Кристаллизация и структура металлов и сплавов.

Энергетические и температурные условия процесса кристаллизации.

Любое вещество может находиться в трех агрегатных состояниях — га­зообразном, жидком и твердом. Изменение агрегатного состояния проис­ходит при определенных температурах. Температура перехода зависит от давления, но при постоянном давлении они вполне определенны.

Переход металла из жидкого состояния в твердое с образованием кри­сталлической структуры называется первичной кристаллизацией. Плавле­ние процесс, обратный кристаллизации.

В природе все самопроизвольно протекающие превращения (кристал­лизация и плавление) обусловлены тем, что новые состояния в новых ус­ловиях являются энергетически более устойчивыми, обладают меньшим запасом энергии.

Энергетическое состояние системы, имеющее огромное число охва­ченных тепловым движением частиц (атомов, молекул), характеризуется особой термодинамической функцией G, называемой свободной энергией. В условиях постоянного давления:

G = U – T ⸳ S

где — U — внутренняя энергия системы (вещества), т. е. полная энергия, равная сумме кинетической и потенциальной энергии частиц, составляю­щих данную систему: Т — абсолютная температура в системе, S — энтро­пия, т. е. мера внутренней неупорядоченности в системе.

GamePark RU

Чем больше свободной энергии системы, тем система менее устойчи­ва. С изменением внешних условий свободная энергия системы изменяет­ся по сложному закону, но различно для жидкого и кристаллического со­стояний. Схематический характер изменения свободной энергии жидкого и твердого состояний в зависимости от температуры показан на рис. 1.

Изменение свободной энергии жидкого и кристаллического состояний в зависимости от температуры
Рис. 1. Изменение свободной энергии жидкого (1) и кристаллического (2)
состояний в зависимости от температуры.

Из графика видно, что при температуре Ts свободные энергии жидко­го и твердого состояний равны, металл находится в равновесии. Ts — рав­новесная или теоретическая температура кристаллизации, при которой Gж = Gтв.

Для начала кристаллизации необходимо уменьшение свободной энер­гии системы. Охлаждение жидкости ниже равновесной температуры кри­сталлизации называется переохлаждением. Разница между равновесной Ts и реальной Тк температурой кристаллизации называется степенью переох­лаждения ΔТ. Степень переохлаждения зависит от природы металла, она увеличивается с повышением частоты металла и ростом скорости охлаж­дения. Процесс перехода металла из жидкого состояния в кристаллическое можно изобразить кривыми в координатах «Время — Температура» (рис. 2).

Кривые охлаждения при кристаллизации
Рис. 2. Кривые охлаждения при кристаллизации.

Охлаждение металла в жидком состоянии сопровождается плавным понижением температуры. При достижении температуры кристаллизации на кривой «температура-время» появляется горизонтальная площадка, так как отвод тепла компенсируется выделяющейся при кристаллизации скры­той теплотой кристаллизации. Жидкий металл обладает большей внутрен­ней энергией, чем твердый, поэтому при кристаллизации выделяется теп­лота. По окончании кристаллизации температура снова начинает снижать­ся и твердое кристаллическое вещество охлаждается.

Print Bar

Механизм и основные закономерности процесса кристаллизации.

В жидком состоянии атомы вещества вследствие теплового движения перемещаются беспорядочно. В то же время в жидкости имеются группи­ровки атомов небольшого объема, в пределах которых расположение ато­мов вещества во многом аналогично их расположению в решетке кристал­ла. Эти группировки неустойчивы, они рассасываются и вновь появляются в жидкости. При переохлаждении жидкости некоторые из них (наиболее
крупные) становятся устойчивыми и способными к росту. Эти устойчивые группировки атомов называют центрами кристаллизации (зародышами).

Образование зародышей способствует флуктуации энергии, т. е. от­клонение энергии группировок атомов в отдельных зонах жидкого металла от некоторого среднего значения. Размер образовавшегося зародыша зави­сит от величины зоны флуктуации.

Процесс образования кристаллов путем зарождения центров кристал­лизации и их роста можно рассмотреть с помощью схем (рис. 3).

Схема процесса кристаллизации
Рис. 3. Схема процесса кристаллизации.

Рассмотрение подобных схем кристаллизации позволяет объяснить два важных момента:

  1. по мере развития процесса кристаллизации в нем участвует все большее и большее число кристаллов, поэтому процесс вначале ускоряется до тех пор, пока в какой-то момент взаимное столкновение растущих кри­сталлов не начинает заметно препятствовать их росту, которое замедляет­ся; тем более, что и жидкости, в которой образуются новые кристаллы, становится все меньше;
  2. в процессе кристаллизации кристалл, окруженный жидкостью, имеет правильную форму, но по мере столкновения и срастания кристал­лов их правильная форма нарушается и оказывается в зависимости от ус­ловий соприкосновения растущих кристаллов. Кристаллы неправильной формы называются кристаллитами или зернами.

Скорость процесса и окончательный размер кристаллов при затверде­вании определяется соотношением между скоростью образования центров кристаллизации и скоростью роста кристаллов (рис. 4).

Изменение скорости образования зародышей и скорости роста кристаллов в зависимости от степени переохлаждения
Рис. 4. Изменение скорости образования зародышей V3 и скорости роста кристаллов Vp в зависимости от степени переохлаждения ΔТ.

При небольших степенях переохлаждения, когда зародыш критиче­ского размера велик, а скорость образования зародышей мала, в результате затвердевания образуется крупнокристаллическая структура. Чем больше степень переохлаждения, тем больше центров кристаллизации и тем меньше размер зерна. Чем мельче зерно, тем выше механические свойства сплава.

Небольшие степени переохлаждения достигаются при заливке жидко­го металла в форму с низкой теплопроводностью (земляная, шамотовая) или в подогретую металлическую форму. Увеличение переохлаждения происходит при заливке жидкого металла в холодные металлические фор­мы, а также при уменьшении толщины стенок отливок. Поскольку при этом скорость образования зародышей увеличивается более интенсивно, чем скорость их роста, получается более мелкий кристалл.

В реальных условиях процессы кристаллизации и характер образую­щейся структуры в значительной мере зависят от имеющихся центров кри­сталлизации. Такими центрами являются частицы тугоплавких неметалли­ческих включений, оксидов, интерметаллических соединений, образуемых примесями. При кристаллизации атомы металла откладываются на акти­вированные поверхности примеси как на готовом зародыше.

Наличие готовых центров кристаллизации приводит к уменьшению размеров кристалла при затвердевании. Рост зерна чаще всего происходит по дендритной схеме (рис. 5). Это связано с тем, что развитие зародышей протекает главным образом в тех направлениях решетки, которые имеют наибольшую плотность упаковки атомов и минимальное расстояние меж­ду ними. В этих направлениях образуются ветви — оси первого порядка I. От осей первого порядка начинают расти оси второго порядка II, от них — оси третьего порядка III и т. д.

Схема строения дендрита
Рис. 5. Схема строения дендрита: 1-3 — оси первого, второго и третьего порядка.

Условия отвода теплоты при кристаллизации значительно влияют на форму зерен. Кристаллы растут преимущественно в направлении, обрат­ном отводу теплоты. Поэтому при направленном теплоотводе образуются вытянутые (столбчатые) кристаллы. Если теплота от растущего кристалла отводится во всех трех направлениях с приблизительно одинаковой скоро­стью, формируются равноосные кристаллы.

Структура слитка зависит от многих факторов, основные из которых следующие:

  • количество и свойство примесей в чистом металле или легирующих элементов в сплаве;
  • температура разливки;
  • скорость охлаждения при кристаллизации, а также конфигурация;
  • температура;
  • теплопроводность;
  • состояние внутренней поверхности литейной формы.

Типичная структура литого слитка состоит из трех основных зон (рис. 6).

Схема строения стального слитка
Рис. 6. Схема строения стального слитка: 1 — наружная мелкозернистая корка, 2 — зона столбчатых кристаллов, 3 — зона равноосных кристаллов

1 зона — наружная мелкозернистая корка, состоящая из мелких раз­лично ориентированных кристаллов. Для этой зоны характерна большая степень переохлаждения, что ведет к образованию большого количества центров кристаллизации. Отсутствие направленного роста кристаллов этой зоны объясняется их случайной ориентацией, которая является причиной столкновения кристаллов и прекращения их роста. Эта зона очень тонка и не всегда различима невооруженным глазом.

2 зона — зона столбчатых кристаллов. После образования корки уменьшается степень переохлаждения и кристаллы растут в направлении отвода тепла.

3 зона — зона равноосных кристаллов. В центре слитка нет определен­ной направленности отвода тепла, наблюдается наименьшая степень пере­охлаждения, кристалл может расти практически с одинаковой скоростью по всем направлениям.

Применяя различные технологические приемы, можно изменить коли­чественные соотношения зон или исключить из структуры слитка какую либо зону вообще. В верхней части слитка, которая затвердевает в послед­нюю очередь, концентрируется усадочная раковина. Под усадочной рако­виной металл получается рыхлым, в нем содержится много усадочных форм. Часть слитка с усадочной раковиной и рыхлым металлом отрезают.

Превращения в твердом состоянии. Полиморфизм.

Образование новых кристаллов в твердом кристаллическом веществе называется вторичной кристаллизацией. Многие металлы в зависимости от температуры могут существовать в разных кристаллических формах или разных модификациях. Существование одного металла в нескольких кристаллических формах носит название полиморфизма.

В результате полиморфного превращения атомы кристаллического те­ла, имеющие решетку одного типа, перестраиваются таким образом, что образуется кристаллическая решетка другого типа. Полиморфную моди­фикацию, устойчивую при более низкой температуре, для большинства металлов принято обозначать буквой α, а при более высокой — β, γ и т. д.

МеталлКристаллическая структураТемпература существования модификации, °C
ТитанГП
ОЦК
До 882
882-1668
ЦирконийГП
ОЦК
До 862
862-1852
ОловоАлмазная
ТОЦ
До 13
13-232
УранРомбическая
ТОЦ
ОЦК
До 663
663-764
764-1130
КобальтГП
ГЦК
До 447
477-1490
Таблица 1. Кристаллическая структура полиморфных металлов.

При переходе металла из одной полиморфной модификации в другую происходит фазовая перекристаллизация, вследствие образования новых зерен в структуре металла. Можно считать, что процесс перекристаллиза­ции при полиморфном превращении подчиняется тем же законам, что и процесс перекристаллизации. Полиморфное превращение прежде всего развивается в тех участках структуры, в которых уровень свободной энер­гии повышен. Такими участками являются границы зерен и приграничные области. Чем меньше размер зерна, тем больше межзеренная поверхность и тем больше возникает зародышевых центров. Температура, при которой осуществляется переход из одной модификации в другую, носит название температуры полиморфного превращения.

Переход металла из одной полиморфной модификации в другую в ус­ловиях равновесия протекает при постоянной температуре и сопровожда­ется выделением тепла, если превращение идет при охлаждении, и погло­щением тепла — при нагреве. На кривых охлаждения и нагрева переход из одного состояния в другой характеризуется остановкой (для чистых ме­таллов) или изменением характера кривой (для сплавов).

Рассмотрим явление полиморфизма на примере железа (рис. 7). Же­лезо имеет две температуры полиморфного превращения — 1392 °C и 911 °C:

при t < 1392 °C; Feδ(α) ->Feγ; ОЦК -> ГЦК,

при t < 911 °C; Feγ ->Feα; ГЦК -> ОЦК.

При температуре 768 °C получается остановка на кривой охлаждения, связанная не с перестройкой решетки, а с изменением магнитных свойств. Железо отличается специфическими магнитными свойствами. Эти свойст­ва называются ферромагнитными. При нагреве ферромагнитные свойства постепенно теряются. П. Кюри показал, что полная потеря ферромагнит­ных свойств получается при определенной температуре, названной впо­следствии точкой Кюри. Выше 768 °C Feα немагнитно (немагнитное Feα иногда называют Feβ), ниже 768 °C железо ферромагнитно.

Кривая охлаждения железа
Рис. 7. Кривая охлаждения железа.

Магнитное превращение имеет ряд особенностей, отличающих его от полиморфического превращению. Магнитные свойства железа постепенно падают по мере приближения к точке превращения, и эта точка не отвечает скачкообразному изменению свойств:

  • магнитное превращение не имеет температурного гистерезиса, уве­личение скорости охлаждения не снижает температуры превращения;
  • механические и некоторые физические свойства при превращении не изменяются, изменяются многие электрические, магнитные и тепловые свойства;
  • магнитное превращение не сопровождается перекристаллизацией.

При магнитных превращениях происходит изменение не в кристалли­ческой структуре металла, а во взаимодействии внешних и внутренних электронных оболочек атомов.

Полиморфное превращение сопровождается скачкообразным измене­нием свойств металлов или сплавов — удельного объема, теплоемкости, те­плопроводности, электропроводности и т. д. Эти превращения происходят не только в чистых металлах, но и в сплавах.

Строение материалов.

Металлы, их классификация и основные физические свойства.

Что такое металл? М. В. Ломоносов в своем труде «Первые основания металлургии или рудных дел» дал металлам такое определение: «Металлы суть ковкие блестящие тела». Позже, объясняя понятие «металлы», стали называть и другие металлические свойства. В энциклопедическом словаре Мейера о металлах говорится следующее: «Элементы, которые являются хорошими проводниками тепла и электричества, обладают характерным сильным блеском, непрозрачны (в не слишком тонком слое) и образуют с кислородом соединения преимущественно основного типа».

Металлы в твердом состоянии обладают рядом характерных свойств:

  • высокой тепло- и электропроводностью;
  • положительным температурным коэффициентом электросопротив­ления (с повышением температуры электросопротивление чистых метал­лов возрастает; большое число металлов обладает сверхпроводимостью — у этих металлов при температуре, близкой к абсолютному нулю, электро­сопротивление падает скачкообразно практически до нуля);
  • термоэлектронной эмиссией, т. е. способностью испускать электроны при нагреве;
  • хорошей отражательной способностью (металлы непрозрачны и об­ладают металлическим блеском);
  • повышенной способностью к пластической деформации.

Эти свойства металлов обусловлены их электронным строением. Ме­таллическое состояние возникает в комплексе атомов, если при их сбли­жении внешние электроны теряют связь с отдельными атомами, становят­ся общими, т. е. коллективизируются и свободно перемещаются по опре­деленным энергетическим уровням между положительно заряженными и периодически расположенными в пространстве ионами. Устойчивость ме­талла, представляющего собой ионно-электронную систему, определяется электрическим взаимодействием между положительно заряженными ио­нами и коллективизированными электронами. Такое взаимодействие меж­ду ионным скелетом и электронным газом получило название металличе­ской связи.

Сила связи в металлах определяется соотношением между силами от­талкивания и силами притяжения между ионами и электронами. Атомы (ионы) располагаются на таком расстояния один от другого, чтобы энергия взаимодействия быта минимальной. Этому положению соответствует рав­новесное расстояние d0 (рис. 1).

GamePark RU

Сближение атомов (ионов) на расстояние меньшее do или удаление на расстояние больше do. осуществимо лишь при совершении определенной работы против сил отталкивания или притяжения.

Силы взаимодействия двух атомов
Рис. 1. Силы взаимодействия двух атомов.

Каждый металл отличается от других строением и свойством, но по не­которым признакам их можно объединить в группы (рис. 2).

Классификация металлов периодической системы Д.И. Менделеева
Рис. 2. Классификация металлов периодической системы Д.И. Менделеева.

Металлы делятся на две большие группы — черные и цветные. Черные металлы делятся на:

  • железные — железо, кобальт, никель, марганец. Кобальт, никель и марганец часто применяют как добавки к сплавам железа, а также в каче­стве основы для соответствующих сплавов, похожих по своим свойствам;
  • тугоплавкие — титан, вольфрам, хром, молибден и др. — температура плавления выше, чем железа (выше 1539 °C). Применяют как добавки к легированным сталям, а также в качестве основы для соответствующих сплавов;
  • урановые — актиний и актиноиды, имеющие преимущественное при­менение в сплавах для атомной энергетики;
  • редкоземельные — лантан, церий, неодим и др., объединяемые под названием лантаноиды. Эти металлы обладают близкими химическими свойствами, но различными физическими (температура плавления и т. д.). Их применяют как присадки к сплавам др. элементов;
  • щелочноземельные — литий, натрий, кальций и др., которые в сво­бодном металлическом состоянии не применяются.

Цветные металлы подразделяются на:

  • легкие — бериллий, магний, алюминий, обладающие малой плотно­стью;
  • благородные — серебро, золото, металлы платиновой группы. Обла­дают высокой устойчивостью против коррозии;
  • легкоплавкие металлы — цинк, олово, свинец и др.

Различные агрегатные состояния и кристаллическое строение металлов.

Все вещества в зависимости от температуры и давления могут нахо­диться в трех агрегатных состояниях: твердом, жидком и газообразном.

В чистых металлах при повышении температуры происходит измене­ние агрегатного состояния: при превышении температуры плавления твер­дое состояние сменяется жидким, при превышении температуры кипения жидкое состояние переходит в газообразное. Эти температуры перехода зависят от давления.

Температура плавления — особенно важная константа свойств метал­ла — колеблется для различных металлов в весьма широких пределах: от минус 38,9 °C для ртути, самого легкоплавкого металла, находящегося при комнатной температуре в жидком состоянии, до 3390 °C — для самого ту­гоплавкого металла — вольфрама.

При постоянном давлении температуры плавления, плотность и неко­торые теплофизические характеристики вполне определенны и для наибо­лее распространенных в технике металлов приведены в таблице 1.

Плотность, теплоемкость, температура плавления и теплота плавления некоторых металлов
Таблица 1. Плотность, теплоемкость, температура плавления и теплота плавления некоторых металлов.

В газообразном состоянии частицы вещества не связаны между собой молекулярными силами притяжения и хаотически движутся, заполняя весь возможный объем. При обычных давлениях и температурах среднее рас­стояние между молекулами в газах примерно в десять раз больше, чем в твердых телах и жидкостях. Поэтому газы имеют значительно меньшие плотности, чем твердые тела и жидкости. При обычных температурах газы — хорошие диэлектрики, так как их атомы и молекулы электрически ней­тральны.

При нагреве газа до высоких температур происходит его ионизация: концентрация заряженных частиц увеличивается, причем объемные плот­ности положительных и отрицательных электрических зарядов заряжен­ных частиц становятся практически одинаковыми. Термически ионизиро­ванный газ отличается от обычного газа рядом особенностей, позволяю­щих считать его четвертым (после твердого, жидкого и газообразного) со­стоянием вещества — плазмой. В технике широкое применение получила «холодная» или низкотемпературная плазма (~103-104К).

Жидкости представляют собой вещества в конденсированном агрегат­ном состоянии, промежуточном между’ твердым и газообразном. Жидко­сти подобно твердым телам обладают малой сжимаемостью и большой плотностью, но в то же время подобно газам не обладают упругостью формы и легко текут.

В жидкостях среднее расстояние между молекулами сравнимо с раз­мерами самих молекул (~10 Нм = 10-10 м), поэтому силы межмолекуляр­ного взаимодействия весьма значительны. Подобно частицам твердого те­ла молекулы жидкости совершают тепловые колебания около некоторых положений равновесия. Однако если в твердых телах эти положения рав­новесия неизменны (т. е. имеет место дальний порядок), то в жидкостях они время от времени изменяются: по истечении некоторого времени мо­лекула жидкости перескакивает в новое положение равновесия, перемеща­ясь на расстояние, сравнимое с расстоянием между молекулами.

Эти перемещения молекул жидкости обусловливают ее текучесть. Та­ким образом, несмотря на то, что в жидкостях не соблюдается дальний по­рядок, как у твердых тел, для них имеет место «ближний порядок»: в среднем для каждой молекулы жидкости число ближайших соседей и их взаимное расположение одинаковы.

В твердом состоянии физические тела характеризуются стабильно­стью формы. При изменении формы в твердых телах возникают упругие силы, препятствующие этому изменению. В твердых телах элементарные частицы (атомы, молекулы или ионы) совершают малые тепловые колеба­ния около некоторых фиксированных положений равновесия, т. е. имеет место «дальний порядок», вследствие которого элементарные частицы твердого тела могут: располагаться по узлам кристаллических решеток.

Print Bar

Правильное регулярное расположение атомов в твердом теле, характе­ризующееся периодической повторяемостью в трех измерениях, образует кристаллическую решетку, а тела, имеющие кристаллическую решетку, на­зывают твердыми телами. Металлы являются телами кристаллическими.

Наиболее простой кристаллической решеткой у металлов является ку­бическая, имеющая две разновидности: кубическую объемноцентрированную (ОЦК) и кубическую гранецентрированную (ГЦК).

У обоих типов этих решеток основу ячеек составляют восемь атомов, образующих куб и находящихся в его вершинах. Остальные атомы нахо­дятся или в центре объема куба (1 атом на пересечении диагоналей в ре­шетке ОЦК), или в центре каждой из его граней (6 атомов в решетке ГЦК). Кристаллические решетки ОЦК имеют альфа-железо (Feα), хром, ванадий, вольфрам и другие металлы. Решетку ГЦК имеют гамма-железо (Feγ), алюминий, медь, никель и другие металлы.

Другой разновидностью кристаллических решеток у металлов являет­ся гексагональная плотноупакованная решетка (ГПУ). Ячейка этой решет­ки представляет собой шестигранную призму с центрированными основа­ниями, между которыми на некотором расстоянии от центров трех граней расположены еще три атома. ГПУ решетку имеют магний, цинк, бериллий и другие металлы (рис. 3).

Кристаллические решетки
Рис. 3. Кристаллические решетки:
а) кубическая объемноцентрированная (ОЦК), б) кубическая гранецентрированная (ГЦК), в) гексагональная плотноупакованная (ГПУ)

Плоскости, параллельные координатным плоскостям и находящиеся на расстоянии а, в, с, разбивают кристалл на множество параллелепипедов, равных и параллельно ориентированных. Наименьший параллелепипед на­зывают элементарной ячейкой. Вершины параллелепипеда называют уз­лами пространственного решетки. Размер элементарной ячейки оценива­ют отрезками а, b, c. Их называют периодами решетки. Дополнительными характеристиками кристаллической решетки являются координационное число и коэффициент компактности.

Координационное число К — число ближайших равноудаленных частиц (атомов) от любого атома в кристаллической решетке (для ОЦК — К8, для ГЦК — К12). Коэффициент компактности — отношение объема всех частиц, приходящихся на одну элементарную ячейку, ко всему объему элементарной ячейки (для ОЦК — 0,68, для ГЦК — 0,74).

Упорядоченность расположения атомов в кристаллической решетке позволяет четко выделить кристаллографические направления и плоскости (рис. 4). Кристаллографические направления — лучи, выходящие из ка­кой-нибудь точки отсчета, вдоль которых на определенном расстоянии друг от друга располагаются атомы.

Основные кристаллографические направления и плоскости
Рис. 4. Основные кристаллографические направления и плоскости.

Точками отсчета могут служить вершины куба, при этом кристалло­графическими направлениями являются его ребра и диагонали грани.

Кристаллографические плоскости — плоскости, на которых лежат атомы, например, грани куба или его диагональной плоскости. Кристалло­графические направления и плоскости принято обозначать индексами Миллера. Для определения индекса какого-либо направления следует най­ти координаты ближайшего к точке отсчета атома, лежащего на этом на­правлении, выраженные через параметр решетки.

Пример. Координаты ближайшего атома вдоль оси ох выразятся через 100. Этими цифрами принято обозначать индекс направления вдоль оси ох и параллельных ему направлениях [100]. Индексы направлений вдоль оси оу и oz и параллельных им направлений выразятся соответственно через [010] и [001], а направления вдоль диагонали грани xoz, хоу, yoz и диаго­нали куба получат индексы соответственно [101], [110], [011], [111].

Для определения индекса кристаллографической плоскости следует вначале найти координаты ближайших точек ее пересечения с осями коор­динат, проведенными из точки отсчета 0. Затем обратные величины най­денных координат следует записать в обычной последовательности в круглых скобках. Использование понятий о кристаллографических на­правлениях и плоскостях и об их индексах позволяет описывать различные явления, происходящие в кристаллических телах, а также особенности свойств кристаллических тел вдоль различных направлений и плоскостей.

Физические и прочностные свойства металлов вдоль различных кристаллографических направлений зависят от числа атомов, расположенных на этих направлениях. В действительности в кристаллической решетке на различных направлениях находится разное число атомов. Например, в ку­бических решетках (рис. 4) вдоль диагонали куба ОЦК решетки [111] или диагонали грани решетки ГЦК [110], [101], [011] размещается больше атомов, чем по направлениям вдоль ребер кубов [100], [010], [001].

Из этого следует, что в кристаллических веществах должна наблю­даться анизотропия, т. е. неодинаковость свойств вдоль различных кристаллографических направлениях.

Анизотропия — это зависимость свойств кристалла от направления, возникающая в результате упорядоченного расположения атомов в про­странстве. Анизотропия механических и других свойств наблюдается при испытании образцов, вырезанных вдоль различных кристаллографических направлений. Не всем свойствам кристаллических тел присуще явление анизотропии, так, например, теплоемкость, от направления не зависит.

Анизотропия проявляется только в пределах одного кристаллического зерна. Реальные металлы являются телами поликристаллическими, со­стоящими из огромного числа зерен, произвольно ориентированных друг к другу своими кристаллографическими направлениями и плоскостями.

В связи с этим, недостаток какого-либо свойства по одному из направ­лений приложения силы в одних зернах компенсируется избытком этого свойства по этому же направлению в других зернах. Поэтому реальные металлы являются изотропными телами, т. е. телами с примерно одинако­выми свойствами по всем направлениям.

Реальное строение металлов и дефекты кристаллических решеток.

Строение реальных кристаллов отличается от идеальных. В реальных кристаллах всегда содержатся дефекты, которые подразделяются на то­чечные, линейные, поверхностные и объемные.

К самым простым точечным дефектам относятся вакансии, межузель­ные атомы основного вещества, чужеродные атомы внедрения (рис. 5).

Точечные дефекты в кристаллической решётке
Рис 5. Точечные дефекты в кристаллической решётке:
а — вакансии; б — межузельный атом основного вещества; в — примесный атом внедрения

Вакансией называется пустой узел кристаллической решетки, т. е. ме­сто, где по той или иной причине отсутствуют атомы (рис. 5, а). Межу­зельный атом — атом, перемещенный из узла в позицию между узлами (рис. 5, б). Вакансии и межузельные атомы появляются в кристаллах из-за тепловых колебаний атомов при любой температуре выше абсолютного нуля. Каждой температуре соответствует равновесная концентрация ва­кансий, а также межузельных атомов.

Вакансии являются самой важной разновидностью точечных дефек­тов, они ускоряют все процессы, связанные с перемещениями атомов (диффузия, спекание порошков и т. д. ).

Атомы внедрения — это атомы примесного элемента, находящиеся в междоузлиях кристаллической решетки (рис. 5, в).

Все виды точечных дефектов искажают кристаллическую решетку и в определенной мере влияют на физические свойства металла (электропро­водность, магнитные свойства и др.), а также на фазовые превращения в металлах и сплавах.

Линейные несовершенства имеют малые размеры в двух измерениях и большую протяженность в третьем измерении. Важнейшие виды линей­ных несовершенств — краевые и винтовые дислокации. Образуются дисло­кации в результате локальных или местных смещений кристаллографиче­ских плоскостей, происходящих в кристаллической решетке зерен на раз­личных технологических этапах их формирования. Наиболее распростра­ненной является краевая дислокация (рис. 6). Она представляет собой локализованное искажение кристаллической решетки, вызванное наличи­ем атомной полуплоскости или экстраплоскости АВ.

Схема краевой дислокации в кристаллической решетке
Рис. 6. Схема краевой дислокации в кристаллической решетке.

Линию атомов нижней границы экстраплоскости принято называть дислокацией. Дислокацию обозначают знаком ┬ или ┴ (экстраплоскости в верхней или нижней части зерна — положительная или отрицательная). Различие между положительной или отрицательной дислокациями чисто условное. Вокруг дислокаций решетка упруго искажена. Мерой искажения служит так называемый вектор Бюргерса. Он получается, если обойти замкнутый контур в идеальном кристалле (рис. 7), переходя от узла к уз­лу, а затем этот же пуль повторить в реальном кристалле, заключив дисло­кацию внутрь контура. Отрезок АЕ, по модулю равный параметру решет­ки, принято считать вектором Бюргерса. Он перпендикулярен линии дислокации.

Схема определения вектора Бюргерса
Рис. 7. Схема определения вектора Бюргерса.

Дислокации возникают при кристаллизации, плотность их большая, поэтому они значительно влияют на свойства материалов, наряду с други­ми дефектами участвуют в фазовых превращениях. Дислокации служат местом концентрации примесных атомов. Примесные атомы образуют во­круг дислокации зону повышенной концентрации — так называемую ат­мосферу Коттрела, которая мешает движению дислокаций и упрочняет металл.

Поверхностные дефекты.

Наиболее важными являются большеугловые и малоугловые границы, дефекты упаковки, границы двойников.

Поликристаллический сплав содержит огромное число мелких зерен. В соседних зернах решетки ориентированы различно (рис. 8) и граница между зернами представляет собой переходный слой шириной 1-5 нм. В нем нарушена правильность расположения атомов, имеются скопления дислокаций, повышена концентрация примесей. Границы между зернами называются большеугловыми, т.к. соответственные кристаллографические направления в соседних зернах образуют узлы в десятки градусов (рис. 8, а).

Каждое зерно, в свою очередь, состоит из субзерен. Субзерно пред­ставляет собой часть кристалла относительно правильного строения, а его границы — стенки дислокаций, которые разделяют зерно на отдельные суб­зерна (рис. 8, б). Угол взаимной разориентации между соседними субзер­нами невелик (не более 5 %), поэтому такие границы называются малоуг­ловыми.

Схемы строения большеугловых и малоугловых границ
Рис. 8. Схемы строения большеугловых (а) и малоугловых (б) границ.

Дефект упаковки представляет собой часть атомной плоскости, огра­ниченную дислокациями, в пределах которой нарушен нормальный поря­док чередования атомных слоев.

Двойники. Двойникованием называют симметричную переориентацию областей кристаллической решетки. Решетка внутри двойниковой про­слойки является зеркальным отображением решетки в остальной части кристалла.

Поверхностные дефекты влияют на механические и физические свой­ства материалов. Особенно большое значение имеют границы зерен. Предел текучести от связан с размером зерен зависимостью: σт = σ0 + кd-1/2, где σ0 и к — постоянные для данного материала. Чем мельче зерно, тем выше предел текучести, вязкость и меньше опасность хрупкого разрушения.

Объемные дефекты (пустоты, поры, трещины и включения) имеют значительные размеры во всех трех направлениях.

Строение сплавов.

Сплавы — важные вещества, получаемые сплавлением или спеканием двух или нескольких элементов периодической системы, называемых ком­понентами. Сплав считается металлическим, если его основу (свыше 50 % по массе) составляют металлические компоненты. Металлические сплавы обладают более высокими прочностными и другими механическими свой­ствами по сравнению с чистыми металлами.

В зависимости от природы сплавляемых компонентов сплавы, взаимо­действуя друг с другом, могут образовать различные по строению и свой­ствам продукты. Характер взаимодействия компонентов при сплавлении зависит от их положения в таблице Д. И. Менделеева, особенностей строе­ния электронных оболочек их атомов, типов и параметров их кристалличе­ских решеток, соотношения температур их плавления, атомных диаметров и других факторов.

Компоненты при сплавлении могут образовывать смеси зерен с пре­небрежимо ничтожной взаимной растворимостью, неограниченно или час­тично растворяться друг в друге, а также образовывать химические соеди­нения.

Смесь образуется при взаимодействии компонентов, не способных к взаимному растворению в твердом состоянии и не вступающих в химиче­скую реакцию с образованием соединения (рис. 9). В этих условиях сплав состоит из чистых зерен обоих компонентов, сохраняющих прису­щие им типы кристаллических решеток и прочностные свойства. Механи­ческие свойства таких сплавов зависят от количественного соотношения компонентов, от размеров и формы зерен и соединения их границ.

Микроструктура смеси
Рис. 9. Микроструктура смеси (схема).

Химическое соединение представляет собой зерна со специфической кристаллической решеткой, отличной от решеток обоих компонентов. При образовании химического соединения соотношение чисел атомов элемен­тов соответствует стехиометрической пропорции, что выражается форму­лой АnВт связь между атомами в них сильнее и жестче металлической. Поэтому они являются очень твердыми и хрупкими веществами.

Химическое соединение характеризуется определенной температурой плавления, скачкообразным изменением свойств при изменении состава. Если химическое соединение образуется только металлическими элемен­тами, то в узлах решеток располагаются положительно заряженные ионы, удерживаемые электронным газом — возникает металлическая связь.

При образовании химического соединения металла с неметаллом воз­никает ионная связь. В результате взаимодействия элементов в этом случае атом металла отдает электроны (валентные) и становится положительным ионом, а атом металлоида принимает электроны на свою внешнюю оболоч­ку и становится отрицательным ионом. В решетке химического соединения такого типа элементы удерживаются электростатическим притяжением.

Если образующиеся в сплавах химические соединения оказываются стойкими веществами, не диссоциирующими при нагреве вплоть до темпе­ратуры плавления, то их принято рассматривать в качестве самостоятель­ных компонентов, способных образовывать сплавы с компонентами сплава.

Твердый раствор образуется при растворении компонентов друг в дру­ге, является однофазным, состоит из одного вида кристаллов, имеет одну кристаллическую решетку и существует в интервале концентраций. Обо­значаются твердые растворы буквами латинского алфавита: α, β, γ и т. д.

При образовании твердого раствора сохраняется решетка одного из компонентов. В этом случае компонент называется растворителем.

Атомы растворенного вещества искажают и изменяют средние разме­ры элементарной ячейки растворителя. Если атомы растворенного компо­нента В замещают в узлах решетки атомы компонента-растворителя А, то образующийся раствор называется твердым раствором замещения. Твер­дые растворы замещения могут: быть ограниченные и неограниченные. Не­ограниченные твердые растворы образуются, если компоненты имеют одинаковую кристаллическую решетку и одинаковый атомный радиус. Ограниченные твердые растворы образуются, если компоненты имеют одинаковую кристаллическую решетку, а атомные радиусы разнятся.

При образовании твердых растворов внедрения атомы растворенного вещества С располагаются между атомами А в кристаллической решетке растворителя. Следовательно, диаметр атома С должен быть невелик, а внутри решетки металла А должно быть достаточное пространство для атома С (рис. 10). Искажения решетки при образовании твердых раство­ров внедрения больше, чем при образовании твердых растворов замеще­ния, поэтому у них более резко изменяются свойства.

Кристаллическая решетка ОЦК
Рис. 10. Кристаллическая решетка ОЦК: а — неограниченный твердый раствор замещения; б — ограниченный твердый раствор замещения; в — твердый раствор внедрения

Образование твердых растворов сопровождается увеличением твердо­сти и прочности, уменьшением температурного коэффициента электриче­ского сопротивления, пластичности (исключение составляют твердые рас­творы на основе меди) по сравнению с чистыми металлами.

В сплавах, содержащих более двух элементов, возможно растворение в одном и том же растворителе и путем замещения, и путем внедрения. Например, при сплавлении железа с марганцем и углеродом получается твердый раствор, в котором марганец растворяется путем замещения, а уг­лерод — путем внедрения.

Оборудование для лазерной сварки.

Лазерная сварка в промышленности осуществляется с помо­щью лазерных технологических установок. В их состав входят, как правило, технологический лазер, системы транспортирования и фокусировки излуче­ния и защиты зоны шва, а также механизмы крепления и перемещения свари­ваемого объекта.

Для сварки применяют два типа технологических лазеров: газовые и твердотельные.

Газовые лазеры.

В них активной средой являются чистый газ, смесь несколь­ких газов или газа с парами металла, возбуждаемая электрическим разрядом, химическими реакциями или при адиабатическом сверхзвуковом истечении на­гретого газа через сопло. В соответствии с этим различают газовые электроразрядные, химические и газодинамические лазеры.

GamePark RU

Наибольшее распространение получили электроразрядные СО2-лазеры, в которых используются нижние колебательные уровни возбужденных моле­кул СО2 для инфракрасного излучения с длиной волны 10,6 мкм. Газ возбуж­дают электрическим разрядом. Электрический КПД СО2-лазера составляет 5…15%.

Для повышения эффективности генерации излучения молекул углекис­лого газа в большинстве СО2-лазеров используется газовая смесь с различным процентным содержанием СО2 , N2 и He. Добавка N2 в рабочую газовую смесь способствует усилению генерации излучения, а He интенсифицирует отвод те­плоты во время генерации вследствие высокой теплоемкости и теплопроводно­сти, понижая температуру рабочей смеси.

Для увеличения эффективности использования газовой смеси необходимо не допускать ее перегрева. С этой целью рабочую смесь охлаждают либо за счет отвода теплоты от разрядной трубки (СО2-лазеры с диффузионным охлаждени­ем рабочей смеси — медленная прокачка), либо при циркуляции рабочей смеси и замене нагретых объемов (СО2-лазеры с конвективным охлаждением — бы­страя прокачка).

Медленная прокачка применяется в трубчатых однолучевых лазерах со сравнительно малой мощностью и в многолучевых лазерах. Однако излучение лазеров с диффузионным охлаждением отличается повышенной расходимо­стью из-за наличия большого числа поворотных зеркал и многомодового харак­тера излучения. Поэтому при фокусировке излучения максимальные значения плотности мощности ограничены (104…5 х 105 Вт/см2).

В лазерах с быстрой прокачкой достигаются более высокие мощности излу­чения (> 1 кВт). По направлению газового потока относительно электродов газоразрядной камеры и зеркал резонатора различают лазеры с продольной прокачкой и лазеры с поперечной прокачкой. Возбуждение рабочей газовой смеси осуществляется разрядом постоянного тока, высокочастотным разрядом или разрядом постоянного тока с импульсной предионизацией.

Print Bar

На рисунке 1, аб представлена схема с быстрой продольной прокач­кой. Быстрая продольная прокачка смеси осуществляется с высокой скоро­стью (v = 120 м/с) через четыре пары параллельных газоразрядных трубок; при последовательном сложении лучей общая оптическая длина активной среды L = 1,6 м. В блоке питания лазера используется трехфазный высоко­вольтный регулятор переменного напряжения. Модулятор питания позво­ляет перейти на импульсный режим. Газовакуумная система имеет ручное и автоматическое управление, осуществляющее откачку и напуск смеси за 2 мин. При этом обеспечивается поддержание давления в газовакуумном контуре.

Схема лазера с быстрой продольной прокачкой, используемая в лазерной технологической установке для сварки «Латус-31»
Рис. 1. Схема лазера с быстрой продольной прокачкой, используемая в лазерной технологической установке для сварки «Латус-31»: а — газоразрядная и технологическая схемы; б — оптическая схема; 1 — теплообменники; 2 — зеркала оптического резонатора; 3 — аноды; 4 — кварцевая часть газоразрядной трубки; 5 — катоды (заземленный корпус); 6 — керамическая часть газоразрядной трубки; 7 — напряжение газового потока; 8 — выводное окно; 9 — выходящий пучок лазерного излучения; 10 — вентилятор; 11 — привод вентилятора; 12 — магнитная муфта.

Используемые в технологических лазерах оптические резонаторы обеспе­чивают качество излучения с расходимостью 1…5 мрад. Зеркала для резона­торов изготавливают из меди, кремния и других материалов с покрытиями, гарантирующими высокий коэффициент отражения 98…99,7% для длины волны генерируемого излучения 10,6 мкм.

Одним из недостатков СО2-лазера является то, что в оптических фокусирую­щих системах требуются линзы из таких дефицитных материалов, как арсенид галлия, германий, селенид цинка и др.

Твердотельные лазеры.

В твердотельных лазерах генерация излучения осуществляется в твердом активном элементе, в качестве которого использу­ют стержни из кристалла искусственного рубина, стекла с присадкой редкозе­мельного элемента неодима, алюмоиттриевого граната с добавкой неодима.

Принципиальная схема твердотельного лазера представлена на рисун­ке 2. Твердый активный элемент 2 размещают в резонаторе между двумя зеркалами 1 и 3. Зеркало 1 полностью отражает все падающее на него излу­чение, а зеркало 3 является полупрозрачным. Оптическая накачка активной среды осуществляется энергией газо­разрядной лампы-вспышки 4 с источ­ником питания 6. Для получения более эффективного облучения лампу 4 вме­сте с активным элементом 2 помещают в кожух 5 , на внутреннюю поверхность которого нанесено отражающее покры­тие типа серебра, золота и др. Кожух 5 имеет эллиптическую форму, а лампа и кристалл размещаются в фокусах эл­липса. Этим достигаются условия равномерного и интенсивного освещения кристалла.

Принципиальная схема твердотельного лазера
Рис. 2. Принципиальная схема твердотельного лазера.

Твердотельные лазеры с рубиновым стержнем обычно работают в импульс­но-периодическом режиме излучения с длительностью импульсов 10-3…10-9 с на длине волны 0,69 мкм. Энергия излучения в импульсе 10-2…10-3 Дж при максимальной частоте повторения импульсов > 10 Гц.

Твердотельные лазеры на стекле с неодимом и на гранате с неодимом генерируют излучение на длине волны 1,06 мкм и характеризуются высокой мощностью излучения в импульсе при импульсно-периодическом режиме генерации. Частотный режим твердотельных неодимовых лазеров изменяется в широких пределах: 0,05 Гц…50 кГц. При низких частотах (0,1…1 Гц) эти лазеры способны генерировать энергию в десятки джоулей в импульсе при дли­тельности импульса порядка 100 мкс.

Отличительной особенностью этих лазеров является возможность генера­ции излучения не только в импульсно-периодическом, но и в непрерывном режиме. Мощность непрерывной генерации достигает 0,5…2,0 кВт и выше. Электрооптический КПД твердотельных лазеров с использованием ламповой накачки активных элементов — 1…3%.

Твердотельные лазеры с диодной накачкой (диодные лазеры) обеспечивают весьма высокие значения электрооптического КПД порядка 30…60%, малые габаритные размеры и небольшую длину волны излучения (поряд­ка 0,8…0,9 мкм).

Более короткая длина волны излучения (1,06 мкм) твердотельных ла­зеров в отличие от СО2-лазера (10,6 мкм) дает возможность применять для фокусировки линзы из простого оптического стекла. Появляется возможность передачи энергии лазерного излучения по гибким оптоволоконным системам на значительные расстояния (до 100 м) с малыми потерями.

Следует также отметить, что эффективный КПД обработки материалов твердотельным лазером заметно превосходит значения КПД при сварке и в особенности при поверхностной обработке излучением СО2-лазера.

Для защиты металла шва при лазерной сварке от окисления используют газовую, флюсовую либо газофлюсовую защиту. Газовая защита осуществляет­ся подачей защитного газа через сопло непосредственно в зону воздействия ла­зерного излучения на материал, подобно дуговой сварке. Специфика лазерной сварки обуславливает применение специальных сопел и составов защитных газов, обеспечивающих как надежную защиту, так и эффективное проплавле­ние. На рисунке 3, а-г представлены некоторые варианты конструкций со­пел, обеспечивающие наряду с защитой расплавленного металла шва также за­щиту ОШЗ. При сварке со сквозным проплавлением для ряда высокоактивных металлов требуется также защита корня шва.

Конструкции защитных сопл
Рис. 3. Конструкции защитных сопл.

При лазерной сварке в качестве защитных газов могут быть использованы те же газы, что и при дуговой. Однако следует учитывать их различное влияние на экранирующее действие факела, а значит, и на эффективность проплавле­ния. Газы, имеющие более высокие потенциал ионизации и теплопроводность, обеспечивают максимальную эффективность проплавления.

Особенности оборудования для плазменной сварки.

Для ручной и механизированной плазменной сварки приме­няют как универсальные, так и специализированные установки. Плазменные установки представляют собой комплекты из плазмотрона (плазменной горел­ки), источника его питания, механизма подачи присадочной проволоки, меха­низма перемещения плазмотрона вдоль и поперек оси шва и системы управле­ния электрическими и газовыми параметрами плазменной дуги.

Плазмотроны для сварки состоят из изолированных друг от друга катодно­го узла и плазмообразующей камеры, собранных в едином корпусе. Плазмотро­ны могут быть как прямого, так и косвенного действия.

GamePark RU

В плазмотронах прямого действия (рис 1, а) дуга горит между изделием и электродом, а защитный газ подается внутрь горелки и, вытекая через сопло, дополнительно сжимает столб дуги.

Схема процесса сварки сжатой дугой
Рис. 1. Схема процесса сварки сжатой дугой: а — дуга прямого действия; б — дуга косвенного действия; в — микроплазменная дуга; 1 — изделие; 2 — сопло; 3 — газозащитное сопло; 4 — источник питания; 5 — камера горелки; 6 — электрод; 7 — фокусирующее сопло.

Возбуждение дуги между электродом и изделием в плазмотронах прямого действия через узкий канал сопла осуществить трудно. Поэтому при помощи осциллятора возбуждается вспомогательная дуга между электродом и соплом, которая питается от того же источника, что и основная, через дополнительное сопротивление R. Затем, как только факел ионизированного газа коснулся изделия, автоматически загорается основная дуга и выключается вспомогательная.

При другой разновидности плазмотронов (рис. 1, б) дуга горит между электродом и соплом. В этом случае газ нагревается дугой и в значительной мере ионизируется внутри плазмотрона. Плазменный поток направляется на изделие из сопла плазмотрона в виде концентрированного, высокотемператур­ного пламени.

Print Bar

В плазмотронах косвенного действия величина тока ограничена макси­мально допустимой тепловой нагрузкой на сопло (выше которой оно разруша­ется) и явлением шунтирования дуги в канале сопла, а в плазмотроне прямого действия — возникновением двойной дуги при электрическом пробое прослой­ки газа. Формирующие сопла являются сменными элементами. Как правило, их изготавливают из материала с повышенной теплопроводностью (чаще всего из меди) и охлаждают водой. Сопла малоамперных плазмотронов могут иметь воздушное охлаждение.

В плазмотронах для сварки в качестве рабочего и защитного газов ис­пользуется в основном аргон (реже гелий). Катод может быть выполнен в виде цельного стержня (рис. 2) из вольфрама, либо в виде составного стержня, состоящего из медной обоймы, к торцу которой припаян штифт из вольфрама, циркония или других тугоплавких металлов и сплавов. Обойма охлаждается водой. Вольфрамовый штифт припаивается серебряным припоем или привари­вается методом диффузионной сварки, а циркониевый, будучи более пластич­ным, запрессовывается в обойму.

Конструктивные элементы горелок-плазматронов для сварки сжатой дугой
Рис. 2. Конструктивные элементы горелок-плазматронов для сварки сжатой дугой: а — со стержневым электродом; б — со штифтом; в — со вставкой; г — кольцевой электрод; 1, 2 — сопла; 3 — втулка; 4 — цанга; 5 — стержневой электрод; 6 —штифт; 7 — трубка; 8 — обойма; 4, 9 — вставки; 10, 11 — сопла; 12 — корпус сопла.

Применяются полые катоды, кольцевые (рис. 2, г), дисковые и др. Все они выполняются водоохлаждаемыми.

Система стабилизации дуги обеспечивает сжатие столба и строгую его фик­сацию по оси электрода и сопла плазмотрона. Чаще всего дуга стабилизируется потоком вытекающего газа. Применяется также стабилизация водой или маг­нитным потоком. Стабилизирующий газ может подаваться вдоль оси столба дуги (осевая стабилизация) или по касательной (вихревая стабилизация). За­вихрение газа обеспечивается конструкцией корпуса плазмотрона.

Большое распространение получили плазмотроны с фокусирующим по­током газа (рис. 2, в). Фокусирующий газ подается по наружному соплу под углом к оси плазмотрона горелки и, охватывая столб дуги, интенсивно охлаж­дает его. Благодаря этому происходит некоторое уменьшение сечения столба дуги и достигается высокая концентрация потока при сравнительно малой скорости истечения газа. Такие плазмотроны, называемые иглоплазменными или микроплазменными, позволяют получить концентрированную плазму при малых токах (0,5…30 А).

Источники электропитания плазмотронов для сварки выполнены на базе сварочных выпрямителей с падающими внешними вольт-амперными характеристиками (ВАХ) и повышенным напряжением холостого хода (до 80 В).

Система управления включает в себя пульт и при необходимости шкаф управления, в которых размещены устройство зажигания дуги (или осцилляторы), регуляторы расхода газа, электроблокировки, отсекатели и другие элементы водяных и газовых коммуникаций, коллектор кабель-шлангового пакета плазмотрона, разъем электрокабеля для подключения к источнику питания. На пульте расположены приборы контроля и регулирования параметров плазмен­ного процесса. В установках для ручных плазменных процессов пульт управле­ния чаще всего встроен в корпус источника питания, а в установках для меха­низированных процессов вмонтирован в панель управления установок.

Кабель-шланговый пакет обеспечивает подвод к плазмотрону электри­ческого тока, охлаждающей воды, рабочего и защитного газов и стыкуется с плазмотроном либо внутри рукоятки ручного плазмотрона, либо посредством штуцерных соединений, расположенных в верхней части плазмотрона, пред­назначенного для механизированной сварки.

Оборудование для электрошлаковой сварки.

При электрошлаковой сварке с помощью сварочных аппара­тов выполняют следующие действия:

  • подачу электродной проволоки или плавящегося электрода в зону сварки со скоростью их плавления;
  • перемещение сварочного аппарата вверх вдоль шва со скоростью сварки по мере заполнения зазора электродным металлом;
  • принудительное формирование наружных поверхностей сварных швов с помощью водоохлаждаемых кристаллизаторов-ползунов;
  • осуществление возвратно-поступательного движения электродов между торцами свариваемых кромок;
  • автоматическое регулирование уровня сварочной ванны.

В зависимости от способа крепления и передвижения аппараты могут быть рельсового, безрельсового и подвесного типов (рис. 1).

Аппараты для электрошлаковой сварки
Рис. 1. Аппараты для электрошлаковой сварки:
а и б — рельсовые (для сварки проволочными и пластинчатыми электродами); в — безрельсовый; г — подвесной (для сварки плавящимся мунд­штуком).

GamePark RU

Аппараты рельсового типа перемещаются вдоль шва по вертикально установленному рельсу или направляющим, укрепленным на свариваемом изделии параллельно шву. Рельсы или специальные направляющие снабжаются зубча­той рейкой, по которой движется зубчатое колесо ходового механизма. Рельсо­вый путь может быть жестким (для сварки прямолинейных швов) или гибким (для сварки криволинейных швов). Максимальная длина сварных швов срав­нительно небольшая и определяется длиной рельса и зубчатой рейки. Аппарат такого типа приведен на рисунке 2.

Схема аппарата А-535 рельсового типа для электрошлаковой сварки прямолинейных стыков
Рис. 2. Схема аппарата А-535 рельсового типа для электрошлаковой сварки прямолинейных стыков:
1 — пульт управления; 2 — ходовая тележка; 3 — колонна с рейкой; 4 — бункер для флюса; 5 — механизм поперечных колебаний мундштуков; 6 — механизм подачи электродных проволок; 7 — мундштук; 8 — подвеска обратного ползуна; 9 — формирующее устройство обратной стороны шва (обратный ползун); 10 — формирующее устройство передней стороны шва (передний ползун); 11 — подвеска переднего ползуна; 12 — катушка с электродной проволокой.

В процессе сварки скорость перемещения аппарата регулируется автома­тически в зависимости от уровня металлической ванны относительно медных ползунов. С этой целью в один из ползунов вмонтирован щуп для контроля уровня ванны, электрически связанный с устройством для автоматического регулирования скорости сварки. При автоматической работе система обеспечи­вает поддержание уровня металлической ванны в пределах ±2 мм относительно заданной величины.

Аппараты безрельсового типа применяют при сварке деталей сравнительно небольшой толщины (до 90-100 мм). Аппараты безрельсового типа применяют при большой длине шва, когда затруднено крепление рельса на изделии с не­обходимой точностью. В этой группе различают аппараты двух видов: с меха­ническим прижимом и магнитошагающие.

Print Bar

Аппараты с механическим прижимом перемещаются непосредственно по изделию и копируют поверхность при сварке. Движение аппарата осуществля­ется за счет сил трения между ходовым механизмом и кромками детали. Для этого используют две тележки, расположенные по обе стороны свариваемого стыка и связанные между собой тягами, которые пропущены через зазор со­бранных деталей и стянуты пружинами.

Магнитошагающие подвесные аппараты удерживаются и перемещаются по вертикальной плоскости с помощью нескольких электромагнитов, связан­ных между собой кривошипным или эксцентриковым валом. При вращении вала электромагниты поочередно отрываются от изделия и передвигаются по направлению сварки. Сварка может производиться одним или двумя электро­дами. Электродная проволока подается по гибкому шлангу с помощью отдель­ного механизма подачи.

Аппараты подвесного типа не имеют ходового механизма, что делает их достаточно простыми и портативными. В состав таких аппаратов вхо­дят механизм подачи электродов и устройство для подвода сварочного тока к мундштуку. Аппараты подвесного типа можно разделить на три основные группы.

В аппаратах для сварки пластинчатыми и стержневыми электродами вме­сто проволочных электродов используют пластины размером 20×250 мм или стержни диаметром до 30 мм и более, а также стержни квадратного сечения. Одним из недостатков таких аппаратов является то, что максимальная высота сварного шва зависит от предельно возможной длины электродов. Схема тако­го аппарата показана на рисунке 3.

Схема аппарата А-1517 подвесного типа для электрошлаковой сварки пластинчатым электродом
Рис. 3. Схема аппарата А-1517 подвесного типа для электрошлаковой сварки пластинчатым электродом: 1 — токоподводящее устройство; 2 — переносная колонна аппарата; 3 — приводная тележка вертикального перемещения электрода; 4 — механизм поперечной корректировки электрода; 5 — пульт управления; 6 — узел крепления колонны к изделию.

В аппаратах для сварки пластинчатыми или ленточными электродами ме­ханизмы подачи пластин содержат зажимные приспособления для одного или нескольких электродов и суппорт, передвигающийся по рельсу под действием реечного, винтового или иного привода. К суппорту прикреплены зажимные приспособления.

В аппаратах для сварки плавящимся мундштуком сварочный ток подво­дится к шлаковой ванне по мундштуку, внутри которого дополнительно пода­ют присадочную проволоку. В процессе сварки плавятся как мундштук, так и проволока, которые и образуют наплавленный металл. Эти аппараты при­меняют для сварки изделий сложного профиля и при ремонтных работах.

В аппаратах для выполнения кольцевых швов проволочными электрода­ми механизм подачи проволоки установлен неподвижно, свариваемое изделие вращается с помощью обычных роликовых стендов (рис. 4).

Сборочно-сварочная установка для выполнения кольцевых швов, снабженная сдвоенным аппаратом
Рис. 4. Сборочно-сварочная установка для выполнения кольцевых швов, снабженная сдвоенным аппаратом: 1 — сварочный аппарат; 2 — роликовый стенд.

Аппараты для электрошлаковой сварки имеют постоянную скорость по­дачи, не зависимую от напряжения дуги, что обусловлено процессом само­регулирования скорости плавления электрода. Источником питания служат сварочные трансформаторы с жесткой вольтамперной характеристикой и по­ниженным напряжением холостого хода.