Технологии сварки

При сварке термопласта лучом лазера нагрев соединяемых поверхностей достигается в результате превращения лучевой энергии лазера в тепловую в месте фокусировки луча (рис. 29.11). Особенность лазерного излучения состоит в его способности создавать в фокусе мощность значительной плотности. Для этого когерентный луч при помощи специальных линз собирается в узкий пучок, достигающий десятых долей миллиметра. Непрерывно действующий СО₂-лазер мощностью 1 кВт позволяет в фокальном пятне диаметром 0,1 мм получить плотность тепловой мощности 3x10 Вт/мм². Лазерная сварка эффективна при сварке тонких пленок из ПЭВД — δ=50÷50 мкм. Скорость сварки 3,3—4 м/с.

Сварка с помощью ИК-излучения основана на превращении лучистой энергии в тепловую внутри соединяемого материала. ИК-излучение имеет электромагнитную природу, считается, что ИК-спектр занимает область длин волн от 0,72 до 1000 мкм, т. е. от красной границы видимого спектра до коротковолновой части миллиметрового диапазона, ИК-лучи ведут себя как и любые другие лучи: отражаются, преломляются, поглощаются. Поглощаемость ИК-лучей телами и использована для сварки. Механизм преобразования ИК-лучей в тепло внутри материала состоит в следующем.

Сварка термопластов ТВЧ основана на нагреве в результате преобразования электрической энергии в тепловую непосредственно внутри самого материала.  Сущность процесса сварки ТВЧ заключается в следующем. Свариваемое изделие помещают в переменное электрическое поле высокой частоты. Поскольку пластмассы являются несовершенными диэлектриками, элементарные заряды при внесении диэлектрика в высокочастотное поле несколько смещаются, небольшое количество имеющихся в диэлектрике свободных зарядов образует ток проводимости.

Сварка трением основана на превращении механической энергии трения в тепловую энергию. Процесс состоит из двух стадий: нагрева и осадки.

Способ предложен в 1958 г. учеными МВТУ им. Н. Э. Баумана под руководством акад. Г. А. Николаева. Способ ультразвуковой сварки пластмасс заключается в том, что электрические колебания ультразвуковой частоты (18—30 кГц), вырабатываемые генератором, преобразуются в механические продольные колебания магнитострикционного преобразователя, вводятся в свариваемый материал с помощью продольно-колеблющегося инструмента-волновода, расположенного перпендикулярно свариваемым поверхностям.

Сущность способа контактной тепловой сварки заключается в том, что свариваемые детали в месте соединения нагреваются до температуры вязкотекучего состояния специальными инструментами-нагревателями, передающими тепло свариваемым поверхностям при контакте с ними. После разогрева свариваемых поверхностей нагреватель выводят из зоны соединения, и под действием давления детали свариваются.

Сущность процесса состоит в том, что расплавленный материал, выходящий из экструдера (экструзионная сварка или сварка экструдируемой присадкой) или из машины для литья под давлением, непрерывно или периодически подается в зазор между соединяемыми поверхностями, которые он нагревает до температуры сварки, сплавляясь с ними, так образуется сварной шов.

Сварка нагретым газом основана на использовании его тепловой энергии для разогрева свариваемых поверхностей и присадочного материала до вязкотекучего состояния или плавления. Тепло подводится непосредственно к соединяемым поверхностям последовательно от одного участка шва к другому. Сварка может осуществляться с применением присадочного материала и без него.

Для получения равномерного оплавления обеих кромок сварного соединения была выбрана схема сварки с расщепленным электродом при поперечном расположении электродных проволок по отношению к шву. Одним из важных параметров режима в этом случае является оптимальное расстояние между электродами, при котором обеспечивается правильное формирование сварного соединения (рис.87, 88). В качестве флюсовых подушек использовали флюсы АН-348-А, ОСЦ-45, ФЦ-6, АН-26, АН-60 и другие, однако лучшие результаты получены при сварке на стальной подкладке.

В качестве особенностей сварки никеля со сталями следует отметить большую склонность металла шва к образованию кристаллизационных трещин, а также весьма частые случаи образования в нем пор. Это объясняется прежде всего увеличенной деформацией металла в период его кристаллизации, возникающей в результате существенной разницы в коэффициентах линейного расширения железа и никеля.

Дуговая сварка металла малой толщины — до 1,5—2 мм в ряде случаев может производиться бортовыми швами. Для этой цели практическое применение находит способ сварки угольным электродом в атмосфере углекислого газа.

К аустенитно-мартенситному классу в соответствии с ГОСТ 5632—72 относятся стали, имеющие структуру аустенита и мартенсита, количество которых можно изменить в широких пределах К этому классу относятся стали, химический состав которых выбран с соотношением легирующих элементов, обеспечивающих начало мартенситного превращения при 20—60 °С.

При сварке сплавов Аl—Mg, Аl—Сu, Аl—Zn и Аl—Si установлена повышенная склонность к трещинообразованию на сплавах с максимальным эффективным интервалом кристаллизации. Металлургические способы уменьшения склонности к трещинам заключаются во введении в основной металл и сварочную проволоку отдельных химических элементов, которые, изменяя эффективный интервал кристаллизации и пластичность металла в твердо-жидком состоянии, оказывают влияние не только на величину горячеломкости металла при сварке, но и позволяют за счет смещения неравновесного солидуса по отношению к равновесному перенести трещину из опасной зоны (зоны сплавления) в наплавленный металл.

Алюминий с железом способен давать твердые растворы, интерметаллидные соединения (Fe₂Al₄—62,93 % Al; Fe₂Al₅— 54,71 % Al; FeAl₂ —49,13% Al; FeAl —32,57 % Al и др.) и эвтектику (Al + FeAl₃, Т_пл = 654 °С, содержание железа в металле 1,8%). Растворимость железа в твердом состоянии ограничивается 0,053 % при эвтектической температуре. Растворимость алюминия в железе порядка 32%, т. е. в 600 раз выше. При затвердевании в структуре сплавов алюминия и железа выпадают кристаллы соединения FeAl₅ (59,18 %).

При нормальной температуре сплавы железа с медью представляют собой твердые растворы железа в меди (ε-фаза, содержание Fe≤0,2%), меди в α-железе (<0,3% Сu) и смеси этих растворов (α + ε). Растворимость меди в α-железе меньше, чем в γ-железе. При 20 °С при равновесных условиях в α-железе растворяется менее 0,3 % Сu.

Титан с железом образует систему ограниченной растворимости с эвтектоидным распадом β-фазы. Предел растворимости титана в железе снижается от 12 % при 1200 °С до 4 % при 300 °С. Растворимость железа в а-титане составляет 0,5 и 0,05—0,1 % соответственно при 615 и 20 °С.

В сравнении с сочетанием алюминия с другими металлами (например, Ni, Fe) для взаимодействия Аl с Сu характерны большие скорости роста прослоек интерметаллидов и малая продолжительность латентного периода. Для каждого способа существует достаточно узкий диапазон значений технологических параметров режимов сварки и температурно-временных условий эксплуатации биметаллического соединения. Работа биметалла Al + Cu допускается при температуре, не превышающей 400 °С во избежание интенсивного роста диффузионного слоя и резкого ухудшения механических свойств.

Основные трудности получения непосредственного сварного соединения этого сочетания металлов связаны с образованием химических соединений TiAl при 1460 °С (содержание Аl 36,03 %) и TiAl₃ при 1340 °С (содержание А1 60—64%) в результате перитектической реакции. Предельная растворимость Ti в Аl мала и составляет 0,26—0,28 % при 665 °С.

Затруднения, возникающие при сварке этих материалов, определяются прежде всего: 1) высокой химической активностью по отношению к компонентам воздуха при высоких температурах; 2) резким охрупчиванием при насыщении примесями внедрения; 3) склонностью к перегреву, вызывающему рекристаллизацию и рост зерна: 4) резким повышением предела текучести с понижением температуры и ростом величины исходного зерна.

Металл Ti относится к четвертой группе периодической системы элементов. Атомный номер 22, атомная масса 47,9. Титан имеет две аллотропические модификации: низкотемпературную α с гексагональной плотноупакованной решеткой, существующую при температурных ниже 882 °С, и высокотемпературную β с объемноцентрированной кубической решеткой, существующей при температурах вплоть до точки плавления.