Лекция № 13 Контактные способы сварки. Наплавка. Металлизация

создается электрическим током, проходящим через зону сварки

(т.к. теплота выделяется

в местах контакта свариваемых элементов, появился термин «контактная сварка».

- металл в точках контакта нагревается до термопластичного состояния,
- заготовки сдавливаются сварочным усилием (давлением) Рсв,
- металл деформируется, оксидные плёнки разрушаются и вытесняются к переферии,
- чистые слои металла образуют сварное соединение.

Различают стыковую, точечную и шовную контактную сварку

Заготовки даже после тщательной обработки соприкасаются только в отдельных точках (б)

При прохождении эл. тока через заготовки максимальное тепло выделяется в месте их контакта,
т.к. эл. сопротивление стыка выше, чем у сплошного металла заготовок (а).

сжимающим усилием Рсв.
1,2 – заготовка;
3 – губки зажима-электрода (усилие Рз);
4

– подвижная плита (обеспечивает Рсв);
5 – неподвижная плита машины;
6 - источник питания – понижающий св. трансформатор;

Lу – установочная длина (расстояние от зажимов-электродов до торцов заготовок).

При уменьшении Lу уменьшается зона нагрева, затрудняется деформация, нe полностью выдавливаются загрязнения, теряется теплота в электродныe губки машины.

При увеличении Lу возможно искривление деталей от Рсв.

Различают два вида стыковой контактной сварки:
сварку сопротивлением и сварку оплавлением

Стыковая контактная сварка –
сварка, при которой соединение свариваемых частей
происходит по поверхности стыкуемых торцов.

вначале прикладывают давление, затем пропускают ток, температура стыка достигает
Тсв

= 1000-12000С, при которой происходит осадка металла.

Осадка при сварке - операция местной пластической деформации свариваемых частей при сварке с применением давления.


2. Стыковая сварка оплавлением - контактная сварка, при которой детали поступательно сближаются и ток, протекающий через определенные точки контакта, вызывает искровые вспышки и выбросы расплавленного металла.

Преимущества сварки оплавлением перед сваркой сопротивлением:

При оплавлении выравниваются неровности стыка, а окислы и загрязнения удаляются (не требуется подготовки места соединения).

можно сваривать заготовки с различными сечениями в зоне контакта.

- можно сваривать разнородные металлы.

4 - медные электроды;
5 – трансформатор;
Рсж – усилие

(давление) сжатия.

Макс. нагрев - в зонах контакта заготовок друг с другом.

После отключения тока Рсж остается неизменным, либо увеличивается до Рп (усилие поковки точки). Проковка с усилием Рп предотвращает трещины и раковины (поры).
После небольшой выдержки давление снимается.

Односторонней сваркой соединяют заготовки одновременно в двух и более точках.
В автомобиле- и самолетостроении используют многоточечные машины, которые могут иметь до 100 пар электродов и одновременно сваривать 200 точек.

Точечная контактная – сварка, при которой шов получается в точке между деталями, расположенными между электродами.

а и б – двусторонняя и односторонняя точечная контактная сварка

непрерывно, ток течет непрерывно или прерывисто.
Детали располагаются между роликовыми электродами

или роликовыми электродами и оправкой – образуется ряд сварных точек, которые перекрывают друг друга.

а – двусторонняя шовная сварка;

б – односторонняя шовная сварка;

в – сварной шов

1 и 2 - заготовки; 3 – шов; 4 – медные роликовые электроды; 5 – трансформатор;
Vсв – скорость сварки; Рсж – усилие сжатия;

При сварке с перекрытием точек – шов сплошной (герметичный (в).
При сварке без перекрытия – шов, как при точечной сварке.

Сварка выполняется при двустороннем (а) и одностороннем (б) расположении электродов.

аккумулированной энергией.

Энергия накапливается в конденсаторах (левое положение перекл. П)

при их зарядке от источника тока (выпрямителя В), а затем в процессе разряда преобразуется в теплоту, которая выделяется в контакте между заготовками.

Способы конденсаторной сварки:
Бестрансформаторная и трансформаторная

Бестрансформаторная – конденсатор разряжается непосредственно на заготовки

Используется в основном для стыковой сварки

стыковой
Трансформаторная - конденсатор разряжается на первичную обмотку трансформатора, ко вторичной

обмотке которого подключены электроды, воздействующие на заготовки

большей концентрации энергии, уменьшает зону разогрева);
4 – обжимные валки (перемещают

изделие и создают Рсв);
5 – сварной шов.
Рсв – сварочное усилие;
Vсв – скорость сварки.

Индукционная схема токоподвода

Ток I от высокочастотного генератора создает в индукторе магнитное поле, которое наводит в заготовке эл. ток Iсв, который проходя по периметру заготовки отклоняется в точке схождения кромок А, где создается максимальная концентрация энергии, металл быстро нагревается до Т термопластического состояния.

Индукционная сварка
- сварка давлением, при которой нагрев происходит вихревыми токами, наводимыми в свариваемом изделии магнитным полем индуктора, подключенного к генератору ТВЧ.

генератора, подводится к изделию через скользящие токоподводящие контакты 2.

Проходя

по периметру заготовки и встречая зазор между свариваемыми кромками, ток отклоняется к точке схождения кромок А, где создается максимальная концентрация энергии, что обеспечивает быстрый нагрев металла.

Высокочастотная сварка
- контактная сварка, при которой нагрев происходит переменным током (10…450кГц), от высокочастотного генератора.

установленном непрерывном давлении и нагреваются в области контакта или во

всем объеме при установленной температуре в течение установленного времени.

Сварное соединение образуется в вакууме в результате взаимной диффузии атомов в поверхностных слоях контактирующих материалов, находящихся в твердом состоянии.

1 – гидроцилиндр;
2 – шток;
3 – водоохлаждаемая рабочая камера (разрежение 10-5 мм.рт.ст.);
4 - стол;
5 – нагреватель (Тн = 600…80°С)
6 – заготовки;
Вн – вакуумный насос;
Рсв – сдавливающее усилие.

Поверхности тщательно очищают.
Продолжительность сварки – около 5 мин.
В результате нагрева в вакууме поверхности очищаются от окислов и загрязнений.
Сварные швы, обладают высоким качеством и не имеют σвн.

к нагретым или холодным заготовкам, создается прокатными валками.
Применяется для получения

биметаллических (многослойных) изделий.

Горячую сварку прокаткой производят с предварительным нагревом пакетов.
Для уменьшения окисления заготовок их герметизируют швом 3 по периметру (а),
сварку прокаткой также производят в вакууме или инертном газе.
 
Холодную сварку прокаткой применяют для получения двух- или трехслойных биметаллов:
(сталь + слой из цветных металлов,
например сталь + медь, сталь + латунь,
медь + алюминий, алюминий + титан,
алюминий + сталь + алюминий)

1 – основной слой;
2 – рабочий (плакирующий) слой;
3 – герметизирующий сварной шов.

Поверхности слоев 4 и 5 тщательно зачищают, валки 6 создают усилие Рсв и сообщают заготовкам скорость Vсв.

ультразвуковая сварка; сварка трением; сварка взрывом; холодная сварка.  

Ультразвуковая

сварка
сварка давлением, при которой механические колебания высокой частоты и малой амплитуды и статическая сила формируют шов между двумя свариваемыми заготовками при температуре значительно ниже температуры плавления металла.

Силы трения возникают от действия колебаний с УЗ частотой 15-30 кГц.
(магнитострикционный эффект - изменение размеров феррита от переменного магн. поля).
Амплитуда колебаний на наконечнике – от 1–3 мкм (А) до десятков мкм (А1).

Применяется
для получения нахлесточных соединений:
сваривают фольгу, тонкие листы, проволоку.

М – момент;
Рсв – сжимающая сила Рсв;

1 – магнитострикционный преобразователь; 2 – трансформатор продольных колебаний;
3 – инструмент; 4 – наконечник;
5 – заготовки; 6 – опора; 7 – катушка;
2,3 и 4 – волновод.

их трения друг о друга.
Трение поверхностей осуществляется вращением или возвр.-поступательным

движением.

Свариваемые заготовки 1 и 2 (рис. а) устанавливаются в зажимах, один из которых 3 неподвижен, а второй 4 совершает вращательное и поступательное движения.

Заготовки сжимаются силой Рсв, после чего включается механизм вращения, окисные пленки разрушаются и удаляются.

Поверхности трения нагреваются до 1000–1300С, вращение прекращают, силу Рсв увеличивают – образуются прочные металлические связи.

Способы сварки трением:

а- вращение одной заготовки при неподвижной более массивной заготовке;
б – вращение двух заготовок примерно одинаковой массы;
в – вращение вставки при большой массе обеих свариваемых заготовок;
г – возвратно-поступательное перемещение заготовки, когда вращение заготовок затруднено или невозможно.

соударении друг с другом
вследствие детонации пирозаряда.

1 – неподвижная

заготовка;
2 – метаемая заготовка;
3 – взрывчатое вещество – аммонал, тол, гексоген
(вес 1-2% от массы метаемой пластины);
4 – детонатор;

 = 2-16° – исходный угол между заготовками;
h0 = 2-3 мм – исходное расстояние между заготовками;
 – угол, образовавшийся при соударении свариваемых заготовок.

Струя взрыва разрушает и уносит плёнки окислов и загрязнения.
Теплота, выделяющаяся при столкновении деталей, способствует сварке.

Отдельные участки поверхностей оплавляются, а на других процесс приближается к холодной сварке.

Следующее за углом  соударение заготовок сближает поверхности до расстояний межатомного взаимодействия – происходит схватывание по всей площади соединения.

вызывающее значительную пластическую деформацию.

Физическая сущность: заготовки сдавливаются и пластически

деформируются, окисные пленки разрушаются и удаляются из зоны контакта течением металла – происходит соединение поверхностей вследствие диффузии и образования металлических связей

Получают стыковые и нахлесточные соединения, выполняемые точечной, стыковой и шовной сваркой, без подведения эл. тока (без нагрева) и при значительной пластической деформации.

Точечная холодная сварка (а) –
поверхности заготовок 1 зачищают и обезжиривают.

К пуансонам 2 и 3 прикладывается Рсв и рабочие выступы (высота 0,7…0,8 от толщины свариваемого металла) проникают в заготовки.


Свариваемые точки имеют форму, определяемую формой рабочих выступов пуансонов (б)

сварное соединение;
1, 2 – свариваемые детали; 3 – пуансоны;

4 – насечки;
d – диаметр заготовок; Рсв – сжимающее усилие (давление)

Поверхности предварительно зачищаются и обезжириваются.

К пуансонам прикладывается Рсв, под действием которого образуется Св-С (б) .

Применяется при сварке алюминия, меди, свинца, никеля, золота, серебра и их сплавов; однородных и разнородных металлов в приборостроении, электромонтажном производстве.

получения желаемых свойств или размеров

В случае применения для наплавки сварки

давлением употребляется термин наварка

Различают изготовительную и восстановительную наплавку.


Изготовительная наплавка служит для получения новых биметаллических (многослойных) изделий.
Они состоят из основы (основной металл), обеспечивающей конструкционную прочность, и наплавленного слоя (наплавленный металл) с особыми свойствами (износостойкость, жаростойкость, жаропрочность, коррозионная стойкость и т.д.)


Восстановительная наплавка применяется для восстановления первоначальных размеров изношенных или поврежденных деталей.
Наплавленный металл может быть близок по составу и свойствам основному металлу (восстановительная размерная наплавка) или отличаться от них (восстановительная износостойкая наплавка)

к уменьшению доли основного металла в металле шва (γо).
γо,

% - зависит от способа и режима наплавки.
γо = [Fпр / (Fпр + Fн)]×100, %
где Fпр – площадь сечения расплавленного осн. металла (площадь проплавления).
Fн – площадь сечения наплавленного металла (площадь наплавки).

Основные требования к качеству наплавки:
надежное сплавление основного металла с наплавленным;
отсутствие дефектов в наплавленном металле;
обеспечение заданных свойств наплавленного металла.

Поверхность наплавки выравнивают на металлорежущем оборудовании.

Уменьшение напряжений:
минимальная протяженность ЗТВ;
общий предварительный подогрев изделия
до 200...400 °С;
высокотемпературный отпуск после наплавки.

Уменьшение деформаций:
жесткое закрепление изделия в приспособлении;
локальное охлаждение зоны наплавки.

Сечение наплавленного валика
2 – основной металл;
1 – наплавленный металл;
hн – толщина наплавленного слоя.

высокохромистые, хромоникелевые, высоковольфрамовые и молибденовые);

2.Специальные сплавы на основе железа (высокохромистые

чугуны,
сплавы с хромом и бором, сплавы с кобальтом, молибденом и вольфрамом);

3.Сплавы на основе никеля и кобальта (хромоникелевые сплавы с бором и кремнием,
никелевые сплавы с молибденом, кобальтовые сплавы с хромом и вольфрамом);

4.Карбидные сплавы (с карбидами вольфрама, ванадия, хрома);

5.Сплавы на медной основе (бронзы алюминиевые, оловянно-фосфористые).


Наплавка может выполняться плавящимся и неплавящимся электродом.

Применение нескольких электродов позволяет повысить производительность наплавки. Ленточные электроды позволяют снизить долю расплавляемого осн. металла (дуга в этом случае перемещается по торцу ленты от одного конца к другому.)

Наплавка неплавящимся электродом может выполняться как с присадкой, так и без присадки с использованием порошков и флюсов, предварительно нанесенных на наплавляемую поверхность.

дуговая наплавка;
автоматическая дуговая наплавка под флюсом;
электрошлаковая наплавка с использованием нескольких

электродов (толщина наплавляемого слоя не менее 5 мм)
разновидности наплавки с использованием плазменной дуги или газового пламени;
лазерная наплавка (исправление точечных дефектов, не приводит к деформации изделия);

давлением:
электроконтактная наварка проволоки и ленты;

специализированные способы:
индукционная наплавка порошкообразным сплавом.

в результате осаждения на ней жидкого металла, распыляемого газовой струей.

можно покрывать поверхности деталей почти из всех металлов, в т.ч. сложной формы

не приводит к структурным изменениям в покрываемом материале, т.к. нагрев до Т=70С (можно наносить покрытие на любые материалы: металл, пластмассу, дерево..).

Толщина наносимого слоя – от 0,02 до 10 мм и более.

Применяют для защиты от:
изнашивания (изнашивающиеся части валов, подшипников);
коррозии (цистерны, бензобаки, мосты);
в декоративных целях.


По сравнению с наплавленным металлизированный слой имеет меньшую прочность и плотность – металлизацией нельзя восстанавливать ответственные изношенные детали.

– механизм протягивания;
3 – электродные проволоки;
4 – направляющий

мундштук;
5 – точка возбуждения эл. дуги; 6 – рукоятка;

Vпп – скорость подачи проволоки. 

При соприкосновении проволок 3 в точке 5 в результате короткого замыкания возникает дуга, которая расплавляет металл.

Одновременно с этим в зону дуги поступает сжатый воздух, который уносит капли расплавленного металла на покрываемую поверхность.

плазмы, плавится и переносится на предварительно подготовленную поверхность, налипая на

которую образует покрытие.

Высокая температура плазмы позволяет проводить напыление тугоплавких материалов.

Температуру и скорость плазменной струи можно регулировать формой и диаметром сопла и режимом напыления (напыляемые материалы: металлы, керамика, органические материалы).

Покрытия обладают высокой плотностью и хорошим сцеплением с подложкой (прочность сцепления в 2–4 раза выше, чем при дуговой металлизации).

Вместо порошка можно использовать проволоку (пруток) диаметром от 1 до 2,5 мм

ПГ – плазмообразующий газ;
НП – напыляемый порошок.

Эл. дуга зажигается между соплом (+) и вольфрамовым электродом (-).

Плазмообразующий газ (Ar, He, H2, N2 или их смеси), проходя через дугу, ионизируется, что приводит к возникновению струи плазмы
(Т до 16000 0С).

сверху из бункера, разгоняется потоком горючего газа и на выходе

из сопла попадает в пламя. где происходит его нагревание.

Частицы порошка попадают на предварительно подготовленную поверхность, налипают на нее и образуют покрытие.

Напыление – материалами, Тпл которых ниже температуры газового пламени.

Плотность и сцепление с подложкой, как при дуговой металлизации.

Источник тепловой энергии – пламя, образующееся в результате горения горючего газа
(ацетилен, пропан или водород)
в струе кислорода на выходе из сопла газовой горелки.