Контрольная работа по "Машинам и оборудованию"

При классическом способе сварки трением  круглый пруток (обычно длиной не более 1 м) приводится во вращение с постоянной скоростью от электропривода, а второй усилием нагрева поджимается к нему и перемещается вдоль оси (осадка нагрева), осуществляя пластическую деформацию нагреваемых объемов металла. В заданный момент вращающийся пруток резко тормозится, а усилие поджима возрастает до величины проковки - происходит осевая деформация проковки.

Инерционная сварка отличается от описанного процесса тем, что энергия передается детали не непосредственно от электродвигателя, а от заранее разогнанного до заданной угловой скорости маховика. После сцепления вращающегося маховика со шпинделем с закрепленной деталью, к торцу которой постоянным осевым усилием поджата вторая свариваемая деталь, система тормозится силой трения до полной остановки. В этом случае, в отличие от классического способа сварки, процесс тепловыделения протекает при скорости относительного вращения, изменяющейся от начальной скорости маховика до нуля.

Интересно применение комбинированной сварки трением, при которой первая стадия осуществляется при вращении детали от электродвигателя с обычной для  классического способа линейной скоростью до износа всех неровностей  поверхности, а вторая - при вращении детали от маховика, разогнанного до той  же скорости на первой стадии процесса. В этом случае удается реализовать  положительную специфику инерционной  сварки, избавившись от ее минусов: высокой скорости вращения и связанными с этим трудностями создания оборудования и высокими требованиями к предварительной подготовке поверхности.

Особый  интерес представляет вибрационная сварка, при которой торец одной  из деталей совершает возвратно-поступательное движение относительно другой неподвижной детали. Однако реализация требующейся при этом частоты колебаний (100 и более Гц), при наличии массивных зажимных устройств машины и самой свариваемой детали, достаточно сложна.

Для сварки трением деталей некруглого сечения  может быть использована орбитальная  сварка, при которой две свариваемые  детали, поджатые осевым усилием, синхронно  вращаются в одну сторону, а оси  вращения деталей смещены на величину эксцентриситета. При этом каждая точка  контакта описывает окружность с  радиусом, равным эксцентриситету. Процесс  нагрева прекращается совмещением  осей вращения деталей.

Технологические исследования, проведенные ВНИИЭСО, показали, что сварка трением однородных металлов одинакового сечения не требует применения специальных  технологических приемов и позволяет  получать соединения, не отличающиеся по своим характеристикам от основного металла. Выбор скорости относительного вращения определяется диаметром детали и материалом. Для большинства металлов оптимальная линейная скорость вращения составляет примерно 1,5-0,8 м/с, давление нагрева - от 2 до 5 кгс/мм2, а давление проковки для малоуглеродистых, низколегированных сталей и также для цветных металлов вдвое превышает давление нагрева.

При сварке сталей разных марок или жаропрочных  сталей и сплавов с поделочными  сталями или сталей с цветными металлами сказывается различие теплофизических свойств; и чем оно больше, тем сложнее получить сварное соединение с хорошими механическими характеристиками.

В этом случае процесс образования соединений протекает при температуре, не превышающей  точку плавления менее жаропрочного металла, когда образование физического контакта за счет его деформации протекает быстро, а активация контактной поверхности более жаропрочного металла замедлена. Этим определяется необходимость создания условий, способствующих ускорению активационных процессов на контактной поверхности жаропрочного металла. Невозможность регулирования температуры процесса оставляет единственный путь - интенсификацию пластической деформации, достигаемой изменением схемы напряженного состояния приконтактной зоны свариваемого металла. На практике этого добиваются установкой формующей оправки на менее жаропрочный металл, которая препятствует его свободной пластической деформации и создает объемное напряженное состояние в зоне стыка. При этом пластическая деформация микрообъемов приконтактной зоны жаропрочного металла оказывается достаточной для активации его поверхности, и вторая стадия завершается образованием прочного сварного соединения. При сварке конкретных сочетаний металлов следует тщательно анализировать процессы, протекающие при охлаждении соединения, и воздействовать на них, например, вводя большее количество тепла в изделие (при опасности образования трещин при высокой скорости охлаждения) или сокращать его до допустимого минимума (в случае образования хрупких прослоек интерметалл ид а).

Проведенные исследования позволили разработать  технологические процессы сварки трением  быстрорежущих, жаропрочных сталей и сплавов с поделочными сталями, алюминия с нержавеющей сталью, титаном, никелеми медью. Следует подчеркнуть, что только этот способ сварки позволяет получать равнопрочные и вакуумно-плотные соединения алюминия со сталью.

Для тех случаев, когда не удается  получить работоспособное соединение конкретных разнородных металлов, предложено осуществлять сварку трением через прослойку из третьего металла, хорошо соединяющегося с каждым из первых двух. В частности, соединение легированных алюминиевых сплавов успешно осуществляется со сталью через прослойку из технически чистого алюминия.

Первая  машина для сварки металлов трением  «МСТ-1» была разработана во ВНИИЭСО и внедрена для сварки заготовок инструмента на Сестрорецком инструментальном заводе в 1959 г.

В Институте  разработано несколько десятков типоразмеров оборудования, в том  числе ряд «МСТ-23», «МСТ-35», «МСТ-41»  и «МСТ-51» с пневмогидравлическим приводом мощностью от 10 до 75 кВт, охватывающий диапазон свариваемых диаметров стальных заготовок от 10 до 70 мм, и ряд «МСТ-0401», «МСТ-2001», «МСТ-6001», «МСТ-120.01» с гидравлическим приводом мощностью от 4 до 160 кВт и диапазоном диаметров свариваемых стальных изделий от 5 до 120 мм.

Организован выпуск первого ряда машин  на Волковысском заводе литейного    оборудования,    машины    «МСТ-2001»    -    на    Гомельском станкостроительном заводе и «МСТ-120.01» - на Краматорском заводе тяжелого станкостроения.

Первые публикации по сварке трением  дали толчок к началу успешных работ  этого направления в ряде стран  Западной Европы и США. Тем не менее, ВНИИЭСО (вместе со своим «наследником» - Институтом сварки России) остался  автором и ведущей организацией по сварке металлов трением.

В текущем году в Институте начаты экспериментальные работы по предложенной Британским институтом сварки сварке трением перемешиванием. Этот процесс  сварки не имеет ничего общего с описанными выше способами и предназначен для стыковой сварки листов из алюминия и его сплавов. Вращающийся инструмент с заплечиками и штырем в центре, выступающим на величину чуть меньше толщины металла, вдавливается в жестко закрепленные листы и перемещается по линии их стыка. При этом нагретый до пластического состояния металл перемещается из зоны перед штырем в зону за ним, формуется заплечиками и образует сварное соединение в процессе охлаждения. Процесс похож на прессовую сварку и обеспечивает соединения, отвечающие самым высоким требованиям. Успешно используется при изготовлении изделий в автомобиле-, вагоно-, корабле- и ракетостроении.

В настоящее время в  ОАО «Институт сварки России»  изготовлен экспериментальный макет, который после отладки будет использован для исследования технологии сварки трением перемешиванием.

Сварка  трением происходит в твердом  состоянии при взаимном скольжении двух твердых тел, сжатых силой Р. Работа, совершаемая силами трения при скольжении, превращается в теплоту, что приводит к интенсивному нагреву трущихся поверхностей.

Трение  поверхностей осуществляется вращением  или возвратно-поступательным перемещением свариваемых заготовок, сжимаемых силой Р. В результате нагрева и сжатия возникает совместная пластическая деформация. Сварное соединение образуется в результате возникновения металлических связей между чистыми (ювенильными) контактирующими поверхностями свариваемых заготовок. Окисные пленки, имеющиеся на металлических поверхностях в месте соединения, разрушаются в результате трения и удаляются за счет пластической деформации в радиальных направлениях.

Основными параметрами сварки трением являются скорость относительного перемещения  свариваемых поверхностей, продолжительности нагрева, удельное давление, прилагаемое к свариваемым поверхностям, пластическая деформация, т. е. осадка. Необходимый для сварки нагрев при прочих равных условиях обусловлен скоростью вращения и осевым усилием. Здесь важно быстрое прекращение движения заготовки. Часто для получения качественного соединения необходимо приложение в конце процесса повышенного давления (проковки). Параметры режима сварки трением зависят от свойств свариваемого металла, площади сечения и конфигурации изделия. Сваркой трением соединяют однородные и разнородные металлы и сплавы с различными свойствами, например медь со сталью, медь со сплавами ковар, медь с алюминием, алюминий с титаном и др. В промышленности сварку трением применяют при изготовлении режущего инструмента, различных валов, штоков с поршнями, пуансопов и т. п. При сварке трением по сравнению с контактной стыковой сваркой снижаются затраты энергии и требуемые мощности. Так, например, при сварке стали трением энергии расходуется в 5…10 раз меньше, чем при контактной сварке.

Для сварки трением выпускают специальное  оборудование, обеспечивающее работу при достаточно больших скоростях  вращения и осевых усилиях и позволяющее  производить быстрый запуск и  мгновенную остановку шпинделя машины; это оборудование, ванне имеет  достаточно высокую прочность для  восприятия и гашения значительных радиальных вибраций.

Выпускают серийные машины для сварки трением типа МСТ-23, МСТ-35 и МСТ-41 мощностью 10, 20 и 40 кВт; в виде исключения после соответствующей реконструкции используют обычные металлорежущие станки.

Ультразвуковая  сварка. Ультразвуковая сварка также относится к процессам, в которых используют давление, нагрев и взаимное трение свариваемых поверхностей. Силы трения возникают в результате действия на заготовки, сжатые осевой силой Р, механических колебаний с ультразвуковой частотой. При ультразвуковой сварке для получения механических колебаний высокой частоты используют магнитострикционный эффект, заключающийся в изменении размеров некоторых металлов, сплавов и керамических материалов под действием переменного магнитного поля. Изменения размеров магнитострикционных материалов очень незначительны, поэтому для увеличения амплитуды и концентрации энергии колебаний и для передачи механических колебаний к месту сварки используют волноводы, в большинстве случаев суживающейся формы. На рис. 4.19 показана простейшая схема ультразвуковой сварки. Свариваемые заготовки 5 размещают на опоре б. Наконечник 4 инструмента 3 соединен с двигателем магнитострикционного   преобразования 1 через трансформатор 2   продольных упругих колебаний, представляющих вместе с рабочим инструментом волновод. Нормальная сжимающая сила Р создается моментом М в узле колебаний. В результате ультразвуковых колебаний в тонких слоях контактирующих поверхностей   создаются сдвиговые деформации, разрушающие поверхностные пленки. Тонкие   поверхностные слои металла нагреваются, металл в этих слоях немного размягчается и под действием сжимающего усилия пластически деформируется. При сближении поверхностей на расстояние действия межатомных сил между ними возникает прочная связь.  Сравнительно  небольшое тепловое   воздействие на свариваемые материалы обеспечивает минимальное изменение их структуры, механических и других свойств. Например, при сварке меди температура в зоне контакта не превышает 600 °С, а при сварке алюминия — 200—300 °С. Это особенно важно при сварке химически активных металлов, а также металлов, которые в результате высокотемпературного нагрева делаются хрупкими. Рис. 4.19. принципиальная схема ультразвуковой сварки

Рис 4.20.  Ультразвуковая сварка по контуру 1 — волновод; 2 — сменный полый штифт; 3 — сменный прижимной штифт; 4 — прижимная опора; 5 — свариваемое изделие

Ультразвуковой  сваркой можно получать точечные и шовные соединения внахлестку, а  также соединение по контуру. Шовные соединения получают на машинах, аналогичных машинам для точечной сварки. Отличие заключается в том, что их рабочий инструмент и опору выполняют в форме роликов.

При сварке по контуру, например по кольцу, в волновод вставляют конический штифт, имеющий форму полой трубки. При равномерном поджатии заготовок к свариваемому штифту получают герметическое соединение по всему контуру (рис.4.20). Ультразвуковой сваркой можно сваривать заготовки толщиной до 1 мм и ультратонкие заготовки толщиной до 0,001 мм_, а также приваривать тонкие листы и фольгу к заготовкам неограниченной толщины. Снижение требований к качеству свариваемых поверхностей позволяет сваривать плакированные и оксидированные поверхности и металлические изделия, покрытые различными изоляционными пленками. Этим методом можно сваривать металлы в однородных и разнородных сочетаниях, например алюминий с медью, медь со сталью, цинк с оловом и т. п.

Прочность соединения, выполненного ультразвуковой сваркой достаточно высока (не менее 90 % от наиболее прочного металла в этом соединении).

Ультразвуковым методом сваривают  и пластмассы, однако в отличие от сварки металлов ультразвуковые колебания здесь подводятся к заготовкам не тангенциально, а вертикально.

Оборудование. Установка ультразвуковой сварки состоит из сварочной машины и ультразвукового генератора. В Советском Союзе выпускают ультразвуковые машины типа УЗСМ-1 и УЗСМ-2.

Ультразвуковую сварку применяют  в приборостроении, радиоэлектронике, авиационной промышленности и других отраслях.

Сварка взрывом. Сварку взрывом можно отнести к способам сварки с оплавлением при кратковременном нагреве на воздухе, так как на отдельных участках наблюдаются зоны металла, нагретые до оплавления. Однако на других участках температура может быть невысока, и здесь процесс приближается к холодной сварке.

Большинство технологических схем сварки взрывом основано на использовании направленного (кумулятивного) взрыва. Соединяемые поверхности  (рис. 4.21) двух заготовок 4 и 3, в частности пластин, одна из которых неподвижна и является основанием, располагают под углом  друг к другу на расстоянии h₀. На заготовку 3 кладут взрывчатое вещество 2 толщиной Н, а со стороны, находящейся над вершиной угла, устанавливают детонатор 1. Сваривают на жесткой опоре. Давление в продуктах детонации, возникающее в результате взрыва, сообщает импульс расположенной под зарядом пластине. Детонация — это процесс, при котором разложение взрывчатого вещества с выделением газов и теплоты происходит с большой скоростью (несколько тысяч метров в секунду). Пластина 3 метается со скоростью 1000 м/с па поверхность неподвижной пластины. В месте соударения метаемой пластины _с основанием образуется угол, у, который перемещается вдоль соединяемых поверхностей. При соударении из вершины угла выдуваются тонкие поверхностные слои, окисные пленки и другие загрязнения. Соударение пластин вызывает течение металла в их поверхностных слоях, а в точках соударения происходит процесс совместного волнообразования. Поверхности сближаются до расстояния действия межатомных сил сцепления, и происходит схватывание по всей площади соединения. Продолжительность сварки взрывом не превышает нескольких микросекунд. Этого времени недостаточно для протекания диффузионных процессов, сварные соединения не образуют промежуточных химических составляющих между разнородными металлами и сплавами.