Сварка давлением, механика, детали машин

Введение
Сварка является экономически выгодным, высокопроизводительным технологическим процессом, что обеспечивает ее использование во всех областях машиностроения, строительства, науки и техники. Особое место среди видов сварки занимает сварка металла давлением. Сварка  давлением незначительно изменяет химический состав, структуру и свойства металла. С ее помощью могут быть получены сварные соединения с такими же свойствами, как у основного металла без дополнительной обработки после сварки. Это одно из основных преимуществ сварки давлением, в сравнении со сваркой плавлением. К сварке давлением без нагрева  относится холодная сварка и сварка взрывом. Для этих способов характерно высокое давление на детали в зоне соединения, в несколько раз превышающее предел текучести и даже предел прочности свариваемого металла при комнатной температуре, что обеспечивает совместное пластическое деформирование соединяемых поверхностей. С их помощью могут быть получены сварные соединения с такими же свойствами, как у основного металла без дополнительной обработки после сварки.  Цель данной работы: изучить сущность процесса сварки взрывом и холодной сварки, проведения и подготовки поверхности деталей под холодную сварку; уметь применять полученные знания в процессе обучения в практической деятельности по своей специальности, формирование профессиональных компетенции в изучаемой области знаний. 1. Подготовка деталей под холодную сваркуХолодная сварка для металла — это технологический процесс, предназначенный для сварки металлов без нагрева, за счёт возникающей при сжатии металлических заготовок друг с другом деформации. Это простой и экономичный способ, применяемый в производстве изделий из алюминия, меди, цинка, серебра и других металлов, в электротехнике, автомобилестроении, ювелирной и других отраслях промышленности. На рисунке 1 представлен процесс холодной сварки металла.Рисунок 1. Процесс холодной сварки металлаМетод основан на сжатии заготовок между пуансонами – стержнями для точечной и роликами для шовной холодной сварки. Пуансон вжимается в металл, разрушая оксидные пленки на поверхности, чем вызывает деформацию заготовок. Сварка происходит либо за счёт простого сдавливания заготовок, либо после сжатия одновременно со сдвигом.Подготовка поверхностей к сварке заключается в удаление жировых и масляных загрязнений. Основная трудность подготовки поверхности деталей под холодную сварку заключается в тщательном удалении органических и адсорбированных пленок. Органические пленки - это тонкие пленки масел, жирных кислот и парафинов, которые покрывают свариваемые поверхности. Легко проникая в несплошности на поверхности металла, они твердеют в пограничном слое, крепко соединяясь с металлом, и в значительной мере затрудняют процесс сварки, так как при пластических деформациях не разрушаются. После промывания замасленного металла бензином слой органических молекул составляет 1...5 мкм и только при особенно тщательной обработке растворителями сохраняется жировая пленка толщиной 10...100 молекул. Полностью удалить масляные покрытия с металла практически невозможно никакими растворителями, поскольку адсорбционная связь жировых молекул и металла является чисто электрическим.Препятствуют сварке и адсорбированные на поверхности пленки пары воды, газов. Пленка пары воды составляет 50...100 молекул. Мономолекулярный слой адсорбированных газов образуется почти мгновенно. Для образования молекулярного слоя достаточно 2,4·10-8 с. Эти пленки ухудшают процесс сварки, а удалить их тяжело. В глубоком вакууме, где образование пленок происходит медленно, осуществить холодную сварку значительно проще.Применяют следующие способы подготовки поверхностей:очистку вращающимися стальными проволочными щетками (для холодной сварки внахлестку);обрезку концов специальными резаками (для холодной сварки встык);никелирование (при холодной сварке мелких деталей);анодирование (при холодной сварке фольги);отжиг (при холодной сварке мелких деталей из алюминия).Очистку вращающимися щетками применяют наиболее широко. Этот метод подготовки поверхности обеспечивает наибольшую прочность соединений. Однако при практическом использовании этого метода необходимо строго соблюдать особые требования:диаметр щетки при ее стационарной установке 200 мм, а диаметр проволочек 0,2 - 0,3 мм. В переносных установках диаметр щетки должен быть не более 100 мм. Частота вращения щетки 1500 - 3000 об/мин.щетки должны быть чистыми и сухими, их нельзя использовать для других целей (удаления окалины, снятия изоляции). стационарные щетки рекомендуется располагать вблизи сварочных машин. Необходимо постоянно следить за их чистотой и периодически промывать их бензином, не допуская загрязнения. Попадание грязи и жира со щеток на обрабатываемую поверхность исключает возможность холодной сварки;чистыми и сухими должны быть также сами детали, предназначенные для холодной сварки. Нередко в состоянии поставки металлические детали покрыты консервационной смазкой. Этот слой масла должен быть тщательно удален до того, как детали поступят на операцию очистки щетками. При подготовке медных деталей окалину с них также удаляют до начала обработки щетками.В лабораторных условиях сохранность чистоты подготовленных к холодной сварке поверхностей может быть обеспечена продолжительное время между очисткой и сваркой. В реальных производственных условиях невозможно обеспечить сохранность чистоты подготовленных поверхностей в течение длительного времени, поэтому рекомендуют сваривать детали в течение той же рабочей смены, в которой производилась очистка.При коротком промежутке времени между очисткой и сваркой (15 с) наблюдается некоторое повышение прочности.Разрушение точечных соединений при механических испытаниях (срезе, отрыве) в случае хорошего качества сварки происходит по периметру сварной точки. Сокращение промежутка времени между очисткой и сваркой является одним из резервов повышения прочности соединений, выполненных точечной холодной сваркой.Обрезку концов деталей применяют для подготовки стержней малых и средних сечений, а также проводов к сварке встык. Обрезку производят специальными резаками перед сваркой на стыковых машинах. Эти резаки расположены на машине или вблизи зоны сварки, или встроены между зажимными губками и производят обрезку концов деталей, уже зажатых в губках. Последний вариант является наиболее надежным, так как он полностью исключает возможность загрязнения подготовленных к холодной сварке торцов деталей.Никелирование, являющееся лучшим из способов покрытия, обеспечивает стабильно высокое качество лишь в том случае, если подготовленные детали сразу же после никелирования защищают от возможного загрязнения руками.При любом из способов подготовки сохранение чистоты подготовленных к холодной сварке поверхностей деталей является обязательным условием обеспечения хорошего качества соединения. Это требование должно выполняться неукоснительно. В реальных заводских условиях (как показывает многолетний опыт практического применения холодной сварки) оно выполнимо без больших затруднений.Отжиг применяют перед сваркой мелких алюминиевых деталей при температуре 350 - 400°С при свободном доступе воздуха.Травление и обезжиривание как способы подготовки деталей для холодной сварки считаются абсолютно недопустимыми средствами. Такой категорический запрет объясняется тем, что остатки травящих и моющих веществ практически всегда остаются на поверхностях деталей и препятствуют образованию прочного соединения в процессе сварки.Простота подготовки деталей к сварке и контролю параметров режима, отсутствие вспомогательных материалов, газовых и тепловых выделений, возможность дистанционного управления и скорость процесса делают холодную сварку удобной для использования, не нуждается в высокой квалификации сварщика-оператора.2. Процесс сварки взрывомСварка взрывом – сравнительно новый перспективный технологический процесс, позволяющий получать биметаллические заготовки и изделия практически неограниченных размеров из разнообразных металлов и сплавов, в том числе тех, сварка которых другими способами затруднена. Сварка взрывом относится к группе механических процессов соединения металлов, при котором химическая энергия заряда взрывчатого вещества превращается в механическую, сообщая одной из свариваемых частей большую скорость перемещения. При соударении движущей части с неподвижной частью, вырабатывается кинетическая энергия, которая идет на пластическую деформацию соединяемых слоев металла, что приводит к свариванию металла. На рисунке 2 представлена принципиальная схема сварки взрывом.Рисунок 2. Принципиальная схема сварки взрывомСварка взрывом основана на использовании направленного взрыва. Соединяемые поверхности двух заготовок 4 и 3, в частности пластин, одна из которых неподвижна и является основанием, располагают под углом друг к другу на расстоянии  n0. На заготовку 3 кладут взрывчатое вещество 2 толщиной Н, а со стороны, находящейся над вершиной угла, устанавливают детонатор 1. Сваривают на жесткой опоре. Давление в продуктах детонации, возникающее в результате взрыва, сообщает импульс расположенной под зарядом пластине.Заготовка 3 отбрасывается взрывом со скоростью 1000 м/с на поверхность неподвижной пластины. В месте соударения заготовки с пластиной образуется угол а, который перемещается вдоль соединяемых поверхностей. При соударении из вершины угла выдуваются оксидные пленки и другие загрязнения. Соударение пластин вызывает течение металла в их поверхностных слоях. Поверхности сближаются до расстояния действия межатомных сил сцепления, и происходит схватывание по всей площади соединения. Продолжительность сварки взрывом не превышает нескольких микросекунд. Прочность соединений, выполненных сваркой взрывом, выше прочности соединяемых материалов. Разрушение при испытании происходит на некотором расстоянии от плоскости соединения по наименее прочному металлу. Это объясняется упрочнением тонких слоев металла, прилегающих к соединенным поверхностям, при их пластической деформации. Параметрами сварки взрывом являются скорость детонации V, нормальная скорость VH метаемой пластины при соударении с основанием. Сварку взрывом используют при изготовлении заготовок для проката биметалла, плакировке поверхностей конструкционных сталей металлами и сплавами с особыми физическими и химическими свойствами, при сварке заготовок из разнородных материалов. Целесообразно сочетание сварки взрывом со штамповкой и ковкой.Взрывом успешно сваривают углеродистые и легированные конструкционные стали, медь, алюминий, титан, их сплавы и другие металлы и сплавы. Операция может выполниться на воздухе, в воде, в разреженной среде. Может сваривать как однородные, так и разнородные материалы, получать компактные изделия из металлических порошков.Сварку взрывом применяют для получения листового биметалла, при облицовке и армировании заготовок, прокладке трубопроводов под водой, вварке заглушек в трубы.На практике наиболее распространена схема, когда угол равен 0°, так называемая, параллельная схема. Эти базовые схемы являются основой для всех технологических схем, разработанных для каждого конкретного случая (см. рис. 3).Рисунок 3. Технологические схема сварки взрывом:Схема а – параллельная, для сварки многослойных изделий; б – плакирование наружной поверхности труб; в – эквидистантная схема; г – плакирование внутренней поверхности труб: д – плакирование крупногабаритных обечаек с противозарядом;позиции:  1 – детонатор; 2 – заряд взрывчатого вещества;3 – метаемый элемент; 4 – неподвижный элемент; 5 – опора; 6 – установочный элемент;7 – стержень; 8 – конус; 9 – матрица.Подготовка к сварке. Перед сваркой взрывом поверхности соединяемых изделий должны быть очищены от загрязнений (масляных плёнок, краски, ржавчины и других), потому что при скоростях детонации 2000-2500м/с с поверхностей удаляются только плёнки, толщиной доя 12мкм. Результаты, полученные на практике, показали, что поверхности необходимо зачистить до зеркально блеска, или же протравить и обезжирить. Кроме того, свариваемые поверхности не должны иметь дефектов (пор, раковин, различных инородных включений), иначе, при сварке возможно разрушение. Также практические данные говорят о том, что прогиб исходных заготовок не должен быть более 5-10мм на погонный метр. Несоблюдение этого требования может повлечь такой дефект, как непровар сварного соединения.Оборудование и оснастка для проведения сварки взрывом зависит от того, где будут выполняться работы. Сварку можно производить в полевых условиях на специально подготовленных полигонах, а также на промышленных объектах. Специальные полигоны для сварки в полевых условиях оборудуются вдали от промышленных баз и населённых пунктов. Такие места обязательно ограждаются, и размеры ограждаемой зоны зависят от массы подрываемого за один раз заряда. На полигоне обязательно должны быть в наличии минные станции и укрытия для техники.Свариваемые изделия обрабатывают на специальных опорах. Они должны быть долговечными и не допускать чрезмерной деформации изделий. Подготовка опор проводится с использованием бульдозеров и погрузчиков. Сооружают опоры из смеси грунта, песка и щебня. Для размещения изделий на опоре необходимы самоходные краны требуемой грузоподъёмности. Недостатками сварки в полевых условиях является влияние климатических условий на качество сварки, а также трудность в достижении высокого уровня механизации процесса.В условиях промышленных предприятий, для защиты от поражающих факторов взрыва, процесс проводится в подземных выработках, где для этой цели оборудованы специальные бетонные и металлические взрывные камеры. Наиболее перспективными для промышленности являются металлические взрывные камеры. Они изготавливаются в виде замкнутых оболочечных конструкций, имеющих форму цилиндра или сферы. Эти камеры оснащаются загрузочным люком, внутренней опорой, вытяжной вентиляцией и системой подрыва взрывчатого вещества. Есть варианты конструкции взрывных камер, в которых предусмотрены внутренние защитные экраны, которые ослабляют силу ударной волны, воздействующей на оболочку.Для взрывчатого вещества в количестве нескольких килограммов, используются оболочки небольших размеров (с радиусом, не превышающим 1,5м) толщиной 50-100 мм. Для взрывных камер повышенной мощности изготавливают оболочки больших габаритов, или же применяют комбинированные оболочечные конструкции. Многолетний опыт применения взрывных камер на заряд в количестве 0,25-50 кг взрывчатого вещества, подтвердил их высокую степень надёжности и удобство в эксплуатации и обслуживании.Контроль качества сварных соединений. Основными критериями для оценки качества биметалла, полученного при сварке взрывам, являются сплошность (отсутствие или наличие дефектов в сварном шве) и прочностные свойства сварного соединения, общая прочность биметалла, а также деформация изделия. Сплошность соединения определяют методом ультразвукового контроля. Для ответственных изделий применяют метод рентгеноскопии сварного шва. Прочностные свойства определяют по результатам испытания на срез и разрыв. Пластичность оценивают по результатам испытаний на гиб с перегибом и изгиб. Все механические свойства полученного биметалла определяют такими же способами, которые применяются для определения аналогичных свойств обычного монометалла. Достоинства и недостатки. Сварные соединения, полученные взрывом, обладают достаточно большими прочностными свойствами. При испытаниях разрушение образцов, как правило, происходит по наименее прочному металлу пары на некотором расстоянии от плоскости соединения.К недостаткам процесса можно отнести трудность сварки малопластичных, хрупких металлов (чугуна, высокопрочных титановых сплавов), разрушающихся при взрывном нагружении.
Заключение
В реферате отражена и раскрыта тема учебного материала в соответствии с заданием. При раскрытии данного вопроса были детально изучены необходимые теоретические основы и положения, которые позволили сделать определённые выводы:1) Основной задачей сварочного производства является обеспечение высокого качества выпускаемой продукции, ее малой металлоемкости, себестоимости и конкурентоспособности на внутреннем и внешнем рынке. 2) Сварка является экономически выгодным, высокопроизводительным технологическим процессом, что обеспечивает ее использование во всех областях машиностроения, строительства, науки и техники. Особое место среди видов сварки занимает сварка металла давлением. 3) Применение способов сварки давлением значительно расширило диапазон свариваемых материалов, в том числе разнородных металлов, а также неметаллических материалов, исключило в ряде случаев возникновение при сварке трещин, пористости, способствовало уменьшению деформаций сварных узлов. 4)  К сварке давлением без нагрева  относится холодная сварка и сварка взрывом. С их помощью могут быть получены сварные соединения с такими же свойствами, как у основного металла без дополнительной обработки после сварки.Тема реферата раскрыта в рамках ориентированных на применение исследовательского подхода, что способствует лучшему усвоению учебного материала. Материал данной работы может использоваться для подготовки к зачёту или экзамену.
Список используемой литературы
1. Маслов, В.И. Сварочные работы: учебн. Пособие для высш. проф. Образования/В.И. Маслов//— 6-е изд. стер. — М.: Издательский центр «Академия». — 2007. — 240 с.2.Новиковский, Е. А. Учебное пособие «сварка металлов» / Е. А. Новиковский. – Барнаул: Типография АлтГТУ,2013. – 106 с.3.Каракозов, Э. С. Сварка металлов давлением/. - М.: Машиностроение, 1989. – 275с.4. Банов, М.Д. Сварка и резка материалов: Учеб. пособие М.Д. Банов, Ю.В. Казаков, М.Г. Козулин и др.; Под ред. Ю.В. Казакова. -2-е изд., стер. - М.: Издательский центр «Академия», 2002. - 400 с.5. Стройман, И.М. Холодная сварка металлов. Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1985.-224 с. 6. Гельман, А.С. Основы сварки давлением. М.: Машиностроение, 1970. 321с. Кочергин К.А. Сварка давлением. Л.: Машиностроение, 1992. -216с.Интернет-ресурсыhttps://taina-svarki.ru/sposoby-svarki/svarka-davleniem/svarka-vzryvom-sushchnost-tehnologiya-i-primenenie.php