Точность и качество поверхности при обработке

Точность детали характеризуется точностью размеров, формы и взаимного расположения поверхностей. Качество поверхности определяется ее шероховатостью, величиной наклепа и остаточных напряжений в поверхностном слое. Степень шероховатости обработанной поверхности определяется схемой процесса резания, т. е. схемой взаимодействия детали и инструмента, геометрией инструмента и режимами обработки. Физическое состояние поверхностного слоя (степень наклепа, остаточные напряжения) зависит от геометрии инструмента, режимов и условий резания.

Точность обработки деталей резанием зависит от технических характеристик станка, состояния, настройки, качества технологической оснастки и режущего инструмента, квалификации оператора, качества смазочно-охлождающей жидкости (СОЖ), рациональности режимов резания, состояния заготовок. Наибольшее влияние на точность обработки оказывают силы резания, которые вызывают упругую деформации системы СПИД (станок–приспособление–инструмент–деталь) и тем самым создают погрешности обработки. Величина погрешностей возрастает пропорционально силам резания.

Формирование микронеровностей на обработанной поверхности. На шероховатость поверхности влияют разные факторы. К геометрическим относят: параметры инструмента (см. рис. 11.3 и рис. 11.5) углы в плане j и j₁, радиус при вершине r и шероховатость режущих кромок, величину подачи S. Это установочные параметры, необходимые для теоретического расчета высоты микронеровностей R _z. Наибольшее отклонение фактической высоты микронеровностейот расчетной (геометрической) связано с явлением наростообразования при резании.

При отсутствии нароста приращение R _z определяется физическими

факторами: пластическим течением металла в направлении вершины микронеровности (пропорционально степени пластической деформации металла в зоне стружкообразования); упругим восстановлением поверхностного слоя; трением между задней поверхностью инструмента и поверхностью резания.

Для снижения высоты микронеровностей необходимо: уменьшать углы резца j и j₁, подачу S; увеличивать радиус при вершине r и снижать физические факторы. Для этого следует работать на режимах, исключающих образование нароста, снижать степень деформации металла при резании, увеличивать до возможных значений передний угол инструмента, обрабатывать материал в более твердом состоянии, применять эффективные смазки и подбирать материал режущей части инструмента, обладающий пониженной адгезионной активностью по отношению к обрабатываемому материалу.

Наклеп и остаточные напряжения при обработке резанием. Зона пластической деформации распространяется при любых режимах резания ниже линии среза (см. рис. 11.5). Материал в поверхностном слое оказывается наклепанным (упрочненным). Глубина и степень наклепа зависят от свойств обрабатываемого материала, геометрии инструмента, режимов резания и применяемой СОЖ.

При движении инструмента по обработанной поверхности возникает пластическое растяжение поверхностных слоев в направлении линии среза. Слои, лежащие ниже, деформируются упруго и после прохода инструмента стремятся возвратиться в исходное состояние – сжаться. В поверхностном слое возникают остаточные напряжения сжатия.

Под действием теплоты, идущей в деталь, верхние слои растягиваются, нижние холодные слои оказывают сопротивление. Это создает дополнительные остаточные напряжения сжатия.

Результирующая эпюра остаточных напряжений зависит от интенсивности действия механического и теплового факторов. Например, интенсивный нагрев может уменьшить напряжения сжатия, возникшие от механического воздействия. При шлифовании стальных деталей поверхностный слой нагревается до высоких температур, происходят структурные преобразования. Превращения, связанные с увеличением объема структурных составляющих, могут вызвать появление остаточных напряжении сжатия, при уменьшении объема – остаточных напряжений растяжения.

С увеличением скорости резания или уменьшении угла резания остаточные напряжения уменьшаются и могут изменить свой знак. Увеличение подачи, глубины резания и износ инструмента приводит к увеличению остаточных напряжений. Сжимающие остаточные напряжения повышают износостойкость деталей машин, усталостную прочность и их коррозионную устойчивость. Растягивающие остаточные напряжения приводят к снижению циклической прочности и появлению трещин на поверхности деталей.

Остаточные напряжения первого вида уравновешиваются между большими объемами деформируемого тела. Они вызывают коробление и изменения формы изделия. Остаточные напряжения второго вида уравновешиваются в объеме нескольких зерен. Они приводят к трещинообразованию. Остаточные напряжения третьего вида уравновешиваются внутри каждого зерна. Они связаны с изменением расположения атомов в кристаллической решетке.

СВАРКА, РЕЗКА И ПАЙКА

 

Сварка – технологический процесс получения неразъемных соединений различных материалов. Физическая сущность заключается в образовании связей между атомами соединяемых заготовок. Для возникновения связей необходимо: во-первых, сблизить соединяемые поверхности на малое расстояние (порядка параметра кристаллической решетки); во-вторых, чтобы поверхностные атомы заготовок были достаточно активны (ослаблены их связи с атомами заготовки, разорваны связи с атомами внешней среды). Активизация состояния поверхности требует затрат энергии – тепловой (нагрева), механической (пластической деформации), радиации (облучения). Атомы на поверхности заготовок при взаимодействии образуют общую кристаллическую решетку – сварной шов. При термических методах сварки происходит плавление кромок заготовок (электродуговой, электрошлаковой, газовой, электронно-лучевой, плазменной, термитной, лазерной и др.). При механических методах соединение заготовок происходит путем пластической деформации соединяемых поверхностей при приложении внешних сил (трением, взрывом, холодной, ультразвуковой и др.). При термомеханических методах одновременно с приложением давления материал в зоне соединения нагревают для снижения сопротивления деформации и повышения пластичности (контактной, диффузионной, газопрессовой и др.). Термический класс сварки называют сваркой плавлением, а термомеханический и механический – сваркой давлением.

Сварка металлов плавлением

 

Дуговая сварка. Источник тепла – электрическая дуга. Дуга зажигается между двумя электродами, температура – 6000 - 8000 ° С. Под действием тепла дуги кромки деталей оплавляются, образуется сварочная ванна (рис. 12.1). При перемещении дуги вдоль кромок деталей сварочная ванна затвердевает и образуется сварной шов, соединяющий детали. Если одним из электродов является свариваемое изделие, то дуга называется дугой прямого действия. Сварку производят на постоянном и переменном токах. При применении постоянного тока различают сварку на прямой и обратной полярности. Сварку производят неплавящимся (графитовым, вольфрамовым) и плавящимся (металлическим) электродами.

Ручная дуговая сварка выполняется сварочными электродами, которые вручную перемещают вдоль заготовки. Неплавящиеся электроды применяют для сварки цветных металлов, наплавки твердых сплавов, сварки деталей малой толщины на постоянном токе. Наибольшее применение имеет сварка плавящимся электродом с покрытием (рис. 12.2). Электрическая дуга 8 горит между металлическим стержнем 7 электрода и металлом заготовки 1. Расплавленный металл электрода каплями стекает в металлическую ванну 9. При плавлении покрытия электрода 6 образуется ионизированная газовая атмосфера 5, стабилизирующая горение дуги, и шлаковая ванна 4 на поверхности металла. Металлическая и шлаковая ванны образуют сварочную ванну. По мере движения электрода сварочная ванна затвердевает и формируется сварной шов 3, на поверхности которого легкий шлак образует защитную корку 2. Метод применяется для сварки коротких, прерывистых швов и швов сложной конфигурации в труднодоступных местах в любом положении: нижнем, вертикальном, горизонтальном, потолочном.

Автоматическая дуговая сварка под слоем флюса. В канавку на стыке двух свариваемых заготовок насыпается гранулированный флюс. Механизированная сварочная головка 2 подает в зону сварки электродную проволоку 3 без покрытия, ток подводится через токопровод 1 (рис. 12.3). Электрическая дуга 10 горит между проволокой 3 и металлом 8. Столб дуги и ванна жидкого металла 9 закрыты слоем флюса 5 толщиной 30-50 мм. Часть флюса плавится, образуя жидкий шлак 4 на поверхности металла. При перемещении электрода металлическая и шлаковая ванны затвердевают с образованием сварного шва 7, покрытого шлаковой коркой 6. Для сварки под флюсом характерно глубокое проплавление металла. Сварка производится со скоростью 6-30 м/ч. Повышение производительности достигается за счет использования больших сварочных токов (до 2000 А) и непрерывности процесса.

Флюсы. Флюсы для сварки низкоуглеродистых и низколегированных сталей предназначены для раскисления шва и легирования его марганцем и кремнием. Применяют высококремнистые марганцевые флюсы, которые получают путем сплавления марганцевой руды, кремнезема и плавикового шпата в электропечах. Флюсы для сварки легированных и высоколегированных сталей должны обеспечивать минимальное окисление легирующих элементов в шве. Применяют керамические низкокремнистые, безкремнистые и фторидные флюсы, которые изготавливают из порошкообразных компонентов путем замеса их на жидком стекле, гранулирования и последующего прокаливания. Основу керамических флюсов составляют мрамор, плавиковый шпат и хлориды щелочноземельных металлов.

Дуговая сварка в защитных газах. Расплавленный металл от взаимодействия с воздухом защищен струей инертного (аргон, неон) или активного газа (углекислый газ). Для экономии дорогостоящих инертных газов при сварке создают комбинированную защиту.

Сварка в инертных газах выполняется неплавящимся (графит, вольфрам) и плавящимся (рис. 12.4) электродами. Неплавящийся электрод применяется при сварке заготовок толщиной 0,2-6 мм. При необходимости, для усиления шва в зону сварки подается сварочная проволока. Аргонодуговую сварку применяют почти для всех металлов и сплавов, в том числе таких химически активных, как титан, алюминий, магний, бериллий, цирконий и их сплавы.

Сварка в углекислом газе выполняется только плавящимся электродом на постоянном токе обратной полярности, т. к. на переменном токе из-за сильного охлаждения столба дуги защитным газом, дуга может прерываться. Для защиты жидкого металла от окисления (восстановления окислов железа) используют проволоку с повышенным содержанием раскислителей – марганца и кремния. Применяется для сварки низкоуглеродистых, низколегированных и некоторых высоколегированных сталей. Преимущество – низкая стоимость защитного углекислого газа.

Электрошлаковая сварка. Свариваемые заготовки 1 устанавливают в вертикальном положении (рис. 12.5). В зазор между заготовками и охлаждаемыми медными ползунами 4 засыпают флюс слоем 50-70 мм. Первоначально электрическая дуга горит между проволокой 7 и планкой 2. Флюс расплавляется и образует между свариваемыми заготовками шлаковую ванну 5. Дуга шунтируется толстым слоем жидкого шлака и гаснет, но подача проволоки и тока продолжаются. Расплавленный шлак является электролитом, при пропускании через него тока выделяется много тепла и температура в шлаковой ванне повышается до 2000 °С. Боковые поверхности свариваемых заготовок оплавляются. Одновременно плавится электродная проволока 7, которая непрерывно подается с помощью механизма подачи 6. Расплав каплями стекает через шлаковую ванну вниз, и образует металлическую ванну 8. При ее затвердевании образуется сварной шов. В начале шва образуется непровар кромок, в конце – усадочная раковина. Поэтому сварку начинают и заканчивают на специальных планках 2 и 3, которые затем удаляют газовой резкой. Благодаря медленному охлаждению из металла удаляются газы и неметаллические включения, но образуется крупное зерно в шве и около него. Необходима термическая обработка для его измельчения. Сваривают: стали разных марок, сплавы алюминия, магния и титана. Толщина стыков достигает 2000 мм. Электрошлаковая сварка широко применяется в тяжелом машиностроении для изготовления различных крупногабаритных конструкций: станин и деталей мощных прессов и станков, элементов атомных реакторов, коленчатых валов судовых дизелей и т. п.

Плазменная сварка или сварка сжатой дугой является разновидностью дуговой сварки. Источник тепла для нагрева и плавления металла – плазма – направленный поток электрически нейтральных (молекул газа) и заряженных частиц (электроны, ионы). Плазму получают в горелках при пропускании холодного газа через электрическую дугу, которая сжимается за счет возрастания плотности тока в ее центральной части (рис. 12.6). Общий ток дуги не меняется, но температура дуги увеличивается до 20000 °С. Газы образующие плазму – азот, аргон, гелий и др. Через горелку также подается дополнительный газ, обеспечивающий защиту зоны плавки от контакта с воздухом. Струей высокотемпературной плазмы производят сварку, резку, пайку, напыление, термообработку различных материалов и сплавов, обработку неметаллических материалов (керамики, стекла). Микроплазменной дугой (сила тока 0,1-15А) сваривают листы толщиной 0,025-0,8 мм из углеродистой и нержавеющей стали, меди, титана, тантала, молибдена, вольфрама, золота и др. Недостаток плазменной сварки – недолговечность горелок.

Электронно-лучевая сварка (ЭЛС). Свариваемые заготовки собираются без зазора и помещаются в камеру, в которой создается высокий вакуум порядка 10^-1 Па. Место контакта заготовок облучают пучком электронов, ускоренных электрическим полем. При соударении электроны тормозятся, кинетическая энергия преобразуется в тепловую – в месте соударения температура достигает 6000 °С. Этого достаточно для плавления любых металлов при сварке или тепловой обработке (резке, сверлении, испарении).

Вольфрамовый катод 1 (рис. 12.7), размещенный в фокусирующей головке 2, излучает поток электронов. Под действием высокого напряжения (~30 кВ) между катодом и ускоряющим анодом 3 электроны приобретает значительную кинетическую энергию. Электроны имеют одинаковый заряд и отталкиваются друг от друга, диаметр пучка увеличивается, плотность энергии уменьшается. Для увеличения плотности энергии магнитной линзой 4 поток электронов фокусируется, магнитной отклоняющей системой 5 точно направляется на свариваемые кромки 6.

При сварке электронным пучком формируется узкий и глубокий шов. Глубина проплавления достигает 200-400 мм с большим соотношением глубины проплавления к средней ширине шва (рис.12.8). Проплавление называется кинжальным. Глубокое проникновение электронов в металл объясняется образованием канала в сварочной ванне на всю ее глубину. Основным фактором, вызывающим образование канала в жидком металле, является давление отдачи паров металла при испарении. Поэтому канал называют пародинамическим. Глубокое проплавление металла обеспечивает большую скорость отвода тепла от зоны сварки, вследствие этого – увеличение скорости кристаллизации сварочной ванны с получением мелкокристаллического строения металла шва, по своим свойствам не отличающегося от основного металла.

Электронный луч легко управляется и позволяет с высокой точностью регулировать температуру. Сварной шов отличается высокой прочностью и чистотой. Применяют для сварки тугоплавких, химически активных металлов и их сплавов (вольфрам, тантал, молибден), высоколегированных сталей. Толщина заготовок – от 0,02 до 200 мм.

Лазерная сварка. Источник тепла – мощное, монохроматическое излучение лазера импульсного или непрерывного действия. Способ применяется при сварке цветных металлов, высокоуглеродистых и низколегированных сталей. Недостаток – низкий коэффициент преобразования светового излучения в тепловое (менее 10 %).

Установка для лазерной сварки (рис. 12.9) состоит из рабочего тела 1, лампы накачки 2, обеспечивающей возбуждение атомов активного вещества – излучателя. Излучение фокусируется и направляется на свариваемое изделие 3. В фокусе луча лазера (пятно диаметром ~0,1 мм, плотность энергии 10¹⁰ Вт/см²) температура достигает 10⁵ °С. Распространена лазерная сварка в электронной и электротехнической промышленности где выполняют соединения тонкостенных деталей: угловые, стыковые и внахлест. Объем сварочной ванны небольшой, мала ширина зоны термического влияния, высоки скорости нагрева и охлаждения.

Хорошее качество соединений обеспечивается при сварке тонких деталей (0,05-0,5 мм) с массивными. Форма сварочной ванны при лазерной сварке деталей толщиной более 1,0 мм с глубоким проплавлением (см. рис. 12.10) отличается от ее формы при дуговой сварке. При плотности мощности лазерного излучения равной критической, скорость нагрева металла превышает скорость теплоотвода. На поверхности жидкого металла образуется углубление. Увеличиваясь, оно образует канал, заполненный паром и окруженный жидким металлом. Давления пара оказывается большим и полость канала не заполняется жидким металлом. Наличие паров в канале способствует поглощению лазерного излучения в глубине свариваемого материала, а не только на поверхности. Формируется кинжальное проплавление – узкий шов с большим соотношением глубины проплавления к ширине шва. При образовании кратера над поверхностью металла появляется светящийся факел, состоящий из продуктов испарения – мелких выбрасываемых из ванны капель металла и частиц конденсированного пара.

Форма сварочной ванны вытянута в направлении сварки. В головной части ванны расположен парогазовый канал (кратер). На передней стенке канала происходит плавление металла, на задней – затвердевание. По боковым стенкам расплавленный металл из головной части ванны переносится в хвостовую часть, потоками поднимается вверх, частично выносится на поверхность сварочной ванны. На поверхности фронта кристаллизации имеется выступ, который делит ванну на две части. Нижняя часть значительно заглублена и имеет малую протяженность в поперечном сечении, тогда как верхняя часть более широкая и вытянута вдоль шва (см. рис. 12.10). Сварку с глубоким проплавлением ведут с защитой шва газом, состав которого подбирают в зависимости от свариваемого материала.

Термитная сварка. Нагрев и оплавление заготовок происходят за счет теплоты горящего термита – порошкообразной смеси из металлов и оксидов металлов. Обычно используется алюминиевый термит: 22 % алюминия и 78 % железной окалины (Fe₂O₃ и Fe₃O₄). Горение алюминия в окалине протекает с выделением большого количества тепла:

8Al + 3 Fe₃O₄ = 4Al₂O₃ + 9Fe + Q

Температура достигает 3000 ^oС. Расплавленный металл затекает в свариваемый стык и образуется сварное соединение. Алюминиевый термит применяется ограниченно (дефицит алюминия) в основном для сварки рельсовых стыков трамвайных путей, магниевый термит – для сварки стальных проводов связи.

Газовая сварка. При нагревании пламенем 4 газовой горелки 3 кромки заготовок 1 и присадочный материал 2 расплавляются (рис. 12.11). Выполняют такие же виды сварных соединений, как и электродуговой сваркой. Нагрев и охлаждение заготовки происходит плавно.

Тепло образуется при сгорании горючих газов в атмосфере технического кислорода. Природный газ, водород, пары бензина или керосина применяются для кислородной резки, не требующей высокой температуры пламени. Для газовой сварки используют ацетилен (C₂H₂), дающий при сгорании температуру до 3300 °С.

Сварка металлов давлением

 

При всех способах сварки давлением происходит пластическая деформация в зоне соединения деталей. Пластически деформировать металл можно с нагревом и без него. Место соединения нагревают до расплавления или до пластичного состояния.

Контактная сварка. Свариваемые заготовки нагреваются проходящим электрическим током небольшого напряжения (3-10 В), но большой плотности (десятки кА на 1 см²). Место стыка обладает большим сопротивлением для прохождения тока (неровности поверхности, окисная пленка), здесь выделяется максимальное количество тепла. При достижении необходимой температуры прикладывается давление. Контактную сварку делят на стыковую, точечную, шовную.

При стыковой сварке соединение заготовок происходит по всей поверхности их соприкосновения. Заготовки 1 зажимают в колодках (зажимах) 2, подключенных к вторичной обмотке 3 сварочного трансформатора (рис. 12.12,а). Включается ток, в месте стыка торцы нагреваются. После отключения тока производится сдавливание нагретых заготовок – осадка. Заготовки свариваются. Прочность шва не уступает прочности основного металла. Сварка применяется для соединения ответственных деталей типа стержней, толстостенных труб, рельсов.

При стыковой сварке сопротивлением торцовые поверхности заготовок выравниваются, заготовки соединяются. Включается ток, нагрев ведется до пластичного состояния металла. Способ стыковой сварки оплавлением не требует предварительной обработки торцов. Подается напряжение, заготовки соединяются. Неровности поверхности торцов оплавляются и выдавливаются на край шва.

Точечная сварка. Изделия свариваются в отдельных точках. Заготовки собирают внахлест и сжимают между медными электродами, подключенными к трансформатору (рис. 12.12,б). Соприкасающиеся с медными электродами поверхности свариваемых заготовок нагреваются более медленно (до пластичного состояния), чем внутренние поверхности (до расплавления). После выключения тока и снятия давления образуется литая сварная точка. Прочность сварного соединения высокая. Способ применяют в массовом производстве: сварка кузовов легковых автомобилей, сборка электрических схем.

Шовная (роликовая) сварка осуществляется по линии качения роликов (рис. 12.12,в). Листовые заготовки 1 собирают внахлест между роликами – электродами 2, подключенными к вторичной обмотке трансформатора, работающего в импульсном режиме. При прокатывании роликов происходит образование сплошного шва состоящего из ряда перекрывающихся сварных точек. Как и при точечной сварке, внутренние слои нагреваются до расплавления. Сваривают: листы из низкоуглеродистой стали, латуни, бронзы, алюминиевые сплавы.

Конденсаторная сварка – разновидность контактной сварки. Она бывает стыковой, точечной и шовной. При разрядке конденсатора накопленная энергия за короткое время преобразуется в тепло, которое используется при сварке деталей в основном небольшой толщины.

Диффузионная сварка. Отличительная особенность этого вида от других способов сварки давлением – применение не высоких температур нагрева (0,7 Т_пл) и низких сжимающих давлений (0,5 МПа) при длительной изотермической выдержке от нескольких минут до нескольких часов. Свариваемые заготовки тщательно зачищают, собирают, сжимают и нагревают выше температуры рекристаллизации в вакууме или среде инертных и защитных газов (гелий, аргон, водород) для предотвращения окисления свариваемых заготовок. В результате пластической деформации происходит сближение свариваемых поверхностей по микровыступам и идет взаимная диффузия атомов в поверхностных слоях. Плавление металла отсутствует, свойства после сварки изменяются незначительно, остаточные напряжения и деформации минимальны. После снятия давления изделие дополнительно выдерживают при температуре сварки для полного протекания рекристаллизационных процессов, способствующих формированию качественного соединения. По окончании сборку охлаждают в вакууме, инертной среде или на воздухе в зависимости от типа оборудования. Метод применяется для высококачественного соединения материалов, которые обычными методами сварки соединить трудно или невозможно. Сваривают сталь с ниобием, титаном, чугуном, вольфрамом; металл со стеклом, графитом, керамикой; композиционные и порошковые материалы и др.

Сварка трением является разновидностью сварки давлением. Заготовки прижимаются друг с другом торцами, одна из них вращается (рис. 12.13). Механическая энергия трения превращается в тепло: заготовки разогреваются до пластичного состояния. Неровности и оксидные пленки разрушаются. Пластичный металл стыка выдавливается в радиальных направлениях. Выдавленный металл (грат) имеет характерную форму сдвоенного правильного кольца, расположенного по обе стороны от плоскости стыка. Вращение быстро останавливается и заготовки сдавливаются дополнительной силой Р. При пластической деформации между атомами свариваемых заготовок возникают связи, образуется сварное соединение. Возможности применения сварки трением ограничиваются формой и размерами сечения свариваемых деталей. Сваривают: цилиндрические заготовки сплошного сечения, трубы диаметром до 140 мм.

Сварка взрывом – способ, основанный на использовании энергии взрыва (рис. 12.14). Привариваемая (подвижная) листовая заготовка 2 с взрывчатым веществом 4 и детонатором 5 располагается под углом к неподвижной заготовке (мишени) 1, укрепленной на опорной плите 3. При взрыве образуется ударная волна и происходит соударение поверхностей заготовок. Процесс длится доли секунды. Кумулятивная струя разрушает и уносит оксидные пленки с поверхностей. В зоне соударения металл течет подобно жидкости, и образуется прочное соединение по всей плоскости. Сваривают: листовые заготовки большой площади из разнородных металлов (биметаллические пластины), из нержавеющих сталей, цветных металлов, тугоплавких сплавов, которые трудно поддаются обычным способам сварки.

Холодная сварка – способ сварки без нагрева, только за счет пластической деформации металла в местах соединения. Металл заготовок должен быть достаточно пластичен при комнатной температуре (алюминий, медь, серебро, цинк, никель и их сплавы). Для холодной сварки (рис. 12.15) зачищенные детали 1 устанавливаются внахлестку между пуансонами 2, имеющими рабочую часть 3 и опорную поверхность 4. При вдавливании пуансонов сжимающим усилием Р происходит деформация заготовок и формирование сварного соединения. Опорная часть пуансонов ограничивает глубину их погружения в металл и уменьшает коробление изделия. Холодной сваркой выполняют точечные, шовные и стыковые соединения (сварка полых деталей по контуру, проволоки и шин встык).

Индукционная и контактная сварка труб. Заготовка трубы 1 перемещается поступательно и дожимается обжимными роликами 4. Зазор до сварки регулируется так, чтобы кромки были расположены под острым углом и сходились в точке сварки. При сдавливании разогретых кромок заготовки происходит сварка. Ток подводится к заготовке через контакты 2 (рис. 12.16,а), либо от лампового или машинного генератора к спиральному индуктору 2 (рис. 12.16,б). При прохождении по индуктору переменного тока высокой частоты в металле наводятся вихревые токи, и он нагревается. Бесконтактный индукционный способ подвода тока к заготовке более рационален. В зависимости от частоты тока нагрев может происходить как с оплавлением, так и без оплавления поверхностей. Температура на поверхности выше по сравнению с внутренними слоями за счет скин-эффекта. Для уменьшения утечки тока помимо места сварки в трубу вводится ферритный сердечник 3. Способ применяют для сваривания шовных труб на непрерывных станах.

Кузнечная (горновая) сварка. Процесс состоит из следующих операций: подготовка торцов, нагрев, сварка, проковка шва. В зависимости от толщины поковок, подлежащих сварке, их торцы подготавливают различным способом (см. рис. 12.17). Тонкие прутки предварительно нагревают и сваривают встык. Изделия толщиной до 100 мм сваривают внахлестку. При толщине концов более 600 мм применяют сварку в разруб (или в паз): концы заготовок нагревают, один осаживают и затем разрубают, а другой вытягивают клином.

После подготовки изделия нагревают в кузнечном горне до 1300 °С до белого каления. Во время нагрева сталь покрывается окалиной. Для ее удаления используется флюс – мелкий чистый кварцевый песок, бура, борная кислота. Флюс сплавляется с окалиной, образуя легкоплавкий шлак. Тонкая пленка шлака предохраняет сталь от дальнейшего окисления. Нагретые поковки очищают от шлака, кладут на наковальню и доковывают стык.

Разновидность кузнечной сварки – газопрессовая сварка: место сварки нагревается пламенем горелок, соединение происходит при сдавливании. Применяется при сварке газо- и нефтепроводов.

Ультразвуковая сварка. Сварное соединение образуется под действием ультразвуковых (частотой 20-40 кГц) колебаний и сжимающих давлений, приложенных к свариваемым деталям. Ток от ультразвукового генератора (рис. 12.18) подается на обмотку магнитострикционного преобразователя (вибратора), который собирается из пластин толщиной 0,1-0,2 мм. Материал пластин способен изменять свои геометрические размеры под действием переменного магнитного поля. Вибратор соединяется с концентратором (инструментом). Колебательные движения ультразвуковой частоты разрушают неровности поверхности и оксидный слой. Воздействие на соединяемые детали механических колебаний сварочного волновода и небольшого давления создаваемого концентратором обеспечивает течение металла в зоне соединяемых поверхностей без внешнего подвода тепла. За счет трения, вызванного возвратно-поступательным движением сжатых контактирующих поверхностей, происходит разогрев поверхностных слоев заготовок. Трение не является доминирующим источником теплоты, но его вклад в образование сварного соединения является существенным. Ультразвуковая сварка применяется для соединения металла небольших толщин, для сварки полимерных материалов.

Тип сварного соединения определяется взаимным расположением свариваемых заготовок (рис. 12.19).