Войти
Кузнечная сварка (FOW) - это процесс твердотельной сварки, который соединяет две части металл, нагревая их до высокой температуры, а затем сколачивая вместе. 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. 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.
Кузнечная сварка - это процесс соединения металлов путем их нагрева сверх определенного порогового значения и принуждения их вместе с достаточным давлением, чтобы вызвать деформацию поверхностей сварного шва, создавая металлическая связь между атомами металлов. Требуемое давление варьируется в зависимости от температуры, прочности и твердости сплава . Кузнечная сварка - старейшая сварочная техника, которая использовалась с древних времен.
Сварочные процессы обычно можно разделить на две категории: плавление и диффузионная сварка. Сварка плавлением включает локализованное плавление металлов на стыках сварных швов и широко применяется в методах электрической или газовой сварки. Для этого требуются температуры, намного превышающие точка плавления металла, чтобы вызвать локальное плавление до того, как тепло сможет термически отвести от сварного шва, и часто для сохранения сварной шов от расслоения из-за высокого поверхностного натяжения . Диффузионная сварка заключается в соединении металлов без плавления, сварке поверхностей вместе в твердом состоянии.
При диффузионной сварке источник тепла часто ниже точки плавления металла, что обеспечивает более равномерное нагревание. распределение, таким образом уменьшая 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 на сварных поверхностях. Это обычно делает кузнечную сварку более универсальной, чем методы холодной диффузии, которые обычно выполняются на мягких металлах, таких как медь или алюминий.
При кузнечной сварке все области сварки нагреваются равномерно. Кузнечная сварка может использоваться для гораздо более широкого диапазона более твердых металлов и сплавов, таких как сталь и титан.
Губчатое железо, используемое для ковки японской катаны .История соединения металлов восходит к бронзовому веку, 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.
Процесс сварки (соединение двух твердых частей посредством диффузии) начался 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, давал комок (блюм) железных зерен , спеченных вместе с небольшими количествами шлак и другие примеси, именуемые губчатым железом из-за его пористости.
После плавления губчатое железо необходимо было нагреть выше температуры сварки и забить молотком, или " кованые ". Это выдавило воздушные карманы и расплавленный шлак, в результате чего зерна железа вступили в тесный контакт с образованием сплошного блока (заготовки).
Многие предметы, сделанные из кованого железа, были обнаружены археологами, что свидетельствует о сварке кузнечными изделиями, датируемыми до 1000 г. до н.э. Поскольку железо, как правило, производилось в небольших количествах, любой крупный объект, такой как Delhi Pillar, требовалось сваривать кузнечной сваркой из более мелких заготовок.
Кузнечная сварка выросла из проб и - метод ошибок, который с течением веков становился все более совершенным. Из-за низкого качества древних металлов его обычно использовали для изготовления композитных сталей путем соединения высокоуглеродистых сталей, которые сопротивлялись деформации, но легко ломались, с низкоуглеродистыми сталями, которые сопротивляются разрушению, но слишком легко изгибаются, создавая объект. с большей ударной вязкостью и прочностью, чем можно было бы получить из одного сплава. Этот метод узорчатой сварки 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 меровинг. Этот процесс был также распространен при производстве инструментов, от кованых плугов со стальными краями до железных долот со стальными режущими поверхностями.
Многие металлы можно сваривать ковкой, наиболее распространенными являются стали с высоким и низким содержанием углерода . Чугун и даже некоторые гипоэвтектические чугуны можно сваривать ковкой. Некоторые алюминиевые сплавы также можно сваривать ковкой. Металлы, такие как медь, бронза и латунь, плохо поддаются сварке. Хотя можно сваривать сплавы на основе меди, это часто бывает с большими трудностями из-за склонности меди поглощать кислород во время нагрева. Медь и ее сплавы обычно лучше соединяются с помощью холодной сварки, сварки взрывом или других методов сварки давлением. В случае железа или стали присутствие даже небольшого количества меди сильно снижает способность сплава к ковке сварного шва.
Титановые сплавы обычно свариваются ковкой. Из-за тенденции титана поглощать кислород в расплавленном состоянии твердотельная диффузионная связь кузнечного шва часто бывает прочнее, чем сварка плавлением, в которой металл сжижается.
Кузнечная сварка между аналогичными материалами вызывается твердым телом. -государственная диффузия. В результате получается сварной шов, состоящий только из свариваемых материалов, без каких-либо присадок или материалов для перемычки. Кузнечная сварка между разнородными материалами вызывается образованием между материалами более низкой температуры плавления эвтектики. Из-за этого сварной шов часто бывает прочнее, чем отдельные металлы.
Механизированный отключающий молоток.Самый известный и самый старый процесс кузнечной сварки - это ручной молотковый метод. Ручная ударная обработка осуществляется путем нагрева металла до нужной температуры, покрытия флюсом, перекрытия сварных поверхностей и затем многократных ударов по стыку ручным молотком молотком. Соединение часто формируют так, чтобы оставить пространство для вытекания флюса, слегка скашивая или закругляя поверхности, и последовательно забивают 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 нагревания металла с последующим размещением его между механизированным молотком и опорой. Первоначально приводимые в действие 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, при этом металлические детали нагреваются, а затем вдавливаются 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.
Современная кузнечная сварка часто автоматизирована с использованием компьютеров, машин и сложных Гидравлические прессы для производства различной продукции из различных сплавов. Например, стальную трубу часто сваривают кузнечной сваркой в процессе производства. Плоская заготовка нагревается и подается через ролики специальной формы, которые формируют сталь в трубу и одновременно создают давление для сварки кромок в непрерывный шов.
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 прижимаются друг к другу.
Другие методы включают сварку оплавлением и ударную сварку. Это методы контактной кузнечной сварки, при которых пресс или матрица наэлектризованы, пропуская через сплав сильный ток для создания тепла для сварки. Кузнечная сварка в среде защитного газа - это процесс кузнечной сварки в среде, реагирующей с кислородом, для выжигания оксидов с использованием водорода газа и индукционного нагрева.
Температура, необходимая для ковки сварного шва, обычно составляет от 50 до 90 процентов температуры плавления. Железо можно сваривать, когда оно превышает критическую температуру (температура A 4), где его аллотроп изменяется от гамма-железа (граница- центрированный кубический) до дельта-железа (объемно-центрированный кубический). Поскольку на критические температуры влияют легирующие агенты, такие как углерод, сталь сваривает при более низких температурах, чем железо. По мере увеличения содержания углерода в стали диапазон температур сварки линейно уменьшается.
Чугун, различные стали и даже чугун можно сваривать друг с другом при условии, что 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.
Основным требованием для кузнечной сварки является то, что обе свариваемые поверхности необходимо нагреть до одинаковой температуры и сварить, прежде чем они тоже остынут. много. Когда сталь достигает надлежащей 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.
В стали углерод начинает смешиваться с гамма-железом при температуре A 3, образуя твердый раствор называется аустенит. Когда он пересекает критическую температуру A 4, он превращается в дельта-железо, которое является магнитным. Таким образом, кузнец может определить, когда температура сварки достигнута, поместив магнит в контакт с металлом. Когда он горячий красный или оранжевый, магнит не будет прилипать к металлу, но при переходе температуры сварки магнит снова будет прилипать 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.
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 сталь будет иметь более низкое содержание углерода, чем было до нагрева. Поэтому большинство операций по кузнечному делу выполняется 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) <. 5>
Кузнечная сварка использовалась на протяжении всей своей истории для изготовления большинства 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 высокого давления до появления сварки плавлением. В средние века он обычно использовался для производства доспехов и оружия.
Одно из самых известных применений кузнечной сварки включает производство лопаток, сваренных по шаблону. Во время этого процесса кузнец несколько раз вытягивает стальную заготовку , загибает ее и приваривает к себе. Еще одним применением было производство стволов для дробовиков. Металлическую проволоку наматывали на оправку , а затем выковывали в цилиндр, который был тонким, однородным и прочным. В некоторых случаях сваренные кузнечной сваркой объекты подвергаются травлению кислотой , чтобы обнажить основной металлический узор, который уникален 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 источник тепла большего размера, а размер уменьшал возможность вручную сваривать их вместе, прежде чем они слишком сильно остынут. 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 заклепки. В некоторых случаях сварка плавлением дает намного более прочный сварной шов, например, при строительстве котлов.
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 поверхностей сварки, которое может привести к низкому качеству сварного шва, и для удаления других примесей из металла. Флюс смешивается с оксидами, которые образуют и понижают температуру плавления и вязкость оксидов. Это позволяет оксидам вытекать из стыка, когда две детали соединяются вместе. Простой флюс может быть изготовлен из буры, иногда с добавлением порошкообразных железных опилок.
Самым старым флюсом, используемым для кузнечной сварки, был мелкозернистый 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 реагирует с вюститом с образованием фаялита, который плавится чуть ниже температуры сварки. В результате получился очень эффективный флюс, который помог сделать прочный сварной шов.
В ранних примерах флюса использовались различные комбинации и различное количество железных наполнителей, буры, соляной аммиак, бальзам из копайба, цианид из поташа и фосфат натрия. В книге фактов и формул Scientific American издания 1920 г. указывается, что в качестве коммерческой тайны часто используется использование коппера, селитры, обычной соли, черный оксид марганца, пруссат поташа и «хороший сварочный песок» (силикат).
