Кузнечная сварка

Кузнечная сварка (FOW), также называемая огневой сваркой в твердом состоянии. сварки , представляет собой процесс который соединяет два куска металла , нагревая их до высокой температуры, а затем сбивая их молотком . Он также может заключаться в нагреве и сжатии металлов вместе с помощью прессов или других средств, создавая достаточное давление, чтобы вызвать пластическую деформацию на поверхностях сварного шва. Этот процесс, хотя и сложен, представляет собой метод соединения металлов, используемый с древних времен и являющийся основным продуктом традиционного кузнечного дела . Кузнечная сварка универсальна: она позволяет соединять множество одинаковых и разнородных металлов. С изобретением методов электросварки и газовой сварки во время промышленной революции ручная кузнечная сварка была в значительной степени заменена, хотя автоматизированная кузнечная сварка является распространенным производственным процессом.

Введение

Кузнечная сварка — это процесс соединения металлов путем нагревания их выше определенного порога и давления, достаточного для того, чтобы вызвать деформацию поверхностей сварного шва, создавая металлическую связь между атомами металлов. Требуемое давление варьируется в зависимости от температуры прочности и твердости сплава , . Кузнечная сварка — старейший метод сварки, используемый с древних времен.

Сварочные процессы обычно можно разделить на две категории: сварка плавлением и диффузионная сварка. Сварка плавлением включает в себя локализованное плавление металлов на границах раздела сварных швов и широко распространена в методах электрической или газовой сварки. Для этого требуются температуры, намного превышающие точку плавления металла, чтобы вызвать локализованное плавление до того, как тепло сможет термически отвести от сварного шва, и часто используется присадочный металл, чтобы предотвратить расслоение сварного шва из-за высокого поверхностного натяжения . Диффузионная сварка заключается в соединении металлов без их плавления, сварке поверхностей между собой в твердом состоянии.

При диффузионной сварке источник тепла часто находится ниже температуры плавления металла, что обеспечивает более равномерное распределение тепла и тем самым снижает термические напряжения в сварном шве. В этом методе присадочный металл обычно не используется, а сварной шов происходит непосредственно между металлами на границе раздела сварных швов. Сюда входят такие методы, как холодная сварка , сварка взрывом и кузнечная сварка. В отличие от других диффузионных методов, при кузнечной сварке металлы нагреваются до высокой температуры перед соединением их друг с другом, что обычно приводит к большей пластичности поверхностей сварного шва. Обычно это делает кузнечную сварку более универсальной, чем методы холодной диффузии, которые обычно выполняются на мягких металлах, таких как медь или алюминий.

При кузнечной сварке все зоны 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, используемое для ковки японской катаны .

История соединения металлов восходит к эпохе бронзы , когда бронзы различной твердости часто соединялись методом литья. Этот метод заключался в помещении твердой детали в расплавленный металл, содержащийся в форме, и предоставлении ему возможности затвердеть без фактического плавления обоих металлов, например, лезвие меча в рукоятке или хвостовик наконечника стрелы в наконечнике. Пайка и пайка также были распространены в бронзовом веке.

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

После плавки губчатое железо нужно было нагреть выше температуры сварки и отковать, или «обработать». Это выдавило воздушные карманы и расплавило шлак, в результате чего зерна железа соприкоснулись, образовав твердый блок (заготовку).

Археологами было обнаружено множество предметов из кованого железа , на которых имеются следы кузнечной сварки, датируемые ранее 1000 г. до н.э. Поскольку железо обычно производилось в небольших количествах, любой крупный объект, такой как Делийский столб , нужно было сваривать из более мелких заготовок.

Кузнечная сварка выросла из метода проб и ошибок и с течением веков становилась все более усовершенствованной. Из-за низкого качества древних металлов его обычно использовали при изготовлении композитных сталей путем соединения высокоуглеродистых сталей, которые сопротивлялись деформации, но легко ломались, с низкоуглеродистыми сталями, которые сопротивлялись разрушению, но слишком легко сгибались, создавая объект. с большей ударной вязкостью и прочностью , чем можно было бы получить из одного сплава. Этот метод сварки впервые появился около 700 г. до н. э. и в основном использовался для изготовления оружия, такого как мечи; наиболее широко известные примеры - Дамасский , японский и Меровингский . Этот процесс был также распространен при производстве инструментов: от плугов из кованого железа со стальными краями до железных долот со стальными режущими поверхностями.

Материалы

Многие металлы можно сваривать ковкой, наиболее распространенными являются как высокоуглеродистые, так и низкоуглеродистые стали . Железо и даже некоторые доэвтектические чугуны можно сваривать ковкой. Некоторые алюминиевые сплавы также можно сваривать ковкой. Такие металлы, как медь , бронза и латунь, плохо поддаются сварке. Хотя сваривать сплавы на основе меди можно , часто это происходит с большими трудностями из-за склонности меди поглощать кислород во время нагрева. Медь и ее сплавы обычно лучше соединять холодной сваркой , сваркой взрывом или другими методами сварки давлением. В железе или стали присутствие даже небольшого количества меди серьезно снижает способность сплава к ковке сварного шва.

Титановые сплавы обычно подвергаются ковочной сварке. Из-за склонности титана поглощать кислород при плавлении, диффузионная связь в твердом состоянии при кузнечной сварке часто оказывается прочнее, чем при сварке плавлением, при которой металл находится в жидком состоянии.

Кузнечная сварка между подобными материалами вызвана диффузией в твердом состоянии. В результате сварной шов состоит только из свариваемых материалов без каких-либо наполнителей или перекрывающих материалов. Кузнечная сварка разнородных материалов вызвана образованием эвтектики между материалами с более низкой температурой плавления. Благодаря этому сварной шов зачастую прочнее отдельных металлов.

Процессы

Механизированный молоток .

Самым известным и старейшим способом кузнечной сварки является метод ручной ковки. Ручная ковка выполняется путем нагрева металла до нужной температуры, нанесения флюса, наложения на сварные поверхности, а затем многократного нанесения ударов по соединению ручным молотком . Соединение часто формируется так, чтобы обеспечить пространство для флюса вытекания , путем небольшого скоса или закругления поверхностей, и последовательно забивается молотком наружу, чтобы выдавить флюс. Удары молотком обычно не такие сильные, как те, которые используются для формовки, что предотвращает выбрасывание флюса из соединения при первом ударе.

Когда были разработаны механические молотки , кузнечную сварку можно было осуществлять путем нагрева металла и последующего помещения его между механизированным молотком и наковальней. Первоначально приводимые в движение водяными колесами , современные механические молоты также могут приводить в действие сжатым воздухом, электричеством, паром, газовыми двигателями и многими другими способами. Другой метод — кузнечная сварка с помощью матрицы , при которой куски металла нагреваются, а затем помещаются в матрицу, которая одновременно обеспечивает давление для сварного шва и сохраняет готовую форму соединения. Валковая сварка — это еще один процесс кузнечной сварки, при котором нагретые металлы перекрываются 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, стальные трубы часто подвергаются ковочной сварке в процессе производства. Плоская заготовка нагревается и подается через ролики специальной формы, которые формируют стальную трубу и одновременно создают давление для сварки кромок в непрерывный шов.

Диффузионная сварка — распространенный метод ковочной 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 оплавление и ударную сварку . Это методы контактной кузнечной сварки, при которых пресс или штамп электризуются, пропуская через сплав сильный ток, создавая тепло для сварного шва. Кузнечная сварка в защитном активном газе — это процесс кузнечной сварки в среде, реагирующей с кислородом, для выжигания оксидов с использованием газообразного водорода и индукционного нагрева .

Температура

Железо, различные стали и даже чугун можно сваривать друг с другом при условии, что содержание углерода в них 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% можно сваривать в оранжево-желтом цвете при температуре от 1700 °F (900 °C) до 2000 °F (1100 °C). Обычную сталь с содержанием углерода от 0,2 до 0,8% обычно сваривают при ярко-желтой температуре.

Основное требование к кузнечной сварке заключается в том, что обе сварные поверхности должны быть нагреты до одинаковой температуры и сварены до того, как они слишком сильно остынут. Когда сталь достигает нужной температуры, она начинает очень легко свариваться, поэтому тонкий стержень или гвоздь, нагретый до той же температуры, будет иметь тенденцию прилипать при первом контакте, и его придется согнуть или выкрутить.

Необходимо соблюдать осторожность, чтобы избежать перегрева металла до такой степени, что из-за быстрого окисления (горения) образуются искры , иначе сварной шов будет некачественным и хрупким.

Обезуглероживание

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

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

Приложения

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

Одно из самых известных применений кузнечной сварки связано с производством лезвий методом шаблонной сварки . Во время этого процесса кузнец неоднократно вытягивает стальную заготовку , складывает ее и приваривает к себе. Еще одним применением было производство стволов для ружей. Металлическую проволоку наматывали на оправку , а затем ковали в тонкий, однородный и прочный ствол. В некоторых случаях объекты, сваренные в кузнечной сварке, подвергаются травлению кислотой, чтобы обнажить основной рисунок металла, который уникален для каждого предмета и обеспечивает эстетическую привлекательность.

Несмотря на свое разнообразие, кузнечная сварка имела множество ограничений. Основным ограничением был размер объектов, которые можно было сваривать ковкой. Для более крупных объектов требовался более крупный источник тепла, а размер уменьшал возможность сваривать их вручную, прежде чем они слишком сильно остынут. Сварка крупных предметов, таких как стальные пластины или балки, обычно была невозможна или, по крайней мере, крайне непрактична до изобретения сварки плавлением, требующей вместо этого их клепания. В некоторых случаях сварка плавлением давала гораздо более прочный сварной шов, например, при строительстве котлов.

Поток

Кузнечная сварка требует, чтобы сварочные поверхности были очень чистыми, иначе металл не соединится должным образом, если вообще не соединится. 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 сварочных поверхностей , которое может привести к некачественному сварному шву, а также для удаления других примесей из металла. Флюс смешивается с образующимися оксидами и снижает температуру плавления и вязкость оксидов. Это позволяет оксидам вытекать из соединения, когда две детали сбиваются вместе. Простой флюс можно сделать из буры , иногда с добавлением порошкообразных железных опилок.

Самым старым флюсом, используемым для кузнечной сварки, был мелкий кварцевый песок . Железо или сталь нагревали в восстановительной среде внутри углей кузницы. слой оксида железа, называемый вюститом Лишенный кислорода, металл образует на своей поверхности . Когда металл достаточно горячий, но ниже температуры сварки, кузнец посыпает металл песком. Кремний в песке реагирует с вюститом , образуя фаялит , который плавится чуть ниже температуры сварки. Это дало очень эффективный флюс, который помог сделать сварной шов прочным.

В ранних примерах флюса использовались различные комбинации и различные количества наполнителей , буры , нашатыря , бальзама копайбы соды , цианида поташа железных и фосфата . В Scientific American книге фактов и формул журнала часто предлагаемую коммерческую тайну, например, использование меди , селитры , поваренной соли , черного оксида марганца от 1920 года указывается на , пруссата поташа и «хорошего сварочного песка» (силиката).

См. также

• Модельная сварка
• Сварка трением
• Приварка шпилек трением