Технология машиностроения

По расположению свариваемых  деталей относительно друг друга  швы могут быть под острым, тупым, прямым углом, а также располагаться в одной плоскости.

По действующему на шов  усилию швы бывают фланговые, лобовые, комбинированные и косые.

По объему наплавленного металла  нормальные, ослабленные и усиленные  швы.

По форме свариваемой конструкции  на изделии продольные и поперечные.

 

6. Плазменная сварка.

Плазменная сварка – это сварка с помощью направленного потока плазменной дуги. Имеет много общего с технологией аргонной сварки.

Общепринятые  обозначения

PAW – Plasma Arc Welding – сварка плазменной дугой

Технология плазменной сварки

Плазмой называется частично или полностью ионизированный газ, состоящий из нейтральных атомов и молекул, а также электрически заряженных ионов и электронов. В  таком определении обычная дуга может быть названа плазмой. Однако по отношению к обычной дуге термин «плазма» практически не применяют, так как обычная дуга имеет относительно невысокую температуру и обладает невысоким запасом энергии по сравнению с традиционным понятием плазмы.

 Рисунок. Схема процесса плазменной  сварки

Для повышения температуры  и мощности обычной дуги и превращения  ее в плазменную используются два  процесса: сжатие дуги и принудительное вдувание в нее плазмообразующего газа. Схема получения плазменной дуги приведена на рисунке выше. Сжатие дуги осуществляется за счет размещения ее в специальном устройстве – плазмотроне, стенки которого интенсивно охлаждаются водой. В результате сжатия уменьшается поперечное сечение дуги и возрастает ее мощность – количество энергии, приходящееся на единицу площади. Температура в столбе обычной дуги, горящей в среде аргона, и паров железа составляет 5000–7000°С. Температура в плазменной дуге достигает 30 000°С.

Одновременно со сжатием  в зону плазменной дуги вдувается  плазмообразующий газ, который нагревается  дугой, ионизируется и в результате теплового расширения увеличивается  в объеме в 50–100 раз. Это заставляет газ истекать из канала сопла плазмотрона  с высокой скоростью. Кинетическая энергия движущихся ионизированных частиц плазмообразующего газа дополняет тепловую энергию, выделяющуюся в дуге в результате происходящих электрических процессов. Поэтому плазменная дуга является более мощным источником энергии, чем обычная.

Основными чертами, отличающими  плазменную дугу от обычной, являются:

• более высокая температура;
• меньший диаметр дуги;
• цилиндрическая форма дуги (в отличие от обычной конической);
• давление дуги на металл в 6–10 раз выше, чем у обычной;
• возможность поддерживать дугу на малых токах (0,2–30 А).

Перечисленные отличительные  черты делают плазменную дугу по сравнению  с обычной более универсальным  источником нагрева металла. Она  обеспечивает более глубокое проплавление металла при одновременном уменьшении объема его расплавления. На рисунке приведена форма проплавления для обычной дуги и плазменной. Из рисунка видно, что плазменная дуга – более концентрированный источник нагрева и позволяет без разделки кромок сваривать большие толщины металла. Из-за своей цилиндрической формы и возможности существенно увеличить длину такая дуга позволяет вести сварку в труднодоступных местах, а также при колебаниях расстояния от сопла горелки до изделия.

 

Рисунок. Форма проплавления для обычной и плазменной дуги

Возможны две схемы  процесса:

• сварка плазменной дугой, когда дуга горит между неплавящимся электродом и изделием,
• и плазменной струей, когда дуга горит между неплавящимся электродом и соплом плазмотрона и выдувается потоком газа.

Первая схема наиболее распространена.

В качестве плазмообразующего  газа при сварке используется обычно аргон, иногда с добавками гелия  или водорода. В качестве защитного  газа используется чаще всего также аргон. Материал электрода – вольфрам, активированный иттрием, лантаном или торием, а также гафний и медь.

Разновидности

В зависимости от силы тока различают три разновидности  плазменной сварки:

• микроплазменная (Iсв = 0,1–25А);
• на средних токах (Iсв = 50–150А);
• на больших токах (Iсв > 150А).

Микроплазменная сварка

Наиболее распространенной является микроплазменная сварка. В  связи с достаточно высокой степенью ионизации газа в плазмотроне  и при использовании вольфрамовых электродов диаметром 1–2 мм плазменная дуга может гореть при очень малых токах, начиная с 0,1 А.

 Рисунок. Схема процесса микроплазменной  сварки

Специальный малоамперный источник питания (см. рисунок выше) постоянного тока предназначен для получения дежурной дуги, непрерывно горящей между электродом и медным водоохлаждаемым соплом. При подведении плазмотрона к изделию зажигается основная дуга, которая питается от источника. Плазмообразующий газ подается через сопло плазмотрона, имеющее диаметр 0,5–1,5 мм.

Защитный газ подается через керамическое сопло. Плазменная горелка охлаждается водой. Для  зажигания дуги в сварочной установке  имеются осцилляторы дежурной и  основной дуги.

Микроплазменная сварка является весьма эффективным способом сплавления изделий малой толщины, до 1,5мм. Диаметр плазменной дуги составляет около 2мм, что позволяет сконцентрировать тепло на ограниченном участке изделия и нагревать зону сварки, не повреждая соседние участки. Такая дуга имеет цилиндрическую форму, поэтому глубина проплавления и другие параметры шва мало зависят от длины дуги, что позволяет при манипуляциях сварщиком горелкой избежать прожогов, характерных для обычной аргонодуговой сварки тонкого металла.

Основным газом, использующимся в качестве плазмообразующего и защитного, является аргон. Однако в зависимости от свариваемого металла к нему могут осуществляться добавки, увеличивающие эффективность процесса сварки. При сварке сталей к защитному аргону целесообразна добавка (8–10%) водорода, что позволяет повысить тепловую эффективность плазменной дуги. Это связано с диссоциацией водорода на периферии столба дуги и последующей его рекомбинацией с выделением тепла на поверхности свариваемого металла. При сварке низкоуглеродистых сталей к аргону возможна добавка углекислого газа, при сварке титана – добавка гелия.

Установки для микроплазменной  сварки позволяют осуществлять сварку в различных режимах: непрерывный  прямой полярности, импульсный прямой полярности (позволяет регулировать тепловложение), разнополярными импульсами (для алюминия, обеспечивает разрушение оксидной пленки), непрерывный обратной полярности. Наиболее распространенной установкой является МПУ-4у.

К основным параметрам процесса микроплазменной  сварки относятся сила тока, напряжение, расход плазмообразующего и защитного газа, диаметр канала сопла, глубина погружения в сопло электрода, диаметр электрода.

Микроплазменная сварка успешно применяется  при производстве тонкостенных труб и емкостей, приварке мембран и сильфонов к массивным деталям, соединении фольги, термопар, при изготовлении ювелирных изделий.

Плазменная  сварка на средних токах

Плазменная сварка на токах Iсв = 50–150А имеет много общего с аргонодуговой сваркой вольфрамовым электродом. Однако из-за более высокой мощности дуги и ограниченной площади нагрева она является более эффективной. По энергетическим характеристикам плазменная дуга занимает промежуточное положение между обычной дугой и электронным или лазерным лучом. Она обеспечивает более глубокое проплавление, чем обычная дуга, при меньшей ширине шва. Кроме энергетических характеристик, это связано и с более высоким давлением дуги на сварочную ванну, вследствие чего уменьшается толщина прослойки жидкого металла под дугой и улучшаются условия теплопередачи в глубь основного металла. Сварка может осуществляться с применением присадочной проволоки или без нее.

Плазменная  сварка на больших токах

Плазменная сварка на токах более I = 150A оказывает еще  большее силовое воздействие  на металл (плазменная дуга на токах 150А эквивалентна 300А дуге при сварке неплавящимся электродом).

Сварка сопровождается полным проплавлением  с образованием в ванне сквозного  отверстия. Происходит как бы разрезание деталей с последующей заваркой.

Рисунок. Формирование шва  со сквозным проплавлением при плазменной сварке на больших токах

Металл с обратной стороны шва удерживается силами поверхностного натяжения. Диапазон режимов  весьма ограничен, поскольку при  сварке возможны прожоги.

Плазменная сварка на больших токах используется при  сплавлении низкоуглеродистых и  легированных сталей, меди, алюминиевых  сплавов, титана и других материалов. Во многих случаях она позволяет  значительно уменьшить затраты, связанные с разделкой кромок, повысить производительность, улучшить качество швов.

Плазменная сварка требует  высокой культуры производства, соблюдения технологии заготовки и сборки, тщательного  обеспечения условий охлаждения плазмотронов и правил их эксплуатации. Даже небольшие нарушения режима охлаждения плазмотрона вследствие высоких температур и малого диаметра сопла приводят к его разрушению.

 

7. Схема обработки точением. Режимы резания.

Чтобы с заготовки  срезать слой металла, необходимо режущему инструменту и заготовке сообщить относительные движения. Эти относительные движения обеспечиваются рабочими органами станков, в которых заготовка и инструмент устанавливаются и закрепляются.

Движения рабочих органов  станков делят на рабочие или  движения резания, установочные и вспомогательные.

Рабочие или движения резания – это движения, которые обеспечивают срезание с заготовки слоя металла. К ним относят главное движение резания и движение подачи.

За главное движение резания принимают движение, определяющее скорость деформирования металла и отделения стружки. За движение подачи принимают движение, которое обеспечивает непрерывность врезания режущей кромки инструмента в материал заготовки. Эти движения могут быть непрерывными или прерывистыми, по своему характеру – вращательными, поступательными, возвратно-поступательными. Скорость главного движения обозначают буквой V, скорость движения подачи (величину подачи) - S.

Установочные движения – движения, обеспечивающие взаимное расположение инструмента и заготовки для срезания с нее определенного слоя материала.

Вспомогательные движения – движения рабочих органов станков, не имеющие прямого отношения в процессу  резания . Примерами служат: быстрые перемещения рабочих органов, переключение скоростей  резания  и подач и др.

Для любого процесса  резания  можно составить  схему   обработки . На  схеме  условно обозначают обрабатываемую заготовку, ее установку и закрепление на станке, закрепление и положение инструмента относительно заготовки, а также движения  резания . Инструмент показывают в положении, соответствующем окончанию  обработки  поверхности заготовки. Обработанную поверхность на  схеме  выделяют утолщенными линиями. Показывают характер движений  резания .

На заготовке различают: обрабатываемую поверхность 1, с которой срезается слой металла; обработанную поверхность 3, с которой металл уже срезан; поверхность  резания  2, образуемую в процессе  обработки  главной режущей кромкой инструмента.

Рис.1.  Схемы   обработки  заготовки  точением  и сверлением

Режимы   резания 

Основными элементами  режима   резания  являются: скорость  резания  V, подача S и глубина  резания  t. Элементы  режима   резания  рассмотрим на примере токарной  обработки .

Рис.2. Элементы  режима   резания  и геометрия срезаемого слоя

Скорость  резания  V – это расстояние, пройденное точкой режущей кромки инструмента относительно заготовки в направлении главного движения в единицу времени. Скорость  резания  имеет размерность м/мин или м/сек.

При  точении  скорость  резания  равна

м/мин

где Dзаг – наибольший диаметр обрабатываемой поверхности заготовки, мм; n – частота вращения заготовки в минуту.