Неровный В.М. Теория сварочных процессов (841334), страница 34
Текст из файла (страница 34)
Поэтому температура в элементаршях кристаллнтах при схватывании может повышаться вплоть до температуры плавления металла. 177 176 7 — жа Из опыта применения холодной сварки установлено положительное влияние твердых поверхностных пленок на свариваемость пластичных металлов. Всякое разрушение этих пленок, скольжение по металлу во время сварочного процесса может способствовать повышению температуры в зоне сварки и тем самым улучшать условия схватывания и образования сварного соединения. Поверхностные загрязнения, газовые и сплошные оксидные пленки ухудшают условия образования физического контакта соединяемых поверхностей при холодной сварке, н поэтому перед началом сварочного процесса эти поверхностные слои надо, по возможности, удалять. Оставшиеся на поверхности оксидные пленки и особенно газовые молекулы обычно удаляются с поверхности металла и частично замешиваются в объеме материала шва в ходе его пластического деформирования.
Сцепление адсорбированных газовых молекул с металлом достаточно сильное, и только в глубоком вакууме при давлении — 4 ниже 10 Па поверхность металла может оставаться ювенильнои достаточно долго. В этом случае процесс вакуумного схватывания может идти достаточно эффективно с наименьшей затратой энергии (и даже с выделением энергии в месте соединения в результате химических реакций). Вакуумное схватывание возможно в основном для металлов -8 при давлении ниже 10 Па при условии тщательной подгонки и соприкосновения деталей на большой площади поверхности, что пока затрудняет его промышленное применение, Ультразвуковая сварка может считаться дальнейшим логическим развитием холодной сварки.
При ультразвуковой сварке наряду с давлением к месту соединения прикладывается высокочастотное (20...75 кГц) поле механических напряжений. В начальной стадии процесса свариваемые детали перемещаются одна относительно другой с ультразвуковой частотой (20...75 кГц) и амплитудой 10...25 мкм. При этом происходит эффективная очистка соединяемых поверхностей от загрязнений и газовых пленок, повышается температура и создаются более благоприятные условия образования соединения, чем при холодной сварке без ультразвукового поля механических напряжений.
В зависимости от вида соединения и свойств свариваемого материала при ультразвуковой сварке в материале могут создаваться сдвиговые (в металлах) или нормальные (в пластмассах) колеба- 178 ния, причем для сварки пластмасс основным фактором нагрева вещества являются возбужденные в нем механические ультразвуковые колебания. 4.2.2. Трущийся контакт и сварка трением При сварке трением процесс организуют так, что механическая энергия вращающихся (или поступательно перемещающихся относительно друг друга) контактирующих тел переходит в тепловую.
Выделение теплоты при этом происходит непосредственно на свариваемых поверхностях. После разогрева поверхностей до требуемых температур осуществляется остановка деталей и их сдавливание (осадка), в результате которого образуется сварное соединение. В начальный момент прн сварке трением коэффициент трения имеет максимальное значение. Соответственно затраты мощности и тепловыделенне в месте трущегося контакта возрастают. В процессе контакта (движення) коэффициент трения на этом участке падает и выделение теплоты уменьшается, затем при нагреве до 700...800 К испаряются и выгорают жировые пленки, а коэффициент трения растет.
Одновременно начинает проявляться местное схватывание соединяемых поверхностей, что вызывает интенсивное тепловыделение. С повышением температуры число участков схватывания растет, а их прочность снижается. Понижается также и тепловыделение вследствие уменьшения коэффициента трения в результате появления на трущихся поверхностях жидкого металла, играющего роль смазки.
На этом участке движения устанавливается квазиравновесное состояние, затем следуют резкое торможение и осадка. Сварка трением в отличие от контактной стыковой сварки требует меньших затрат энергии (поскольку нет потерь на тепловыделение в объеме свариваемых деталей и в токоподводяшнх элементах) и в ряде случаев обеспечивает более благоприятное распределение температур в зоне сварки. Это особенно важно при сварке разнородных материалов (например, при изготовлении биметаллического инструмента нз углеродистых и быстрорежущих сталей).
В последние годы находит все большее применение способ сварки трением с перемешиванием, позволяющий получать различные соединения листовых заготовок. Сварочный процесс (рис. 4.3) 179 одел Штырь со специальным профилем Рис. 4.3. Схема сварки трением с перемешиванием при этом способе сварки происходит следующим образом. Специальный инструмент, врашаюшийся со скоростью 200...3000 об/мин, состояший из утолщенной части (заплечика) и выступающей части (штыря), в месте стыка вводится в соприкосновение с поверхностью зафиксированных на массивной подкладке соединяемых заготовок так, чтобы штырь внедрился в заготовки, а заплечик коснулся их поверхности.
В результате трения штыря н заплечика о заготовку выделяется теплота, которая доводит металл вокруг инструмента до пластичного состояния. Затем инструменту сообщают поступательное движение со скоростью сварки 4,5...6 маймин при его давлении на заготовку 0,2...0,5 МПа, и пластичный материал заготовок, перемещаясь из зоны нагрева в зону охлаждения, огибает шть2рь и образует соединение. По характеру процесса образования сварного соединения этот способ имеет много общего с термопрессовой сваркой.
4.2.3. Ударный контакт и сварка взрывом Сварка взрывом характеризуется использованием энергии взрыва и образующихся затем мощных газовых потоков для перемещения свариваемых деталей и создания в них пластических деформаций, приводящих к образованию соединения в твердой фазе (рис. 4.4).
Основной энергоноситель — взрывчатое вещество (ВВ)— 3 наносится в виде слоя толщиной Ьо и инициируется детонатором 4. Метаемая пластина 2 толщиной б1 под воздействием про- дуктов взрыва приобретает определенную скорость полета по. Точка контакта свариваемых под углом у пластин передвигается по поверхности неподвижной пластины 1 толШиной 52 со скоростью ол, 32 а . бо 4, ---. „;;. 33: "0 б 82 не пРевышающеи скоРости Од детонации ВВ. ПредполагаетРнс. 4.4. Схема сна ки вз ылом ся что все точки метаемой пластины одновременно движутся нормально к ее поверхности; решающую роль играет давление и установочный угол сс. Продукты горения ВВ оказывают давление на поверхность сварнваемой детали и с большой скоростью «мечут» ее в сторону другой детали.
При соударении поверхностей детали очищаются от оксидов, загрязнений и адсорбированных газов, а возникающие при этом деформации обеспечивают образование сварного соединения. Для сварки взрывом ВВ должны иметь скорость горения (детонации) не менее 1500...2000 мыс (так называемые бризантные ВВ).
Так как ВВ обычно равномерно распределяется по поверхности свариваемой детали, то скорость сварки практически соответствует скорости детонационной волны. Скорость соударения свариваемых элементов зависит от характеристик ВВ, конструкции и материала соединения. Эта скорость может быть рассчитана по формулам газодинамики и составляет для стальных пластин около 1500 м/с.
Давление, возни- 3 5 кающее при этом между элементами, достигает 10 ... 10 МПа. Благодаря высоким скоростям сварки даже при значительном повышении температуры контактирующих слоев металла, вызванном соударением и деформацией пластин, процессы диффузии не успевают развиться. Поэтому сварка взрывом перспективна для получения соединений разнородных материалов (сталь — медь, сталь — алюминий, алюминий — титан и т. д.) н применяется как заготовительная операция в прокатном производстве при получении биметалла, С энергетической точки зрения сварка взрывом весьма выгодна, однако она применима лишь для ограниченного класса конструкций и типов соединений и, кроме того, ее осуществление требует специальных мероприятий по технике безопасности и организации рабочего места.
180 181 г83 Контрольные вопросы 1. Назовите ос новные способы термопрессовой сварки и их особен- 2. Каковы ф физические особенности холодной сварки? 3. В чем состоят физ ф ические особенности высокочастотной сварки? 4. Каковы фвз ф ические особенности ультразвуковой сварки? 5. Назовите физические особенности сварки трением. 6. Назовите физические особенности сварки взрывом. Раздел 11 ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ СВАРКЕ Реализация большинства сварочных процессов связана с нагревом материала свариваемых деталей при использовании сварочных источников теплоты различных видов, а эффективность того или иного сварочного процесса определяется условиями нагрева и охлаждения основного и присадочного материалов.
Характер протекания тепловых процессов определяет производительность плавления основного и присадочного материалов, направление и полноту протекания металлургических процессов в сварочной ванне или полости реза, условия формирования структуры металла шва и зоны термического влияния. Условия нагрева и охлаждения во многом определяют характер и уровень остаточных напряжений в сварной конструкции, а также ее деформацию. Поэтому в инженерной практике часто возникает необходимость расчетного определения температурно-временных параметров сварочных термических циклов в различных зонах свариваемых деталей, размеров зон нагрева, скоростей нагрева и охлаждения и т. п.
Наряду с современными численными методами проведения подобных расчетов, изложенными в гл. 13, для решения таких задач широко используются упрощенные аналитические подходы, лежащие в основе классической теории распространения теплоты при сварке, которые позволяют оператив,но получать численные оценки некоторых параметров сварочного процесса с приемлемой для практических целей точностью. Глава 5. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ЗАКОНЫ В РАСЧЕТАХ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ СВАРКЕ 5.1.
Основные теплофизические величины и понятия Приведем краткое описание теплофизических величин и понятий, обычно используемых в расчетах тепловых процессов при сварке. 1. Температурой Т называется физическая величина, характеризующая степень нагретости тела. В настоящее время различают две температурные шкалы: термодинамическую (абсолютную) и между- народную практическую.
Термодинамическая шкала имеет начало в точке абсолютного нуля, термодинамическую (абсолютную) температуру выражают в кельвинах (К). В практической шкале в качестве единицы температуры используют градус Цельсия ('С), а нулю соответствует точка таяния льда (О 'С = 273,15 К). Цена деления в обеих шкалах одинакова, поэтому изменение температуры ЬТ имеет одно и то же значение как в кельвинах, так и в градусах Цельсия. 2. Температурное поле — совокупность температур во всех точках тела в данный момент времени л Если температурное поле не изменяется во времени, оно называется стационарным: Т = = Т(х, у, г); в противном случае — нестациопариым: Т= Т(х, у, г, 1). дТ- дТ- дТ- йгас( Т = — з' + — з + — lс, дх ду дг (5.1) где 1, 1', й — единичные векторы координатных осей.
6. Тепловой лоток ц через некоторую поверхность — величина, характеризующая количество теплоты О, проходящее через эту поверхность за единицу времени: ваемой точки тела. Направление градиента температуры совпадает с направлением наибольшего возрастания температуры, т. е. с нормалью к изотермической поверхности, проходящей через рассматриваемую точку тела (см. рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
