Сварочное оборудование

Значительное место в сварочном производстве занимает обработка материалов газовым пламенем.

Наибольшее применение в промышленности из представленных способов газопламенной обработки имеют сварка, пайка и кислородная резка.

Задачей сварочной операции является получение механически неразъемных соединений, по свойствам подобных свариваемому материалу. Это может быть достигнуто, когда по своей природе сварное соединение будет максимально приближаться к свариваемому металлу.

Свойства твердых тел, в том числе и механические (прочность, упругость, пластичность и др.), определяются их внутренними энергетическими связями, т. е. связями межмолекулярного, межчастичного (межатомного, ионного) взаимодействия. В металлах, которые относятся к твердым кристаллическим телам, внутренние связи определяются единым энергетическим полем ионизированных атомов (находящихся в узлах кристаллической решетки) и подвижных электронов. Группы атомов, расположенных с определенной ориентацией кристаллической решетки, образуют отдельные зерна или кристаллы металла. По границам между зернами кристаллическая решетка, как правило, искажена. Большинство металлов являются поликристаллическими телами, свойства которых определяются как свойствами самих зерен, так и свойствами границ между зернами.

Для получения в сварном соединении таких же энергетических связей, как и в свариваемом материале, необходимо пограничные слои узлов кристаллической решетки одной свариваемой детали приблизить к пограничным слоям решетки другой на такие расстояния, при которых между ними возникает единое энергетическое поле. В ряде случаев такое состояние может быть получено с помощью промежуточного добавочного материала, который должен установить подобные связи с пограничными слоями обеих свариваемых частей.

Расстояние между узлами кристаллической решетки, при котором в металлах образуется достаточно сильное энергетическое поле, составляет около 4^.10^-8 см. Подобной точности подгонки поверхностей твердых материалов современные методы обработки обеспечить не могут. Так, полировка и хонингование металла обеспечивают точность обработки поверхностей не выше 10^-8-10^-6 см, т. е. примерно в 400 раз менее точную, чем та, которая необходима при сближении поверхностей для установления общего энергетического поля, подобного полю в любом другом сечении твердого металла. Облегчить возможность сближения поверхностей на расстояния около 4•10^-8 см и установления энергетических связей между отдельными частями, подлежащими сварке, можно: 1) применением внешней силы достаточной величины; 2) повышением температуры.

В обычных условиях поверхность металлов всегда покрыта различными загрязнениями: пленками окислов, жиров, слоем частиц окружающих металл газов. Эти загрязнения ограничивают или исключают возможность установления энергетических связей между отдельными поверхностями (частями), подлежащими соединению сваркой. Поэтому они должны быть либо удалены до сварочной операции или в процессе выполнения сварки. Этому способствуют различные методы химической или физической очистки поверхностей, а в ряде случаев также повышение температуры для удаления газов и жиров, плавления окислов или пластическое деформирование поверхностей, разрушающее сплошные окисные пленки.

Некоторые материалы, в частности весьма пластичные металлы (алюминий, медь, свинец и др.) и сплавы, способны образовывать сварные соединения без применения каких-либо внешних источников тепла, в результате только совместного пластического деформирования частей, которые должны быть сварены. Другие материалы и, в частности, некоторые металлы способны образовывать сварные соединения при пластическом деформировании, выполняемом только при определенных, повышенных температурах. Многие материалы могут быть сварены с доведением их некоторого объема до расплавленного состояния.

Некоторые материалы способны в определенном диапазоне температур свариваться как при пластическом деформировании внешней силой (давлением), так и при доведении материала до расплавленного состояния (плавлением).

Для других материалов также существуют определенные области таких режимов. Исходя из этого, все способы сварки можно классифицировать как способы сварки давлением (прессовые) и плавлением. Материалы, которые даже при высоких температурах почти не имеют пластичного состояния (например, чугуны), практически могут свариваться только плавлением.

Пайка также является способом получения механически неразъемных соединений, причем свойства последних иногда значительно отличаются от свойств основного материала.

Паяные соединения металлов получаются при использовании другого металла (сплава) - припоя, обладающего иными свойствами, в частности меньшей температурой плавления по сравнению с основным материалом. При пайке расплавленный припой взаимодействует с нерасплавленными кромками спаиваемых деталей, в результате чего после затвердевания должны устанавливаться те или иные энергетические связи припоя с обеими кромками деталей. Серьезным средством повышения эксплуатационных характеристик ряда изделий является наплавка на их некоторые поверхности сплавов с особыми, отличающимися от свойств металла детали, свойствами. Газопламенная наплавка является одним из способов обеспечения необходимых характеристик таких изделий.

Все большее распространение в промышленности получают различные неметаллические материалы химических производств, в частности пластмассы. Для изготовления изделий заготовки- полуфабрикаты из них - необходимо соединить друг с другом. Это осуществляется операциями подобными сварке. Поэтому сварка некоторых неметаллов рассматривается как один из способов газопламенной обработки совместно с металлами. Это же относится к нанесению неметаллических материалов на металл для создания особых свойств поверхностей деталей.

Весьма распространенным прогрессивным технологическим процессом разделения металла на части или удаления с поверхности металла некоторого его объема в настоящее время является кислородная резка.

По объему применения кислородная резка сейчас занимает ведущее место среди всех способов газопламенной обработки металлов. Но она в противоположность сварке или пайке разрушает имеющиеся в металле энергетические связи. Резка осуществляется сжиганием некоторого объема металла посредством воздействия кислорода. При этом, так же как и для большинства сварочных операций, необходим нагрев металла до достаточно высоких температур. В настоящее время применяется кислородная резка сплавов на основе железа, меди, а также титана, которая, являясь для этих материалов весьма гибким и эффективным технологическим процессом, в ряде случаев полностью заменяет механическую обработку.

Меньшее применение имеет газопламенная обработка, связанная с использованием местного нагрева, с целью изменения структуры и свойств металла (местная термическая обработка), для поверхностной очистки обрабатываемого металла от окислов или перераспределения внутренних напряжений в металле.

За последнее время все большее значение начинают приобретать способы нанесения поверхностных слоев - металлизация и газопламенное напыление.

Газопламенные методы обработки, несмотря на значительные энергетические преимущества электрических способов обработки (электросварки, электрометаллизации и др.), обладая значительной технологической гибкостью, находят все большее применение. Хотя относительная доля применения электрических способов сварки, металлизации и ряда других процессов обработки металлов увеличивается, абсолютный рост газопламенных методов обработки продолжает оставаться весьма значительным в связи с большим ростом всего производства сварных конструкций.

Развитию газопламенных методов обработки значительно способствует работа ВНИИавтогенмаша, ряда отраслевых научно-исследовательских институтов, высших учебных заведений (МВТУ, Ленинградского и Киевского политехнических институтов, Академии им. Жуковского), а также новаторство инженерно-технических работников и рабочих ряда предприятий (Нижнетагильского вагонного завода и др.).

Все виды газопламенной обработки характеризуются использованием местного нагрева обрабатываемого материала газовым потоком соответствующей температуры. Этот нагрев обычно осуществляется пламенем горючих газов.

Местный нагрев для выполнения различных операций газопламенной обработки наиболее эффективен, когда он максимально локализован, т. е. когда источник тепла нагревает только минимально необходимый для выполнения операции объем материала. В этом случае потери тепла за счет теплопроводности нагреваемого материала (особенно большие в теплопроводных металлах), будут относительно уменьшаться.