А — без скоса кромок; б — кромки V-образные; в — Х-образные

11.1.2. Дуговая сварка

Источником теплоты при дуговой сварке является электрическая дуга, возникающая между электродом и заготовкой, которую называ­ют сварочной дугой. Сварочная дуга — это мощный устойчивый элек­трический разряд в ионизированной смеси газов и паров материа­лов, используемых при сварке; она имеет яркое свечение и высокую температуру — около 6000 °С. Для образования сварочной дуги ис­пользуют специальные источники питания с напряжением на 60—80 В как постоянного тока, так и переменного промышленной частоты.

Различают дуговую сварку: ручную, автоматическую под флю­сом, в среде защитного газа и электрошлаковую сварку.

Электроды. Для ручной дуговой сварки выпускают металличе­ские электроды в виде стержней длиной 200—450 мм, а для автома­тической — в виде бухт специальной проволоки. Стержни и прово­лока имеют диаметр от 0,2 до 12 мм. На стержнях электродов нанесен слой покрытия толщиной от 0,5 до 2—3 мм, в состав кото­рого для качественных электродов входят компоненты:

стабилизирующие (мел, поташ, диоксид титана), содержащие металлы с низким потенциалом ионизации и обеспечивающие об­разование дуги при более низком напряжении и стабильность ее горения;

газообразующие (крахмал, декстрин, целлюлоза), создающие при сгорании среду восстановительных газов для защиты расплавленного металла от кислорода и азота воздуха;

шла/сообразующие (полевой шпат, мел, марганцевая руда), кото­рые, затвердевая, покрывают сварной шов малотеплопроводной шлаковой коркой и замедляют охлаждение металла;

легирующие и раскисляющие в виде ферросплавов Мп, Si, Ti; связующие (жидкие стекла).

Механизм сварки. Основной характеристикой режима ручной ду­говой сварки является величина сварочного тока /_св, А, которая уста­навливается в зависимости от диаметра и природы металла стержня электрода:

/_св = ^э, (11.1)

где К — опытный коэффициент, равный 40—60 для стержней элек­тродов из низкоуглеродистой стали и 35—40 для стержней электро­дов из высокоуглеродистой стали, А/мм; d₃ — диаметр стержня электрода (мм), который выбирают, исходя из толщины h сваривае­мых стальных элементов (пластин):

h, мм........................................... 1-2 3-5 4-10 12-24 и более

</_э, мм......................................... 2-3 3-4 4-5 5-6.

Процесс сварки схематически показан на рис. 11.3. Из рисунка видно, что между металлической пластиной 1 и стержнем электрода
рис. 11*3. Схема процесса ручной дуговой сварки:

У — металлическая пластина; 2 — шлаковая корка; 3— сварной шов; 4 —жидкая шлаковая ванна; 5— защитная газовая атмосфера; 6 — покрытие электрода; 7 — стержень электрода;8— дуга; 9 —металлическая ванна

7 образуется дуга 8. Под действием дуги стержень электрода плавит­ся и каплями стекает в металлическую ванну 9. Одновременно пла­вится покрытие электрода 6, образуя вокруг дуги защитную газовую атмосферу 5, а на поверхности расплавленного металла — жидкую шлаковую ванну 4. По мере движения дуги расплавленный металл затвердевает и формируется сварной шов 3. Затвердевает также и жидкий шлак, образуя на поверхности сварного шва твердую шлако­вую корку 2.

11.1.3. Контактная сварка

Под действием тока высокой плотности металл в месте контакта свариваемых элементов быстро разогревается и размягчается, а под действием приложенного давления пластически деформируется. В процессе пластической деформации сминаются неровности на по­верхности, выдавливаются из стыка оксидные пленки и свариваемые элементы сближаются до межатомных расстояний. В результате об­разуется сварное соединение, имеющее высокую прочность. Этот метод потребляет электроэнергии меньше, чем дуговая сварка, прост в обслуживании и не требует присадочного материала. Им можно сваривать как однородные, так и разнородные металлы и сплавы, на­пример, сталь с никелем, латунью и др.

По типу сварочного соединения различают три вида контактной сварки: стыковую, точечную и шовную.

Стыковая сварка позволяет сваривать изделия из углеродистых и легированных сталей, чугунов, сплавов А1 и Ti сечением до 5 -10⁴ мм² и более.

Шовная сварка дает плотный, непрерывный шов; она позволяет сваривать внахлестку листы металла (стали, сплавов А1, Си и Ti) тол­щиной 0,3—3 мм.

Точечная сварка применяется взамен клепки, соединяя внахлест­ку листы металла (стали, сплавов А1, Си и Ti) толщиной 0,5—5 мм.

11.1.4. Газовая сварка и огневая резка

При газовой сварке и огневой резке плавление металла в свароч­ной зоне достигается путем сжигания газа (ацетилена, водорода, ме­тана и др.) в среде кислорода. На практике чаще применяют ацети­лен, который, сгорая в струе кислорода, дает температуру пламени 3000—3150 °С. Этот метод универсален; с его помощью можно сва­ривать стали, чугуны, цветные металлы и сплавы на их основе раз­личной толщины, а также использовать для наплавки изношенных поверхностей. Основная область применения газовой сварки — сварка металлических изделий малой толщины (0,2—3 мм), легкоплавких металлов и сплавов, инструментальных сталей, чугунов и латуней, т. е. там, где требуется постепенный, более плавный нагрев и охлаждение.

Газовая сварка схематически показана на рис. 11.4. Вначале газосварочным пла­менем 4 нагревают и расплавляют кромки свариваемых заготовок 7. Затем в пламя горелки 3 вводят присадочный металл 2, который, расплавляясь, заполняет зазор между свариваемыми заготовками.

Газовым пламенем с помощью специ­альных горелок можно производить резку металлов. Огневой резке хорошо поддаются углеродистые доэвтектоидные стали. Боль­шинство легированных сталей, чугуны, алюминий, медные сплавы ре­жутся с трудом или не режутся вовсе. Огневую резку применяют для разрезания стального проката и поковок, а также стального лома.

11.1.5. Пайка. Припои и флюсы

Пайка — это процесс получения неразъемных соединений в резуль­тате расплавления припоя, смачивания им металла, растекания припоя по поверхности металла и заполнения зазора между соединяемыми заго­товками (деталями) и, наконец, затвердевания припоя.

В отличие от сварки при пайке не требуется расплавления основ­ного металла, что позволяет производить распай деталей. Наиболее широко пайку применяют в электро- и радиотехнике и приборо­строении. В этих отраслях промышленности пайку производят для создания механически прочного, иногда герметичного, шва или для получения постоянного (нескользящего или разрывного) электриче­ского контакта с небольшим переходным сопротивлением.

Рис. 11.4. Схема газовой сварки:

1 — свариваемые заготовки; 2 — присадочный металл; 3 — горелка; 4 —газосварочное пламя

Припои представляют собой специальные сплавы (табл. 11.1). Их принято делить на две группы: мягкие и твердые. Мягкие припои

Таблица 11.1 Состав и свойства некоторых припоев

Припой	Марка припоя	Основные компоненты (их содержание, %)	Температура плавления, °C	Удельное со­противление p, мкОм м	Предел прочно­сти на разрыв о„ МПа	Материалы, спаиваемые данным припоем
Мягкш	e припои
Оловянно- свинцовый	От ПОС-18 до ПОС-90	Sn (18-90), Pb — остальное	190-277	0,120-0,208	28-43	Медь и ее сплавы, серебро, оцин­кованная сталь
Оловянно- свинцово- кадмиевый	ПОСК-50-18	Sn (50), Cd (18), Pb — остальное		0,133		Медь и ее сплавы. Детали, чувст­вительные к перегреву, металлизиро­ванная керамика, для герметизации
Оловянно- свинцово- сурьмянистый	ПОССу-40-2	Sn (40), Sb (2), Pb — остальное	185-299	0,17		Припой широкого назначения; пайка наружных деталей и сбороч­ных единиц электровакуумных при­боров
Оловянно- сурьмянисто- медный	ПОСМ-0,5	Sn (59-61), Sb (0,8), Cu (0,5-0,7), Pb — остальное		0,143		Для пайки тонких проводов, лит- цендратов, проходных стеклянных изоляторов, печатных схем, т. е. там, где недопустим перегрев
Оловянно- кадмиево- цинковый	Авиа 1 Авиа 2	Sn (55), Cd (20), Zn (25), Sn (40), Cd (20), Zn (25). A1 (15)	200 250			Алюминий и его сплавы
Индий- сеоебояный	ПСр-ЗИн	In (96,5-97,5), Ae (2.5-3.5)				Золото, серебро и металлизирован­ные матеоиалы в микроэлектронике
Твердые припои
Медно- цинковый	ПМЦ-36 ПМЦ-54	Cu (36), Zn — остальное Cu (54), Zn — остальное	825 860			Медь и ее сплавы, сталь
Серебряно- медный Серебряно- медно- цинковый	СрМ970- СрМ500 СрМЦ80	Ag (97-50), Cu — остальное Ag (80), Cu (16), Zn (4)	779 770	0,019-0,021 0,024	240-340 320	Никель, медь и их сплавы, ковар Н29К18, серебро, платина, вольф­рам, нержавеющая сталь

имеют до 400 °С и а_в не более 50—70 МПа. К ним относятся при­пои оловянно-свинцовые (марки ПОС) с содержанием олова Sn от 18 % (ПОС-18) до 90 % (ПОС-90). Некоторые марки ПОСов содер­жат сурьму (Су) в количестве 0,5—5 %; их называют сурьмянистыми и маркируют — ПОССу. ПОСы, не содержащие сурьму, называют бессурьмянистыми. В некоторые марки ПОСов вводят медь или кад­мий, или серебро и индий и др. Удельная электропроводность ПО­Сов составляет 9,5—13,9 % от удельной электропроводности стан­дартной меди, ТКЛР = (26—27)10"⁶ К"¹.

Самым легкоплавким припоем (7^ = 60,5 °С) является сплав Вуда, содержащий Bi - 25 %, Pb - 25 %, Sn - 12,5 %, Cd - 12,5 %.

Твердые припои имеют 7^ выше 500 °С, а_в до 500 МПа. Наиболее распространенные среди них припои медно-цинковые (ПМЦ) и се­ребряные (СрМ, СрМЦ), которые, так же как ПОСы, маркируют по содержанию меди и серебра соответственно. В полупроводниковой технике широко используют припои на основе золота Аи (Зл), на­пример, марки ПЗлМ94В (7^,_ПЛ = 960°С; Аи - 94%, Си - 6%), ПЗлМ37В (Т_ш = 990 °С; Аи - 37%, Си - 63%), ПЗлМН81,5В (Т_ПЛ = 920°С; Аи = 81,5%, Си - 15,5%, Ni - 3%), ПЗлМСрбОВ (Г_ш = 970 °С; Аи - 60 %, Ag - 20 %, Си - 20 %).

Флюсы. Перед пайкой детали в месте соединения очищают от всевозможных загрязнений и окислов, а в процессе пайки применя­ют флюсы. Флюсы растворяют и удаляют окислы с паяемых поверх­ностей, защищают основной металл и расплавленный припой от окисления, уменьшают поверхностное натяжение расплавленного припоя и обеспечивают ему лучшую растекаемость и смачивание со­единяемых поверхностей. Однако флюсы не удаляют такие посто­ронние вещества, как пленки масла (жира), лаковые покрытия, ока­лину и т. п. Флюсы делят на несколько групп.

Активные или кислотные — получают на основе соляной кисло­ты, хлористых и фтористых солей металлов и др. После пайки остат­ки этих флюсов вызывают коррозию, поэтому их необходимо полно­стью удалить. При монтажной пайке электро- и радиоприборов применение кислотных флюсов недопустимо.

Бескислотные — канифоль, а также ее спиртовой раствор.

Активированные — флюсы на основе канифоли с небольшими добавками активаторов: солянокислого или фосфорнокислого ани­лина, салициловой кислоты и т.п; можно применять без предвари­тельного удаления окислов, но с обязательным обезжириванием паяемых поверхностей.

Антикоррозионные — это флюсы, не вызывающие коррозию. Их производят на основе фосфорной кислоты с добавлением различных органических веществ и растворителей или на основе органических кислот.

Бесфлюсовую пайку на воздухе и пайку алюминия можно произ­водить, используя ультразвуковой паяльник. В этом случае окисные пленки металлов разрушаются в результате колебания рабочей части паяльника с ультразвуковой частотой.

11.2. ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО

Литейным производством называют процесс получения литых заго­товок, называемых отливками, путем заливки расплавленного металла в рабочую полость литейной формы. Полученные отливки приобретают конфигурацию и размеры рабочей полости.

Технология получения отливок складывается из следующих ос­новных операций:

• изготовление литейной формы;

• расплавление металла и заливка его в рабочую полость литей­ной формы;

• кристаллизация металла в литейной форме и охлаждение от­ливки;

• выбивка отливки из формы; если форма разовая, то ее разру­шают, если металлическая, ее раскрывают;

• обрубка прибылей и литниковой системы и при необходимо­сти очистка поверхностей отливки;

• термическая обработка и, как правило, направление на меха­ническую обработку для снятия припуска и получения точных размеров и необходимой шероховатости поверхности.

Литье является наиболее простым и дешевым промышленным способом получения заготовок, в том числе имеющих сложную гео­метрическую форму.

11.2.1. Общие сведения

Литейные свойства. Металлы и сплавы, используемые для произ­водства отливок, должны иметь хорошие литейные свойства: обла­дать жидкотекучестью, небольшой литейной усадкой и невысокой температурой плавления.

Жидкотекучесть — это способность металлов (сплавов) в рас­плавленном состоянии хорошо течь и заполнять рабочую полость литейной формы. Чем больше жидкотекучесть металла, тем тоньше может быть получена стенка отливки. В общем случае жидкотеку­честь улучшается с понижением вязкости расплавленного металла, уменьшением поверхностного натяжения и повышением температу­ры. У железоуглеродистых сплавов с увеличением содержания угле­рода, кремния и фосфора жидкотекучесть улучшается. Сера жидко­текучесть ухудшает.

Литейная усадка — это уменьшение объема и литейных размеров при затвердевании расплавленного металла и охлаждении отливки. Литейная усадка обычно составляет 0,6—3 %. Усадка тем опасна, что может приводить к образованию трещин и усадочных раковин.

Наибольшее распространение среди литейных сплавов получили серый и ковкий чугуны, углеродистая и легированная стали, силу­мин (сплав алюминия), бронзы и латуни (сплавы меди).

Литейные формы. Литейные формы предназначены для заливки в них металла и образования отливки. Устройство литейной формы

13* 387

схематически представлено на рис. 11.5; в качестве примера взята песчано-глинистая форма. Основными элементами литейной формы являются рабочая полость и литниковая система. В рабочей полости 1 формируется тело отливки. Конфигурация рабочей полости соот­ветствует конфигурации изготавливаемой детали, а ее размеры соот­ветствуют размерам детали плюс припуски на литейную усадку и по­следующую механическую обработку. Внутри отливки и на ее поверхности в соответствии с чертежом детали могут быть различные отверстия и полости, для образования которых в литейную форму при ее сборке устанавливают соответствующие элементы, называе­мые стержнями 9. Стержни бывают металлические или керамиче­ские и их удаляют при выбивке отливки из формы.

Литниковая система служит для подвода расплавленного металла в рабочую полость и питания отливки в процессе кристаллизации металла. Она состоит (см. рис. 11.5) из литниковой чаши (воронки) 2, стояка J, дросселя 4, регулирующего скорость заливки и предот­вращающего подсос воздуха в стояк, шлакоуловителя 5, служащего для задержки неметаллических включений, питателя 6, подающего расплавленный металл в рабочую полость непосредственно либо, как показано на рис. 11.5, через боковую прибыль 7 и выпора 8. Прибыль — это массивный прилив, затвердевающий в последнюю очередь. Он питает отливку при охлаждении и кристаллизации ме­талла и предотвращает образование в ней усадочных раковин. При­были могут быть бокового или верхнего расположения. Выпоры — это вертикальные каналы, устанавливаемые на самых высоких мес­тах отливки и служащие для выхода газов, образующихся при за­ливке в форму жидкого металла.

Литейные формы бывают постоянные и разовые.

Постоянные формы — это металлические формы; их называют кокилями и используют многократно.

Рис. 11.5. Принципиальная схема литейной формы: 1— рабочая полость; 2 —литниковая чаша; 3— стояк; 4 —дроссель; 5 —шлакоулови­тель; 6 —питатель; 7 — прибыль; 8 —выпор; 9 —стержень; / — верхняя опока; II — нижняя опока

Разовые формы предназначены для изготовления одной отлив­ки, их разрушают для извлечения отливки. К ним относятся песча- но-глинистые формы, оболочковые формы и формы для литья по выплавляемым моделям. Для изготовления разовых форм исполь­зуют формовочные смеси, литейную оснастку и формовочный инст­румент.

11.2.2. Основные виды литья

Все виды литья, применяемые в промышленности, можно разде­лить по материалу, литейной форме, способу заливки металла в фор­му, требуемых точности размеров и шероховатости поверхности от­ливок и по другим признакам. Рассмотрим две основные группы литья: литье в песчано-глинистые формы и специальные виды литья.

Литье в песчано-глинистые формы. Для изготовления литейной формы служит формовочная смесь, представляющая собой многоком­понентную систему, состав которой определяется типом и массой отливки и природой металла. Основными компонентами формовоч­ной смеси являются кварцевый песок и формовочная глина. Глина является связующим и при оптимальном содержании воды (4—5 %) придает формовочной смеси необходимую прочность и пластич­ность. Песок увеличивает пористость и, следовательно, газопрони­цаемость формовочной смеси. Кроме того, в формовочную смесь вводят противопригарные добавки (каменноугольную пыль, графит), защитные присадочные материалы (борную кислоту, серный цвет) и другие ингредиенты. Для изготовления стержней используют стерж­невые смеси, состоящие из кварцевого песка и самотвердеющихся не­органических (жидкое стекло с добавкой 10 % раствора NaOH) или органических (фенолформальдегидная или карбамидофурановая смолы) связующих.

Литейная форма состоит из двух полуформ, называемых опоками (см. рис. 11.5). Их изготавливают ручным или машинным способом. Рабочие полости в формовочной смеси верхней и нижней опоках получают с помощью соответствующих половинок разъемной моде­ли. После извлечения из формовочной смеси половинок моделей в образовавшиеся рабочие полости устанавливают стержни. Затем верхнюю опоку накладывают на нижнюю и скрепляют. В собранную форму через литниковую систему заливают расплавленный металл. После кристаллизации металла и охлаждения отливки производят разъем опок и выбивку отливки из формы и удаление стержней. Далее от отливки отделяют литниковую систему с прибылями и очи­щают поверхности отливки от остатков формовочной смеси. Для устранения дендритной структуры, крупнозернистости, литейных (механических) напряжений, а также снижения твердости отливку подвергают термической обработке, после чего ее отправляют на ме­ханическую обработку.

Литье в песчано-глинистые формы — наиболее простой и рас­пространенный способ получения литых заготовок. Недостатки такого литья — большие припуски на механическую обработку, низ­кая производительность и плохие санитарно-гигиенические условия труда.

Специальные виды литья. К специальным видам литья относятся: литье в оболочковые формы, литье по выплавляемым моделям, ли­тье в металлические формы, литье под давлением и центробежное литье. Эти методы позволяют получать отливки повышенной геомет­рической точности, с малой шероховатостью поверхности, мини­мальным припуском на механическую обработку или исключающую ее полностью и имеющие высокую производительность.

Литье в оболочковые формы в сравнении с литьем в песчано-гли­нистые формы имеет повышенную точность литейной формы и по­зволяет в два раза снизить припуск на механическую обработку. По­лучаемые отливки имеют толщину стенки до 3—15 мм, а массу 0,25—100 кг. Литейную форму собирают из двух частей, называемых полуформами. Полуформы, в свою очередь, получают с помощью ме­таллических моделей из формовочной смеси, которая состоит из мелкозернистого кварцевого песка (93—96 %) и термореактивной (фенолоформальдегидной) смолы (4—7 %). Схематически техноло­гия получения оболочковых форм выглядит следующим образом (рис. 11.6). Металлическую модель 2, закрепленную на модельной плите 7, нагревают до 200—250 °С (см. рис. 11.6, а). Затем металли­ческую модель 2 покрывают формовочной смесью 3 и выдерживают 10—30 с (рис. 11.6, б). Смола формовочной смеси расплавляется, склеивает песчинки и дополнительно полимеризуется (см. гл. 7.3), образуя оболочку 4 толщиной 5—20 мм. Непрореагировавшую фор­мовочную смесь ссыпают с модели (см. рис. 11.6, в) и образовав­шуюся оболочку 4 снимают с помощью специального толкателя 5. Для окончательного отверждения смолы и получения полуформ обо­лочки помещают в печь, нагретую до 300—350 °С, и выдерживают 1—1,5 мин. Затем оболочковые полуформы, находящиеся в горячем состоянии, склеивают синтетическим клеем (например, БФ-2). По­лученные оболочковые формы 6 помещают в опоку-контейнер 7 и засыпают кварцевым песком или металлической дробью 8 (см. рис. 11.6, г) для предохранения от преждевременного разрушения при заливке расплавленного металла. После кристаллизации металла и охлаждения отливки оболочковые формы разрушают. Недостатком этого метода является выделение токсичных фенолсодержащих га­зов, для удаления которых требуется мощная вентиляция.

Литье по выплавленным моделям позволяет получать отливки сложные по конфигурации, с толщиной стенки 1— 3 мм, с массой от нескольких граммов до нескольких десятков килограммов. Отливки имеют высокую точность геометрических размеров и матую шерохо­ватость поверхности. Полученные отливки либо вовсе не требуют механической обработки, либо имеют минимальный (0,2—0,7 мм) припуск на механическую обработку. Технология данного вида литья

Рис. 11.6. Схема получения оболочковых форм:

Дата добавления: 2015-08-09