Физические основы получения неразъемных соединений

Федеральное агентство образования  Российской Федерации 

ГОУВПО  «Воронежский Государственный  Технический Университет» 

Кафедра технологии и оборудования сварочного производства 
 
 
 
 
 
 
 
 

Курсовая  работа по дисциплине теоретические основы прогрессивных технологий на тему:

«Физические основы получения неразъемных соединений». 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Воронеж 2006 г.

Содержание: 
 
 

Введение  3

1. Соединения сваркой                                                                                              4

1.1 Сущность получения сварных соединений 4

 2. Соединения пайкой                                                                                                8 

2.1 Физическая сущность процесса пайки                                                               8

 2.2 Виды соединений пайкой.                                                                                  9

2.3 Виды припоев и флюсов используемых в процессе пайки                            10

 2.4 Способы пайки                                                                                                    12                                                                                              

 3. Соединения склеиванием                                                                                     16

3.1 Физико-химические основы склеивания                                                          16                                                           

 4. Соединения заклепками 21

Заключение 22

Литература 24

 

Введение. 

    Задача соединения различных металлов и сплавов стоит перед человечеством очень давно. В процессе развития научной мысли удалось достигнуть многого в этом направлении. Быстрота, экономичность и прочность – вот главные преимущества, которые позволили сварке получить широкое признание в промышленности. Сейчас можно сваривать металл толщиной от нескольких микрон (микроплазменная сварка на малых точках) до нескольких метров (сварочные автоматы промышленного применения). Кроме сварки металлов в моей работе подробно освещены приемы пайки, склеивания и клепки.

    Подходя ближе к содержанию своей работы, хотелось бы раскрыть главный вопрос: что же все-таки относится к неразъемным  соединениям? К неразъемным соединениям относят соединения деталей с жесткой механической связью, сохраняющейся в течение всего срока их службы. Разборка таких соединений невозможна без разрушений или повреждений самих деталей или связывающих их элементов. К неразъемным можно отнести, например, соединения деталей сваркой, заклепками, пайкой. 

 

     1 Соединения сваркой

    Сварка  представляет собой технологический  процесс получения неразъемного соединения металлов за счет образования  между ними атомной связи. Для  создания межатомного взаимодействия соединяемых кромок необходимо совершенно чистые поверхности привести на такое расстояние, при котором внешние электроны обобществляются атомами обеих деталей. 

    1.1 Сущность получения  сварных соединений

       Физическая сущность процесса  сварки заключается в образовании  прочных связей между атомами  и молекулами на соединяемых поверхностях заготовок. Для образования соединений необходимо выполнение следующих условий: освобождение свариваемых поверхностей от загрязнений, оксидов и адсорбированных на них инородных атомов; энергетическая активация поверхностных атомов, облегчающая их взаимодействие друг с другом; сближение свариваемых поверхностей на расстояния, сопоставимые с межатомным расстоянием в свариваемых заготовках.

    Процесс образования сварного соединения протекает в две стадии. На первой стадии за счет расплавления кромок  или за счет пластических деформаций, возникающих в результате прикладываемого давления, происходит образование физического контакта между соединяемыми кромками. На второй стадии осуществляется электронное взаимодействие между атомами соединяемых поверхностей. В результате поверхность раздела между соединяемыми деталями исчезает и образуется либо атомная металлическая связь (свариваются металлы), либо ковалентная связь (при сварке пластмасс).

    Образование сварного соединения, после того как  соединяемые поверхности пришли на межатомные расстояния, должно было бы происходить самопроизвольно (без затрат энергии), так как в процессе сварки исчезают две поверхности раздела и, следовательно, процесс идет с уменьшением потенциальной энергии, а согласно второму закону термодинамики всякая система стремится к минимальной потенциальной энергии. В действительности же при сварке для образования межатомной связи энергия затрачивается.

    При любом устойчивом состоянии системы  на каждый атом приходится минимум  энергии, а для того чтобы атом вывести из этого  состояния, необходимо затратить какую-то энергию Wo. Внутри системы каждый атом со всех сторон удерживается симметричными силами связи.

    В кристалле на поверхности раздела  отсутствие связей с одной стороны  вызывает повышение энергии поверхностного слоя. Для перемещения атома в поверхностном слое нужно затратить энергию Wn>Wo. Энергия при сварке образуется за счет нагрева и расплавления кромок (при сварке плавлением) или в результате пластических деформаций, происходящих под влиянием внешнего давления (при сварке с применением давления).

    Исходя  из физической сущности сварного соединения и источников нагрева, различают  сварку плавлением, пластическую и  холодную.

    Сварка  плавлением основана на применении местного нагрева соединяемых деталей до температуры плавления и образовании сварного шва путем смешения жидких фаз металлов.

    При пластической сварке местный нагрев производится только до температуры  пластического состояния металла, шов образуется посредством сдавливания  деталей.

    Холодная  сварка выполняется путем использования  высоких давлений без предварительного нагрева деталей.

    Сварка  плавлением, а также пластическая сварка, получившие широкое распространение  в производстве, подразделяются по видам тепловых источников в основном на газовую (нагрев пламенем горящего газа) и электрическую (нагрев за счет действия электрического тока).

    Электродуговой  называют сварку, при которой для  расплавления кромок соединяемых деталей  используют теплоту электрической  дуги, питаемой постоянным или переменным током.

    Питание дуги электрическим током (напряжением 30-60 В) осуществляется специальными сварочными генераторами или понижающими трансформаторами, которые обеспечивают резкое падение  напряжения при возрастании силы тока. Это условие необходимо для устойчивого и непрерывного горения дуги даже при некоторых изменениях ее длины из-за колебаний руки сварщика. Кроме того, ток короткого замыкания, неизбежный при зажигании дуги, становится  неопасным для исправности генератора или трансформатора.

    От  сварочного аппарата электрический  ток, достигающий нескольких сот  ампер и мощностью не менее 5-10 кВт, подводится к электроду и  свариваемому изделию. Прикосновение  электрода к изделию приводит к образованию дуги с температурой 5000-6000°С. Тепло электрической дуги расплавляет кромки свариваемых деталей и конец электрода, при этом металл электрода заполняет углубление разделки между деталями и образует шов.

    Электроды, применяемые при электродуговой сварке, представляют собой металлические  стержни со специальным покрытием (обмазкой). Покрытие в процессе плавления электрода способствует ионизации газового промежутка дуги, а также защищает шов от окисления и выгорания углерода из металла.

    Процесс сварки деталей вручную требует  от работающего определенных навыков в выполнении сразу нескольких движений. Вместе с перемещением электрода вдоль его оси для поддержания постоянной длины дуги электрод перемещают и вдоль шва для заполнения шва расплавленным металлом. При образовании широкого шва требуется еще и движения электрода поперек шва, чтобы заполнить весь шов металлом. Для повышения производительности труда применяют автоматическую сварку, при которой указанные движения выполняются сварочным автоматом.

    Электроконтактная сварка отличается от электродуговой тем, что здесь для местного нагрева соединяемых деталей используют теплоту, выделяющуюся в точке наибольшего сопротивления электрической цепи.

    Если  к соединяемым деталям подвести электрический ток и сблизить их до соприкосновения, то место соприкосновения  и будет этой точкой наибольшего сопротивления.

    Различают три вида контактной сварки: стыковую, точечную и шовную.

    Стыковую  сварку осуществляют электрическим  током напряжением 5-15 В от понижающего  трансформатора. Ток подводят к свариваемым  деталям, которые затем сближают до соприкосновения. Через несколько секунд в месте контакта (стыка) достигается температура начала плавления металла. Выключив ток, детали сдавливают друг с другом и таким образом получают сварное соединение.

    При точечной сварке соединяемые детали зажимают между электродами, к которым подведен ток напряжением 2-10 В. Вследствие большого сопротивления в месте контакта происходит нагрев металла в этой точке до температуры сварки. Затем под действием силы сжатия Р детали свариваются.

    Электроды изготовляют из местного сплава с большим поперечным сечением и благодаря высокой тепло- и электропроводности сами они не привариваются к соединяемым деталям.

    Электроконтактная сварка широко применяется для соединения деталей из листового металла.

    Шовная  сварка отличается от контактной тем, что в аппарате для шовной сварки (шовной машине) электроды выполнены в виде вращающихся роликов, между которыми пропускаются свариваемые листы. Главное преимущество шовной сварки – образование сплошного герметичного шва. 
 
 
 

 

     2 Соединения пайкой

    Пайка – это процесс получения неразъемного соединения изделий из стали, чугуна, стекла, графита, керамики и др., находящихся в твердом состоянии, путем заполнения зазора между ними расплавленным припоем. Применялась уже в глубокой древности для изготовления ювелирных изделий из золота, серебра, бронзы, орудий труда, предметов быта и др. 

    2.1 Физическая сущность процесса пайки

      Пайкой называется технологический  процесс соединения металлических  заготовок без их расплавления посредством введения между ними расплавленного промежуточного металла-припоя. Припой имеет температуру плавления более низкую, чем температура соединяемых металлов, и заполняет зазор  между соединяемыми поверхностями за счет действия капиллярных сил. При охлаждении припой кристаллизуется и образует прочную связь между заготовками. В процессе пайки наряду с нагревом необходимо удаление окисных пленок с поверхности паяемых металлов.

      Образование соединения без расплавления  кромок обеспечивает возможность распая, т. е. разъединения паяемых заготовок без нарушения исходных размеров и формы элементов конструкции.

      Качество паяного шва во многом  зависит от прочности связи  припоя с металлом основы. В результате смачивания твердой металлической поверхности между припоем и основным металлом возникает межатомная связь. Эта связь может образоваться при растворении металла основы в расплавленном припое с образованием жидкого раствора, распадающегося при последующей кристаллизации; за счет диффузии составляющих припой элементов в основной твердый металл с образованием твердого раствора; за счет реактивной диффузии между припоем и основным металлом с образованием на границе интерметаллических соединений; за счет бездиффузионной связи в результате межатомного взаимодействия.