книги / Сварка в машиностроении. Т. 2

соединения, полученного таким способом, значительно ниже прочности основного материала вследствие низкой прочности переплавленного графита. Способ сварки при высоком давлении связан с созданием массивных камер высокого давления, эксплуатация которых в производственных условиях представляет значительные трудности, а образующийся графит мягок и по прочности значительно уступает свариваемому графиту.

Иной способ сварки графита при атмосферном давлении, предложенный в МЭИ, состоит в том, что используют особенность горения интенсивной (плотность тока 40—100 А/см2) угольной дуги. Высокоинтенсивная угольная дуга при оп­ ределенных условиях переносит часть испаряющегося анодного материала на катод. На этой основе разработан метод дуговой сварки угольным электродом графита с графитом, заключающийся в испарении анодного материала и после­ дующей кристаллизации паров графита на катоде-изделии. При высокой плотности тока в дуге на аноде выделяется большое количество энергии, вследствие чего ма­ териал анода интенсивно испаряется. На поверхности анода возникают потоки (факелы) паров графита, движущиеся с большой скоростью (до 10—50 м/с). Часть испарившегося материала переходит в дуге в ионизированное состояние, и поток вливается в общий поток, направленный от анода к катоду. Этот поток увлекает за собой и незаряженные частицы углерода в виде нейтральных атомов и мелко­ дисперсных частиц. На катоде пары графита охлаждаются и кристаллизуются, переходя непосредственно из газовой фазы в твердую. При этом образуются проч* ные связи со свариваемым графитом и характерная структура графита шва.

Установки для сварки графита имеют головку, обеспечивающую автоматиче­ скую подачу электрода, пульт управления, кожух для защиты от излучения и вентиляционное устройство для отсоса газов, выделяющихся при сварке. Разли­ чают головки двух типов: с подачей электрода без вращения и с вращением. Ско­ рость подачи электрода 4—11 м/ч. В сварочных головках для стабилизации горения дуги применяют магнитное дутье. Питание дуги осуществляется от двух параллельно соединенных генераторов ПС-300М или одном ПС-1000.

Исследования шлифов из графитовых наплавок показали, что наплавленный графит плотный и имеет слоистое строение. В местах перехода от наплавленного графита к основному дефектов не обнаружено. Соединение наплавленного графита с основным хорошее. При большом увеличении в наплавленном графите наблю­ даются характерные для пирографита конусы из кристаллического графита. При сварке на повышенном режиме с использованием электродов больших диаметров микроструктура наплавки состоит из мелких кристаллов графита, равномерно распределенных по всему полю. Плотность графита сварного соединения 1,8— 1,85 г/см3, т. е. выше плотности основного материала графита, полученного ме­ тодом спекания. Однородные слои, имеющие весьма плотное строение, чередуются с менее плотным межслойным пространством. В случае применения мощной дуги плотность соединения 2,08 г/см3.

Прочность сварных соединений графита приведена на рис. 11. Коэффициент наплавки а н = 1 г/(А*ч) получен при скорости подачи 11 м/ч, токе 160 А и на­ пряжении 40 В. Малый коэффициент наплавки по сравнению с тем, который полу­ чается при сварке сталей, объясняется меньшей плотностью графита. При всех скоростях подачи электрода увеличение мощности вызывает увеличение коэффи­ циента наплавки. По сравнению с характеристиками основного материала плот­ ность графита шва в большинстве случаев выше, а прочность сварных соединений графитовых материалов примерно такая же. Технология дуговой сварки графита позволяет получать соединения графита с графитом различных типов.

Сварка нагревом в жидких углеводородах. В МЭИ были проведены работы по соединению графитовых материалов с получением сварного соединения, не отличающегося по свойствам от основного графита. Для сварки графитовых ма­ териалов было использовано разложение химических соединений углерода при нагреве их до высоких температур. Способ сварки деталей из графитовых мате­ риалов заключается в том, что две свариваемые детали Î (рис. 12) укрепляют в токопроводах 2 приспособления для сварки и опускают в бак 3, наполненный жидки*

ствующем выборе температуры нагрева и формы стыка можно осуществлять про­ цесс сварки практически без усиления на наружной поверхности деталей.

Соединения можно также получить путем разложения масел в стыке соеди­ няемых деталей. В этом случае состыкованные детали погружают в масло и вы­ держивают в течение 3—5 мин для пропитки графита и проникновения масла в за­ зор между свариваемыми деталями. Дальнейший нагрев пропитанных деталей сопровождается выделением графита на свариваемой поверхности, в стыке и порах свариваемых деталей. Такая технология позволяет почти полностью исключить образование усиления на поверхности деталей даже без разделки кромок.

Процесс получения графита разложением паров масла приводит к получению материала с высокой плотностью, не содержащего пор, и структурой, характерной для структуры пиролитического графита. При сварке по этой технологии площадь сечения деталей в месте соединения, как правило, меньше исходной площади сечения деталей, так как зазор между деталями заполняется не полностью. Элек­ трическое сопротивление места сварки даже при продолжительности сварки 0,5 мин ниже электргического сопротивления целого стержня. Это объясняется тем, что формирующийся при разложении углеводородов графит сварного шва имеет удельное сопротивление в рабочем направлении на порядок ниже, чем гра­ фит, используемый в промышленности. Прочность сварного соединения повы­ шается с увеличением продолжительности сварки и сварочного тока и при про­ должительности сварки более 2 мин превышает прочность графита, используемого в промышленности.

Сварка графита с металлами. <2 помощью сварочной дуги в камерах с аргоном

иэлектронного луча в вакууме йожно сваривать активные, тугоплавкие и другие металлы с графитом. На образование соединений металла с графитом, так же как

ипри пайке металлов, влияют капиллярные, диффузионные и химические процессы,

протекающие между жидким металлом и поверхностью твердого нагретого графита. Однако, в отличие от пайки металлов, при сварке металлов с графитом отсутствуют промежуточные припои, а процесс протекает в основном вследствие способности металла в расплавленном состоянии смачивать поверхность графита. При сварке электронным лучом создается наилучшее растекание металла при сплавлении с графитом. Нагрев дугой в аргоне обеспечивает несколько худшие результаты. На процесс сварки влияет присутствие газов в порах графита. При сварке в вакууме осуществляется дегазация и очистка поверхности не только ме­ талла, но и графита, что способствует лучшему проникновению металла в тра­ фит, что также обеспечивает лучшее соединение.

Возможна сварка с графитом следующих металлов: Ti, Zr, W, Nb, Ni, Mo, Ta, 12X18H10T, Fe, АМгб и др. Наилучшей смачиваемостью обладают Ti и Zr. В про­ цессе смачивания свариваемые металлы глубоко проникают в поры графита. Проникновение металла в графит сопровождается образованием карбидов на гра­ нице раздела металл — графит. Расплавляясь, титан обволакивает тонким слоем графитовую деталь. В наплавке титана обнаруживаются карбиды титана, осо­ бенно крупные при аргонодуговой сварке титана с графитом.

Возможность получения карбидного слоя на поверхности графита в процессе наплавки металла в некоторых случаях является положительным фактором, так как наличие карбидного слоя на графите способствует увеличению жаропрочности сварного соединения. Если металл не сваривается с графитом непосредственно, как, например, медь, то сварку можно осуществлять через промежуточный металл.

Дуговая сварка и сварка электронным лучом могут быть использованы при изготовлении щеток электрических машин, анодов электролитических ванн, ано­ дов ртутных быпрямителей и др.

СВАРКА ПЛАСТМАСС

Общие сведения о свариваемости. Сварка пластмасс является высокопроизво­ дительным, надежным и экономичным процессом получения неразъемных соеди­ нений. Практически можно сваривать все термопласты. Характеристика многотон-

нажных пластмасс, из которых изготовляют сварные конструкции, приведена в

втабл. 15.

15.Свойства наиболее распространенных термопластов

Сварка пластмасс основана на взаимодействии макромолекул в зоне контакта свариваемых деталей. Это взаимодействие может быть двух типов. В одном случае оно обеспечивается процессом течения материала, находящегося в вязкотекучем состоянии, по поверхностям физического контакта. Образование сварного со­ единения такого типа сопровождается перемешиванием, аутогезией, диффузией и релаксацией. Интенсивность этих процессов зависит от вида материала, его вязкости в зоне сварки, от количества материала, находящегося в вязкотекучем состоянии, от скорости его течения (скорости сдвига), в свою очередь, определяе­ мой давлением, прилагаемым к свариваемым деталям, а также от состояния их поверхности. При таком взаимодействии реализуются межмолекулярные силы Ван-дер-Ваальса. В другом случае взаимодействие макромолекул в зоне физиче­ ского контакта свариваемых деталей определяется радикальным механизмом, т. е. сопровождается образованием химических связей.

В первом случае для взаимодействия между макромолекулами необходимо перевести материал в. зоне сварки в вязкотекучее состояние — расплавить его; поэтому такой вид сварки называют сваркой плавлением. Во втором случае между взаимодействующими макромолекулами образуются химические связи; поэтому такой вид сварки называют химической.

Сварку плавлением применяют при соединении термопластов и эластотермопластов. Она основана на способности полимерных материалов при нагреве выше определенных температур или при набухании (при введении растворителя) пере­ ходить в вязкотекучее состояние, которое при приложении давления к соединяемым деталям способствует возникновению межмолекулярного взаимодействия. При этом в зоне контакта протекают реологические процессы (перемешивание расплава, его вытекание, ориентация и др.), которые определяют качество сварного соеди­ нения.

Основными параметрами режима сварки являются температура и время на­ грева свариваемых деталей, а также давление при сварке и время его приложения. Реакция исходного материала на термомеханический цикл сварки различна. Структура сварного шва отличается от структуры основного материала, что может влиять на эксплуатационные свойства сварной конструкции при работе в агрессив­ ной среде, при знакопеременных нагрузках и т. д. При нагреве ориентированных полимеров до температуры плавления ориентация теряется и первоначальные механические свойства изменяются. К ухудшению механических свойств может привести сварка при температурах, близких к температуре деструкции. Долго­ вечность изделия может уменьшиться вследствие испарения стабилизатора или его вымывания растворителем в зоне шва.

В процессе сварки под действием нагрева, прилагаемых усилий осадки и охлаждения в шве и околошовной зоне возникают местные напряжения и могут образоваться микроскопические трещины. Поэтому сварные швы нерационально подвергать нагрузкам сразу после сварки. Однако, спустя некоторое время, обычно через 8—2Q ч, собственные напряжения снижаются вследствие релаксации. Про­ цесс релаксации может быть ускорен путем термической обработки стыка.

Химическую сварку применяют для соединения отвержденных реактопластов, термопластов с поперечными связями и некоторых термопластов кристаллической и ориентированной структуры. В основе химической сварки лежит процесс обра­ зования химических связей между макромолекулами. Она может быть осущест­ влена за счет функциональных групп свариваемых полимеров или с помощью мостикообразующих веществ, вводимых в сварной шов. Например, дополнитель­ ным нагревом до температур, превышающих температуру отверждения, обеспе­ чивается инициирование химических связей реакционноспособных групп макро­ молекул в зоне контакта поверхностных слоев деталей из реактопластов на основе фенолоформальдегидных, анилиноформальдегидных и других смол. Присадку в виде резольной смолы добавляют при сварке пластмасс на основе эпоксидных полимеров. Сшитый ПВХ сваривают с присадкой диаминов, наносимых в раство­ рителях.

Химическая сварка эффективна при соединении ориентированных термоплас­ тичных пленок и волокон, от сварных швов которых требуется сохранение исход­ ных физико-механических свойств основного материала. При соединении, напри­ мер, полиамидных пленок в качестве присадочных реагентов используют многоосновные кислоты и их хлорангидриды, а при соединении полиэтилентерафталатной пленки — ангидриды многоосновных кислот или органические перекиси, наносимые на свариваемые поверхности из раствора в кетоне или в смеси с низко­ молекулярным полиэфиром — из раствора в полиметиленхлориде. Химическая сварка — сшивка может быть выполнена и без присадки при нейтронном или рентгеновском излучении.

Способы сварки пластмасс. В основу классификации способов сварки положен способ термического воздействия на свариваемые детали (рис. 13).

Сварка газовым теплоносителем — способ, при котором тепло на сваривае­ мые поверхности подается нагретой струей газа. Сварку газовым теплоносителем можно производить без присадки либо с присадочным материалом в виде круглого прутка диаметром 2—6 мм или прутка другого сечения, а при сварке пленок — в виде ленты шириной 10—15 мм. Присадочный материал содержит 3—10% пластификатора. Жесткие пластики толщиной менее 2 мм можно сваривать без разделки и без зазора. Пластики больших толщин сваривают с разделкой кромок, угол раскрытия которых 45—70° при зазоре 0,5—1,5 мм. Листы и трубы толщи­ ной 4 мм и более сваривают с присадочным прутком за несколько проходов (не­ сколькими слоями).

Сварку с помощью газового теплоносителя без присадочного материала при­ меняют преимущественно при нахлесточных соединениях пленок и листов из мяг­ ких термопластов. Скорость механизированной сварки таким способом листов из поливинилхлорида 15—20 м/ч. В качестве газа-теплоносителя чаще исполь­ зуют воздух. Можно применять азот, углекислый газ или аргон. Температура

газовой струи на выходе из сопла должна превышать температуру перехода пласт­ массы в вязкотекучее состояние на 60—100° С (табл. 16). Давление газовой струи составляет 0,4—0,9 кгс/см2 в зависимости от скорости сварки. Скорость сварки однослойного шва 9—15 м/ч. Усилие на пруток 0,8—1,5 кгс для полиамидов и полиолефинов и 1,5—2 кгс для жесткого ПВХ. Мягкий пруток дополнительно прикатывается роликом с усилием 1,5—3 кгс.

Рнс. 13. Классификация способов сварки пластмасс

Для повышения производительности применяют сдвоенный сварочный пру­ ток, прутки треугольного или квадратного сечений по площади, близкой площади сечения разделки. Эффективно использовать предварительный нагрев прутка и места разделки. Применяя специальный наконечник горелки, имеющий два сопла (для подачи прутка и горячего воздуха), можно увеличить скорость сварки.

При сварке пластмассовых конструкций газом с присадочным материалом воз­ никают напряжения и деформации в шве и околошовной зоне. Многие технологи­ ческие приемы их снижения (симметричное поочередное наложение слоев и Др.) при дуговой сварке металлов можно эффективно использовать и при сварке пласт­ масс.

Для сварки нагретым газом с присадочным материалом применяют свароч­ ные горелки, а также горелки с электрическим нагревом газовой струи, напри­ мер ГЭП-1-67 (рис. 14), и нагревом газосгорающими смесями, так называемые

а нагретый инструмент контактирует с поверхностью свариваемых деталей. Первый способ используют для сварки деталей значительной толщины, второй способ — для сварки тонких листов и пленок внахлестку. При этом используют различные схемы нагрева свариваемых деталей (рис. 15). Нагретые инструменты могут быть в виде пластин, полос, дисков, нитей и профилированных планок.

а— е — оплавлением; ж и a — пдоплавленнем; и и к — закладным нагревательным эле­ ментом

Режим сварки некоторых термопластов приведен в табл. 19. Указанное в таблице давление нагретого инструмента является начальным, и по мере оплав­ ления неровностей на кромках свариваемого материала оно должно снижаться, чтобы уменьшить вытекающий из зоны контакта расплав (рис. 16). После нагрева

19. Основные параметры режима контактной сварки пластмасс оплавлением

и осадки охлаждение по всей свариваемой площади должно происходить равно­ мерно, под постоянным давлением.

Трубы диаметром более 50 мм соединяют встык, трубы диаметром менее 50 мм при толщине стенки менее 2 мм сваривают враструб. При стыковой сварке торцы труб нагревают.плоским инструментом, имеющим форму диска (табл. 20) для нагрева труб малого диаметра и форму кольца для нагрева труб большого диаметра. Нагрев этих инструментов в зависимости от конструкции можно осу­ ществлять встроенными электронагревателями либо газовыми горелками.

При сварке винипласта применяют нагретые инструменты, имеющие реб­ ристую поверхность; высота и шаг пилообразных ребер 0,5—1,5 мм. Ориентиро­ вочные параметры режима стыковой сварки труб приведены в табл. 21.

Производительность трубосварочных установок (рис. 17) при сварке труб диаметром 100—200 мм пять-семь стыков в час.

При сварке враструб нагревательный инструмент имеет гильзу для оплав­ ления конца трубы и дорн для оплавления внутренней поверхности раструба.

20. Характеристика серийных дисковых нагревателей для контактной сварки труб оплавлением

тн. Tт. Т. — соответственно температуры нагревателя, торца (нагреваемой кромки) и в зоне плавления; Р оп, Рос — давление инструмента при оплавлении и осадке; ооп и vcc ” скорости оплавления и осадки; son, soc — укорочения изделия при оплавлении и осадке; /оп, tn, tQC — время оплавления, технологической паузы и осадки

Дорн и раструб могут иметь цилиндрическую или слегка коническую по­ верхность (конусность Vie—V]?)- Разность диаметров гильзы и дорна у цилиндри­ ческого инструмента должна быть 0,5—1 мм. Режим сварки враструб приведен в табл. 22.

21. Технологические параметры контактной стыковой сварки оплавлением труб диаметром 100—300 мм