Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Кузнечная сварка (FOW) - это процесс сварки в твердом состоянии [1], при котором два куска металла соединяются путем их нагрева до высокой температуры и последующего их склеивания . [2] Он также может состоять из нагрева и сжатия металлов вместе с помощью прессов или других средств, создавая давление, достаточное для того, чтобы вызвать пластическую деформацию на сварных поверхностях. [3] Этот процесс является одним из простейших методов соединения металлов и используется с древних времен. Кузнечная сварка универсальна, позволяя соединять множество похожих и разнородных металлов. С изобретением методов электрической и газовой сварки во время промышленной революции, ручная кузнечная сварка была в значительной степени заменена, хотя автоматическая кузнечная сварка является обычным производственным процессом.

Введение [ править ]

Кузнечная сварка - это процесс соединения металлов путем их нагрева сверх определенного порога и принуждения их вместе с достаточным давлением, чтобы вызвать деформацию поверхностей сварного шва, создавая металлическую связь между атомами металлов. Требуемое давление изменяется, в зависимости от температуры, прочности и твердости в сплаве . [4] Кузнечная сварка - самый старый метод сварки, который использовался с древних времен.

Сварочные процессы обычно можно разделить на две категории: сварка плавлением и диффузионная сварка. Сварка плавлением включает локальное плавление металлов на стыках сварных швов и широко применяется в методах электрической или газовой сварки. Для этого требуются температуры, намного превышающие температуру плавления металла, чтобы вызвать локальное плавление до того, как тепло сможет термически отвести от сварного шва, и часто используется присадочный металл, чтобы предотвратить сегрегацию сварного шва из-за высокого поверхностного натяжения . Диффузионная сварка заключается в соединении металлов без их плавления, сварке поверхностей вместе в твердом состоянии. [5]

При диффузионной сварке источник тепла часто ниже точки плавления металла, что обеспечивает более равномерное распределение тепла, что снижает термические напряжения в сварном шве. В этом методе присадочный металл обычно не используется, но сварка происходит непосредственно между металлами на границе раздела сварного шва. Сюда входят такие методы, как холодная сварка, сварка взрывом и кузнечная сварка. В отличие от других методов диффузии, при кузнечной сварке металлы нагревают до высокой температуры перед тем, как сжимать их вместе, что обычно приводит к большей пластичности сварных поверхностей. Как правило, это делает кузнечную сварку более универсальной, чем методы холодной диффузии, которые обычно выполняются на мягких металлах, таких как медь или алюминий. [6]

При кузнечной сварке все участки сварки нагреваются равномерно. Кузнечная сварка может использоваться для гораздо более широкого диапазона более твердых металлов и сплавов, таких как сталь и титан. [7]

История [ править ]

Губчатое железо, из которого выкована японская катана .

История соединения металлов восходит к эпохе бронзы , когда бронзы разной твердости часто соединяли литьем. Этот метод заключался в помещении твердой части в расплавленный металл, содержащемся в форме, и предоставлении ему возможности затвердеть без фактического плавления обоих металлов, например лезвия меча в рукоять или наконечника наконечника стрелы в наконечник. Пайка и пайка также были распространены в бронзовом веке. [8]

Сварка (соединение двух твердых частей посредством диффузии) началась с железа. Первым процессом сварки была кузнечная сварка, которая началась, когда люди научились плавить железо из железной руды ; скорее всего, в Анатолии (Турция) около 1800 г. до н.э. Древние люди не могли создать достаточно высокую температуру, чтобы полностью расплавить железо, поэтому процесс вспенивания, который использовался для плавки железа, приводил к образованию комков (блюм) зерен железа, спеченных вместе с небольшим количеством шлака и других примесей, называемых губчатым железом из-за его пористость .

После плавления губчатое железо необходимо было нагреть выше температуры сварки и подвергнуть ковке, или «ковке». Это выдавило воздушные карманы и расплавленный шлак, в результате чего зерна железа вплотную соприкоснулись с образованием сплошного блока (заготовки).

Многие изделия из кованого железа были обнаружены археологами, что свидетельствует о применении кузнечной сварки, датируемой 1000 годом до нашей эры. Поскольку железо, как правило, производилось в небольших количествах, любой крупный объект, например Делиский столб , требовалось сваривать из более мелких заготовок. [9] [10]

Кузнечная сварка выросла из метода проб и ошибок, который с течением веков становился все более совершенным. [11] Из-за низкого качества древних металлов он обычно использовался для изготовления композитных сталей путем соединения высокоуглеродистых сталей, которые сопротивлялись деформации, но легко ломались, с низкоуглеродистыми сталями, которые сопротивляются разрушению, но слишком легко изгибаются, создание объекта с большей вязкостью и прочностью, чем можно было бы изготовить из одного сплава. Этот метод сварки образцов впервые появился около 700 г. до н.э. и в основном использовался для изготовления оружия, такого как мечи; наиболее широко известными примерами являются дамасский , японский и меровинговский . [12] [13]Этот процесс был также распространен при производстве инструментов, от кованых плугов со стальными краями до железных долот со стальными режущими поверхностями. [12]

Материалы [ править ]

Многие металлы можно сваривать методом ковки, наиболее распространенными являются как высокоуглеродистые, так и низкоуглеродистые стали . Железо и даже некоторые доэвтектических литые утюги могут быть кузницей заварены. Некоторые алюминиевые сплавы также можно сваривать ковкой. [14] Металлы, такие как медь , бронза и латунь , плохо поддаются сварке. Хотя можно сваривать сплавы на основе меди , это часто сопряжено с большими трудностями из-за способности меди поглощать кислород во время нагрева. [15] Медь и ее сплавы обычно лучше соединяются холодной сваркой , сваркой взрывом., или другие методы сварки давлением. В случае железа или стали присутствие даже небольшого количества меди серьезно снижает способность сплава к ковке сварного шва. [16] [17]

Титановые сплавы обычно сваривают кузнечной сваркой. Из-за тенденции титана поглощать кислород в расплавленном состоянии твердотельная диффузионная связь кузнечного шва часто бывает прочнее, чем сварного шва плавлением, в котором металл находится в жидком состоянии. [18]

Кузнечная сварка между подобными материалами вызвана диффузией в твердом теле. В результате получается сварной шов, состоящий только из сварных материалов, без каких-либо присадок или материалов для перемычки. Кузнечная сварка между разнородными материалами вызвана образованием эвтектики с более низкой температурой плавления между материалами. Из-за этого сварной шов часто бывает прочнее, чем отдельные металлы.

Процессы [ править ]

Отбойный молоток механизированный .

Самый известный и самый старый процесс кузнечной сварки - это метод ручной ковки. Ручная ударная обработка выполняется путем нагрева металла до нужной температуры, покрытия флюсом, перекрытия сварных поверхностей, а затем многократных ударов по стыку ручным молотком . Соединение часто формируют так, чтобы оставить пространство для выхода флюса, слегка скашивая или закругляя поверхности, и последовательно забивают его наружу, чтобы выдавить флюс. Удары молотка обычно не такие сильные, как удары, используемые для формования, что предотвращает выброс флюса из соединения при первом ударе.

Когда были разработаны механические молотки , кузнечная сварка могла выполняться путем нагрева металла и последующего помещения его между механизированным молотком и наковальней. Первоначально приводимые в движение водяными колесами , современные механические молоты также могут приводиться в действие сжатым воздухом, электричеством, паровыми, газовыми двигателями и многими другими способами. Другой метод - это кузнечная сварка с использованием штампа , когда металлические детали нагреваются, а затем помещаются в штамп, который обеспечивает давление для сварки и сохраняет готовую форму соединения. Валковая сварка - это еще один процесс кузнечной сварки, при котором нагретые металлы накладываются друг на друга и пропускаются через ролики под высоким давлением для создания сварного шва. [19] [20]

Современная кузнечная сварка часто автоматизирована с использованием компьютеров, машин и сложных гидравлических прессов для производства разнообразных изделий из различных сплавов. [21] Например, стальную трубу часто сваривают кузнечной сваркой в ​​процессе производства. Плоская заготовка нагревается и подается через ролики специальной формы, которые превращают сталь в трубу и одновременно обеспечивают давление, сваривая кромки в непрерывный шов. [22]

Диффузионная сварка - распространенный метод кузнечной сварки титановых сплавов в аэрокосмической промышленности. В этом процессе металл нагревается в прессе или штампе. За пределами определенной критической температуры, которая варьируется в зависимости от сплава, примеси выгорают, и поверхности сжимаются. [23]

Другие методы включают в себя сварку оплавлением и ударную сварку . Это методы контактной кузнечной сварки, при которых пресс или матрица наэлектризованы, пропуская через сплав сильный ток, чтобы создать тепло для сварного шва. [24] Кузнечная сварка в защитных газах - это процесс кузнечной сварки в среде, реагирующей с кислородом, с целью выжигания оксидов с использованием газообразного водорода и индукционного нагрева . [25]

Температура [ править ]

Температура, необходимая для ковки сварного шва, обычно составляет от 50 до 90 процентов температуры плавления. [26] Железо можно сваривать, когда оно превышает критическую температуру ( температура A 4 ), когда его аллотроп изменяется от гамма-железа (гранецентрированный кубический) до дельта-железа (объемно-центрированный кубический). Поскольку на критические температуры влияют легирующие агенты, такие как углерод, сталь сваривается при более низких температурах, чем железо. По мере увеличения содержания углерода в стали диапазон температур сварки линейно уменьшается. [27]

Чугун , различные стали и даже чугун можно сваривать друг с другом при условии, что их содержание углерода достаточно близко, чтобы диапазоны сварки перекрывались. Чистое железо можно сваривать почти добела; от 2500 ° F (1400 ° C) до 2700 ° F (1500 ° C). Сталь с содержанием углерода 2,0% может быть сварена в оранжево-желтом цвете при температуре от 1700 ° F (900 ° C) до 2000 ° F (1100 ° C). Обычная сталь с содержанием углерода от 0,2 до 0,8% обычно сваривается при ярко-желтом нагреве. [28]

Основным требованием для кузнечной сварки является то, что обе поверхности шва необходимо нагреть до одинаковой температуры и сварить до того, как они слишком сильно остынут. Когда сталь достигает нужной температуры, она начинает очень легко свариваться, поэтому тонкий стержень или гвоздь, нагретый до той же температуры, будет иметь тенденцию прилипать при первом контакте, что требует его изгиба или скручивания. Один из самых простых способов определить, достаточно ли горячее железо или сталь, - это прилепить к нему магнит. Когда железо пересекает критическую температуру A 2 , оно начинает превращаться в аллотроп, называемый гамма-железом. Когда это происходит, сталь или железо становятся немагнитными. [29]

В стали углерод начинает смешиваться с гамма-железом при температуре А 3 , образуя твердый раствор, называемый аустенитом . Когда он пересекает критическую температуру A 4 , он превращается в дельта-железо, которое является магнитным. Таким образом, кузнец может определить достижение температуры сварки, поместив магнит в контакт с металлом. Когда он горячий красный или оранжевый, магнит не будет прилипать к металлу, но когда температура сварки пересекается, магнит снова прилипнет к нему. Сталь может приобретать глянцевый или влажный вид при температуре сварки. Следует проявлять осторожность, чтобы избежать перегрева металла до такой степени, что он будет давать искры из-за быстрого окисления (горения), иначе сварной шов будет плохим и хрупким.[30]

Обезуглероживание [ править ]

Когда сталь нагревается до температуры аустенизации , углерод начинает диффундировать через железо. Чем выше температура; тем больше скорость диффузии. При таких высоких температурах углерод легко соединяется с кислородом с образованием диоксида углерода , поэтому углерод может легко диффундировать из стали в окружающий воздух. К концу кузнечного дела в стали будет более низкое содержание углерода, чем до нагрева. Поэтому большинство кузнечных операций выполняются как можно быстрее, чтобы уменьшить обезуглероживание и предотвратить слишком мягкую сталь.

Чтобы получить нужную твердость готового продукта, кузнец обычно начинает со стали с содержанием углерода выше желаемого. В древние времена ковка часто начиналась со стали, содержание углерода которой было слишком высоким для нормального использования. Самая древняя кузнечная сварка начиналась с заэвтектоидной стали, содержание углерода иногда значительно превышало 1,0%. Заэвтектоидные стали обычно слишком хрупкие, чтобы их можно было использовать в готовом продукте, но к концу ковки сталь обычно имела высокое содержание углерода в диапазоне от 0,8% (эвтектоидная инструментальная сталь) до 0,5% (доэвтектоидная пружинная сталь). [31]

Приложения [ править ]

Кузнечная сварка использовалась на протяжении всей своей истории для изготовления практически любых изделий из стали и железа. Его использовали во всем: от изготовления инструментов, сельскохозяйственных орудий и посуды до изготовления заборов, ворот и тюремных камер. В начале промышленной революции он широко использовался в производстве котлов и сосудов под давлением до появления сварки плавлением . В средние века он обычно использовался для производства доспехов и оружия.

Одно из самых известных применений кузнечной сварки - это производство лопаток, сваренных по шаблону . Во время этого процесса кузнец несколько раз вытягивает стальную заготовку , складывает ее и приваривает к себе. [32] Еще одним применением было производство стволов для дробовиков. Металлическую проволоку наматывали на оправку , а затем выковывали в бочку, которая была тонкой, однородной и прочной. В некоторых случаях сваренные кузнечно-сварными изделиями объекты подвергаются травлению кислотой, чтобы обнажить основной металлический узор, который является уникальным для каждого изделия и обеспечивает эстетическую привлекательность.

Несмотря на свое разнообразие, кузнечная сварка имела множество ограничений. Основным ограничением был размер объектов, которые можно было сварить методом кузнечной сварки. Для более крупных объектов требовался более крупный источник тепла, а размер уменьшал возможность вручную сваривать их, пока они не остыли слишком сильно. Сварка больших изделий, таких как стальная пластина или балки, обычно была невозможна или, по крайней мере, крайне непрактична до изобретения сварки плавлением, требующей вместо этого их заклепками. В некоторых случаях сварка плавлением дает гораздо более прочный сварной шов, например, при строительстве котлов.

Flux [ править ]

Кузнечная сварка требует, чтобы свариваемые поверхности были очень чистыми, иначе металл не будет соединяться должным образом, если вообще будет. Оксиды имеют тенденцию образовываться на поверхности, в то время как примеси, такие как фосфор и сера, имеют тенденцию мигрировать на поверхность. Часто флюс используется для предотвращения окисления свариваемых поверхностей , которое может привести к низкому качеству сварного шва, и для удаления других примесей из металла. Флюс смешивается с образующимися оксидами и снижает температуру плавления и вязкость оксидов. Это позволяет оксидам вытекать из соединения, когда две детали соединяются вместе. Из буры можно сделать простой флюс., иногда с добавлением порошкообразных железных опилок. [33]

Самым древним флюсом, используемым для кузнечной сварки, был мелкодисперсный кварцевый песок . Чугун или сталь будут нагреваться в восстановительной среде в углях кузницы. В отсутствие кислорода металл образует на своей поверхности слой оксида железа, называемый вюститом . Когда металл достаточно горячий, но ниже температуры сварки, кузнец посыпает металл песком. Кремний в песке вступает в реакции с вюстите с образованием фаялита , который плавится чуть ниже температуры сварки. В результате получился очень эффективный флюс, который помог получить прочный сварной шов. [34]

Ранние примеры потока использовали различные комбинации и различные количества железа начинок, буры , нашатырь , бальзам из Copaiba , цианид из поташа и соды фосфата . 1920 издания Scientific American книги фактов и формул указует на часто предлагаемую коммерческую тайну , как с помощью купороса , селитры , общей соль , черный оксид из марганца , цианид калия , и «хороший сварочный песок» (силикат).

См. Также [ править ]

  • Сварка образцов
  • Сварка трением
  • Сварка шпилек трением

Ссылки [ править ]

  1. ^ Shirzadi, Amir, Diffusion Bonding , архивируются с оригинала на 2013-09-01 , извлекаются 2010-02-12 .
  2. ^ Наумана, Dan (2004), "Кузница сварки" (PDF) , Blow Хаммер : 10-15, заархивированный от оригинала (PDF) на 2016-03-03 , извлекается 2010-02-12 .
  3. ^ Технология производства (производственные процессы): производственные процессы, автор PC Sharma - S. Chand & Co., 2014 г., стр. 369
  4. ^ Технология производства (производственные процессы): производственные процессы, автор PC Sharma - S. Chand & Co., 2014 г., стр. 369
  5. ^ Руководство по инженерному чертежу: техническая спецификация продукта и документация по британским и международным стандартам Колина Х. Симмонса, Денниса Э. Магуайра - Elsevier 2009 Страница 233
  6. ^ Руководство по инженерному чертежу: техническая спецификация продукта и документация по британским и международным стандартам Колина Х. Симмонса, Денниса Э. Магуайра - Elsevier 2009 Страница 233
  7. ^ Руководство по инженерному чертежу: техническая спецификация продукта и документация по британским и международным стандартам Колина Х. Симмонса, Денниса Э. Магуайра - Elsevier 2009 Страница 233
  8. ^ Введение в сварку и пайку от RL Apps, DR Milner - Pergamon Press 1994 Страница x1
  9. ^ Сварка Ричарда Лофтинга - Crowood Press 2013 Страница 1
  10. ^ История человечества: с седьмого века до нашей эры до седьмого века нашей эры Зигфрид Дж. Де Лаэт, Иоахим Херрманн - Рутледж 1996 Страница 36-37
  11. ^ Введение в сварку и пайку от RL Apps, DR Milner - Pergamon Press 1994 Страница xi
  12. ^ a b История закаливания , Ганс Бернс - Harterei Gerster AG, 2013 г., стр. 48-49
  13. ^ История металлографии Сирил Стэнли Смит - MIT Press 1960 Страница 3-5
  14. ^ Принципы сварки: процессы, физика, химия и металлургия Роберта В. Месслера-младшего - Wiley VCH 2008 Page 102
  15. ^ Публикация CDA, выпуск 12 Ассоциации производителей меди - CDA 1951, стр. 40
  16. ^ Сплавление: понимание основ Джозеф Р. Дэвис - ASM International 2001, стр. 139
  17. ↑ Соединение материалов и структур: от прагматического процесса к созданию возможностей Роберта В. Месслера - Elsevier 2004, стр. 333
  18. ^ Титан: Техническое руководство, второе издание Мэтью Дж. Доначи - ASM International 2000, стр. 76
  19. ^ Металлическое литье и соединение KC John - PHI Learning 2015, стр. 392
  20. ^ Новый Край Наковальни: Ресурс Книга для Кузнеца Джек Эндрюс --Shipjack Press 1994 Страница 93--96
  21. ^ Присоединение: Понимание основ Флейка К. Кэмпбелла ASM International 2011 Страница 144-145
  22. ^ Сварочное производство и ремонт: вопросы и ответы Фрэнка М. Марлоу - Industrial Press 2002, стр. 43
  23. ^ Титан: Техническое руководство, второе издание Мэтью Дж. Доначи - ASM International 2000, стр. 76
  24. ^ Титан: Техническое руководство, второе издание Мэтью Дж. Доначи - ASM International 2000, стр. 76
  25. ^ Проектирование подводных трубопроводов Эндрю Кленнель Палмер, Роджер А. Кинг - PennWell 2008, стр. 158
  26. ^ Титан: Техническое руководство, второе издание Мэтью Дж. Доначи - ASM International 2000, стр. 76
  27. ^ Новый Край Наковальни: Ресурс Книга для Кузнеца Джек Эндрюс --Shipjack Press 1994 Страница 93--96
  28. ^ Новый Край Наковальни: Ресурс Книга для Кузнеца Джек Эндрюс --Shipjack Press 1994 Страница 93--96
  29. ^ Новый Край Наковальни: Ресурс Книга для Кузнеца Джек Эндрюс --Shipjack Press 1994 Страница 93--96
  30. ^ Новый Край Наковальни: Ресурс Книга для Кузнеца Джек Эндрюс --Shipjack Press 1994 Страница 93--96
  31. ^ История закалки Ганса Бернса - Harterei Gerster AG 2013 Страница 48-49
  32. ^ Мэрион, Герберт (1948). "Меч типа Нидам с фермы Эли Филдс, недалеко от Эли". Труды Кембриджского антикварного общества . XLI : 73–76. DOI : 10.5284 / 1034398 .
  33. ^ Кузнечное дело с Мюрреем Картером: современное применение традиционных методов , Мюррей Картер - F + W Media 2011, стр. 40
  34. ^ Железо и сталь в древние времена Вагном Фабрициусом Бухвальдом - Det Kongelige Danske Videnskabernes Selskab 2005 Страница 65