ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ СВАРОЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА
САМАРА
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение
1. Физико-химические основы и классификация сварочных процессов
2.Основные способы сварки их технологические особенности
2.1 Термические способы сварки (сварка плавлением)
2.1.1Особенности формирования соединений при сварке плавлением
2.1.2 Дуговые виды сварки
2.1.2.1 Строение и свойства сварочной дуги
2.1.2.2 Источники питания сварочной дуги
2.1.2.3 Ручная дуговая сварка покрытыми электродами
2.1.2.4 Автоматическая дуговая сварка под флюсом
2.2.2.5.Дуговая сварка в защитных газах
2.1.3 Электронно-лучевая сварка
2.2 Механические и термомеханические способы сварки (сварка давлением)
2.2.1 Особенности формирования соединений при сварке давлением
2.2.2 Контактная сварка
2.2.3 Диффузионная сварка в вакууме
2.2.4 Холодная сварка
2.2.5 Сварка трением
2.2.6 Сварка взрывом
2.2.7 Магнитно-импульсная сварка
3. Основы технологии и оборудование пайки
3.1 Образование соединения при пайке
3.2 Классификация и сущность основных способов пайки, применяемое оборудование
3.2 Технология пайки
4. Методы контроля качества сварных и паяных соединений
4.1 Дефекты сварных и паяных соединений
4.2 Методы неразрушающего контроля сварных и паяных соединений
4.3 Методы разрушающего контроля
5. Изготовление сварных конструкций
5.1 Классификация сварных конструкций
5.2 Конструктивно-технологические характеристики сварных соединений
5.3 Технологичность сварных конструкций
5.4 Виды технологических операций и оборудования сварочного производства
5.5 Основные технологические операции и их механизация
Список использованных источников
Введение
С давних пор одной из важных задач в сфере материального производства является задача прочного соединения составных частей изделия в единое целое. Процессы соединения элементов из металла, дерева, пластмассы, в строительстве – камня, бетона, и других материалов, а также разделения и дробления этих материалов дополняют друг друга и составляют основу обработки твёрдых материалов. Без использования этих процессов невозможно представить себе современную промышленность, строительство и другие области производственной деятельности.
Существующие способы соединения твёрдых тел можно разделить на механические способы и способы соединения за счет межатомных сил сцепления.
С помощью первых получают, например, широко применяемые в технике резьбовые соединения и соединения, выполняемые с применением резьбовых крепежных элементов, заклёпочные соединения, клиновые, прессовые посадки и т.п. Ко второй группе относятся такие способы, как сварка, пайка, склеивание; в строительстве - соединение цементами. Каждый из способов соединения твёрдых тел отличается определенными особенностями и имеет свою область применения. Все они дополняют друг друга и в совокупности обеспечивают выполнение самых разнообразных производственных задач.
Способы соединения первой группы в большинстве своём обеспечивают получение соединений т.н.разъёмных, т.е. таких, которые при необходимости можно сравнительно легко демонтировать без повреждений деталей. Соединения, выполненные с помощью способов второй группы, чаще всего, бывают неразъёмными – при их разделении нарушается целостность либо их элементов, либо их связи.
Сварка является одним из основных способов получения неразъёмных соединений.
Она обладает большими достоинствами и по ряду позиций имеет преимущества перед другими способами получения соединений. Сварные соединения характеризуются высокой прочностью и жаропрочностью, герметичностью; они имеют большой ресурс, технологичны. Применение сварки, например, позволяет сложный узел расчленить на простые элементы, которые можно изготовить с помощью высокопроизводительных технологий штамповки, прокатки, прессования, литья. Применение сварочных процессов дает возможность снижения массогабаритных характеристик узлов, обеспечивает значительную экономию металла. Так, сварные конструкции в среднем на 15-20% легче клёпаных и на 25-30% легче литых. К указанным достоинствам сварочных процессов следует добавить также широкие возможности для их механизации, автоматизации и роботизации, сравнительно невысокую трудоёмкость изготовления сварных узлов и конструкций.
Сварка и родственный ей процесс пайки возникли очень давно - несколько тысячелетий назад. За прошедший огромный период своего развития в вопросах практики и теории сварки и пайки достигнуты большие успехи. В настоящее время сваривают детали толщиной от нескольких микрон (в микроэлектронике) до нескольких метров (в тяжелом машиностроении). Наряду с конструкционными и низколегированными сталями сваривают специальные стали, легкие сплавы на основе алюминия, магния, титана, тугоплавкие металлы - цирконий, молибден, ниобий, их сплавы и многие другие материалы. Разработаны способы сварки, позволяющие успешно решать проблемы соединения разнородных материалов. Так, на сегодняшний день, в частности, с помощью технологии диффузионной сварки в вакууме получены соединения более 900 сочетаний материалов, в том числе металлических материалов с неметаллами (конструкционной керамикой, графитом, стеклом). Существенно расширились условия проведения сварочных работ: сварку выполняют как в обычной атмосфере, так и под водой, в условиях высоких температур, радиации, в глубоком вакууме, в космосе.
Следует отметить, что большая заслуга в этом принадлежит ученым нашей страны. В России разработаны способы сварки, которые сегодня относятся к числу основных – различные виды дуговой сварки, электрошлаковая сварка; все большее применение получают сварка трением, диффузионная сварка в вакууме, и др.
Широкие технологические возможности сварки и пайки позволяют решать с их помощью самые сложные технические задачи, делают их незаменимыми процессами в современном производстве. Они широко используются в самых различных отраслях промышленности, в том числе и в таких передовых, как аэрокосмическая. В авиастроении с помощью различных способов сварки изготавливаются фюзеляжи, панели, крылья, двигатели, топливные баки, трубопроводы, узлы шасси, детали приборов и радиоаппаратуры самолётов и вертолетов. В космическом ракетостроении превалирующую часть неразъёмных соединений деталей и конструкций получают с помощью сварки; например, баки для горючего и окислителя, арматуру баков, топливные и магистральные трубопроводы, ферменные конструкции отсеков и устройств крепления маршевых двигателей, устройства для крепления приборов (кронштейны; фермы; рамы) и многое другое. Весьма показательно, что при ремонте авиационной техники около 60% всех деталей и узлов может быть восстановлено с помощью сварки пайки.
Приобретение знаний основ теории сварочных процессов и практических навыков в выборе рациональных способов сварки, необходимых сварочного оборудования и технологической оснастки при решении задач, связанных с изготовлением неразъемных узлов и конструкций, являются обязательными компонентами подготовки инженеров.
Физико-химические основы и классификация сварочных процессов
Сваркой называется технологический процесс изготовления неразъемных соединений посредством установления межатомных связей между свариваемыми частями изделия при их местном или общем нагреве, или пластическом деформировании, или совместном действии нагрева и пластического деформирования.
Как следует из определения, в основе любого способа сварки лежат процессы по созданию условий, при которых образуются межатомные связи на границе раздела соединяемых элементов.
В зависимости от природы соединяемых тел возможно образование трех основных типов связей: ковалентной, металлической, ионной. Кроме того, в твердых телах существует молекулярная связь Ван-дер-Ваальса. Она обусловлена явлением поляризации, при котором электроны в сближаемых атомах начинают двигаться согласованно.
На рис.1.1 показана схема взаимодействия двух атомов А и В, где σ - плотность электронной энергии каждого из атомов; rA и rB - расстояния, на которых наиболее вероятно пребывание электрона каждого атома. При сближении атомов волновые функции валентных электронов начинают перекрываться и они вступают во взаимодействие. При этом изменение потенциальной энергии взаимодействия представлено на рис. 1.2. На расстоянии r1 между атомами устанавливаются молекулярные связи Ван-дер-Ваальса, что соответствует минимуму потенциальной энергии на кривой II. Дальнейшее взаимодействие связано с необходимостью введения энергии (активации) в систему, что приводит к изменению потенциальной энергии, соответствующее перемещению точки 1 кривой II в точку 2 пересечения с кривой I. В данном возбужденном состоянии возникают предпосылки образования химической связи того или иного типа в зависимости от природы атомов. При этом происходит самопроизвольное выделение энергии и её рассеяние, а система приобретает минимум потенциальной энергии, соответствующий точке 3 на кривой I. Необходимо отметить, что прочность Ван-дер-Ваальсовой связи (E1) 0,84...8,4 кДж/моль, в то время как энергия химической связи (Е3) лежит в пределах 84...840 кДж/моль. Энергия Еa’ называется энергией активации процесса образования химических связей.
Большинство металлов образует простые симметричные решетки - куб, центрированный куб, гранецентрированный куб, гексагональную плотноупакованную решетку, однако некоторые металлы (галлий, индий, германий) имеют особо сложное кристаллическое строение. Энергетические спектры внутренних атомов кристалла взаимно уравновешены. Спектры наружных атомов кристалла не уравновешены. Они образуют силовое поле с повышенной потенциальной энергией. Следовательно, поверхность металла обладает дополнительной энергией, которая называется поверхностной энергией.
Строение реальной металлической поверхности весьма сложно и в значительной степени отличается от идеальной - ювенильной поверхности. Вследствие высокой активности поверхностных слоев металла поверхность всегда покрыта окислами, жидкими и газовыми пленками. Ювенильная поверхность может существовать очень, короткие промежутки времени, например, в изломе металлов при совместном деформировании или после его механической обработки.
На воздухе микровыступы и впадины поверхности многих металлов, кроме так называемых благородных (золото, платина и др.), мгновенно покрываются пленками окислов, а также слоями адсорбированных молекул газа, воды и жировых веществ. Толщина и последовательность расположения таких пленок может быть различной. Непосредственно на поверхности металла обычно находится пленка окислов.
Кроме наличия на поверхности различного рода пленок, строение реальной поверхности характеризуется её геометрией. Геометрия реальной металлической поверхности характеризуется волнистостью и шероховатостью. Волнистость характеризует геометрию поверхности в макроскопическом, а шероховатость - в микроскопическом масштабе. Нужно также отметить ультрамикронеровности. Шероховатости могут быть весьма разнообразны по высоте микровыступов и расстоянию между их вершинами. Вследствие наличия главным образом микронеровностей действительная площадь поверхностей металлов во много раз меньше площади, измеренной обычными методами.
Таким образом, соединение реальных твердых тел при сварке затрудняется рядом обстоятельств. Во-первых, реальные твердые тела поликристаллические; во-вторых, их поверхности имеют сложную форму и покрыты различными пленками. Поэтому образование прочного соединения возможно лишь при условии удаления из зоны соединения загрязнений и обеспечения сплошного физического контакта по соединяемым поверхностям. В реальных условиях для формирования неразъемного соединения необходимо затратить энергию не только на активацию поверхностных атомов, но и на очистку поверхностей в зоне соединения и формирование сплошного физического контакта.
Исходя из изложенного выше, сварку можно отнести к классу так называемых топохимических реакций. Формирование прочного сварного соединения осуществляется в три стадии. На первой стадии развивается физический контакт, на второй стадии образуются химические связи на микроучастках, на третьей стадии процесс сварки завершается диффузией. Причем диффузионные процессы развиваются почти одновременно с прорастанием дислокаций при пластическом деформировании либо при наличии высокой температуры.
В зоне сварки можно установить наличие двух основных явлений, связанных с термодинамически необратимым изменением формы энергии и состояния вещества (рис.1.3.). К первому можно отнести введение и преобразование энергии, ко второму - превращения вещества. Термодинамическое определение процесса сварки звучит следующим образом: сварка - это процесс получения монолитного соединения материалов за счет термодинамически необратимого превращения тепловой, механической энергии и вещества в стыке.
Склеивание, цементирование и другие соединительные процессы, обеспечивающие монолитность соединения, в отличие от сварки и пайки, как правило, не требуют специальных источников энергии и реализуются только за счет введения и преобразования вещества (клея, цемента и т.д.).
На основе анализа термодинамических превращений все процессы сварки классифицируются по физическим признакам: виду энергии, используемой для образования сварного соединения и состоянию вещества. По состоянию вещества все способы разделяются на сварку в жидкой фазе и сварку в твердой фазе (сварку плавлением и сварку давлением). По виду использованной энергии различают три класса сварки: термический (Т), термомеханический (ТМ) и механический (М). Причем процессы сварки термического класса, как правило, относятся к сварке плавлением, а термомеханического и механического - к сварке давлением.
Процессы сварки классифицируются и по ряду других признаков. По виду источника энергии: дуговая, плазменная, электронно-лучевая, контактная, диффузионная, ультразвуковая, сварка трением и др.). По способу защиты металла в зоне сварки: в защитных газах, в вакууме, под флюсом. По непрерывности процесса: непрерывные и импульсные способы. По степени механизации: ручная, полуавтоматическая, автоматическая, с использованием роботов. По роду сварочного тока: переменный, постоянный. По виду электрода: плавящийся, неплавящийся и т.д.