Кузнечная сварка - Forge welding

Кузнечная сварка (FOW) - это процесс сварки в твердом состоянии, при котором два куска металла соединяются путем их нагрева до высокой температуры и последующего их склеивания . Он также может состоять из нагрева и сжатия металлов вместе с помощью прессов или других средств, создавая достаточное давление, 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.

Вступление

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 . Кузнечная сварка - старейшая сварочная техника, которая использовалась с древних времен.

Сварочные процессы обычно можно разделить на две категории: сварка плавлением 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 точку 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.

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. 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 участки сварки нагреваются равномерно. Кузнечная сварка может использоваться для гораздо более широкого спектра более твердых металлов и сплавов, таких как сталь и титан.

История

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.

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 создавать достаточно высокие температуры, чтобы полностью расплавить железо, поэтому процесс вспенивания, который использовался для плавки железа, приводил к образованию комков (блюм) железных зерен, 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 оказались в тесном контакте 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, такой как Делиский столб , требовалось сваривать из более мелких заготовок.

Кузнечная сварка выросла из метода проб и 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 произвести 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 . Этот процесс также был распространен при производстве инструментов, от кованых плугов со стальными краями до железных долот со стальными режущими поверхностями.

Материалы

Многие металлы можно сваривать ковкой, наиболее распространенными из которых 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. 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. Медь и ее сплавы обычно лучше соединяются холодной сваркой , сваркой взрывом или другими методами сварки давлением. В случае железа или стали присутствие даже небольшого количества меди серьезно снижает способность сплава к ковке сварного шва.

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

Кузнечная сварка между подобными материалами вызвана диффузией в твердом теле. В результате получается сварной шов, состоящий только из свариваемых 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

Отбойный молоток механизированный .

Самый известный и самый старый процесс кузнечной сварки - это метод ручной ковки. Ручная ударная обработка осуществляется 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 забивая 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 вдавливаются в штамп, который обеспечивает давление для сварки и сохраняет готовую форму соединения. Роликовая 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 гидравлических прессов для производства разнообразных изделий 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, сваривая края 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 сжимаются.

Другие методы включают сварку оплавлением и сварку ударом . Это методы контактной кузнечной сварки, при которых пресс или матрица наэлектризованы, пропуская через сплав сильный ток для создания тепла для сварки. Кузнечная сварка в защитном газе - это процесс кузнечной сварки в среде, реагирующей с кислородом, с целью выжигания оксидов с использованием газообразного водорода и индукционного нагрева .

Температура

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 ), 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.

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.

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 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 узнать, 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, называемый аустенитом . 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 станет красным или оранжево-горячим, 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.

Обезуглероживание

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 кузнечной работы в стали будет более низкое содержание углерода, чем до нагрева. Поэтому большинство операций по кузнечному делу выполняется как можно быстрее, чтобы уменьшить обезуглероживание и предотвратить слишком мягкую сталь.

Чтобы получить нужную твердость в готовом продукте, 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 от 0,8% (эвтектоидная инструментальная сталь) до 0,5% (доэвтектоидная пружинная сталь).

Приложения

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. 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 кузнечной сваркой 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 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.

Поток

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, а 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 стыка, когда две детали соединяются вместе. Из буры можно сделать простой флюс , иногда с добавлением порошкообразных железных опилок.

Самым старым 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.

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).

Смотрите также

Рекомендации