К механическому классу относятся холодная,ультразвуковая сварка, сварка взрывом, трением.
К термомеханическому классуотносятся те виды сварки, при которых для образования сварного соединенияиспользуют тепловую энергию и внешнее давление. К этому классу относятсяконтактная, газопрессовая, диффузионная и другие виды сварки.
Для изготовления сварныхконструкций применяют следующие основные типы соединений: стыковое, внахлестку,заклепочное, угловое и тавровое. Стыковые соединения с отбортовкой (рис. 1, 1)применяют при толщине листа до 3 мм, листы толщиной 3 — 8 мм сваривают без разделки кромок (рис. 1, 2), при толщине листов до 15 мм применяют V-образную разделку кромок (рис. 1, 3),при толщине более 15 мм – X-образнуюразделку (рис. 1, 4), при толщине свыше 20 мм – чашеобразную простую или двустороннюю разделку (рис. 1, 5, 6). При соединениивнахлестку (рис. 1, 7) величина перекрытия кромок равна 3-5-кратнойтолщине свариваемых частей. Электрозаклепками (рис. 1, 8) обеспечиваетсяполучение прочных (но не плотных) соединений; для сварки верхний листпросверливается (или пробивается) и при заварке отверстия приваривается инижний лист; тонкие (до 3 мм) листы проплавляют дугой по-целому, без отверстий.Угловые соединения (рис. 1, 9) чаще всего получают без специальнойразделки кромок. Тавровые соединения для конструкций, несущих небольшиенагрузки, выполняют без скоса кромок (рис. 1, 10); при больших нагрузкахдля элементов толщиной 10 — 20 мм применяют односторонний (рис. 1, 11), апри толщине более 20 мм – двусторонний скос (рис. 1, 12).
Приведенныевиды разделки кромок и виды швов характерны для дуговой и газовой сварки.Сварка с глубоким проплавлением (лазерная, плазменная, электронно-лучевая) нетребует сложной подготовки кромок; другие виды сварки (электрошлаковая,ультразвуковая, холодная, контактная, диффузионная, термитная, сварка взрывом,трением) требуют лишь выравнивания и очистки свариваемых поверхностей.
/>
Рис. 1.
Структура сварных швовтермического класса зависит от вида сварки и ее технологии. При значительноймассе проплавляемого металла и соответственно времени формирования шва(дуговая, электрошлаковая, газовая, термитная сварка) образуются участки (рис.2) литого металла (/), перегрева (2), перекристаллизации (3), рекристаллизации(4). Для таких видов сварки характерны значительная зона термического влияния исвязанных с этим напряжений, что нередко требует последующего отжига илинормализации заготовок; кроме того, шов более или менее загрязнен газами ишлаками.
Другие виды сварки(электронным лучом, лазерная, плазменная) выполняются за доли секунды, даюттонкий и чистый шов, свободный от дефектов.
Сварка по способам, отнесеннымк механическому классу, осуществляется под действием сил, вызванных усилиемосадки Р (рис. 3), направленных нормально к поверхности соединения, апластическая деформация развивается параллельно этой поверхности, так как атомыповерхностного слоя не могут внедряться в глубь металла и находят перемещениеот середины к периферии поверхности соединения.
/>
Рис. 2. Рис.3.
Для термомеханического класса сваркивзаимосвязь параметров температура – давление для различных способов иразличных металлов является также различной. Сварные соединения образуются припластическом деформировании металла, причем давление назначается уменьшающимсяпо мере увеличения температуры процесса.
В 1802 г. акад. В. В. Петров открыл явление дугового разряда. В 1882 г. русский изобретатель Н. Н. Бенардос предложил применить электрическую дугу для сварки металлов угольнымэлектродом. В 1888 г. горный инженер Н. Г. Славянов заменил графитовый электродметаллическим. В настоящее время около 99 % работ, выполняемых дуговой сваркой,производится по способу Славянова. Дуговая сварка по распространению занимаетпервое место среди других видов сварки. Ее используют при производстве всехвидов подвижного состава железнодорожного транспорта, морских и речных судов,котлов, автомобилей, подъемно-транспортных сооружений, трубопроводов для газов,жидкостей и сыпучих материалов, металлических конструкций и арматуры зданий,промышленных сооружений, мостов, узлов и деталей электрических,сельскохозяйственных и других машин и механизмов. К числу металлов, свариваемыхэлектрической дугой, относятся почти все конструкционные стали, серый и ковкийчугуны, медь, алюминий, никель, титан и их сплавы и другие металлы и сплавы.
Сварка поспособу Бенардоса. Сварка производитсяграфитовым электродом 2 (рис. 4, а) с присадочным металлом от прутка 1 илибез него; сварка этим способом имеет ограниченное применение. Ею пользуются длясоединения с отбортовкой тонких стальных заготовок, где не требуетсяприсадочный металл, для цветных металлов и чугуна, а также для наплавкипорошковых твердых сплавов. Обычно применяют постоянный ток, причем дляустойчивости дуги и лучшего прогрева стыка при сварке пользуются прямойполярностью: заготовку включают анодом (+), а электрод – катодом ( – ).
/>
Рис. 4.
Сварка по способуСлавянова. При сваркеприменяют металлический электрод 3 в виде проволоки (рис. 4, б). Дугавозбуждается между электродом и основным металлом и плавит их оба, причемобразуется общая ванночка, где перемешивается весь расплавленный металл.Электродная проволока выпускается диаметром от 0,3 до 12 мм. Для сварки углеродистой стали применяют проволоку марок Св-08А, Св-08ГС, Св-10Г2, для сваркилегированной стали различных марок – легированную проволоку марок Св-08ГС,Св-18ХГС, Св-10ХМФТ, Св-12ХПНМФ, Св-12Х13, Св-09Х16Н25М6АФ и др.
При ручной сварке пользуютсяэлектродами, покрытыми обмазкой. Обмазки бывают стабилизирующими, защитными илегирующими.
По толщине покрытия электродыбывают (ГОСТ 9466 — 75) с тонкими, средними, толстыми и особо толстымипокрытиями. Тонкие покрытия являются стабилизирующими; они состоят из мела ижидкого стекла. Находящийся в составе мела кальций выделяется в плазме дуги,ионизирует ее, тем самым способствует устойчивости горения дуги.
Средние, толстые и особотолстые покрытия обеспечивают устойчивость горения дуги, а также защиту илегирование металла. Состав этих обмазок подбирается так, чтобы вокруг дугисоздавалась газовая среда, защищающая металл электрода 4 (рис. 4, в),стекающий в дуге, и металл ванночки 7 от окисления и растворения в нем газов.По мере плавления электродов обмазка шлакуется и шлак 6 равномерно покрываетшов 5, защищая металл от окисления и насыщения азотом. Кроме того, шлакзамедляет охлаждение металла, что способствует выделению растворенных газов иуплотнению шва. В случае надобности в обмазку добавляют ферросплавы длялегирования. Таким образом, в состав этих покрытий входят ионизирующие(например, мел), газообразующие (мука), шлакообразующие (полевой шпат)вещества, а также раскислители (ферромарганец) и легирующие компоненты.
Во всех случаях, когда сварнаяконструкция должна выдерживать большие нагрузки, применяют электроды с толстымии особо толстыми покрытиями, обеспечивающими прочность и вязкость шва, неуступающие основному металлу.
Электрические параметры дугимогут изменяться в широких пределах: применяют токи от 1 до 3000 А принапряжении от 10 до 50 В; мощность дуги – от 0,01 до 150 кВт. Такой диапазонмощности дуги позволяет использовать ее для сварки как мельчайших, так ибольших и тяжелых изделий.
Напряжение дуги в зависимости от силытока выражается кривыми, приведенными на рис. 5, определяющимивольтамперную или статическую характеристику дуги (1 – для дуги 3 мм; 2 – для дуги 6 мм). Приведенные кривые показывают, что при токе свыше 50 А (наиболее частоприменяемых при сварке) напряжение горения дуги почти не зависит от силы тока иопределяется длиной дуги.
/>
Рис. 5.
Типичными пороками сварныхшвов являются непровар (местное отсутствие сплавления между наплавленным иосновным металлом), пористость металла швов, шлаковые включения, трещины,пережог (окисление металла в шве и прилегающей к нему зоне).
Аппаратура для сварки.Дуговая сварка возможна на постоянном и переменном токах. Дуга напостоянном токе устойчивее, но расход электроэнергии выше. Для питания дугипостоянным током применяют генераторы и выпрямители.
Сварочные аппараты игенераторы делят на однопостовые – для питания одной дуги и многопостовые – дляпитания нескольких дуг. Для сварки используют стандартное напряжение тока (220,380, 500 В).
На рис. 6, а приведенасхема включения сварочного аппарата переменного тока. Первичная обмотка П трансформатора4 подключается к сети; ко вторичной обмотке В низкого напряжения (55 — 65 В)подключается регулятор тока (дроссель) 3. Ток регулируется изменениеминдуктивного сопротивления дросселя: часть 2 сердечника может перемещаться спомощью винта от вращения рукоятки 1, при этом изменяется воздушный зазор а, атакже регулируется сварочный ток.
Сварочные генераторыпостоянного тока приводятся в действие электродвигателем или двигателемвнутреннего сгорания.
Генераторы, питающие силовую иосветительную сети, должны обеспечивать постоянное напряжение независимо отнагрузки (величины тока, идущего потребителям). Внешняя вольтампернаяхарактеристика таких генераторов близка к прямой, параллельной абсциссе (криваяа на рис. 6, б).
Обмотка сварочных генераторов итрансформаторов должна быть предохранена от разрушения токами короткогозамыкания при возбуждении дуги. Внешняя вольтамперная характеристика этихгенераторов и трансформаторов должна быть падающей (кривая б), т. е. напряжениедолжно уменьшаться с увеличением тока, а при токе короткого замыканиянапряжение должно уменьшаться до нуля (точка 1); напряжение холостого ходадолжно быть достаточным для возбуждения дуги.
/>
Рис. 6
Сварочные генераторы итрансформаторы должны обладать хорошими динамическими свойствами, т.е.мгновенно реагировать на изменение вольтамперной характеристики сварочной дуги.Падающая характеристика в сварочных генераторах обеспечивается воздействиеммагнитного поля якоря на магнитное поле полюсов генератора: а всварочных трансформаторах – последовательным включением индуктивногосопротивления – дросселя (рис. 6, б).
Кривая б вольтампернойхарактеристики источника питания дважды пересекает кривую вольтампернойхарактеристики дуги; точка 2 характеризует параметры тока при возбуждении дуги,точка 3 – параметры ее устойчивого горения.
Для защиты глаз и лицасварщика от действия лучей дуги применяют щитки и шлемы с темными специальнымистеклами, поглощающими ультрафиолетовые лучи.
Автоматизацияэлектродуговой сварки. Приручной сварке сварщик должен поддерживать дугу, подавать электрод по мере егорасходования и передвигать дугу вдоль шва. Автоматизация этих приемов приводитк автоматической сварке.
Сущность способаавтоматической дуговой сварки под флюсом состоит в следующем. Сварочная головка5 (рис. 7) подает в зону дуги электродную проволоку 3 из кассеты 6. Дляпитания дуги, образующейся между основным металлом 2 и электродной проволокой,обычно пользуются переменным током. По мере образования шва 9 головка 5, а сней и дуга автоматически перемещаются вдоль разделки 1.Вместе с головкой перемещается и бункер 4, из которого в разделку шва переддугой засыпают гранулированный флюс. Таким образом, сварка протекает под слоемфлюса, защищающего наплавляемый металл от воздуха. Часть флюса расплавляется отсоприкосновения с дугой и при остывании образует корку 8, покрывающую шов.Сыпучий флюс, оставшийся поверх корки, отсасывается в бункер через сопло ишланг 7. Автоматическая сварка под слоем флюса в 5 — 10 раз производительнее ручной сварки.
/>
Рис. 7.
Дуговая сварка в средезащитных газов. Дуговаясварка в среде защитных газов – углекислом,аргоне или гелии – обеспечивает лучшую, чем при сваркепокрытыми электродами или под слоем флюса, защиту от воздействия кислорода иазота воздуха, лучшее использование тепла дуги.
Вместе с тем сварка в средезащитных газов не заменяет названные способы сварки, а применяется в машино- иприборостроении там, где эти способы не дают необходимых результатов. Длясварки в струе углекислого газа применяют горелки-держатели (рис. 8).Дуга 4 горит между заготовкой 5 и электродной проволокой 1, которая автоматически подается с постоянной скоростью. Подводтока к проволоке обеспечивается через контактные сапожки 2. Сварка выполняетсяна переменном или постоянном токе. Углекислый газ в зону сварки подается черезсопло 3; к горелке он поступает от баллона. Образующийся при сварке оксиджелеза раскисляется марганцем и кремнием, которые в повышенном количествесодержатся в электродной проволоке. Сварку в углекислом газе широко применяютдля углеродистой стали, заварки дефектов стальных отливок, наплавки ивосстановления изношенных деталей.
/>
Рис. 8.
Сварка в инертных газах(аргоне, гелии или их смесях) применяется для коррозионно-стойких сталей,титана, алюминия, меди, никеля, их сплавов и сплавов магния. Сварка выполняетсяплавящимся или неплавящимся электродом, постоянным или переменным током. Общая схема установки для сварки плавящимся электродом аналогичнаустановке при сварке в углекислом газе; электродная проволока применяется тогоже состава, что и основной металл. В качестве неплавящегося электродаиспользуют вольфрамовую проволоку, которую устанавливают в горелку. Длязаполнения разделки кромок в зону дуги вводят присадочный металл.
Электрошлаковая сварка – способ бездуговой электрической сваркивстык в расплавленном шлаке. Для наведения шлака применяют те же флюсы, что ипри электрошлаковом переплаве стали.
В перегретом шлаке 2 (рис. 9) расплавляется электродная проволока 4 иоплавляются свариваемые кромки 5 заготовки, металлсливается в общей сварочной ванне / и по затвердевании образует сварной шов.Медные ползуны 6, охлаждаемые водой, по мере наплавления шва автоматическиперемещаются вверх и обеспечивают формирование шва. На рис. 9 показано вертикальное сечение шва и видна лишь однасвариваемая часть заготовки (вторая очерчена штрихами). Зазор устанавливается впределах 20 — 25 мм для свободного прохода направляющих 3 с электроднойпроволокой. Сварку ведут одним электродом (проволокой) или несколькими взависимости от толщины заготовки на стыке.
Электрошлаковая сварка позволяетсоединять заготовки практически неограниченной толщины (чаще все же свариваютстыки толщиной 150—450 мм). Этот способ дает возможность заменить трудоемкиецель-нолитые и цельнокованые крупные детали сварнолитыми, сварноковаными исвар-нопрокатными, собранными из удобных в производстве заготовок.
Электрошлаковая сваркаприменяется при сооружении уникальных прессов, прокатных станов, емкостейвысокого давления, судов.
/>
Рис. 9.
Заключение
Пластические массы находят широкое применение вразличных отраслях народного хозяйства. В качестве конструкционных материаловпластмассы используют в машиностроении, автомобильной промышленности, авиации,приборостроении, электромашиностроении, судостроении и др. В электроннойтехнике полимерные материалы, например электреты, применяют в качестве активныхматериалов, в которых протекающие на молекулярном и электронном уровняхпроцессы обеспечивают работу прибора. Широко использование полимерныхматериалов в качестве пленок, клеев, волокон.
Сварка является одним изведущих технологических процессов современного машиностроения. Она позволяетсоединять самые разнообразные материалы и заготовки – от деталей, размерыкоторых исчисляются долями миллиметра, до гигантских многотонных конструкций.Соединения можно получать на земле, под водой, в космосе. Современная сварочнаятехника насчитывает десятки способов сварки. Непохожие, казалось бы, междусобой, эти способы объединяются одним общим понятием – сварка.
Сваркой называетсятехнологический процесс получения неразъемных соединений за счет установлениямежатомных (межмолекулярных) связей между поверхностными атомами двухсоединяемых заготовок.
Чтобы понять физическую сущность сварки,вспомним, что в металле атомы находятся в узлах кристаллической решетки, арасстояние между центрами атомов составляет 0,2 — 0,5 нм. При таких расстоянияхмежду атомами существует межатомная связь, т. е. существуют силы, удерживающиеатомы в неизменном по отношению к соседним атомам положении. При сварке задачасводится к тому, чтобы установить такие же связи между поверхностными атомамисоединяемых заготовок. Представим себе, что нам удалось сблизить две заготовкина расстояние, соизмеримое с параметром кристаллической решетки. Междуповерхностными атомами самопроизвольно возникнут межатомные связи. Это должнопроизойти без затраты энергии. Наоборот, энергия должна выделиться, потому что при этом исчезнут две поверхности, а ведьсуществование всякой поверхности связано с затратами энергии. Наличиеповерхностной энергии особенно хорошо заметно у жидкостей. Жидкости поддействием сил поверхностного натяжения стремятся приобрести такую форму, прикоторой поверхность становится минимальной при том же объеме. Поверхноститвердого тела также обладают энергией, только силы поверхностного натяжениянедостаточны для того, чтобы изменить форму твердого тела. Поэтому в нашеммысленном эксперименте установление межатомных связей произойдет с выделениемэнергии системы. С точки зрения термодинамики такой процесс возможен. Однако напрактике осуществить соединение двух заготовок простым их сближением неудается. Два обстоятельства препятствуют этому.
Первое. Поверхности заготовокне являются идеально ровными. Рельеф поверхности представляет собой чередованиевыступов и впадин, и высота неровностей даже при самой тщательной обработке вдесятки и сотни тысяч раз больше межатомного расстояния. Поэтому при сближенииповерхностей контакт наступит только в отдельных точках.
Второе. Поверхностные атомы неимеют свободных связей. Поверхности покрыты оксидами, а также пленками газов ижидкостей, состоящими из адсорбированных атомов внешней среды. Эти пленки имеюттолщину на несколько порядков больше, чем межатомные расстояния. Так, послепротирки бензином на поверхности остается пленка толщиной 1 — 5 мкм.
По этим причинам попыткаполучить соединение за счет сближения двух заготовок будет обречена на неудачу,если не принять меры для преодоления указанных препятствий.
Для получения качественногосоединения между двумя заготовками необходимо обеспечить контакт по большейчасти стыкуемых поверхностей и активировать их, т. е. сообщить поверхностямнекоторую энергию. Эта энергия необходима для обрыва связей между атомамизаготовки и внешней среды и для повышения энергии поверхностных атомов, которыепри этом переходят в активное состояние.
В сварочной технике существуютдля этого два средства. Это нагрев и давление, применяемые отдельно илисовместно. В зависимости от степени нагрева и наличия давления все процессысварки делятся на две группы способов: сварка плавлением и сварка давлением.Сам процесс установления межатомных связей может происходить до их оплавления.При этом разрушается кристаллическая решетка и образуется жидкая металлическаяванна, общая для двух свариваемых заготовок, называемая сварочной ванной.Поверхностные пленки разрушаются или всплывают на поверхность сварочной ванны.Жидкий металл смачивает оплавленные поверхности, что обеспечивает возникновениемежатомных связей между соприкасающимися атомами жидкой и твердой фаз. Навторой стадии при охлаждении происходит кристаллизация с образованиеммежатомных связей.
При сварке давлением сближениеповерхностных атомов достигается за счет совместной пластической деформации взоне соединения. Необходимо кратковременное механическое воздействие назаготовки для их сжатия и сближения атомов до возникновения межатомных силсвязи. Очистка поверхности от пленок, а также сближение атомов достигаютсяпутем совместной пластической деформации в зоне соединения. Неровностисминаются, поверхностные пленки раздробляются. Заготовки контактируют по чистымповерхностям. Сварка давлением возможна лишь при том условии, что материалспособен воспринимать значительные местные пластические деформации безразрушения. Часто для повышения пластичности материала места соединениянагревают.
Как при сварке плавлением, таки при сварке давлением в зоне соединения возникает тот тип связи между атомами,который имеет место внутри свариваемых материалов.
Список используемой литературы
1. А.И. Самохоцкий, Б.А. Кузьмин. Металлургия, металловедениеи конструкционные материалы.
2. В.М. Никифоров. Технология металлов и конструкционныематериалы.
3. Б.А. Кузьмин. Технология металлов и конструкционныематериалы.
4. Воскобойников В.Г., Кудрин В.А., Якушев А.М. Общаяметаллургия.
5. Думов С.И. Технология электрической сварки плавлением.
6. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение.
7. Линчевский Б.В., Соболевский А.Л., Кальменев А.А. Металлургиячерных металлов.
8. Гуляев А.П. Металловедение.
9. Лахтин Ю.М. Металловедение и термическая обработкаметаллов.
10.Севрюков Н.Н.,Кузьмин Б.А., Челишев Е.В. Общая металлургия.