Кузнечная (горновая) сварка

[Andrew]

Горновая сварка — древнейший вид сварки давлением. На протяжении почти трех тысячелетий человечество широко пользовалось железом, не умея его расплавить, поэтому к железу нельзя было применять давно известную литейную сварку и была изобретена горновая сварка, способ, как бы предназначенный для железа. Расцвету и развитию горновой сварки чрезвычайно способствовал и сам способ производства железа, существовавший на протяжении тысячелетий до второй половины XIX столетия.

При горновой сварке сталь нагревают до перехода в пластическое состояние, нагретый металл подвергают сдавливанию в процессах ковки (кузнечная сварка), прокатки, прессования, волочения и т. д. Сталь нужно нагревать до температуры 1100-1300° С, Всяком случае выше точки превращения alpha-gamma.

Рассмотрим кратко основные процессы, происходящие в металле с повышением его температуры, остановившись для примера на углеродистых сталях. С повышением температуры по достижении критической точки Ас3 обычное alpha-железо переходит в gamma-железо, хорошо растворяющее углерод в больших количествах. При этом цементит и перлит стали исчезают, углерод распределяется равномерно по объему металла, который переходит в однородный аустенит. При дальнейшем повышении температуры наблюдается рост зерен металла, т.е. границы между зернами исчезают, несколько мелких зерен срастаются в одно крупное зерно, стремясь уменьшить общую свободную поверхность. При этой температуре и начинается сварка, т.е. образование в пограничной зоне новых кристаллических зерен, заимствующих материал для своего роста от обеих соединяемых частей, что ведет к уничтожению физической границы раздела между частями.

Прочность сварки растет с увеличением температуры и давления в известных пределах. При чрезмерном повышении температуры могут наступить явления перегрева металла и расплавление отдельных структурных составляющих, что ведет к снижению прочности сварного соединения.

Свариваемость давлением в пластическом состоянии весьма различна у различных металлов. Отличной свариваемостью обладает низкоуглеродистая сталь. С повышением содержания углерода свариваемость быстро падает, и стали с содержанием углерода свыше 0,7% плохо свариваются давлением. Плохо свариваются также многие легированные стали, цветные металлы. Чугун практически не сваривается давлением в пластическом состоянии.

Место сварки можно нагревать различными источниками тепла. Особенно высоких температур не требуется, и необходимый нагрев может быть получен в различных печах и горнах, отапливаемых твердым, жидким или газообразным горючим. Большинство обычных горючих материалов при сжигании их с воздухом в печах надлежащего устройства обеспечивает достаточный нагрев.

Поверхности свариваемых деталей, даже тщательно зачищенные предварительно, в процессе нагрева обычно значительно окисляются, слой окислов делает сварку невозможной. Для очистки поверхности сварки от окислов необходимо прибегать к химической очистке, применяя флюсы, образующие с окислами металла легкоплавкие соединения, легко выдавливаемые из стыка в процессе осадки и, таким образом, позволяющие приводить в соприкосновение совершенно чистые поверхности металла.

При нагревании стали образуется железная окалина, состав которой колеблется между окислами FeO и Fe3O4, достаточно тугоплавкими и не расплавляющимися при температуре белого каления. Эти окислы имеют основной характер, поэтому для их офлюсования или ошлакования, т.е. перевода в легкоплавкие соединения, жидкие при температуре сварки, следует применять окислы кислотного характера, нелетучие и достаточно стойкие при температуре сварки. Флюсами при горновой сварке могут; служить: бура Na2B4O7, борная кислота В(ОН)3, поваренная соль NaCl, мелкий речной или кварцевый песок, бой оконного стекла, а также их смеси.

После нагрева и офлюсования места сварки выполняют операцию осадки. Осадка вызывает значительную деформацию металла, течение его вдоль поверхностей соединения, способствующее перемешиванию и взаимной диффузии частиц металла соединяемых частей. Величина необходимого удельного давления при осадке зависит от свойств свариваемого металла и температуры нагрева. Чем выше нагрев, тем меньшее требуется давление осадки. Осадка может производиться ручной или механической проковкой места — прессованием, прокаткой. Таким путем может быть получена, например, многослойная листовая сталь. Подобным же образом изготовляют биметалл посредством совместной прокатки разогретых заготовок, например стали и никеля, углеродистой стали и нержавеющей стали или меди и т. д.

 

При горновой сварке всегда довольно велика вероятность оставления окислов, окалины и других загрязнений на поверхностях металла, подлежащих сварке. Нагрев до пластического состояния не обеспечивает удаления загрязнений в процессе осадки, в особенности при значительных размерах сечений сварки. Поэтому для повышения надежности горновой сварки стремятся увеличить поверхность соприкосновения соединяемых частей, с этой целью поверхность перед сваркой соответственным образом подготавливают и разделывают.

 

 

Если осадка производится, например, проковкой таким образом, что она уменьшает сечение металла места сварки, то прибегают к предварительной высадке соединяемых частей. Несмотря на относительную простоту процесса и отсутствие расхода дефицитных материалов, горновая сварка в настоящее время мало используется, отходя на второй план, уступая место современным, более совершенным и производительным способам сварки.

 

Существенными недостатками горновой сварки являются: медленность нагрева металла и, следовательно, низкая производительность процесса; сложность процесса осадки, требующего значительной квалификации рабочих; недостаточная надежность получаемого сварного соединения. К этому присоединяется возможность значительного роста зерна, перегрева и пережога металла ввиду продолжительности процесса нагрева. Малая производительность делает горновую сварку дорогой, а прочность сварного соединения получается пониженной и колеблющейся в широких пределах. Эти причины и объясняют постепенное вытеснение горновой сварки в современном производстве.

 

Разновидностью горновой сварки являются способы, при которых изделие для нагрева не помещается в специальную печь, а место сварки нагревается специальными сварочными горелками. Методом подобного рода является газопрессовая сварка. Место сварки возможно нагревать более дешевыми промышленными газами, сжигаемыми в смеси с воздухом в специальных горелках. За горелками следует осадочное устройство в форме молотов, производящих проковку шва, прокатных вальцов, сварочных роликов, катящихся по шву, производящих осадку и осуществляющих таким образом сварку деталей, чаще всего стальных листов.

 

Имеются отрасли производства, где горновая сварка и сейчас сохраняет ведущее положение, например производство сварных газовых труб, преимущественно небольших диаметров, не свыше 100 мм. Полосы стали нагревают в печах, затем нагретая полоса со свертышем на конце протаскивается через волочильную оправку со скоростью несколько десятков метров в минуту, происходит свертывание полосы в трубу и заварка продольного шва. Производство таких труб имеет массовый характер, и они выпускаются тысячами километров для газовых, водопроводных сетей и пр.

 

Сохранила горновая сварка значение в производстве различного составного инструмента из поделочной и инструментальной углеродистой стали (топоры, ломы, кирки и т. п.).

Видео: Кузнечная сварка якоря
http://www.youtube.com/watch?v=enWWtf2rcDE

Изменено 4 марта, 2015 пользователем Andrew