Технология конструкционных материалов и порошковая металлургия

ТКМ - техн. изг. изд. из полим. мат-лов.pdf

Галимов Э.Р. Сударев Ю.И. Черноглазова А.В. Куртаева Ф.Н. Технология изготовления изделий из полимерных ма
териалов: Лабораторный практикум по курсу «Новые материалы
и технологии». Казань: Изд-во Казан гос. техн. ун-та 2007. 80 с.
ISBN 978-5-7579-1020-8
Приводится описание методов формования полимерных материалов и
процессов происходящих при формировании изделий; показано влияние тех
нологических параметров процессов формования на свойства готовых изделий.
Предназначено для научных сотрудников и студентов специальностей
Табл. 6. Ил. 27. Библиогр.: 13 назв.
Рецензенты: докт. техн. наук В.Г. Хозин (Казанская госу
дарственная архитектурно-строительная ака
докт. техн. наук В.П. Архиреев (Казанский го
сударственный технологический университет)
© Изд-во Казан гос. техн. ун-та 2007
© Э.Р. Галимов Ю.И. Сударев А.В. Чер
ноглазова Ф.Н. Куртаева 2007
Переработка полимерных материалов - комплекс процес
сов обеспечивающий получение изделий или полуфабрикатов из
пластмасс с заданными свойствами на специальном оборудова
нии. Переработке предшествует:
) проектирование рациональной конструкции изделия и
формующего инструмента (формы головки);
) выбор оптимального метода переработки;
) разработка рецептуры материала наиболее пригодного
Переработка включает приготовление материала и подго
товку его к формованию (гранулирование таблетирование) суш
ку формование изделий и их последующую обработку с целью
улучшения свойств готовых изделий (термическая обработка
радиационное сшивание и др.).
Процессы переработки чаще всего классифицируются по
организационно-технологическим признакам т.е. выделяются
* подготовительные основные завершающие и вспомогательные
процессы. Основные процессы делятся затем по характеру их ве
дения на дискретные и непрерывные.
К подготовительным процессам относятся: смешение
предварительный нагрев и сушка таблетирование гранулиро
Основными процессами переработки являются прессование
экструзия литье под давлением и др.
К завершающим процессам относятся механическая обра
ботка и доделка отформованных изделий сварка и склейка ок
рашивание и металлизация изделий и др.
Вспомогательные процессы связаны главным образом с
переработкой отходов образующихся при изготовлении изделий.
При переработке термореактивные материалы (рёактопласты) испытывают физико-химические превращения а термопла
стичные материалы (термопласты) в основном только физиче
ские превращения связанные с расплавлением материала и ох
Прессование - это формование изделий под давлением из ма
териалов нагретых до вязкотекучего состояния непосредственно в
полости формующего инструмента (пресс-форме) - между матри
цей и пуансоном. В течение короткого времени пребывания в вязкотекучем состоянии к материалу прикладывается давление действу
ющее вплоть до окончательного отверждения расплава и оформле
ния детали. В результате отверждения образуется сетчатая простран
ственная структура материала и вследствие этого изделие может
быть извлечено из матрицы при температуре прессования.
Прессование термопластичных материалов нерентабельно
так как извлечение отпрессованного изделия возможно лишь пос
ле охлаждения его вместе с формой до температуры стеклования.
Вследствие этого снижается производительность и увеличивают
ся энергетические затраты.
Прессование осуществляется'двумя основными способами прямым (компрессионным) и литьевым (трансферным).
Прямое прессование - наиболее распространенный способ.
При этом способе предварительно нагретый или ненагретый таблетированный или порошкообразный материал загружают в
пресс-форму которая замыкается и материал подвергается дав
лению и нагреву. Давление передается непосредственно на прес
суемый материал вплоть до полного замыкания пресс-формы.
В зависимости от природы и свойств перерабатываемого мате5
риала обычно возникает необходимость выпуска из формы па
ров и газов выделяющихся из прессуемого материала в процессе
реакции отверждения. Для этого в процессе прессования выпол
няют операцию подпрессовки заключающуюся в переключении
гидропресса после определенной выдержки на обратный ход в
подъеме пуансона на высоту достаточную для выпуска газов
(5 - 30 мм) и выдержке его в таком положении в течение 3 - 10 с.
После этого пресс-форма снова замыкается. При прессовании
крупных толстостенных деталей из материалов с повышенной
влажностью подпрессовку проводят 2 - 3 раза.
Схема компрессионного прессования представлена на рис. 1 а.
В полость матрицы раскрытой пресс-формы загружают пере
рабатываемый материал. При замыкании пресс-формы под действи
ем усилия пресса пуансон создает давление на прессуемый материал.
Под действием этого давления и теплоты от нагретой пресс-формы
материал пластицируется (переходит в вязкотекучее состояние) за
полняет формообразующую полость пресс-формы и отверждается. После определенной выдержки пресс-форма раскрывается и с
помощью выталкивателя из нее извлекается готовая деталь.
Прямым прессованием получают детали средней сложнос
ти и небольших габаритных размеров из термореактивных мате
риалов с порошкообразным и волокнистым наполнителем.
Недостатки компрессионного прессования - появление облоя (грата) по линии разъема пресс-формы необходимость по
вышенных усилий прессования.
Литьевое прессование
Рис.1. Схема формования изделий из реактопластов
(а - компрессионное прессование; б- литьевое прессование):
- верхний плунжер; 2 - оформляющие гнезда пресс-формы;
- перерабатываемый материал; 4 - поршень; 5 - трансферный цилиндр;
- загрузочное отверстие; 7 - изделие; 8- литниковые каналы; 9 - пресс-форма
Литьевое прессование отличается от прямого тем что
прессуемый материал загружают не в полость пресс-формы а
в специальный обогреваемый трансферный цилиндр (рис. 1 б).
Размягченный материал впрыскивается материальным порш
нем из трансферного цилиндра через литниковые каналы в зам
кнутую пресс-форму. После отверждения материала в оформ
ляющей полости пресс-формы ее разъединяют и извлекают го
Рационально применять литиевое прессование для изготов
ления деталей сложной конфигурации с тонкими стенками глу
бокими отверстиями в том числе резьбовыми к которым предъяв
ляются повышенные требования по точности размеров.
В процессе перетекания через литниковые каналы материал
прогревается равномерно что обеспечивает более оптимальную
структуру прессуемой детали и снижает внутренние напряжения.
При литьевом прессовании отпадает необходимость в подпрессовках так как образующиеся газы могут выходить через зазоры
между поршнем цилиндром и полуформами. В процессе литье
вого прессования пресс-формы работают в более благоприятных
условиях чем при компрессионном прессовании где они подвер
гаются износу неуравновешенным потоком еще не размягченно
Недостатком литьевого прессования является повышенный
расход материала так как в загрузочной камере и литниковых
каналах остается часть необратимого пресс-материала. Поскольку
при трансферном прессовании пластицированный материал впры
скивается в замкнутую пресс-форму по линии разъема формы
'отсутствует облой. Кроме того пресс-формы для литьевого прес
сования сложнее по конструкции и дороже пресс-форм для пря
Для прессования деталей применяют одно- и многогнез
довые пресс-формы. Многогнездовые пресс-формы использу
ют для получения деталей простой формы и небольших габа
Форма и размеры прессуемых деталей зависят от формооб
разующих деталей пресс-форм к которым предъявляются высо
кие требования по точности и качеству поверхности. Формооб
разующие детали пресс-форм изготовляют из высоколегирован
ных или инструментальных сталей с последующей закалкой до
высокой твердости. Для повышения износостойкости и улучше
ния внешнего вида прессуемых деталей формообразующие эле
менты пресс-форм полируют и хромируют.
Листы и плиты из термореактивных материалов прессуют па
кетами на прессах. Заготовки материала (из стеклоткани хлопчато
бумажной ткани и т.д.) пропитывают смолой и укладывают между
горячими плитами прессов. Число уложенных слоев ткани опреде
ляет толщину листов и плит. Габаритные размеры прессуемых дета
лей ограничиваются мощностью гидравлического пресса.
Методы прессования классифициуются также по величине
удельного давления: прессование при высоком (более 4 МПа) и
низком (менее 4 МПа) давлениях и по температуре: холодное
(20 °С) горячее прессование (130 - 180 °С для пресс-материалов
на основе фенолоформальдегидных смол) высокотемператур
ное 200 - 210 °С для тех же материалов).
Литье под давлением - один из основных методов перера
ботки широко применяющихся при производстве изделий из по
лимерных материалов.
При формовании методом литья под давлением перерабаты
ваемый материал нагревается до вязкотекучего состояния (пластицируется) в обогреваемом цилиндре из которого впрыскивается под
действием поршня или червяка в предварительно замкнутую литье
вую форму где материал затвердевает при изменении температуры
приобретая конфигурацию внутренней полости формы.
При литье термопластичных материалов расплав заполнив
ший форму охлаждается и затвердевает затем форма открывает
ся и готовое изделие удаляется из гнезда формы. При переработке
термореактивных материалов впрыснутый в форму материал на
гревается до температуры отверждения и выдерживается в течение
времени необходимого для полного отверждения изделия.
Переработка материалов литьем под давлением состоит из
операций подготовки материала и формования. Подготовка ма
териала в литьевой машине заключается в разогреве его до вяз
котекучего состояния. Процессы пластикации в червячных и пор
шневых машинах существенно различаются: в поршневых маши
нах пластикация осуществляется только в результате прогрева а
пластикация в червячных машинах осуществляется как в резуль
тате прогрева (от нагревателей цилиндра) так и в результате
выделения тепла трения в витке червяка сдвиговыми усилиями.
В червячных конструкциях материал подвергается интенсивному
перемешиванию что позволяет выровнять температуру в объеме
материала подготовленного для впрыска.
Формование проводится в вязкотекучем состоянии в кото
рое материал переходит при повышенной температуре. При этом
основное значение имеет выбор температуры переработки и вре
мени пребывания при повышенной температуре до разложения или
отверждения полимера. При увеличении температуры переработ
ки выше определенного предела характерного для каждого поли9
мера может произойти его термодеструкция (разложение) или
преждевременное отверждение (для термореактивных полимеров).
При пониженной температуре переработки материал обладает
высокой вязкостью что затрудняет формование готовых изделий.
При переработке термопластов цилиндр нагревают до
0 - 350 °С при переработке реактопластов - до 80 - 120 °С.
В литьевой форме термопласты в зависимости от их природы и
требований предъявляемых к изделию охлаждаются до 20 - 40 °С
(полистирол полиэтилен) или до 80-120 °С (поликарбонат по
лиформальдегид) а реактопласты нагреваются до 160 - 200 °С.
В форме материал выдерживается под давлением для уплотнения
что значительно снижает последующую усадку при охлаждении
Основные параметры литьевой машины: максимальные
объемы и площадь одной отливки усилие замыкания формы ход
подвижной плиты и максимальные размеры устанавливаемых
форм инжекционное давление мощность электродвигателя
привода и нагревателей материальных цилиндров.
Выпускаются литьевые машины с объемом одной отливки
16 32 63 125250 500 1000 2000 4000 и 8000 см3.
Механизм замыкания формы поршневой литьевой машины
(рис. 2) состоит из гидравлического цилиндра 1 и плунжера 2 для
привода подвижной плиты 3 (при замыкании и размыкании ли
тьевой формы 4) а также неподвижной плиты 5 с расположен
Конструкции и принципы действия литьевых машин
Литьевая машина состоит из устройства для дозирования
материала механизмов замыкания формы и инжекции привода
пультов для управления машиной а также для контроля и регу
лирования температуры.
Важнейшим узлом литьевой машины является инжекционный механизм состоящий из устройств для объемного или весо
вого дозирования пластикации и инжекции материала; привода
для возвратно-поступательного движения поршней а также вра
щательного и поступательного движения червяков; устройства для
перемещения инжекционного механизма.
Основными технологическими узлами литьевых машин яв
ляются механизмы инжекции и замыкания формы.
По принципу работы инжекционного механизма литьевые
машины разделяют на поршневые червячно-поршневые и червяч
ные а также на машины с предварительной пластикацией и без нее;
по расположению механизмов инжекции и замыкания формы - на
горизонтальные вертикальные угловые и комбинированные; по
виду привода - на механические гидравлические пневматические
гидромеханические пневмомеханические; по количеству материаль
ных цилиндров - на одно- и многоцилиндровые.
Рис. 2. Литьевая машина поршневого типа
Инжекционный механизм состоит из рассекателя (торпеды) 7
расположенного в инжекционном обогреваемом цилиндре 8 бун
кера 9 с весовым или объемным дозатором для перерабатывае
мого материала и инжекционного поршня 10 который переме
щается под действием плунжера 11 расположенного в гидрав
лическом цилиндре 12. Обогрев инжекционного цилиндра осу
ществляется электрическим обогревателем 13.
Перемещение инжекционного механизма для прижатия инжекционого сопла к литниковой втулке формы или отодвигания
сопла осуществляется плунжером 11 гидравлического цилиндра 12.
Червячная литьевая машина в отличие от поршневой осна
щена червяком и двигателем для вращения червяка.
Процесс литья под давлением включает стадии объемного и
весового дозирования порошкообразного или гранулированно
го материала загрузки материала в обогреваемый инжекционный цилиндр пластикации материала смыкания и запирания фор
мы подвода инжекционного механизма к форме впрыска матери
ала из сопла инжекционного цилиндра в полость закрытой фор
мы выдержки под давлением возвращения червяка или поршня и
инжекционного механизма в исходное положение охлаждения в
форме размыкания формы и удаления из нее изделий.
Материал поступает в загрузочное отверстие где захватывается чер
вяком и продвигаясь по каналу червяка разогревается под действи
ем тепла выделяющегося вследствие вязкого трения и тепла под
водимого от расположенных на корпусе нагревателей. В процессе
уплотнения из материала удаляется захваченный вместе с гранула
ми воздух и удельный объем композиции уменьшается. Для ком
пенсации уменьшения удельного объема композиции канал червя
ка выполняют с уменьшающимся объемом витка (шнек с перемен
ным шагом нарезки или шнек с переменной глубиной нарезки).
НЕПРЕРЫВНОЕ ВЫДАВЛИВАНИЕ (ЭКСТРУЗИЯ)
Значительная часть термопластичных полимеров перераба
тывается в изделия методом экструзии с использованием экструзионных машин (червячных прессов) различных типов. При пе
реработке гранулированных или порошкообразных термоплас
тов экструдеры предназначаются для непрерывной пластикации
и гомогенизации полимера получения однородного расплава
перемешивания его и выдавливания через формующие головки в
виде спрофилированного изделия. С помощью экструдеров про
водится нанесение тонкослойных покрытий на бумагу ткани
картон нанесение изоляции на провода и кабели. Экструдеры
применяются и для дегазации окрашивания обезвоживания сме
шения пластикации термопластов реактопластов и эластомеров.
Непрерывность и высокая производительность процесса
экструзии создают возможность максимальной автоматизации
и поэтому червячные экструдеры - это один из наиболее распро
страненных и перспективных видов оборудования для переработ
ки полимерных материалов.
Основные особенности экструзионной машины на примере
одночервячного экструдера представлены на рис. 3.
Установка состоит из червяка вращающегося внутри обогре
ваемого цилиндрического корпуса на конце которого устанавлива
ется головка с профилирующим инструментом. Между червяком и
головкой располагается решетка с пакетом фильтрующих сеток.
Рис. 3. Одночервячный экструдер (а) и червяк (б): 1 - двигатель;
: 2 - канал для охлаждения зоны бункера; 3 - канал для выхода расплава
в профилирующую головку; 4 - нагреватели цилиндра; 5 - цилиндр;
- червяк; 7 - загрузочная камера; 8 - бункер; 9 - упорный подшипник;
- редуктор; зоны червяка: I - питания II - плавления III -- дозирования.
D - диаметр L - длина h h3 - глубина винтового канала
е - ширина гребня витка t - шаг нарезки
Одной из наиболее важных характеристик пресса является
отношение длины червяка к диаметру которое равно отношению
длины червяка от края загрузочного отверстия на наружный ди
Соответственно характеру процессов протекающих на каж
дом участке червяка его можно разделить по длине на три основ
ные зоны: I - питания II - плавления III - дозирования (рис. 3 б).
Зона питания - участок в котором материал находится в
твердом состоянии. Зона плавления - участок в котором
почти полностью происходит плавление материала. Дозирую
щая зона - участок в котором материал находится в вязкотекучем состоянии.
Червячные экструдеры классифицируются по ряду признаков
и разделяются следующим образом: одночервячные и многочер
вячные одностадийные и многостадийные одноцилиндровые и
многоцилиндровые с простым профилем червяка или со сложным.
По величине скорости вращения червяка различаются нормаль
ные (до 150 обмин.) и скоростные (свыше 150 обмин.). На боль
шинстве экструдеров червяки неподвижны в осевом направлении
однако на некоторых машинах кроме вращательного движения чер
вяк осуществляет возвратно-поступательное (осциллирующее).
В зависимости от конструктивного исполнения различают
ся экструдеры горизонтальные и вертикальные стационарные и
Одночервячные экструдеры применяют главным образом
при получении труб пленок листов. Многочервячные экструде
ры используют прежде всего в
грануляционных установках.
В соответствии с многообра
зием изделий имеются различные
типы формующих головок: прут
ковые .(гранулирующие) про
фильные трубные кабельные
плоскощелевые (листовые лен
точные) пленочные (кольцевые и
плоскощелевые). По конструкци
онным признакам головки делят
ся на прямоточные и поперечные
Рис. 4. Головка к экструдеру
прямоточная плоскощелевая
для экструзии листов и плит:
Конструкции некоторых ви
мундштук; 2 - поток расплава;
дов головок экструзионных ма
- регулировочные болты
шин приведены на рис. 4-6.
Изоляцию кабелей и проводов проводят на угловых голов
ках пропуская провод или кабель в отверстие в дорне (рис. 5).
Рис. 5. Головка угловая для изоляции
кабелей и проводов: 1 - провод кабель;
- дорн; 3 - мундштук;
- изолированный провод кабель
Рис. 6. Головка к экструдеру угловая кольцевая
для получения рукавной пленки:
- рукавная пленка; 2 - регулировочный болт;
7 - детали корпуса головки;
- переходник; 5 - канал для
экструдируемого материала; 6 - рассекатель;
- каналы для сжатого воздуха; 9 - фланец;
- дорн; 11 - кольцевой канал; 12 - мундштук
В плоскощелевых головках размер щели между подвижной
и неподвижной губками либо между двумя подвижными губка
ми изменяется.с помощью регулировочных болтов. Головки
с плоской щелью используют для изготовления пленок и листов.
Экструзионно-раздувное формование
Экструзионно-раздувное формование - метод формования
полых (объемных) изделий из термопластов (рис. 7). Гранулиро
ванный или порошкообразный материал пластицируется в экструдере и выдавливается через профилирующее отверстие голов
ки 5 в виде трубчатой заготовки 7. При получении заготовки
необходимой длины смыкаются полуформы 8 зажимая один ко
нец заготовки на дорне 4 и сваривая другой ее конец с помощью
пресс-кантов 10. Герметизированную таким образом заготовку
раздувают сжатым воздухом (давление 02-1 МПа) который по
дают через отверстие в дорне воздух может поступать через от
верстие в формующем ниппеле или через полую иглу которую
помещают между полостями смыкания полуформ. Раздувание
заготовки сопровождается уменьшением толщины ее стенок и
увеличением размеров сечения. Отформованное изделие охлажда
ют (воздухом или жидкой двуокисью углерода) после чего форму
размыкают и удаляют из нее изделие используя для этого сжа
тый воздух или специальные приспособления. Общая продолжи
тельность цикла формования составляет от нескольких секунд до
Термоформование - метод получения изделий или полуфаб
рикатов из листовых или пленочных материалов при повышен
ных температурах в результате высокоэластичных деформаций^
К достоинствам термоформования относятся возможность из
готовления крупногабаритных изделий и достаточно высокая про
изводительность и экономичность. Основной недостаток термофор
мования - наличие определенного температурного интервала ста
бильности размеров и формы изделий (ниже температуры стеклова
ния) что обусловлено неравномерным характером реализуемых при
термоформовании деформаций. Релаксационные процессы могут
привести к изменению формы изделия особенно при повышенной
температуре. Способность изделия сохранять размеры и форму оп
ределяется температурой формования степенью деформации исход
ной заготовки температурой эксплуатации и другими факторами.
Разновидностями термоформования являются: вакуумформование и пневмоформование.
Вакуумное формование
Рис. 7. Схема производства изделий экструзионно-раздувным формованием:
а - получение заготовки б - раздувание заготовки и оформление изделия
в - съем изделия; - червяк экструдера 2 - материальный цилиндр
экструдера 3 - кран для подачи сжатого воздуха 4 - дорн 5 - угловая
головка 6 - мундштук 7- заготовка 8 - раздувная полуформа
- привод полуформы 10 - пресс-кант полуформы 11 - изделие
Вакуумформование проводится под действием силы возни
кающей из-за разности между атмосферными давлениями возду
ха и разряжением создаваемым внутри полости формы. Заготовt ка из листового материала с помощью прижимной рамы герме
тично закрепляется по периметру формы и нагревается с помо
щью инфракрасных или стержневых нагревателей излучения из
нихромовой проволоки (в стеклоизоляции). Затем внутреннюю
полость формы соединяют с ресивером в котором предваритель
но создают вакуум и нагретый лист вследствие образовавшегося
в полости формы разрежения втягивается внутрь нее. После ох
лаждения необходимого для фиксации формы изделия его уда
При вакуумформовании наиболее четко оформляется
поверхность соприкасающаяся с формой поэтому при повышен
ных- требованиях к внутренней поверхности изделия выбирают
выпуклую форму - пуансон (позитивный метод) а при повышен
ных требованиях к внешней поверхности используют вогнутую
форму-матрицу (негативный метод).
При формовании изделия из толстых листов часто комби
нируют создание вакуума с механическим формованием.
Схемы вакуумформования без предварительной и с предва
рительной вытяжкой представлены на рис. 8-9.
Рис. 8. Схемы вакуумформования без предварительной вытяжки:
а - в матрице (негативное); б - на пуансоне (позитивное): 1 - нагреватель;
- лист; 3 - прижимная рама; 4 - вакуумная камера; 5 - форма
Рис. 9. Схемы вакуумформования с предварительной вытяжкой пуансоном:
а - нагревание; б - предварительная вытяжка листа; в - формование:
- нагреватель; 2 - лист; 3 - прижимная рама; 4 - пуансон; 5 - подвижный стол
Пневматическое формование
Пневмоформование проводится под действием подогретого
и сжатого воздуха в результате чего лист оформляется в изделие.
Для разогрева заготовок применяют теплорадиационные нагрева
тели (стационарные или подвижные) рабочими органами которых
являются элементы сопротивления или кварцевые лампы.
Основными методами пневмоформования являются: нега
тивное позитивное и свободное.
При негативном формовании
(рис. 10) заготовку 5 закрепляют в
зажимной раме 2 и нагревают. Затем
под заготовкой устанавливают пневмокамеру 4 создают избыточное дав
ление под действием которого лист
принимает форму изделия и прово
дят охлаждение. Негативное формова
ние позволяет получать изделия на
ружная поверхность которых воспро
изводит форму размер и рисунок
внутренней поверхности матрицы.
При позитивном формовании
вместо матрицы в формовочную каме
ру устанавливают выпуклый оформ
ляющий пуансон и форма раз-мер и
рисунок воспроизводятся на внутрен
ней поверхности изделия.
При свободном формовании
заготовка предварительно нагретая
Рис. 10. Схема негативного
и укрепленная над проймой (зажим
формования: а - нагрев;
ной рамой имеющей специальную
б - формование (вытяжка);
прорезь) формуется не входя в кон в - выталкивание: 1 - матрица;
зажимная рама; 3 - нагре
такт ни с оформляющим инструмен 2 -ватель;
том ни с пневмокамерой. При дости
- заготовка; б - каналы
жении необходимой глубины вытяж19
ки листа давление воздуха уменьшают и поддерживают постоян
ным до полного охлаждения изделия. Свободное формование при
меняют как правило для получения изделий с высокими опти
Ротационное формование
Ротационное формование - метод изготовления полых изде
лий из порошков или паст термопластичных полимеров (рис. 11).
Дозированную порцию материала загружают в полую металли
ческую форму которую герметично закрывают и приводят во
вращение в одной или в двух взаимно-перпендикулярных плос
костях. Одновременно фор
му нагревают в печи таким
образом чтобы полимер
расплавился или набух в пла
стификаторе. Материал рав
номерно распределяется по
внутренней поверхности
формы гомогенизируется и
образует на поверхности го
рячей формы тонкое моно
литное покрытие которое
удерживается центробежны
Рис. 11. Установка для двухосного
ми силами и адгезией. Затем
вращения форм: - внутренний вал;
- наружный вал; 3 - площадки для
установки форм; - конические
мере. При этом изделие зат
вердевает или желатинируется. Охладившуюся форму останавли
вают открывают и извлекают из нее изделие которое легко от
деляется от холодной поверхности. .
Формование проводится на установках непрерывного или
периодического действия. Установка для двухосного вращения
форм (рис. 11) состоит из карусели на которой закреплены
шпиндели представляющие собой конструкцию из внутреннего
и наружного полого валов с приводом. Внутренний вал 1 враща
ет формы 5 в вертикальной плоскости а наружный 2 через систе
му конических шестерен 4 - в горизонтальной. Частота враще
ния наружного вала не более 32 обмин внутреннего - не более
Карусель обычно оснащают тремя шпинделями на площад
ках которых устанавливают от 1 до 48 форм. В таких установках
карусель поворачивается через определенный промежуток времени
на 120°. При этом один шпиндель попадает на рабочий стол для
извлечения готового изделия и заполнения формы материалом дру
гой находится в то же время в печи а третий - в охлаждающей каме
ре. Таким образом повышается производительность установки.
Формы нагревают в печи горячим воздухом в открытом
газовом пламени ИК-лучами или расплавами солей. Охлаждаю
щие камеры оборудуют душем из которого на формы подается
Методом ротационного формования изготовляют детали при
боров шприцы канистры и баки объемом до 1000 л и др. изделия.
Ротационное формование имеет некоторые преимущества
перед другими методами изготовления полых изделий. Это про
стота изготовления крупногабаритных изделий сложной замкну
той формы и многослойных конструкций; возможность получения
изделий с постоянной толщиной стенок; отсутствие отходов мате
риала; отсутствие внутренних напряжений в готовых изделиях; про
стота и дешевизна оборудования; высокая экономичность.
Основной недостаток - длительность процесса.
Требования к конструкции деталей из пластмасс
К пластмассовым деталям предъявляются особые требова
ния конструктивного или технологического характера. Требова
ния конструктивного характера включают все что способствует
повышению эксплуатационных свойств деталей. К требованиям
технологического характера относят все что способствует повы
шению производительности экономии материалов и удешевле
нию деталей и оснастки.
Переходы от большого сечения стенки к меньшему выпол
Пластмассовая деталь по форме должна быть по возмож
ности простой и конфигурация детали не должна препятствовать няют при помощи радиусов закруглений или уклонов а в цилинд
свободному течению расплава при заполнении формы. Это об рических элементах при помощи конусности.
Для увеличения жесткости и прочности торцов деталей сле
легчает и удешевляет изготовление оснастки улучшает качество!
детали упрощает технологический процесс.
дует предусматривать на них буртики оптимальная толщина ко
При изготовлении сложной детали иногда целесообразнее торых не должна превышать удвоенной толщины стенки.. Для этих
выполнить ее из отдельных элементов соединяемых сваркой же целей предусматриваются ребра жесткости оптимальная тол
щина которых составляет 06 - 08 толщины сопрягаемой стенки.
склейкой при помощи резьбы и другими способами.
Точность размеров деталей из пластмасс изготовляемы^
Основы рационального выбора полимерных материалов
литьем под давлением и прессованием зависит от колебания
для проектируемых изделий
расчетной усадки материала конфигурации и габаритных раз
меров деталей способа подготовки сырья точности и конструк
Проблема применения полимерных материалов для изготов
ции пресс-формы технологического режима. Точность деталей
характеризуется квалитетом - совокупностью допусков соответ ления изделия требует последовательного выполнения этапов
ствующих одинаковой степени точности для всех номинальных! выбора конкретной марки материала проектирования изделия
размеров. Обычно детали из пластмасс изготавливают 12 - 15-roj проектирования и изготовления технологической оснастки и по
лучения изделия по соответствующей технологии.
квалитетов точности.
В связи с огромным марочным ассортиментом полимерных
Шероховатость поверхности деталей определяется состояни
материалов выбор конкретного материала наиболее полно удов
ем оформляющих поверхностей пресс-формы. Обычно допускаемая
летворяющего при данных условиях эксплуатации физико-меха
шероховатость поверхности лежит в пределах 9 - 10-го классов.
ническим теплофизическим электроизоляционным и другим свой
При получении деталей методами прессования и литья nod
ствам изделий представляет сложную задачу. Быстрый и рацио
давлением предусматриваются технологические уклоны которые
нальный выбор полимерного материала является необходимым
способствуют беспрепятственному выталкиванию детали из
условием повышения надежности и сроков службы изделий а сле
пресс-формы. Технологические уклоны внутренних поверхносн
довательно и эффективности использования этих материалов.
тей должны быть больше уклона наружных поверхностей. Угол
Успешное решение задачи по рациональному выбору мате
уклона для внутренних поверхностей составляет 30 - 2° для на-
и конструированию изделий возможно лишь при учете
различных характерных свойств материалов в зависимости от
При конструировании деталей необходимо соблюдать уело-]
условий эксплуатации и методов переработки. Необходимо стре
вия равностенности. Допускаемая разнотолщинность не должна
миться к наиболее полному использованию возможностей мате
превышать 2:1 для реактопластов при прямом прессовании; 25:1
при литьевом прессовании; для термопластов допускается разно риала при его минимальной стоимости.
Более надежный выбор зависит от учета следующих основ
толщинность от 15:1 до 4:1 (для малоответственных деталей).
Максимальная толщина стенок деталей из реактопластов ных критериев:
) стоимости материала и себестоимости его переработки в
равна 8-14 мм а из термопластов - 4 - 5 мм; минимальная тол
щина стенок для термопластов и реактопластов - 03 - 05 мм.
В условиях опытного единичного производства снижение
) механических свойств (модуля упругости ударной вязко себестоимости изготовления изделий достигается применением
сти разрушающего напряжения при растяжении фрикционных
групповых блоков и формовкладышей к ним. При серийном про
и антифрикционных свойств и др.);
изводстве изменение затрат (без учета стоимости сырья) зависит
) теплофизических свойств (теплопроводности коэффи
циента линейного расширения температурного диапазона эксп от исходного вида сырья способа его переработки массы и слож
ности конфигурации изделия.
Важная роль при выборе полимерного материала отводит
) электрических свойств (электрической прочности дугостойкости удельных объемного и поверхностного сопротивле ся физико-механическим свойствам зависящим от условий эксп
луатации (температура нагрузка среда) способа приготовления
) комплекса специальных требований (токсичности воспла материалов методов и режимов переработки конструкции фор
мы и других параметров.
меняемости влагостойкости химстойкости и др.).
Для различных изделий в зависимости от их функциональ
ного назначения и условий эксплуатации приведенные ранее кри
МЕТОДЫ ФОРМОВАНИЯ ИЗДЕЛИЙ
терии должны уточняться с учетом влияния на технологию полу
ИЗ АРМИРОВАННЫХ ПЛАСТИКОВ
чения изделия его конструкционные свойства и другие парамет
Формование изделий из армированных пластиков имеет осо
ры. Важнейшими критериями для выбора конкретного материа
бенности связанные с наличием в их составе армирующих напол
ла являются стоимость сырья и себестоимость изготовления из
нителей совмещение которых со связующими может осуществ
делия. Преимущества использования полимерных материалов ста
ляться как в процессе формования изделий так и предварительно
новятся очевидными в сравнении со сложными и трудоемкими
операциями по изготовлению и сборке металлических изделий.
причем самому наполнителю форму будущего изделия можно при
Изделия из полимерных материалов могут быть получены на про
давать до совмещения со связующим.
стой оснастке с применением несложного оборудования и по ко
Основные технологические процессы формования делятся
роткому технологическому процессу т.е. сокращается производ
на методы открытого и закрытого формования.
ственный цикл и сроки освоения новых конструкций. Например
При открытом формовании одна из поверхностей изделия
взамен трех видов обработки (литья термообработки механи
оформляется в контакте с жесткой поверхностью формы другая
ческой обработки) с большим количеством операций
поверхность обычно остается свободной или формуется с помо
(до 30 - 50) для пластмассы требуется только один вид - формова
щью резиновой диафрагмы или других гибких элементов. К от
ние детали методом пластической деформации. Кроме того дета
крытым способам относятся контактное формование напыление
ли из полимерных материалов снижают материалоемкость в связи
намотка и ряд других методов.
с малым весом и значительно более высоким КИМ (095 - 05).
При использовании методов закрытого формования обе
Себестоимость изготовления изделий из полимерного мате
поверхности изделия формуются жесткими элементами формы
риала зависит в первую очередь от объема заказа и технологич
таким образом что толщина стенки изделия может быть выдер
ности материала который тесным образом связан с конструктив
жана с высокой точностью. К таким способам относятся прессо
ными и эксплуатационными особенностями изделий способом их
вание пропитка наполнителей в замкнутой форме и др.
переработки видом оснастки и перерабатывающего оборудования.
Формование изделий контактным формованием
Контактное формование (рис. 12 а) осуществляют на нега
тивных и позитивных формах с ручной выкладкой рулонногс
армирующего наполнителя по поверхности формы 1 с одновре
менной его пропиткой связующим с помощью кистей или распьг
лительного пистолета. Пропитанный материал 2 прикатываете*
рифленым валком 3 для удаления пузырьков воздуха и уплотне
ния материала. После уплотнения изделие 4 может покрываться
пленкой и дополнительно прикатываться гладким валком для
разглаживания неровностей и удаления избытка связующего.
Более совершенным методом контактного формования яв
ляется симплекс - процесс сущность которого заключается в том
что пропитка уложенного холста или ткани происходит одновре
менно с уплотнением формуемого изделия. Связующее подается
по шлангу непосредственно в прикатывающие рифленые валки.
Сущность метода напыления (рис.12 б) заключается в од
новременном нанесении на поверхность формы рубленого волок
на и связующего. Стекложгут 5 проходит режущее устройство 3 и
напыляется на поверхность формы 1. В эту же зону формы распы
лительным устройством Ч подается связующее. После нанесения
слоя заданной толщины композиция 2 уточняется на поверхности
формы прикатывающими валиками.
Отверждение изделий при повышенной температуре может
осуществляться с помощью инфракрасных нагревателей или го
Формование изделий под давлением
Рис.12. Схемы получения изделий методами:
а - контактного формования; б- напыления
Недостатком метода контактного формования является от
носительно большое колебание содержания связующего в получа
емых изделиях что объясняется непостоянным усилием которое
оказывает оператор на прикатывающий валок. Применение вал
ков с пневматической передачей давления позволяет улучшить ка
чество изделий а при использовании обогреваемых валков -регу
лировать вязкость связующего и уменьшать время отверждения.
Одним из способов ускорения процесса контактного фор
мования является укладка на форму предварительно пропитан
ной ткани. Пропитку выполняют на пропиточных машинах или
специальных устройствах состоящих из системы тянущих отжим
ных и направляющих валков и пропиточной ванны.
При формовании под давлением дополнительное уплотне
ние изделий проводится с помощью опрессовки эластичной диа
фрагмы которая прижимается к свободной поверхности изделия
с помощью вакуума или давления. Диафрагму обычно выполня
ют из резины в виде листов или мешков близких по форме конту
При уплотнении сжатым воздухом формуемое изделие 2
(рис. 13 а) на форме 1 покрывают пленкой 3 в качестве разделитель
ного покрытия. Плиту 5 с закрепленной диафрагмой 4 болтами 6
соединяют с формой. При подаче через отверстие в плите сжатого
воздуха диафрагма обжимает свободную поверхность изделия.
При уплотнении под вакуумом (рис. 136) диафрагму 4 струб
цинами 5 герметично закрепляют по периметру формы 7. На фор
муемое изделие 2 устанавливают дренажный слой 3 и по канавке
через ловушку б из полости формы откачивают воздух. При этом
диафрагма обжимает поверхность изделия уплотняя его. Избы
ток связующего собирается в ловушке.
Пои прессовании (рис. 14 а) на пуансон 2 укрепленный на
неподвижной плите 1 пресса укладывают необходимое число слоZ наполнителя 3. Связующее 4 под давлением матрицы 5 укреп
ленной на подвижной плите 6 пресса распределяется по всей по
лости формы пропитывая наполнитель.
Рис. 13. Схема формования изделий с помощью эластичной диафрагмы:
а - под давлением; б - под вакуумом
Вакуумирование облегчает удаление из композиции возду
ха а также летучих составляющих. Наличие дренажного слоя
способствует удалению летучих компонентоввсей поверхности
Максимальное давление при уплотнении под вакуумом
не превышает 8 МПа при уплотнении под давлением 50 МПа а
при использовании автоклава давление может достигать 250 МПа.
Формование изделий с помощью эластичной диафрагмы
осуществляют обычно на специальных прессах верхняя плита
которых выполнена в виде полого короба к которой крепится
диафрагма. Нижнюю плиту'пресса выполняют перфорировани
ем (для удаления воздуха из пространства между изделием и диа
фрагмой). Нагревательные элементы устанавливают обычно в
верхнем коробе. Под нижним столом пресса расположены ваку
ум-насос компрессор и системы управления.
Формование изделий прессованием
и пропиткой в замкнутой форме
Методы прессования и пропитки наполнителя в замкнутой
форме относятся к закрытым методам формования и позволяют с
высокой точностью фиксировать толщину стенки изделия а также
обеспечивают получение высококачественной поверхности изделия.
Рис. 14. Схемы формования изделий: а - прессование; б - пропитка
Метод пропитки наполнителя в замкнутой форме
(рис. 14 б) состоит в том что непропитанный сухой наполнитель 2
выкладывают послойно на пуансоне 1. После этого пуансон 1 и
матрица 3 смыкаются сжимая наполнитель до окончательных раз
меров изделия. Герметичность полости формы достигается уста
новкой уплотняющего кольца 4. Благодаря разрежению созда
ваемому в полости формы связующее засасывается из бака 5 и
пропитывает наполнитель. Метод используется при формовании
различных оболочек емкостей и других изделий для которых тре
буется высокое качество.
Формование изделий намоткой
Метод намотки - наиболее современный и перспективный ме
тод формования изделий из армированных пластиков так как по
зволяет создавать ориентируемую структуру наполнителя в издели
ях с учетом их формы и особенностей эксплуатации. Высокая проч
ность изделий полученных намоткой достигается благодаря ориен29
R станках планетарного типа (рис. 15 б) раскладчик вращатированной укладке наполнителя и как следствие этого реализуя
L O C T H составляющей небольшой угол с осью оправки.
ются высокие прочностные свойства наполнителя в изделии.
" Г Т с т Г о в к а х оправки вращаются в основном с малыми
Детали изготавливаемые методом намотки как правило дол^На таких yuan
r T r T L I пшшрнярмые лля
жны иметь форму тел вращения. В сочетании с другими приемам скоростями
ГГовани'янебольшихизделийимеютоправкувращающуюсяв
этим методом можно получать детали не имеющие форму тел вра] формования
щения например детали коробчатой формы пластины и плиты] двух
деталей методом намотки обладает рядом пре>ваниедде
заготовки рабочих и статорных лопаток и даже панелей крыла.
и йл^Аи11ИРНТИГ.ПОЛЬимуществ перед другими методами: высокий
Наибольшее применение метод намотки нашел в р а к е т н о _ и м у щ ^ 1 1 ^ г - ^ г - 1 г
технике и авиации для формирования корпусов ракет и ракетныщ зования прочности и жесткости армирующих вол
ность механизации и автоматизации пресса хорошая воспроиз
двигателей а также элементов фюзеляжей самолетов и вертолетовДетали формуют с помощью технологической системы coj водимость свойств деталей.
В зависимости от способа нанесения полимерного связую
стоящей из намоточного станка технологической справки дл.
формирования детали приспособления для раскладки материа] щего на армирующий наполнитель различаются два основных
ла материала из длинномерных армирующих волокон и поли способа намотки: «мокрый» (жидкофазный) и «сухой» (твердо
Давление формования создается в результате технологиче
«Мокрый» метод позволяет совместить операцию приготов
ского натяжения наматываемого материала.
ления композиционных материалов с техпроцессом изготовления
Оборудование для намотки можно разделить на две rpyri изделия. По этому способу непрерывный волокнистый наполни
пы: машины периодического действия которые предназначен^ тель поступает в ванну с жидким связующим пропитывается им
в основном для формования оболочек самых различных форм
а потом укладывается на оправку по заданной программе. Дос
машины непрерывного действия для производства труб.
тоинством метода является большая степень достигаемой анизот
Наиболее просты по устройству станки (рис. 15 а) с вращд ропии. Ограничение - скорость намотки - определяется скорос
ющейся оправкой 1 и возвратно-поступательно движущимся ра(^ тью пропитки а недостатком является неоднородность распре
кладчиком 2 с которого наполнитель подается на оправку.
деления наполнителя и связующего по толщине изделия (3 - 4%).
«Сухой» метод предполагает намотку заранее пропитанно
го связующим армирующего наполнителя (препрега). Этот ме
тод более прогрессивен и технологичен.
Достоинствами метода являются более однородное распре
деление связующего и наполнителя по толщине (1%) возможность
применения больших скоростей намотки возможность исполь
зования связующих с высокой вязкостью. Недостатки - повреж
дение волокон на промежуточных операциях приготовления пре
Рис. 15. Типы намотанных станков: а-с возвратно-поступательным
прега и ограниченная длина лент препрега.
движением раскладчика; б - с вращением раскладчика;
В зависимости от структуры наматываемого слоя армирую
с неподвижным раскладчиком и вращающейся в двух плоскостях оправко
щего наполнителя различают два основных способа намотки:
способ поперечной (кольцевой) намотки и способ спиральной
Поперечная намотка характеризуется укладкой армирующе
го наполнителя вокруг оправки с шагом смещения вдоль оси на
каждый оборот не больше ширины наматываемой пряди. Коль
цевая намотка является наиболее простым методом и не требует
сложного оборудования. Пропитанные нити в виде одинарной пря
ди или множества прядей накладывают на оправку под углом 90°
к оси вращения оправки. Кольцевая намотка применяется для уси
ления тонкостенных металлических труб или баллонов в танген
циальном направлении. Изделия имеют высокую прочность в
тангенциальном (окружном) направлении и низкую в осевом.
Способ спиральной намотки характеризуется шагом смеще
ния траектории укладываемого наполнителя на каждый оборот
справки больше ширины наматываемой пряди.
Как правило шаг намотки многократно превышает шири
ну пряди. Необходимое соотношение прочности изделия в осе
вом и окружном направлениях обеспечивается назначением со
ответствующего угла намотки. Способ позволяет изготавливать
изделия типа труб цилиндров с овальными днищами шаровых
оболочек конусов торов.
Для намотки изделий из армированных пластиков исполь
зуются специальные или модернизированные токарные станки.
В зависимости от технологического варианта намотки кинема
тическое исполнение станков подразделяется на два типа: токар
Формование и отверждение а иногда и механическая дора
ботка изделий выполняются на оправках. Оправки должны удов
летворять конструкторско-технологическим требованиям: точ
ность размеров изделий прочность оправки механическая извлекаемость изделия возможность установки нагревателя в оправке.
Оправки многократного использования делаются из стали
или сплавов алюминия. Для большинства изделий конструкция
оправки разборная. Для фасонных изделий и оболочек крупных
размеров экономически оправданным бывает изготовление оп32
равок однократного использования из гипса алебастра солей
легкоплавких сплавов. Единственно возможным условием изго
товления ряда изделий замкнутого контура является использова
ние расплавляемой или растворяемой внутри него оправки.
В некоторых случаях оправка не извлекается и образует совмест
но с намотанным материалом единое изделие.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1
Изготовление изделий из пресс-порошков
методом горячего прямого прессования
Цель работы: изучить состав свойства и применение фено
пластов; ознакомиться с технологией горячего прессования изде
лий из пресс-порошков на основе фенолоальдегидных смол ус
тановить влияние технологических параметров прессования на
Реактопласты - это сложные композиционные материалы.
Они состоят из смолы (связующего) наполнителя (придает мате
риалу определенные физико-механические электроизоляционные
и другие специальные свойства) пластификатора смазывающих
веществ (способствуют течению массы при переработке) красите
ля (придает материалам определенный цвет) отвердителей (обес
печивают сшивание макромолекул полимера и образование про
странственной структуры) катализаторов отверждения (ускоряют
процесс отверждения связующего) и других веществ.
Наиболее распространенными промышленными пресс-материалами-реактопластами являются фенопласты (на основе раз
личных типов фенолоформальдегидных смол) и аминопласты (на
мочевиноформальдегидных смолах). Применяются также компо
зиции на полиэфирных и эпоксидных смолах.
Фенолоформальдегидные смолы (основа фенопластов) в за
висимости от условий поликонденсации оказываются резольными или новолачными.
При поликонденсации фенола с мольным избытком фор
мальдегида в щелочной среде получается термореактивная резоль33
ная смесь способная при нагревании переходить в неплавкое и
нерастворимое состояние с образованием сетчатой пространствен
При поликонденсации в кислой среде с мольным избытком
фенола получается новолачная смола не отверждающаяся при
нагревании. При изготовлении пресс-материала в новолачную
смолу добавляют отвердитель (уротропин). При переработке
уротропин разлагается выделяя формальдегид и новолачная
смола переходит в резольную.
Отверждение резольных и новолачных смол принципиально
аналогично. В начальной стадии отверждения (стадия А) смола
(резол) при нагревании плавится и находится в вязкотекучем со
стоянии. В промежуточной стадии В смола из вязкотекучего
состояния переходит в высокоэластическое состояние (резитол).
В конечной стадии С образуется твердое тело (резит).
Особенность отверждения новолачных смол проявляется уже
на стадии А. Новолачные смолы отверждаются быстрее резоль
ных и поэтому их используют в тех случаях когда требуется вы
сокая скорость отверждения. Резольные смолы могут дольше на
ходиться в вязкотекучем состоянии что облегчает формование
толстостенных деталей.
Фенопласты выпускаются в виде порошкообразных и волок
нистых масс по ГОСТу 5689-73 «Массы прессовочные фенольные». Требования к качеству аттестованной продукции из феноп
ластов определены ГОСТом 5.1958-76. ГОСТ 5689-73 охватывает*
марок сгруппированных по типам с учетом областей преиму
щественного применения.
Пресс-порошки общего назначения. Материалы этой груп
пы (14 марок) изготовляют на основе фенолоформальдегидных
смол новолачного типа с древесной мукой в некоторые марки
вводится и минеральный наполнитель. Наиболее распростране
ны марки: 01 -040-0203-010-022. К этой же группе относятся цвет
ные пресс-порошки и смеси.
Электроизоляционные пресс-порошки (10 марок) - на ос
нове фенолоформальдегидных смол резольного типа с органи34
ческими и минеральными наполнителями. Распространены фено
пласты марок Э1-340-02 Э2-330-02 ЭЗ-340-65 и др.
Ударопрочные пресс-материалы. К этой группе относят
ся марки фенопластов модифицированных каучуком: У4-080-02
У1-301-07 У2-301-07 У5-301-41 и др.
Прессовочные материалы влагохимстойкие (7 марок) из
готавливают на основе новолачных смол. Наиболее распростра
нены фенопласты марок Вх2-090-69 Вх2-090-34 ВхЗ-090-14.
Массы прессовочные фенольные жаростойкие. Распрост
ранены марки Ж1-010-04 Ж2-040-60 Ж2-010-60 и др.
В обозначении марки материала буквы указывают тип мас
сы буква с цифрой (до первого тире) - группу массы цифры в
середине между тире относятся к смоле а последняя пара цифр к
Стеклонаполненные пресс-материалы выпускают в соответ
ствии со специальными стандартами.
Материал АГ-4: В - волокнистый С - ленточный (ГОСТ
437-75 и ГОСТ 5.2218-74 относящийся к аттестованной про
дукции) представляет собой композицию на основе модифици
рованной фенолформальдегидной смолы со стекловолокнистым
Материал прессовочный ДСВ (дозирующийся стекловолокнистый ГОСТ 17478-72) - композиция на основе модифициро
ванной фенолоформальдегидной смолы и комплексных стеклян
ных нитей состоящих из элементарных нитей диаметром не бо
Лминопластыимеламинопласты. Выпускаются порошкооб
разные и волокнистые пресс-материалы. Основным сырьем для
аминопластов являются мочевина (карбамид) и формалин а для
меламинопластов - меламин и формалин. При поликонденсации
этих продуктов получается соответственно карбамидная (мочевиноформальдегидная) или меламиноформальдегидная смолы.
В качестве наполнителей главным образом применяют цел
люлозу (сульфатную или хлопковую) асбестовое волокно и дре
Отечественная промышленность выпускает аминопласты по
ГОСТу 9359-73 и меламинопласты по техническим условиям.
Пресс-материалы на основе полиэфирных смол. В настоя
щее время находят применение пастообразные массы с рубленым
(длиной 15-20 мм) стекловолокнистым наполнителем на основе
ненасыщенных полиэфирных смол ПН-1 ПН-2 ПН-3 (полигликольмалеинатов).
Оборудование оснастка приборы и материалы
Пресс гидравлический.
Пресс-формы для прессования стандартного бруска раз
мером 10x15x120 мм и диска диаметром 20 мм толщиной 4 мм.
Гидропресс с приспособлением для испытания на стати
Маятниковый копер для определения ударной вязкости.
Прибор для определения удельного электрического со
Прибор для пределеия 8 и tg 5.
Технические весы с точностью до 001 г.
Эксикатор с хлористым кальцием.
Пресс-порошки марки 03-010-02 Э2-330-02.
Пресс-порошок 03-010-02 представляет собой композицию
черного цвета из фенолоформальдегидных смол новолачного
типа органического наполнителя (древесной муки) отвердителя
(уротропин) красителя и смазывающих веществ
Пресс-порошок применяется для изготовления ненагруженных армированных и неармированых деталей общего техничес
Пресс-порошок Э2-330-02 представляет собой композицию
коричневого цвета из фенолоформальдегидных смолрезольного
типа органического наполнителя красителя и смазывающих ве
Пресс-порошок применяется для изготовления армирован
ных и неармированых деталей электротехнического назначения.
Основные физико-механические и электрические свойства пресспорошков приведены в табл. 1.
Физико-механические и электрические свойства пресс-порошков
Предел прочности при растяжении МПа
Предел прочности при изгибе МПа
Предел прочности при сжатии МПа
Ударная вязкость кДжм
Модуль упругости при растяжении МПа
Относительное удлинение при разрыве %
Твердость по Бриннелю МПа
Удельное электрическое сопротивление
Диэлектрическая проницаемость при
Тангенс угла диэлектрических потерь при
Электрическая прочность кВмм
Технологические параметры процесса горячего прессования
К технологическим параметрам процесса горячего прессо
вания относятся температура давление и время выдержки.
Температура прессования. Температура прессования зависит
от свойств и состояния исходного материала и выбирается по
ГОСТ 5689-73. Оптимальную температуру прессования t m ус
танавливают исходя из того что формование детали должно за
вершаться за время т^ не превышающее продолжительности пре
бывания пресс-материала в вязкотекучем состоянии (хвтс) при этой
температуре т.е. т^ твтс. Температуру прессования из исходного
пресс-порошка взять из табл. 2.
Давление прессования. Давлением прессования называется эф
фективное усилие пресса приходящееся на 1 см прессуемого изде
лия. Удельное давление прессования зависит от текучести материа
ла от конфигурации детали и технологичности ее конструкции.
Сложная деталь с различной толщиной стенок острыми углами и
резкими переходами требует более высокого давления прессования.
Режимы прямого прессования пресс-порошков
па основе фенолоформальдегидных смол 03-010-02 Э2-330-02
Значение удельного давления прессования связано с мано
метрическим давлением соотношением:
где Рш - манометрическое давление в цилиндре гидравлического
пресса Па; ^ удельное давление на материал при прессовании Па;
FiK - площадь горизонтальной проекции загрузочной камеры
пресс-формы м2; Fnn-площадь поперечного сечения плунжера
пресса м 2 ; КПД - коэффициент полезного действия гидравли
ческого пресса (КПД 1).
При формовании на прессе ПГ-20 принять КПД= 085.
Время выдержки под давлением. Этот параметр устанавли
вается исходя из необходимости обеспечения заданной степени
отверждения пресс-материала. Продолжительность выдержки в
пресс-форме под давлением зависит от скорости отверждения
материала размеров изделия и температуры прессования.
Время выдержки рассчитывают как сумму времен последо
вательных процессов нагрева тнагри отверждения тотв.
Время нагрева зависит от разности температур пресс-формы
и материала теплофизических характеристик материала и формы
Время отверждения зависит от марки материала и темпе
Время выдержки для большинства термореактивных мате
риалов при температуре прессования 130 - 180°С колеблется в
пределах 05-2 мин на 1 мм толщины детали.
Из нерасфракционного пресс-порошка произвести прессо
вание стандартных брусков и дисков при различных параметрах
процесса указанных в табл. 2.
При каждом режиме необходимо отпрессовать три стандарт
ных бруска и три диска.
Порядок выполнения работы
Ознакомиться с основными характеристиками пресса с
расположением и принципом работы контрольно-измерительных
приборов с устройством пульта управления и порядка работы
Ознакомиться с конструкцией пресс-форм. Измерить
штангенциркулем с точностью до 05 мм размеры оформляющей
полости. Установить пресс-форму на прессе. Настроить терморе
гуляторы на оптимальную температуру прессования. Включить
обогрев пресс-формы.
Рассчитать манометрическое давление необходимое для
прессования по формуле (1).
Взвесить необходимое количество пресс-порошка и засы
пать в раскрытую и предварительно смазанную парафином прессформу.
Опустить верхнюю подвижную плиту сомкнуть прессформу и создать расчетное давление. Провести операцию подпрессовки.
Выдержать образец в пресс-форме при заданном режиме
Снять давление поднятием подвижной плиты пресса
раскрыть пресс-форму вытолкнуть образец очистить прессформу и загрузить следующую порцию материала. Из каждого
испытуемого пресс-порошка изготовить не менее трех образцов
использовав материал одной партии хранившейся в эксикаторе.
Определить качество изделий по внешнему виду отметив
следующие дефекты: недопрессовку вздутия трещины и короб
ление. Провести анализ бракованных изделий и объяснить при-;
чины появления дефектов.
Определить предел прочности при статическом изгибе
брусков отформованных при разных технологических режимах
где Р - величина разрушающей силы Н; - расстояние между)
опорами м; b - ширина образца м; h - толщина образца м.
Величина разрушающей силы определяется по формуле
где fm - площадь плунжера ручного пресса м2; Ры - показание
манометра при разрушении образца Па; Р - показания мано
метра при холостом ходе Па.
При испытании образец должен своей широкой стороно*
свободно лежать на опорах а его середина должна совпадать
осью наконечника передающего нагрузку. Образец подвергают
действию вертикальной разрушающей силы создаваемой плун
жером насоса. Скорость приложения нагрузки к образцу должнг
быть в пределах 20 - 60 мммин. Число образцов взятых для ис
пытания должно быть не менее трех. За результат испытание
принять среднее арифметическое значение.
Определить удельную ударную вязкость брусков отфор
мованных при разных технологических режимах по формуле
где А - работа поглощенная образцом при его изломе Н м ;
F - площадь поперечного сечения образца м .
Ударную вязкость определяют по ГОСТу 4647-69 на маят
никовом копре. Метод заключается в разрушении образца уста
новленного горизонтально на двух опорах ударом поперек об
разца. За результат испытания принять среднее арифметическое
Определить усадку на дисках отпрессованных при раз
личных технологических режимах по формуле
где D - диаметр оформляющей части пресс-формы м; d - диа
Расчетная усадка определяется разностью размеров получен
ных изделий по сравнению с размерами оформляющей части
пресс-формы. Среднее арифметическое значение результатов
полученных на трех образцах принять за окончательную вели
чину расчетной усадки.
Определить электрические свойства на дисках отпрессо
ванных при разных технологических режимах по методикам [1 ;2].
Результаты определения внести в таблицу бланка к лабора
В отчете о лабораторной работе описать состав свойства
и применение пресс-порошков на основе фенолоформальдегидных смол.
Сделать эскиз пресс-формы с указанием размеров оформ
ляющей полости и эскиз детали.
Описать технологические параметры прессования.
Кратко описать методику определения усадки механически?
и электрических параметров прессования на качество изделий.
При выполнении и сдаче лабораторной работы необходи
мо знать следующие разделы программы:
- сущность метода прессования реактопластов. Прямое
литьевое прессование;
- процессы происходящие при прессовании реактопласто^
- пресс-материалы их состав свойства и назначение;
- основные технологические параметры процесса прессова
ния и их влияния на свойства изделий.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2
Изготовление изделий из полимерных материалов
методом литья под давлением
Цель работы: ознакомиться с технологией формования иЗ
делий методом литья под давлением и установить влияние техно
логических параметров литья на качество изделий из термоплас
Литьевая машина с объемом впрыска 16 - 125 см3.
Формы для отливка лопаток и оптических линз.
Установка для снятия термомеханических кривых.
Ультратермостат жидкостный.
Термопары до 200 °С.
Термопластичные полимеры (полиэтилен низкой и высо
кой плотности полипропилен полистирол поликарбонат поли
Технологические параметры процесса литья
К технологическим параметрам литья под давлением отно
сятся: температура материального цилиндра Гц температура фор
мы Т давление литья Рли продолжительность цикла тц.
Температурные параметры литья под давлением определя
ются по термомеханическим кривым методика снятия которых
приведена в работе [3]. По термомеханическим кривым опреде
ляют температуру стеклования Гс температуру текучести Тт (для
аморфных термопластов) и температуру плавления (для кристал
лических термопластов). По полученным данным необходимо
определить температуры цилиндра литьевой машины и формы.
Температура материального цилиндра должна быть выше мини
мальной Тимт и ниже максимально допустимой Гц макс:
где Гдест - температура деструкции полимера °С (задается препо
Температурный интервал между Гцмакс и Гцмин разбить на
несколько диапазонов. Если материальный цилиндр имеет три
зоны регулирования то первый диапазон температур распреде
лить по зонам следующим образом: 1-я зона - Гцмин; 2-я зона Г«.-н + 20 °С; 3-я зона - Тцмн + 40 °С.
В каждом из последующих диапазонов температура зон ма
териального цилиндра должна ца 20 °С превышать температуру
тех же зон предыдущего диапазона. Температура третьей зоны в
последнем диапазоне не должна превышать Т .
емпература формы для литья аморфных термопластов
не должна превышать Гф макс равную Г с -30 °С (для кристалли
ческих термопластов она дается преподавателем).
Давление литья определить по формуле
где т - напряжение сдвига на стенке литника; Кх- коэффициент
зависящий от геометрических размеров литниковой системы (да
ются преподавателем).
Продолжительность цикла рассчитать по формуле
Привести основные технологические параметры литья под
где т маш - машинное время с; хтехн - технологическое время с.
Из паспорта на литьевую машину взять хмаш. Технологическое
время ттехн необходимое для затвердевания расплава термопласт*
в форме и складывающееся из времени выдержки под давлением i
времени выдержки без давления задается преподавателем.
Ознакомиться с основными узлами и техническими дан*
ными литьевой машины назначением и принципом действия от
дельных узлов с техникой регулирования: объема или массы материала температуры по зонам материального цилиндра давле
ния литья и смыкания формы продолжительности отдельных ста-1
Ознакомиться с устройством техникой установки и цент
ровки литьевой формы.
По зонам материального цилиндра установить темперам
туру соответствующую первому диапазону. Реле времени настрой
ить на значения хкпд и тобщ а гидросистему цилиндра впрыска - на
давление литья Рп. Провести термостатирование формы и
отлить детали из полимера указанного преподавателем. Повы
сить температуру формы на 20 °С и отлить еще три детали. В та
ком же порядке отлить образцы повышая температуру матери
ального цилиндра до следующего диапазона.
Провести контроль качества изделий по величине усадки
массе изделия пределу прочности при растяжении и относитель
ного удлинения при разрыве [4; 5].
В отчете по лабораторной работе дать схему и краткое
описание конструкции литьевой машины назначение и принцип
действия основных узлов.
Сделать эскиз литьевой формы с указанием размеров.
давлением и расчетные формулы.
Проанализировать полученные данные и дать заключе
ние о влиянии технологических параметров литья на качество
изделий из термопластов.
- сущность метода литья под давлением;
- назначение и принцип действия основных узлов машины
и способы регулирования параметров процесса;
- техника литья и методика определения основных техно
логических параметров;
- влияние параметров литья на качество изделий из термо
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3
Формование изделий из органического стекла
Цель работы: изучить методы изготовления изделий из орга
Вакуумная установка.
Электронагреваемые металлические плиты.
Разметочные инструменты - циркуль чертилка.
Ножовка для раскроя листов на заготовки.
Листы полиметилметакрилата (СО-120 СО-95 2-55 Э-2
Органическое стекло - техническое название прозрачных в
видимой части спектра полимерных материалов. К числу поли
меров используемых для производства органического стекла
относятся полиметакрилаты полиакрилаты полистирол поли
карбонаты сополимеры винилхлорида и др. В промышленности
под органическим стеклом чаще всего понимают листовой мате
риал получаемый полимеризацией метилметакрилата так как
производство этого материала покрывает основные потребнос
ти в органическом стекле.
Условия применения органических стекол в различных кон
струкциях требуют придания им формы соответствующей обво
дам деталей стекления. В основу этих видов формования изделий
из листовых органических стекол положен принцип деформиро
вания листа при определенных температурно-временных услови
ях под действием внешнего силового поля для фиксации требуе
мой формы с целью ее сохранения в процессе эксплуатации.
Процесс формования изделий из органических стекол вклю
чает несколько стадий: подготовку исходного листа разогрев заго
товки формование и охлаждение под нагрузкой для фиксации по
лученной формы. Предварительно проводят механическую обработ
ку листов раскрой и вырезку заготовок. Заготовки размечают с уче
том технологических припусков величина которых зависит от кон
струкции формовочной оснастки и размеров формуемой детали.
В зависимости от температуры органические стекла могут
находиться в стеклообразном высокоэластическом и вязкотеку
чем состоянии. На рис.16 приведены термомеханические кривые
теплостойких (СО-95 СО-120 2-55 Э-2) и термостабильны^
(ТСТ-1 Т2-55) органических стекол. 06
0 180 220 260 300 340 Т°С
Рис. 16. Термомеханические кривые органических стекол:
- СО-95; 2 - СО-120; 3 - 2-55; 4 - Э-2; 5 - ТСТ-1; 6 - Т2-55
Оптимальной для формирования изделий является темпера
турная область соответствующая высокоэластическому состоя
нию материала. Верхний уровень температур формования огра
ничен началом деструкционных процессов нижний - резким воз
растанием модуля упругости а следовательно и усилий формо
вания при котором возникают значительные остаточные напря
жения приводящие к интенсивному развитию микротрещин.
Описание лабораторной установки
На рис. 17 представлена схема
установки для формования изделий
из органического стекла. Установка
состоит из камеры 1 и соединенной с
ней вакуумной системы. Разрежение
в камере создается вакуумным насо
сом 7 через ресивер 2. Степень разре
жения в системе контролируется с
помощью вентилей 4-6и изменяет
Рис. 17. Схема установки
для формования изделий
из органического стекла
Методика выполнения работы
Для изготовления изделия из органического стекла необхо
димо определить технологические параметры формования: тем
пературу давление продолжительность нагревания листовой
заготовки и продолжительность процесса вытяжки.
Установление оптимальной температуры вытяжки. За оп
тимальную температуру вытяжки принимают такую температуру
в области высокоэластического состояния материала при которой
он способен удлиняться без разрушения на достаточную для фор
мования изделия величину при минимальном напряжении.
Для определения оптимальной температуры необходимо:
а) из рис. 16 определить Гт или Тпл для определенного вида
органического стекла;
б) из рис. 18 определить Г е т а х .
Температуру формования выбрать в интервале между Г Етах
F критерий Фурье определяемый графически по данным
рис 20 и значению 6 которая рассчитывается по формуле
Определение оптимального давления вытяжки. Давление Р
при вакуумной вытяжке листовых заготовок закрепляемых по пе
риметру матрицы прижимным кольцом рассчитывают по формуле
где *с-температура плит; Гф - оптимальвД
ная температура вытяжки; tQ - начальная Q 2
температура заготовки °С.
где - 5 толщина заготовки м; R - радиус протяжного кольца м;
Продолжительность вытяжки мате
а - максимальное напряжение в материале при оптимальной тем
риала рассчитывают по формуле
пературе МПа (определяется из рис. 19).
где h - максимальная глубина вытяжки
равная глубине формующих матриц м;
ис -скоростьвытяжки (015-02 мс).
Рис. 20. Зависимость
Определение размера заготовки.
Для изготовления изделий используют от разности темпера тур О
ся заготовки квадратной формы со сто
роной L рассчитываемой по формуле
Рис. 18. Зависимость деформации
Рис. 19.-Зависимость
максимального напряжения
в материале от температуры
Определение продолжительности нагревания листовой
заготовки. Продолжительность нагревания листовой заготовки
осуществляемого между металлическими плитами снабженными
электронагревателями рассчитывают по формуле:
где х - время нагревания заготовки ч; 6 - толщина листа м;
а - коэффициент температуропроводности термопласта м2ч;
где D ~ наибольший диаметр изделия м; b - ширина прижимной
рамки м; У - усадка материала при температуре вытяжки %.
Усадку материала определить на трех квадратных образцах
со сторонами около 01 м измеренных штангенциркулем с точ
Выдержать образцы при условиях принятых для предваритель
ного нагрева. Затем образцы охладить на воздухе до комнатной тем
пературы и снова измерить. Усадку рассчитать по формуле
где а ~ размер стороны образца до нагревания м; с - тот же раз
мер после охлаждения м.
_ Д^.^я^.м'шА^шгйУКвШШВК&Ьа!-..
Определение усилия прижима заготовки. Усилие прижима
рассчитать по формуле
где - периметр прижимной рамы м ; - коэффициент трения
материала о стенки формы.
Ознакомиться с принципом работы вакуумной установ
ки и контрольно-измерительных приборов.
Ознакомиться с конструкцией пресс-формы.
Определить оптимальную температуру вытяжки.
Рассчитать оптимальное давление вытяжки.
Определить продолжительность нагревания листовой
Рассчитать продолжительность вытяжки.
Рассчитать размеры заготовки.
Определить усилие прижима заготовки.
Вырезать и нагреть заготовку.
В камеру 1 установки (рис. 21) вставить протяжное коль
цо 2. Между прижимным 4 и протяжным 2 кольцами закрепить
заготовку 3 нагретую до температуры вы
тяжки. Регулируя степень разряжения от
формовать полусферическое изделие. При
этом глубина вытяжки не должна превы
шать радиус протяжного кольца. Не изме
няя степени разряжения охладить изделие
до комнатной температуры. Затем восста
новить в камере атмосферное давление
Рис. 21. Схема камеры
снять прижимное кольцо извлечь изделие.
В отчете по лабораторной работе описать свойства и при
менение органических стекол на основе метилметакрилата.
Сделать эскизы формы и детали с указанием размеров.
Рассчитать технологические параметры формования и
внести их в таблицу.
мо знать следующие разделы программы: термопластичные пласт
массы и методы изготовления изделий из них.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4
Технология формирования изделий
из полимерных композиционных материалов
Цель работы: изучить особенности технологии формирова
ния изделий из полимерных композиционных материалов мето
дом намотки и исследовать их деформационно-прочностные и ме
ханические свойства в зависимости от режимов формирования.
К конструкциям деталей изготовляемых методом намот
ки предъявляются следующие требования:
Конструкция деталей должна быть типа тел вращения
без резких переходов в местах сопряжений без бобышек флан
Внутренняя конфигурация должна предусматривать воз
можность применения оправки простой формы и легкость ее
Угол конусности детали при поперечном способе
намотки назначается не более 20° при мокром способе и не бо
лее 30°при сухом при приготовлении нанеразборнои оправке
предусматривается конусность внутренней поверхности дета
Структура спиральной намотки должна задаваться по гео
дезическим линиям или с отклонениями от них менее чем на угол
трения наматываемого материала.
Изделия наматываются непрерывным материалом.
Производительность намотки структуру плотность проч
ность и напряженность композиционного материала в формуе
мом изделии определяют кинематические силовые температур
ные и временные технологические параметры.
К кинематическим параметрам намотки относят:
- скорость вращения оправки п 1с или и0 смс;
- скорость укладки препрега ип смс;
- скорость движения укладчика иу смс.
Эти параметры определяют траекторию укладки препрега
на поверхности оправки а следовательно и структуру материа
ла в изделии и производительность метода.
Силовые технологические параметры:
- усилие натяжения N кгсм;
- усилие прикатки Q кгсм обеспечивает необходимое дав
ление уплотнения Р кгсм2 и тем самым определяет содержание в
материале изделия количества пор и связующего.
Температурные технологические параметры:
- температура препрега Тп °С;
- температура оправки Т0 °С;
- температура отверждения Гот °С.
Эти параметры обеспечивают перевод связующего в вязкотекучее состояние прилипание укладываемых друг на друга сло
ев препрега герметичность материала вследствие перетекания
размягченного связующего в межволоконном пространстве и от
верждение связующего в намотанном изделии.
Временные технологические параметры:
- время намотки изделия тн с или ч;
и термообработки намотанного изде
Время намотки зависит от кинематических параметров про
цесса размеров оправки толщины стенки наматываемого изде
лия ширины и толщины ленты применяемого препрега.
Время термообработки определяется временем нагревания
намотанного изделия до температуры отверждения временем
отверждения связующего в препреге и временем охлаждения.
. Намоточный станок для изготовления кольцевых образ
цов с регулируемым и контролируемым усилием натяжения N.
Разрывная машина с номинальным усилием 10 т.
Термошкафы с температурой нагрева 200 °С.
Оправки многогнездовые для намотки колец в количе
Кольца с внутренним диаметром 150 мм шириной 10 мм
Плоские образцы из одного слоя тканой или однонап
равленной ленты препрега шириной 10 мм и длиной 250 мм.
Приспособление для разрушения кольцевых образцов.
Материалы - тканые или однонаправленные ленты из стек
лянных углеродных или органических волокон предварительно
пропитанных связующим.
Связующие - полиэфирные эпоксидные и фенолоформальдегидные смолы.
Ознакомиться с принципом работы намоточного станка .
научиться управлять им изучить технику безопасности.
Очистить оправку от загрязнений обезжирить и покрыть
Подготовить станок к работе закрепить на станке оправ
ку для намотки кольцевых образцов нагреть до температуры
Закрепить конец ленты препрега на поверхности оправки
затягивающим витком.
Включить установку и плавным увеличением тормозного
момента натяжного устройства установить заданное натяжение
После намотки необходимого количества витков остан
вить вращение оправки закрепить последний виток посредств
Провести намотку следующих колец.
Покрыть кольца слоем фторопластовой ленты и замата
5 слоями стекложгута с натяжением 5-6 кгс.
Оправку снять со станка и поместить в термошкаф
Задание 1. Исследование влияния усилия натяжения
При каждом усилии натяжения (005 сгв; 02 ав; 04 ав; 06
и 08 ств) изготавливают по два кольца. При намотке первого ус
лия натяжения NB процессе укладки витков постепенно увелич
вают от Nmin до iVmax при намотке второго усилия натяжен
изменяют от iVmax до Nmin. Количество витков во всех образц
должно быть постоянным. После отверждения кольца снимают
оправки и испытывают на прочность при растяжении с помощь
полузнаков по одному кольцу от каждого режима намотки пр
водимого при постоянном усилии натяжения. Результаты иссл
дования вносят в табл. 3.
Результаты исследования влияния усилия натяжения на прочность колец
На основании полученных данных построить график зави
Задание 2. Исследование влияния толщины колец
Кольцевые образцы из лент препрега изготовляют так же
как и при выполнении задания 1. Усилие натяжения ленты
дг = з — 5 кгссм2) должно быть постоянным чтобы исключить
влияние его на прочность колец. Изготовить 3-5 образцов.
Различная толщина колец достигается намоткой различного чис
ла витков препрега количество которых может изменяться от 10
до 40. После отверждения и снятия с оправки определить проч
ность колец при растяжении с помощью полу дисков. Результаты
исследований внести в табл. 4.
Результаты исследования влияния толщины колец на их прочность
натяжения ний ради колец
симости ав =f(h IRB).
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5
Технология нанесения защитных покрытий
на основе полимерных порошковых композиций
и исследование их эксплуатационных свойств
Цель работы: ознакомиться с основными способами нане
сения защитных покрытий на основе полимерных порошковых
композиций (ППК) исследовать влияние режимов нанесения и
формирования на эксплуатационные свойства покрытий и выбор
оптимальной технологии.
Защитные покрытия на основе ЛПК и способы их нанесения
Условия эксплуатации авиационной техники требуют ра
работки и внедрения эффективных методов защиты различнь
элементов конструкций и изделий от коррозионно-эрозионных
других видов повреждений с целью сохранения их работоспосо
ности. В настоящее время основным средством защиты являет
использование лакокрасочных материалов (ЛКМ) среди кот
рых особое место по перспективности и разнообразию свойс
занимают порошковые ЛКМ. Покрытия на основе порошковы
ЛКМ являются новым направлением в развитии лакокрасочно
техники которые отвечают современной тенденции развити
промышленности. Они представляют экономичную альтернати
ву широко применяемым покрытиям из жидких ЛКМ содержа
щих около 35% промышленного количества лака.
Использование ППК позволяет получать высококачествен
ные покрытия практически любой толщины увеличивать сро
службы изделия повысить производительность труда уровен
механизации и автоматизации производственных процессов со
кратить технологический путь нанесения и формирования покры
тий резко снизить потери ЛКМ и исключить загрязнение окру
жающей среды токсичными и огнеопасными органическими ра
створителями входящими в состав жидких ЛКМ.
В своем составе ППК содержат пленкообразующие вещества
наполнители пластификаторы стабилизаторы и другие специ
альные добавки которые придают определенные физико-хими
ческие свойства композициям и определяют в конечном счете
работоспособность защитных покрытий.
В качестве пленкообразующих веществ используются как
термопластичные порошковые полимеры - полиолефины поли-:
винилбутираль полиамиды фторопласты и др. так и терморе
активные - полиэпоксиды полиэфиры и др.
Достоинством первой группы пленкообразователей являют
ся стабильность получаемых на их основе композиций быстрое
формирование покрытий доступность и т.п. Однако покрытия
из термопластов обратимы имеют невысокую термостойкость и
во многих случаях неустойчивы к воздействию растворителей.
В отличие от термопластов термореактивные порошковые
композиции образуют необратимые покрытия с повышенными
значениями тепло- и химической стойкости и адгезионной проч
ности. Вследствие низкой вязкости расплавов из реактопластов
формируются тонкие покрытия с хорошими эксплуатационными
свойствами. Благодаря комплексу ценных свойств защитных по
крытий и более низкой температуре их формирования предпоч
тение в развитии производства ППК отдается термореактивным
пленкообразователям.
Среди термореактивных полимерных пленкообразователей
используемых для получения защитных покрытий ведущее место
принадлежит эпоксидным порошковым композициям (ЭПК) что
объясняется доступностью сырья удобством производства покры
тий а также высоким комплексом их эксплуатационных свойств.
В настоящее время более 75 % объема производства термореак
тивных порошковых композиций составляют ЭПК.
Покрытия из ППК формируются при нагреве т.е. происходит
процесс пленкообразования из расплава с образованием твердой
адгезионной пленки. Причем расплавление порошка смачивание
поверхности слияние частиц расплавленного порошка и окончатель
ный процесс формирования структуры сплошных покрытий прохо
дит в определенном температурно-временном режиме и зависит от
физико-химических характеристик порошковых композиций.
Различают три основные группы способов нанесения порош
- способы основанные на псевдоожижении порошков (на
несение в кипящем слое);
- способы основанные на распылении порошков с одно
временной электризацией их частиц (распыление в электрическом
поле высокого напряжения);
- способы основанные на распылении частиц с их нагревом
в момент распыления или при контакте с окрашенной поверхно
стью (струйное распыление).
Сущность способа получения покрытий в кипящем слое зак
лючается в том что изделие нагретое несколько выше темпера
туры плавления порошкового материала погружается в ванну
в которой этот материал находится в псевдоожиженном состоя
нии. Последующее нагревание изделия вне ванной улучшает рас
текание расплава а его охлаждение завершает процесс получе
ния готового покрытия. Псевдоожижение порошковых материа
лов может быть вызвано потоком газа (вихревое нанесение) виб
рации (вибрационное нанесение) и воздействием газа и вибрации
одновременно (вибровихревое нанесение). Способ не требует
сложного оборудования достаточно производителен приемлем
в условиях как единичного так и массового производства.
При нанесении ППК в электрическом поле высокого напря
жения материал переводят в аэрозольное состояние и одновре
менно частицам сообщают заряд благодаря которому они на
правленно перемещаются и равномерно осаждаются на поверх
ности окрашиваемого изделия имеющего заряд противополож
ного знака. В электрическом поле перевод порошков в аэрозоли
достигается псевдрожижением пневматическим или механичес
ким (центробежным) распылением. В зависимости от этого раз
личают нанесение ППК в кипящем слое с наложением электри
ческого поля и электростатическим распылением.
В первом случае в зависимости от положения изделия отно
сительно кипящего слоя порошка нанесение может быть осуще
ствлено или непосредственно в ванне кипящего слоя или в обла
ке пылевидных частиц (над ванной).
При нанесении распылением в электрическом поле порошко
вый материал в виде аэрозоля подается в головку распылителя к элек
троду к которому подведено высокое напряжение 30 - 90 кВ (пре
имущественно знак минус) заряжается при этом и распыляется сжа
тым воздухом поступающим в головку или центробежной силой
при вращении головки распылителя. Порошок может заряжаться и
без подвода высокого напряжения извне в частности в результате
трения частиц т.е. по принципу трибоэлектрического эффекта. За
земленное изделие расположенное перед распылителем на расстоя58
нии 150 - 250 мм является вторым электродом. Порошок осаждает
ся на нем равномерным слоем толщина покрытия 100-120 мкм.
В электрическом поле порошковые материалы можно нано
сить и без предварительного нагрева изделий. Благодаря этому
а также легкости автоматизации возможности получения равно
мерных по толщине тонких покрытий на изделиях сложной кон
фигурации и ряду других достоинств способ является наиболее
перспективным и получил широкое распространение в современ
К струйным способам нанесения ППК относятся газопла
менное плазменное и струйное напыление с помощью пневмати
Сущность газопламенного способа нанесения заключается
в распылении ППК горелкой автогенного типа. При прохожде
нии через пламя горелки частицы нагреваются до 130 °С и выше
размягчаются и в расплавленном состоянии сжатым воздухом
направляются на предварительно нагретую поверхность. Толщина
покрытий 05 - 3 мм. Недостатки способа - низкая производи
тельность и невысокое качество покрытий из-за разложения по
лимеров в процессе нанесения.
Плазменное напыление отличается от газопламенного тем
что распыление и нагревание порошка осуществляется в потоке
плазмы образованной при прохождении струи инертного газа
(аргона гелия) через электрическую дугу. При контакте порош
ка с низкотемпературной плазмой (10000 - 20000 °С) происходит
нагревание и плавление частиц; в таком виде они направленно
подаются на поверхность изделия.
При плазменном напылении исключается окисление поли
меров однако возможно их термическое разложение и поэтому
способ применяется для нанесения термостойких пленкообразователей на термостойкие подложки (металлы керамика). Способ
позволяет получать тонкие покрытия более высокого качества в
отличие от газопламенного напыления.
Струйное напыление - это беспламенный способ нанесения
порошковых материалов. Порошок наносят на предварительно
нагретые изделия из специального распылителя пневматического
типа. Способ отличается простотой аппаратурного оформления и
меньшей опасностью перегрева (разложения) полимерной компо
зиции. Основной недостаток - большие потери распыляемого ма
териала. Струйное распыление применяют преимущественно для
получения защитных покрытий на изделиях больших размеров.
Оборудование приборы и материалы
Установка с ручным пистолетом-распылителем для нане
сения порошковых композиций в электрическом поле высокого
Толщиномер индукционный типа ТПН-1МУ.
Прибор У-IA для определения прочности полимерных
Прибор ШГ-1 для определений прочности при изгибе.
Прибор ПТИ-3 для определения твердости покрытия.
Прибор для определения шероховатости покрытия.
Эпоксидные порошковые композиции марки: ПЭП-177
(серая зеленая красная) ПЭП-219 (белая). Свойства представле
Образцы в виде пластин прямоугольной формы из стали
и алюминиевых и магниевых сплавов.
редел прочности при растяжении
Относительное удлинение при
Ударная прочность Нм
I ибкость по ШГ-1 мм
Эластичность по Эриксону мм
Адгезионная прочность к алюминию
по методу отслаивания Нм
Интервал рабочих температур °С
Эпоксидные порошковые композиции представляют собой
тонкодисперсные гомогенизированные порошки содержащие в
своем составе эпоксиолигомеры (Э-49П Э-44 Э-20) модифика
торы (поливинилбутираль фенолформальдегидный олигомер
полиуретановый каучук) отвердитель (дициандиамид) ускори
тель (уротропин) регулятор вязкости и растекания (аэросил)
пигмент (пылевидный кварц).
Эпоксидные порошковые композиции применяются для по
лучения защитно-декоративных коррозионно-эрозионных элек
троизоляционных и химически стойких покрытий для защиты
большой номенклатуры металлических изделий (элементов элек
трических машин деталей приборов работающих в агрессивных
средах трубопроводов аккумуляторов детали газотурбинных
Технологический процесс нанесения и формирования покрытий
Процесс получения защитных покрытий в электрическом
поле высокого напряжения включает следующие основные опера
ции: подготовка защищаемой поверхности электростатическое
нанесение порошка формирование покрытия и контроль качества.
Подготовка поверхности образцов проводится для улучше
ния адгезии и противокоррозионных свойств. Для образцов из
алюминиевых сплавов обычно проводится анодирование для
магниевых сплавов оксидирование а для стальных - пескоструй
Нанесение порошковых композиций в электрическом поле
высокого напряжения проводится с помощью установки состоя
щей из источника высокого напряжения баллона со сжатым воз
духом ручного пистолета-распылителя. Распыление проводится
сжатым воздухом. Оплавление и пленкообразование проводится
в электрической печи СНОД. Охлаждение образцов с нанесенным
покрытием проводят на воздухе. Принципиальная схема установ
ки представлена на рис. 22.
Рис. 22. Принципиальная схема установки для нанесения полимерных
порошковых покрытий в электрическом поле высокого напряжения
Основными технологическими факторами влияющими на
свойства покрытия являются:
- давление сжатого воздуха;
- рабочее напряжение;
- температура формирования покрытия;
- продолжительность формирования покрытия;
-расстояние от пистолета-распылителя до защищаемой по
Ознакомиться с основными узлами и техническими дан
ными установки для нанесения защитных покрытий назначени
ем и принципом действия отдельных узлов с техникой регулиро
вания технологических параметров (давление сжатого воздуха
высокое напряжение и температура) техникой нанесения и фор
мирования покрытий и методиками определения их эксплуата
Ознакомиться с техникой безопасности работы на уста
По заданию преподавателя выбрать технологические ре
жимы нанесения и формирования защитных покрытий - давле
ние сжатого воздуха рабочее напряжение температура и время
оплавления покрытий расстояние от распылителя до образца.
Подготовить установку для нанесения покрытий по выб
ранным режимам на образцы из стали алюминиевых или магни
евых сплавов поверхности которых предварительно подготов
лены (анодированы оксидированы или подвергнуты пескоструй
Провести нанесение эпоксидных порошковых компози
ций на образцы поместить их в печь и сформировать готовое по
крытие в течение заданного времени.
Извлечь образцы с покрытиями определить качество по
лученных покрытий по внешнему виду и провести исследования
их эксплуатационных свойств по следующим методикам.
Сплошность покрытий на металлической основе опреде
лить с помощью контактного дефектоскопа типа ЛКД-1 со
стоящего из зарядного и измерительного устройств. Наличие
дефекта в покрытии определяется по звуковому сигналу и ви
зуально по стрелочному прибору - индикатору. В основу прин
ципа работы прибора положен электроконтактный метод сущ
ность которого заключается в измерении электрического со
противления испытуемого участка поверхности т.е. сопротив
ления между рабочей поверхностью щеткодержателя и метал
Толщину покрытия определить с помощью толщиномера
индукционного типа ТПН-1НУ. Отсчет толщины покрытия
проводится визуально по стрелочному прибору. В основу ра
боты прибора положен метод вихревых токов. Контроль ме
тодом вихревых токов аналогичен явлениям индуктивно свя
занных контуров. Одним из контуров является индуктивно свя
занный образец другим - катушка датчика. Возникающая под
действием электромагнитного поля датчика ЭДС создает в
металле вихревые токи электромагнитное поле которых вза
имодействуя с контуром датчика изменяет комплексное сопро
тивление последнего. Измеряя действие вихревых токов на из
мерительную катушку получают данные о свойствах исследуе
Прочность полимерных покрытий при ударе определить на
приборе У-1 А который представляет собой вертикальный копер
состоящий из станины запрессованной в нее наковальни бойка
направляющей трубы груза и приспособления для сбрасывания
Испытание основано на определении деформаций возника
ющих на поверхности полимерного покрытия нанесенного на
тонкую металлическую пластинку размером 100х 1 ООх 15 мм при
ударе падающего груза.
Прочность при изгибе (эластичность покрытия) определить
в приборе ШГ-1 (шкала гибкости). Испытание основано на опре
делении минимального диаметра стержня изгибание на котором
металлической пластинки (20х 100x02) с покрытием не вызывает
механического разрушения покрытия. Прибор укомплектован
стержнями диаметром 2015 и 10 мм и стержнями прямоугольно
го сечения толщиной 5 3 и 1 мм. Пластину с покрытием изгиба
ют на 180° вокруг стержня так чтобы покрытие находилось на
растягиваемой стороне. Результаты испытаний оценивают по
минимальному диаметру стержня при изгибе вокруг которого
покрытие оказалось неповрежденным.
В отчете по лабораторной работе описать принципиаль
ную схему процесса нанесения покрытий из полимерных порош
ковых композиций их состав и свойства.
Описать технологические параметры нанесения и форми
рования защитных покрытий (напряжение время нанесения тем
пература и время формирования).
Определить эксплуатационные свойства отвержденных за
щитных покрытий. Результаты занести в табл. 6.
На основании исследования эксплуатационных свойств
провести выбор оптимальных режимов нанесения и формирова
ния защитных покрытий.
- основные типы защитных покрытий на основе ППК со
став свойства и технико-экономическая эффективность их при
- способы нанесения защитных покрытий на основе ППК;
- процессы происходящие при формировании защитных
- основные технологические параметры получения защит
- эксплуатационные свойства защитных покрытий и спосо
Эксплуатационные свойства отвержденных защитных покрытий
Эксплуатационные свойства покрытия
Сплош Толщиность ' на
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6
Определение реологических (вязкостных)
Цель работы: исследовать реологические (вязкостные) свой
ства низко- и высокомолекулярных веществ различной химиче
ской природы в широком интервале температурно-силовых воз
действий; изучить влияние различных факторов на изменение
Деформационные свойства полимерных материалов изуча
ются областью механики называемой реологией.
Исследование реологических в том числе вязкостных свойств
обусловлено необходимостью оптимизации и интенсификации тех
нологических процессов переработки полимерных материалов в
готовые изделия. Реологические свойства характеризуют поведе
ние полимерных систем при деформировании и определяют зави
симости связывающие напряжения деформации и скорости дефор
маций. Эти зависимости полученные при различных температу
рах и режимах деформирования для полимеров различных моле
кулярных масс и полимерных систем разных составов дают цен
ную информацию об их свойствах структуре и структурных
превращениях и имеют важное значение при рассмотрении про
блем связанных с переработкой такого рода систем.
Выше температуры стеклований аморфные полимеры нахо
дятся в высокоэластическом или вязкотекучем состоянии. Крис
таллические полимеры при температурах выше их температуры
плавления также переходят в вязкотекучее состояние. Между вы
сокоэластическим и вязкотекучим состояниями четкой границы
не существует. Для полимеров у которых проявляются оба со
стояния при высоких температурах и невысоких скоростях дефор
маций определяющее значение имеет их текучесть - способность
к необратимому направленному перемещению макромолекул друг
относительно друга без нарушения сплошности тела. У полимер
ных материалов в вязкотекучем состоянии необратимые дефор
мации могут быть неограниченно большими.
При изучении реологических свойств полимеров основное
значение имеют три вида деформации: простой сдвиг одноосное
растяжение и всестороннее сжатие. Для полимеров в текучем со
стоянии наиболее изучено их поведение при сдвиге.
Типы реологического поведения полимеров и их растворов
Реологическое поведение текучих систем можно охаракте
ризовать установив зависимость вязкости от напряжения или
скорости сдвига либо зависимость напряжения сдвига от скорос
ти сдвига и получив при этом кривые течения.
Связь между скоростью сдвига выражается законом Ньютона
где т - напряжение сдвига Па; у - скорость сдвига с"'; л - коэф
фициент пропорциональности называемый коэффициентом вяз
кости или просто вязкостью Пас.
Вязкость является одной из основных характеристик мате
риалов которая характеризует силы внутреннего трения и пред
ставляет собой свойство материала оказывать сопротивление ее
движению под действием сил вызывающих это движение.
Характеризуется вязкость двумя коэффициентами: г) - ди
намическим коэффициентом Пас и v - кинематическим коэф
фициентом вязкости м с определяемым как отношение динами
ческого коэффициента к плотности.
Иногда для описания реологических свойств используют
понятие текучести р (величина обратная динамическому коэф
фициенту вязкости т.е.ф = г ').
В зависимости от природы веществ и температуры их вяз
кость в текучем состоянии (включая газы и пары) может изме
няться от 10 до 10 Пас. Вязкость полимеров изменяется от ты
При постоянных температуре и давлении вязкость т.е.
отношение напряжения к скорости сдвига может не зависеть от
условий деформирования. Среды которые этому подчиняются
называются ньютоновскими. К ним относятся многие низкомо67
лекулярные жидкости (жидкие диэлектрики топлива масла и т.д.).
При обычных напряжениях и скоростях сдвига у них не обнару
живаются изменения структуры по
скольку эти изменения восстанавли
ваются тепловым движением так бы
стро что внешнее воздействие ока
зывает пренебрежимо малое влияние
на этот процесс (рис. 23 кривая 7).
Обычно с ро'стом напряжения
сдвига скорость течения (скорость
сдвига) растет быстрее чем это сле
Рис. 23. Зависимость скорости
дует из закона Ньютона и следова
сдвига от напряжения сдвига
тельно с увеличением напряжения и
скорости сдвига их отношение (вязкость) уменьшается (кривая 2).
Полимеры поведение которых в процессе течения описывается
этой кривой называются псевдопластичными жидкостями. Паде
ние вязкости с ростом напряжения сдвига называют аномалией вяз
кости а величину вязкости зависящую от напряжения сдвига эф
фективной или структурной вязкостью г)эф.
У некоторых полимерных систем увеличение скорости сдви
га может приводить к повышению вязкости. Системы обладаю
щие таким свойством называются дилатантными и описывают
При введении наполнителя (особенно волокнистого) в по
лимеры частицы наполнителя образуют цепочечные структуры
соединяющиеся в пространственный каркас обладающий значи
тельной упругостью. При наложении напряжения сдвига такие
системы сначала не текут т.е. напряжение сдвига растет а ско
рость течения остается нулевой (кривые 4и 5). Возникает некото
рое предельное напряжение сдвига после которого система течет
либо как ньютоновская либо как неньютоновская жидкость.
Полимеры течение в которых начинается при любом напряже
нии сдвига называют вязкими; полимеры обладающие предель
ным напряжением сдвига ниже которого течение не возникает
называют пластичными.
Кривые течения можно получить следующим образом.
Представим себе в небольшом объеме полимера две парал
лельные плоскости которые сдвигаются одна относительно дру
гой без изменения расстояния меж
ду ними. При этом происходит сме
щение относительно друг друга мак
ромолекул которые находятся на
разных расстояниях от указанных
плоскостей. Это смещение тем боль
ше чем больше расстояние между
ними. За меру деформации сдвига у
принимают тангенс угла поворота
прямой которой до начала дефор
мирования определялось расстояние
Рис. 24. Деформация сдвига
между плоскостями (рис. 24) т.е.
Относительная деформация сдвига -величина безразмерная
а скорость деформации сдвига y^dyldx определяет изменение
деформации во времени и выражается в с"'. Скорость деформа
ции сдвига равна градиенту линейной скорости т.е. перепаду ско
рости при переходе от одного слояг к другому в направлении ее
наиболее интенсивного изменения.
Если плоскость А движется в направлении указанном стрел
кой относительно плоскости Б под действием силы F то на гра
нях объема возникают сдвиговые или касательные напряжения т.
Напряжения выражаются в Нм2 или Па (1 Нм2 = 1 Па).
Увеличивая напряжение сдвига и измеряя скорость сдвига
можно построить кривую течения.
Зависимость вязкости от скорости и напряжения сдвига
Для большинства полимеров (растворов или расплавов) ве
личина вязкости не может дать представления о реологических
свойствах. В этих случаях необходимо получить полную кривую
течения т.е. графическую зависимость скорости сдвига от напря
жения сдвига. Она описывает совокупность установившихся режи
мов течения с разными скоростями и напряжениями сдвига. Такая
кривая может быть получена лишь при изменении т и у в пределах
многих десятичных порядков поэтому ее изображают в логариф
мических координатах. Логарифмируя уравнение (18) получим
Типичная кривая течения неньютоновской жидкости пока
зана на рис. 25 она имеет iS-образную форму. При достаточно низ
ких и высоких значениях скорос
тей и напряжений эти величины
связаны между собой прямой
пропорциональной зависимос
тью что соответствует наиболь
шей и наименьшей ньютоновс
ким вязкостям г)0 и г]мин причем
постоянные значения вязкостей
удовлетворяют условию л0 > лмин.
Наибольшая ньютоновск а я
Рис. 25. Кривая течения
вязкость называется также
неньтоновской жидкости
начальной и отвечает предельно
малому напряжению сдвига что
соответствует вязкости экстраполированной к т = 0 когда струк
тура полимерных систем отвечает начальному состоянию не из
мененному деформированием. Однако часто наблюдается что
вязкость может сохранять наибольшее значение в довольно ши
роком диапазоне низких значений скоростей сдвига. В таком слу
чае считают что перестройка структуры в полимерной системе
под действием сдвига компенсируется влиянием теплового дви
жения которое восстанавливает первоначальную структуру.
С другой стороны иногда достигают таких значений т и у
при которых интенсивность внешнего воздействия на структуру
полимерной системы полностью превосходит влияние теплового
движения и при дальнейшем увеличении скоростей и напряже70
ний сдвига не происходит изменений структуры. Это соответству
ет области III на кривой течения и отвечает режимам течения с
постоянной наименьшей ньютоновской вязкостью. Структура
полимера здесь предельно разрушена.
Средний II криволинейный участок кривой течения ньюто
новской жидкости называется ветвью так как при переходе от
одних значений т и у к другим в этом интервале их значений со
вершается изменение структуры полимера под влиянием сдвига.
Это проявляется в зависимости отношения т у от напряжений и
скоростей сдвига т.е. в непропорциональности значений.
Увеличение интенсивности деформирования вызывает сдвиг
равновесия в сторону более сильного изменения структуры а
уменьшение интенсивности приводит к восстановлению структу
ры. Следовательно при течении происходят обратимые измене
ния структуры полимерных систем. Это явление всегда протека
ет во времени и называется тиксотропией.
Для полимерных материалов наиболее типична кривая те
чения для описания которой наибольшее распространение полу
чил степенной закон течения или уравнение Оствальда - Де-Вила
где т - напряжение сдвига; у - скорость сдвига; л - эффективная
вязкость; п - индекс течения.
Индекс течения для псевдопластичных жидкостей меньше
единицы (п 1). При п = 1 степенной закон переходит в закон
Ньютона а л становится равной л0. Логарифмическая форма урав
нения (21) выглядит так:
Видно что в двойных логарифмических координатах кри
вая течения описываемая степенным законом выражается пря
мой линией с тангенсом угла наклона равной п.
Приборы для получения кривых течения
Приборы для определения вязкости называются вискозимет
рами. Большинство их можно разделить на две группы: капилляр71
ные и ротационные. В капиллярных вискозиметрах (рис. 26 а) по
лимер запрессовывается в рабочую камеру 1 и под давлением плун
жера 2 продавливается через капилляр 3 из которого выходит
струя 4 диаметр которой несколь
ко больше диаметра капилляра.
Увеличивая давление на плунжер
измеряем скорость его движения и
по полученным данным строим
кривую течения в координатах по
казанных на рис. 23 или 25. Усло
вия сдвига в капиллярном вискози
метре очень близки к условиям в
которых полимер перерабатывает
ся методом литья под давлением
или экструзией (шприцеванием)
если имеется возможность задать
Рис. 26. Вискозиметры:
давления в рабочей камере близ
кие к производственным.
Можно запрессовать полимер
в зазор между двумя цилиндрами из которых один вращается а
другой неподвижен как это показано на рис. 26 б. При этом воз
можны два варианта: к внутреннему подвижному цилиндру при
кладывается определенный крутящий момент (например действи
ем грузов перекинутых через блоки) либо этот цилиндр соединя
ется с мотором обеспечивающим заданное число оборотов. На
ось внутреннего цилиндра наклеивается тензодатчик измеряю
щий напряжение возникающее при вращении с заданной скоро
стью. Эти данные являются основой для построения кривой тече
ния как и в случае капиллярного вискозиметра. Ротационные
приборы позволяют измерить не только скорость необратимой
деформации но и величину упругой (высокоэластической) дефор
мации. Для этого нужно только остановить внутренний цилиндр
и наблюдать его медленное перемещение в обратном направле
нии которое прекратится как только исчезнет высокоэластичес
Приборы установки и материалы
Реологические исследования расплавов полимеров проводят
ся методом капиллярной вискозиметрии на капиллярном виско
зиметре постоянных давлений (рис. 27).
Основными элементами вискозиметра являются: объемная ра
бочая камера 1 кольцевая электрическая печь 2 стол вискозимет
ра 3 стойка 4 рычаг 5 регулирую
щая б и измерительная 7 термопары
сменный капилляр 8 часовой инди
Для поддержания температуры
испытания существует блок регули
ровки работающий совместно с ав
томатическим электронным потенци
ометром ЭПВ2-11А (на рис. 27 не по
казан). Рабочая камера представляет
собой металлический цилиндр диа
метром 10 + 001 мм в нижнюю часть
которого вставляют сменный капил
Рис. 27. Капиллярный
ляр с калиброванным отверстием со
ответствующих размеров. Для созда
ния давления в рабочей камере с исследуемым расплавом полимер
ного материала применяется рычажно-грузовой механизм связан* ный с плунжером состоящий из рычага с подвешиваемыми на него
грузами. Меняя количество грузов и их положение на рычаге мож
но изменять давление в рабочей камере в широких пределах. Дефор
мация образцов измеряется с помощью часового индикатора.
На капиллярном вискозиметре определить реологические
характеристики полиэтилена низкой плотности и полиэтилена
меров (на капиллярном вискозиметре) проводят в следующем
порядке. Рабочую камеру с вставленным в нее капилляром опре
деленной длины и диаметра нагревают до необходимой темпера
туры. Испытуемый термопластичный материал в количестве
- 5 г закладывают в рабочую камеру и выдерживают при темпе
ратуре испытания для перевода полимера в вязкотекучее состоя
ние в течение 5 мин. По истечении указанного времени поршень с
подведенным к нему часовым индикатором опускают до сопри
косновения с расплавом. На рычаг вискозиметра подвешивают
груз при котором поршень начинает погружаться в расплав.
Величину груза определяют опытным путем. Далее по указаниям
индикатора с помощью секундомера фиксируют скорость погру
жения поршня до достижения стационарного течения расплава
через капилляр. За стационарную скорость погружения поршня
принять среднее арифметическое значение установившейся ско
рости трех измерений проведенных в одних и тех же условиях.
Далее продолжить эксперимент последовательно подвешивая все
увеличивающиеся по весу грузы и определяя скорость погруже
ния поршня как функцию величины приложенной нагрузки Р.
Реологические параметры расплавов полимеров определить
при трех температурах (110120 и 130 °С).
Определение реологических характеристик жидких диэлек
триков на ротационном вискозиметре проводят в следующем
порядке. Рабочую часть прибора поднять из термостата и закре
пить вверху стойки посредством винта. Налить определенное ко
личество испытуемой жидкости в цилиндр 2 и после этого опус
тить его в термостат. Уровень жидкости в зазоре между цилинд
рами должен быть выше верхней термопары (7 см). Для контролявысоты уровня жидкости на вращающемся цилиндре нанесены де
ления с точностью до 1 мм. Подвесить на нити груз весом 5 - 10 г
отпустить тормоз и наблюдать с помощью секундомера время
десяти или пяти оборотов вращающейся системы вискозиметра.
Далее запереть тормоз и вращая шкив в обратную сторону под
нять грузы. Провести 3-4 повторных отсчета вычислить среднее
арифметическое значение числа оборотов в секунду. Затем пос
ледовательно подвесить на нити еще 2-3 различных груза все уве74
личивающихся по весу и для каждого из них определить число
Вязкостные характеристики определить при трех темпера
турах (20 40 и 60 °С).
Обработка результатов измерений и оформление отчета
Результаты измерений на капиллярном вискозиметре обра
батываются следующим образом.
Скорость сдвига определяется по расходу расплава полимера
t=^[«-'];e=>-*-o[>7c]
где Q - объемный расход материала м3с;
и - стационарная скорость погружения поршня мс;
R - радиус рабочей камеры 5- 10"4м;
г - радиус капилляра; 8-10 5м.
Напряжение сдвига определяют по формуле:
где Р - величина приложенной нагрузки Н.
Эффективную вязкость определяют по формуле:
На основании полученных результатов построить графики
зависимостей lgx =(lgy ) и Igrj =(lgx).
При обработке экспериментальных данных необходимо
пользоваться руководством оператора.
В отчете по лабораторной работе описать строение состав
и свойства исследуемых материалов дать схему прибора приве
сти расчетные формулы построить графические зависимости и
проанализировать полученные экспериментальные данные.
- вязкотекучее состояние реологические (вязкостные) ха
рактеристики материалов и их зависимости от молекулярной мас
- типы реологического поведения материалов аномалия
- энергия активации вязкого течения ее физический смысл
и способы определения;
- типы приборов для определения вязкостных свойств ма
Бортников В. Г. Производство изделий из пластических
масс. В 3 т. Т. 1-2. Казань: Дом печати 2004.
Галимов Э.Р. и др. Полимерные материалы: структура
свойства и применение: Учебное пособие. Казань: Изд-во Казан
гос. техн. ун-та 2001.
Лахтйн Ю.М. Леонтьева В.П. Материаловедение. М.:
Машиностроение 1990.
Углеродные волокна и углекомпозиты Под ред. Э. Фитцера:М.: Мир 1988.
Материаловедение Под ред. Б.Н. Арзамасова. М.: Ма
Назаров Г.И. Сушкин В.В. Теплостойкие пластмассы:
Справочник. М.: Машиностроение 1980.
Гуль В.Е. Структура и прочность полимеров. М.: Выс
Конструкционные свойства пластмасс Под общ. ред.
P.M. Шнейдеровича и И.В. Крагальского. М.: Машиностроение
Хуго И. и др. Конструкционные пластмассы. М.: Маши
Коршак В.В. Химическое строение и температурные ха
рактеристики полимеров. М.: Наука 1970.
Методы испытания контроля и исследования машино
строительных материалов: Справочное пособие. Т.З. М.: Маши
Галимов Э.Р. Черноглазова А.В. Диэлектрические свой
ства полимеров. Казань: Изд-во Казан гос. техн. ун-та 2003.
Механические и теплофизические свойства полимеров: Ла
бораторный практикум. Казань: Изд-во Казан гос. техн. ун-та 2003.
Э.Р. ГАЛИМОВ Ю.И. СУДАРЕВ
А.В. ЧЕРНОГЛАЗОВА Ф.Н. КУРТАЕВА
ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ
Лабораторный практикум

Темы контрольных заданий.doc

Темы контрольных заданий:
Изложите современные состояние и перспективы развития
производства черных и цветных металлов а также неметаллических
материалов. Приведите контрольные цифры производства чугуна стали
цветных металлов проката и пластмасс.
Основы сварочного производства.
Опишите процесс получения стали: перечислите способы
производства стали и дайте их сравнительную характеристику; опишите
технологический процесс производства стали в конвертерах; устройство
и работу конвертера (эскиз конвертера химические реакции процесса);
дайте характеристику полученных в конвертерах сталей; технико –
экономические показатели работы конвертеров.
Опишите процесс получения изделий из пластмасс прямым м
литьевым прессованием: дайте схему процессов; опишите
последовательность операций; какие изделия можно получать данными
Опишите процессы получения стали в мартеновской печи:
устройство и работа мартеновской печи (эскиз печи); химические
реакции; технологию выплавки стали; состав классификацию и качество
получаемых сталей; технико – экономические показатели работы
Опишите технологический процесс получения изделий
литьем под давлением пластмасс: схема процесса; последовательность
операции; характеристика материала; какие изделий можно получать
Опишите процесс получения стали в электропечах (дуговой и
индукционной): исходные материала и их подготовка; устройство и
работа электропечей; процесс выплавки стали; состав классификация и
качество получаемых сталей; технико – экономические показатели работы
электропечей и пути интенсификации процесса плавки стали в
Опишите технологический процесс получения изделий из
пластмасс методами пневматической и вакуумной формовки: схема
процессов; характеристика применяемого материала; получаемые изделия.
Опишите производств меди: исходные материалы и их
подготовка к плавке; технология получения штейна и черновой меди;
способы рафинирования меди; марки меди ее сплавы классификация и
области применения меди и ее сплавов в машиностроении.
Опишите технологический процесс получения изделий сваркой
пластмасс: характеристика материалов применяющихся для сварки
пластмасс; технологические процессы сварки (схема процесса и его
характеристика); получаемые изделия и их свойства.
Опишите производство алюминия: исходные материалы и их
подготовка к плавке; технология получения глинозема и его
электролиз; способы рафинирования и область применения алюминия и
его сплавы классификация и область применения алюминия и его
сплавов для изготовления деталей судовых механизмов и машин.
Опишите процессы обработки металлов давлением (прокатки
прессования волочения): сущность процессов обработки металлов
давлением; способы обработки металлов давлением (схему процессов
прокатки; прессования и волочения); современное состояние место и
значение процессов обработки металлов давлением в производстве
полуфабрикатов и профилей; перспективы развития процессов обработки
Опишите технологические процессы штамповки: схемы основных
способов штамповки (объемной и листовой); характеристика материала;
инструмент; технико – экономические показатели и область применения
для изготовления деталей судовых механизмов и машин.
Сварка полимерных труб способом НИ (нагретым инструментом).
Изложите физико – механические основы обработки металлов
давлением: теоретические основы ОМД - упругая и пластическая
деформация металлов и их физическая сущность; понятие о холодной
и горячей деформации; основные закономерности процессов пластического
деформирования; влияние условий деформации на свойства и структура
Дефекты сварных соединений и способы их устранения.
Опишите производства магния: исходные материалы и их
подготовка к плавке; электролитический способ производства магния;
рафинирование магния; маркировка магния его сплавы классификация
и область применения.
Перечислите способы получения изделий из пластмасс и дайте
их краткую характеристику: схемы процессов; материалы перерабатываемые
описываемым способом; свойства полученного изделия и область его
Опишите металлургические процессы производства стали:
исходные материалы для выплавки стали; схемы процессов производства
стали; технологию выплавки стали по описываемому процессу; технико –
экономические сравнительные показатели характеризуемых процессов
Сварка полимерных труб методом ЗН (закладным нагревательным
Опишите металлургические процессы производства чугуна:исходные
материалы схема процесса производства.
Виды сварки плавлением.
Основы технологии литейного производства. Литейные свойства
Электрохимические методы обработки (ЭХОМ).
Специальные виды литья. ЛВМ – литье по выплавляемым моделям.
Сварка в защитных средах.
Технология изготовления отливок в песчано-глинистых формах. Виды
дефектов отливок и способы их устранения.
Способы сварки пластмасс.
Основные методы штамповки.
Гальванические покрытия. Методы их нанесения.
Коррозия металлов и методы защиты от нее.
Методы контроля сварных соединений.
Основные материалы для производства металлов.
Раструбная диффузионная сварка (полимерных труб).

титул контр.работы.doc

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего
профессионального образования
«Казанский исследовательский технический университет
им. А.Н. Туполева - КАИ»
Кафедра материаловедения сварки и производственной безопасности
(подпись) (Фамилия И.О.)
(должность степень звание)

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СВАРКИ .pdf

I = 100*d *(d - 05) + 50

Самостоятельная работа и список литературы.doc

Фролов В.А. Технологические основы сварки и пайки в авиастроении. –М.:
Интермет инжиниринг 2002г.
Сварка и резка материалов. Под. Ред. Ю.В.Казакова –М.; Изд. Цент
Чернышов Г.Т. Сварочное дело: сварка и резка металлов –М.: Академия
Максимов В.К. Маминов А.С. Максимов М.В. Сварочные материалы –
Дополнительная литература:
Сварка. Резка. Контроль: Справочник в 2т под общ. ред. Н.П.Алешина и
Г.Г.Чернышева –М.: Машиностроение 2004г.
Хомченко Ф.А. Справочник пособие электрогазосварщика –М.:
машиностроение 2005г.
Фролов В.А. Пешков В.В. и др. Специальные методы сварки и пайки – М.:
Интермет инжиниринг 2003г.
Самостоятельная работа.
Условное обозначение сварных швов на чертежах [3] c. 19-22.
Металлургические процессы при сварке плавлением [2] c. 17-23.
кристаллизация в сварочной ванне [2] c. 24-31.
Свариваемость металлов [2] c. 35-36. Структура сварочного
соединения [3] c. 51. Технологические характеристики дуги [3] c. 32-
Обозначение сварочных электродов для РДС. ГОСТ 9466-75 9467-75.
Защитные газы для сварки и газовые смеси [3] c. 114-117.
Источники питания для сварки [3] c. 122-150. Оборудование для РДС и
механизированной сварки [3] c. 151-164. Оборудование для сварки в
защитных газах [3] c. 165-172. Подготовка и хранение сварочных
Технология и оборудование электронно- лучевой сварки [2] c. 248-
3. Оборудование для контактной сварки [2] c. 283-287. Неразрушающие
методы контроля качества сварных соединений [2] c. 340-360.

Лекция №1.doc

Технология сварочного производства
Сварные соединения и швы.
Строение свойства и классификация сварочных дуг.
Сварка – один из наиболее распространенных технологических процессов.
К сварке относятся собственно сварка наплавка пайка напыление и
некоторые другие процессы. С помощью сварки соединяют между собой различные
металлы их сплавы керамические материалы пластмассы и разнородные
материалы. Сварка металлов и их сплавов используется при сооружении новых
конструкций изготовлении и ремонте различных изделий машин и механизмов.
Сваривать можно металлы практически любой толщины. Прочность сварного
соединения в большинстве случаев не уступает прочности основного металла.
Сварку можно выполнять на земле под водой в космосе – в любых
пространственных положениях.
Сварка – это процесс получения неразъемных соединений путем
установления межатомных связей между соединяемыми частями при их нагреве и
(или) пластическом деформировании.
Все неразъемные соединения можно разделить на две группы: монолитные и
немонолитные. Монолитные соединения образуются за счет атомарных связей
между соединяемыми частями – это сварные паяные и клееные соединения
немонолитные – заклепочные без них. Теоретически для получения монолитного
соединения достаточно два твердых кристаллических тела с идеально гладкой
поверхностью сблизить на расстояние соизмеримое с межатомным без приложения
температуры и усилия. В действительности этого не происходит т.к. на
поверхности тел имеются неровности и контакт осуществляется в отдельных
точках а не по всей поверхности а также поверхность металлов покрыта
различными пленками: органическими оксидными и другими которые образуют
энергетический барьер поверхности. Для его преодоления и перевода
поверхностных атомов в активное состояние необходимо введение энергии. Эта
энергия называется энергией активации и может быть введена в изделие ввиде
теплоты (термическая активация) упругопластической деформации
(механическая активация) в виде различных источников излучения (лучевая
Для получения монолитного соединения – введение энергии в стык
обязательное условие. Исходя из него все сварочные процессы по форме
энергии делятся на классы а по виду источника энергии на виды.
Все сварочные процессы классифицируются по признакам.
Физические признаки классифицируются на классы – термический
термомеханический механический а каждый класс в зависимости от вида
источника энергии подразделяются на виды сварки.
В термическом классе – 11 видов в термомеханическом – 9 видов в
механическом – 5 видов.
Всего 25 ГОСТированных видов сварки.
По техническим признакам все виды сварки классифицируются согласно
Технологические же признаки столь различны что выделять общие для
несхожих видов не представляется возможным поэтому технологические
признаки у каждого вида сварки свои.
Сварным соединением называется соединение двух или нескольких
элементов полученное сваркой.
Сварное соединение (рис.2) состоит: из сварного шва имеющего литую
структуру и образовавшегося в результате кристаллизации сварочной ванны
зоны сплавления зоны термического влияния – участок основного металла не
подвергавшийся расплавлению где в результате нагрева произошли структурные
и фазовые изменения и части основного металла.
Существует 5 видов сварных соединений (рис.3) – стыковые угловые
тавровые нахлесточные и торцевые.
Наиболее типичные и предпочтительные стыковые соединения но не всегда
теплоты источника энергии хватает чтобы проплавить на всю толщину поэтому
для деталей с толщиной больше 4 мм применяют специальную подготовку кромок
Конструктивные элементы подготовки кромок следующие:
S – толщина соединяемых элементов;
С – притупление кромок (обычно 1-2мм0;
– для скоса от 25 до 45;
α – угол разделки равен 2 ;
В – зазор зависит от толщины и способа сварки;
R – радиус закругления для фигурной разделки кромок.
Классификация сварных швов.
Все сварные швы классифицируются по признакам:
По типу сварного соединения на стыковые образованные стыковыми
соединениями и на угловые – тавровыми нахлесточными угловыми.
По положению относительно действующего усилия – на фланговые
По положению в пространстве рис. 5 на:
По внешней форме рис. 6 – на выпуклые нормальные и вогнутые.
По протяженности рис.7 – на непрерывные и прерывистые которые
делятся на цепные и шахматные.
По количеству проходов рис.8 – на однопроходные (для толщин меньше
см) и многопроходные.
Геометрические параметры стыковых и угловых швов представлены на рис.
к ним относятся l – ширина шва g – выпуклость и к – катет качество
сварных швов и их геометрические параметры контролируются в обязательном
порядке после сварки при визуально-измерительном контроле.
Обозначаются сварные швы на чертежах согласно ГОСТ 2.312-75.
Видимый сварной шов независимо от способа сварки обозначается
сплошной линией к которой проставляется полка – выноска с односторонней
стрелкой (рис. 10.) невидимый – штриховой.
Примеры условных обозначений сварных швов представлены в таб. 4.
Электрическая сварочная дуга – это устойчивый длительный дуговой
разряд в сильно ионизированной газовой среде между электродами
характеризующийся высокой плотностью тока и выделением большого количества
Впервые явление дугового разряда было открыто в 1802г. Профессором
Петербургской медико-хирургической академии Василием Владимировичем
При дуговой сварке получение качественных соединений необходимо иметь
устойчивую дугу и надежную защиту сварочной ванны. В свою очередь для
получения устойчивой дуги необходимо реализовывать два процесса это –
ионизацию дугового промежутка и эмиссию электронов.
В обычных условиях воздух обладает слабой электропроводностью из-за
малой концентрации свободных электронов и ионов. Поэтому для того чтобы
получить мощный электрический ток т.е. образовать дугу необходимо
ионизировать воздушный промежуток между электродами. Ионизацию можно
вызвать если приложить к ним высокое напряжение тогда имеющиеся в газе
свободные электроны будут разгоняться электрическим полем и разбивать
нейтральные молекулы на ионы однако при сварке исходя из правил техники
безопасности нельзя пользоваться высоким напряжением. Поэтому применяют
другой способ. Так как в металлах имеется большая концентрация свободных
электронов то их можно извлечь из металла в газовую среду а затем
использовать для ионизации. Существует несколько способов извлечения
электронов для процесса сварки имеют значение два – это автоэлектронная и
термоэлектронная эмиссии.
При автоэлектронной эмиссии извлечение электронов происходит под
действием внешнего электрического поля который изменяет потенциальный
барьер у поверхности металла и облегчает выход тех электронов которые
внутри металла имеют достаточно большую энергию для преодоления этого
При термоэлектронной эмиссии происходит “испарение” свободных
электронов с поверхности металла благодаря высокой температуре. Чем выше
температура тем больше число электронов преодолевают потенциальный барьер
поверхности. В начальный момент возбуждения дуги основную роль играет
автоэлектронная эмиссия для установившейся дуги – термоэлектронная.
Ионизацию вызванную в некотором объеме газовой среды принято называть
объемной ионизацией. Объемная ионизация полученная нагревом газа до
высоких температур называется термической ионизацией.
Ионизацию можно повысить введя в дуговой промежуток элементы
обладающие низким потенциалом ионизации – это щелочные и щелочноземельные
металлы. Они входят в состав всех электродных покрытий и сварочных флюсов.
Эти элементы называются стабилизирующими или ионизирующими.
Процесс возбуждения дуги кратковременен и осуществляется сварщиком в
течении долей секунды. В установившейся дуге различают три зоны: катодную
анодную и столб дуги (рис. 11.).
Катодная зона расположена на отрицательном полюсе дуги анодная на
положительном. Температура катодной области достигает 2500-3000С анодной
00-4000С. Температура столба дуги зависит от плотности тока и состава
газа в дуговом промежутке при наличии в нем щелочных металлов она
составляет 6000-7000С углекислого газа 8000С аргона 10000-12000С
Электрические свойства дуги описываются ее вольт-амперной
характеристикой. Зависимость напряжения дуги от тока в сварочном контуре
называется статической вольт-амперной характеристикой дуги. Вольт-амперная
характеристика дуги имеет три области: падающую – 1 жесткую – 2 и
возрастающую – 3. (рис. 12.).
В первой области напряжение падает т.к. повышает ток увеличивается
поперечное сечение а следовательно и проводимость столба дуги. При
дальнейшем увеличении тока напряжение сохраняется постоянным т.к. сечение
столба дуги и площади катодных и анодных пятен увеличиваются
пропорционально току. В третьей области увеличение тока вызывает увеличение
напряжения в следствии того что увеличение плотности тока не
сопровождается увеличением катодного пятна ввиду ограниченности сечения
электрода. Напряжение дуги зависит: от рода тока материала состава
электродных покрытий или флюсов и длины дуги.
а – коэффициент составляющий падение напряжения на катоде и аноде В;
b – коэффициент характеризующий падение напряжения на 1мм длины дуги
Длиной дуги называется расстояние от катода до поверхности сварочной
ванны. Дуги бывают короткие 2-4мм нормальные 4-6мм и длинные – больше 6мм.
Оптимальный режим сварки обеспечивается на коротких дугах. Обычно
напряжение на дуге находится в пределах 20-45 В.
Сварочные дуги классифицируются по следующим признакам:
По подключению тока – дуги бывают прямого и косвенного действия и
трехфазные (рис.12.).
По роду тока – дуги постоянного и переменного тока.
По полярности – прямой и обратной.
По материалу электрода – плавящимся и неплавящимся.
По внешнему воздействию – нормальные стабилизированные и сжатые.
Родина дуговой сварки – Россия. Николай Николаевич Бенардос в 1886
году получил патент на способ дуговой сварки неплавящимся электродом а в
91 Николай Гаврилович Славинов разработал способ дуговой сварки
плавящимся электродом. Большинство современных способов основано на их
В производстве металлоконструкций дуговые способы сварки используют
чаще других они занимают приблизительно 60% объема.
Дуговой сваркой называется сварка плавлением при которой для нагрева
и плавления основного и присадочного металлов используется тепло
Наиболее распространенные способы дуговой сварки это:
- ручная дуговая сварка покрытыми электродами;
- автоматическая сварка под слоем флюса;
- дуговая сварка в защитных газах.
Ручная дуговая сварка покрытыми электродами.
РДС покрытым электродом – это способ дуговой сварки при котором дуга
горит между плавящимся металлическим электродом и поверхностью сварочной
ванны защита сварочной ванны от воздуха осуществляется за счет
расплавления электродного покрытия. Подача электрода в ванну и его
перемещение вдоль стыка производится сварщиком вручную(рис. 14).
Область применения РДС очень широка это впервую очередь конструкции
из различных видов стали и цветных сплавов с короткими криволинейными
швами всех типов сварных соединений и в любых пространственных положениях
с толщиной соединяемых элементов от 1 до 175мм.
Достоинствами способа являются:
- его универсальность;
- возможность сварки в монтажных условиях;
- дешевизна оборудования и сварочных материалов.
Однако у этого способа есть и ряд недостатков:
- нестабильность процесса сварки и как следствие низкое качество шва;
- низкая производительность;
- воздействие вредных факторов таких как излучения и аэрозоли на
- самые высокие затраты на обучение персонала.
Типы сварных соединений полученных РДС описывает ГОСТ 5264-80.
К параметрам режима сварки относятся: Iсв- сила сварочного тока А; Uд-
напряжение на дуге В; род и полярность тока; dэ- диаметр и марка
Методика расчета параметров режима сварки для стыковых соединений из
углеродистой стали с толщиной деталей меньше или равной 5мм.
Iсв=(20+6 ·dэ) ·dэ (А);
Для конструкций с толщиной стенки > 5мм сначала рассчитывают
количество проходов при этом диаметр электрода для сварки корневого шва
назначается на единицу меньше чем для заполняющего а затем рассчитываются
параметры режима сварки для каждого прохода.
Марка электрода выбирается исходя из механических свойств и
химического состава основного материала. Обязательным условием является то
что механические свойства сварного шва должны быть не ниже свойств
основного материала.
Электрод представляет собой стержень из сварочной проволоки диаметром
от 16 до 12мм и длиной от 150 до 450мм с нанесенным на него керамическим
покрытием. Чаще всего используются электроды dэ=2 4мм и длиной 350-450мм
чем меньше dэ тем меньше его длина.
Все электроды по ГОСТ 9467-75 делятся на типы. Для углеродистых и
низколегированных сталей предусмотрено 9 типов: Э38 Э42 Э50 Э60. Для
сварки легированных конструкционных сталей – 5 типов: Э70 Э80 Э100 Э150.
Для сварки легированных теплоустойчивых сталей тоже 9 типов: Э-09М Э-09МХ.
Тип электрода обозначается буквой “Э” и цифрой указывающей
гарантируемый предел прочности металла шва в кгсмм2. Буква А в обозначении
указывает что металл шва наплавленный этим электродом имеет повышенные
пластические свойства например Э42А Э50А. Такие электроды применяют для
сварки более ответственных конструкций.
Каждому типу электрода соответствует несколько марок электродов.
Например типу Э42 соответствует ОМА-2 АНО-6 МЭЗ-04 и др. Марка электрода
– это специфическое название данное ему разработчиком предприятием-
производителем или держателем патента. Она как правило характеризует
стержень и покрытие. Покрытие электродов выполняет несколько функций таб.1.
Функции Назначение компонентов Компоненты
Стабилизация дуги Ионизирующие Мел мрамор двуокись
титана поташ окиси и
соли щелочных и щелочно-
Защита сварочной Газообразующие Органические вещества:
ванны крахмал декстрин мука
Минеральные вещества:
карбонаты кальция бария
Шлакообразующие Мел мрамор марганцевая
руда кварцевый песок
доломит полевой шпат
титановый концентрат.
Улучшение структуры Раскисляющие Ферросилиций
ферротитан алюминий
Феррованадий феррохром
ферромолибден закись
никеля окислы меди и
Повышающие прочность Связующие Жидкое стекло (силикат
обмазки калия и натрия) лаки
Пластифицирующие Минеральные вещества на
основе глин: каолин
По видам покрытия электроды подразделяются: с кислым покрытием –
условное обозначение «А» с рутиловым – «Р» с целлюлозным – «Ц» с
основным – «Б» и прочие – «П».
Кмслые покрытия (АНО-1 СМ-5) содержат руды в виде окислов железа и
марганца. При плавлении они выделяют кислород для ослабления его действия
в покрытия вводят раскислители. Однако наплавленный металл имеет малую
вязкость и пластичность и понижение содержания легирующих элементов.
Электроды с кислым покрытием рекомендуются для сварки малоответственных
Рутиловые покрытия (АНО-3 МР-3 ОЗС-4) имеют основным компонентом
рутилдвуокись титана он же является шлакообразующим элементом. Электроды с
этим покрытием являются универсальными и позволяют вести сварку на любом
роде тока по плохо очищенным поверхностям.
Целлюлозные покрытия (ВСЦ-1 ВСЦ-2 ОМА-2) содержат главным образом
органические компоненты но у них тонкий слой шлака поэтому они
рекомендуются для сварки небольших толщин.
Основные покрытия (УОНИ-1345 УОНИ-1355) составлены на основе
плавикового шпата и мрамора. Отсутствие в составе этого покрытия оксидов
железа позволяет широко легировать наплавленный металл и получить хорошие
механические свойства сварного шва. Они применяются для сварки больших
толщин. Чаще всего при РДС используют электроды с основным видом покрытия
но они требуют постоянного тока и обратной полярности.
Электроды классифицируются согласно ГОСТ 9466-75.
Условное обозначение электродов включает: тип марку диаметр
назначение вид покрытия его толщину механические свойства наплавленного
металла полярность и пространственное положение.
Условное обозначение электродов представлено на рис 15.
Основным Условием для получения качественного сварного соединения при
РДС является устойчивость процесса сварки. Ее обеспечивают источники
питания сварочной дуги. РДС может вестись как на постоянном так и на
переменном токе. Следовательно для РДС могут применятся источники
переменного тока (трансформаторы) и постоянного тока (выпрямители и
Но любой источник питания для РДС должен обладать следующими
- напряжение холостого хода должно быть достаточным для легкого
возбуждения дуги. Максимально допустимое напряжение холостого хода для
источников постоянного тока - 90В переменного – 80В;
- напряжение на дуге должно быстро изменяться и восстанавливаться в
зависимости от длины дуги. Время реагирования не должно превышать 005с;
- ток короткого замыкания не должен превышать сварочный на 40-50% при
этом источник тока должен выдерживать длительные короткие замыкания;
- мощность источника тока должна быть достаточной для выполнения
Для ручной дуговой сварки рекомендуется использовать источники питания
с крутопадающей ВАХ (рис. 16).
При выборе источника питания для РДС остается предпочтение источникам
постоянного тока т.к. при их использовании дуга горит более стабильно но
они имеют большую массу сложнее в обслуживании и дороже. В последнее время
все большую популярность приобретают инверторные источники питания из-за
малого веса стабильности и широкого диапазона регулирования сварочного

дуги.frw

вопросы к лекции №2.doc

Контрольные вопросы к лекции №2.
В чем заключается сущность сварки под флюсом и в чем ее преимущества?
Какие флюсы используются при сварке?
Какие параметры режима при автоматической сварке под флюсом?
Какие электроды используются при автоматической сварке под флюсом?
Какое оборудование применяется для автоматической сварки под флюсом?
Какова сущность дуговой сварки в защитных газах?
Назовите газы и их характеристики используемых в качестве
В чем принципиальное отличие сварки плавящимся электродом от
сварки неплавящимся электродом?
Какие параметры режима сварки относятся к дуговой
автоматической сварке неплавящимся электродом с присадочной
Что вы знаете о неплавящихся электродах?

вопросы к лекции.doc

Назовите основные методы формования порошков.
Расскажите суть процессов происходящих при прессовании порошков в
стальных прессформах.
Почему порошковая прессовка сформованная в прессформе имеет разную
плотность по высоте?
Какие ограничения имеет способ прессования в стальных пресформах?
Каким лучше способом формировать длинномерные непрерывные изделия
(стержни трубки и т.п.) ?
Из каких материалов Вы рекомендуете формовать заготовки методамии
Назовите преимущества и недостатки шликерного формования.
В чем преимущества и какие недостатки имеют импульсные методы
формования порошков ?
Расскажите суть процессов происходящих при спекании.
Какие изменения происходят в формовках при спекании?

Порошк .мет 2 лек Microsoft Word.doc

Методы формования порошков
Классификация промышленных методов формования порошков показана на
Прессование. Наиболее распространен метод прессования в стальных пресс-
формах. Сущность процесса прессования порошка заключается в уменьшении его
первоначального объема обжатием и уплотнении до такой степени что
сохраняется механическая прочность прессовки после ее извлечения из пресс-
формы. Объем порошкового тела при прессовании изменяется в результате
заполнения пустот между частицами за счет их смещения и пластической
При деформировании же компактного материала полученного при выплавки
его объем остается постоянным изменяются лишь геометрические размеры.
Стадии прессования. Рассмотрим идеальную кривую уплотнения порошкового
тела (слайд 12). На первой стадии происходит наиболее интенсивное
уплотнение связанное с перераспределением частиц за счет их смещения и
более плотной упаковки под действием прикладываемых внешних сил. Эта
стадия характеризуется также значительной ролью упругой разгрузки некоторых
из контактов происходящих уже в самом начале процесса уплотнения
Вторая стадия характеризуется тем что частицы порошка
упакованные максимально плотно оказывают упругое сопротивление сжатию.
Усилие прессования растет а плотность порошкового тела при этом некоторое
время не увеличивается. Пластическая деформация в приконтактной зоне
частиц порошка носит ограниченный местный характер. Третья стадия
начинается когда давление прессования превысит сопротивление сжатию частиц
порошка и начинается их пластическая деформация. С этого момента
пластическая деформация охватывает весь объем каждой частицы смещение
контактов фактически прекращается и фиксируется. В реальности все три
стадии происходят одновременно поэтому кривая уплотнения имеет вид не
ломаной линии а монотонно возрастающей.
Прессование порошков осуществляется стальных пресс-формах по
односторонней или двухсторонней схеме в зависимости от соотношения высоты
формовки и ее диаметра (толщины стенки - слайд 12).
Тип прессового оборудования определяет выбор способа дозирования
порошка. Например при ручном прессовании используют весовую дозировку
тогда как при автоматическом прессовании - объемную. На слайде 13 показан
Процесс прессования включает в себя: расчет навески; дозировку шихты
засыпку шихты в матрицу пресс-формы прессование удаление брикета из пресс-
формы. На практике дозировку осуществляют весовым либо объемным способами.
На слайде 14 показана кинематическая схема прессования гладких втулок.
При прессовании в прессформе происходят следующие явления:
Боковое давление.Порошок в пресс – форме во время уплотнения в
известной степени ведет себя аналогично жидкости и стремится растекаться в
стороны в результате чего возникает давление на стенки пресс – формы
которое называется боковым. Однако в отличие от жидкости равномерно
передающей приложенное к ней давление во всех направлениях в порошке
наблюдается значительная неравномерность его распределения. В результате
степень сжатия порошка в различных сечениях неодинакова а боковой стенки
передается значительно меньшее давление чем в направлении прессования в
основном из – за трения между частицами заклинивания и других факторов
затрудняющих перемещение частиц в стороны. Боковое давление уменьшается по
высоте прессованных брикетов так как силы трения возникающие между
перемещающимися частицами порошка и стенками пресс – формы уменьшают
величину осевого давления прессования.
Трение. Различают трение внешнее и межчастичное. Внешнее трение
приводит к неравномерному распределению плотности в объеме брикета из за
потери усилия прессования на его преодоление. Межчастичное трение
коэффициент трения которого может в несколько раз превосходить коэффициент
внешнего трения при прессовании играет определенную роль так как на его
преодоление также затрачивается работа прессования. При этом давление по
высоте брикета не изменяется. В результате межчастичное трение не влияет на
распределение плотности в объеме брикета.
Давление выталкивания - усилие необходимое для выталкивания брикета
после его прессования . Давление выталкивания пропорционально давлению
прессования и зависит от коэффициента внешнего трения и коэффициента
Пуассона прессуемого порошка. Обычно давление выталкивания принимают равным
– 035 от давления прессования и оно тем больше чем выше прессуемый
брикет и ниже площадь поперечного сечения.
Упругое последействие - изменение ее объема прессовки возникающее
при снятии давления прессования и извлечении ее из пресс-формы в
результате действия внутренних напряжений. В основном происходит
увеличение размера прессовки в направлении прессования.
Величина упругого последействия зависит от характеристик прессуемого
порошка (дисперсности формы и состояния поверхности частиц содержания
оксидов механических свойств материала) давления прессования наличие и
количество смазки упругих свойств матриц и пуансонов и других факторов.
Упругое последействие частично снимает напряжения на контактных участках
что приводит к уменьшению их числа и суммарной площади. Разрыв контактов
между частицами на большом протяжении может вызвать нарушение целостности
прессовок называемое расслоем в том числе появление трещин а иногда и
Применение при прессовании смазок позволяет уменьшить величину
упругого последействия. Применение смазки при прессовании – один из лучших
способов уменьшения трения и улучшения процесса уплотнения порошка в
результате чего плотность брикета повышается и обеспечивается более
равномерное распределение ее по объему коэффициент бокового давления
Смазки снимающие трение между порошком и стенками матрицы пресс –
формы и не оказывающие какого – либо существенного воздействия на порошок
получили название инертных в отличие от активных смазок оказывающих
влияние на трение между частицами и вызывающие разрушение или облегчающих
деформацию за счет адсорбционного понижения прочности.
Горячее прессование. Горячим называют прессование металлического
порошка или порошковой формовки при температуре превышающей температуру
рекристаллизации основного компонента. При горячем прессовании процессы
прессования и спекания совмещаются в одной операции что может быть
использовано для изготовления плотных изделий из большого класса
материалов для которых применение других методов затруднительно или даже
невозможно. В отличие от холодного прессования выдержки под давлением при
горячем прессовании значительно увеличиваются что необходимо для
прохождения процесса спекания время которого при наличии внешнего давления
в свою очередь значительно сокращается. Давление прессования снижается
несколько десятков раз по сравнению с обычным прессованием так как
сопротивление материалов деформированию значительно уменьшается с
увеличением температуры. Температуры горячего прессования выбирают в
зависимости от природы спекаемого материала и они составляют 05—09Тпл
основного компонента. Практически время горячего прессования колеблется для
разных материалов от десятков секунд до нескольких минут тогда как при
обычном спекании а также при спекании под давлением время выдержки
составляет от 15—30 мин до нескольких часов.
Горячее прессование уступает раздельному процессу прессования—спекания по
производительности и по энергетическим затратам на единицу продукции. К
недостаткам горячего прессования следует отнести трудность автоматизации
процесса. Поэтому горячее прессование широко применяют в тех случаях где
требуется получить более высокие физические и механические свойства
Горячее прессование часто является единственным методом изготовления
крупных и плотных заготовок из некоторых тугоплавких металлов карбидов
боридов нитридов и силицидов переходных металлов карбидов и нитридов бора
и кремния тугоплавких оксидов и некоторых сульфидов. Методами горячего
прессования изготавливают изделия из рекристаллизованного графита а также
изделия из алмазных порошков гексанита и других сверхтвердых материалов на
металлических и карбидных связках.
Изостатическое формование-формование металлического порошка в
эластичной или деформируемой оболочке в условиях всестороннего сжатия.
Изостатическое формование позволяет получать из порошка крупногабаритные
заготовки (порошковые формовки) в том числе с большим отношением длины к
диаметру (ширине) и тонкими стенками обладающие равномерной объемной
плотностью.В настоящее время выделяют три базовые разновидности
изостатического формования: холодное гидростатическое (ХИП) горячее
Преимущества методов изостатического формования перед прессованием:
достижение более высокой плотности и прочности формовок
при давлении одинаковом с давлением прессования.
Равноплотность формовки по высоте;
Отсутствие ограничений по размерам изделий;
возможность полной автоматизации процесса.
На слайде 15 показана установка для холодного гидростатического
формования – гидростат.
и дорогостоящим процессом для получения порошковых изделий с плотностью
близкой к теоретической и высокими механическими свойствами. В процессе
При изготовлении турбинных дисков газостатической обработкой порошков
(вместо традиционной технологии литья с последующей пластической
деформацией) они имеют повышенные прочность и жаропрочность на 7—15 % а
ресурс работы увеличивается в 13—18 раза; припуски на механическую
обработку сокращаются в 2—3 раза уменьшается ее трудоемкость на 30—40 %
снижаются расход металла и стоимость изготовления.
Формование в толстостенных эластичных оболочках. Толстостенную (толщина
стенки 10—20 мм) эластичную оболочку с порошком помещают в пресс-форму и
подвергают одностороннему или двустороннему давлению (слайд 15).
Шликерное формование - формование металлического порошка заполнением
шликером (устойчивой суспензией металлического порошка) пористой формы
обеспечивающей удаление жидкости из шликера.
Приведенное определение характеризует только шликерное формование в
пористых адсорбирующих и неадсорбирующих формах — самую важную и наиболее
распространенную разновидность этого метода формования.
Шликерное формование (его иногда продолжают называть «шликерное
литье») позволяет получать изделия сложных форм мало- и
крупногабаритные полые с равномерной толщиной стенок с высокой чистотой
поверхности и точных размеров.
Существенными недостатками шликерного формования являются высокая
суммарная длительность процесса получения заготовок необходимость
изготовления и хранения больших количеств адсорбирующих форм потребность
в мощном сушильном хозяйстве.
Мундштучное формование — формование металлического порошка
продавливанием через отверстие определяющее форму и размеры поперечного
сечения порошковой формовки.
Продавливать через отверстие (слайд 16) можно не только порошок но
и спрессованную из него заготовку в том числе подвергнутую
предварительной термической обработке.
Импульсное формование — формование металлического порошка или
порошковой формовки при котором уплотнение производится ударными волнами
в интервале времени не превышающем 1 с. В зависимости от вида источника
энергии обеспечивающего высокую скорость приложения нагрузки различают
взрывное электрогидравлическое электромагнитное и пневмомеханическое
формование. На слайде 17 показаны типовые схемы формования порошков
зарядом бризантных ВВ.
Спекание – заключительная основная операция технологической схемы
производства изделий методом порошковой металлургии. Спекание есть нагрев и
выдержка порошковой формовки при температуре ниже точки плавления основного
компонента с целью обеспечения заданных механических и физико-химических
свойств. Это сложный комплекс большого количества физико-химических
явлений протекающих одновременно или последовательно при нагревании
формовок или свободно насыпанного порошка. Некоторые из этих явлений
связаны с обычными эффектами влияния повышенных температур на любое
поликристаллическое тело другие же являются специфичными для пористых
Спекание сопровождается изменением плотности прочности (как правило
увеличением) объема и массы спекаемого брикета образованием новых фаз в
соответствии с диаграммами состояния и характером их взаимодействия.
В процессе нагрева может происходить расплавление какой-либо
составляющей в случае спекания многокомпонентных систем. В связи с этим
существуют две разновидности процесса спекания: твердофазное т. е. без
образования жидкой фазы и жидкофазное при котором легкоплавкие компоненты
смеси порошков расплавляются.
Основные движущие силы процесса спекания:
массоперенос через газовую фазу;
поверхностная диффузия;
объемная диффузия. Для объяснения процессов уплотнения
происходящих при спекании принята двухчастичная модель объясняющая
основные стадии спекания (слайд 18).
В практике спекания из множества защитных сред применяются в основном
водород диссоциированный аммиак газообразные углеводороды (эндо- и
экзогазы конвертированный природный газ) и вакуум значительно реже –
Интервал температур спекания обычно выбирается в пределах 07-08
температуры плавления металла однако в каждом отдельном случае уточняется
экспериментально с учетом требуемых свойств и структуры композиционного
материала а также вида изделия и его назначения. Длительность процесса
устанавливается в зависимости от кинетики спекания материала данного
состава и с учетом технико-экономических показателей работы оборудования.
Обычно в первые минуты спекания как правило наблюдается интенсивное
изменение размеров (выпучивание иили усадка) которое замедляется при
достижении определенного времени и практически остается постоянным с
последующей выдержкой. На величину изменения линейных размеров оказывает
влияние исходная плотность материала определяемая давлением прессования
В процессе спекания происходит процесс рекристаллизации –явления роста
новых зерен на границах старых. Этот процесс связан с укрупнением зерен.
Малые зерна уменьшаются и исчезают за счет этого крупные зерна еще более
укрупняются (слайд 20).
Практика спекания. Процесс спекания осуществляют сразу же после
формования заготовки в защитной атмосфере либо в вакууме. Для спекания
порошковых изделий разработаны специальные печи (слайд 21).
Самостоятельная работа
Описать физические свойства порошков: форму частиц размер частиц и
гранулометрический составудельную поверхностьплотность
микротвердость (с.324-352 [1]).
Описать технологические свойства порошков: насупную плотность
плотность утряски текучестьуплотняемость прессуемость формуемость
- и их влияние на перерабатываемость порошков. (С.353-362. [1]).
Описать процессы происходящие при прессовании порошков. С.23 -33 [2].
Описать практику прессования с.59-75. [2].
Описать химический состав свойства область применения
конструкционных порошковых материалов материалов триботехнического
назначения [3] с.297-315 358-386.
Г.А.Либенсон В.Ю.Лопатин Г.В.Комарницкий Процессы порошковой
металлургии т.1..МИСИС 2002. 366 с.
1.Г.А.Либенсон В.Ю.Лопатин Г.В.Комарницкий Процессы порошковой
металлургии т.2.. МИСИС 2002. 318 с.
Порошковая металлургия и напыленные покрытия под ред Митина М.:
Машиностроение 1986 658 с.

вопросы к лекции №3.doc

Контрольные вопросы к лекции №3.
Что определяет закон Джоуля-Ленца?
Какие способы контактной сварки вы знаете?
В чем заключается сущность точечной рельефной шовной и стыковой
Назовите основной параметр сварочной точки при контактной точечной
В чем заключается отличие стыковой сварки сопротивлением от стыковой
Назовите параметры режима шовной сварки
В каких случаях используются непрерывные и прерывистые циклы
Каким образом параметры точки зависят от параметров режима контактной
Назовите отличие рельефной от точечной сварки.
В чем заключается сущность электроно-лучевой сварки?
Перечислите достоинства и недостатки этого вида сварки.
В какой среде производится ЭЛС и почему?
Из каких основных узлов состоит электронно-лучевая установка?
Какие параметры режима сварки ЭЛС Вы знаете?
Какие способы контактной сварки Вы знаете?
Начертите циклограмму шовной сварки и объясните ее?
Назовите параметры режима точечной сварки?
В чем отличие стыковой сварки сопротивлением от стыковой сварки
Что общего и в чем разница между рельефной и точечной сваркой?

ТМП полимерные материалы.doc

Технология конструкционных материалов
МЕТОДЫ ФОРМОВАНИЯ (ПЕРЕРАБОТКИ)
ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ В ИЗДЕЛИЯ
Переработка полимерных материалов - комплекс процессов обеспечи-
вающий получение изделий или полуфабрикатов из пластмасс с заданными
свойствами на специальном оборудовании. Переработке предшествует: 1)
проектирование рациональной конструкции изделия и формующего инструмента
(формы головки); 2) выбор оптимального метода переработки; 3) разработка
рецептуры материала наиболее пригодного для данного метода. Переработка
включает приготовление материала и подготовку его к формованию
(гранулирование таблетирование) сушку формование изделий и их
последующую обработку с целью улучшения свойств готовых изделий
(термическая обработка радиационное сшивание и др.).
Процессы переработки чаще всего классифицируются по организационно-
технологическим признакам то есть выделяются подготовительные основные
завершающие и вспомогательные процессы.
К подготовительным процессам относятся: смешение предварительный
нагрев и сушка таблетирование гранулирование и др.
Основными процессами переработки являются прессование экструзия
литье под давлением и др.
К завершающим процессам относятся механическая обработка и доделка
отформованных деталей сварка и склейка окрашивание и металлизация изделий
Вспомогательные процессы связаны главным образом с переработкой
отходов образующихся при изготовлении изделий.
При переработке термореактивные материалы (реактопласты) испытывают
физико-химические превращения а термопластичные материалы (термопласты)
в основном только физические превращения связанные с расплавлением
материала и охлаждением изделий.
Прессование - это формование изделий под давлением из материалов
нагретых до вязкотекучего состояния непосредственно в полости формующего
инструмента (пресс-форме) - между матрицей и пуансоном. В течение
короткого времени пребывания в вязкотекучем состоянии к материалу
прикладывается давление действующее вплоть до окончательного отверждения
расплава и оформления детали. В результате отверждения образуется сетчатая
пространственная структура материала и вследствие этого изделие может быть
извлечено из матрицы при температуре прессования.
Прессование термопластичных материалов нерентабельно т.к. извлечение
отпрессованного изделия возможно лишь после охлаждения его вместе с формой
до температуры стеклования. Вследствие этого снижается производительность и
увеличиваются энергетические затраты.
Прессование осуществляется двумя основными способами - прямым
(компрессионным) и литьевым (трансферным).
Прямое прессование - наиболее распространенный способ. При этом
способе предварительно нагретый или ненагретый таблетированный или
порошкообразный материал загружают в пресс-форму которая замыкается и
материал подвергается давлению и нагреву. Давление передается
непосредственно на прессуемый материал вплоть до полного замыкания пресс-
формы. В зависимости от природы и свойств перерабатываемого материала
обычно возникает необходимость выпуска из формы паров и газов выделяющихся
из прессуемого материала в процессе реакции отверждения. Для этого в
процессе прессования выполняют операцию подпрессовки заключающуюся в
переключении гидропресса после определенной выдержки на обратный ход в
подъеме пуансона на высоту достаточную для выпуска газов (5-30 мм) и
выдержке его в таком положении в течение 3-10 с. После этого пресс-форма
снова замыкается. При прессовании крупных толстостенных деталей из
материалов с повышенной влажностью подпрессовку проводят 2-3 раза.
Схема компрессионного прессования представлена на рис.1а.
В полость матрицы раскрытой пресс-формы загружают перерабатываемый
материал. При замыкании пресс-формы под действием усилия пресса
пуансон создает давление на прессуемый материал. Под действием этого
давления и теплоты от нагретой пресс-формы материал пластицируется
(переходит в вязкотекучее состояние) заполняет формообразующую полость
пресс-формы и отверждается. После определенной выдержки пресс-форма
раскрывается и с помощью выталкивателя из нее извлекается готовая
Прямым прессованием получают детали средней сложности и небольших
габаритных размеров из термореактивных материалов с порошкообразным и
волокнистым наполнителем.
Рис.1. Схема формования изделий из реактопластов (а - компрессионное
прессование; б - литьевое прессование): 1 - верхний плунжер; 2 -
оформляющие гнезда прессформы; 3 - перерабатываемый материал; 4 - поршень;
- трансферный цилиндр; 6 - загрузочное отверстие; 7 - изделие; 8 -
литниковые каналы; 9 - пресс-форма
Недостатки компрессионного прессования - появление облоя (грата) по
линии разъема пресс-формы необходимость повышенных усилий прессования.
Литьевое прессование отличается от прямого тем что прессуемый
материал загружают не в полость пресс-формы а в специальный обогреваемый
трансферный цилиндр (рис.1б). Размягченный материал впрыскивается
материальным поршнем из трансферного цилиндра через литниковые каналы в
замкнутую пресс-форму. После отверждения материала в оформляющей полости
пресс-формы ее разъединяют и извлекают готовые изделия.
Литьевое прессование рационально применять для изготовления деталей
сложной конфигурации с тонкими стенками глубокими отверстиями в том
числе резьбовыми к которым предъявляются повышенные требования по точности
В процессе перетекания через литниковые каналы материал прогревается
равномерно что обеспечивает более оптимальную структуру прессуемой детали
и снижает внутренние напряжения. При литьевом прессовании отпадает
необходимость в подпрессовках так как образующиеся газы могут выходить
через зазоры между поршнем цилиндром и полуформами. В процессе литьевого
прессования пресс-формы работают в более благоприятных условиях чем при
компрессионном прессовании где они подвергаются износу неуравновешен-
ным потоком еще не размягченного материала.
Недостатком литьевого прессования является повышенный расход
материала так как в загрузочной камере и литниковых каналах остается часть
необратимого пресс-материала. Поскольку при литьевом прессовании
пластицированный материал впрыскивается в замкнутую пресс-форму то по
линии разъема формы отсутствует облой. Кроме того пресс-формы для
литьевого прессования сложнее по конструкции и дороже пресс-форм для
прямого прессования.
Листы и плиты из термореактивных материалов прессуют пакетами на
прессах. Заготовки материала ( из стеклоткани хлопчатобумажной ткани и
т.д.) пропитывают смолой и укладывают между горячими плитами прессов. Число
уложенных слоев ткани определяет толщину листов и плит. Габаритные размеры
прессуемых деталей ограничиваются мощностью гидравлического пресса.
Методы прессования классифициуются также по величине удельного
давления: прессование при высоком ( более 4 МПа) и низком (менее 4 МПа)
давлениях и по температуре: холодное (20 0С) горячее прессование (130-
0 0С для пресс-материалов на основе фенолоформальдегидных смол)
высокотемпературное 200-210 0С для тех же материалов).
Литье под давлением - один из основных методов переработки широко
применяющихся при производстве изделий из полимерных материалов.
При формовании методом литья под давлением перерабатываемый материал
нагревается до вязкотекучего состояния (пластицируется) в обогреваемом
цилиндре из которого впрыскивается под действием поршня или червяка в
предварительно замкнутую литьевую форму где материал затвердевает при
изменении температуры приобретая конфигурацию внутренней полости формы.
При литье термопластичных материалов расплав заполнивший форму
охлаждается и затвердевает затем форма открывается и готовое изделие
удаляется из гнезда формы. При переработке термореактивных материалов
впрыснутый в форму материал нагревается до температуры отверждения и
выдерживается в течение времени необходимого для полного отверждения
Переработка материалов литьем под давлением состоит из операций
подготовки материала и формования. Подготовка материала в литьевой машине
заключается в разогреве его до вязкотекучего состояния. Процессы
пластикации в червячных и поршневых машинах существенно различаются: в
поршневых машинах пластикация осуществляется только в результате прогрева
а пластикация в червячных машинах осуществляется как в результате прогрева
(от нагревателей цилиндра) так и в результате выделения тепла
трения в витке червяка сдвиговыми усилиями. В червячных конструкциях
материал подвергается интенсивному перемеши-ванию что позволяет выровнить
температуру в объеме материала подготовленного для впрыска.
Формование производится в вязкотекучем состоянии в которое материал
переходит при повышенной температуре. При этом основное значение имеет
выбор температуры переработки и времени пребывания при повышенной
температуре до разложения или отверждения полимера. При увеличении
температуры переработки выше определенного предела характерного для
каждого полимера может произойти его термодеструкция (разложение) или
преждевременное отверждение (для термореактивных полимеров). При пониженной
температуре переработки материал обладает высокой вязкостью что затрудняет
формование готовых изделий.
При переработке термопластов цилиндр нагревают до 200-350(С при
переработке реактопластов - до 80-120(С. В литьевой форме термопласты в
зависимости от их природы и требований предъявляемых к изделию охлаж-
даются до 20-40(С (полистирол полиэтилен) или до 80-120(С (поликарбонат
полиформальдегид) а реактопласты нагреваются до 160-200(С. В форме
материал выдерживается под давлением для уплотнения что значительно
снижает последующую усадку при охлаждении изделия вне формы.
Литьевая машина состоит из устройства для дозирования материала
механизмов замыкания формы и инжекции привода пультов для управления
машиной а также для контроля и регулирования температуры.
Механизм замыкания формы поршневой литьевой машины (рис.2) состоит из
гидравлического цилиндра 1 и плунжера 2 для привода подвижной плиты 3 (при
замыкании и размыкании литьевой формы 4) а также неподвижной плиты 5 с
расположенным в ней соплом 6.
Инжекционный механизм состоит из рассекателя (торпеды) 7
расположенного в инжекционном обогреваемом цилиндре 8 бункера 9 с весовым
или объемным дозатором для перерабатываемого материала и инжекционного
поршня 10 который перемещается под действием плунжера 11 расположенного в
гидравлическом цилиндре 12. Обогрев инжекционного цилиндра осуществляется
электрическим обогревателем 13.
Рис.2. Литьевая машина поршневого типа
Перемещение инжекционного механизма для прижатия инжекционого сопла к
литниковой втулке формы или отодвигания сопла осуществляется плунжером 11
гидравлического цилиндра 12.
Червячная литьевая машина в отличие от поршневой оснащена червяком и
двигателем для вращения червяка.
Процесс литья под давлением включает стадии: объемного и весового
дозирования порошкообразного или гранулированного материала загрузки
материала в обогреваемый инжекционный цилиндр пластикации материала
смыкания и запирания формы подвода инжекционного механизма к форме
впрыска материала из сопла инжекционнного цилиндра в полость закрытой
формы выдержки под давлением возвращения червяка или поршня и
инжекционнного механизма в исходное положение охлаждения в форме
размыкания формы и удаления из нее изделий.
Значительная часть термопластичных полимеров перерабатывается в
изделия методом экструзии с использованием экструзионных машин (червячных
прессов) различных типов. При переработке гранулированных или
порошкообразных термопластов экструдеры предназначаются для непрерывной
пластикации и гомогенизации полимера получения однородного расплава
перемешивания его и выдавливания через формующие головки в виде
спрофилированного изделия. С помощью экструдеров производится нанесение
тонкослойных покрытий на бумагу ткани картон нанесение изоляции на
провода и кабели. Экструдеры применяются и для дегазации окрашивания
обезвоживания смешения пластикации термопластов реактопластов и
Непрерывность и высокая производительность процесса экструзии создают
возможность максимальной автоматизации и поэтому червячные экструдеры - это
один из наиболее распространенных и перспективных видов оборудования для
переработки полимерных материалов.
Основные особенности экструзионной машины на примере одночервячного
экструдера представлены на рис.3.
Рис.3. Одночервячный экструдер (а) и червяк (б): 1 - двигатель 2 - канал
для охлаждения зоны бункера 3 - канал для выхода расплава в
профилирующую головку 4 - нагреватели цилиндра 5 - цилиндр 6 - червяк
- загрузочная камера 8 - бункер 9 - упорный подшипник 10 -
редуктор; зоны червяка: I - питания II - плавления III - дозирования.
D - диаметр L - длина h1 h3 - глубина винтового канала e
- ширина гребня витка t - шаг нарезки
Установка состоит из червяка вращающегося внутри обогреваемого
цилиндрического корпуса на конце которого устанавливается головка с
профилирующим инструментом. Между червяком и головкой располагается решетка
с пакетом фильтрующих сеток. Материал поступает в загрузочное отверстие
где захватывается червяком и продвигаясь по каналу червяка разогревается
за счет тепла выделяющегося вследствие вязкого трения и тепла подводимого
от расположенных на корпусе нагревателей. В процессе уплотнения из
материала удаляется захваченный вместе с гранулами воздух и удельный объем
композиции уменьшается. Для компенсации уменьшения удельного объема
композиции канал червяка выполняют с уменьшающимся объемом витка (шнек с
переменным шагом нарезки или шнек с переменной глубиной нарезки).
Одной из наиболее важных характеристик пресса является отношение длины
червяка к диаметру которое равно отношению длины червяка от края
загрузочного отверстия на наружный диаметр червяка (LD).
Соответственно характеру процессов протекающих на каждом участке
червяка его можно разделить по длине на три основные зоны: I - питания II
- плавления III - дозирования (рис.3б).
Зона питания - участок в котором материал находится в твердом
состоянии. Зона плавления - участок в котором почти полностью происходит
плавление материала. Дозирующая зона - участок в котором материал
находится в вязкотекучем состоянии.
Червячные экструдеры классифицируются по ряду признаков и разделяются
следующим образом: одночервячные и многочервячные; одностадийные и
многостадийные; одноцилиндровые и многоцилиндровые; с простым профилем
червяка или со сложным.
По величине скорости вращения червяка различаются нормальные (до 150
обмин.) и скоростные (свыше 150 обмин.). На большинстве экструдеров
червяки неподвижны в осевом направлении однако на некоторых машинах кроме
вращательного движения червяк осуществляет возвратно-поступательное
В зависимости от конструктивного исполнения различаются экструдеры
горизонтальные и вертикальные стационарные и вращающиеся.
Одночервячные экструдеры применяют главным образом при получении
труб пленок листов. Многочервячные экструдеры используют прежде всего в
грануляционных установках.
В соответствии с многообразием изделий имеются различные типы
формующих головок: прутковые (гранулирующие) профильные трубные
кабельные плоскощелевые (листовые ленточные) пленочные (кольцевые и
плоскощелевые). По конструкционным признакам головки делятся на прямоточные
и поперечные (угловые и др.).
Термоформование - метод получения изделий или полуфабрикатов из
листовых или пленочных материалов при повышенных температурах в ре-
зультате высокоэластических деформаций.
К достоинствам термоформования относятся: возможность изго-товления
крупногабаритных изделий; достаточно высокая произво-дительность и
экономичность. Основной недостаток термоформования – наличие определенного
температурного интервала стабильности размеров и формы изделий (ниже
температуры стеклования) что обусловлено неравномерным характером
реализуемых при термоформовании деформаций.
Разновидностями термоформования являются: вакуумформование и
Вакуумформование производится под действием силы возникающей из-за
разности между атмосферными давлениями воздуха и разряжением создаваемым
внутри полости формы.
При вакуумоформовании наиболее четко оформляется поверхность
соприкасающаяся с формой. Поэтому при повышенных требованиях к внутренней
поверхности изделия выбирают выпуклую форму - пуансон (позитивный метод) а
при повышенных требованиях к внешней поверхности используют вогнутую форму-
матрицу (негативный метод).
Для формовании изделия из толстых листов часто комбинируют создание
вакуума с механическим формованием и использованием сжатого воздуха.
Схема вакуумоформования без предварительной и с предварительной
вытяжкой представлены на рис.4 и 5.
Рис.4. Схемы вакуумформования без предварительной вытяжки: а - в
матрице (негативное); б - на пуансоне (позитивное); 1 - нагреватель; 2 -
лист; 3 - прижимная рама; 4 - вакуумная камера; 5 – форма
Рис.5. Схемы вакуумформования с предварительной вытяжкой пуансоном: а -
нагревание; б - предварительная вытяжка листа; в - формование; 1 -
нагреватель; 2 - лист;
- прижимная рама; 4 - пуансон; 5 - подвижный стол
Пневмоформование проводится под действием подогретого и сжатого
воздуха в результате чего лист оформляется в изделие. Для разогрева
заготовок применяют теплорадиационные нагреватели (стационарные или
Основными методами пневмоформования являются: негативное позитивное и
При негативном формовании (рис.6) заготовку 5 закрепляют в зажимной раме 2
и нагревают. Затем под заготовкой устанавливают пневмокамеру 4 создают
избыточное давление под действием которого лист принимает форму изделия и
проводят охлаждени. Негативное формование позволяет получать изделия
наружная поверхность которых воспроизводит форму размер и рисунок
внутренней поверхности матрицы.
Рис. 6. Схема негативного формования ; а - нагрев; б - формование
(вытяжка); в - выталкивание; 1 - матрица; 2 - зажимная рама; 3 -
нагреватель; 4 - пневмокамера; 5 - заготовка; 6 - каналы для воздуха
При позитивном формовании вместо матрицы в формовочную камеру устанавливают
выпуклый оформляющий пуансон форма размер и рисунок воспроизводится на
внутренней поверхности изделия.
При свободном формовании заготовка предварительно нагретая и
укрепленная над проймой (зажимной рамой имеющей специальную прорезь)
формуется не входя в контакт ни с оформляющим инструментом ни с
пневмокамерой. При достижении необходимой глубины вытяжки листа давление
воздуха уменьшают и поддерживают постоянным до полного охлаждения изделия.
Свободное формование применяют как правело для получения изделий с
высокими оптическими свойствами.
В чем заключается суть процесса переработки полимерных материалов?
По каким организационно-технологическим приз-накам классифи-цируются
процессы переработки?
Основные виды прессования.
Достоинства и недостатки компрессионного прессования.
Достоинства и недостатки литьевого прессования.
Принцип действия поршневой литьевой машины.
Принцип работы экструзионной машины.
На какие зоны можно разделить червяк по характеру процессов
Достоинства и недостатки процесса термоформования.
Разновидности термоформования.
МЕТОДЫ ФОРМОВАНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ
АРМИРОВАННЫХ ПЛАСТИКОВ
Формование изделий из армированных пластиков имеет особенности
связанные с наличием в их составе армирующих наполнителей совмещение
которых со связующими может осуществляться как в процессе формования
изделий так и предварительно причем самому наполнителю форму будущего
изделия можно придавать до совмещения со связующим.
Основные технологические процессы формования делятся на методы
открытого и закрытого формования.
При открытом формовании одна из поверхностей изделия оформляется в
контакте с жесткой поверхностью формы другая поверхность обычно остается
свободной или формуется с помощью резиновой диафрагмы или других гибких
элементов. К открытым способам относятся контактное формование напыление
намотка и ряд других методов.
При использовании методов закрытого формования обе поверхности изделия
формуются жесткими элементами формы таким образом что толщина стенки
изделия может быть выдержана с высокой точностью. К таким способам
относятся прессование пропитка наполнителей в замкнутой форме и др.
Формование изделий контактным формованием
Контактное формование (рис.7а) осуществляют на негативных и
позитивных формах с ручной выкладкой рулонного армирующего наполнителя по
поверхности формы 1 с одновременной пропиткой его связующим с помощью
кистей или распылительного пистолета. Пропитанный материал 2 прикатывается
рифленым валком 3 для удаления пузырьков воздуха и уплотнения материала.
После уплотнения изделие 4 может покрываться пленкой и дополнительно
прикатываться гладким валком для разглаживания неровностей и удаления
Рис.7 Схемы получения изделий методами:
а) контактного формования; б) напыления
Недостатком метода контактного формования является относительно
большое колебание содержания связующего в получаемых изделиях что
объясняется непостоянным усилием которое оказывает оператор на
прикатывающий валок. Применение валков с пневматической передачей давления
позволяет улучшить качество изделий а при использовании обогреваемых
валков - регулировать вязкость связующего и уменьшать время отверждения.
Одним из способов ускорения процесса контактного формования является
укладка на форму предварительно пропитанной ткани. Пропитку выполняют на
пропиточных машинах или специальных устройствах состоящих из системы
тянущих отжимных и направляющих валков и пропиточной ванны.
Более совершенным методом контактного формования является симплекс -
процесс сущность которого заключается в том что пропитка уложенного
холста или ткани происходит одновременно с уплотнением формуемого изделия.
Связующее подается по шлангу непосредственно в прикатывающие рифленые
Сущность метода напыления (рис.7.б) заключается в одновременном
нанесении на поверхность формы рубленного волокна и связывающего.
Cтекложгут 5 проходит режущее устройство 3 и напыляется на поверхность
формы 1. В эту же зону формы распылительным устройством 4 подается
связующее. После нанесения слоя заданной толщины композиция 2 уточняется на
поверхности формы прикатывающими валиками.
Отверждение изделий при повышенной температуре может осуществляться с
помощью инфракрасных нагревателей или горячего воздуха.
Формование изделий под давлением
При формовании под давлением дополнительное уплотнение изделий
проводится путем опрессовки эластичной диафрагмой которая прижимается к
свободной поверхности изделия с помощью вакуума или давления. Диафрагму
обычно выполняют из резины в виде листов или мешков близких по форме
При уплотнении сжатым воздухом формуемое изделие 2 (рис.8а) на форме
покрывают пленкой 3 в качестве разделительного покрытия. Плиту 5 с
закрепленной диафрагмой 4 болтами 6 соединяют с формой. При подаче через
отверстие в плите сжатого воздуха диафрагма обжимает свободную поверхность
При уплотнении под вакуумом (рис.8б) диафрагму 4 струбцинами 5
герметично закрепляют по периметру формы 1. На формуемое изделие 2
устанавливают дренажный слой 3 и по канавке через ловушку 6 из полости
формы откачивают воздух. При этом диафрагма обжимает поверхность изделия
уплотняя его. Избыток связывающего собирается в ловушке.
Вакуумирование облегчает удаление из композиции воздуха а также
летучих составляющих. Наличие дренажного слоя способствует удалению летучих
компонентов всей поверхности изделия.
Максимальное давление при уплотнении под вакуумом не превышает 8
МПа при уплотнении под давлением 50 МПа а при использовании автоклава
давление может достигать 250 МПа.
Рис.8.Схема формования изделий с помощью эластичной диафрагмы:
а) под давлением ; б) под вакуумом
Формование изделий с помощью эластичной диафрагмы осуществляют обычно
на специальных прессах верхняя плита которых выполнена в виде полого
короба к которой крепится диафрагма. Нижнюю плиту пресса выполняют
перфорированием (для удаления воздуха из пространства между изделием и
диафрагмой). Нагревательные элементы устанавливают обычно в верхнем коробе.
Под нижним столом пресса расположены вакуум-насос компрессор и системы
Формование изделий прессованием и пропиткой в
Методы прессования и пропитки наполнителя в замкнутой форме относится
к закрытым методам формования и позволяют с высокой точностью фиксировать
толщину стенки изделия а также обеспечивают получение высококачественной
поверхности изделия.
При прессовании (рис.9а) на пуансон 2 укрепленный на неподвижной
плите 1 пресса укладывают необходимое число слоев наполнителя 3. Связующее
под давлением матрицы 5 укрепленной на подвижной плите 6 пресса
распределяется по всей полости формы пропитывая наполнитель.
Метод пропитки наполнителя в замкнутой форме (рис.14б) состоит в том
что непропитанный сухой наполнитель 2 выкладывают послойно на пуансоне 1.
После этого пуансон 1 и матрица 3 смыкаются сжимая наполнитель до
окончательных размеров изделия. Герметичность полости формы достигается
установкой уплотняющего кольца 4. Благодаря разрежению создаваемому в
полости формы связующее засасывается из бака 5 и пропитывает наполнитель.
Метод используется при формовании различных оболочек емкостей и других
изделий для которых требуется высокое качество.
Рис.9. Схемы формования изделий: а) прессованием; б) пропитка
Формование изделий намоткой
Метод намотки наиболее современный и перспективный метод формования
изделий из армированных пластиков так как позволяет создавать
ориентируемую структуру наполнителя в изделиях с учетом их формы и
особенностей эксплуатации. Высокая прочность изделий полученных намоткой
достигается за счет ориентированной укладки наполнителя и как следствие
этого реализуются высокие прочностные свойства наполнителя в изделии.
Детали изготавливаемые методом намотки как правило должны иметь
форму тел вращения. В сочетании с другими приемами этим методом можно
получать детали не имеющие форму тел вращения например детали коробчатой
формы пластины и плиты заготовки рабочих и статорных лопаток и даже
Наибольшее применение метод намотки нашел в ракетной технике
и авиации для формирования корпусов ракет и ракетных двигателей а также
элементов фюзеляжей самолетов и вертолетов.
Детали формуют с помощью технологической системы состоящей из
намоточного станка технологической справки для формирования детали
приспособления для раскладки материала материала из длинномерных
армирующих волокон и полимерного связующего.
Давление формования создается за счет технологического натяжения
наматываемого материала.
Оборудование для намотки можно разделить на две группы: машины
периодического действия которые предназначены в основном для формования
оболочек самых различных форм и машины непрерывного действия для
Наиболее просты по устройству станки (рис.10а) с вращающейся оправкой
и возвратно-поступательно движущимся раскладчиком 2 с которого
наполнитель подается на оправку.
Рис.10. Типы намотанных станков: а) с возвратно-поступательным движением
раскладчика; б) с вращением раскладчика; в) с неподвижным раскладчиком и
вращающийся в двух плоскостях оправкой.
В станках планетарного типа (рис.10б) раскладчик вращается в
плоскости составляющей небольшой угол с осью оправки. На таких установках
оправки вращаются в основном с малыми скоростями. Наконец станки третьей
группы применяемые для формования небольших изделий имеют оправку
вращающуюся в двух плоскостях (рис.10в). В этом случае раскладчик
Формование деталей методом намотки обладает рядом преимуществ перед
другими методами: высокий коэффициент использования прочности и жесткости
армирующих волокон возможность механизации и автоматизации пресса хорошая
воспроизводимость свойств деталей.
В зависимости от способа нанесения полимерного связующего на
армирующий наполнитель различаются два основных способа намотки: «мокрый»
(жидкофазный) и «сухой» (твердофазный) способы.
«Мокрый» метод позволяет совместить операцию приготовления
композиционных материалов с техпроцессом изготовления изделия. По этому
способу непрерывный волокнистый наполнитель поступает в ванну с жидким
связующим пропитывается им а потом укладывается на оправку по заданной
программе. Достоинством метода является большая степень достигаемой
анизотропии. Ограничение - скорость намотки определяется скоростью
пропитки а недостатком является неоднородность распределения наполнителя и
связующего по толщине изделия (3-4%).
«Сухой» метод предполагает намотку заранее пропитанного связующим
армирующего наполнителя (препрега). Этот метод более прогрессивен и
Достоинствами метода являются более однородное распределение
связующего и наполнителя по толщине (1%) возможность применения больших
скоростей намотки возможность использования связующих с высокой вязкостью.
Недостатки - повреждение волокон на промежуточных операциях приготовления
препрега и ограниченная длина лент препрега.
В зависимости от структуры наматываемого слоя армирующего наполнителя
различают два основных способа намотки: способ поперечной (кольцевой)
намотки и способ спиральной намотки.
Поперечная намотка характеризуется укладкой армирующего наполнителя
характеризуется укладкой армирующего наполнителя вокруг оправки с шагом
смещения вдоль оси на каждый оборот не свыше ширины наматываемой пряди.
Кольцевая намотка является наиболее простым методом и не требует сложного
оборудования. Пропитанные нити в виде одинарной пряди или множества прядей
накладывают на оправку под углом 90( к оси вращения оправки. Кольцевая
намотка применяется для усиления тонкостенных металлических труб или
баллонов в тангенциальном направлении. Изделия имеют высокую прочность в
тангенциальном (окружном) направлении и низкую в осевом.
Как правило шаг намотки многократно превышает ширину пряди.
Необходимое соотношение прочности изделия в осевом и окружном направлениях
обеспечивается назначением соответствующего угла намотки. Способ позволяет
изготавливать изделия типа труб цилиндров с овальными днищами шаровых
оболочек конусов торов.
Формование и отверждение а иногда и механическая доработка изделий
выполняются на оправках Оправки должны удовлетворять конструкторско-
технологическим требованиям: точность размеров изделий прочность оправки
механическая извлекаемость изделия возможность установки нагревателя в
Оправки многократного использования делаются из стали или сплавов
алюминия. Для большинства изделий конструкция оправки разборная. Для
фасонных изделий и оболочек крупных размеров экономически оправданным
бывает изготовление оправок однократного использования из гипса алебастра
солей легкоплавких сплавов. Единственно возможным условием изготовления
ряда изделий замкнутого контура является использование расплавляемой или
растворяемой внутри него оправки. В некоторых случаях оправка не
извлекается и образует совместно с намотанным материалом единое изделие.
Перечислить основные технологические процессы формования изделий из
армированных материалов.
Методы открытого и закрытого формования их достоинства и недостатки.
Перечислить способы контактного формования.
Недостатки метода контактного формования.
В чем суть симплекс – процесса метода контактного формования?
В чем заключается сущность метода напыления? Преимущества и недостат-ки
Разновидности станков для намотки их назначение.
Суть процесса формования изделий прессованием и пропиткой в замкнутой
На какие виды делятся методы намотки?
В чем особенность «мокрого» (жидкофазного) и «сухого» (твердофазного)
СВАРКА ПЛАСТИЧЕСКИХ МАСС
Сварка нагретым газом
При сварке нагретым газом соединяемые поверхности нагревают струей
разогретого газа и приводят в контакт с нагретой той же струей присадочным
материалом или друг с другом (рис.11).
Сваркой с применением присадочного материала соединяют детали из
поливинилхлорида полиолефинов полиметилмета-крилата полистирола
Рис.11. Схема сварки нагретым газом: А) с прокаткой присадочного
прутка роликом : I-присадочный пруток; 2-прижимной ролик; 3-сопло; 4 -
сварной шов; 5- соединяемые детали а-направление сварки б - направление
манипулирования сварочной горелки;
Б) с применением присадочного материала: - свариваемые детали; 2-
струя нагретого газа; 3- - наконечник нагревателя; 4 -присадочный пруток;
- сварной шов; а - направление сварки.
В присадочный материал в виде прутка прямоугольного или
треугольного сечения из того же полимера что и в свариваемых деталях
может быть добавлен пластификатор (3-10% от массы композиции).
Непластифицированный материал предпочтителен при изготовлении изделий
работающих в агрессивных средах и при повышенных температурах.
При ручной сварке рабочий способ сварки очень трудоемок и не
позволяет получать сварные швы высокого качества. Необходимо отметить что
вручную трудно обеспечить равномерную подачу присадочного материала и
равномерно прогреть свариваемые поверхности. При этом способе сварки
наблюдается большой разброс показателей прочности по длине свариваемого
шва. Прочность сварного шва и его качество зависят от квалификации
В процессе механизированной сварки сварщик перемещает установку.
Подача присадочного материала и давление связаны с движением ведущего
ролика вдоль шва. Вся установка помещена на тележке на которой по
направляющим с помощью винта перемещается груз соединенный с присадочным
прутком. Размягченный в месте сварки пруток под действием груза ложится в
разделку шва. Направление перемещения тележки обеспечивается передним
колесом тележки два задних колеса катятся по поверхности свариваемого
изделия. Скорость сварки поддерживается автоматически.
Газом-теплоносителем чаще всего служит воздух. При сварке
термопластов которые подвержены сильной термоокислительной деструкции в
качестве теплоносителя применяют главным образом азот. Температура газа на
выходе из сопла сварочного аппарата должна быть на 50 - 100°С выше чем Тт
полимера так как на участке между соплом и свариваемой поверхностью
Рис.12. Схема сварки нагретым газом с применением прикаточного
- свариваемый материал; 2- присадочный материал в виде ленты; 3-
наконечник нагревателя; 4- прижимной ролик; 5- сварной шов; а- направление
сварки (пунктирными линиями показана подача нагретого газа)
охлаждается. Давление газа составляет 35-100 кНм² (035 - 10 кгссм²).
Для мягких присадочных прутков не выдерживающих осевого давления
применяют прикаточные ролики (рис.12): усилие прижима оказываемого рукой
должно составить от 10 до З0Н (1-3 кгс).
Скорость укладки прутка (обычно 01-02 ммин) зависящая от
температуры газа с увеличением диаметра прутка уменьшается однако общая
скорость заполнения шва (скорость сварки) при этом возрастает.
У метода сварки нагретым газом есть свои недостатки: низкая
производительность высокая стоимость работ сложность поддержа-ния
постоянных режимов сварки.
Сварка нагретым инструментом
Соединяемые детали нагреваются в результате контакта с металлическими
брусками пластинами дисками или с другим инструментом. Нагретые детали
спрессовывают а затем охлаждают. Инструментом может быть нагрета внешняя
поверх-ность деталей или сами соединяемые поверхности. В первом слу-чае
различают контактнотепловую сварку прессованием (детали нагревают и
спрессовывают одновременно) и термоим-пульсную сварку.
При контактно-тепловой сварке прессованием используют постоянно
нагретый инструмент с большой теплоемкостью. Детали нагревают с одной или
двух сторон (двусторонний нагрев облегчает процесс сварки). Необходимая
температура в месте сварки толстостенных деталей устанавливается лишь
спустя некоторое время после их соприкосновения с инструментом.
Длительность разогрева материала в месте соединения уменьшается до
нескольких минут при использовании инструмента нагретого на 20-50°С т.е.
выше температуры текучести полимера (в зависимости от толщины детали).
Необходимо отметить что при этом повышается опасность термодеструкции
полимера. Перегрев поверхности нежелателен также и потому что инструмент
оказывая давление на размягченный материал деформирует его в зоне шва.
Деформирование уменьшают применяя ограничители хода инструмента или
распределяя давление на зону ширина которой превышает ширину зоны шва.
Чтобы исключить прилипание пластических масс к инструменту следует
применять разделительные прокладки из фторопласта-4 полиимида целлофана.
Этим способом сваривают фторопласта-4 полиметилметакрилат
полистирол полиамиды поливинилхлорид полиимиды.
Для термоимпульсной сварки используют малоинерционный нагреватель
(ленту или проволоку) через который периодически пропускают электрический
ток. При его отключении сварной шов быстро охлаждается. Наиболее
распространенная схема термоимпульсной сварки (рис.13) применяется для
соединения пленок главным образом полиолефиновых толщиной 20-250 мкм.
Рис.13. Схема термоимпульсной сварки пленок: 1-пленка; 2-
нагреватель; 3-теплоизоляция; 4 - антиадгезион-ный слой стеклоткани или
фторопласта-4; 5- подвижная губка; 6- эластичная подложка; 7- неподвижная
губка; 8- сварной шов; Р- давление прижима (стрелками показано перемещение
Сварку можно проводить внахлест или в торец; нахлесточные швы имеют
более высокую прочность при растяжении.
При проплавлении свариваемого пакета по всей его толщине (например
нагревателем в виде проволоки) можно одновременно получить два торцевых
шва и разделить изделия или отделить припуск материала. Ускорить
охлаждение сварного шва в этом случае можно с помощью сжатого воздуха. В
зависимости от типа материала и его толщины длительность нагрева
составляет от десятых долей секунд до нескольких секунд давление- от 10
(01 кгссм²) до 02-03 МНм² (2-3 кгссм²). Швы длиной более 10 -15 м
могут быть получены при шаговом перемещении материала относительно
При сварке способом нагрева инструментом соединяемых поверхностей
соединение может быть получено в результате одновременного нагрева всей
поверхности шва или последовательного нагрева ее отдельных участков (так
называемая непрерывная схема).
Первый способ наиболее широко применяют при стыковке труб плит
профилей и других полуфабрикатов из жестких термопластов.
После того как температура поверхности термопласта достигнет Тт
инструмент удаляют и соединяемые поверхности приводят в контакт. Сварной
шов охлаждают под давлением. По непрерывной схеме соединяют встык или
внахлест мягкие материалы типа эластичного пенополиуретана а также
различные пленки (рис 14)
Рис. 14. Схема непрерывной сварка пленок внахлест при нагреве
инструментом соединяемых поверхностей: 1 - свариваемые пленки; 2-
нагреватель; 5- прижимной ролик; 4- транспортирующий ролик; 5 - сварной
шов; а - направление сварки; Р- давление
В некоторых случаях нагревательные элементы помещают между
соединяемыми поверхностями нагревают их и оставляют в сварном шве. Если
нагрев ведут электрическим током то в качестве нагревателя применяют
спираль из металла с высоким электрическим сопротивлением. Наиболее
детально этот способ разработан для соединения труб с фитингами (рис. 15).
Рис. 15. Схемы сварки оплавлением: а- встык; б- втавр; е-
вварказаплаты; г -приварка накладки; 12- свариваемые материалы; 3-
При нагреве электромагнитным высокочастотным полем используют кроме
металлических вкладышей тонкоизмельченную окись железа которую наносят
на соединяемые поверхности или вводят в поверхностные слои детали.
Сварка нагретым присадочным материалом
Этот способ также называют сваркой экструдируемой присадкой потому
что для сварки используют поступающий из экструдера присадочный материал
(экструдат) в термопластичном состоянии. Сущность сварки термопластов
состоит в том что расплавленный материал выходящий из экструдера или
другого устройства непрерывно плавно под определенным давлением подается
в разделку (зазор) между соединяемыми поверхностями нагревает их до
температуры сварки и сплавляясь с ним образует сварной шов.
Этот метод высоко производителен обладает широкими технологическими
возможностями и позволяет получать высококачественные сварные соединения.
Способ сварки при котором расплавленный присадочный материал
непрерывно поступает в зону соединения из мундштука экструдера который
находится на некотором расстоянии от поверхности свариваемого изделия
(рис. 16 а) называют бесконтактной экструзионной сваркой или просто
экструзионной. Для обеспечения плотного контакта присадочного материала с
соединяемыми поверхностями применяют специальные прижимные устройства.
Наиболее широкое применение в практике сварки как листовых так и
пленочных термопластов нашла контактно-экструзионная сварка (рис. 16б)
При этом способе разогретый мундштук экструдера имеющего форму разделки
кромок вводят в разделку шва до контакта с кромками и перемещают по стыку
под углом 10-15° к вертикали одновременно заполняя разделку
расплавленной присадкой. Такой способ позволяет максимально снизить потери
теплоты в окружающую среду и дополнительно обеспечить нагрев кромок шва за
счет теплопередачи от мундштука экструдера температура которого близка к
температуре выходящего из него расплава.
Рис. 16. Схемы бесконтактной (а) и контактно-экструзионной (б)
сварки расплавом: 1- экструдер 2- мундштук экструдера; 3- свариваемые
детали; 4— прикатывающий ролик
Для сварки пленок применяется метод при котором сварка
производится непрерывной подачей в зазор между соединяемыми поверхностями
пленок расплава который вместе с пленками проходит между обжимными
роликами. Скорость сварки пленок зависит от производительности экструдера
и их толщины и может изменяться от 05 до 3 мс.
Разновидностью способов сварки пластмасс экструдируемой присадкой
является сварка литьем под давлением. При этом способе расплав подается в
золу соединения из литьевой машины периодически. Сварку осуществляют в
специальной форме которая имеет каналы расположенные по линии разъема.
По этим каналам продавливается расплав который передавая часть теплоты
кромкам деталей расплавляет и соединяет их по линии разъема. Таким
способом соединяют заранее отштампованные детали. Данный способ обладает
высокой производительностью; его применяют при сварке изделий в
труднодоступных местах по поверхностям сложной конфигурации когда сварка
другими способами невозможна.
Соединяемые поверхности материала перед нагревом их мундштуком
экструдера можно предварительно подогреть горячим газом. Способ сварки по
этой схеме назван контактно-экструзионной сваркой с предварительным
Наиболее важными технологическими параметрами экструзионной сварки
являются температура присадочного материала сварочное давление и скорость
Температура присадочного материала при которой обеспечивается
максимальная прочность соединения зависит от величины сварочного
давления. При малых давлениях (015-02 МПа) высокая прочность достигается
при более высоких- температурах присадочного материала. Однако для каждого
термопласта характерен определенный интервал температур обеспечивающих
максимальную прочность сварного соединения: для ПВД 210- 280°С для ПНД-
0-280°С для ПП-250 - 280°С.
Характерной особенностью процесса экструзионной сварки является то
что оптимальные режимы сварки не зависят от толщины свариваемого материала
и с изменением ее от 2 до 30 мм практически остаются постоянными в том
числе и скорость сварки если производительность применяемого оборудования
обеспечивает такую возможность.
Относительная прочность сварных соединений полученных
экструзионной сваркой составляет 90-100% прочности свариваемого материала
и несколько выше чем в других известных способах сварки.
Технологический процесс контактно-экструзионной сварки
характеризуется меньшим числом параметров чем экструзионная сварка
однако основными технологическими параметрами этого способа сварки
остаются также температура присадочного материала - Тм сварочное давление
-Рсв и скорость сварки- св. При этом способе сварки соединения с
максимальной прочностью могут быть получены в широком интервале
температур: для ПВД 180 - 270°С для ПНД 200 - 270°С для ПП 210 - 270ºС.
По производительности процесса и прочности сварных соединений
контактно-экструзионная сварка практически не отличается от экструзионной
и сварные соединения полученные при оптимальных режимах имеют прочность
-100% прочности основного материала. Однако контактно-экструзионный
способ сварки обеспечивает более стабильное качество сварных соединений
при прочих равных условиях.
Ультразвуковая сварка
Способ ультразвуковой сварки заключается в том что электрические
колебания ультразвуковой частоты (порядка 20- 50 кГц) вырабатываемые
генератором преобразуются в механические продольные колебания
преобразователем и вводятся в свариваемый материал.
При сварке пластмасс в отличие от металлов статическое (Рст) и
динамическое (Р) усилия совпадают. Амплитуда колебаний (А) зависит от
длины и материала волновода.
Сварка пластмасс излучением основана на способности пластмасс
поглощать лучистую энергию и нагреваться за счет этого. В результате
поверхностные слои деталей из термопластов переходят в вязкотекучее
состояние и после приложения необходимого давления свариваются. В
соответствии с видом источника энергии и характера генерируемого им
излучения различают следующие способы сварки: светом видимого диапазона и
инфракрасным излучением (ИК) (рис.17).
Рис.17. Сварка ИК-излучением на жесткой подложке с созданием давления
путем растяже-ния свариваемых матералов (а) к за счет упругой подложки
(б): А- ИК-луч; В- направление натяжения; Р— явление прижима: 1— губки
ограничителей зоны облучения; 2- нагреватель 3~ свариваемые пленки; 4-
сварной шов; 5- подложка
Процесс нагрева ИК-излучением легко регулируется в широком диапазоне
при изменении мощности лучистого потока (температуры нагрева излучателя) и
расстояния до облучаемых деталей.
Сварка пластмасс трением
Сварка пластмасс трением основана на нагреве соединяемых поверхностей
за счет превращения механической энергии трения в теплоту. Так как
пластмассы обладают низкой теплопроводностью от зоны контакта деталей
подвергающихся трению отводится незначительное количество тепла и поэтому
их нагрев происходит быстро.
За счет выделяющейся при трении теплоты пластмасса переходит в
вязкотекучее состояние и под воздействием прикладываемого при этом усилия
часть расплава вытекает в процессе трения (оплавления) свариваемых
деталей. При создании в стыке необходимого количества расплава процесс
трения прекращается и детали сжимаются (осаживание); в результате
получается неразъемное соединение (рис. 18).
Рис.18. Схема сварки трением с использованием вращения одной детали
(а) обоих деталей (б) и вставки (а): 1 - вращающаяся деталь; 2 ~
неподвижная деталь; 3 -сварной шов; А – вставка
Сварка нагретым газом. Виды сварки.
Сварка нагретым инструментом. Достоинства и недостатки.
Сварка нагретым присадочным материалом. Особенности применения.
Ультразвуковая сварка.
На чем основана сварка пластмасс излучением?
Особенности сварки пластмасс трением.

Лекция №2.doc

Автоматическая сварка под слоем флюса.
Расчеты режимов автоматической сварки под слоем флюса.
Оборудование для автоматической сварки под слоем флюса
Дуговая сварка в защитном газе.
Дуговая сварка неплавящимся электродом.
Дуговая сварка плавящимся электродом.
Сварка под слоем флюса это способ дуговой сварки где дуга горит под
слоем сварочного флюса обеспечивающего защиту сварочной ванны.
По степени механизации различают автоматическую и механизированную
сварку под флюсом. Наибольшее применение нашла автоматическая сварка.
Автоматическая сварка под флюсом применяется для сварки длинномерных
конструкций с прямолинейными швами из черных и цветных сплавов с толщиной
элементов от 15 до 160 мм для всех типов сварных соединений.
Достоинствами данного способа являются: высокое качество шва высокая
производительность в 10-15 раз выше чем при РДС минимальные потери
электродного металла при РДС они достигают 20-30% при автоматической
сварке под флюсом 2-5% высокая степень автоматизации отсутствие вредных
факторов влияющих на здоровье сварщика экономия электроэнергии.
К недостаткам можно отнести ограниченную маневренность сварочных
автоматов производить сварку можно только в нижнем положении
невозможность наблюдения за процессом сварки.
Автоматическая сварка под слоем флюса также как и ручная сварка
металлическим электродом осуществляется за счет использования тепла дуги.
Существенное ее отличие состоит в том что дуга горит под слоем сыпучего
(жидкого) флюса между свариваемым изделием и непокрытой электродной
проволокой которая по мере плавления подается в зону дуги специальной
сварочной головкой. Схема процесса представлена на рис. 1.
Сварочная головка с электродом движется по направлению шва.
Электромагнитное поле дуги в сочетании с газами и парами возникающими при
сварке оттесняет жидкий металл в сторону противоположную направлению
сварки. Кристаллизация металла шва осуществляется под слоем расплавленного
Электрический ток к изделию и электродной проволоке подается от
сварочного трансформатора или генератора. Токоподвод к проволоке
осуществляется через скользящий контакт вблизи места горения дуги. Это
уменьшает нагрев проволоки джоулевым теплом и создает возможность
применения высокой плотности тока без перегрева электродной проволоки.
Увеличение тока и лучшее использование тепла дуги горящей под слоем флюса
ведет к ускорению процесса расплавления электродной проволоки к увеличению
глубины проплавления свариваемого металла и повышению производительности.
В качестве электродного материала при сварке под слоем флюса
используется холоднотянутая проволока химический состав которой выбирается
в зависимости от химического состава свариваемого металла. Для сварки
низкоуглероднстых конструкционных сталей обычно применяется проволока СВ-
А. СВ-08ГА. Для сварки легированных сталей используется проволока того же
химического состава что свариваемая сталь. Результаты сварки под флюсом в
значительной степени зависят от свойств и качества флюса. Флюс должен
обеспечивать хорошее формирование сварного шва при высокой
производительности сварки требуемый химический состав структуру и высокую
прочность наплавленного металла. В соответсвии с ГОСТ 9087-81 выпускается
марки плавленых флюсов применяемых для автоматической и
механизированной электродуговой сварки а также для электрошлаковой сварки
стали. Химический состав флюсов приведен в приложении табл. 1. Флюсы должны
изготовляться в виде однородных зерен (размер флюса от 025 до 4 мм).
Флюсы марок АН-348А АН-60 ФЦ-9 предназначены для сварки углеродистых
и низколегированных сталей.
Флюсы марок АН-15М АН-18 АН-20С для сварки легированных и
высоколегированных сталей. Флюсы АН-26С АН-26П применяются для сварки
нержавеющих коррозионностойких и жаропрочных сталей.
Перед сваркой флюсы должны прокаливаться для удаления влаги.
Температура прокалки и ее продолжительность зависят от марки флюса
например один из самых распространенных флюсов АН-348-А необходимо
прокаливать при температуре 300-400С – 1 час.
Типы сварных соединений и геометрические параметры швов выполненные
автоматической сваркой под флюсом регламентируются ГОСТом 8713-79. Согласно
ему существует несколько методов сварки под флюсом таких как: на весу на
флюсовой подушке на медной подкладке и др. рис. 16.
Расчеты режимов автоматической сварки
Режим автоматической сварки под флюсом определяется следующими
а) величиной родом и полярностью сварочного тока Iсв А;
б) диаметром электрода dэ мм и его маркой;
в) напряжением дуги и В;
г) скоростью сварки Vсв;
д) скоростью подачи электрода Vп;
е) расположением электрода относительно поверхности свариваемого
ж) маркой флюса размером гранул высотой засыпки флюса.
Исходными условиями для выбора режима автоматической сварки являются:
получение шва заданных геометрических размеров;
получение заданных температурных условий в зоне сварки.
Основными размерами шва (рис. 17) выполненных автоматической сваркой под
слоем флюса влияющими на качество и работоспособность.
сварного соединения являются глубина проплавления h ширина шва е
высота валика g.. Отношение е к h является коэффициентом формы
Для получения качественного шва необходимо учитывать влияние
параметров режима сварки на геометрию шва. Наиболее важной характеристикой
сварного шва является глубина проплавления.
Для односторонней сварки ее величина должна быть не менее 07 08 а
для двусторонней – не менее 06 толщины свариваемого металла. На глубину
проплавления оказывают влияние все основные параметры режима сварки.
Глубина проплавления прежде всего зависит от силы сварного тока
Iсв. С увеличением тока глубина проплавления возрастает а ширина шва
изменяется незначительно. Зависимость Iсв (h) имеет вид
Значения коэффициента к необходимые для расчета Iсв приведены в
Род тока Полярность Диаметр Значение к на 100A
наплавка кромок тавр
Переменный Прямая 5 11 15
Постоянный 5 10 125
На глубину проплавления оказывает заметное влияние также диаметр
электродной проволоки. С увеличением диаметра электрода при неизменной
величине тока уменьшается плотность тока и следовательно глубина
ления. Рекомендуемые диаметры электродов для различной величины тока
приведены в табл. 2.
Iсв А 190 250 250 600 350 800 450 800 625 1350
Увеличение напряжения сварки приводит к незначительному изменению
глубины проплавления к заметному увеличению ширины шва и как следствие к
увеличению коэффициента формы провара. Уменьшение напряжения сварки
приводит к уменьшению коэффициента проплавления. Выбор напряжения
осуществляется по графику показывающему зависимость между коэффициентом
формы провара и величиной напряжения дуги и (рис. 8). Область между
пунктирными линиями обеспечивает хорошее формирование шва. При значениях
пр = 25 50 имеет место наибольшая стойкость против образования
кристаллизационных трещин.
Влияние скорости сварки на глубину проплавления носит сложный
характер. Скорость сварки определяется по формуле
где αн – коэффициент наплавки гA·ч; γ – плотность металла гсм3; Fн –
площадь поперечного сечения направленного металла см2.
Скорость подачи электродной проволоки можно подсчитать исходя из
здесь Fэ – площадь поперечного сечения электрода см2.
Оборудование для автоматической сварки
Для осуществления автоматической сварки под слоем флюса требуется
целый комплекс механизмов и приспособлений составляющих автоматическую
установку для дуговой сварки: источник питания аппаратный ящик и
устройство производящее зажигание дуги подачу электродной проволоки и
обеспечивающее устойчивое горение дуги называется автоматической сварочной
головкой или трактором.
В зависимости от способа регулирования длины дуги paзличают два основных
а) автоматы с регулируемой скоростью подачи электродной проволоки;(АДФ-
10 АДФ-6020 АДФ-1202).
б) автоматы с постоянной скоростью подачи электродной проволоки: (АДФ-
02У3 АДФ-10030 и др.).
Дуговая сварка в защитном газе – это способ дуговой сварки при которой
дуга и расплавленный металл а в некоторых случаях и остывающий шов
находятся в защитном газе подаваемый в зону сварки с помощью специальных
устройств. С помощью дуговой сварки в защитных газах можно сваривать
широкий спектр материалов от низкоуглеродистых сталей до цветных сплавов с
толщиной от 05 до 120мм все типы сварных соединений в любых
пространственных положениях швы любой конфигурации. Дуговая сварка в
защитных газах может осуществляться в ручном механизированном и
автоматическом режимах.
Сварку в защитном газе отличают следующие преимущества:
- высокая производительность;
- узкая зона термического влияния;
- относительно малые деформации;
- универсальность способа;
- отсутствие необходимости зачистки сварных швов;
- высокое качество швов и степень механизации и автоматизации;
Недостатками этого способа являются:
- нестабильность газовой защиты при работе на открытом воздухе и как
следствие устройство кабин и защитных устройств.
- высокие требования к подготовке основных и сварочных материалов и
- высока стоимость защитных газов.
Типы сварных соединений полученных дуговой сваркой в защитных газах их
конструктивные элементы и размеры регламентируются ГОСТом 14771-76.
Дуговая сварка в защитном газе осуществляется неплавящимся или
плавящимся электродом.
Функции неплавящегося электрода – возбуждать и поддерживать дугу.
Функция плавящегося электрода – возбуждать поддерживать дугу и формировать
шов заполняя зазоры.
Сварка неплавящимся электродом всегда производится в инертных газах в
аргоне гелии или их смесях. Это один из основных методов сварки в
самолетовертолетостроении. Им сваривают тонколистовые конструкции из
алюминиевых и титановых сплавов такие как трубную обвязку баки элементы
обшивки. Сварка неплавящимся электродом может вестись с применением
присадочной проволоки и без нее. Сварка без присадочной проволоки
применяется для стыковых соединений с отбортовкой и стыковых соединений
без разделки кромок деталей толщиной от 05 до 4мм. Сварка неплавящимся
электродом с присадочной проволокой применяется для стыковых (S=08-6мм)
угловых (08-10мм) тавровых (08-400мм) и нахлесточных соединений (08-
В качестве неплавящегося электрода используются вольфрамовые и
угольные электроды. В настоящее время большое применение нашли вольфрамовые
притки с различными добавками – марок ЭВЛ с добавкой оксида лантана от 11-
% ЭВИ-1 ЭВИ-2 с добавкой оксида иттрия от 15 до 35%. Добавки
увеличивают стойкость электрода. Электроды выпускаются диаметром от 05 до
мм. Наибольшее применение нашли электроды диаметром 1 2 3мм. Меньшие
диаметры применяются при ручной сварке большие при автоматической. В
качестве защитных газов используют аргон высшего или I сорта. Аргон
бесцветный не ядовитый газ в 15 раза тяжелее воздуха с большинством
элементов не образует химических соединений и не растворим в жидких и
твердых металлах. Аргон на сварочные участки поставляется в баллонах серого
цвета в сжатом состоянии под давлением 15МПа. В аргоне сваривают
высоколегированные стали и легкие сплавы он используется чаще т.к. дешевле
Гелий одноатомный инертный газ легче воздуха следовательно его
расход в 3 раза больше аргона. Дуга в гелии имеет большую температуру чем
в аргоне поэтому его используют для сварки жаропрочных сплавов например
для сварки корпуса камеры сгорания. Гелий поставляется в баллонах
коричневого цвета в сжатом состоянии под давлением 15МПа трех марок А Б
Сварку неплавящимся электродом в инертных газах ведут на постоянном и
переменном токе. Большинство материалов сваривают на постоянном токе прямой
полярности т.к. дуга горит устойчиво. При обратной полярности устойчивость
процесса снижается вольфрамовый электрод перегревается что приводит к
необходимости снижать сварочный ток. В следствии этого производительность
Однако металлы имеющие на своей поверхности тугоплавкие окисные
пленки такие как Al2O3 варить на прямой полярности невозможно. Для них
применяется обратная полярность или используется переменный ток. При сварке
переменным током неплавящимся электродом необходимо чтобы источник тока
имел более высокое напряжение холостого хода. Это обеспечивает устойчивое
горение дуги и стабилизирует процесс сварки. Но в связи с ограничением
напряжения по условиям безопасности применяют ток допускаемого напряжения
на который накладывается ток высокой частоты включая в сварочную цепь
К параметрам режима дуговой сварки неплавящимся электродом относятся:
сварочный ток Iсв (А) напряжение дуги Uд (В) род и полярность тока
диаметр электрода dэ (мм) его марка марка и диаметр присадочной проволоки
dпр (мм) если она применяется род сорт и расход газа в горелку поддув
козырек g (лч). Для автоматической сварки – скорость сварки Vсв (мч) и
скорость подачи присадочной проволоки Vппр (мч). Так как сварка
неплавящимся электродом может быть в непрерывном и импульсном режиме (для
очень тонких материалов) то появляется время импульса им (с) и время паузы
п (с). Единой методики расчета параметров режима сварки для этого метода
нет. Все основные параметры выбирают из таблиц. По толщине кромок выбирают
dэ по нему Iсв и dпр затем расход газа и скорости.
Например: Рекомендуемые режимы ручной дуговой сварки неплавящимся
электродом в аргоне высоколегированной стали.
S мм Iсв А dпр мм dэ мм Gar лмин
Марку присадочной проволоки выбирают исходя из марки основного
материала. Для высоколегированной стали – холоднотянутую сварочную
проволоку по ГОСТ 2246-70 для цветных сплавов сварочную проволоку и прутки
Ручную дуговую сварку ведут на сварочных постах оснащенных источниками
питания осцилляторами газоэлектрической горелкой и газовой аппаратурой.
Для автоматической сварки используются специальные установки
оснащенные сварочными головками или подвесными сварочными головками. Такие
установки выпускаются для сварки продольных и кольцевых швов.
Сварка плавящимся электродом изделий из высоколегированных сталей и
цветных сплавах производится в инертных газах аргон и гелий а сварка
углеродистых и легированных сталей в активных таких как CO2 и смесях
(СО2+Ar Ar +СО2+О2).
Сварку плавящимся электродом используют для толщин от 05 до 120 мм
для всех типов сварных соединений и всех пространственных положений. Для
криволинейных швов используется механизированная сварка для прямолинейных
В качестве плавящегося электрода применяют голую сварочную проволоку в
сварочную ванну вращением роликов. Для сварки в активных газах используется
СО2 высшего и I сорта который подается на сварочный участок в баллонах
черного цвета в жидком состоянии под давлением 75 МПа СО2 – нетоксичен
невзрывоопасен в 15 раза тяжелее воздуха.
Параметрами режима сварки плавящимся электродом в защитных газах
являются: сила сварочного тока – Iсв А; напряжение на дуге – Uд В;
диаметр и марка электрода – dэ мм; род сорт и расход газа – g лч;
скорость подачи электрода – Vпэ мч; и скорость сварки – Vсв мч.
Режимы автоматической сварки стыковых соединений в инертных газах
S мм dэ мм в аргоне в гелии
Iсв А Vсв мчg лч Iсв А Vсв мчg лч
Сварка плавящимся электродом ведется на постоянном токе обратной
полярности. Марка электрода выбирается исходя из марки основного материала
а диаметр исходя из толщины и формы разделки кромок.
Расчет параметров режима сварки в углекислом газе.
) Для механизированной сварки используются электроды диаметром от 07
до 20мм для автоматической от 1 до 3мм.
dэ мм 05 08 1-12 12-16
) Вылет электрода – l мм.
l мм 6-8 8-13 8-15 12-20 15-
g лмин 5-6 6-8 8-10 12-16
Iсв = 100· dэ·(dэ-05)+50 (А);
) Uд = 8(dэ+16) (В);
) Vсв = αн · Iсв100 ·Fн ·γ (мч);
αн – коэффициент наплавки г · Ач.
Fн – площадь наплавленного металла см.
γ – плотность наплавленного металла гсм3
) Uпэ = 4 αн · Iсв · dэ2 · γ (мч).
При выборе марки сварочной проволоки следует учесть что углекислый
газ оказывает окислительное действие на сварочную ванну поэтому
рекомендуются проволоки с повышенным содержанием раскислителей (09Г2С).

Сварка труб полим.мат-лов.doc

Министерство образования и науки
Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Казанский национальный исследовательский технический
университет имени А.Н.Туполева – КАИ»
Э.Р. ГАЛИМОВ В.К. МАКСИМОВ А.В. ЧЕРНОГЛАЗОВА
Ю.И. СУДАРЕВ С.Ю. ЮРАСОВ М.М. ГАНИЕВ
СВАРКА ТРУБ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ
УДК 678. 029.4 : 66. 084
Э.Р. Галимов В.К. Максимов А.В. Черноглазова Ю.И. Сударев С.Ю.
М.М. Ганиев: Сварка труб из полимерных материалов (Учебное пособие) Казань:
Изд-во Казан. нац. иссл. техн. ун-та. им. А.Н.Туполева 2013. 155 с.
Представлены сведения о составах и свойствах пластических масс
формообразовании свариваемости и способах сварки изделий на их основе.
Приводится описание способов сварки нагретым инструментом соединительными
деталями с закладными нагревателями раструбная диффузионная сварка
основные технологические параметры процессов сварки
описание установок. Рассматриваются методы контроля качества сварных
соединений приведены методики проведения неразрушающих и разрушающих
Предназначено для бакалавров направления 150700 -
Табл.32. Ил.38. Библиогр.:13 назв.
Л.А.Абдрахманова докт.техн.наук профессор кафедры «Технология строитель-
ных материалов изделий и конструкций» Казанского государственного
архитек- турно-строительного университета.
С.Г. Уварова канд.техн.наук директор «Центр Д и С - сварка»
( Изд-во Казан. нац. иссл. техн. ун-та. им. А.Н.Туполева 2013.
Э.Р .Галимов В.К. Максимов А.В. Черноглазова Ю.И. Сударев
С.Ю. Юрасов М.М. Ганиев 2013.
Промышленное производство и применение пластмассовых труб началось в
начале 50-х годов ХХ века. Пластмассовые трубы быстро потеснили рынок
стальных труб так как они весили в 3-8 раз меньше легко соединялись и
главное не ржавели. В последующие годы объемы их производства непрерывно
росли и к 1985 году стали сравнимы с объемом выпуска стальных труб. Эти
трубы нашли широкое применение в первую очередь при строительстве и
капитальном ремонте систем холодного и горячего водоснабжения отопления
жилых и общественных зданий для строительства газораспределительных сетей.
В отечественной практике для строительства подземных трубопроводов
пластмассовые трубы начали использоваться в 60-е годы. Сейчас в Российской
Федерации наблюдается активное расширение использования термопластичных
композитных материалов. С экономической точки зрения применение
пластмассовых труб для сооружения трубопроводов обладает неоспоримыми
- затраты на транспортировку в 2 раза меньше чем на транспортировку
- масса полимерных труб более чем в 8 раз меньше массы металлических
- стоимость выполнения строительно-монтажных работ даже при
использовании традиционных открытых методов прокладки трубопроводов
сокращается в 2-25 раза так как не требуется дополнительных работ по
- значительное сокращение сроков строительно-монтажных работ
относительно стальных трубопроводов;
- отсутствие необходимости в дорогостоящих программах подготовки
персонала так как технология сварки и монтажа полимерных труб значительно
В настоящее время отечественные заводы освоили выпуск различных видов
неметаллических труб.
1. Общая характеристика полимерных материалов
Среди большого разнообразия неметаллических материалов практическое
значение в современной технике в том числе в машиностроении занимают
пластические массы. Отличительными особенностями полимерных материалов
являются низкая плотность химическая стойкость хорошие тепло - и
электроизоляционные свойства. Кроме того технология получения изделий из
полимерных материалов отличается сравнительной простотой и в большинстве
случаев сводится к пластической деформации исходных композиций или
расплавов и закреплению полученной формы с последующей специальной
обработкой путем отверждения вулканизации или охлаждения. Подобные
технологии с высоким коэффициентом использования материала выгодно
отличаются от получения изделий из металлических материалов с
использованием трудоемких сравнительно низкопроизводительных и связанных
со значительными потерями технологических процессов.
На свойства полимерных материалов существенное влияние оказывают их
структуры – аморфная или кристаллическая. Природа полимерных материалов и
связанные с ними условия их получения и переработки во многом определяют
технико – экономические показатели и возможности их практического
2.Классификация строение и способы получения полимеров
Полимерами называются соединения состоящие из большого числа
чередующихся одинаковых или различных атомных группировок соединенных
между собой химическими связями.
По происхождению полимеры подразделяются на: природные выделенные из
природных материалов; искусственные полученные химическим превращением
природных полимеров; синтетические полученные синтезом из
низкомолекулярных соединений или модификацией других синтетических
Природные полимеры подразделяются на: органические (натуральный
каучук целлюлоза и др.) и неорганические (графит слюда кварц и др.).
В большинстве случаев природные полимеры модифицируют химическим
способом т.е. получают искусственные полимеры. На этом принципе основаны
хлопчатобумажная шерстяная льняная меховая кожевенная целлюлозно-
бумажная и другие отрасли промышленности. Метод расщепления природных
полимеров на низкомолекулярные продукты лежит в основе крахмалопаточного
производства получения гидролизного спирта и т.п.
По химическому составу и строению полимеры подразделяются на:
органические элементоорганические и неорганические.
Органические полимеры составляют основу пластических масс
армированных пластиков резин и т.п.
Элементоорганические полимеры представляют собой соединения главные
цепи которых построены из атомов углерода и гетероатомов (кроме атомов
кислорода азота и серы); соединения с неорганическими цепями если они
содержат боковые группы с атомами углерода присоединенными к основной
цепи; соединения основная цепь которых состоит из атомов углерода а в
боковые группы входят гетероатомы (кроме атомов кислорода азота серы и
галогенов) непосредственно соединенные с углеродными атомами основной
цепи. Наибольшее распространение получили: полисилоксаны полититаноксаны
полиалюмоксаны и др.
Неорганические полимеры являются основой керамики стекол ситаллов
слюдяных асбестовых углеграфитовых и других материалов для большинства
которых характерны преимущественно гетероцепные пространственно-сетчатые
слоистые и другие типы сложных структур с различными видами связей.
К неорганическим полимерам относятся например полисиланы
полигерманы главные цепи которых построены соответственно из атомов
Органические полимеры в зависимости от происхождения химического
состава и строения способов получения и проведения синтеза формы
макромолекул структуры и назначения подразделяются на: природные
(животного и растительного происхождения) синтетические и искусственные;
гомоцепные и гетероцепные линейные разветвленные поперечно-сшитые и
сетчатые; кристаллические и аморфные; полимеризационные
поликонденсационные сополимеризационные и химически модифицированные;
получаемые в массе растворе суспензионной и эмульсионной полимеризацией;
термопластичные и термореактивные; конструкционные электроизоляционные
теплостойкие оптические и другие.
Синтетические полимеры получают из низкомолекулярных веществ
(мономеров) по реакциям полимеризации поликонденсации сополимеризации а
также путем химических превращений природных и других синтетических
Полимеризация – процесс последовательного соединения одинаковых
мономеров не сопровождающийся выделением побочных продуктов и протекающий
без изменения элементарного химического состава. Полимеризацией получают
полиэтилен полистирол поливинилхлорид и др.
Поликонденсация – процесс соединения мономеров различного строения
сопровождающийся выделением низкомолекулярных веществ. Поликонденсацией
получают фенолоальдегидные и другие полимеры.
Сополимеризация – полимеризация двух или большего числа мономеров
различного строения. Сополимеризацией получают сополимеры этилена с
Химические превращения включают разнообразные реакции в результате
которых происходит изменение химического строения или степени полимеризации
макромолекул. Например химическим превращением целлюлозы получают эфиры
целлюлозы (нитраты ацетаты и др.).
В зависимости от состава атомов в основной (главной) цепи
макромолекулы синтетические полимеры подразделяются на: гомоцепные и
Гомоцепные полимеры макромолекулярная цепь которых состоит из атомов
углерода называются карбоцепными (полиэтилен и др.).
В гетероцепных органических полимерах главные цепи состоят из
чередующихся в определенной последовательности атомов углерода кислорода
азота серы и др. (полиамиды и др.).
Многократно повторяющиеся группировки называются мономерными звеньями
а большая молекула составленная из звеньев – макромолекулой или
полимерной цепью. Число звеньев в цепи – степень полимеризации
обозначается буквой "n". Величина степени полимеризации может меняться от
нескольких единиц для олигомеров до сотен тысяч и более для
высокомолекулярных соединений. Название полимера образуется из названия
мономера и приставки "поли". Например продукт полимеризации этилена
называется полиэтиленом:
n CH2 ( CH2 ( ( ( CH2 ( CH2 ( ( n.
Формулы таких полимеров записываются без учета концевых групп так как
их роль в высокомолекулярных соединениях невелика.
Полимеры состоящие из одинаковых мономерных звеньев называются
гомополимерами а из звеньев нескольких типов – сополимерами.
Переход от низкомолекулярного соединения к высокомолекулярному
происходит в результате последовательного присоединения мономерных звеньев
и при достижении определенной молекулярной массы соединение становится
Провести четкую границу между низко - и высокомолекулярными
соединениями трудно так как качественные измерения для различных классов
соединений наблюдаются при различной величине молекулярной массы. Например
китайский танин (производное сахаров) с молекулярной массой около одной
тысячи является низкомолекулярным соединением а полиэтилен с такой же
молекулярной массой обладает уже свойствами высокомолекулярного соединения.
Промежуточное положение между низко- и высокомолекулярными
соединениями занимают олигомеры (от греч. оligos – немного) которые
проявляют свойства характерные как для мономеров так и для полимеров.
Молекулярная масса олигомеров может достигать 6000 и более. Для олигомеров
роль концевых групп более существенна и они указываются при написании
формул. Реакционноспособные олигомеры образуют высокомолекулярные
соединения пространственно-сетчатой структуры в результате реакции
отверждения при нагревании и (или) введении отвердителей.
Макромолекулы линейных полимеров представляют собой длинные цепи с
высокой степенью асимметрии а разветвленных полимеров – цепи с боковыми
ответвлениями причем число и размер ответвлений могут быть различными
(наличие радикалов в элементарных звеньях не считается разветвлением).
Сетчатые полимеры построены из макромолекулярных цепей соединенных
друг с другом поперечными химическими связями. Макромолекулярные цепи могут
быть расположены в плоскости или пространстве. В последнем случае они
называются пространственными (кварц алмаз и многие синтетические полимеры
после отверждения или вулканизации). Сетчатые полимеры имеющие плоскостное
двумерное строение (например графит) называются пластинчатыми.
Линейные и разветвленные полимеры построены из макромолекул связанных
между собой межмолекулярными силами энергия которых значительно меньше
энергии химических связей и поэтому они могут быть переведены в раствор или
в расплав при нагревании. В сетчатых полимерах макромолекулярные цепи
связаны между собой химическими связями поэтому они не могут быть
переведены в раствор или расплав. Для таких полимеров понятие «молекула»
становится условным.
Синтетические полимеры подразделяются на: термопластичные и
Термопластичные полимеры при нагревании обратимо переходят из твердого
состояния в пластичное (вязкотекучее) состояние.
Термореактивные полимеры в результате реакции отверждения необратимо
переходят в твердое нерастворимое и неплавкое состояние с образованием
пространственно- сетчатой структуры.
По сравнению с низкомолекулярными соединениями полимеры обладают
рядом особенностей. Они могут находиться только в конденсированном твердом
или жидком состоянии; растворы полимеров имеют высокую вязкость и при
удалении растворителя они выделяются не в виде кристаллов как
низкомолекулярные соединения а в виде пленок; полимеры можно переводить в
ориентированное состояние; для многих полимеров характерны большие
обратимые деформации и т.п.
Полимеры выпускаются в виде различных товарных форм: кусков гранул
рулонов брикетов порошков латексов и суспензий. При выборе товарной
формы необходимо учитывать удобства транспортировки хранения и дозировки
возможность равномерного распределения в композиции и обеспечения требуемых
технологических свойств с целью получения изделий высокого качества.
3. Фазовые состояния и надмолекулярная структура полимеров
Полимеры могут находиться в двух фазовых состояниях: кристаллическом и
Кристаллическое фазовое состояние характеризуется высокой степенью
упорядоченности в расположении макромолекул (дальний порядок).
Аморфное фазовое состояние характеризуется сравнительно невысокой
степенью упорядоченности в расположении макромолекул (ближний порядок)
Таким образом макромолекулы в полимерах расположены не хаотично а
имеют упорядоченное расположение т.е. возникает определенная
надмолекулярная структура.
Надмолекулярная структура полимеров. Под этим термином понимают способ
упаковки макромолекул в пространственно выделяемых элементах размеры и
форму таких элементов и их взаимное расположение в пространстве.
Под молекулярной упаковкой в полимерах понимают способ укладки
макромолекул и их звеньев в пространстве обусловленный их формой и
В аморфных полимерах выделяются области ближнего порядка в
расположении отдельных звеньев размеры которых гораздо меньше контурной
длины цепи. В строении самой макромолекулы заложена определенная
периодичность которая задается повторением ее химических звеньев но в
аморфном полимере эта периодичность маскируется многочисленными
относительно хаотическими изгибами цепей соответствующими существованию
широкого набора конформеров.
В кристаллическом состоянии полимеры как и низкомолекулярные
кристаллические вещества содержат области дальнего порядка
характеризующиеся трехмерной периодичностью и следовательно достаточно
совершенной молекулярной упаковкой. Размер этих областей (кристаллитов)
обычно также меньше контурной длины макромолекулы: одна и та же
молекулярная цепь может проходить через несколько кристаллических областей.
Эти кристаллические области в десятки часто сотни а иногда и тысячи раз
превышают размеры звена полимерной цепи. Конформационный набор макромолекул
внутри кристаллических областей резко ограничен по сравнению с
конформационным набором в аморфном состоянии. При кристаллизации всегда
реализуются конформации характеризующиеся периодичностью в направлении оси
Упаковку звеньев макромолекул в кристалле полимера можно представить в
виде кристаллической решетки образованной совокупностью идентичных точек в
Отличительной особенностью полимерных кристаллов является то что
длина макромолекулы существенно превосходит размеры элементарных ячеек.
Поэтому одна и та же макромолекула проходит через большое число
Надмолекулярная структура кристаллических полимеров. Кристаллизация
полимеров может происходить по различным механизмам: сферолитному
пластинчатому фибриллярному и т.п. Однако из огромного разнообразия форм
структуры (полиморфизма) кристаллических полимеров наиболее
распространенным элементом крупных структур является сферолит который
состоит из лучей образованных чередованием кристаллических и аморфных
участков (рис.1.1). Единичные сферолиты могут агрегироваться в ленты и
Рис. 1.1. Сферолитная структура
В обычных условиях полной кристаллизации не происходит и структура в
реальных полимерах двухфазная: наряду с кристаллической фазой
аморфная т.е. полимеры кристаллоаморфны. Степень кристалличности
определяется как отношение объема кристаллической фазы к объему всего
полимера и выражается в процентах. Кристалличность придает полимеру
повышенную теплостойкость жесткость и прочность. Через надмолекулярную
структуру передаются механические и физические свойства полимеров. Богатое
разнообразие процессов кристаллизации приводит к разнообразию механических
свойств одного и того же полимера при различных режимах кристаллизации и
поэтому для получения высококачественных изделий из кристаллических
полимеров необходимо уметь регулировать процессы развития различных
кристаллических форм структуры.
Надмолекулярная структура аморфных полимеров
Существует несколько моделей надмолекулярной структуры аморфных
полимеров: глобулярная пачечная доменная кластерная и другие. Среди них
наибольшее предпочтение отдается глобулярной модели. Согласно этой модели
структура таких полимеров состоит из большого числа различных по размерам
частиц сферической формы (клубков) называемых глобулами которые связаны
Глобулярная структура (рис.1.2.) формируется при условии достаточной
гибкости макромолекул полимера причем взаимное расположение отдельных
участков макромолекулярной цепи внутри глобулы обычно беспорядочное.
Рис. 1.2. Глобулярная структура
В состав глобул могут входить несколько тысяч макромолекул.
Глобулярное строение характерно например для отвержденных
фенолоформальдегидных и эпоксидных смол поливинилхлорида и многих других
полимеров. Размеры глобул зависят от гибкости цепи макромолекул и могут
меняться в широких пределах – от сотых долей микрона до нескольких десятков
Если же макромолекулы достаточно жесткие то образуются линейные
агрегаты – пачки цепей состоящие из многих рядов макромолекул
расположенных последовательно друг за другом. Типичная особенность пачек –
длина значительно превосходит длину отдельных цепей. В пачку входят десятки
и сотни отдельных макромолекул которые утрачивают при этом свою
индивидуальность. Пачки могут агрегироваться в более крупные образования –
фибриллы что типично для полимеров с очень жесткими цепями и сильным
межмолекулярным взаимодействием.
В зависимости от условий проведения полимеризации термодинамически
могут быть выгодны те или иные конформации и поэтому из одного и того же
мономера можно получить полимер с глобулярной и фибриллярной структурой.
В соответствии с доменной теорией строений аморфных полимеров домены
представляют собой многократно сложенные и параллельно расположенные
участки одной или нескольких макромолекул а между доменами находятся
междоменные аморфные области заполненные петлями и концами
макромолекулярных цепей. Домены могут играть роль зародышей кристаллизации
и являются переходным типом структуры от аморфного к кристаллическому.
Строение междоменных областей менее упорядочено чем доменных.
Предполагается что некоторые макромолекулы входят в состав нескольких
доменных т.е. являются проходными.
Кластерная модель предполагает наличие областей с более или менее
плотной упорядоченной упаковкой макромолекул по сравнению с основной
разупорядоченной и менее плотной частью полимера. Характер расположения
цепей в кластерах определяется химическим строением молекулярной массой
степенью разветвленности макромолекул и др. факторами. Например если
подвижность цепи достаточно велика для образования складчатой цепи то
кластер характеризуется складчатой морфологией; если же подвижность цепи
ограничена то вероятной конформацией внутри кластера будет конформация
4. Физические состояния полимеров
Физические состояния полимеров проявляются при оценке их
термомеханических свойств путем изменения деформации при последовательно
изменяющейся температуре в условиях постоянного нагружения.
Термомеханические кривые аморфных линейных полимеров. Для аморфных
линейных полимеров высокой молекулярной массы термомеханическая кривая
имеет три участка соответствующих трем физическим состояниям. Действующая
нагрузка должна быть заданной и малой по величине чтобы механические
воздействия на полимер не приводили к изменению его структуры.
Каждому из релаксационных физических состояний полимера соответствует
определенный преимущественный тип деформаций (рис.1.3).
Рис. 1.3. Термомеханическая кривая аморфных полимеров
Участок I соответствует стеклообразному состоянию для которого
характерны малые деформации и полимер ведет себя как обычное твердое тело с
высоким модулем упругости. Деформация полимеров в стеклообразном состоянии
связана с проявлением упругости и обусловливается смещением атомов в
макромолекулах приводящих к изменениям межатомных расстояний и углов между
направлениями валентных связей.
Участок II соответствует высокоэластическому состоянию сбольшими
обратимыми деформациями которые превосходят упругую составляющую в тысячи
раз и характеризуются модулем высокоэластичности. Большие обратимые
высокоэластические деформации связанные с движением участков цепей
макромолекул свойственны только полимерам и обусловлены наличием больших
гибких цепных молекул.
Участок III соответствует вязкотекучему состоянию для которого
характерна пластическая деформация (течение) связанная с взаимным
перемещением макромолекул под действием температуры и приложенной нагрузки.
Взаимные переходы аморфных полимеров из одного физического состояния в
другое не являются фазовыми превращениями так как на температуры переходов
Тс и Тт оказывают существенное влияние такие факторы как скорость
механического воздействия скорость нагревания и т.д. Эти переходы в
отличие от фазовых превращений происходят постепенно и непрерывно в
некотором интервале температур.
Термомеханические кривые кристаллических полимеров
Термомеханические кривые таких полимеров зависят от соотношения
температуры плавления кристаллов и температуры текучести такого же полимера
в аморфном состоянии. В случае когда Тпл > Тт (кривая 1) результатом
плавления является образование вязкотекучей жидкости тогда как при Тпл
Тт (кривая 2) расплавом оказывается высокоэластическое тело (рис. 1.4).
Рис. 1.4. Термомеханическая кривая кристаллических полимеров
Термомеханические кривые аморфно-кристаллических полимеров занимают
промежуточное положение между рассмотренными предельными кривыми для
аморфных и кристаллических полимеров. Кривая имеет некоторый подъем при
температуре стеклования. Дальнейший ход кривой зависит от соотношения
температуры текучести аморфной фазы и температуры плавления кристаллической
фазы. При условии Тпл > Тт наличие кристаллической фазы должно задерживать
течение образца при Тт и пластические деформации проявляются лишь при
температуре Тпл (кривая 1) а когда Тпл Тт будет получена ступенчатая
Рис. 1.5. Термомеханическая кривая аморфно - кристаллических полимеров
Термомеханические кривые сетчатых полимеров
Для структурирующихся полимеров характер термомеханической кривой
зависит от того в какой области температур реакции отверждения протекают с
заметными скоростями. Если отверждение происходит интенсивно при
температуре То1 выше Тт то полимер переходит в вязкотекучее состояние но
по мере образования поперечных химических связей деформация течения
уменьшается (рис.1.6 кривая 1).
При достаточном числе этих связей течение становится невозможным и
полимер из вязкотекучего состояния переходит последовательно
ввысокоэластическое и стеклообразное состояние. Если в полимере поперечные
связи образуются при температуре То2 ниже Тт то перейти в вязкотекучее
состояние он не может и увеличение температуры приводит к уменьшению
высокоэластической деформации и полимер переходит в стеклообразное
состояние (рис.1.6 кривая 2).
Рис. 1.6. Термомеханические кривые сетчатых полимеров
Таким образом сшитый полимер может находиться только вдвух
физических состояниях – высокоэластическом и стеклообразном. Температурные
переходы из одного физического состояния в другое являются важными
характеристиками полимеров и имеют большое практическое значение для оценки
их технологических и эксплуатационных свойств.
5.Основные способы модификации полимерных материалов
Для целенаправленного регулирования строения структуры и свойств
полимеров и материалов на их основе используют различные способы
модификации: физическую химическую и физико-химическую.
Технико-экономическая эффективность использования того или иного
способа модификации во многом определяется различными факторами: природой
числом дисперсностью и соотношением модифицирующих добавок методами их
введения и режимами подготовки композиций степенью и характером изменения
надмолекулярной структуры и т.п.
Физическая модификация основана на направленном изменении физических
свойств полимеров путем преобразования их надмолекулярной структуры при
различных физических воздействиях без изменения химического строения
Физическая модификация проводится путем воздействия на полимер внешних
факторов (механических ультразвуковых высокочастотных и т.п.); изменения
температурно-временных режимов структурообразования полимера из расплава;
изменения природы растворителя и режима его удаления при формировании
покрытий пленок и волокон; введением в полимерную матрицу небольших
количеств добавок оказывающих влияние на морфологию надмолекулярной
Физическая модификация осуществляется также ориентацией полимерных
материалов. Практическая возможность обеспечить максимальную степень
ориентации линейных полимеров реализуется при переработке их в
синтетические волокна. Достигаемые при этом показатели прочности и модуля
упругости как правило в 50 - 100 и в 10 - 40 раз превышают
соответствующие характеристики литьевых образцов из тех же полимеров.
Таким образом физическая модификация полимерных материалов позволяет
в значительных пределах изменять их свойства различными методами.
Химическая модификация полимеров обусловлена большим разнообразием
химических составов и структур макромолекул и основана на возможности
осуществления многих химических превращений. Наиболее широкое применение
нашли: полимераналогичные превращения внутри - и межмолекулярная
циклизация линейных полимеров блоксополимеризация привитая
сополимеризация поперечное соединение линейных макромолекул (сшивание)
варьирование молекулярной массы в процессе синтеза линейных макромолекул.
Полимераналогичные превращения при синтезе линейных полимеров основаны
на полной или частичной замене функциональных групп что дает возможность
создавать новые полимеры.
Внутри - и межмолекулярная циклизация линейных полимеров находит
широкое применение при изготовлении углеродных волокон получаемых
пиролизом полиакрилонитрильных волокон. Волокна предварительно нагревают в
воздушной среде до 200 – 300°С при этом происходит частичное окисление
волокон которые затем подвергают высокотемпературному нагреву и
осуществляют процессы карбонизации или графитизации. При карбонизации по
мере повышения температуры происходит газификация с удалением всех атомов
химического состава полимера кроме атомов углерода. Последние образуют
фрагменты полициклических ароматических молекул с плоской шестиугольной
сотовой структурой. В процессе графитизации образующиеся фрагменты
накапливаются и формируется лестничная структура макромолекул.
Блоксополимеризация линейных полимеров проводится последовательным
соединением нескольких линейных макромолекул (блоков) разного химического
состава в одну линейную макромолекулу.
Привитая сополимеризация линейных полимеров заключается в
присоединении к промежуточным звеньям макромолекул основного полимера
макромолекул другого. Модификация линейных полимеров привитой
сополимеризацией является особенно перспективным направлением в
производстве волокон.
Поперечное соединение макромолекул линейных полимеров (сшивание) в
технологии производства и переработки полимеров связано с преимуществами
полимеров с сетчатой и пространственной структурой.
Варьирование молекулярной массой при синтезе линейных полимеров
находит широкое применение на разных этапах создания композиционных
материалов – от изменения свойств компонентов до разработки новых методов
их совмещения и переработки в изделия.
Таким образом для разработки и совершенствования материалов на основе
линейных полимеров имеется значительный потенциал химических возможностей.
Физико-химическая модификация полимеров осуществляется путем введения
в их состав различных целевых добавок в виде наполнителей пластификаторов
стабилизаторов антипиренов красителей и т.п. Оптимальное соотношение
модифицирующих добавок обеспечивает необходимые технологические
эксплуатационные и специальные свойства полимерных материалов как на основе
термопластичных так и термореактивных полимеров.
6. Основные пластмассы для сварных конструкций
Эксплуатационные характеристики различных пластмасс сильно
отличаются друг от друга. В основном это зависит от распада макромолекул
полимера на более короткие фрагменты (деструкция полимера). Деструкция
может происходить и при нарушении технологии сварки полимеров например
при превышении температуры нагрева и времени ее воздействия. Чем выше
температура транспортируемой среды и давление под которым осуществляется
ее транспортировки тем меньше срок службы пластмассовых трубопроводов. В
случае необходимости увеличения нагрузки на трубопровод при постоянстве
времени и температуры его эксплуатации увеличивают толщину стенки трубы
уменьшая тем самым показатель экономической эффективности. Для каждого вида
пластмасс существуют определенные границы по допустимому напряжению в
стенке трубы температуре эксплуатации и экономическим факторам в пределах
которых применение того или иного материала наиболее выгодно К примеру при
использовании труб из полиэтилена (ПЭ 100 SDR 9) для транспортировки воды с
температурой 90°С срок их службы составит не более шести месяцев что не
может считаться приемлемым показателем. Характеристики и условия применения
основных полимерных материалов используемых при строительстве
трубопроводных систем приведены ниже.
Полиэтилен (ПЭ РЕ) – легко перерабатываемый материал имеющий
на 60-75% кристаллическую структуру. В промышленных масштабах реализуются
два основных способа получения полиэтилена: высокого давления (ПЭВД -
низкой плотности) и низкого давления (ПЭНД - высокой плотности).
Практически не набухает в растворителях поэтому соединить его склеиванием
или химической сваркой невозможно. ПЭ прекрасно соединяется тепловой
сваркой; при относительно низкой температуре плавления (115-138°С).
Прочность при стыковой сварке не менее 095. Температура эксплуатации
от -20°С до + 60°С. Из-за своей относительно малой стоимости
наиболее широко распространен в трубопроводном транспорте.
исключительной пластичностью (удлинение до 1000 % и выше). Из ПЭ
изготавливаются самые большие полимерные трубы диаметром до 3360 мм.
Напорные трубопроводы из ПЭ наиболее эффективно использовать при
температурах от – 20 до + 30 - 40°С. «Сшитый» различными способами ПЭ
(СПЭ РЕХ) можно применять для систем горячего водоснабжения и отопления.
Полипропилен (ПП РР) - легко перерабатываемый и легко соединяемый
тепловой сваркой материал имеющий кристаллическую структуру как и ПЭ не
склеивается. ПП высокопластичен (удлинение до 1000 %) и формоустойчив (до +
0°С). Температура плавления ПП составляет 160-170° С. Напорные
трубопроводы из ПП наиболее эффективно работают при температурах от 0 до +
-70 °С а безнапорные выдерживают температуры до + 90 °С . Однако при
температурах ниже 0°С трубы из ПП становятся хрупкими и при замерзании
внутри них жидкости растрескиваются. Некоторые сополимеры пропилена
позвояют улучшить морозостойкость труб (до минус 30°С) но при этом
снижаются их прочностные характеристики. Улучшения свойств ПП можно
добиться введением армирующих наполнителей и эластомеров но при этом
увеличивается стоимость изделий. В настоящее время наиболее широко
используется PP-R (рандом сополимер). Ввиду физиологической безвредности ПП
хорошо зарекомендовал себя для трубопроводов холодного и горячего
водоснабжения водоотведения и других промышленных целей. Трубы из ПП
хорошо свариваются плавлением. Коэффициент прочности стыков не ниже 09.
Диаметр выпускаемых труб - до 1000 мм.
Полибутен (ПБ РВ) - легко перерабатываемый и легко соединяемый
тепловой сваркой материал имеющий полукристаллическую структуру и по своим
свойствам напоминающий ПЭ и ПП. Температура плавления составляет 130°С. ПБ
отличается повышенной устойчивостью к растрескиванию под напряжением и
низкой ползучестью при длительной нагрузке. Однако при пониженной
температуре ПБ становится чувствительным к ударным воздействиям. Другой
недостаток - очень высокая стоимость сырья. Напорные трубопроводы из ПБ
наиболее эффективно использовать при температурах от 0 до + 70-80 0С в
связи с чем трубы из ПБ диаметром до 40 мм нашли применение для сооружения
систем отопления зданий.
Поливинилхлорид (ПВХ PVC) - легко перерабатываемый аморфный
материал с кристалличностью не более 10 %. ПВХ считается одним из
универсальных пластиков т.к. легко перерабатывается практически в любого
рода изделия хотя имеет ряд недостатков: малое относительное удлинение (до
%) чувствительность к ударным воздействиям.Напорные трубопроводы из
винипласта наиболее эффективно использовать при температурах от 0 до + 50-
° С. При температурах ниже 0 °С трубы становятся хрупкими и при
замерзании в них жидкости растрескиваются. В настоящее время основное
применение трубопроводов из ПВХ (диаметр труб до 500 мм) - это системы для
холодного водоснабжения технологических стоков и дренажа.
Поливинилиденхлорид (ПВДХ PVDC) - сложно перерабатываемый
кристаллический материал требующий при переработке стабилизации состава и
получивший из-за этого незначительное распространение. Материал достаточно
пластичен (удлинение до 600 %) и формоустойчив (температура размягчения 100-
0°С). Относится к средне свариваемым материалам коэффициент прочности
Из полиамидных полимеров (ПА РА) в трубопроводном транспорте
используется алифатический ПА 11. Это относительно дешевый легко
перерабатываемый полукристаллический (40-60 %) материал. По свойствам
близок к ПЭ. Из-за узкого интервала температуры плавления и низкой вязкости
расплава в вязкотекучем состоянии получить качественное соединение при
тепловой сварке очень сложно и соединение труб из ПА производят
склеиванием или химической сваркой. Для большего сопротивления ползучести
экструзию труб из ПА иногда сочетают с армированием. Технологические
напорные трубопроводы диаметром до 250 мм (иногда до 630 мм) используются
при температурах транспортируемой среды до + 60°С.
Политетрафторэтилен (ПТФЭ PTFE) или фторопласт-4- кристалличный
исключительно химически и температуростойкий материал не содержащий
никаких добавок или модификаторов однако очень сложно перерабатываемый.
Трубы из ПТФЭ (диаметром до 400 мм) получают прессованием или формованием и
используют в ряде случаев для теплообменников транспортирования
высокоагрессивных сред медицинских и некоторых других целей. Напорные
трубопроводы наиболее эффективно использовать при температурах от -50 до +
0-200°C. ПТФЭ очень плохо соединяется тепловой сваркой. Другой
недостаток ПТФЭ - его высокая стоимость вследствие чего трубы из него
применяются лишь в исключительных случаях.
Полистирол (ПС) - относительно хрупкий материал имеющий
незначительное удлинение - до 10 %. Он хорошо перерабатывается литьем под
давлением обладает хорошими диэлектрическими и оптическими свойствами но
легко подвергается действию многих растворителей характеризуется низкой
атмосфере- и теплостойкостью. ПС применяют для изготовления кислотоупорных
труб. Один из сополимеров стирола с акрилонитрилбутадиеном используется для
изготовления АБС-пластиков. Трубы из АБС-пластиков полученные экструзией
обладают высокой ударопрочностью и формоустойчивостью при повышенных
температурах эксплуатации хорошо соединяются склеиванием и химической
сваркой. Основное применение труб из АБС-пластиков: небольшие
технологические трубопроводы например для подачи сжатого воздуха.
Стеклопластиковые трубы (СП) или трубы из композиционных материалов
получают на основе армирования стекловолокном некоторых типов связующих
как правило термореактивных полимеров. В качестве связующих используются
эпоксидные полиэфирные кремнийорганические смолы и некоторые другие
полимеры. Область использования стеклопластиковых труб очень широка и
зависит от свойств связующего полимера (например полимеры на основе
сложных виниловых эфиров отличаются термостойкостью до 120°С).
Стеклопластиковые трубы обладают повышенной прочностью при растяжении (25-
0 МПа) что позволяет им при относительно тонкой стенке выдерживать
давление до 25 МПа (иногда до 80 МПа) но имеют чрезвычайно низкое
относительное удлинение (не более 4 %). Трубы диаметром до 1000 мм широко
применяются на нефтепромыслах (обсадные и насосно-компрессорные трубы
трубы для транспорта нефти водогазонефтяных эмульсий попутного газа) для
систем водоснабжения водоотведения и подачи воды при пожаротушении
транспортировке агрессивных сред в качестве вентиляционных и дымовых труб.
Напорные трубопроводы могут выдерживать температуры до + 100°С.
Реактопласты используют также для футеровки труб выполненных из других
материалов с целью повышения их стойкости к агрессивным средам.
Отрицательным фактором при использовании труб из стеклопластиков
является низкая производительность формовочных машин по сравнению с
экструзионными линиями для термопластов. Соединение труб возможно
производить только механическим способом или химической сваркой
(склеиванием). Кроме того стоимость большинства реактопластов (например
виниловых эфиров) достаточно высока.
7. Методы получения изделий из пластмасс
Переработка пластических масс – комплекс процессов обеспечивающий
получение изделий или полуфабрикатов из пластмасс с заданными свойствами
на специальном оборудовании. Основными параметрами при изготовлении
изделийиз пластмасс являются: температура нагрева давление и время
Прессование - это формование изделий под давлением из материалов
нагретых до вязкотекучего состояния непосредственно в полости формующего
инструмента (прессформе) - между матрицей и пуансоном. Прессование
осуществляется двумя основными способами - прямым (компрессионным) и
литьевым (трансферным).
Прямое прессование - наиболее распространенный способ. При этом
способе предварительно нагретый или ненагретый таблетированный или
порошкообразный материал загружают в прессформу которая замыкается и
материал подвергается давлению и нагреву. Давление передается
непосредственно на прессуемый материал вплоть до полного замыкания
прессформы. В зависимости от природы и свойств перерабатываемого материала
обычно возникает необходимость выпуска из формы паров и газов выделяющихся
из прессуемого материала в процессе реакции отверждения. Для этого в
процессе прессования выполняют операцию подпрессовки заключающуюся в
переключении гидропресса после определенной выдержки на обратный ход в
подъеме пуансона на высоту достаточную для выпуска газов (5-30 мм) и
выдержке его в таком положении в течение 3-10 с. После этого пресс-форма
снова замыкается. При прессовании крупных толстостенных деталей из
материалов с повышенной влажностью подпрессовку проводят 2-3 раза.
Схема компрессионного прессования представлена на рис. 1.7 а.
Прямым прессованием получают детали средней сложности и небольших
габаритных размеров из термореактивных материалов с порошкообразным и
волокнистым наполнителем.
Рис. 1.7. Схема формования изделий из реактопластов
(а - компрессионное прессование; б - литьевое прессование):1–верхний
плунжер; 2 - оформляющие гнезда прессформы; 3 - перерабатываемый
материал; 4 - поршень; 5 -трансферный цилиндр;6 – загрузочное отвер- стие;
- изделие; 8 - литниковые каналы; 9 - пресс-форма
Недостатки компрессионного прессования - появление облоя (грата) по
линии разъема пресс-формы необходимость повышенных усилий прессования.
Литьевое прессование отличается от прямого тем что прессуемый
материал загружают не в полость пресс-формы а в специальный обогреваемый
трансферный цилиндр (рис.1.7б). Размягченный материал впрыскивается
материальным поршнем из трансферного цилиндра через литниковые каналы в
замкнутую прессформу. После отверждения материала в оформляющей полости
прессформы ее разъединяют и извлекают готовые изделия.
Литьевое прессование рационально применять для изготовления деталей
сложной конфигурации с тонкими стенками глубокими отверстиями в том
числе резьбовыми к которым предъявляются повышенные требования по точности
При литьевом прессовании отпадает необходимость в подпрессовках так
как образующиеся газы могут выходить через зазоры между поршнем цилиндром
и полуформами. Недостатком литьевого прессования является повышенный расход
материала так как в загрузочной камере и литниковых каналах остается часть
необратимого прессматериала. Поскольку при литьевом прессовании
пластицированный материал впрыскивается в замкнутую прессформу то по линии
разъема формы отсутствует облой. Кроме того прессформы для литьевого
прессования сложнее по конструкции и дороже прессформ для прямого
Литье под давлением. При формовании методом литья под давлением
перерабатываемый материал нагревается до вязкотекучего состояния
(пластицируется) в обогреваемом цилиндре из которого впрыскивается под
действием поршня или червяка в предварительно замкнутую литьевую форму где
материал затвердевает при изменении температуры приобретая конфигурацию
внутренней полости формы.
Литьевая машина состоит из устройства для дозирования материала
механизмов замыкания формы и инжекции привода пультов для управления
машиной а также для контроля и регулирования температуры.
Механизм замыкания формы поршневой литьевой машины (рис.1.8.) состоит
из гидравлического цилиндра 1 и плунжера 2 для привода подвижной плиты 3
(при замыкании и размыкании литьевой формы 4) а также неподвижной плиты 5
с расположенным в ней соплом 6.
Инжекционный механизм состоит из рассекателя (торпеды) 7
расположенного в инжекционном обогреваемом цилиндре 8 бункера 9 с весовым
или объемным дозатором для перерабатываемого материала и инжекционного
поршня 10 который перемещается под действием плунжера 11 расположенного в
гидравлическом цилиндре 12. Обогрев инжекционного цилиндра осуществляется
электрическим обогревателем 13.
Рис. 1.8. Литьевая машина поршневого типа
Перемещение инжекционного механизма для прижатия инжекционого сопла к
литниковой втулке формы или отодвигания сопла осуществляется плунжером 11
гидравлического цилиндра 12.
При переработке термопластов цилиндр нагревают до 200-350(С при
переработке реактопластов - до 80-120(С. В литьевой форме термопласты в
зависимости от их природы и требований предъявляемых к изделию охлаж-
даются до 20-40(С (полистирол полиэтилен) или до 80-120(С (поликарбонат
полиформальдегид) а реактопласты нагреваются до 160-200(С. В форме
материал выдерживается под давлением для уплотнения что значительно
снижает последующую усадку при охлаждении изделия вне формы.
Значительная часть термопластичных полимеров перерабатывается в
изделия методом экструзии с использованием экструзионных машин (червячных
прессов) различных типов. При переработке гранулированных или
порошкообразных термопластов экструдеры предназначаются для непрерывной
пластикации и гомогенизации полимера получения однородного расплава
перемешивания его и выдавливания через формующие головки в виде
спрофилированного изделия. С помощью экструдеров производится нанесение
тонкослойных покрытий на бумагу ткани картон нанесение изоляции на
провода и кабели. Непрерывность и высокая производительность процесса
экструзии создают возможность максимальной автоматизации.
Основные особенности экструзионной машины на примере одночервячного
экструдера представлены на рис.1.9.
Рис. 1.9. Одночервячный экструдер (а) и червяк (б):
- двигатель 2 - канал для охлаждения зоны бункера 3 - канал для
выхода расплава в профилирующую головку
- нагреватели цилиндра 5 - цилиндр 6 - червяк 7 - загрузочная камера
- бункер 9 - упорный подшипник 10 - редуктор; зоны червяка: I -
II - плавления III - дозирования. D - диаметр L - длина h1 h3 -
глубина винтового канала e - ширина гребня витка t - шаг нарезки
Одной из наиболее важных характеристик пресса является отношение длины
червяка к диаметру которое равно отношению длины червяка от края
загрузочного отверстия на наружный диаметр червяка (LD).
Соответственно характеру процессов протекающих на каждом участке
червяка его можно разделить по длине на три основные зоны: I - питания II
- плавления III - дозирования (рис. 1.9б).
Зона питания - участок в котором материал находится в твердом
состоянии. Зона плавления - участок в котором почти полностью происходит
плавление материала. Дозирующая зона - участок в котором материал
находится в вязкотекучем состоянии.
8. Оценка сваримости пластмасс
Основные стадии процесса сварки
Процесс сварки термопластов состоит в активации свариваемых
поверхностей деталей либо находящихся уже в контакте (сварка ТВЧ СВЧ)
либо приводимых в контакт после (сварка нагретым инструментом газом ИК-
излучением и т.д.) или одновременно с активизацией (сварка трением УЗ-
При плотном контакте активированных слоев реализуются силы
межмолекулярного взаимодействия.
В процессе образования сварных соединений (при охлаждении) происходит
формирование надмолекулярных структур в шве а также развитие полей
собственных напряжений и их релаксация. Эти конкурирующие процессы
определяют конечные свойства сварного соединения. Технологическая задача
сварки состоит в том чтобы максимально приблизить по свойствам шов к
исходному (основному) материалу.
8.1 Механизм образования сварных соединений.
Процесс сварки следует рассматривать как топохимическую реакцию т.
е. химическую реакцию протекающую на поверхности твердого тела. В основе
любой химической реакции лежит процесс разрыва связей в исходных веществах
и возникновение новых связей приводящих к образованию нового вещества.
Таким образом механизм образования соединения не должен меняться при
переходе от одного способа сварки к другому и от одного материала к
другому. Изменяется только совокупность явлений на контактных
поверхностях приводящая их в состояние взаимодействия. Эти явления могут
быть различными и определяются природой материала и способом сварки.
Для топохимической реакции характерно ее протекание в три стадии:
-образование физического контакта;
- активация контактных поверхностей;
-объемное развитие взаимодействия.
Стадия образования физического контакта протекает обычно при
приложении к свариваемым деталям давления. Следует отметить что в
некоторых случаях когда в зону сварки поступает расплавленный присадочный
материал физический контакт между ним и свариваемыми материалами может
осуществляться без приложения давления или при сравнительно небольшом
давлении что имеет место при сварке нагретым газом и экструзионной сварке.
Установление физического контакта между свариваемыми поверхностями
может предшествовать нагреву осуществляться после нагрева соединяемых
поверхностей до температур сварки или одновременно с нагревом. В
любом случае на этой стадии происходит пластическое деформирование макро- и
микронеровностей за счет чего происходит сближение контактирующих
поверхностей. Работа деформации затрачивается также на удаление из
контактной зоны инородных включений (газовых пузырей масляных и жировых
пятен и других загрязнений). Для мягких пластических масс и волокнистых
материалов на этой стадии характерно уплотнение проявляющееся в
уменьшении толщины материала .
Активация свариваемых поверхностей включает в себя их нагрев для
повышения энергии теплового движения макромолекул. Нагрев может
осуществляться либо непосредственно за счет передачи тепла от нагретых
инструмента от газа или от присадочного материала к свариваемым деталям
либо за счет преобразования других видов энергии в тепловую. Это может быть
механическая энергия ультразвуковых колебаний или трения энергия
высокочастотного электрического поля конденсатора а также электромагнитная
энергия энергия инфракрасного излучения лазера и концентрированного
При сварке с использованием преобразования различных видов энергии в
тепловую активации поверхностей будут предшествовать процессы связанные
со спецификой данного вида сварки: смещение диполей при сварке токами
высокой частоты; ввод и распространение ультразвуковых колебаний а также
концентрация и преобразование энергии механических колебаний в тепловую -
при ультразвуковой сварке поглощение лучистой энергии - при сварке
инфракрасным излучением.
Объемное развитие взаимодействия сопровождается рядом сложных физико-
химических процессов среди которых наиболее существенными являются
диффузии течение и физико-химические превращения.
Теория сварки в которой главенствующая роль на этом этапе отводится
диффузии названа диффузионной. Теория в которой считается что
ответственными за свариваемость являются процессы течения названа
реологической - по названию науки реологии изучающей закономерности
течения. Согласно диффузионной теории для получения соединения необходимо
чтобы при соприкосновении двух поверхностей вещества происходило достаточно
полное их слияние (коалесценция). Полная коалесценция двух слоев жидкости
происходит при непосредственном контакте их и сопровождается исчезновением
границы раздела между ними. В случае соединения полимеров одного контакта
для коалесценции не достаточно так как должно еще произойти
структурообразование в зоне контакта которое может быть достигнуто за
счет диффузии макромолекул в целом или отдельных сегментов.
Перемещение макромолекул целиком особенно легко может происходить в
том случае если контакт слоев полимера осуществляется при температуре выше
температуры текучести. В этом случае в зоне контакта сравнительно легко
возникает структура характерная для полимера. Диффузия отдельных сегментов
макромолекулы может происходить и при температурах соответствующих
высокоэластическому состоянию полимера при этом перемещение молекулы в
целом затруднено. При таких температурах степень коалесценции меньше
единицы (максимальная степень коалесценции равна единице и наблюдается
только у жидкостей). Это объясняется тем что после перемещения сегментов
на определенную глубину диффузия прекращается из-за напряжений возникающих
в молекулярных цепях.
Доказательством диффузионного характера процесса сварки может служить
то обстоятельство что все меры способствующие тепловому движению
(повышение давления и температуры введение пластификаторов и т.д.)
вызывают увеличение прочности сварного соединения и наоборот факторы
замедляющие диффузию снижают прочность.
Сторонники реологической теории считают что если бы за образования
была ответственна только диффузия то время сварки составляло бы десятки
минут. Однако на практике это время значительно меньше. Кроме того
следует учитывать что процессу диффузии неизбежно препятствуют воздушные
прослойки и загрязнения поверхностных слоев свариваемых материалов
поэтому время проникновения еще более увеличивается. Наконец следует
иметь в виду что коэффициент диффузии не остается постоянным а
непрерывно снижается так как по мере проникновения участков макромолекул
через границу раздела непрерывно возрастает их торможение. Поэтому
сторонники реологической теории предполагают что проявлению сил
межмолекулярного взаимодействия и диффузии в контактирующих объемах
предшествует ряд явлений связанных с течением и перемешиванием расплава.
Некоторые авторы [45] считают что при контакте расплавленных
поверхностей с напряжением создаваемых усилием прижима (при ультразвуковой
сварке и динамические напряжения) вызывают сдвиг слоев расплава. При таком
сдвиге происходит удаление из зоны соединения воздушной прослойки и других
инородных включений а расплав выдавливается из зоны сварки что говорит о
получении качественного сварного соединения. Скорость сдвига в различных
участках контактирующих поверхностей может различаться из-за
неравномерности распределения температур и напряжений. Все это может
привести к перемешиванию расплава в контактирующих объемах что особенно
вероятно в случаях сварки с использованием высокочастотных механических
(ультразвуковая сварка) или электрических (ТВЧ) колебаний.
Явление перемешивания вязкотекучего материала в зоне сварки было
подтверждено экспериментально [45] при изучения процесса сварки пластмасс
нагретым инструментом. По-видимому для макрообъемов вязкотекучего
материала при сварке характерен процесс перемешивания а для микрообъемов -
Если сварка проводится в интервале температур высокоэластичности
преимущественным является диффузионный механизм. При этом необходим
длительный контакт свариваемых поверхностей друг с другом сварные швы
сохраняют границу раздела а материал в зоне соединения не отличается от
исходного по надмолекулярной структуре. Такая сварка протекает при
значительных давлениях что обусловливает значительные остаточные
напряжения в зоне шва после охлаждения соединения.
Если сварка проводится в интервале температур вязкотекучести (для
аморфных полимеров) или в интервале температур плавления (для частично-
кристаллических полимеров) процесс подобен сварке металлов. Под
воздействием внешних сил происходит быстрая коалесценция расплава
сопровождающаяся перемешиванием слоев. При этом слои расплава содержащие
газовые и оксидные включения удаляются из зоны сварки что облегчает даль-
нейшую взаимную диффузию участков молекулярных цепей и целых макромолекул в
микрообъемах. В сварных швах таких соединений практически отсутствует
граница раздела соединяемых поверхностей. Они не разрушаются по
первоначальной плоскости контакта а надмолекулярная структура может
изменяться в зависимости от условий охлаждения расплава.
Вязкость расплава в свою очередь зависит от природы пластмассы
(молекулярной массы разветвленности макромолекул полимера) и температуры
нагрева в интервале вязкотекучести. Следовательно вязкость может служить
одним из признаков определяющих свариваемость пластмассы: чем она меньше в
интервале вязкотекучести тем лучше свариваемость и наоборот чем больше
вязкость тем сложнее разрушить и удалить из зоны контакта ингредиенты
препятствующие взаимодействию макромолекул. Однако нагрев для каждого
полимера ограничен определенной температурой деструкции Тд выше которой
происходит его разложение – деструкция. Термопласты различаются по
граничным значениям температурного интервала вязкотекучести т. е. между
температурой их текучести Тт и температурой деструкции Тд (табл.2).
Температурный интервал вязкотекучести некоторых термопластов
Материал Температура Температура
текучести деструкции
Полиэтилен (ПНД) 130-135 230
Полипропилен (ПП) 175-180 250
Поливинилхлорид (ПВХ) 180--200 140
Пентапласт (ПТП) 190--195 170 180
Полистирол (ПС) 150--160 230 240
Полиметилметакрилат (ПММА) 175--180 220 230
Классификация термопластов по их свариваемости.
В связи с тем что сварка плавлением на заключительном этапе связана с
течением расплава свариваемость пластмасс оценивают по таким
характеристикам как энергия активации вязкого течения температурный
интервал вязкотекучего состояния и вязкость расплава. В свете этих
представлений становится очевидным что чем меньше энергия активации
вязкого течения и вязкость расплава и чем больше температурный интервал
вязкотекучести тем более вероятно образование высококачественного сварного
За количественные показатели свариваемости приняты: температурный
интервал вязкотекучести ΔТ минимальное значение вязкости min и градиент
изменения вязкости в этом интервале [5].
По свариваемости все термопластичные пластмассы можно разбить по этим
показателям на четыре группы (табл.3).
Классификация пластмасс по свариваемости
Группа свариваемости Температурный Вязкость
Хорошо сваривающиеся 50 102--103
Удовлетворительно сваривающиеся 50 104--105
Ограниченно сваривающиеся 50 107--108
По реологическим свойствам пластмассы могут быть разделены на три
группы. К первой группе можно отнести неориентированные термопласты у
которых энергия активации вязкого течения значительно меньше энергии
химической связи и не превышает 150 кДжмоль; температурный интервал
вязкотекучего состояния (Тт – Тд) превышает 50(С; вязкость расплава
составляет 102-105 Па.с. Такие термопласты при нагреве переходят в
вязкотекучее состояние без термодеструкции и пребывают в вязкотекучем
состоянии в достаточно широком интервале температур. При этом вязкость
расплава такова что при незначительных усилиях может быть обеспечена
быстрая и полная его коалесценция. Эти термопласты хорошо свариваются
плавлением различными методами сварки в широком интервале режимов. Наиболее
типичные представители этой группы термопластов - полиолефины .
Ко второй группе относятся ориентированные термопласты с указанными
реологическими свойствами; неориентированные и ориентированные термопласты
с высокой энергией активации вязкого течения (близкой к энергии химической
связи); термопласты с узким интервалом между температурой текучести и
температурой деструкции (менее 50(С) и сравнительно высокой вязкостью
Для термопластов с высокой энергией активации вязкого течения
существует опасность деструкции при нагреве до вязкотекучего состояния;
термопласты с узким температурным интервалом между Тт и Тр могут
разлагаться при незначительном перегреве; в ориентированных термопластах
при нагреве до вязкотекучего состояния неизбежно нарушается ориентированная
структура обеспечивающая прочность материала а у термопластов с высокой
вязкостью расплава трудно обеспечить полную коалесценцию и перемешивание
Такие термопласты могут свариваться плавлением только при некоторых
обязательных условиях. Для ориентированных материалов и материалов с узким
интервалом между Тт и Тд сварка плавлением не должна вызывать разориентацию
и деструкцию материала что возможно только при условии быстрого и
локального нагрева до температуры текучести свариваемых поверхностей без
проплавления материала по всей толщине.
Что касается термопластов с вязкостью выше 105 Па.с то сварка их
плавлением возможна только при условии снижения вязкости их расплава в
процессе сварки. Следовательно для обеспечения возможности сварки
плавлением термопластов принадлежащих к этой группе необходимо в каждом
конкретном случае изыскивать оптимальные способы и технологические приемы
сварки. К этой группе относятся: поливинилхлорид полиэтилентерифталат
поликарбонат плавкие фторопласты и другие термопласты.
К третьей группе относятся термопласты энергия активации вязкого
течения которых превышает энергию химической связи а также термопласты с
вязкостью расплава 1011 - 1012 Па.с. Эти термопласты не могут быть
переведены в вязкотекучее состояние то есть не могут свариваться
плавлением. К ним относятся например поливинилацетат ацетат целлюлозы
фторопласт-4. Образование соединений таких термопластов возможно только по
механизму диффузионной сварки с нагревом поверхностей до температур
высокоэластического состояния с длительной выдержкой под давлением равным
пределу вынужденной эластичности свариваемых материалов при максимально
возможной температуре.
Ускорение диффузионной сварки может быть достигнуто применением
растворителей в которых данный термопласт способен набухать и
растворяться. Растворители увеличивают подвижность макромолекул поэтому
температура сварки может быть снижена.
Сварка термопластичных пластмасс возможна если материал переходит в
состояние вязкого расплава если его температурный интервал вязкотекучести
достаточно широк а градиент изменения вязкости в этом интервале
минимальный так как взаимодействие макромолекул в зоне контакта происходит
по границе обладающей одинаковой вязкостью.
В общем случае температура сварки назначается исходя из анализа
термомеханической кривой для свариваемой пластмассы принимаем ее на 10
-15° ниже Тд [1]. Давление принимается такое чтобы эвакуировать расплав
поверхностного слоя в грат либо разрушить его исходя из конкретной глубины
проплавления и теплофизических показателей свариваемого материала
Время выдержки определяется исходя из достижения квазистационарного
состояния оплавления по формуле [pic] где tо – константа имеющая
размерность времени и зависящая от толщины соединяемого материала и способа
нагрева; Q – энергия активации; R – газовая постоянная; Т – температура
При экспериментальной оценке свариваемости пластмасс фундаментальным
показателем является длительная прочность сварного соединения работающего
в конкретных условиях по сравнению с основным материалом.
Испытываются образцы вырубленные из сварного соединения на одноосное
растяжение. При этом временной фактор моделируется температурой т. е.
используется принцип температурно-временной суперпозиции основанный на
допущении что при данном напряжении связь между длительной прочностью и
температурой однозначна (метод Ларсона-Миллера).
8.2. Методы повышения свариваемости
Схемы механизма образования сварных соединений термопластов [2].
Повышение свариваемости термопластов может производиться за счет расширения
температурного интервала вязкотекучести интенсификации удаления
ингредиентов или разрушения дефектных слоев в зоне контакта препятствующих
сближению и взаимодействию ювенильных макромолекул.
Возможно несколько путей:
- введение в зону контакта присадки в случае недостаточного количества
расплава (при сварке армированных пленок) при сварке разнородных
термопластов присадка по составу должна обладать сродством к обоим
свариваемым материалам;
- введение в зону сварки растворителя или более пластифицированной
- принудительное перемешивание расплава в шве путем смещения
соединяемых деталей не только вдоль линии осадки но и возвратно-
поступательно поперек шва на 15 2 мм или наложением ультразвуковых
колебаний. Активизация в зоне контакта перемешивания расплава может
производиться после оплавления стыкуемых кромок нагревательным
инструментом имеющим ребристую поверхность. Свойства сварного соединения
могут быть улучшены последующей термической обработкой соединения. При этом
снимаются не только остаточные напряжения но возможно исправление
структуры в шве и околошовной зоне особенно у кристаллических полимеров.
Многие из изложенных мероприятий приближают свойства сварных соединений к
свойствам основного материала.
При сварке ориентированных пластмасс во избежание потери их прочности
вследствие переориентации при нагреве до вязкотекучего состояния полимера
применяют химическую сварку т. е. процесс при котором в зоне контакта
реализуются радикальные (химические) связи между макромолекулами.
Химическую сварку применяют и при соединении реактопластов детали из
которых не могут переходить при повторном нагреве в вязкотекучее состояние
Для инициирования химических реакций в зону соединения при такой сварке
вводят различные реагенты в зависимости от соединяемого вида пластмасс [1].
Процесс химической сварки как правило производится при нагреве места
9. Способы сварки пластмасс
9.1 Контактная тепловая сварка
Контактная тепловая сварка при которой тепло поступает к свариваемым
поверхностям за счет теплопроводности свариваемого материала от инструмета
прикладываемого к их внешней поверхности называется - методом сварки
проплавлением.Примером применения метода сварки проплавлением
являетсясоединение пленок внахлестку на прессе (рис. 1.11).
Рис. 1.11. Схема непрерывной сварка пленок внахлест при нагреве
инструментом соединяемых поверхностей:
- свариваемые пленки; 2 - нагреватель; 3 - прижимной ролик; 4 -
транспортирующий ролик; 5 - сварной шов; а - направление сварки; Р-
По режиму нагрева деталей при сварке проплавлением различают сварку при
длительном нагреве по заранее заданному термическому режиму и сварку
термоимпульсную (рис.1.12) при которой нагрев свариваемых деталей
осуществляется за счет кратковременного теплового импульса а скорость
охлаждения определяется теплоотводом в основание и подложку нагревателя и
Рис. 1.12. Схема термоимпульсной сварки пленок:
- свариваемые пленки; 2- нагреватель; 3- теплоиоляция; 4- анти-
адгезионный слой стеклоткани или фторопласта-4; 5- подвижная губка; 6-
эластичная подложка; 7- неподвижная губка; 8- сварной шов; Р- давление
прижима (стрелками показано перемещение подвижной губки)
В зависимости от вида инструмента – нагревателя различают сварку
ленточным или проволочным источником теплоты; при этом для нагрева
свариваемых изделий используют стальные ленты или нити по которым
пропускается электрический ток. Теплоемкость таких нагревателей
контактирующих со свариваемыми деталями практически ничтожна поэтому их
называют малоинерционными. Иногда эту сварку классифицируют по форме
применяемого инструмента: роликом полозом горячим клином нагретым
лезвием. При сварке методом проплавления теплоту можно подводить с одной
стороны – это односторонняя сварка в отличие от двусторонней при которой
нагреватели располагают с двух сторон относительно плоскости сварки
Рис. 1.13. Схемы сварки оплавлением:
а- встык; б- в тавр; в-сварка заплаты; г -приварка накладки; 12-
свариваемые материалы;
Контактная тепловая сварка проплавлением при которой нагревательный
инструмент неподвижен относительно изделия называется шаговой или цикли-
9.2 Сварка газовым теплоносителем.
Сварка газовым теплоносителем – основана на нагреве соединяемых
поверхностей материала до температуры сварки струей нагретого газа.
Выполняют ее с применением присадочного материала либо без него с помощью
сварочных горелок различной конструкции (рис. 1.14).
Рис. 1.14. Схема сварки нагретым газом: А- с прокаткой присадочного
прутка роликом : 1 - присадочный пруток; 2-прижимной ролик; 3-сопло;
- сварной шов; 5- соединяемые детали а-направление сварки . б -
направление манипулирования сварочной горелки; Б- с применением
присадочного материала: 1- свариваемые детали; 2- струя нагретого газа; 3-
- наконечник нагревателя; 4 -присадочный пруток; 5 - сварной шов; а -
Нагретый газ выходящий из сопла горелки нагревает одновременно
свариваемые крошки и присадочный пруток плотный контакт между которыми
создается за счет прижатия прутка рукой сварщика. Этот способ универсален и
гибок может быть применен для сварки материалов различных толщин
позволяет осуществлять сварку протяженных швов сложной конфигурации при
различном их положении в пространстве не требует сложного оборудования и
поэтому широко используют при сборке конструкций несмотря на сравнительно
низкую производительность и недостаточно высокую прочность соединения
(особенно при ударных и изгибающих нагрузках). Газовым теплоносителем можно
сваривать большинство известных термопластов: поливинилхлорид (ПВХ)
непластифицированный (винилпласт) полиэтилен высокого давления (ПЭВД)
полиэтилен низкого давления (ПЭНД) полипропилен (ПП). Сварка с присадкой
особенно эффективна в случае жестких термопластов. Положение шва при сварке
может быть самое разнообразное. Сваркой газовыми теплоносителями могут быть
выполнены швы практически всех типов соединений – стыковых нахлесточных
угловых и тавровых. Выбор типа шва обусловлен главным образом толщиной
свариваемых материалов особенностями свариваемых конструкций и условиями
их нагружения в процессе эксплуатации.
При сварке деталей толщиной до 4мм подготовку кромок можно не
производить. Если толщина свариваемых деталей более 4мм необходима
предварительная подготовка кромок: скос кромок одного либо обоих
свариваемых изделий с одной или двух сторон. Кромки обрабатываются
механическим путем – фрезерованием строганием опиловкой. Перед сваркой
обработанные кромки и сварочный пруток очищают от грязи масел и других
веществ. Швы полученные при сварке деталей с двумя симметричными скосами
двух кромок (Х-образная разделка) имеют преимущества перед швами
полученными при сварке деталей с одним скосом одной либо двух кромок (К и V
– образной разделкой). Они требуют в 16 – 17 раз меньшего расхода
присадочного материала. Кроме того при сварке стыковых соединений с Х-
образной разделкой кромок возможный непровар в корне шва находится в
средней части сечения что делает его менее опасным. Наконец сварные
соединения с Х-образной разделкой кромок более прочные так как благодаря
их симметричному строению при воздействии растягивающих и изгибающих
нагрузок в швах не возникают дополнительные изгибающие моменты.
9.3 Сварка экструдируемой присадкой
Сварка экструдируемой присадкой (расплавом) – состоит в том что
расплавленный материал выходящий из экструдера или другого устройства
непрерывно подается в зазор между соединяемыми поверхностями нагревает их
до температуры сварки и сплавляясь с ним образует сварной шов (рис.
Рис. 1.15. Схемы бесконтактной (а) и контактно-экструзионной (б)
- экструдер 2 - мундштук экструдера; 3 - свариваемые детали; 4 -
Этот метод прост высокопроизводителен обладает широкими
технологическими возможностями и позволяет получить высококачественные
сварные соединения. Сварка экструдируемой присадкой близка к процессу
сварки термопластов газовыми теплоносителями с присадочным материалом.
Сварное соединение образуется за счет сплавления присадочного материала с
кромками соединяемых деталей. Для получения плотного контакта
расплавленного присадочного материала с кромками свариваемых деталей
необходимо создавать давление. Теплота вносимая в зону сплавления должна
перевести в вязкотекучее состояние соединяемые кромки обеспечить
сохранение вязкотекучего состояния присадочного материала и компенсировать
потери теплоты с поверхности шва. Учитывая потери теплоты экструдируемой
присадкой при прохождении воздушного зазора температура присадки при
выходе из мундштука экструдера должна быть выше чем температура при
которой необходимо вносить присадочный материал в зону сплавления на 10-
°С и на 40-80°С выше температуры текучести соответствующих полимеров.
Сварку экструдируемой присадкой можно применять для соединения полимеров
характеризующихся широким интервалом вязко-текучего состояния и способных
нагреваться при экструзии значительно выше температуры текучести без
заметной деструкции. К таким материалам относятся полиэтилен полипропилен
фторопласты. Наиболее целесообразно сварку экструдируемой присадкой
осуществлять при высоких скоростях экструзии и максимально возможном
диаметре присадки так как в этом случае потери теплоты меньше. Способ
сварки при котором присадочный материал непрерывно поступает в зону
соединения из мундштука экструдера находящегося на некотором расстоянии от
поверхности свариваемого материала получил название бесконтактной
экструзионной сварки или просто экструзионной. Сварку экструдируемой
присадкой можно использовать для выполнения стыковых угловых тавровых и
нахлесточных соединений. Форма поперечного сечения и конструктивные
элементы подготовленных кромок и выполненных швов регламентированы ГОСТ
310 и определяются толщиной материала нагрузкой действующей на сварную
конструкцию и доступностью к месту сварки. Сварка стыковых соединений
возможна без подготовки кромок с односторонним (V-образная разделка) и
двусторонним скосом кромок (Х-образная).
Сварку стыковых соединений без подготовки кромок следует выполнять при
сборке конструкций из материалов толщиной до 3мм и только контактно –
экструзионным способом так как в этом случае разделку шва осуществляют
нагретым мундштуком экструдера в процессе сварки. При сварке встык листов
толщиной более 3мм необходим скос кромок одного или двух свариваемых листов
с одной либо двух сторон в зависимости от доступности места стыка.
Прочность сварных соединений полученных с помощью экструзионной и
контактно – экструзионной сварки зависит от угла раскрытия шва.
Максимальная прочность стыковых сварных соединений с V-образной разделкой
кромок достигается при углах раскрытия 70-90º; соединения с Х-образной
разделкой – при углах раскрытия 60-80º. При оптимальных углах раскрытия
швов соединения с Х-образными швами имеют более высокую прочность и требуют
меньшего расхода присадочного материала. Поэтому при сварке встык
конструкций из листовых материалов толщиной свыше 8мм в случае возможности
двустороннего подхода к месту стыка предпочтительна Х-образная разделка
кромок. Скос кромок несколько повышает прочность швов.
Ручной сваркой даже при наличии зазора трудно обеспечить стабильное
проплавление корня шва по всей его длине. В этом случае соединения
выполняют с подваркой корня шва с обратной стороны. Разнотолщинность
материала в случае стыковых соединений не должна превышать 1мм если
превышает то на листах (деталях) большей толщины делается скос под углом
-200 с одной или двух сторон до толщины более тонкого листа.
При сварке стыковых и угловых соединений число наносимых слоев (число
проходов) определяется толщиной соединяемого материала и
производительностью экструдера. При толщине материала до 6 мм указанные
соединения можно выполнять за один проход при толщине более 6 мм – за
несколько. В случае многопроходной сварки корень шва должен быть тщательно
проварен затем накладывают последующие слои таким образом чтобы каждый
последующий валик был более широким чем предыдущий. Перед наложением
каждого валика поверхность предыдущего должна быть тщательно очищена от
пыли и окисленного слоя. Для выполнения сварных соединений экструдируемой
присадкой необходимо применять присадочный материал аналогичный
свариваемому. Во всех случаях при сварке расплав вытекает в направлении
противоположном движению сварочного аппарата. Материалы толщиной до 5 мм
следует сваривать присадочным материалом диаметром 5 мм материалы толщиной
свыше 5 мм – диаметром 10 мм. Увеличение или уменьшение диаметра
присадочного материала ухудшает качество сварных соединений.
Оптимальное расстояние между мундштуком экструдера и поверхностью
свариваемого материала при указанных диаметрах присадочного равно 100 мм
Увеличение этого расстояния приводит к значительным потерям присадочным
материалом теплоты; уменьшение – затрудняет создание сварочного давления
которое должно сообщаться присадочному материалу непосредственно после
Наиболее важные технологические параметры экструзионной сварки:
- температура присадочного материала;
- сварочное давление;
Относительная прочность сварных соединений полученных экструзионной
сваркой составляет 90-100% прочности материала и несколько выше чем в
случае других известных способов сварки; значительно выше также скорость
сварки даже при использовании малопроизводительного сварочного
оборудования. Преимуществом способа контактно – экструзионной сварки
является также низкая чувствительность к состоянию поверхности.
9.4 Сварка в электрическом поле высокой частоты (ТВЧ)
Сварка в электрическом поле высокой частоты (ТВЧ) – основана на
разогреве свариваемого материала за счет поглощения им энергии
электрического поля. При сварке ТВЧ материал находится между металлическими
электродами электроды и помещенный между ними материал образует
конденсатор подключенный к источнику высокочастотной электрической
энергии. Под действием электрического поля материал – диэлектрик
поляризуется. В случае переменного электрического поля в диэлектрике
происходит переменная поляризация сопровождающаяся смещением заряженных
частиц входящих в атомы и молекулы вещества. Движение частиц в диэлектрике
происходит с некоторым трением и электрическое поле затрачивает свою
энергию на его преодоление. Перемещение частиц происходит с большим
трением что вызывает нагрев диэлектрика. Для сварки ТВЧ полимерных
материалов можно использовать строго определенные частоты: 1356 МГц; 2712
МГц; 4068 МГц; 8136 МГц. Интенсивность нагрева материала при сварке
достигается изменением напряжения на электродах. Однако напряжение можно
увеличивать до определенных значений выше которых происходит электрический
пробой материала. Максимальная температура при сварке ТВЧ сосредоточена на
соединяемых поверхностях а минимальная – на внешних поверхностях
контактирующих с электродами. Такое распределение температуры является
преимуществом ТВЧ так как снижает деформацию материала в зоне шва.
9.5 Ультразвуковая сварка пластмасс
Ультразвуковая сварка пластмасс – заключается в том что электрические
колебания ультразвуковой частоты (20-50 кГц) вырабатываемые генератором
преобразуются в механические продольные колебания магнитострикционного
преобразователя и вводятся в свариваемый материал с помощью продольно
колеблющегося инструмента – волновода расположенного перпендикулярно к
свариваемым поверхностям. Подвод механической энергии ультразвуковых
колебаний осуществляется за счет контакта излучающей поверхности сварочного
инструмента – волновода с одной или несколькими свариваемыми деталями.
Динамическое усилие возникающее в результате воздействия колеблющегося
волновода приводит к нагреву свариваемого материала а действие
статического давления обеспечивает получение прочного сварного соединения.
Образование сварных соединений при ультразвуковой сварке возможно без
проплавления всего объема материала так как максимальные температуры в
любой момент времени достигаются на соединяемых поверхностях материала. Под
действием мощных импульсов ультразвуковой частоты происходит выравнивание
микронеровностей разрушение и удаление различных поверхностных пленок и
загрязнений а также ускоряется процесс диффузии макромолекул и
перемешивание расплава. Все это ускоряет процесс образования сварных
соединений и обеспечивает возможность качественной сварки при температурах
более низких чем в случаях других известных способов а иногда даже ниже
температуры текучести полимеров.
9.6 Сварка пластмасс трением
Сварка пластмасс трением – основана на нагреве соединяемых
поверхностей за счет превращения механической энергии трения в теплоту
(рис.1.15). Поскольку пластмассы обладают низкой теплопроводностью от зоны
контакта деталей подвергающихся трению отводится незначительное
количество теплоты и поэтому нагрев их происходит быстро. Используют сварку
трением путем вращения соединяемых деталей и сварку путем колебательных
Рис. 1.16. Схема сварки трением с
использованием вращения
одной детали (а) обоих деталей (б) и вставки (в): 1 - вращающаяся
деталь; 2 ~ неподвижная деталь; 3 -сварной шов; 4 – вставка
За счет выделяющейся при трении теплоты термопластичный материал
переходит в вязкотекучее состояние (плавится) и под воздействием
прикладываемого при этом усилия часть расплава вытекает в процессе трения
(оплавления) свариваемых деталей. При накоплении в стыке необходимого
количества расплава процесс трения прекращается и детали сжимаются
(осаживаются) – получается неразъемное соединение. Сварка трением обладает
рядом важных преимуществ: высокой производительностью малым потреблением
энергии и мощности высоким качеством сварного соединения стабильностью
качества сварных соединений возможностью сварки разнородных пластмасс
гигиеничностью процесса. Сварку трением вращения применяют при соединении
деталей имеющих форму тел вращения. Вибротрением можно сваривать
несимметричные детали практически любой конфигурации.
9.7 Сварка излучением
Сварка излучением – использует способность пластмасс поглощать
лучистую (фотонную) энергию и за счет этого нагреваться(рис.13). В
результате поверхностные слои деталей из термопластов переходят в
вязкотекучее состояние и с приложением необходимого давления свариваются.
По виду источника и характера генерируемого им излучения различают
следующие разновидности сварки: инфракрасным (ИК) излучением светом
видимого диапазона (СВД) лазером (оптическим квантовым генератором).
Рис. 1.17. Сварка ИК-излучением на жесткой подложке с созданием
давления путем растяжения свариваемых материалов (а) и за счет упругой
А- ИК-луч; В- направление натяжения; Р— давление прижима: 1— губки
ограничителей зоны облучения; 2- нагреватель 3~ свариваемые пленки; 4-
сварной шов; 5- подложка
Особенностью сварки излучением является отсутствие непосредственного
контакта нагревательного инструмента (излучателя) с нагревательной
поверхностью что исключает необходимость применения мер по предупреждению
прилипания расплава (адгезии) к нагревателям. При нагреве поверхностей
деталей не происходит принудительного вытеснения расплава в первичный град.
Процесс нагрева излучением легко регулируется в широком диапазоне путем
изменения мощности лучистого потока (температуры нагрева излучателя) и
расстояния до облучаемых деталей. Для сварки используют излучатели в
которых элементы накаливания имеют температуру как правило выше 1000ºС
(до 2100-2200ºС). Основными параметрами процесса сварки излучением являются
мощность излучения (температура нагревателя) время нагрева свариваемых
поверхностей усилие и скорость осадки после нагрева. Сварка излучением
имеет недостаток – при нагреве оплавляемые поверхности на протяжении всего
цикла находятся в контакте с окружающей атмосферой что ведет к развитию
окислительных процессов расплава термопласта.
В последние годы разрабатываются процессы сварки полимеров основанные
на использовании двух и более видов энергии. Особенно эффективными
оказались сочетания энергии ультразвука с другими видами энергии: тепловой
световой трения энергии поверхностно-активных веществ. Основное
достоинство такого сочетания состоит в расширении технологических
возможностей сочетающихся видов энергии повышении качества полимерных
сварных соединений и стабильности процесса. Важным является и то что
комбинированные процессы сварки проще управляются менее чувствительны к
отклонениям параметров режимов сварки и к влиянию различных побочных
факторов. Эти процессы обладают также высокой универсальностью. К таким
комбинированным видам сварки относятся: сварка изделий из фторопластов
теплом и ультразвуком; фрикционно-ультразвуковая сварка.
Вопросы для самопроверки
Опишите способы получения полимеров и дайте их классификацию.
Опишите особенности строения линейных разветвленных и сетчатых
Дайте определение олигомеров.
Дайте определение термопластичных полимеров. Приведите примеры.
Дайте определение термореактивных полимеров. Приведите примеры.
Опишите фазовые состояния полимеров. Дайте определение
«надмолекулярная структура полимеров».
Приведите основные типы надмолекулярных структур характерных для
аморфных и кристаллических полимеров.
Опишите физические состояния и термомеханические кривые
Охарактеризовать стеклообразное высокоэластическое и
вязкотекучее состояния полимеров.
кристаллических полимеров.
Охарактеризуйте термомеханические кривые сетчатых полимеров.
Опишите способы управления структурой и свойствами полимерных
Основные пластмассы для сварных соединений.
Механизм образования сварных соединений.
Классификация пластмасс по свариваемости.
Методы повышения свариваемости.
Способы сварки пластмасс
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1
ВЫБОР РЕЖИМОВ СТЫКОВОЙ СВАРКИ ТЕРМОПЛАСТОВ
НАГРЕТЫМ ИНСТРУМЕНТОМ
Цель работы – выявить влияние параметров (температура давление
время) на качество сварного соединения на примере сварки одного из
представителей термопластических пластмасс. Изучить конструкцию мобильной
установки для сварки полиэтиленовых труб.
При использовании металла в различных конструкциях большое значение имеет
его коррозионная стойкость. Для повышения коррозионной стойкости применяют
различные способы защиты такие как: применение специальных материалов
защитные покрытия из коррозионностойких материалов окраска поверхностей и
т.д. Большой интерес представляет изготовление конструкций из пластмасс
обладающих довольно хорошей коррозионной стойкостью. При изготовлении и
монтаже детали довольно часто соединяют с помощью сварки.
Сварка нагретым инструментом является одним из наиболее
распространенных способов соединения термопластических пластмасс. Она нашла
широкое применение при монтаже трубопроводов: технологических
газоснабжения магистральных и других объектов.
Существует две разновидности данного способа: сварка с разогревом
соединяемых поверхностей посредством контактной теплопередачи от зеркала
нагревательного элемента и с нагревом путем излучения от инструмента
(нагревательного элемента) (рис. 2).
Основными параметрами процесса являются температура нагрева
поверхности зеркала инструмента время разогрева торцов давление на
свариваемые поверхности во время разогрева и при охлаждении время
охлаждения зазор между деталью и инструментом в случае сварки с нагревом
Процесс сварки сводится к тому что соединяемые поверхности небольшим
усилием прижимают к поверхности нагретого тем или иным способом
инструмента за счет теплоты которого торцы разогреваются до вязкотекучего
состояния; после удаления инструмента к свариваемым деталям прикладывают
(для обеспечения необходимого контакта) некоторое усилие в присутствии
которого происходит охлаждение шва.
Сварка при нагреве излучением аналогична вышеописанной с той лишь
разницей что соединяемые поверхности в процессе разогрева не контактируют
с зеркалом нагревательного элемента а устанавливаются на небольшом
расстоянии от него (зазор обычно составляет 15-3 мм).
Способов разогрева инструмента существует несколько – электрический
обогрев газовым пламенем в печи и т. д. Конструкция инструмента может
быть различной в зависимости от конфигурации свариваемого сечения (диск
кольцо полоса и т. д.) Наиболее широко этот способ сварки применяется при
соединении полиэтилена НД и ВД винипласта полипропилена. Выбор параметров
сварки зависит главным образом от марки материала.
Установка для сварки полиэтиленовых труб.
Установка для сварки полиэтиленовых труб (рис.3) состоит из следующих
составных частей: сварочного блока 1 торцовочного устройства 2 двух опор
Сварочный блок (рис. 4) является основной сборочной единицей установки
на которой производятся все операции по фиксации торцовке оплавлению и
сварке полиэтиленовых труб и состоит из рамы 1 неподвижного зажима 2
подвижного зажима 5 гидросистемы.
Рама представляет собой сварную конструкцию из уголков установленную на
два колеса и стойку 17 которая служит дополнительной опорой и позволяет
установить сварочный блок в строго горизонтальном положении. Неподвижный
зажим 2 жестко крепится к раме болтами и состоит из основания 4 и крышки 3
соединенных между собой шарнирно. Основание зажима имеет с обеих сторон
площадки для установки гидроцилиндров 13.
Подвижный зажим 5 состоит из основания 9 и двух крышек 7 шарнирно
связанных с основанием. К основанию зажима крепится рейка 15 и направляющие
Ручное перемещение подвижного зажима осуществляется ручкой 10 через
рейку 15 и зубчатый сектор 16 закреплений на одной оси с рукояткой. Ручное
перемещение применяется при торцовке труб и для быстрого подвода и отвода
подвижного зажима к нагревателю при оплавлении торцов труб и при сварке.
При перемещении зажим скользит по направляющим 8 при этом направляющие 8
скользят в стойках 6. Конструкция подвижного зажима позволяет фиксировать
детали фасонного профиля.
Гидросистема сварочного блока предназначена для создания необходимого
контактного давления при сварке труб и включает в себя два гидроцилиндра
установленных на основании неподвижного зажима насос 11 с ёмкостью для
рабочей жидкости манометра 12 крана 19 и соединительные трубопроводы.
Гидроцилиндр (насос – рис. 5) состоит из гильзы поршня со штоком двух
крышек и уплотнений. Насос предназначен для создания давления в
гидросистеме при оплавлении торцов и сварке полиэтиленовых труб и фасонных
деталей и состоит из гильзы 7 где перемещается плунжер 3 перепускного
клапана 5 поджимной гайки 2 и ручки 4. Залив рабочей жидкости
осуществляется через заливочную горловину 9.
Рабочая жидкость из емкости 8 засасывается через всасывающий клапан.
Затем подается через нагнетательный клапан в трубопровод гидросистемы для
присоединения которой служит тройник 6.
Торцовочное устройство (рис.6) предназначено для одновременного
подрезания торцов свариваемых поверхностей полиэтиленовых изделий. Оно
состоит из основания 6 рукоятки 1 храповых колес 3 8 собачки 2 ножей
Нагреватель 4 (рис.3) служит для оплавления свариваемых поверхностей
труб и представляет собой полированный диск толщиной 20 мм выполненный из
нержавеющей стали. Нагреватель имеет радиальные отверстия для индикатора
температуры. К диску нагревателя привернуты ручки используемые для
фиксации нагревателя над горелкой а также на сварочном блоке при
оплавлении свариваемых поверхностей изделий.
Индикатор температу- ры служит для контроля температуры . Опора 3
(рис. 3) служит для под-держания полиэтиленовых труб и плетей газопровода
во время сварки. Опора складная с регулировкой и фиксацией
та установки осуществля-ется следующим образом.
Предназначенные для сварки трубы закрепляются в зажимах сварочного блока
(рис.4). Перед оплавлением производится торцовка их концов торцовочным
устройством что позволит снять с торцов труб окисленный слой а также
получить параллельные торцы. Торцовочное устройство устанавливается между
торцами труб на штоки цилиндров и закрепляется фиксатором. Оплавление
торцов труб ведется с помощью электрического нагревателя с автоматическим
поддержанием заданной температуры.
Гидравлической системой сварочного блока создается необходимое давление
при оплавлении и сварке полиэтиленовых труб. Контроль давления
осуществляется по манометру который необходимо установить по месту
обеспечив удобное обслуживание установки.
Технология сварки нагретым инструментом полиэтиленовых труб.
Сварка встык нагретым инструментом заключается в нагревании свариваемых
торцов труб или деталей до вязкотекучего состояния полиэтилена при
непосредственном контакте с нагретым инструментом и последующем соединении
торцов под давлением осадки после удаления инструмента.
Основными параметрами процесса сварки встык являются:
– температура нагретого инструмента Тн;
– продолжительность оплавления tоп и нагрева tн;
– давление нагретого инструмента на торцы при оплавлении Роп и нагреве
– продолжительность технологической паузы между окончанием нагрева и
– давление на торцы при осадке Рос;
– время охлаждения сваренного стыка под давлением осадки tохл.;
Для машин со средней и высокой степенью автоматизации дополнительным
нормируемым параметром может являться время нарастания давления осадки tД
Изменение величины параметров по времени в процессе сварки производят по
Технологические параметры сварки выбирают по таблицам 1 – 4 в
соответствии с маркой полиэтилена из которого изготовлены трубы и детали.
Температуру рабочей поверхности нагретого инструмента выбирают по
таблице 4 в зависимости от материала свариваемых труб (ПЭ 80 ПЭ 100).
Продолжительность оплавления tоп. как правило не нормируется и зависит
от появления первичного грата.
Оплавление и нагрев торцов свариваемых труб и деталей осуществляют
одновременно (синхронно) посредством их контакта с поверхностями нагретого
Оплавление торцов необходимо выполнять при давлении
(20±02 кгссм2) в течение времени tоп достаточного для образования по
всему периметру контактирующих с нагревателем торцов труб валиков
расплавленного материала (первичного грата) высотой не менее:
– 10 мм при толщине стенки труб от 5 до 10 мм;
– 15 мм при толщине стенки труб от 10 до 12 мм;
– 20 мм при толщине стенки труб от 12 до 20 мм;
– 25 мм при толщине стенки труб от 20 до 26 мм;
– 30 мм при толщине стенки туб от 26 до35 мм.
После появления первичного грата давление необходимо снижать до Рн =
(002±001) МПа (02±01 кгссм2) и торцы нагревать в течение времени tн
которое в зависимости от сортамента (толщины стенки) труб температуры
окружающего воздуха То следует выбирать по табл. 5.
Температура рабочей поверхности нагретого инструмента ºС
Параметр Температура окружающего воздуха Tо °С и тип
От минус 15 до 0 От 0 до 20 От 20 до 45
Стандартное Диаметр и От минус 15 От 0 до 20 От 20 до 45
размерное толщина стенки до 0
SDR 11 63х58-75х68 75-110 60-105 50-.95
х8-110х100 100-140 85-140 70-125
5х114-140х12120-170 100-165 80-150
0х146-180х16155-210 135-200 105-185
0х182-225х20190-260 160-250 125-225
0х227-315х28250-360 225-350 210-310
SDR 176 90х52-110х63 70-105 55-100 45-90
5х71-140х80 95-125 80-120 60-110
0х91-180х103105-140 90-140 70-125
0х114-225х12120-170 100-165 80-150
0х1427-315х18135-200 115-190 90-180
Допускается давление Рн снижать до минимума при сохранении постоянства
контакта торцов труб (деталей) с нагретым инструментом.
Продолжительность технологической паузы необходимой для удаления
нагретого инструмента должна быть минимальной не более:
– 3 с – для труб 63 мм;
– 4 с - для труб от 90 до 140мм;
– 5 с - для труб от 140 до 250мм;
-- 6 с – для труб от 250 до 315 мм.
После удаления нагретого инструмента торцы труб или труб и деталей
сводят и производят осадку стыка при давлении Рос = (02±002) МПа
(20±002 кгссм2). Осадку стыка необходимо осуществлять плавным
увеличением давления до заданного уровня. Время нарастания давления осадки
tд с для труб из ПЭ 80 ПЭ 100 следует принимать по табл.6.
Охлаждение стыка необходимо производить под давлением осадки в течение
времени tохл. величина которого принимается по табл. 7. в зависимости от
толщины стенки свариваемых труб и деталей и температуры окружающего воздухе
Время нарастания давления осадки tд с для труб из ПЭ80 ПЭ100
Сортамент свариваемых труб по ГОСТ Р 50838 Время tд с
Стандартное размерное Диаметр и толщина стенки трубы
0х227-315х286 10-16
SDR 176 90х52-110х63 3-6
0х1427-315х185 8-12
Время охлаждения стыка tохл. мин не менее для труб из ПЭ80 и ПЭ100
Сортамент свариваемых труб Температура окружающего воздуха То ºС
по ГОСТ Р 50838 и время прогрева с
Стандартное Диаметр и толщинаОт минус 15 От 0 до 20 От 20 до
размерное стенки трубы мм до 0 45
SDR 11 63х58--75х68 4-5 5 6-7
х82--110х100 6-7 8-9
5х114--140х128-11 12-15
0х146--180х1611-14 15-18
0х227--315х2824--30
SDR 176 90х52--110х63 4-5 5-6 6-7
5х71--140х80 5-6 6-7 8-9
0х91--180х1038-10 9-12 10-12
0х114--225х1210-11 11-13 13-15
0х1427--315х1818-22 19-24 21-28
С целью повышения точности поддержания заданных давлений (Роп. Рн Рос)
в процессе сварки необходимо учитывать потери на трение движущихся частей
сварочной машины и перемещаемой при сварке трубы (секции). Для этого перед
сваркой каждого стыка производят замер усилия при холостом ходе подвижного
зажима центратора машины с закреплённой в нем трубой (секцией) которое
суммируют с усилием необходимым для создания заданных давлений (Роп. Рн
Для уменьшения потерь на трение рекомендуется использовать переносные и
регулируемые по высоте роликовые опоры.
При сварке нагретым инструментом рабочие поверхности нагревателя
покрывают антиадгезионным слоем препятствующим налипанию расплава на
Параметры циклограммы процесса (рисунок 7) и режимы сварки (таблицы 4 –
) труб различного сортамента соблюдаются сварочной машиной с высокой
степенью автоматизации автоматически со средней степенью автоматизации –
часть параметров выполняется в ручном режиме в ручных сварочных машинах
автоматически поддерживается только температура нагревательного
Маркировку сварных стыков (код оператора) производят несмываемым
карандашом - маркером яркого цвета (например: белого или желтого – для
черных труб черного и голубого - для желтых труб).
Маркировку (номер стыка и код оператора) наносят рядом со стыком со
стороны ближайшей заводской маркировке труб.
Допускается маркировку (код оператора) производить клеймом на горячем
расплаве грата через 20-40 с после окончания операции осадки в процессе
охлаждения стыка в зажимах центратора сварочной машины в двух диаметрально
противоположных точках. Рекомендуется использовать клейма типа ПУ-6 или ПУ-
При выполнении работ проводить систематический операционный
контроль качества сборки под сварку и режимов сварки;
Подготовка к работе и порядок работы. На месте производства работ
свариваемые трубы зафиксировать в неподвижном и подвижном зажимах
сварочного блока. Концы должны выступать от 15-20 мм. Детали фасонного
профиля переходы и втулки фиксируются только в подвижном зажиме
вспециальных вкладышах которые поставляются со сварочным блоком и
устанавливаются взамен вкладышей 14. (рис. 4). При переходе от трубы
большегодиаметра к меньшему переходную втулку предварительно приварить к
трубеменьшего диаметра. На штоки цилиндров установить торцовочное
устройствоизафиксировать. Ручкой 10 (рис. 4) плотно поджать к торцовочному
устройствуторцы закрепленных труб. Поворотом рукоятки торцовочного
устройства производится подрезка торцов обеих труб. Одновременно с
торцовкой труб производится нагрев нагревателя (поверхности нагревателя
должны бытьочищены от наплавлений скребком).
Контроль температуры его нагрева осуществляется автоматически. Индикатор
находится в нагревателе до тех пор пока на его шкале стрелка не остановит
в пределах отмеченного сектора при этом для труб из полиэтилена средней
плотности ПСП стрелка должна находиться в начале сектора (TH-230-240º С) а
для труб из полиэтилена высокой плотности ПВП в конце сектора (ТН-250-260º
С). После определения температуры индикатор вынимается из отверстия
нагревателя и вставляется в скобу предусмотренную на кожухе горелки. Затем
нагреватель устанавливается в зазор между обработанными торцами изделий.
Перемещением подвижного зажима вручную с помощью механизма ручного
перемещения производится прижим торцов к плоскостям нагревателя.
Кран гидросистемы перекрывается и насосом создается требуемое давление.
После оплавления торцов быстро сбрасывается давление в гидросистеме и
насосом создается давление необходимое для прогрева. После прогрева снова
сбрасывается давление. Для этого необходимо открыть кран 19 (рис. 4) и
убрать нагреватель. Трубы быстро с помощью ручного привода сводятся до
соприкосновения кран закрывается и насосом 11 создается необходимое
Контроль давления осуществляется по манометру с предельными отклонениями
%. Показания манометра должны складываться из двух величин по формуле:
Рраб = Ррасч + Рхол. хода
где Рраб. – рабочее давление кгссм2; Ррасч – давление необходимое для
создания усилия прижима свариваемых поверхностей при оплавлении прогреве
или осадке материала кгссм2. Оно выбирается в зависимости от диаметра и
типа свариваемых труб по таблице 4.
Рхол. хода – давление в системе необходимое для преодоления сил трения
в подвижном зажиме (усилие холостого хода) кгссм2. Оно определяется через
0 часов работы установки т.к. эта величина зависит от состояния трущихся
Трубы после сварки должны быть выдержаны в зажимах сварочного блока в
течение 5-7 минут для охлаждения после чего трубы освобождаются из зажимов
и установка передвигается к месту сварки нового стыка. Допускается торцовку
труб производить следующим образом. При помощи гидравлической системы
подвести концы труб к торцовочному устройству обеспечив оптимальный прижим
для снятия стружки торцовку производить до прекращения выхода стружки. При
необходимости поджим концов труб к торцовочному устройству повторить и
вновь произвести торцовку.
2. Оборудование и материалы
Установка для сварки нагретым инструментом принципиальная схема
которой представлена на рис.4.
Заготовки из труб термопласта размером 63×58 мм (один из
материалов – полиэтилен винипласт оргстекло) – 10 шт.
Машина для испытания на растяжение усилием до 15000 Н оснащенная
специальными захватами.
Инструмент для изготовления образцов: шаблон чертилка ножовка
полукруглый напильник штангенциркуль шабер.
3. Порядок выполнения работы
Ознакомиться с инструкцией по работе с установкой мобильной для
сварки полиэтиленовых труб.
Произвести опытную сварку одной заготовки с целью проверки работы
установки и получения навыка настройки ее на определенный режим.
Провести маркировку и замеры свариваемых сечений для подсчета
необходимой величины усилий во время сварки. Данные занести в табл. 8.
Сварить заготовки при четырех-пяти различных значениях одного из
параметров и неизменной величине остальных (по указанию преподавателя).
При креплении труб в хомутах обращать внимание на правильность
установки заготовок. Смещения кромок не допускать.
После охлаждения сварного шва (время охлаждения не менее 1 мин)
освободить заготовки от верхних зажимов отвести подвижный хомут в исходное
положение и снять заготовку с установки.
Провести визуальный контроль полученного сварного соединения.
Критерии оценки внешнего вида соединений выполненных нагретым инструментом
встык приведены в таблице 26 приложения А.
Результаты измерений
№ Материал Размеры заготовок до сварки
№ Сообщение на ЦИ Примечание
Сварка ХХХХ ХХХХ - номер сварки
Оператор: ХХХХ ХХХХ - код сварщика
Объект НО: ХХХХ ХХХХ - номер объекта
U задан. U: ХХХХ XXXX -заданное напряжение сварки
Т задан. Т: ХХХХс ХХХХс - заданное время сварки
ХХХХХХ ХХХХ - код сварщика
Время XX:YY Время сварки ХХ-часы YY-минуты
Диаметр XXX Диаметр фитинга XXX ~ мм
Производ XX Код производителя фитинга
Темпер t:+XX°C Температура окружающею воздуха во время
R задан. Х.ХХОм сварки
Сопротивление фитинга считанное
R измер. ХХ.ХХОм Сопротивление фитинга измеренное
U измер.U: XX XВ аппаратом в Ом
ХХХ - напряжение сварки в В
Т остав.Т: ХХХХс ХХХХ - время оставшееся до конца сварки X
Ошибка 000Х - код ошибки (см.таблицу 9)
По окончании вывода протокола сварок на ЦИ выводится сообщение
соответствующее меню выбора режима РАБОТА:
Для того чтобы выйти из режима считывание протокола необходимо на
аппарате нажать кнопку появится сообщение:
7.9 Удаление протоколов сварок.
Перейти в меню операции с данными (см.3.7.1). На ЦИ должно быть
Выбор осуществляется путем нажатия кнопки и подтверждается .
Удалить протоколы сварки. На ЦИ выводится сообщение:
Выбор осуществляется путем нажатия кнопки .
Подтвердить удаление протокола сварки. Нажать на кнопку на ЦИ
выводится сообщение:
ВНИМАНИЕ - имейте в виду после очистки протоколов из памяти аппарата
вам самостоятельно восстановить протоколы обратно будет невозможно.
Восстановить утраченные протоколы можно только на заводе-изготовителе или
в уполномоченном сервисном центре.
После завершения стирания протоколов аппарат переходит в меню режима
ДАННЫЕ на ЦИ выводится сообщение:
7.10 Переполнение памяти протоколов сварок.
При переполнении памяти протоколов сварок (количество сварок 1024) на
время 2-3 сек. на ЦИ выводится сообщение:
Затем аппарат переходит в меню стирания протоколов сварок (3.5.3).
ВНИМАНИЕ - ДЛЯ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ПОТЕРИ ПРОТОКОЛОВ СВАРОК ЕСЛИ ОНИ
НЕОБХОДИМЫ ТРЕБУЕТСЯ ВЫВЕСТИ ПРОТОКОЛЫ НА ПК И СОХРАНИТЬ ИХ В СООТВЕТСТВИИ
После сохранения протоколов сварок необходимо выполнить стирание
протоколов сварок в соответствии с п.2.48.9.
8 Режим функционирования СЕРВИС.
В режим функционирования СЕРВИС могут войти только представители
завода-изготовителя и уполномоченных сервисных центров. Для входа в режим
СЕРВИС необходим пароль доступа
9 Перегрев аппарата.
В процессе сварки полиэтиленовых труб большого диаметра и при
высокой температуре окружающей среды может произойти перегрев
аппарата. Для предотвращения этого Аппарат имеет встроенную тепловую
защиту которая запрещает старт следующего цикла сварки если температура
радиоэлементов внутри аппарата больше +70 °С при этом на ЦИ выводиться
Предупреждение: ни в коем случае не удерживайте кнопку более 2 сек.
или не фиксируйте ее каким-либо образом (в сервисном центре это легко можно
определить) т.к. при этом аппарат может выйти из строя. В этом случае Вы
автоматически лишитесь гарантии.
Характерные неисправности и методы их устранения.
Характерные признаки неисправностей и методы их устранения приведены в
№Признаки Причины неисправности Способ нахождения и
пнеисправности устранения
При подаче питания 1. Неисправен сетевой 1. Проверить сетевой
общее включение кабель. кабель предварительно
аппарата не 2. Сработала электронная отсоединив от источника
происходит. ЦИ на защиты ВЗП. силового питания.
передней панели не 3. Напряжение питание выше 2. Нажать на кнопку ВЗП
светится. 270В 4.Неисправен источник (под переносной ручкой)
питания аппарата. 3. Измерить напряжение
Аппарат не включается питания 4. Заменить или
даже при нормальном отрегулировать источник
напряжении питания питания.
Отправить аппарат в
На ЦИ сообщение: 1.Температура окружающей 1. Охладить аппарат: 2
«*ТРАССА* t :+40 °С»среды выше плюс 40°С Поместить аппарат в
или «*ТРАССА* 2. Температура окружающей тёплое помещение. 3.
i:~10°C» среды ниже минус10°С. Дождаться улучшения
аппарат издаёт погодных условий.
прерывистый звуковой
работы не возможно.
После запуска 1 .Не соответствие по 13аменить фитинг
процесса сварки на сопротивлению или обрыв в 2.Зачистить или заменить
ЦИ сообщение: *БРАК фитинге наконечник
МУФТЫ*. 2. Плохой контакт 3. Использовать
наконечника наконечники
диаметра для данного
На ЦИ сообщение: Высокая температура внутри Охладить аппарат
*ОШИБКА 1*. корпуса аппарата. Возникает
продолжительной работе с
большими диаметрами муфт
Во время сварки на 1.Напряжение питания 1.Измерить напряжение
ЦИ выводится аппарата не в норме (менее питания. 2.
сообщение: *6РАК* 190 В или более 242 В) Отрегулировать
ОШИБКА 2 сварка 2. Напряжение на выходе напряжение на выходе
прерывается. генератора не в норме. генератора или заменить.
Во время сварки из Напряжение питания аппаратаИзмерить напряжение
ЦИ выводится не в норме (при нагрузке питания при нагрузке.
сообщение: *БРАК* менее 180 В).
Во время сварки на Перегрев трансформатора. Охладить аппарат
Во время сварки на 1. Плохой контакт между 1. Зачистить контакт или
ЦИ выводится муфтой и наконечником заменить наконечник
сообщение: *БРАК* 2. Вблизи мощный источник 2. Аппарат вынести из
ОШИБКА 6 электромагнитных излученийзоны или выключить
сварка прерывается (п.п.2.33) источник
Штрихкод не В зависимости то Прочитать инструкцию по
считывается конструкции сканирующего работе со сканером в
устройства необходимо руководстве по
непосредственно наводить наэксплуатации см. пункт
штрихкод или при считывании2.4.7.2.
расположить сканер от 2 Почистить окно
штрих-кода иа расстоянии 10сканера
Грязное окно у сканера.
Технология сварки соединительными деталями
с закладным нагревателем
Сварку труб соединительными деталями с закладными нагревателями
- при прокладке новых газопроводов преимущественно из длинномерных труб
(плетей) или в стесненных условиях;
- при реконструкции изношенных газопроводов методом протяжки в них
полиэтиленовых труб (в том числе профилированных);
- при соединении труб и соединительных деталей с разной толщиной стенки или
при толщине стенки менее 5 мм или изготовленных из разных марок
- для врезки ответвлений в ранее построенные газопроводы;
- для вварки трубной вставки в полиэтиленовые газопроводы;
- при строительстве особо ответственных участков газопровода (стесненные
условия пересечение дорог и пр.).
Для сварки труб соединительными деталями с закладными нагревателями
применяют сварочные аппараты работающие от сети переменного тока
напряжением 230 В (190-270 В) от аккумуляторных батарей или от передвижных
источников питания (мини-электростанций).
Технологический процесс соединения труб с помощью соединительных
деталей с закладными нагревателями включает (рисунок 10):
- подготовку концов труб (очистка от загрязнений механическая
обработка - циклевка свариваемых поверхностей разметка и обезжиривание);
- сборку стыка (установка и закрепление концов свариваемых труб в
зажимах позиционера (центрирующего приспособления) с одновременной посадкой
детали с ЗН подключение детали с ЗН к сварочному аппарату);
- сварку (задание программы процесса сварки пуск процесса сварки
нагрев охлаждение соединения).
Для исключения неправильного распределения тепла внутри соединения
приводящего к сильному расплавлению полиэтилена не рекомендуется превышать
величину косого среза торца трубы а (рис.11) указанную в табл. 12.
Очистку концов труб от загрязнений производят так же как при
выполнении сварки встык. Концы труб защищенных полипропиленовой оболочкой
освобождаются от нее с помощью специального ножа. Длина очищаемых концов
труб должна быть как правило не менее 15 длины раструбной части
применяемых для сварки деталей.
Рис. 10 - Схема соединения труб муфтой с закладным
а - подготовка соединяемых элементов; б в г - этапы сборки стыка; д -
собранный под сварку стык; 1 - труба; 2 - метка посадки муфты и
механической обработки поверхности трубы; 3 - муфта; 4 - закладной
нагреватель; 5 - клеммы токопровода; 6 - позиционер;
- токоподводящие кабели сварочного аппарата.
Рис. 11.Схема подготовки торцов труб к сварке:
[p [pic] - максимальный
зазор между двумя концами труб в муфте
Механическую обработку поверхности концов свариваемых труб производят
на длину равную не менее 05 длины используемой детали. Она заключается в
снятии слоя толщиной 01-02 мм с поверхности размеченного конца трубы. Для
труб диаметром до 75 мм а также для удаления заусенец с торца трубы как
правило применяется ручной скребок (цикля). Для труб диаметром более 75
мм а также для труб изготовленных из ПЭ 100 независимо от диаметра
рекомендуется использовать механический инструмент (торцовочную оправку)
которая обеспечивает быстрое и равномерное снятие оксидного слоя с
поверхности труб. Кольцевой зазор между трубой и соединительной деталью не
должен как правило превышать 03 мм и после сборки на трубе должны быть
видны следы механической обработки поверхности.
Для правильной центровки соединения после механической обработки на
концы свариваемых труб наносят метки глубины посадки муфты (соединительной
детали) равные половине ее длины.
Не рекомендуется превышать величину зазора между торцами труб в муфте е
(рис.11) указанный в таблице 12.
Величины зазоров между торцами труб в зависимости от диаметра трубы
Диаметр мм 20-40 50
Рис. 13. Раструбная сварка:
а-подготовка к сварке; б- выравнивание и прогрев; в- соединение и
Сварка с нахлесточным швом с контактным нагревом труб с наружным
диаметром до 40 мм может производиться вручную. Для больших диаметров из-за
увеличивающихся усилий совмещения необходимо использовать сварочные
Ориентировочные значения для сварки с нахлесточным швом с контактным
нагревом труб и фасонных деталей из ПП ПЭВП при наружной температуре от
ок. 20°C и умеренном движении воздуха приводятся в таблице 13.
Температуры муфтовой сварки.
Материал Температуры сварки
PP-H PP-R 250 - 270 °C
Режимы муфтовой сварки
Тип Наружный Температура Время Время Время
материаладиаметр сварки нагрева переставки охлаж-
трубы (мм)0С [с] дения
Сварочный аппарат FORAweld-1500-2ST предназначен для выполнения раструбной
(муфтовой) диффузионной сварки полипропиленовых труб и фитингов диаметрами
Рис. 14 . Сварочный аппарат FORAweld-1500-2ST:
- Электронагреватель аппарата; 2 – Шток для крепления аппарата на
струбцине; 3-Панель элементов управления аппаратом; 4-Клавиши включения-
выключения аппарата (положение I - вкл положение 0 - выкл.); 5 -
Индикаторы готовности аппарата к работе; 6 - Ручка терморегулятора;
-Рукоятка аппарата; 8-Электрический кабель с вилкой; 9-Парные сменные
нагреватели в комплекте.
Принцип работы сварочного аппарата
Сварочный аппарат представляет собой электрический прибор работающий при
напряжении сети 220В мощностью 1500 Вт. В корпусе электронагревателя
размещены два независимых электрических нагревательных элемента (далее
ТЭНы). Корпус электронагревателя оснащён тремя посадочными отверстиями для
крепления сменных насадок.
Терморегулятор автоматически поддерживает заданную температуру насадок.
Заданная температура устанавливается при помощи вращения ручки
терморегулятора имеющей температурную шкалу от 50°С до 300°С Цена деления
температурной шкалы 10°С
Для быстрого нагрева аппарата до рабочей температуры после его включения
в сеть рекомендуется включить оба ТЭНа. Горящие индикаторные лампочки
двух клавиш показывают что идёт одновременный нагрев двух ТЭНов. При
достижении заданной температуры индикаторные лампочки гаснут.
Размеры нагревательных элементов (рис. 1516.) должны соответствовать
указанным в таблице15 величинам:
Нагревательная Нагревательный дорн
Размеры нагревательных элементов
ПЭВП ПП ПВДФ ПЭВП ПП ПВДФ
d [мм] b [мм] b[мм] t [мм] t [мм]
При сварке поворот деталей относительно друг друга после сопряжения
деталей не допускается. После каждой сварки необходима очистка рабочих
поверхностей от налипшего материала. Время выдержки свариваемых изделий до
частичного отвердения зависит от применяемого материала.
Подготовка сварного шва (выполняется непосредственно перед сваркой).
Концы трубы отрезать под прямым углом и с внутренней кромки ножом удалить
заусенцы. На конце трубы по таблице 16 выполнить фаски и обработать
инструментом с малым углом заострения так чтобы лезвие инструмента было
заподлицо с торцом трубы.
Свариваемые поверхности трубы и фасонной детали основательно прочистить
бумагой не оставляющей волокон бумагой и растворителем (напр. ацетон).
Поверхность трубы можно обработать циклей и отметить на трубе глубину ввода
Порядок выполнения работы
Закрепить сварочный аппарат на струбцину.
Закрепить парные сменные насадки требуемого диаметра на
Установить температуру сварки с помощью ручки терморегулятора.
Подсоединить аппарат к электрической сети.
Включить аппарат нажатием двух клавиш включения-выключения. При
достижении заданной температуры индикаторы погаснут. Аппарат готов к
Для производства сварки необходимо надеть фитинг на сварочную насадку а
трубу вложить в отверстие насадки с противоположной стороны. В таком
положении трубу и фитинг следует удерживать в течение предписанного
времени нагрева (см. таблицу 17).
После нагрева следует быстро снять фитинг и трубу с насадки ввести
трубу в фитинг до упора и удерживать неподвижно для охлаждения в течение
предписанного времени.
Не допускается поворот вокруг оси трубы и фитинга во избежание
Охладить сварное соединение (табл.17)
Время охлаждения сварного соединения
Диаметр Ширина Время ТехнологичеВремя
трубы мм сварочного нагрева ская пауза охлаждения мин
пояска мм сек (время
Проверить внешний наплыв сварного шва. При этом он должен
просматриваться по всей окружности трубы.
Вопросы для самопроверки:
Суть технологического процесса сварки в раструб?
Последовательность технологического процесса сварки в раструб?
От каких факторов зависит выбор температуры нагревательного
Отличие раструбной сварки от раструбно-стыковой?
К какому классу относится сварка в раструб?
Допускается ли принудительное охлаждение сварного соединения?
К чему приводит превышение установленной температуры нагретого
инструмента при сварке в раструб?
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4
МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ
Цель работы – выявить влияние основных параметров (температура
давление время) на качество сварного соединения.
Технические требования к контролю качества
Контролю качества подвергаются сварные соединения полиэтиленовых
труб соответствующих требованиям СНиП 42-01 и положениям СП 42-103-2003.
Методы контроля качества сварных соединений подразделяются на
обязательные (экспресс) методы проводимые лабораториями строительно-
монтажных организаций и специальные которые рекомендуются к использованию
отраслевыми испытательными центрами в случае необходимости подтверждения
результатов экспресс-методов проведения углубленных исследований и других
Вырезку контрольных соединений из газопровода осуществляют как
правило в период производства сварочных работ с целью исключения вварки
катушек". Контрольные соединения выполняются по требованию органов надзора
в случаях обнаружения нарушений технологии сварки.
Сварные соединения забракованные при внешнем осмотре и измерениях
исправлению не подлежат и должны быть из газопровода удалены.
При неудовлетворительных результатах испытаний сварных соединений
экспресс-методами необходимо произвести проверку удвоенного числа
соединений тем же методом контроля по которому были получены
неудовлетворительные результаты. Если при повторной проверке хотя бы одно
из проверяемых соединений окажется неудовлетворительного качества то
сварщик отстраняется от работы и направляется для переаттестации или
проверяется сварочная техника которая использовалась для сварки этих
Контрольные сварные соединения должны быть подвергнуты:
а) визуально-измерительному контролю;
б) неразрушающему контролю физическим методом (УЗК);
в) механическим испытаниям.
Перечень методов испытаний обязательных при проведении контроля
качества сварных соединений приведен в таблице18 .
Метод испытаний Способ сварки
Внешний осмотр Нагретым инструментом встык. Деталями с ЗН
Испытание на осевое Нагретым инструментом всты
Ультразвуковой контроль Нагретым инструментом встыкТ
Пневматические испытания Нагретым инструментом встык. Деталями с ЗН
Испытание на сплющивание Деталями с ЗН
Испытание на отрыв Деталями с ЗН (только для седловых
Обязательным методам оценки подвергаются сварные соединения
выполняемые перед началом строительства газопроводов (допускные стыки) и
отбираемые из числа стыков сваренных каждым сварщиком на объекте
строительства (контрольные стыки).
Перечень специальных методов испытаний рекомендуемых к проведению при
оценке качества сварных соединений приведен в таблице19 .
Испытание на статический изгиб Нагретым инструментом встык
Испытание при постоянном Нагретым инструментом встык. Деталями
внутреннем давлении с ЗН
Испытание на длительное Нагретым инструментом встык
Испытания на стойкость к удару Деталями с ЗН (только для седловых
Обязательные методы контроля сварных соединений
Внешнему осмотру подвергаются соединения выполненные любым способом
сварки. Рекомендуется иметь на предприятии контрольные образцы соединений
по которым можно вести наглядное сравнение внешнего вида сварных соединений
Внешний вид сварных соединений выполненных сваркой нагретым
инструментом встык отвечает следующим требованиям:
- валики сварного шва должны быть симметрично и равномерно
распределены по окружности сваренных труб;
- цвет валиков должен быть одного цвета с трубой и не иметь трещин
пор инородных включений;
- симметричность шва (отношение ширины наружных валиков грата к общей
ширине грата) должна быть в пределах 03-07 в любой точке шва. При сварке
труб с соединительными деталями это отношение допускается в пределах 02-
- смещение наружных кромок свариваемых заготовок не должно превышать
% толщины стенки трубы (детали);
- впадина между валиками грата К (линия сплавления наружных
поверхностей валиков грата) не должна находиться ниже наружной поверхности
труб (деталей) (см. рисунок 1);
- угол излома сваренных труб или трубы и соединительной детали не
должен превышать 5º.
Размеры валиков наружного грата швов зависят от толщины стенки и
материала свариваемых труб (деталей). В таблице 20 приведены данные
полученные при сварке труб (деталей) из ПЭ 80 для труб (деталей) из ПЭ 100
эти размеры меньше на 15% (см. рис.17).
Допускается производить определение расположения впадины между
валиками грата и замер самих валиков после срезания наружного грата по
всему периметру трубы. Срезание наружного грата должно производиться при
помощи специальных приспособлений не наносящих повреждений телу трубы и не
выводящих толщину стенки за пределы допускаемых отклонений.
Отдельные наружные повреждения валиков сварного шва (срезы сколы
вдавленности от клеймения стыка) протяженностью не более 20 мм и не
затрагивающие основного материала трубы считать браком не следует.
Критерии оценки внешнего вида соединений выполненных нагретым
инструментом встык приведены в приложени А
Размеры наружного грата
Условное обозначение
Параметры SDR 11 SDR 11 SDR 176 SDR 11 SDR176SDR 11
наружного грата 63х58 75х68 90х52 90х82 110х63110х10
Высота h мм 15-30 20-3515-30 25-45 20-3525-45
Ширина L мм 40-60 50-7040-60 60-85 45-6565-100
Параметры SDR 176SDR 11 SDR 176 SDR 11 SDR176SDR 11
наружного грата 125х71 125х11140х80 140х127 160х91160~146
Высота h мм 20-40 30-5025-45 30-50 25-4530-50
Ширина L мм 55-75 85-1260-85 90-130 60-95100-150
SDR 176SDR 11 SDR 176 SDR 11 SDR 176SDR 11
обозначение труб 180х102180х16200х114 200х182225х128225х205
Параметры наружного 4
Высота h мм 25-45 35-5530-50 40-60 30-50 45-65
Ширина L мм 65-105110-1685-120 130-1890-130140-210
Условнообозначение труб
наружного грата 250х142250х22 280х254 315х17315х286
Высота h мм 30-50 45-7535-55 50-80 40-6055-90
Ширина L мм 95-145165-23110-165170-260130-18190-280
Внешний вид сварных соединений выполненных при помощи деталей с
закладными нагревателями отвечает следующим требованиям:
- трубы за пределами соединительной детали должны иметь следы
механической обработки (зачистки);
- индикаторы сварки деталей должны находиться в выдвинутом положении;
должен превышать 5°;
- поверхность деталей не должна иметь следов температурной деформации
или сгоревшего полиэтилена;
- по периметру детали не должно быть следов расплава полиэтилена
возникшего в процессе сварки.
Критерии оценки внешнего вида соединений выполненных при помощи
седловых отводов с закладными нагревателями приведены в таблице 27
муфт тройников отводов и переходов с закладными нагревателями приведены
Испытаниям на осевое растяжение подвергаются соединения выполненные
сваркой нагретым инструментом встык.
Критерием определения качества сварного соединения выполненного
сваркой встык является характер разрушения образцов.
Различают три типа разрушения:
- тип I - наблюдается после формирования "шейки" - типичного сужения
площади поперечного сечения образца во время растяжения на одной из половин
испытываемого образца. Разрушение наступает как правило не ранее чем при
достижении относительного удлинения более 50% и характеризует высокую
пластичность. Линия разрыва проходит по основному материалу и не пересекает
- тип II - отмечается при достижении предела текучести в момент начала
формирования "шейки". Разрушение наступает при небольших величинах
относительного удлинения как правило не менее 20 и не более 50% и
характеризует низкую пластичность. Линия разрыва пересекает плоскость
сварки но носит вязкий характер;
- тип III - происходит до достижения предела текучести и до начала
формирования "шейки". Разрушение наступает при удлинении образца как
правило не более 20% и характеризует хрупкое разрушение. Линия разрыва
проходит точно по плоскости сварки.
Результаты испытания считаются положительными если при испытании на
осевое растяжение не менее 80% образцов имеют пластичный характер
разрушения I типа. Остальные 20% образцов могут иметь характер разрушения
II типа. Разрушение III типа не допускается.
При хрупком разрыве по шву для определения причин разрушения
анализируются характер излома и дефекты шва.
Ультразвуковому контролю подвергаются соединения полиэтиленовых труб
выполненные сваркой нагретым инструментом встык и соответствующие
требованиям визуального контроля (внешнего осмотра).
Количество сварных соединений подвергаемых ультразвуковому контролю
следует определять по нормам СНиП 42-01 в зависимости от условий прокладки
газопровода и степени автоматизации сварочной техники.
К выполнению работ по ультразвуковому контролю допускаются
специалисты имеющие сертификат установленной формы на право проведения
контроля не ниже второго уровня квалификации по акустическим методам
контроля а также удостоверение о дополнительном обучении по контролю
сварных стыковых соединений полиэтиленовых газопроводов.
С помощью ультразвукового контроля должны выявляться внутренние
дефекты типа несплавлений трещин отдельных или цепочек (скоплений) пор
Критерии оценки качества при помощи ультразвукового контроля сварных
стыковых соединений полиэтиленовых труб приведены в приложении.
Дефекты сварных стыковых соединений полиэтиленовых газопроводов по
результатам ультразвукового контроля относят к одному из следующих видов:
- одиночные (поры механические включения примеси);
- протяженные (несплавления трещины удлиненные поры и включения
цепочки или скопления пор включений
Оценка качества сварных стыковых соединений полиэтиленовых
газопроводов производится по следующим признакам:
- максимально допустимой площади дефекта (амплитудный критерий);
- по условной протяженности дефекта (амплитудно-временной критерий);
- по количеству допустимых дефектов на периметре стыка.
Предельно допустимые размеры и количество дефектов приведены в
В случае определения разных значений условной протяженности дефекта
при контроле сварного шва с двух его сторон оценка качества производится по
Испытаниям на сплющивание подвергают соединения полученные сваркой
при помощи деталей муфтового типа (муфт переходов отводов тройников
заглушек и т.п.) с закладными нагревателями.
Испытания проводят на образцах-сегментах путем сжатия труб у торца
соединения до величины равной двойной толщине стенки.
Стойкость сварного шва к сплющиванию характеризуется процентом отрыва
который является отношением длины сварного шва не подвергнувшейся отрыву
к полной длине сварного шва в пределах одной трубы. Результаты испытаний
считают положительными если на всех испытанных образцах отрыв не
наблюдался или если отношение длины шва не подвергнутой отрыву к общей
измеренной длине шва составляет не менее 40%.
Испытаниям на отрыв подвергают сварные соединения труб и седловых
отводов с закладными нагревателями.
Сварное соединение подвергается испытанию целиком и продолжается до
полного отделения седлового отвода от трубы.
В результате испытания соединения излом в месте сварки седлового
отвода с трубой должен иметь полностью или частично пластичный характер
разрушения по замкнутому периметру сварного шва. Хрупкое разрушение не
допускается. В процессе проведения испытаний фиксируется также разрушающая
Специальные методы контроля
Испытаниям на статический изгиб подвергаются соединения выполненные
Испытания проводят на образцах-полосках с расположенным по центру
При испытании на статический изгиб определяется угол изгиба образца
при котором появляются первые признаки разрушения. Результаты испытания
считаются положительными если испытываемые образцы выдерживают без
разрушения и появления трещин изгиб на угол не менее 160°.
Испытаниям при постоянном внутреннем давлении подвергаются сварные
соединения выполненные как сваркой нагретым инструментом встык так и
сваркой при помощи деталей с закладными нагревателями.
Испытания проводятся в соответствии с требованиями ГОСТ Р 50838 и
методикой ГОСТ 24157.
При испытании определяется стойкость при постоянном внутреннем
давлении в течение заданного промежутка времени при нормальной и повышенной
температурах и определенной величине начального напряжения в стенке трубы.
Результаты испытаний считаются положительными если все испытуемые
образцы не разрушились до истечения контрольного времени испытания или
разрушился один из образцов но при повторных испытаниях ни один из
образцов не разрушился.
Испытание сварных соединений на длительное растяжение проводится для
определения длительной несущей способности сварных соединений выполненных
Одновременно с испытанием оцениваемых образцов сварных швов при тех же
условиях испытывают образцы других сварных соединений сваренных при
оптимальных параметрах сварки (базовые стыки). Образцы оцениваемых сварных
соединений и базовые стыки должны быть изготовлены из одной марки материала
и одной партии труб.
Испытания проводят до появления трещин не менее чем у 50% испытываемых
образцов. Результаты испытания сравниваются по среднему значению времени до
По мере проведения испытаний образцы должны подвергаться
периодическому внешнему осмотру с целью выявления хрупкого излома и трещин
в зоне шва. Изломы в области зажимов не учитываются.
Результаты испытания считаются положительными если образцы
оцениваемых сварных соединений имеют среднее значение времени до появления
трещин не ниже значений полученных для базовых стыковых соединений.
Испытаниям на стойкость к удару подвергаются соединения выполненные
при помощи крановых седловых отводов.
Испытания проводят на образцах в виде патрубков с расположенным
посередине седловым отводом.
При испытании на стойкость к удару определяется способность образца
выдержать внутреннее пневматическое давление (06±005) МПа в течение 24 ч
после нанесения по нему двух ударов падающим грузом массой (50±005) кг.
Результаты испытания считаются положительными если оцениваемые
образцы выдерживают испытание при отсутствии видимых разрушений и
Методика проведения контроля качества сварных соединений
1.Внешний вид и размеры сварных соединений
Внешний вид сварных соединений определяют визуально без применения
увеличительных приборов путем сравнения оцениваемого соединения с
контрольным образцом а также путем измерения наружного сварочного грата с
Измерения швов проводят как минимум в двух противоположных зонах по
Контроль ширины и высоты наружного грата осуществляют штангенциркулем
по ГОСТ 166. Допускается использование шаблонов с проходным и непроходным
Для контроля симметричности валиков наружного грата по ширине
производят замер их с помощью измерительной лупы ЛИ-Зх. Затем рассчитывают
отношение замеренных размеров с округлением до целого значения процента.
Расчет симметричности валиков наружного грата по высоте производят
Для измерения смещения кромок может использоваться специальный шаблон.
Схема измерения смещения кромок показана на рисунке 29. Шаблон
устанавливают по образующей одной из труб прижимая его к трубе в
околошовной зоне. Из-за смещения кромок при этом на другом конце опорной
площадки шаблона наблюдается его подъем над поверхностью трубы. С помощью
щупа производят замер зазора между поверхностью заготовки и пяткой шаблона.
Далее рассчитывают отношение (в процентах) измеренного абсолютного значения
смещения кромок к номинальной толщине стенки трубы. Расчет производят с
округлением до целого значения процента.
Рис. 17. Измерение смещения кромок при помощи шаблона
2.Ультразвуковой контроль сварных соединений
Ультразвуковой контроль сварных стыковых соединений осуществляют в
ручном механизированном или автоматизированном вариантах а также в
соответствии с требованиями ГОСТ 14782.
При проведении ультразвукового контроля следует применять:
- ультразвуковые эхо-импульсные дефектоскопы общего назначения
отечественного или зарубежного производства рассчитанные на рабочую
частоту ультразвука в диапазоне от 1 до 5 МГц или специализированные
- стандартные образцы предприятия (СОП) с эталонными отражателями для
настройки параметров контроля размеры которых в зависимости от диаметра и
толщины стенки контролируемого газопровода определены в приложении С;
- пьезоэлектрические преобразователи на рабочую частоту в диапазоне от
до 5 МГц работающие по совмещенной раздельно совмещенной раздельной
или комбинированной схемам.
Применяемое для проведения ультразвукового контроля оборудование
должно быть сертифицировано в установленном порядке и одобрено
Госгортехнадзором России.
Ультразвуковой контроль сварного стыкового соединения должен
проводиться при температуре околошовной зоны стыка не выше 30 °С.
Перед проведением контроля околошовные поверхности сварного стыкового
соединения тщательно очищаются от грязи снега и т.п. Ширина зоны очистки
определяется конструкцией применяемых пьезоэлектрических преобразователей и
технологией контроля.
Подготовленные для ультразвукового контроля поверхности
непосредственно перед проведением прозвучивания стыкового соединения
покрываются слоем контактирующей жидкости. В качестве контактирующей
жидкости в зависимости от температуры окружающего воздуха следует
применять: при положительных температурах - специальные водорастворимые
гели типа "Ультрагель" обойный клей глицерин при отрицательных
температурах окружающего воздуха - моторные масла разведенные до
необходимой концентрации дизельным топливом. При применении глицерина и
моторных масел поверхность трубы после проведения ультразвукового контроля
должна быть очищена и обезжирена.
Контроль качества стыкового соединения проводят на двух уровнях
чувствительности - браковочном и поисковом. Поисковая чувствительность
отличается от браковочной на 6 дБ.
Настройку чувствительности контроля осуществляют при температуре
соответствующей температуре окружающего воздуха в месте проведения
Оценка качества стыковых сварных соединений полиэтиленовых
газопроводов производится по альтернативному признаку - "годен" или "не
Сварное стыковое соединение считается "не годным" если в нем обнаружены:
- дефекты амплитуда отраженного сигнала от которых превышает
амплитуду сигнала от эталонного отражателя в СОП на браковочном уровне
- дефекты амплитуда отраженного сигнала которых превышает амплитуду
сигнала отраженного от эталонного отражателя в СОП на поисковом уровне
чувствительности если условная протяженность дефекта или количество
дефектов превышают нормативные значения.
Критерии оценки качества дефектов находятся в таблицах приложения Г.
3.Испытания сварных соединений на осевое растяжение
Испытания выполняют на образцах-лопатках типа 2 по ГОСТ 11262.
Образцы-лопатки изготавливают механической обработкой из отрезков
сварных соединений длиной не менее 160 мм. Допускается для труб с
номинальной толщиной до 10 мм включительно вырубать образцы штампом-
Из каждого контролируемого стыка вырезают (вырубают) равномерно по
периметру шва не менее пяти образцов.
При изготовлении ось образца должна быть параллельна оси трубы.
Толщина образца должна быть равна толщине стенки трубы. Сварной шов должен
быть расположен посередине образца с точностью ±1 мм. Образцы не должны
иметь раковин трещин и других дефектов. Схема изготовления образцов-
лопаток для испытания на осевое растяжение приведена на рис. 18.
Рис. 18. Схема вырезки образцов из сварного соединения для испытания
на осевое растяжение
- патрубок со сварным соединением; 2 - расположение образцов
Перед испытанием образцы кондиционируют по ГОСТ 12423 при температуре
(23±2) °С не менее 2 ч.
Испытания проводят при скорости раздвижения зажимов испытательной
машины равной (100±10) мммин для образцов труб с номинальной толщиной
стенки менее 6 мм и (25±20) мммин для образцов труб с номинальной
толщиной стенки 6 мм и более.
Испытание на растяжение производится на любой разрывной машине
обеспечивающей точность измерения нагрузки с погрешностью не более 1%
измеряемого значения мощность которой позволяет разорвать образцы (усилие
от 5000 до 10000 Н) и которая имеет регулируемую скорость.
При испытании определяют характер (тип) разрушения образца а также
относительное удлинение при разрыве и предел текучести при растяжении.
Испытание на растяжение производят не ранее чем через 24 ч после сварки.
4.Испытания муфтовых соединений на сплющивание
Для определения стойкости муфтовых соединений к сплющиванию
подготавливаются патрубки с расположенными по центру муфтами изображенные
на рис.19. Длина патрубка и количество образцов изготавливаемых из каждого
патрубка должны соответствовать таблице 21.
Рис. 19. Общий вид образцов-сегментов
Номинальный Длина свободной Количество образцов Угол сегмента
диаметр труб с части образца из одного патрубка град.
[pic] мм [pic] мм не менеешт.
Не ранее чем через 24 ч после сварки производят разрезание сварного
муфтового соединения вдоль оси на испытательные образцы-сегменты в
диаметральном сечении.
Испытания проводят при температуре (23±5) °С. При указанной
температуре образцы выдерживают не менее 2 ч.
Для испытаний применяют механизированный процесс обеспечивающий
сближение плит со скоростью (100±10) мммин; допускается использование
пресса со скоростью сближения плит (20±2) мммин.
Подготовленный к испытанию образец устанавливают между обжимными
плитами пресса так как показано на рисунке 20. Затем осуществляют
сближение обжимных плит до тех пор пока расстояние между ними не
сократится до удвоенной толщины стенки трубы.
Рис. 20. Схема испытания образцов-сегментов на сплющивание
- обжимные плиты; 2 - испытываемый образец
Допускается проведение испытаний с использованием обжимных плит без
округления кромок. В этом случае в начале испытания расстояние от торца
соединительной детали до торца губок должно быть (20±3) мм.
При согласовании с заказчиком допускается испытание образцов
соединений труб диаметром до 63 мм включительно производить в слесарных
тисках по ГОСТ 4045 плавным деформированием образца.
После снятия нагрузки образец извлекают из пресса или тисков и
визуально осматривают определяя наличие отрыва трубы от муфты или
соединительной детали.
В случае если на части длины шва обнаружен отрыв трубы или
соединительной детали от муфты штангенциркулем по ГОСТ 166 измеряют длину
части шва не подвергнутой отрыву и расстояние между крайними витками
закладного нагревателя в зоне сварки в пределах одной трубы которое
принимают за длину шва.
Длина шва не подвергнутая отрыву при сплющивании [pic] %
определяется по формуле
[pic] - длина зоны сварки (длина шва) в пределах одной трубы
определяемая по расстоянию между крайними витками спирали закладного
нагревательного элемента мм.
Для удобства измерения допускается дополнительное разрезание образца
любым режущим инструментом в продольном и поперечном направлениях.
5.Испытания седловых отводов на отрыв
Испытания на отрыв проводят на образцах седловых отводов сваренных с
полиэтиленовыми трубами с номинальным наружным диаметром от 63 до 225 мм в
зависимости от типоразмера седлового отвода. Длина полиэтиленовой трубы
(патрубка) принимается равной длине седелки. Перед испытанием образцы
кондиционируют при температуре (23±2) °С не менее 2 ч.
Допускается для упрощения фиксации образца в испытательной машине
производить срезание хвостика седлового отвода а также укорочение
горловины (отводящего патрубка).
Испытания проводят при температуре (23±2) °С.
Для проведения испытаний возможно использование машин для испытания на
сжатие типа ИП6010-100-1 с наибольшей предельной нагрузкой 100 кН.
Испытательная машина должна быть снабжена оснасткой изготовленной по
чертежам утвержденным в установленном порядке и обеспечивающей приложение
нагрузки по одной из двух схем испытания приведенных на рис. 21.
Рис. 21. Схемы испытания седлового отвода на отрыв
а - отрыв при растяжении;
б - отрыв при сжатии
Внутрь полиэтиленового патрубка испытываемого образца для передачи
усилия вводят металлический сердечник наружный диаметр которого
определяется по таблице 22.
Нагружение испытываемого образца проводят со скоростью (100±10) мммин
до полного отрыва корпуса седелки от полиэтиленовой трубы или до деформации
деталей узла соединения вследствие чего испытательная нагрузка снижается
Допускается проведение испытания со скоростью (20±2) мммин.
Диаметр трубы мм Диаметр сердечника мм
5 [pic] 176 1087-02
0 [pic] 176 1219-02
0 [pic] 176 1390-02
0 [pic] 176 1564-02
0 [pic] 176 1740-02
5 [pic] 176 1960-02
6.Испытания стыковых соединений на статический изгиб
Испытания на статический изгиб выполняют на образцах-полосках размеры
которых приведены в таблице 23.
Размер образца Длина пролета Толщина
Толщина Ширина Длина
[pic]10 20 200 90 8
Продолжение табл. 23
[pic]15 30 200 100 125
[pic]20 40 250 120 16
[pic]30 50 300 160 25
Образцы-полоски вырезают (вырубают) из контрольных стыков равномерно
по периметру в количестве не менее 5 штук.
Испытания выполняют по схеме представленной на рисунке .
Нагрузка передается на образец через траверсу устанавливаемую на
середине образца напротив сварного шва. Местное утолщение грата образца со
стороны опорной траверсы снимается.
Испытательные образцы устанавливаются таким образом чтобы внутренняя
сторона трубы находилась в зоне растяжения.
Скорость приложения нагрузки должна составлять 50 мммин.
Испытания продолжаются до достижения угла изгиба 160°.
Рис. 22. Схема испытания на статический изгиб
Контроль качества сварного соединения полученного
сваркой нагретым инструментом встык
Провести визуально-измерительный контроль полученного сварного
Разметить сварные образцы по шаблону ( и вырезать ножовкой после чего
обработать напильником и шабером.
Замерить сечение сварного обработанного образца с точностью до 01 мм .
Испытать подготовленные образцы на разрывной машине. Данные внести в
По полученным результатам построить зависимость предела прочности при
растяжении в функции от исследуемого параметра (температура время
Краткое Критерии оценкиСоблюдение Графическое изображение и внешний
описание параметров вид соединения
Хороший Размеры Соблюдение [pic]
шов с наружного гратавсех
гладкими и и внешний вид технологичес
симметричнымишва ких
валиками соответствуют параметров
грата требованиям сварки в
округлой 8.11 настоящегопределах
формы Свода правил нормы
Брак. Различие по Превышение [pic]
Шов с высоте более допустимого
несимметричны50% в зазора между
ми валиками противоположныхторцами труб
грата точках шва перед
Брак. Величина Недостаточно[pic]
Малый грат наружного гратае давление
округлой по высоте и при осадке
формы ширине меньше шва или
верхних малое время
предельных прогрева
Брак. Величина Чрезмерное [pic]
Большой грат наружного гратавремя
округлой по высоте и прогрева или
формы ширине больше повышенная
верхних температура
предельных нагревателя
Брак. Различие по Различный [pic]
Несимметричнывысоте и ширинематериал
й грат по валиков грата свариваемых
всей по всей труб или
окружности окружности шва деталей (ПЭ
шва превышает 40% 63 с ПЭ 80)
Продолжение табл.26
Брак. Высота валиков Чрезмерное [pic]
Высокий и грата больше давление при
узкий грат или равна его осадке стыка
как правило ширине при
не касающийся пониженной
краями трубы температуре
Брак. Устье впадины Низкая [pic]
Малый грат с расположено температура
глубокой ниже наружной инагревателя
впадиной выше внутреннейпри
между образующих трубнедостаточно
Брак. Различие по Смещение [pic]
Неравномерносвысоте валиков труб
ть грата в одной относительно
(асимметричноплоскости болеедруг друга
грата одновременным
Брак. Высота грата в Смещение [pic]
Неравномерноеместе нагревателя
распределениенеравномерного в процессе
грата по выхода больше прогрева
периметру шваего ширины
Брак. Многочисленные Чрезмерная [pic]
Шов с раковины температура
многочисленнырасположенные нагревателя
ми наружными вплотную друг кзначение
раковинами подругу которой выше
периметру с деструкции
концентрацией данной марки
по краям полиэтилена
Оценка внешнего вида Графическое изображение и внешний вид
седловых отводов с соединения
Краткое КритериСоблюдение
описаниеи параметров
Хоро-ГладкаяСоблюдение [pic]
шее поверх-технологиче
нение отвода операций и
отвод без параметров
плотно искривлсварки в
облегаете- пределах
поверх- ний и нормы
Брак.Более Чрезмерная [pic]
Зазор 03 мм обработка
Брак.Появле-Чрезмерное [pic]
турная гофра нагрева или
деформ на напряжение
Оценка внешнего вида седловых Графическое изображение и внешний вид
отводов с закладными соединения
Краткое КритерииСоблюдение
описание оценки параметров
Хорошее Гладкая Соблюдение [pic]
соединение поверхнотехнологиче
деталь плотность ских
охватывает детали операций и
концы без параметров
свариваемых видимых сварки в
труб зазоров пределах
Брак. Более Чрезмерная [pic]
Зазор между 03 мм обработка
охватывающей поверхности
частью детали трубы или
и трубой эллипсность
Брак. Более Недостаточн[pic]
Непараллельно20 мм ое
сть на длинезаглубление
(искривление [pic]=3[концов труб
осей трубы и pic] внутрь
Брак. Не Сдвиг трубы[pic]
Частичное допускаев процессе
появление тся сварки или
полиэтилена спирали
Брак. Не Недостаточн[pic]
Индикаторы допускаеое время
сварки в тся сварки или
исходном недостаточн
Брак. Не Чрезмерное [pic]
Местное допускаевремя
расплавление тся нагрева или
поверхности напряжение
Критерии оценки качества группы дефектов
(Извлечение из методики ультразвукового контроля качества сварных стыковых
Группа дефектов - ПРОТЯЖЕННЫЕ
Несплавления цепочки и скопления пор включений
Условное обозначение труб [pic] 11
Критерии [pic] 63х 58 [pi[pic] 90х 82
[pic] 63х 58 [pi[pic] 90х
Тестовые задания по теоретической части
Пластические массы - это
искусственные материалы на основе полимеров которые при соответствующих
условиях могут подвергаться пластической деформации для получения изделий с
определенными техническими свойствами.
конструкционные материалы на основе ситаллов.
конструкционные материалы основным компонентом которых является
По составу пластмассы подразделяют --
на следующие группы: неорганические органические и мономерные.
на однокомпонентные состоящие из одного полимера и многокомпонент-
ные (композиционные) которые кроме полимера содержат и другие вещества.
на мономерные олигомерные и полимерные.
Наполнитель в пластических массах -
выполняет роль связующего.
выполняет роль отвердителя.
определяет механические характеристики пластических масс.
По отношению к нагреванию пластмассы подразделяют -
как и полимеры на термопластичные и термореактивные.
на термореактивные и термостабильные.
на теплостойкие и термостойкие.
Зависимость деформации полимеров от температуры - это
диаграмма растяжения полимеров.
термомеханическая кривая.
зависимость разрушающего напряжения при изгибе.
Полимеры по строению макромолекул делятся:
на простые и сложные.
на линейные разветвленные и пространственные.
на линейные и элементоорганические.
Продолжите предложение « Реакция полимеризации
называется реакция разложения высокомолекулярных соединений.
воздействие высоких температур на высокомолекулярные соединения
называется реакция получения полимеров при которой мономеры
взаимодействуют друг с другом образуя
полимеры без выделения побочных продуктов.
Изменяется ли структура термопластичных полимеров при нагревании их до
температуры текучести ?
Да. Они переходят в термостабильное состояние.
Они переходят из линейной структуры в сетчатую.
При нагревании термопластичных полимеров до температуры текучести их
структура не изменяется.
На чем основано образование сварного соединения полиэтиленовых труб?
Взаимодиффузии макромолекул на соединяемых поверхностях
Изменении химического состава соединяемых поверхностей
Электромагнитном взаимодействии
.Экструзионная сварка заключается в том что:
Расплавленный материал выходящий из экструдера нагревает
поверхности до температуры сварки и сплавляется с ней
Экструдируемой присадка распыляется
Экструдируемая присадка склеивает соединяемые поверхности
Сварка трением основана на:
Превращении энергии звуковых колебаний в тепловую энергию
Введении третьего компонента
Превращении механической энергии трения свариваемых поверхностей в
Раструбная сварка пластмассовых труб относится к сварке:
Нагретым инструментом
Полиэтиленовые трубы как правило сваривают:
Химическим способом
Нагретым инструментом экструзией трением
Соединительные детали из полиэтилена для трубопроводов как правило
Нагретым инструментом трением
ТВЧ излучением экструзией
Тестовые задания по лабораторной работе №1
К чему приводит перегрев нагревателя при сварке встык?
Деструкции полимера
Улучшению качества сварного соединения
Отвердению полимера
Что способствует деструкции полимера при сварке встык?
Превышение значений давления и технологической паузы
Превышение значений давления и времени торцевания
Превышение заданной температуры нагревателя и времени нагрева
Технологическая пауза при сварке встык это:
Время между выходом первичного грата и соединением свариваемых
Время между окончанием нагрева и соединением свариваемых поверхностей
Время между соединением свариваемых поверхностей и охлаждением стыка
Почему технологическая пауза при сварке встык должна быть минимальной?
Из - за охлаждения вследствие контакта с воздухом
Из - за возможной деформации деталей
Из - за возможного контакта с инородными телами
Каков порядок проведения операций при сварке встык?
Установить между торцами нагреватель замерить давление холостого
хода провести оплавление
Замерить давление холостого хода установить между торцами
нагреватель провести оплавление
Установить между торцами нагреватель провести оплавление
В зависимости от чего выбирают температуру рабочей поверхности
нагретого инструмента?
В зависимости от материала свариваемых труб и температуры окружающего
В зависимости от диаметра полиэтиленовой трубы и типа сварочной
В зависимости от SDR труб и температуры окружающего воздуха
Чем нагревают зеркало нагревательного инструмента при сварке встык?
Электрическим током или газовой горелкой
Токами высокой частоты
В электрической муфельной печи
Что называют гратом?
Это материал снимаемый при торцевании
Это материал вытесненный из шва при сварке встык
Это материал оставшийся на нагревательном элементе
Чем определяются требования к режимам сварки встык?
Техническими условиями на свариваемые трубы
Нормативными документами по строительству
. В чем заключается сварка встык?
В сильном сдавливании торцов полимерных труб с одновременным нагревом
В нагреве торцов полимерных труб или деталей до вязко-текучего
состояния при контакте с нагревателем и соединении под давлением после
удаления нагревателя
В обжатии нагревателями полимерных труб до вязко-текучего состояния с
последующим охлаждением
Не более какого значения может составлять отклонение по величине
температуры нагретого инструмента при сварке труб НИ?
Не более плюсминус 10 градусов Цельсия
Не более плюсминус 5 градусов Цельсия
Не более плюсминус 20 градусов Цельсия
От каких факторов зависит температура рабочей поверхности
нагревательного инструмента при сварке встык?
От типа полиэтилена и температуры окружающего воздуха
От типа полиэтилена и диаметра труб
От температуры окружающего воздуха и толщины стенки труб
Какова должна быть высота наружного и внутреннего гратов (валиков)
после сварки встык нагревательным инструментом при толщине стенки трубы
Какова должна быть высота наружного и внутреннего гратов (валиков) после
сварки встык нагревательным инструментом при толщине стенки трубы 6 -
Чем покрывается нагревательный инструмент для сварки труб встык?
Смачивается ацетоном
Покрывается антиадгезионным слоем
Тестовые задания по лабораторной работе №2
Процесс сварки полиэтиленовых труб деталями с закладным нагревателем
.1.Воздействии на трубы тока высокой частоты
.Торцевом сдавливании труб
Нагреве поверхности труб и внутренней поверхности деталей током
проходящим по металлическому проводнику
Сколько основных технологических параметров сварки ЗН Вы знаете?
Пять: глубина посадки детали зазор между трубой и деталью толщина
снимаемой стружки время сварки и время охлаждения
Четыре: глубина посадки детали время нагрева и охлаждения температура
окружающего воздуха
Три: параметры нагрева (включающее напряжение и время сварки) и время
Допускается ли при сварке труб деталями с ЗН не производить
механическую обработку полиэтиленовых труб перед их сваркой?
Допускается если вместо механической обработки используется протирка
труб обезжиривающей жидкостью
Допускается если наружный диаметр свариваемых труб совпадает с
присоединительным диаметром детали
Из каких операций состоит подготовка концов труб к сварке при
использовании соединительных деталей с ЗН?
Очистка концов труб от загрязнений механическая обработка свариваемых
поверхностей обработка и обезжиривание труб
Очистка концов труб от загрязнений циклевка свариваемых поверхностей и
Очистка концов труб от загрязнений обезжиривание разметка и торцевание
свариваемых поверхностей
В какой последовательности производится сборка сварного соединения при
Установка и закрепление концов свариваемых труб в зажимах позиционера с
одновременной посадкой детали с ЗН подключение детали с ЗН к сварочному
Установка и закрепление концов свариваемых труб в зажимах позиционера
посадка детали с ЗН на свариваемые трубы подключение детали с ЗН к
сварочному аппарату
подключение детали с ЗН к сварочному аппарату посадка детали с ЗН на
Допускается ли косой срез торца трубы при сборке труб с соединительной
Допускается косой срез торцов труб не превышающий определенных величин
зависящих от диаметра свариваемых труб
Допускается без ограничений величин среза
На какую длину как правило очищаются концы труб от загрязнений при
сварке деталями с ЗН?
На длину не менее 15 длины раструбной части детали
На длину раструбной части детали
На половину длины раструбной части детали
На какую длину производят механическую обработку (циклевку) концов
труб свариваемых способом ЗН?
На длину не менее 05 длины используемой детали
На длину не менее одной длины используемой детали
Поверхностный слой какой толщины снимается с поверхности концов
свариваемых труб при их механической обработке в случае использования
сварки деталями с ЗН?
Не менее 03 - 04 мм
В какой момент следует наносить метки глубины посадки соединительной
После механической обработки труб
До механической обработки труб
После подключения детали к сварочному аппарату
На какую длину наносят метки посадки детали с ЗН на концы свариваемых
На половину длины детали
С запасом в 25% к длине детали
Подвергаются ли механической обработке детали с ЗН перед их сваркой?
Подвергаются механической обработке
Подвергаются только муфты диаметром более 63 мм
Когда производят механическую обработку (циклевку) и протирку труб при
их сварке деталями с ЗН?
Непосредственно перед сборкой и сваркой
За 20-30 мин до сборки соединения
После сборки перед сваркой
Какие поверхности подлежат обезжириванию при сварке труб деталями с ЗН?
Свариваемые поверхности труб и соединительных деталей
Наружные и внутренние поверхности труб
Соединительные детали
Что следует делать при сварке деталями с ЗН если концы свариваемых
труб имеют овальность больше 15 % наружного диаметра трубы или больше 15
Более тщательно проводить центровку труб
Применять инвентарные калибрующие зажимы или специальные приспособления
для устранения овальности
Проворачивать одну из труб пока она не совпадет по диаметру с другой
В зависимости от чего устанавливают параметры сварки труб при сварке
труб соединительными деталями с ЗН?
От вида и сортамента используемых соединительных деталей в соответствии с
указаниями заводов изготовителей в паспортах изделий
От типа полиэтиленовых труб
От диаметра и толщины стенки соединительных деталей
Каким должно быть расположение индикаторов сварки соединительных
деталей с ЗН после процесса сварки?
Должны находиться в выдвинутом положении
Должны находиться в утопленном положении
Должны находиться на одном уровне с наружной поверхностью детали
За счет каких факторов может появиться дефект в виде зазора между
охватывающей частью соединительной детали с ЗН и трубой в сварном
За счет чрезмерной обработки поверхности трубы
За счет недостаточного времени сварки
За счет недостаточного напряжения подаваемого на спираль детали
За счет каких факторов может появиться дефект в виде температурной
деформации наружной поверхности соединительной детали с ЗН?
За счет чрезмерного времени прогрева или напряжения питания
За счет недостаточного усилия прижатия отвода
За счет каких факторов может появиться дефект в виде непараллельности
(искривления осей трубы и муфты) в сварном соединении при сварке деталями
За счет недостаточного усилия прижатия муфты
За счет недостаточного заглубления концов труб внутрь муфты или деформация
соединения до его остывания
За счет недостаточного напряжения подаваемого на спираль муфты
Тестовые задания по лабораторной работе №3
Какие трубы и соединительные детали допускается сваривать в раструб?
Диаметром до 110 мм
Стенкой любой толщины
Диаметром до 60 мм с толщиной стенки не менее 4 мм
Какая допускается максимальная величина несовпадения кромок (смещение) при
сварке встык нагревательным инструментом?
При сварке в раструб каков должен быть внутренний диаметр раструба?
Должен быть меньше номинального диаметра свариваемой трубы в пределах
Больше номинального диаметра трубы в пределах допуска
Совпадать с номинальным диаметром трубы в пределах допуска
Какая дополнительная операция должна проводиться при раструбной сварке
Концы труб должны иметь наружную фаску под углом 45° на 13 толщины стенки
Концы труб должны иметь наружную фаску под углом 35° на 12 толщины стенки
Концы труб должны иметь наружную фаску под углом 25° на 13 толщины стенки
На какую глубину производится циклёвка трубы?
Тестовые задания по лабораторной работе №4
Чем измеряют размеры грата сварного шва?
Чем измеряют зазор между обработанными торцами труб перед сваркой?
Дефекты в сварном шве подразделяются на:
Внешние и внутренние
Основная причина образования пор это:
Наличие сквозняков и ветра
Наличие воздуха между свариваемыми поверхностями
Длительный контакт с воздухом оплавленных поверхностей перед осадкой
Основные причины образования несплавления это:
Превышение допустимых зазоров неплотный контакт сплавляемых
Превышение технологической паузы недостаточное давление осадки
Основная причина образования трещин это:
Низкая квалификация сварщика
Неравномерность и повышенная скорость охлаждения сварного шва
вызывающие повышенный уровень усадочных напряжений
Низкое давление и недостаточная длительность осадки
Дефектами сварных соединений называют:
Структурные микро- и макро- неоднородности возникающие в сварном шве
вследствие нарушений технологии подготовки свариваемых конструкций их
Отклонения от требований конструкторской документации
Нормированные отклонения указанные в нормативно-технической
Какие бывают трещины по расположению и внешнему виду?
Внутренние; продольные сквозные глухие
Наружные; кратерные продольные поперечные
Наружные и внутренние продольные поперечные разветвленные
радиальные и кратерные
Контроль качества готовых сварных соединений заключается в провеке:
Формы размеров сплошности шва и свойств материала шва
Формы и размеров шва
Свойств материала в различных зонах
К чему приводит превышение установленной температуры нагретого
инструмента при сварке полиэтиленовых труб встык?
К расплавлению полиэтилена
К деструкции полиэтилена
К переходу пластмассы в стеклообразное состояние
Каково допустимое значение симметричности валиков сварного шва при
сварке полиэтиленовых труб сваркой НИ?
03-07 в любой точке шва
02-08 в любой точке шва
Значение не регламентируется
Каков допустимый угол излома продольной оси труб в стыке при сварке
Не более 20 градусов
Не более 15 градусов
Не более 5 градусов
Какова максимально допустимая величина смещения наружных кромок
соединенных сваркой НИ труб в сварном шве?
10% от толщины стенки трубы
15 % от толщины стенки трубы
Данная величина не регламентируется
Какова причина образования шва НИ с несимметричными валиками грата
одинаковой высоты в одной плоскости но различной в противоположных точках
Смещение нагревателя в процессе нагрева
Превышение допустимого зазора между торцами труб перед сваркой
Смещение труб относительно друг друга
Какова причина образования высокого и узкого грата не касающегося
краями трубы при сварке НИ?
Чрезмерное давление при осадке стыка при пониженной температуре
Превышение величины технологической паузы
Какова причина образования асимметричного сварного шва (различие по
высоте с одновременным смещением) при сварке НИ?
Превышение технологической паузы
Какие виды дефектов стыковых соединений выполненных сваркой НИ
определяются по результатам ультразвукового контроля?
Одиночные протяженные
Внутренние и внешние
Для какого способа сварки производится внешний осмотр сварных
соединений из полиэтиленовых труб?
Для способа сварки нагретым инструментом встык
Для способа сварки соединительными деталями с ЗН
Для обоих способов сварки
Для какого способа сварки производится испытание на растяжение образцов
сварных соединений из полиэтиленовых труб?
Для какого способа сварки производится испытание на сплющивание
допускных сварных соединений из полиэтиленовых труб?
Для способа сварки соединительными деталями муфтового типа с ЗН
Карта типового технологического процесса
сварки стыкового сварного соединения
Характеристики процесса
№ Наименование Обозначения (показатели)
Нормативный документ [1]
Основной материал (марки) [3]
Основной материал (группа) М61(РЕ)
Степень механизации Стыковая сварка с ручным управлением
сварочного оборудования (СР)
Толщина свариваемых деталей 10 мм
Диаметр деталей в зоне 110 мм
Тип соединения Стыковое (С)
Вид соединения Соединение труб в стык без разделки
Форма подготовки кромок
Положение при сварке Горизонтальное (ось трубы)
Дополнительные параметры
Конструкция соединения Конструктивные Порядок сварки
центровка и закрепление
Механическая обработка
Очистка от загрязнений
свариваемых кромок.
Проверка центровки и
отсутствия зазоров.
g - высота грата [5]
е - ширина грата [6]
Сварочное оборудование (тип): Установка передвижная для сварки
полиэтиленовых труб Georg F
Метод подготовки и очистки: [7]
Параметры технологического режима стыковой сварки нагретым инструментом
из полиэтилена со стандартным размерным отношением номинального наружного
диаметра к номинальной толщине стенки [8]
Технологический параметр Значение*
Температура нагревателя (Тн) °С - теплогенератор 210 ±10
электрический с непрерывным автоматическим
поддержанием заданной температуры с [9] покрытием
Давление при оплавлении (Ропл) МПа 015+005
Время при оплавлении в зависимости от типа 2-3
свариваемых труб. До появления грата. мм.
Давление при прогреве (Рпр) МПа 001-002
Время при прогреве (tпр) с в зависимости от типаот 0 до +20ºС
свариваемых труб и температуры окружающего воздуха 85-140
Время технологической паузы (tп) сек не более 4-8
Давление при осадке (Рос) МПа 015+005
Время при охлаждении (tохл) мин не менее в от 0 до +20ºС
зависимости от температуры окружающего воздуха 7-8
* Значения параметров должны быть скорректированы в зависимости от
[]температуры окружающего воздуха.
Технологические требования к сборке и сварке
Технологический процесс соединения труб и деталей встык включает:
-Подготовку труб к сварке (очистка сборка [10] торцов проверка
совпадения торцов и зазора в стыке)
-Сварку стыка (нагрев торцов оплавление удаление нагретого
инструмента осадка стыка охлаждение соединения)
-Перед сборкой и сваркой труб необходимо тщательно очистить их от грязи
снега льда камней и других посторонних предметов а соединяемые концы -
от всех загрязнений на расстояние не менее [11] от торцов. Очистку
производить сухими или увлажненными кусками мягкой ткани из растительных
волокон с дальнейшей протиркой и просушкой. Загрязнения смазкой маслом
или какими-либо другими жирами обезжиривают с помощью спирта ацетона или
специальных обезжиривающих составов. Не производить обезжиривание и очистку
-Сборку свариваемых труб включающую установку соосную центровку и
закрепление свариваемых концов производить в зажимах центратора сварочной
-Максимальная величина смещения наружных кромок не должна превышать [13]
% толщины стенок труб.
-Вылет концов труб из зажимов центраторов обычно составляет [14] 15-20
мм а привариваемых деталей - [15] не менее 5-15мм.
-Торцевать кромки свариваемых труб непосредственно в [16].
После механической обработки загрязнение поверхности торцов не
-Удаление стружки из полости трубы производить с помощью [17] а снятие
заусенцев с острых кромок торца - с помощью ножа.
-После обработки еще раз проверить центровку и отсутствие зазоров в
стыке. Зазор не должен превышать 05мм
-Оплавление торцов необходимо выполнять при давлении 02±002МПа в
течении времени достаточного для образования по всему периметру
контактирующих с нагревателем торцов труб валиков расплавленного материала
высотой не менее 15мм
-Продолжительность технологической паузы необходимой для удаления
нагретого инструмента должна быть не более [18] 4с.
-Осадку стыка производить при давлении 02±002МПа. Осадку необходимо
осуществлять плавным увеличением давления до заданного уровня.
-Клеймить стык на горячем расплаве грата через 20-40 сек. после
окончания операции осадки.
Требования к контролю качества КСС
Метод контроля НД на методику НД на оценку Объем контроля
вид испытаний контроля качества (% кол-во
ВИК РД 03-606-03 СП 42-103-2003 100%
[19] ГОСТ 14782-86 СП 42-103-2003 100%
Мех. испытания ГОСТ 11262 ГОСТ 11262 [20].
Билет № 1. Диаметр трубы 110 мм толщина стенки 10 мм.
СП 42-103-2003 1. Нагретым газом 1. ПЭ 1. ≤ 03
СП 42-102-2004 2. Экструзионная 63 2. ≤ 05
СНиП 42-01-20023. Нагретым инстр-м2. ПЭ 100 3. ≤ 08
РД 03-606-03 4. С закладн. 3. ПЭ 80 4. ≤ 12
РД 03-605-03 нагрев-ми 4. ПЭ 120 5. ≤ 10
Раструбная 5. ПЭ 150
20-35 1. 1 Мех-я обработка 1. SDR 21
25-45 45-65 2. Огневая 2. SDR 9
20-40 2. 65-100 обработка 3. SDR 136
30-50 3. 55-75 3. Хим-я 4. SDR 11
25-45 4. 85-120 обработка 4. 5. SDR 176
60-85 Огневая с мех-ой
Адгезионным 1. Очистка 1. 10 мм 1. Белыми тканями
Антикогезионным2. Протирка 2. 100 мм 2. Сухими тканями
Антиадгезионным3. Обезжиривание 3. 50 мм 3. Влажными
Когезионным 4. Стягивание труб 4. 25 мм тканями
5. Центровка 5. 60 мм 4. Белыми и
Противопригарным сухими
[13] [14] [15] [16]
2% 1. 15-20 мм 1. Не менее 1.Приспособлении
5% 2. 10-20 мм 15-20мм 2. Сварочной
8% 3. 15-25 мм 2. Не более машине
10% 4. 10-25 мм 15-20мм 3. Зажимах
15% 5. 25-30 мм 3. Не менее 4. Кондукторе
[17] [18] [19] [20]
1. 2 с 1. МПД 1. Не менее 1
Совка 2. 3 с 2. ПК образца
Крючка 3. 4 с 3. РГК 2. Не менее 2
Ветоши 4. 5 с 4. Акустический образцов
Кисти 5. 6 с 5. УЗК 3. Не менее 3
Билет № 2. Диаметр трубы 110 мм толщина стенки 63 мм.
СНиП 42-01-20021. Нагретым газом 1. ПЭ 1. ≤ 03
СП 42-102-2004 2. Нагретым инстр-м63 2. ≤ 05
СП 42-103-2003 2. ПЭ 100 3. ≤ 08
РД 03-606-03 3. Экструзионная 3. ПЭ 80 4. ≤ 12
РД 03-605-03 4. С закладн. 4. ПЭ 120 5. ≤ 10
нагрев-ми 5. ПЭ 150
20-35 1. 45-65 1. Огневая 1. SDR 21
25-45 2. 65-100 обработка 2. SDR 9
20-40 3. 55-75 2. Огневая с 3. SDR 136
30-50 4. 85-120 мех-ой 4. SDR 11
25-45 5. 60-85 3. Хим-я 5. SDR 176
Адгезионным 1. Очистка 1. 10 мм 1. Белыми тканями
Антиадгезионным2. Протирка 2. 100 мм 2. Сухими тканями
Обезжиривание 3. 60 мм 3. Цветными и
Когезионным 4. Центровка 4. 50 мм синте-
Антикогезионным5. Стягивание труб 5. 25 мм тическими тканями
Противопригарным 4.Белыми и сухими
15% 1. 10-20 мм 1. Не менее 1.Приспособлении
8% 2. 25-30 мм 15-20мм 2. Кондукторе
2% 3. 15-25 мм 2. Не более 3. Зажимах
5% 4. 10-25 мм 15-20мм 4. Траншее
10% 5. 15-20 мм 3. Не более 5. Сварочной
Совка1. 2 с 1. МПД 1. Не менее 5
Крючка 2. 4 с 2. УЗК образцов
Кисти 3. 5 с 3. РГК 2. Не менее 4
Ветоши 4. 6 с 4. Акустический образцов
Метёлки 5. 3 с 5. ПК 3. Не менее 3
Билет № 3. Диаметр трубы 63 мм толщина стенки 58 мм.
СП 1. Нагретым газом 1. ПЭ 100 1. ≤ 12
-102-2004 2. Экструзионная 2. ПЭ 63 2. ≤ 10
СП 42-103-2003 3. С закладн. 3. ПЭ 80 3. ≤ 08
СНиП 42-01-2002нагрев-ми 4. ПЭ 120 4. ≤ 05
РД 03-606-03 4. Нагретым инстр-м5. ПЭ 150 5. ≤ 03
РД 03-605-03 5. Раструбная
20-35 1. 45-65 1 Огневая с 1. SDR
25-45 2. 65-100 мех-ой 21
20-40 3. 55-75 2. Огневая 2. SDR 9
30-50 4. 40-60 обработка 3. SDR 136
15-30 5. 60-85 3. Хим-я 4. SDR 11
обработка 4. 5. SDR 176
Когезионным 1. Центровка 1. 50 мм 1. Белыми тканями
Адгезионным 3. Обезжиривание 3. 10 мм 3. Цветными и
Антиадгезионным4. Стягивание труб 4. 25 мм синте-
5. Очистка 5. 60 мм тическими тканями
1. 15-25 мм 1. Не менее 1. Сварочной
% 2. 10-20 мм 10-20мм машине
10% 3. 15-20 мм 2. Не менее 2. Зажимах
8% 4. 10-25 мм 5-15мм 3. Кондукторе
5% 5. 25-30 мм 3. Не более 4. Траншее
15% 5-15мм 5. Приспособлении
Совка 1. 6 с 1. МПД 1. Не менее 1
Кисти 2. 4 с 2. ПК образца
Ветоши 3. 3 с 3. УЗК 2. Не менее 2
Крючка 4. 2 с 4. Акустический образцов
Метёлки 5. 5 с 5. РГК 3. Не менее 5
Билет № 4. Диаметр трубы 160 мм толщина стенки 146 мм.
СП 42-101-2002 1. Нагретым газом 1. ПЭ 1. ≤ 03
РД 03-606-03 4. С закладн. 3. ПЭ 120 4. ≤ 12
СП 42-103-2003 нагрев-ми 4. ПЭ 80 5. ≤ 10
20-35 1. 45-65 1. Огневая с 1. SDR 21
25-45 2. 65-100 мех-ой 2. SDR 11
20-40 3. 55-75 2. Мех-я 3. SDR 136
30-50 4. 100-150 обработка 4. SDR 9
Адгезионным 1. Очистка 1. 50 мм 1. Цветными и
Антикогезионным2. Протирка 2. 100 мм синте-
Антиадгезионным3. Центровка 3. 10 мм тическими тканями
Когезионным 4. Стягивание труб 4. 25 мм
5. Обезжиривание 5. 60 мм 2. Сухими тканями
Противопригарным 3. Влажными
2% 1. 25-30 мм 1. Не менее 1.В
5% 2. 10-20 мм 10-20мм приспособлении
8% 3. 15-25 мм 2. Не менее 2. Кондукторе
15% 4. 10-25 мм 15-20мм 3. Сварочной
10% 5. 15-20 мм 3. Не более машине
Не менее 5. Зажимах
1. 2 с 1. ПК 1. Не менее 1
Кисти 2. 3 с 2. УЗК образца
Совка 5. 6 с 5. МПД 3. Не менее 5
Билет № 5. Диаметр трубы 160 мм толщина стенки 91 мм.
СП 53-101-2003 1. Нагретым газом 1. ПЭ 1. ≤ 03
СП 42-102-2004 2. Экструзионная 63 2. ≤ 08
СНиП 42-01-20023. С закладн. 2. ПЭ 100 3. ≤ 05
СП 42-101-2002 нагрев-ми 3. ПЭ 150 4. ≤ 12
СП 42-103-2003 4. Раструбная 4. ПЭ 120 5. ≤ 10
Нагретым инстр-м5. ПЭ 80
20-35 1. 45-65 1 Мех-я обработка 1. SDR 176
25-45 2. 65-100 2. Огневая 2. SDR 9
20-40 3. 60-95 обработка 3. SDR 136
30-50 4. 85-120 3. Сначала мех-я 4. SDR 11
25-45 5. 60-85 за- 5. SDR 21
Антикогезионным2. Центровка 2. 100 мм 2. Сухими тканями
3. Обезжиривание 3. 25 мм 3. Цветными и
Противопригарным 4. Стягивание труб 4. 50 мм синте-
Когезионным 5. Протирка 5. 60 мм тическими тканями
Антиадгезионным 4. Влажными
10% 1. 15-25 мм 1. Не менее 1.В
8% 2. 10-20 мм 15-20мм приспособлении
5% 3. 15-20 мм 2. Не более 2. Зажимах
2% 4. 10-25 мм 15-20мм 3. Траншее
15% 5. 25-30 мм 3. Не менее 4. Сварочной
Не более 5. Кондукторе
1. 6 с 1. МПД 1. Не менее 1
Кисти 2. 5 с 2. ПК образца
Крючка 3. 4 с 3. РГК 2. Не менее 5
Ветоши 4. 3 с 4. УЗК образцов
Совка 5. 2 с 5. Акустический 3. Не менее 2
Билет № 6. Диаметр трубы 225 мм толщина стенки 128 мм.
СП 1. Нагретым газом 1. ПЭ 100 1. ≤ 03
-101-2003 2. Нагретым инстр-м2. ПЭ 150 2. ≤ 08
СП 42-102-2004 3. ПЭ 63 3. ≤ 05
СНиП 42-01-20023. С закладн. 4. ПЭ 120 4. ≤ 12
СП 42-103-2003 нагрев-ми 5. ПЭ 80 5. ≤ 10
СП 42-101-2002 4. Раструбная
20-35 1. 1. Огневая 1. SDR 21
25-45 45-65 обработка 2. SDR 9
20-40 2. 65-100 2. Хим-я 3. SDR 136
30-50 3. 60-95 обработка 4. SDR 11
25-45 4. 85-120 3. Мех-я 5. SDR 176
Адгезионным 1. Центровка 1. 50 мм 1. Белыми тканями
2. Очистка 2. 80 мм 2. Цветными и
Противопригарным 3. Обезжиривание 3. 25 мм синте-
Антиадгезионным4. Смазка 4. 75 мм тическими тканями
Цинковым 3. Ветошью
Антикогезионным 4. Влажными
5% 1. 15-25 мм 1. Не менее 1.В приспособлении
8% 2. 15-20 мм 5-15мм
10% 3. 10-20 мм 2. Не менее 2. Зажимах
2% 4. 10-25 мм 15-20мм 3. Сварочной
15% 5. 25-30 мм 3. Не более машине
Не менее 5. Кондукторе
Метёлки 1. 6 с 1. МПД 1. Не менее 1
Кисти 2. 3 с 2. ПК образца
Ветоши 3. 4 с 3. Акустический 2. Не менее 2
Совка 4. 5 с 4. РГК образцов
Крючка 5. 2 с 5. УЗК 3. Не менее 3
Билет № 7. Диаметр трубы 225 мм толщина стенки 205 мм.
СП 53-101-2003 1. Нагретым 1. ПЭ 1. ≤ 03
СП 42-102-2004 инстр-м 63 2. ≤ 08
СНиП 42-01-20022. Нагретым газом 2. ПЭ 80 3. ≤ 12
СП 42-103-2003 3. Экструзионная 3. ПЭ 100 4. ≤ 10
СП 42-101-2002 4. С закладн. 4. ПЭ 150 5. ≤ 05
нагрев-ми 5. ПЭ 120
20-35 1. 45-65 1. Хим-я 1. SDR 176
25-45 2. 140-210 обработка 2. SDR 9
45-65 3. 60-95 2. Огневая 3. SDR 136
30-50 4. 85-120 обработка 4. SDR 11
25-45 5. 60-85 3. Сначала мех-я 5. SDR 21
Адгезионным 1. Центровка 1. 10 мм 1. Мягкой тканью
Отражающим 2. Очистка 2. 50 мм 2. Ветошью
Антиадгезионным3. Обезжиривание 3. 25 мм 3 Сухими тканями
Стягивание труб 4. 100 мм 4. Влажными
Когезионным 5. Протирка 5. 60 мм тканями
Противопригарным синте-
8% 1. 15-20 мм 1. Не менее 1.В приспособлении
10% 2. 10-20 мм 15-20мм
5% 3. 15-25 мм 2. Не более 2. Зажимах
15% 5. 25-30 мм 3. Не менее машине
1. 6 с 1. УЗК 1. Не менее 1
Ветоши 2. 2 с 2. ПК образца
Кисти 3. 4 с 3. РГК 2. Не менее 4
Крючка 4. 3 с 4. МПД образцов
Совка 5. 5 с 5. Акустический 3. Не менее 2
Билет № 8. Диаметр трубы 250 мм толщина стенки 142 мм.
СП 42-103-2003 3. Нагретым инстр-м2. ПЭ 100 3. ≤ 05
СП 42-101-2002 3. ПЭ 150 4. ≤ 12
СНиП 42-01-20024. Раструбная 4. ПЭ 120 5. ≤ 10
С закладн. 5. ПЭ 80
20-40 3. 95-145 обработка 3. SDR 136
30-50 5. 60-85 за- 5. SDR 21
Адгезионным 1. Очистка 1. 10 мм 1. Ветошью
Антикогезионным2. Центровка 2. 100 мм 2. Мягкой тканью
3. Обезжиривание 3. 25 мм 3. Влажными
Противопригарным 4. Просушка 4. 60 мм тканями
Антиадгезионным5. Протирка 5. 50 мм 4. Цветными и
Отражающим тическими тканями
15% 1. 15-25 мм 1. Не менее 1.В приспособлении
8% 2. 10-20 мм 15-20мм
5% 3. 10-25 мм 2. Не более 2. Зажимах
2% 4. 15-20 мм 15-20мм 3. Траншее
10% 5. 25-30 мм 3. Не менее 4. Кондукторе
Совка 2. 5 с 2. ПК образца
Ветоши 4. 3 с 4. МПД образцов
Кисти 5. 2 с 5. Акустический 3. Не менее 2
Билет № 9. Диаметр трубы 250 мм толщина стенки 227 мм.
СП 53-101-2003 1. Нагретым газом 1. ПЭ 100 1. ≤ 03
СП 42-103-2003 2. Экструзионная 2. ПЭ 63 2. ≤ 10
СНиП 42-01-20023. Нагретым инстр-м3. ПЭ 150 3. ≤ 05
СП 42-101-2002 4. ПЭ 120 4. ≤ 12
СП 42-102-2004 4. Раструбная 5. ПЭ 80 5. ≤ 08
20-35 1. 45-65 1 Мех-я обработка 1. SDR
45-75 2. 65-100 2. Огневая 176
20-40 3. 60-95 обработка 2. SDR 9
30-50 4. 165-235 3. Сначала мех-я 3. SDR 136
25-45 5. 60-85 за- 4. SDR 11
тем хим-я 5. SDR 21
Адгезионным 1. Центровка 1. 10 1. Цветными и
Антикогезионным2. Протирка мм синте-
Антиадгезионным3. Обезжиривание 2. 25 мм тическими тканями
Отражающим 4. Стягивание труб 3. 50 мм 2. Ветошью
5. Очистка 4. 100 мм 3. Мягкой тканью
Противопригарным 5. 60 мм 4.Влажными тканями
5% 1. 15-20 мм 1. Не менее 1.В приспособлении
10% 3. 15-25 мм 2. Не менее 2. Сварочной
2% 4. 10-25 мм 5-15мм машине
15% 5. 25-30 мм 3. Не менее 3. Траншее
Ветоши 1. 2 с 1. УЗК 1. Не менее 1
Крючка 2. 3 с 2. ПК образца
Совка 3. 4 с 3. РГК 2. Не менее 2
Кисти 4. 5 с 4. МПД образцов
Метёлки 5. 6 с 5. Акустический 3. Не менее 3
Билет № 10. Диаметр трубы 315 мм толщина стенки 179 мм.
СП 1. Нагретым газом 1. ПЭ 63 1. ≤ 03
-102-2004 2. Экструзионная 2. ПЭ 80 2. ≤ 12
СП 42-103-2003 3. Нагретым 3. ПЭ 150 3. ≤ 05
СНиП 42-01-2002инстр-ом 4. ПЭ 120 4. ≤ 08
СП 42-101-2002 4. С закладн. 5. ПЭ 100 5. ≤ 10
СП 53-101-2003 нагрев-ми
40-60 1. 130-180 1 Огневая 1. SDR 136
20-40 3. 60-95 2. Мех-я 3. SDR 176
Отражающим 2. Обезжиривание 2. 50 мм 2. Сухими тканями
3. Центровка 3. 25 мм 3. Цветными и
Противопригарным 4. Стягивание труб 4. 100 мм синте-
Антиадгезионным5. Протирка 5. 60 мм тическими тканями
2% 1. 15-25 мм 1. Не менее 1. Сварочной
8% 2. 10-20 мм 15-20мм машине
5% 3. 25-30 мм 2. Не менее 2. Зажимах
10% 4. 10-25 мм 5-15мм 3. Траншее
15% 5. 15-20 мм 3. Не менее 4. В
-20мм приспособлении
Крючка 2. 5 с 2. ПК образца
Кисти 4. 3 с 4. МПД образцов
Галимов Э.Р. Исмаилова А.Г. Сударев Ю.И. Галимова Н.Я. Низамов Р.К.
Полимерные материалы. Структура свойства и применение. Учебное
пособие. Казань.: Изд-во Казан. гос. техн. ун-та 2001. 188 с.
Галимов Э.Р. Маминов А.С. Аблясова А.Г. Низамов Р.К. Галимова Н.Я.
Солдаткин В.М. Материалы приборостроения. Учебное пособие. Казань.: Изд-
во Казан. гос. техн. ун-та 2008. 672 с.
Сварка и свариваемые материалы: В 3-х т. Т.1. Свариваемость
материалов. Справ. изд. Под ред. Э.Л.Макарова – М.: Металлургия 1991. 528
Сварка полимерных материалов: Справочник Под общ.ред. К.И.Зайцева.
– М.: Машиностроение 1966. – 312 с.
Зайцев К.И. Сварка пластмасс при сооружении объектов нефтяной и
газовой промышленности. –М.: Недра. 1984. – 224 с.
Волков С.С. Сварка и склеивание полимерных материалов. М.: Химия 2001
Бортников В.Г. Производство изделий из пластических масс: Учебное
пособие для вузов в трех томах. Т.2. Технология переработки
пластических масс. Казань.: Изд-во «Дом печати» 2002. 399 с.
Амирова Л.М. Сударев Ю.И. Ильинкова Т.А. Ковалев А.А.
Исмагилова А.Г. Сварка пластических масс: Учебное пособие. Казань.: Изд-во
Казан. гос. техн. ун-та 2001. 28 с.
Удовенко В.Е. Сафронова И.П. Гусева Н.Б. Полиэтиленовые
Сборник нормативных документов системы аттестации сварщиков и
специалистов сварочного производства. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумаеа.
ГОСТ 11262-80. Пластмассы. Методы испытания на растяжение.
РД 03-606-03. Инструкция по визуальному и измерительному контролю.
СП 40-102-2000. Своды правил по проектированию и строительству
Российской Федерации. Проектирование и монтаж трубопроводов систем
водоснабжения и канализации из полимерных материалов.
Теоретическая часть 5
1.Общая характеристика полимерных материалов 5
2. Классификация строение и способы получения полимеров 5
3.Фазовые состояния и надмолекулярная структура полимеров . . 10
4.Физические состояния полимеров ..
5.Основные способы модификации полимерных материалов 18
6.Основные пластмассы для сварных соединений 21
7.Методы получения изделий из пластмасс ..27
8. Оценка свариваемости пластмасс . ..31
8.1.Механизм образования сварных соединений ..31
8.2 Методы повышения свариваемости 40
9.Способы сварки пластмасс 41
9.1.Контактная тепловая сварка ..41
9.2 Сварка газовым теплоносителе 42
9.3 Сварка экструдируемой присадкой . 44
9.4. Сварка в электрическом поле высокой частоты (ТВЧ).. 47
9.5.Ультразвуковая сварка пластмасс .. 48
9.6.Сварка пластмасс трением .. 49
9.7.Сварка излучением .. 50
Вопросы для самопроверки 51
Лабораторная работа № 1 Выбор режима стыковой сварки термопластов
нагретым инструментом .53
Вопросы для самопроверки 65
Лабораторная работа №2 Сварка полиэтиленовых труб соединительными
деталями с закладными нагревателями .66
Вопросы для самопроверки .94
Лабораторная работа №3 Раструбная диффузионная сварка ..95
Вопросы для самопроверки 101
Лабораторная работа №4 Методы контроля сварных соединений 103
Вопросы для самопроверки 122
Тестовые задания . 130
Карта типового технологического процесса сварки 141
Список литературы .152
ГАЛИМОВ Энгель Рафикович
МАКСИМОВ Владимир Кузьмич
ЧЕРНОГЛАЗОВА Алевтина Валентиновна
СУДАРЕВ Юрий Иванович
ЮРАСОВ Сергей Юрьевич
ГАНИЕВ Махмуд Масгутович
Ответственный за выпуск
Технический редактор
Типография Издательства КНИТУ-КАИ
0111Казань К.Маркса 10
Рис.1.10. Параметры характеризующие вязкость полимера в температурном
интервале вязкотекучести: Тт –температура текучести Тд - деструкции
Рис. 2. Схемы сварки при контактном разогреве (а) и излучением (б):
– заготовка; 2 – нагретый инструмент
Рис. 3. Установка мобильная для сварки полиэтиленовых труб малого диаметра
УСПТ-09: 1 – блок сварочный; 2 – устройство торцовочное; 3 – опора; 4 –
Рис.4. Блок сварочный: 1 – рама; 2 – зажим неподвижный; 3 – крышка; 4-
основание; 5 – зажим подвижный; 6 – стойка; 7 – крышки; 8 –
направляющие; 9 – основание;
– ручка; 11 – насос; 12 – манометр; 13 – гидроцилиндр; 14 – вкладыши; 15
– рейка; 16 – сектор зубчатый; 17 – стойка; 18 – направляющая; 19 – кран.
Рис.5. Насос: 1 – корпус; 2 – поджимная гайка; 3 – плунжер; 4 – ручка; 5 –
перепускной клапан; 6 – тройник; 7 – гильза; 8 – ёмкость; 9 – заливная
Рис. 6. Торцовочное устройство:1 – рукоятка; 2 – со-бачка; 38 – колёса
храповые; 4 – ножи; 5 – ось; 6 – осно-
Рис. 7. Циклограмма процесса сварки встык нагретым инструментом труб из
а) диаграмма изменения во времени t давления Роп на торцах и температуры Тн
нагретого инструмента;
б) последовательность протекания процесса сварки:
– оплавление торцов 2 – нагрев концов труб
– вывод нагретого инструмента (технологическая пауза) 45 - осадка и

класс.frw

вопросы к лекции №1.doc

Контрольные вопросы к лекции №1.
Что называется сваркой?
Для чего при сварке нужна энергия активации?
По каким признакам классифицируются сварочные процессы?
Что входит в группу технологических признаков?
Из каких зон состоит сварное соединение?
Какие типы сварных соединений Вы знаете?
Назовите основные конструктивные элементы подготовки кромок.
По каким признакам классифицируются сварные швы?
Назовите геометрические параметры сварных швов.
Как на чертежах обозначаются видимый сварной шов?
Контрольные вопросы к теме: «Строение свойства и классификация дуг».
Дайте определение сварочной дуги.
Какие основные процессы происходят в дуговом промежутке?
Объясните строение дуги.
Что такое вольт-амперная характеристика дуги?
От чего зависит напряжение дуги?
Как классифицируются сварочные дуги?

Порошк. мет 1лек Microsoft Word.doc

Порошковая металлургия (ПМ)– отрасль технологии занимающаяся
производством металлических керамических композиционных порошковых
материалов и деталей из них (слайд 1).
ПМ является наиболее древней технологией получения и обработки
металлов и сплавов керамики. Об этом свидетельствуют фрески в пирамидах
Египта созданные с помощью порошковых красок из золота и меди. Известен
так называемый «кричный» процесс получения пластичного железа
осуществляемый в твердой фазе без плавки руды что позволило нашим предкам
еще до изобретения доменного процесса широко использовать железо.
Железная колонна расположенная в Дели известная тем что не поддается
коррозии получена из порошкового железа чрезвычайно высокой чистоты.
Возможности получения и переработки тугоплавких металлов с температурой
плавления 20000С и выше в частности вольфрама также были реализованы
благодаря принципам технологии ПМ. Подобных примеров можно привести еще
много и все они демонстрируют высокую значимость данной технологии для
развития цивилизации.
ПМ является ресурсо- и энергосберегающей технологией о чем
свидетельствуют коэффициент использования металла (КИМ) и энергозатраты
необходимые для получения 1 кг продукции включая затраты на переработку
Вид технологии КИМ % Энергозатраты МДжкг
Порошковая металлургия 95 29
Точное литье 90 30-38
Холодная штамповка 85 41
Горячая штамповка 75-80 46-49
Обработка резанием 40-50 66-82
Пример. По данным фирмы «Mannesman Demag» (Германия) для пяти
характерных изделий типа шестерен масляного насоса сегмента коробки
передач (масса 100-400 г ежегодное производство – десятки тысяч и миллионы
штук) экономия стали составляет от 40 до 90% а экономия энергозатрат 40-
Для рулевого плато гидромотора (масса 550 г) потери материала при
изготовлении резанием (18 операций) составляют 630 г; при производстве этой
детали методом порошковой металлургии требуется только 10 операций потери
составляют всего 30 г; энергозатраты на одну деталь в первом и втором
случае соответственно равны 4714 и 253 кВт (экономия энергии около 46%).
Замена литых деталей спеченными как правило тем выгодней чем сложнее
их форма выше требования к точности изготовления и дороже материал.
Увеличение прочности общемашиностроительных спеченных конструкционных
материалов освоенных промышленностью может быть представлено данными
Таблица 2. Совершенствование общемашиностроительных спеченных
конструкционных материалов
Год 1940 1950 1960 1970 1980 1990
МПа 200-250 250-400 400-600 600-800 800-1000 ~1200
Эти показатели относятся к нетермообработанным материалам и отражают с
одной стороны достижения в применении порошков легированных сталей а с
другой подтверждают совершенствование техники прессования и спекания и
использование ковки спеченных заготовок.
Важнейшие преимущества ПМ
Возможность получения материалов которые путем плавки изготовить
трудно или невозможно: например твердые сплавы (керамика-металл); ряд
триботехнических материалов (антифрикционные материалы -железографитовые
меднографитовые; фрикционные); жаропрочные дисперсноупрочнные сплавы
тугоплавкие металлы и сплавы на их основе
( W Mo Nb Re и др.) композиционные материалы керамика и др.
В порошковых материалах отсутствуют недостатки вызванные ликвацией
характерной для литых сплавов. Высокая степень однородности химических
элементов по сечению порошковой детали позволяет повысить ее физико-
механические характеристики.
Возможность получения в металлических или керамометаллических
сплавах ультрамелкого зерна не достижимого при традиционных литейных
Возможность успешного использования комбинированных технологий:
технологии ПМ и технологий высокоэнергетических воздействий (высокого
давления взрыва плазмы) нанесения покрытий и др. Это расширяет
возможности ПМ делает ее более универсальной и неотъемлемой в современной
технологии производства.
В социальном аспекте порошковая металлургия способствует снижению
загрязнения окружающей среды.
Основной потребитель изделий ПМ – это автомобильная промышленность
сельхозмашиностроение приборостроение.
Основные операции ПМ. Технологический процесс производства изделий
методом порошковой металлургии состоит всего лишь из нескольких основных
Получение металлического порошка;
Подготовка порошков к формованию (отжиг классификация);
Приготовление шихты (смеси порошков нужного состава);
Формование шихты в компактное тело определенных формы и размеров
Дополнительноя обработка заготовки в зависимости от назначения
детали (механическая обработка калибрование термическая и химико-
термическая обработка и др.).
Поскольку точность изготовления порошковых заготовок обычно очень
высока то зачастую механическая обработка их вовсе не требуется. Поэтому
замена литых деталей на порошковые как правило тем выгодней чем сложнее
Производство порошков. Существует большое количество различных методов
производства металлических порошков что является важным преимуществом ПМ
делая ее весьма гибкой и универсальной при создании новых материалов.
Способы получения порошков принято разделять на механические и физико-
химические. На слайде 2 показан механический способ получения порошков
размолом в шаровых вибрационных мельницах. Но наибольшее практическое
применение имеют порошки полученные второй группой методов которые
позволяют получать порошки высокой степени чистоты. (восстановление
электролиз термическая диссоциация карбонилов межкристаллитная коррозия
распыление испарение-конденсация и др.- см. таблицу 3). На слайде 3
представлен один из наиболее экологичных способов получения порошков
–диспергирование (распыление) расплавов.
Из металлических порошков наибольший объем производства имеет порошок
железа. Мировым производителем железных порошков является фирма «Hgans»
Таблица 3.Основные методы промышленного производства металлических
Методы получения Характеристика метода Получаемые порошки
Физико-химические методы
Электролиз На катоде под действием Медь никель железо
водных растворов электрического тока осаждают из серебро — из водных
или расплавленныхводных растворов или расплавов растворов;
солей различных солей чистые порошки практическитантал титан цирконий
металлов любых металлов. Стоимость железо — из
порошков высока из-за больших расплавленных сред.
затрат электроэнергии и
сравнительно низкой
Диссоциация Разлагают нагреванием Железо никель
карбонилов соединение металла с СО типа кобальт вольфрам
Меа(СО)с. Применяет в молибден
промышленности для производства
высококачественных дисперсных
порошков стоимость которых
Химическое Один из наиболее Железо медь никель
восстановление: распространенных и экономичных кобальт вольфрам
оксидов и других способов. Восстановителями молибден титан тантал
твердых служат газы (водород цирконий уран и другие
соединений конвертированный природный газ иметаллы и их сплавы а
металлов др.) твердый углерод (кокс также соединения с
сажа и др.) и металлы (натрий неметаллами (карбиды
кальций и др.). Исходным сырьем бориды и др.)
являются окисленные руды рудные
концентраты отходы и побочные
продукты металлургического
производства (например
прокатная окалина) а также
различные химические соединения
из водных Медь никель кобальт
растворов Восстановитель — водород или серебро золото
различных монооксид углерода. Исходное
соединений сырье — сернокислые или
металлов аммиачные растворы солей
соответствующих металлов. Вольфрам молибден никель
соединений Газообразные соединения металлов
различных восстанавливают водородом в
металлов реакторе кипящего слоя или в
Чередующиеся слои или Латунь сплавы на
Термодиффузионноесмесь порошков разнородных основе хрома
насыщение металлов нагревают до высоколегированные стали
температуры обеспечивающей
их активное взаимодействие.
Испарение Для получения порошка металл Цинк кадмий и другие
и конденсация испаряют и затем конденсируют металлы
его пары на хо- лодной с невысокой температурой
поверхности. Порошок является испарения
тонкодисперсным но содержит
большое количество оксидов.
МежкристаллитнаВ компактном (литом) металле илиКоррозионностойкие и
я коррозия - сплаве при помощи химического хромоникелевые стали
межкристаллитные прослойки
Механические методы
Дробление и Измельчение стружки обрезков и Железо чугун медь
размол твердых компактных материалов проводят вмарганец латунь
материалов шаровых вихревых молотковых бронза хром алюминий
и других мельницах к.п.д. стали
которых сравнительно невелик
ДиспергированиеСтрую расплавленного металлаАлюминий свинец
расплава диспергируют механическим цинк бронза латунь
способом (воздействием железо чугун сталь
центробежных сил и др.) или
действуя на нее потоком
энергоносителя (газ или
Грануляция Порошок образуется при сливании Железо медь свинец
расплава расплавленного металла в олово цинк
жидкость (например в воду).
Получают крупные порошки.
Обработка При станочной обработке литых Сталь чугун латунь
твердых металлов или сплавов бронза магний
(компактных) подбирают такой режим резания
металлов резаниемкоторый обеспечивает образование
частиц а не стружки
Особое направление в производстве порошков в настоящее время – это
получение композиционных порошков и порошков малой дисперсности вплоть до
наноразмеров. Существуют следующие основные методы получения композиционных
порошков: конгломерирование плакирование золь-гель процесс
плазмохимический и др. В каждой частице такого порошка сохраняется
химический и фазовый состав присущий всему объему материала. Это состав
сохраняется в процессе обработки порошка что дает возможность задавать
заранее комплекс нужных физико-механических свойств порошковому изделию. На
слайдах 4 и 5 показаны порошки полученные наиболее совершенными способами
–золь-гель-процессом и плазмохимическим. Форма и свойства композиционных
порошков связана со способом получения (слайд 6).
На слайде 7 показана установка для получения высокодисперсных порошков
методом испарения-конденсации.
Методами прямого синтеза в настоящее время получают порошки
металлоподобных соединений – соединения металлов переходных IYa-YIa групп
периодической системы с водородом азотом углеродом бором кремнием. На
слайдах 8 и 9 показаны свойства таких порошковых материалов.
Свойства металлических порошков. Металлические порошки принято
характеризовать химическими физическими и технологическими свойствами.
Химический состав порошков оценивают содержанием основного металла
примесей или загрязнений и газов.
Физическими свойствами порошков является форма и размеры частиц
(гранулометрический состав) удельная поверхность пикнометрическая
плотность и микротвердость.
Технологические свойства выражают через угол естественного откоса
насыпную плотность текучесть плотность утряски уплотняемость
прессуемость и формируемость (см. слайд 10). Основные характеристики
порошков регламентированы ГОСТ или техническими условиями (ТУ).
Важнейшим физическим свойством порошка является его форма которая
зависит от способа получения порошка (таблица 3).
Таблица 3. Формы частиц порошка
Форма частицы Способ получения порошка
Сферическая Диспергирование (распыление) расплава
карбонильный испарение - конденсация
Губчатая Восстановление твердых оксидов
Дендритная Электролиз
Осколочная Измельчение твердых материалов в шаровой
вращающейся мельнице
Тарельчатая Измельчение твердых материалов в вихревой
Каплевидная Распыление расплава
Форма частиц существенно влияет на технологические свойства порошка
и через них на плотность прочность и однородность свойств заготовки.
Например наиболее прочные заготовки дают частицы дендритной формы так как
в этом случае наряду с силами сцепления действуют и чисто механические
причины: заклинивание частиц переплетение выступов и ответвлений.
Шероховатость поверхности частиц увеличивает у них запас избыточной
энергии что ускоряет в последующем формирование свойств порошковых изделий
(материалов) при спекании.
Металлические порошки представляют собой полидисперсные системы
состоящие из частиц различной крупности. В зависимости от набора
размеров частиц порошок характеризуется гранулометрическим
(фракционным) составом. Фракция порошка – это диапазон размеров
частиц между их максимальным и минимальным значением.
Гранулометрический состав порошка – содержание частиц выраженное в
относительных единицах (%) в определенных фракциях по отношению к
их общему количеству. Его выражают обычно либо в виде таблиц либо
графически в виде кривой зернистости.
В зависимости от размеров частиц порошки весьма условно подразделяют
на следующие группы:
ультрадисперсные (размер частиц до 100 нм)
высокодисперсные (01-10 мкм)
средние (40-250 мкм)
крупные (250-1000 мкм).
Гранулометрический состав порошка определяют ситовым (ГОСТ 18318-73)
микроскопическим (ГОСТ 23402-78) седиментационным (ГОСТ 22662-77)
кондуктометрическим и другими видами анализа.
Удельная поверхность частиц порошка представляет собой суммарную
поверхность всех частиц составляющих его единицу массы или объема.
Значения удельной поверхности для различных порошков составляют от
1 до 10-20 м2г. Величина удельной поверхности – одна из
важнейших характеристик металлических порошков определяющая
активность протекания физико-химических процессов сопутствующих
формированию свойств частиц их компактированию спеканию
взаимодействию с окружающей средой и т.д. Удельная поверхность
порошка определяется дисперсностью формой и состоянием поверхности
Формование металлического порошка — технологическая операция в
результате которой металлический порошок образует порошковую формовку.
Порошковая формовка — тело полученное из металлического
порошка и имеющее заданные форму размеры и плотность.
Операция формования ограничивает технологические возможности
порошковой металлургии: в первую очередь - это вес формовки. Усилия
формования даже небольших по объему и весу заготовок требуют десятки и
сотни тонн. Поэтому порошковые детали имеют как правило небольшой вес
(до нескольких сотен грамм изделий) но зачастую довольно сложную форму.
Подготовка порошков к формованию
Отжиг применяют с целью повышения пластичности порошка и следовательно
улучшения уплотняемости прессуемости и формуемости. При отжиге главным
образом снимается наклеп т. е. устраняется искажение кристаллической
решетки металла в приповерхностных слоях частиц и очень часто происходит
восстановление оксидов оставшихся при получении порошка или образовавшихся
в результате частичного окисления металла при длительном или неправильном
его хранении. Нагрев осуществляют в защитной среде (восстановительная
инертная или вакуум) при температуре порядка 04—06Тпл металла порошка.
Например окисленный железный порошок отжигают при температуре 650—750 °С.
Классификация - это разделение порошков по величине частиц на фракции.
Чаще всего в практике порошковой металлургии применяют ситовую
классификацию порошков. Для ее проведения используют различные типы сит
основными из которых являются помещаемые в кожух с вытяжной вентиляцией
механические сита с электромагнитным или рычажным вибраторами.
Классификацию порошков с размером частиц менее 40—50 мкм осуществляют с
помощью воздушных сепараторов обеспечивающих высаживание твердых частиц из
несущего газового потока под действием на них силы тяжести. Весьма
эффективными аппаратами для разделения являются циклоны-сепараторы.
Приготовление шихты. Смешивание порошков заключается в приготовлении
однородной механической смеси из порошков различного химического и (или)
гранулометрического состава. Задача смешивания — превращение смеси
порошков в макрооднородную смесь (шихту). Объем шихты может достигать
нескольких сотен килограмм. При этом однородность химического состава в
различных точках макрообъема шихты должна отличаться менее чес на 1%.
Скорость и результат смешивания во многом определяются формой и величиной
частиц гранулометрическим составом числом смешиваемых компонентов и
соотношением их количеств плотностями компонентов и их различием
коэффициентом трения между частицами способностью частиц к слипанию и
агрегации степенью изменения гранулометрического состава при смешивании.
Эффективность смешивания и его интенсивность зависят от конструкции
смесителя в частности определяющей скорость траектории перемещения
частиц. Современные смесители типа аттритора способны за несколько
десятков минут перемешать до 500 кг смеси порошков.
Какие технологические задачи решает метод порошковой металлургии?
Перечислите преимущества создаваемые применением порошковой
металлургии при производстве материалов и изделий.
Какие факторы ограничивают расширение применения метода порошковой
Перечислите методы получения металлических порошков и дайте им краткую
В чем принципиальное различие между механическими и физико-химическими
методами получения металлических порошков?
Что такое фракция гранулометрический состав порошка и как различаются
порошки по размерам частиц?
Перечислите технологические свойства порошка укажите их значение для
Укажите операции подготовки порошков к формованию и их назначение.

ТКМ В конспектах Учебное пособие.doc

Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное агентство по образованию
КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра материаловедения и технологии материалов
В.А. Сурков Т.А. Ильинкова Е.А. Солопова
ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
УДК 621.735:681.3 (077)
В.А.Сурков Т.А. Ильинкова Е.А. Солопова. Технология конструкционных
материалов. В конспектах.: Учебное пособие. Казань: Изд – во Казан. гос.
техн. ун – та . 2007. 96 с.
Изложены в краткой форме в виде конспекта современные методы
изготовления заготовок литьем давлением сваркой а также методы
изготовления деталей из композиционных материалов. Учебное пособие является
дополнительным материалом к лекционному курсу по данной дисциплине.
Предназначено для студентов инженерных специальностей изучающие
предмет «Технология конструкционных материалов» и «Технологические процессы
Ил. 61. Табл. 3 . Библиогр.: 9 назв.
В работе принимали участие от КГТУ им. Туполева:
к.т.н. проф. А.С. Маминов
студент гр.1408 Р.В. Фесенко
аспирант А.В. Беляев
Рецензенты: зав. кафедрой МВТМ д.т.н. проф. О.С. Сироткин (КГЭУ)
гл. инженер Р.О. Юсипов (ОАО КМПО)
ТЕМА 1. Понятия металлургического и машиностроительного
1. Понятия металлургического производства 7
2. Понятия машиностроительного производства 7
3. Сравнительный анализ способов получения заготовок и деталей
ТЕМА 2. Основные свойства конструкционных материалов 10
1. Строение конструкционных материалов 10
2. Дефекты в кристаллических решетках 11
3. Маркировка и назначение основных конструкционных
4. Механические свойства 14
5. Физические свойства 18
6. Химические свойства 18
7. Технологические свойства 18
8. Эксплуатационные или служебные свойства 19
ТЕМА 3. Основы металлургии черных и цветных металлов 20
1. Производство чугуна 20
1.1. Руды пустая порода вредные примеси флюсы и
1.2. Подготовка руды к плавке 21
1.3. Выплавка чугуна 21
1.4. Физико-химические процессы 23
2. Производство стали 24
2.1 Кислородно-конверторный процесс 24
2.2. Мартеновский метод 26
2.3 Плавка стали в электропечах 27
3. Производство цветных металлов и сплавов 29
3.1. Производство алюминия 29
3.2. Производство титана 30
3.3. Производство меди 31
ТЕМА 4. Основы литейного производства 33
1. Общие сведения получения литых заготовок и деталей 33
2. Литейные свойства сплавов 34
3. Механические свойства литейных сплавов 36
4. Процесс кристаллизации 37
5. Формовочные материалы 38
6. Формовочные и стержневые смеси. Противопригарные
7. Технология изготовления отливок в песчанно-глинистых формах
8. Специальные способы литья 43
8.1. Литье в металлические формы (литье в кокиль) 43
8.2. Литье под давлением 44
8.3. Литье в оболочковые формы 46
8.4. Центробежное литье 47
8.5. Литье по выплавляемым моделям 47
ТЕМА 5. Основы технологии обработки давлением 50
1. Общие понятия и закономерности 50
2. Классификация основных видов ОМД 52
3. Основные методы штамповки 57
3.1. Процесс с локальным очагом пластической деформации
штамповка обкатыванием 61
ТЕМА 6. Основы технологии сварочного производства 68
1. Основные понятия и определения 68
2. Способы сварки плавлением 70
2.1. Электродуговая сварка 70
2.2. Плазменная сварка 73
2.3. Газовая сварка 74
2.4. Сварка электронным лучом 75
3. Способы сварки давлением 76
3.1. Контактная сварка 76
3.2. Диффузионная сварка 78
3.3. Сварка взрывом 78
3.4. Холодная сварка 79
3.5. Сварка трением 80
3.6. Ультразвуковая сварка 80
5. Дефекты сварных и паяных соединений 82
ТЕМА 7. Электрофизические методы обработки 84
1. Электроэрозионная обработка заготовок 83
2. Электроимпульсная обработка 85
3. Электроконтактная обработка 85
4. Электрохимические методы обработки 86
5. Электрохимическая размерная обработка 86
ТЕМА 8. Изготовление заготовок деталей из композиционных порошковых
1. Способы получения металлических порошков 87
2. Технологические свойства металлических порошков 90
3. Методы производства металлокерамических изделий 90
4. Технологический процесс спекания 94
Список литературы 96
Основной задачей курса «Технология конструкционных материалов»
является ознакомление с существующими способами получения заготовок и
деталей из различных конструкционных материалов и перспективой развития
технологических процессов в машиностроении.
Применяемые конструкционные материалы подразделяют на металлические и
неметаллические. Металлы в свою очередь относят либо к черным (железо и
его сплавы) либо к цветным (медь и сплавы на ее основе алюминий и его
сплавы титан и др.). Чистые металлы не всегда могут обеспечить требуемые
эксплуатационные свойства поэтому в основном в машиностроении используют
сплавы на их основе.
В области обработки давлением созданы новые процессы чистовой
обработки поверхности деталей пластическим деформированием: обработка
обкаткой и раскаткой роликами упрочняющая обработка поверхности
Литейное производство характеризуется совершенствованием
технологических процессов дальнейшей механизацией и автоматизацией
специальных видов литья повышением качества отливок. Помимо широко
известных способов литья в оболочковые формы литья по выплавляемым
моделям литья под давлением все больше внедряются непрерывное литье литье
вакуумным всасыванием вакуумно-компрессионное литье литье намораживанием.
В области сварочного производства широкое распространение получили
такие способы сварки как электронно-лучевая диффузионная сварка в
вакууме ультразвуковая сварка лазерная сварка сварка в камере с
контролируемой атмосферой и др.
Технологический процесс производства изделий методом порошковой
металлургии состоит из следующих основных операций: получения
металлического порошка или смеси порошков разнородных материалов
формования спекания (нагрев) и дополнительной обработки (механической
обработки калибрования термической и химико-термической обработки и др.)
порошковых заготовок и изделий.
ТЕМА 1. Понятия металлургического и машиностроительного производства
1. Понятия металлургического производства
Все металлы и сплавы условно принято подразделять на черные (железные)
и цветные (нежелезные) которые получают в металлургическом производстве.
Металлургическое производство получает конструкционные материалы в
виде проката обладающие хорошей деформируемостью или в виде небольших
слитков – чушек обладающие хорошими литейными свойствами и
неудовлетворительной деформируемостью.
Металлургия (от греч. добываю руду) – наука о промышленных способах
получения металлов и металлических сплавов из руд. Металлургическое
производство включает следующие основные направления:
- добыча подготовка и обогащение руды и топлива осуществляемые в
карьерах шахтах на коксохимических заводах и горно-обогатительных
- изготовление огнеупорных материалов способных выдерживать высокие
температуры не расплавляясь применяемые в виде кирпичей порошков а также
в виде фасонных огнеупорных изделий (трубки стаканы);
- получение доменных флюсов необходимых для удаления из доменной
печи тугоплавкой пустой породы и золы топлива (образование доменного
- получение металла или металлических сплавов восстановлением из
исходной шихты (руды) или материалов в виде слитков и чушек;
- прокатка слитков на заготовки для дальнейшей их обработки давлением
2. Понятия машиностроительного производства
Современное машиностроение является одной из ведущих отраслей
промышленности включая в себя тяжелое машиностроение авиастроение
ракетостроение судостроение и др. Главный потребляемый материал – сталь
сочетающий ценные механические свойства с комплексом технологических
свойств что обеспечивает возможность получения надежных разнообразных по
форме и размерам деталей простыми и экономичными способами.
Полученная в металлургическом производстве заготовка обрабатывается
на машиностроительных предприятиях до готовых деталей с заданными
технологическими свойствами применяя при этом основные производства:
- литейное производство;
- обработка металлов давлением;
- обработка металлов резанием;
- сварочное производство и пайка;
- порошковая металлургия.
Заготовка – это полуфабрикат форма и размеры которой максимально
приближены к детали.
Рис. 1.1. Заготовка – деталь:
– припуски на обработку; 2 – втулка (деталь).
Деталь - это продукт (элемент изделия машины) пригодный для
Для обеспечения взаимозаменяемости – свойства конструкции обеспечивать
оптимальные эксплуатационные и производственные показатели детали
изготавливаются в соответствии с единой системой допусков и посадок (ЕСДП)
и шероховатостью поверхности.
Чем меньше величина допуска тем точнее деталь и тем дороже ее
Шероховатость поверхности – это совокупность неровностей с
относительно малыми шагами образующий рельеф поверхности детали и
рассматриваемых в пределах базовой длины.
Самый высокий класс шероховатости поверхности имеют детали с
зеркальной поверхностью RZ 01 (01 мкм). Самый низкий класс шероховатости
поверхности детали – неровность которой видна невооруженным глазом RZ320
3. Сравнительный анализ способов получения заготовок и деталей в
Литейное ОМД ОбработкаСварочноеПорошк.
пр-во резанием пр-во металлургия
между 955 7525 0100 5050 595
Применяется дляхорошими хорошей для любыххорошей хорошей
материалов с: литейными деформи-руеммате-риалсвари-ваепрессуемо-с
свойствамиостью ов мо-стью тью
(паяемо-сспе-каемост
Расход металла макси-мальмакси-мальнымакси-малмини-мальмини-мальны
(на заготовку ный й ьный ный й
деталь) минимальный
Стоимость мини-мальнсредняя макси-малсредняя средняя
заго-товки ая минимальная ьная мини-маль
Производитель-нсредняя максимальнаямини-мальмакси-малсредняя
Автоматизация исп. исп. исп. ЧПУ исп. исп.
авто-матичавто-матичесгибкие ав-томатыполуав-тома
ес-кие -кие линии модули и ты роботы
линии робо-ты обрабаты-полуав-то
роторно-команипуля-торвающие маты
нвейер-ныеы гибкие центры роботы
линии модули автоматы гибкие
Анализ приведенных данных в таблице 1 показывает что самым
непроизводительным дорогим и металлоемким процессом является обработка
металлов резанием. Самые металлоэкономные процессы – это обработка металлов
давлением и порошковая металлургия.
ТЕМА 2. Основные свойства конструкционных материалов
1. Строение конструкционных материалов
Детали машин чрезвычайно разнообразны. Развитие авиационной техники
ее успехи тесно связаны с прогрессом в области создания прочных стойких и
легких металлических и неметаллических материалов. Современная реактивная
техника потребовала применения в конструкции двигателя новых жаропрочных
металлических сплавов способных надежно работать в условиях высоких
температур (свыше 1000 0С; в некоторых случаях конструктивная прочность
сплава должна сохраняться при температурах 1500 – 2500 0С).
Технически чистые металлы характеризуются низким пределом прочности
в поэтому в машиностроении применяют главным образом их сплавы.
Для правильного использования имеющихся материалов и для обработки
заготовок из них важно иметь представление об их структуре.
Все металлы и большинство неметаллических твердых материалов имеют
кристаллическое строение.
Воображаемые линии проведенные через центры атомов образуют
кристаллографическую плоскость. Многократное повторение расположенных
параллельно кристаллографических плоскостей воспроизводит пространственную
кристаллическую решетку.
Все кристаллические тела образуют 7 типов кристаллических решеток для
металлов наиболее характерными из которых являются (рис. 2.1.):
Рис. 2.1. Характерные типы кристаллических решеток:
а) ОЦК – объемно-центрированная кубическая решетка;
б) ГЦК – гранецентрированная кубическая решетка;
в) ГПУ – гексагональная плотноупакованная решетка.
Элементарные частицы из которых состоят кристаллы тела – это атомы
ионы молекулы. Расстояние между атомами (а b c) называется параметрами
решетки и измеряются в ангстремах А=10-8 см.
Свойство кристаллов определяется не только типом кристаллических
решеток но и характером взаимодействия атомов ионов и электронов между
При переходе паров металла из жидкого в твердое состояние его атомы
сближаются и его электроны получают возможность переходить от одного атома
к другому по всему объему металла обеспечивая при этом высокую
Для многих металлов характерно явление аллотропии (полиморфизма)
сущность которого заключается в том что один и тот же металл может иметь
различные типы кристаллических решеток в зависимости от условий в которых
он находится (температура и давление).
Полиморфные превращения свойственны широко применяемым металлам:
железу марганецу титану кобальту олову.
Так например железо (Fe):
При температуре 1539 – 1392 0С – ОЦК; 293А (обозначается Fe)
При температуре 1392 – 911 0С – ГЦК; 36А (обозначается γ Fe)
При температуре 911 0С – ОЦК; 293А (обозначается α Fe)
Явление полиморфизма используют в технике для улучшения
обрабатываемости термообработки литье и других процессах.
Всем кристаллам присуща анизотропия – это неравномерность свойств в
различных направлениях определяемая различными расстояниями между атомами
в кристаллической решетке.
От направления действия сил в кристалле зависят такие показатели как
прочность упругость термический коэффициент расширения
электропроводность и другие.
2 Дефекты в кристаллических решетках
Реальные кристаллы их строение и свойства существенно отличаются от
идеальных вследствие наличия в них внутренних и поверхностных дефектов.
Внутренние дефекты (рис. 2.2.) подразделяются на три вида.
Точечные дефекты характеризуются вакансией – отдельные узлы
кристаллической решетки не заняты дислоцированным атомом – атомы
оказавшиеся в межузлиях и примесным атомом – внедренный атом других
Рис. 2.2. Дефекты кристаллической решетки:
а – точечные (нуль мерные); б – линейные (одномерные);
в – двухмерные (развитые в двух направлениях).
Линейные дефекты характеризующиеся смещением атомных плоскостей
называемым дислокацией и цепочкой вакансий.
Плотность дислокаций велика и на 1 см достигает 106 – 108 степени в
недеформированных кристаллах. Зерно металла состоит из отдельных блоков
граница между ними обычно представляет собой скопление дислокаций.
При пластическом деформировании плотность дислокаций увеличивается в
тысячи раз что значительно повышает прочность материала и расширяет
область их применения (рис. 2.3).
Рис. 2.3. Зависимость прочности тела от плотности дефектов:
п – число дефектов РК – точка характеризующая прочность чистых
металлов А – ветвь характеризующая резкое снижение прочности В – ветвь
характеризующая повышение прочности при пластическом деформировании или
введением легирующих элементов.
Двухмерные дефекты характерны для поликристаллических материалов
то есть большого количества мелких кристаллов различно ориентированных в
3. Маркировка и назначение основных конструкционных материалов
Основными конструкционными материалами являются стали. Сталью
называют сплав железа с углеродом (до 2% С).
В качестве полезных постоянных примесей сталей являются марганец
кремний хром а вредными постоянными примесями является сера фосфор
кислород водород азот. Количественное содержание вредных примесей
определяет качество стали.
По химическому составу стали подразделяют на углеродистые и
легированные в состав которых входит легирующие элементы вводимые для
повышения механических технологических и других свойств.
По назначению стали подразделяют на конструкционные
(машиностроительные) инструментальные и стали специального назначения.
Стали углеродистые обыкновенного качества в соответствии с ГОСТ 380 –
выплавляются трех групп: А Б В. Стали группы А поставляются на
заводы по механическим свойствам и применяемую в основном тогда когда
изделия из нее не подвергаются горячей обработке (сварка ковка и др.)
которая может изменить регламентированные механические свойства.
Маркируются: Ст 0 Ст 1 Ст 2 Ст 6. Стали группы Б поставляются на
заводы по химическому составу и применяемую для деталей подвергаемых
такой обработке при которой механические свойства меняются. Эти стали
используются для неответственных деталей и обладают хорошей
деформируемостью и обработкой резанием. Маркируются БСт1 БСт2 БСт6.
Стали группы В поставляются на заводы с указанием химического состава и
механических свойств. Эти стали используются для мало и средненагруженных
деталей подвергаемых сварке обработкой давлением и резанием. Маркируются:
Стали углеродистые конструкционные качественные применяются для
изготовления ответственных деталей машиностроения. Маркируются :Сталь 08
Сталь 10 Сталь 35 Сталь 45 Сталь 60. В этих марках содержание углерода
соответственно 008% 01% 035% 045% 060%.
С увеличением углерода в таких сталях прочность и твердость
возрастает а пластичность и ударная вязкость снижается.
Углеродистые инструментальные стали применяются для изготовления
ударного работающего при динамических нагрузках и различного инструмента
работающего при статических нагрузках. Маркируются: У7 У8 У9 У10 У11
У12 У13. В этих марках содержание углерода соответственно
% 13% Углеродистые высококачественные стали в конце имеют
букву А: У7А У8А У9А У10А У11А У12А У13А.
Железоуглеродистые сплавы содержащие углерода более 214% называют
чугунами. К машиностроительным чугунам относятся серые ковкие
высокопрочные отличающиеся способами получения механическими свойствами и
имеющие высокие литейные свойства хорошей обрабатываемостью и не
подвергающиеся деформированию. Маркируются СЧ10 СЧ15 СЧ45; КЧ 30-6..КЧ 65-
; ВЧ 35 ВЧ 100. Цифры в маркировке обозначают минимальное значение
Медные сплавы основой которых является медь. Широко применяются для
изделий которые должны обладать высокой износостойкостью в атмосфере
кислотах и щелочах в пресной и морской водах сохраняя при этом высокие
механические свойства.
Латуни – сплавы на основе меди с цинком маркируются: Л96 Л68 ЛС59
число указывает содержание меди остальное цинк. Латуни имеют хорошую
коррозионную стойкость тепло и электропроводность.
Бронзой называют сплавы меди с другими легирующими элементами кроме
цинка. Маркируется буквами Бр за которыми следуют заглавные буквы
легирующих элементов а через тире цифры показывающие их процентное
содержание. БрАЖ9-4 – алюминий – 9% железо – 4% остальное медь.
Широко применяемые алюминиевые сплавы делят на литейные и
деформируемые. Литейный алюминий маркируются буквами А и Л за которыми
указывается порядковый номер по ГОСТ 4784 – 97 АЛ1 АЛ2 АЛ33. Используют
для изготовления заготовок литьем блоков цилиндров ступиц колес и других
деталей. Деформируемый маркируется буквой Д и числом обозначающим
порядковый номер по ГОСТ 4784 – 97 Д16 Д20. Используют для изготовления
лонжеронов поперечин элементов обшивки крыльев и т.д.
4. Механические свойства
Механические свойства конструкционных материалов характеризуют
техническую пригодность материала под воздействием внешних нагрузок.
Во многих случаях металлические материалы в конструкциях работают под
статическими нагрузками. Поэтому для определения механических свойств
широко используют статические испытания
В зависимости от характера действия нагрузки могут быть (рис 2.4.)
Рис. 2.4. Основные виды нагрузок:
а – растяжение; б – сжатие; в – изгиб; г – кручение; д – срез.
К основным механическим свойствам относятся:
Показатели прочности (рис. 2.5.).
Прочность – способность твердого тела сопротивляться деформации или
разрушению под действием нагрузок статических (растяжение изгиб и
кручение) или динамических (срез).
- предел текучести т (МПа) – растягивающее напряжение при котором
деформация начинает расти без увеличения нагрузки:
где: Fо – начальная площадь образца мм2.
- предел прочности при растяжении в (МПа) - условное напряжение
получаемое делением максимальной нагрузки РВ на площадь поперечного
Рис. 2.5. Диаграмма нагрузка-деформация:
Рпц – нагрузка соответствующая пределу пропорциональности (Н);
Руп – нагрузка при которой образец получает только упругую деформацию (Н);
Рт – нагрузка при пределе текучести (Н); РВ – максимальная нагрузка
соответствующая пределу прочности материала (Н); Рк – нагрузка в момент
разрушения образца (Н).
- предел пропорциональности пц (МПа) – напряжение ниже
которого материал ведет себя как упругий.
- ударная вязкость ан (рис.2.6.) – оценочная величина
определяющая вязкость материалов при изломе образца и установления их
склонности к переходу из вязкого в хрупкое состояние:
где: А – работа затраченная на разрушение образца МНм;
F – площадь поперечного сечения образца в месте надреза мм2:
где: Р – масса маятника МН;
Нh – высота подъема маятника до и после удара мм.
Рис. 2.6. Схема испытания на ударную вязкость.
Показатели пластичности (рис. 2.7.)
Пластичность – способность материала к изменению геометрических
размеров под действием внешних сил.
Рис. 2.7. Схема испытания на растяжение.
- относительное удлинение (%) – величина на которую удлиняется
образец металла при его испытании на растяжение:
где: L – длина образца после испытания мм;
L0 – длина образца до испытания мм.
- относительное сужение – характеризуется изменением (сужением)
поперечного сечения образца при его испытании на растяжение:
где: F0 – площадь поперечного сечения образца до испытания мм;
F – площадь поперечного сечения образца после разрыва мм.
Твердость – способность материала сопротивляться проникновению в
него другого тела (индентора) не испытывающего остаточной деформации.
Показателем твердости является испытания по методу Роквелла Виккерса
Бринелля (рис. 2.8.). Число твердости по Бринеллю определяется:
где: Р – нагрузка на шарик МН;
D – диаметр шарика мм;
d – диаметр отпечатка мм.
Чем меньше отпечаток тем больше твердость НВ. В лабораториях уже
имеются таблицы соответствия диаметра отпечатка и твердости.
Рис. 2.8. Схема определения твердости по методу Бринелля.
5. Физические свойства
К этой группе свойств относят плотность материала температуру
плавления коэффициент термического расширения электросопротивление
магнитные свойства и д.р.
6. Химические свойства
Характеризуют сопротивление материала воздействию на него агрессивных
сред окисления коррозии. В машиностроении эти свойства должны обеспечить
безотказность работы машин и механизмов в различных климатических условиях.
7. Технологические свойства
Определяются способностью поддаваться различным видам горячей и
холодной обработки и часто определяют выбор материала. К основным из них
Литейные свойства –способность металла или сплава заполнять
литейную форму обеспечивать получение качественных отливок заданных
размеров и конфигурации.
Деформируемость – способность металла и сплава деформироваться с
минимальным сопротивлением и принимать заданную форму.
Свариваемость – способность материала подвергаться сварке и
образовывать неразъемные соединения с комплексом свойств обеспечивающих
работоспособность конструкции.
Паяемость – способность материала образовывать неразъемные
соединения посредством промежуточного материала – припоя обладающего
температурой плавления значительно ниже соединяемых материалов.
8. Эксплуатационные или служебные свойства
Определяют надежную работоспособность конструкции или готовой детали в
процессе эксплуатации сохраняя свои свойства в заданных пределах и в
течение определенного срока службы. К ним относятся:
- антифрикционность – способность трущихся пар работать в
условиях малого коэффициента трения
ТЕМА 3. Основы металлургии черных и цветных металлов.
1. Производство чугуна
Металлургия – наука о промышленных способах получения металлов и
металлических сплавов – одна из древнейших отраслей знания.
Чугун – железоуглеродистый сплав содержащий более 214 % углерода.
Кроме углерода в нем всегда присутствует кремний (до 4 %) марганец
(до 2 %) а также фосфор и сера. Чугун является основным исходным
материалом для получения стали на что расходуется 85 – 90 % всего чугуна.
Вместе с тем чугун является наиболее распространенным литейным сплавом.
1.1. Руды пустая порода вредные примеси флюсы и топливо
Железные руды – основной исходный материал для выплавки чугуна. Рудный
минерал (рудное вещество) чаще всего представляет собой окислы железа
хорошо восстанавливающийся в условиях доменной плавки.
Пустая порода обычно состоит из кварца и песчаников с примесью глины
которая легко отделяется от основных рудных минералов в процессе обогащения
руды или переходит в шлаки в процессе плавки.
Вредные примеси – мышьяк фосфор и сера существенно влияют на
металлургические процессы и загрязняют основной металл.
Наиболее богатые рудные минералы содержат 60 % железа и больше
наиболее бедные 30 – 40 % и бывают следующих видов:
- красный железняк (гематит) безводная окись железа Fe2О3 – наиболее
распространенный вид руды во всем мире содержит 50 – 60 % железа с
минимальным содержанием вредных примесей;
- магнитный железняк (магнетит) магнитная окись железа Fe3О4
содержит до 70 % железа и обладает магнитными свойствами;
- бурый железняк (лимонит) содержит железо в форме водных окислов от
Доменные флюсы необходимы для удаления из доменной печи тугоплавкой
пустой породы и золы топлива. Сплавляясь с флюсом они образуют
легкоплавкий сплав – доменный шлак. Флюсы выбирают в зависимости от пустой
породы руды в отечественном производстве главным образом используют
известняк СаСО3. Избыток извести в доменном шлаке способствует удалению из
Основное требование к доменному топливу – высокая теплотворность
малое содержание золы чистота по содержанию вредных примесей. Главным
топливом в доменном производстве является каменноугольный кокс который
обеспечивает нагрев печного пространства до необходимой температуры и
образования восстановителей окислов железа.
Кокс представляет собой твердую спекшуюся массу в результате
прокаливания каменного угля при высокой температуре без доступа воздуха.
1.2. Подготовка руды к плавке
Подготовка руды дает возможность использовать более бедные руды и
повышать эффективность доменного процесса.
Дробление руды обеспечивает нужную степень измельчение руды до
размеров от 10 до 80 мм которые успевают за время ее нахождения в печи
прогреться и неплотно прилегая друг к другу оставлять проходы для газов.
Обогащение руды – это предварительная обработка руды не изменяющая
химического состава основных минералов предназначено для использования
более бедных руд. Основной способ – это магнитная сепарация отделение
пустой породы в магнитном поле.
Среди других методов обогащения наиболее распространен гравитационный:
отсадка и разделение в тяжелых суспензиях в которых рудный минерал тонет
а частицы пустой породы всплывают.
Для удаления рыхлой песчаной и глинистой пустой породы применяют
наиболее простой и дешевый способ – промывку водой.
Окускование – процесс соединения железорудного сырья перед плавкой
методами агломерациии и окатывания.
Агломерацию (спекание) проводят на больших ленточных машинах
непрерывного действия. Исходным материалом для процесса служат мелкая руда
и отходы доменного производства (колошниковая пыль). Эти материалы
смешивают с небольшим количеством мелкого кокса увлажняют и поджигают в
результате горения при температуре 1300 – 1500 0С происходит спекание шихты
в пористый продукт – агломерат.
Окатывание – производство окатышей. Для этого мелкую руду известняк
(флюс) перемешивают с глиной и увлажняют. Сырые окатыши диаметром 20 – 30
мм получают во вращающихся барабанах которые после сушки и обжига при
температуре 1200 0С становятся достаточно прочными и пористыми.
1.3. Выплавка чугуна
Для получения чугуна из железных руд применяется автоматизированный
процесс в доменных печах (рис. 3.1).
Рис. 3.1. Схема доменной печи шахтного типа:
– засыпной аппарат; 2 – газоотводы; 3 – огнеупорный материал;
– фурмы; 5 – шлаковая летка; 6 – чугунная летка.
Доменная печь – это сооружение высотой 35м и массой в несколько тысяч
тонн. Полезный объем современных доменных печей достигает до 5000 м3
производительность при этом достигает 11000 тонн чугуна в сутки. Доменная
печь работает непрерывно в течение 5 – 10 лет по принципу противотока.
Внутреннюю часть рабочего пространства печи называют профилем доменной печи
Рис. 3.2. Профиль доменной печи:
– колошник; 2 – шахта; 3 – распор; 4 – заплечики; 5 – горн.
Доменный процесс плавки чугуна заключается в раздельной загрузке в
верхнюю часть печи (колошник) железной руды флюса и кокса
располагающегося в печи слоями. Шихта нагревается за счет тепла горения
кокса в горячем воздухе вдуваемом в горн через фурму и постепенно
опускается навстречу поднимающимся горячим газам. В результате физико-
химического взаимодействия компонентов шихты и газов в нижней части печи
называемой горном образуются два жидких несмешивающихся слоя: чугун и шлак
Выпуск шлака производится через каждые 40 – 50 мин а чугун примерно
через 2 часа через летки которые вскрывают электробуром и разливают в
ковши емкостью до 60 т. Затем летку забивают огнеупорной глиной.
1.4. Физико-химические процессы в доменной печи
– горение топлива происходит возле фурм (верхняя часть горна)
взаимодействуя с кислородом воздушного дутья кокс сгорает по реакции:
С + О2 = СО2 + Qкал.
В результате этой реакции выделяется большое количество тепла и
развивается температура 1800 – 2000 0С углекислый газ при этом поднимаясь
взаимодействует с раскаленным коксом восстанавливаясь до окиси углерода:
СО2 + Скокса = 2СО – Q.
Окись углерода СО является главным восстановителем железа и его
– разложение компонентов шихты способствует получению окиси
углерода увеличивая восстановительную способность и осуществляется по
СаСО3 = СаО + СО2 – разложение известняка;
Н2О + С = Н2 + СО – Q – разложение паров воды.
– восстановление окислов железа – главная цель доменного процесса и
происходит последовательно от высших окислов к низшим по схеме:
Основными реакциями восстановления являются следующие:
Fe2O3 + СО = 2Fe3O4 + СО2 + Q;
Fe3O4 + СО = 3FeO + СО2 + Q;
FeO + СО = Fe + СО2 – Q.
В результате последней реакции образуется твердое губчатое железо.
– науглероживание железа происходит за счет взаимодействия губчатого
железа с углеродом по реакции:
Fe + 2СО = Fe3C+ СО2.
– шлакообразование представляет собой продукты взаимодействия
оксидов пустой породы вредных примесей и золы кокса с флюсом
обеспечивающие достаточную жидкотекучесть шлака при температурах 1400
2. Производство стали
Для массового производства стали в современной металлургии основными
исходными материалами являются передельный чугун и стальной скрап (лом).
По химическому составу сталь отличается от передельного чугуна меньшим
содержанием углерода марганца кремния и других элементов. Поэтому
выплавка стали – сводится к проведению окислительной плавки для удаления
избытка углерода марганца и других примесей а для выплавки легированных
сталей ввод соответствующих элементов. В современной промышленности сталь
производится тремя основными методами – конвертерным мартеновским и
2.1. Кислородно-конверторный процесс
Сущность кислородно-конверторного процесса заключается в том что
налитый в плавильный агрегат (конвертор) расплавленный чугун продувают
струей кислорода сверху (рис. 3.3.).
Благодаря основной футеровке конвертора при плавке используют основной
флюс – известь СаО3 для ошлакования и удаления из металла серы и фосфора.
Рис. 3.3. Принципиальная схема кислородного конвертора:
– глуходонный конвертор; 2 – фурма для вдувания кислорода;
– летка для слива стали.
Кислород подают под давлением 09 – 14 МПа (9 – 14 атм) что
обеспечивает достаточную кинетическую энергию струи и ее требуемое
углубление в металл для полного усвоения кислорода. При продувке кислород
взаимодействует с железом чугуна и с примесями и окисляет его по реакциям:
Образовавшаяся закись железа взаимодействует с примесями чугуна и
окисляет их восстанавливаясь до железа. Выделяющаяся окись углерода
догорает в атмосфере:
Окислы кремния марганца фосфора на поверхности металла
взаимодействуют друг с другом с флюсом и закисью железа и переходят в
шлак. Все реакции окисления экзотермичны благодаря чему температура
жидкого металла в конверторе непрерывно повышается. Процесс протекает очень
интенсивно сопровождается выделением дыма и пламени.
Раскисление стали – завершающая операция восстановление железа из
закиси и способствует при этом лучшему перемешиванию нижних слоев металла:
С + FeO = Fe +СО – Q.
Продолжительность продувки 10 – 25 мин. Суммарная длительность цикла
Конверторный процесс является самым высокопроизводительным
производством стали при котором получают стали обыкновенного качества
качественные низкоуглеродистые и низколегированные.
Недостатком является большое пылеобразование что требует
обязательного сооружения при конверторах пылеочистительных установок.
2.2. Мартеновский метод
Мартеновский метод является основным для выплавки углеродистых и
легированных сталей. Мартеновские печи представляют собой пламенные
отражательные печи. В верхней части рабочего пространства печи сжигается
жидкое или газообразное топливо в ванне печи на подине которой плавится
Рис. 3.4. Принципиальная схема мартеновской печи:
А – рабочее пространство; Б В – головки печи;
911 – регенераторы; 2 – садочные окна; 3 – свод печи; 5 –
– боров дымовой трубы; 7 – передние клапаны; 8 – газопровод; 10 – под
Газ и воздух предварительно нагретый в специальных камерах –
воздушных регенераторах подаются одновременно. Для нагревания кладки
регенераторов используют тепло отходящих дымовых газов являющимися
продуктом сгорания топлива выходящего из рабочего пространства печи с
температурой 1650 – 1750 0С. Температура факела в рабочем пространстве
составляет 1800 – 1900 0С.
Основным вариантом мартеновского процесса является скрап-рудный
процесс. При этом шихта состоит из чугуна скрапа железной руды и
известняка. Процесс выплавки стали проходит в четыре основные стадии:
В период плавления загруженная шихта по мере расплавления окисляется
кислородом печных газов.
В период кипения происходит в итоге образование железа сгорание
примесей и образование шлака.
Период доводки начинается с момента выделения раскислителей
(ферромарганец ферросилиций алюминий и другие компоненты) и специальных
добавок. Перед их введением скачивают шлак.
Период выпуска начинается с момента когда сталь уже полностью
выплавлена и находится под слоем шлака. После некоторой выдержки для
освобождения стали от газовых пузырей и включений ее выпускают в ковш.
Период выплавки длится 4 – 8 часов.
Вторым вариантом выплавки стали является скрап-процесс. Исходной
шихтой при этом процессе служит скрап с небольшим количеством чугуна.
Окисление примесей ввиду их сравнительно малого содержания происходит в
основном за счет атмосферы печи что позволяет исключить введения руды в
качестве одной из составных частей шихты.
Мартеновский метод позволяет получать как углеродистые так и
2.3. Плавка стали в электропечах
Электросталеплавильный процесс более совершенный способ выплавки и
производится в электродуговых и индукционных печах. Этот метод применяется
для получения высококачественных сталей.
В электродуговых печах (рис. 3.5.) для нагрева и плавления металла
используется тепловая энергия излучения электрической дуги возбуждаемой
между электродами и металлом легко регулируемая изменением параметров
тока с возможностью создавать окислительную восстановительную
нейтральную атмосферу или вакуум.
По мере плавки электроды опускаются вглубь шихты заваленной в печь.
Электроды изготавливают из графита. Общая продолжительность процесса 3 – 4
Рис. 3.5. Принципиальная схема электродуговой печи:
– корпус печи; 2 – съемный свод; 3 – электроды; 4 – электрододержатели;
– рабочее окно; 7 – желоб для выпуска плавки; 8 – слой шлака; 9 –
металл; 10 – сектор для наклона печи.
Основным сырьем для плавки стали служит стальной и железный лом
легированные металлоотходы чугун шлакообразующие компоненты (известняк
известь шамотный бой) окислители (окалина) науглероживатели (кокс)
легирующие добавки раскислители.
Для ускорения процессов в шихту вдувают газообразный кислород под
давлением 08 – 10 МПа через фурму.
В электропечах выплавляют в больших количествах нержавеющие стали
жаропрочные и специальные стали а также сложнолегированные сплавы
содержащие тугоплавкие элементы.
Индукционная электроплавка применяется в основном для выплавки в
относительно небольших количествах разнообразных высококачественных сталей
и специальных сплавов. Нагрев и расплавление шихты в этих печах происходит
за счет тепла выделяемого индуктированным в ней током (рис. 3.6.).
Рис. 3.6. Принципиальная схема индукционной печи:
– металл; 2 – крышка; 3 – индуктор; 4 – тигель.
3. Производство цветных металлов и сплавов
3.1. Производство алюминия
Сырьем для производства алюминия являются алюминиевые минералы. К ним
относятся бокситы каолины нефелины и некоторые сорта глин. Основным видом
сырья являются бокситы. Боксит представляет собой сложный минерал основу
которого составляет свободный гидрат окиси алюминия. Кроме этого
компонента в боксит входит еще более 40 различных элементов.
Производство металлического алюминия слагается из двух основных
процессов — получения окиси алюминия из руды (глинозема) и получения
металла из окиси методом электролиза.
Получение металлического алюминия из глинозема. Основным методом
получения металлического алюминия из глинозема является электролиз
расплава представляющего собой раствор окиси алюминия в криолите
Рис. 3.7. Принципиальная схема электролизера для получения алюминия:
– железный кожух; 2 – теплоизоляционная футеровка; 3 – угольная
набойка; 4 – электролит; 5 – анодные шины; 6 – расплавленный металл;
– угольные электроды; 8 – криолит; 9 – катодные шины.
Процесс электролиза в электролизерах (рис. 3.7.) протекает при
температуре 950–1000° С. Выделяющийся на катоде алюминий накапливается на
дне ванны. Напряжение в электролизерах 4–6 В. Сила тока в современных
электролизерах достигает 80–160 кА. Образующийся алюминий накапливается на
подине электролизера откуда он периодически выпускается через летку (через
–3 дня). Полученный таким методом металл содержит 995–997% А1. Такой
металл называется первичным. Для получения более чистого металла который
применяется в ряде областей первичный алюминий подвергают рафинированию.
При правильном процессе проведения электролиза расход материалов на 1
т первичного алюминия составляет: около 2 т глинозема; 06 т угольных
электродов; 01 т криолита и до 18000–19000 кВтч электроэнергии.
Рафинирование первичного алюминия. В ряде областей техники необходимо
применение алюминия высокой степени чистоты. В качестве примера можно
назвать изготовление химической аппаратуры электролитических
конденсаторов; нанесение покрытий на поверхности отражающие свет;
изготовление архитектурных деталей требующих высокой коррозионной
устойчивости и т.д. Для таких областей требуется металл с содержанием Аl
свыше 9999%. Такой металл получают электролитическим рафинированием.
Сущность этого метода заключается в анодном растворении технического
сплава алюминия при котором анодом служит технический сплав. В качестве
электролита применяется расплав состоящий из хлористых и фтористых солей
бария алюминия и натрия. Чистый алюминий при этом выделяется на катоде и
всплывает на поверхность электролита.
3.2. Производство титана
Титан – металл с плотностью 45 гсм3 и температурой плавления 1680°
С. Особая ценность этого металла заключается в его большой удельной
прочности и высокой коррозионной устойчивости. Этот металл нашел широкое
применение в авиационной промышленности.
Основная масса титана находится в земной коре в виде окислов типа
МеОТiO2 где Ме – Fе Са Мg Мn и др. В наиболее чистом виде титан
встречается в природе в виде двуокиси (ТiO2) которая имеет три
модификации: рутил брунит анатаз. Основными рудами промышленного значения
являются ильменит (Fе ТiO3) титаномагнетит (смесь ильменита с окислами
Из титановых концентратов в результате их переработки по различным
методам получают два основных вида продукции – двуокись титана ТiO2 и
четыреххлористый титан Т1С14. Получение двуокиси титана из руд
осуществляется путем восстановительной переплавки руды причем в качестве
восстанавливающего компонента применяют антрацит каменный уголь; в
качестве флюса при этом используют в ряде случаев магнезит.
Четыреххлористый титан получают непосредственным воздействием хлора на
техническую двуокись титана получаемую из ильменита или титаномагнетита
вышеуказанным способом или же хлорированием рутила. Полученный
четыреххлористый титан загрязнен различными примесями и в частности
хлоридами железа алюминия и др. в виде взвесей. Эти примеси обычно удаляют
центрифугированием. Растворенные примеси удаляют вакуумной дистилляцией
ректификацией и другими способами.
Получение металлического титана осуществляется различными способами
основным из которых является металлотермическое восстановление
четыреххлористого титана или двуокиси титана.
При восстановлении TiС14 в качестве восстановителей применяют магний
или реже натрий. Использование магния обеспечивает наибольший выход металла
и наибольшую экономическую эффективность процесса. Содержание титана в
конечном продукте колеблется в пределах 985—990%. В качестве примесей в
продукте присутствуют Mg Сl Н2 Fе и некоторые другие элементы (менее
%). После обработки порошка в вакууме удается почти полностью удалить
При восстановлении двуокиси титана восстановление осуществляется
кальцием или гидридом кальция.
Кроме методов металлотермического восстановления может быть
использован электролиз как прямой метод получения титана из расплава
титановых солей но этот вариант не получил пока промышленного применения и
находится в стадии лабораторной разработки.
Весьма перспективен метод плавки титана с помощью электронного луча
достаточно высокой мощности. Этот метод активно развивается в последние
годы; он обеспечивает получение весьма чистого металла поскольку при
воздействии электронного луча из металла эффективно удаляются газы (азот
кислород водород). Современная техника выплавки титана позволяет
получить слитки массой более 12 т.
Литой металл или металл полученный по методу порошковой металлургии
обрабатывается далее давлением (прокаткой ковкой волочением экструзией)
для получения листа проволоки прутков фасонного профиля и других
3.3. Производство меди
Медь – металл красноватого цвета с плотностью 896 гсм3 и
температурой плавления 1083° С. Медные руды встречаются в земной коре в
основном в виде различных комплексных соединений в состав которых кроме
меди входят еще свинец цинк сурьма мышьяк золото серебро.
Основными рудами меди являются сернистые – медный колчедан или
халькопирит СuFеS2 медный блеск Сu2S борнит Сu5FеS4 или окисленные –
куприт Сu2О и малахит СuСО3Сu(ОН)2. Медные руды перед поступлением в
плавку проходят обогащение.
Производство меди осуществляется по двум методам –
пирометаллургическому и гидрометаллургическому. Технологический процесс
получения меди по пирометрическому методу складывается из следующих
операций: обжиг руды плавка на штейн получение черновой меди
Обжиг имеет своим назначением частичное удаление серы. Эта операция
производится при температуре около 1000° С с помощью воздуха. В процессе
обжига образуется сернистый газ который используется для сернокислотного
Плавка на штейн может осуществляться в двух вариантах – в шахтных
(ватержакетных) или отражательных печах. Более совершенным является второй
вариант. При температуре около 900° С происходит взаимодействие между
сульфидами и окислами меди с образованием полусернистой меди Сu2S и
сернистого железа FеS. Полусернистая медь Сu2S и сернистое железо FеS
образуют штейн а пустая порода флюс и закись железа переходят в шлак.
Флюсом в этом процессе служит кварцит или известняк. Производительность
печи колеблется в пределах 2–6 тсут с 1 м2 пода печи.
Получение черновой меди осуществляется путем продувки расплавленного
штейна в конвертерах. Образовавшаяся закись меди вступает во взаимодействие
с остатками сернистой меди в результате чего образуется медь. Полученная
медь является «черновой» она содержит около 2% различных примесей которые
не перешли в шлак. Такая медь подвергается рафинированию огневым способом
то есть продувкой расплавленной меди воздухом. Продукт получаемый таким
образом содержит до 997% Сu. Для получения более высокой степени чистоты
вместо огневого применяют электролитическое рафинирование.
Электролитическое рафинирование проводят в ваннах в которые заливают
электролит состоящий из водного раствора серной кислоты (15% Н2SО4) и
раствора медного купороса (12–15% СuSО45H2О). Анодами служат пластины
черновой меди а катодами листовая электролитическая медь. Напряжение тока
при электролизе лежит в пределах 020–034 В а применяемая плотность
0–210 Ам2; расстояние между центрами одноименных электродов 100–120 м.м.
Выход по току в этом процессе лежит в пределах 90–95%.
Гидрометаллургический способ получения меди используется в основном
для извлечения меди из окисленных бедных руд. Сущность способа заключается
в том что рудное сырье подвергается обработке слабым раствором серной
кислоты в результате чего образуется раствор сернокислой меди СuSО4. Медь
из этого раствора извлекается либо электролизом либо воздействием
железного лома. Полученная таким способом медь подвергается переплавке в
пламенных печах и рафинированию вышеописанными способами.
ТЕМА 4. Основы технологии литейного производства
1. Общие сведения получения литых заготовок и деталей
Сущность литейного производства состоит в получении отливок – литых
металлических изделий путем заливки расплавленного металла или сплава в
литейную форму полость которой имеет конфигурацию заготовки или детали.
Свидетельством высокого искусства российских литейщиков – умельцев
является «Царь-пушка» – чугунная отливка массой около 39 т изготовленная
Андреем Чеховым в 1585 г. и «Царь-колокол» – бронзовая отливка массой
около 200 т. Изготовленная Михаилом Маториным в1735году.
Технологический процесс литейного производства складывается из
нескольких этапов один из них осуществляется параллельно друг другу
другие последовательно. Наиболее распространенная схема технологического
производства приведена на рис. 4.1.
Рис. 4.1. Схема технологического процесса литейного производства.
В настоящее время существуют более ста различных способов изготовления
литейных форм и получения отливок. Наибольшее распространение получил
способ литья в песчанно-глинистых формах – 75 % от всей массы чугунных и
стальных отливок остальные 25 % приходятся на специальные (особые)
способы литья такие как литье в кокиль центробежное литье литье под
давлением литье по выплавляемым моделям литье в оболочковые формы.
В современной технике наиболее распространенными литейными сплавами
- углеродистая сталь 166 %;
- легированная сталь 67 %;
- цветные металлы и сплавы 42 %.
В авиационной промышленности наряду с производством литья из
алюминиевых и медных сплавов все более развивается производство стального
литья из коррозионно-стойких сталей и жаропрочных сплавов а также литья из
Наиболее нагруженные детали реактивных двигателей (лопатки турбин
соплового аппарата и др.) могут быть изготовлены только литьем из металлов
и сплавов которые наряду с механическими должны обладать также литейными
2. Литейные свойства сплавов
Литейные свойства сплавов включают в себя совокупность физических и
физико-химических свойств сплавов которые проявляются в условиях литейного
производства. Основными литейными свойствами сплавов являются
жидкотекучесть усадка ликвация склонность к газопоглощению и
Жидкотекучестью называется способность расплава заполнять литейную
форму точно воспроизводя все ее контуры. Жидкотекучесть зависит от
химического состава температуры при заливке а также наличия примесей и
Так например с увеличением содержания серы (S) кислорода (О) и хрома
(Сr) – жидкотекучесть снижается а с повышением содержания фосфора (Р)
кремния (Si) алюминия (Аl) углерода (С) – жидкотекучесть повышается.
Усадкой называется свойство металлов и сплавов уменьшать свой объем и
линейные размеры при затвердевании и охлаждении отливки. Усадка является
важнейшим литейным свойством так как с ней связаны точность размеров
образование усадочной пористости и раковин внутренних напряжений
коробления и трещин в отливке.
Объемная усадка определяется по формуле:
E0 = Uф – Uотл. Uф 100 %;
Eл = Lф – Lотл. Lф 100 %
где Uф и Uотл – объем соответственно формы и отливки;
Lф и Lотл – длина соответственно формы и отливки.
Для предупреждения образования усадочной пористости и раковин
устанавливают прибыли – дополнительные резервы с расплавленным металлом и
холодильники. Для устранения неравномерного охлаждения и торможения усадки
вызывающие внутренние напряжения в отливках предусматривают равномерную
толщину стенок отливок плавные переходы и устраняют конструктивные
элементы затрудняющие усадку сплава.
Ликвацией называют химическую неоднородность затвердевающего сплава
которая влияет на механические свойства деталей.
В литейных сплавах различают два основных вида ликвации: зональная и
Зональная ликвация – это химическая неоднородность поверхностных и
центральных зон верхних или нижних слоев отливки которая практически не
поддается устранению.
Дендритная ликвация – это химическая неоднородность в приделах одного
зерна (дендрита) сплава. В большинстве случаев дендритная ликвация
устраняется высокотемпературным отжигом отливок.
Склонностью к газопоглощению называется способность литейных сплавов в
расплавленном состоянии растворять водород азот кислород и другие газы и
выделять их в период охлаждения не образовывать газовые раковины и поры.
Наиболее склонны к газопоглощению сплавы цветных металлов – алюминиевые
магниевые сплавы титановые и другие. Для уменьшения газонасыщенности
сплавов применяют плавку в вакууме или в среде инертных газов.
Склонность к трещинообразованию называется совокупность свойств
определяющих прочность отливки в период охлаждения металла в форме.
Различают «горячие» трещины появляющиеся в отливках при высоких
температурах близких к температуре затвердевания когда преобладают
пластические свойства и «холодные» проявляющиеся при низких температурах
когда преобладают упругие свойства.
3. Механические свойства литейных сплавов
При проектировании детали в первую очередь учитывают механические
свойства сплава. Основными механическими свойствами сплава являются предел
его прочности при растяжении и относительное удлинение определяющее
пластичность сплава. Их значение для различных сплавов показано на рис.
Рис. 4.2. Прочность и пластичность различных сплавов.
Углеродистые стали обладают большей пластичностью и достаточно высокой
прочностью. Максимальной прочностью обладают легированные стали и
высокопрочный чугун но при этом они характеризуются малой пластичностью.
Плохой пластичностью обладает серый чугун (удлинение 025%). Малая
прочность магниевых и алюминиевых сплавов но у них небольшая плотность
что значительно облегчает изделие. Медные сплавы имеют довольно высокую
прочность пластичность но являются дорогостоящими.
4. Процесс кристаллизации
Кристаллизация металла происходит от поверхности формы вглубь отливки.
При неправильно выбранной конструкции отливки возможно снижение ее
механических свойств из-за расположенных кристаллов и образование
При конструировании литой детали следует учитывать ход процесса
затвердевания отливки. В отливках из сплавов имеющих большую усадку и
ликвацию необходимо чтобы затвердевание происходило снизу вверх
вследствие чего усадочная раковина а также ликвирующие включения
перемещаются в верхнюю часть отливки где устанавливается прибыль
Рис. 4.3. Образование усадочной раковины в отливке:
– усадочная раковина; 2 – прибыль; 3 – усадочная пористость; 4 – отливка.
После заливки металл затвердевает послойно начиная от стенок формы.
При затвердевании и охлаждении уменьшается объем металла поэтому уровень
жидкого металла в прибыли опускается и последующие слои в ней затвердевает
на более низких уровнях. Так как в прибыли металл затвердевает в последнюю
очередь именно в ней образуется усадочная раковина (1). В зоне (3) металл
охлаждается медленно вследствие чего в этой зоне образуется усадочная
Толщина стенок стальных отливок имеет критическую величину после
достижения которой прочность отливки увеличивается непропорционально этой
Для стали содержащей 01% С критическая толщина стенок составляет 11
мм для стали 02% С – 13 мм; для стали 03% С – 185 мм; для стали
% С – 39 мм. С увеличением толщины стенок отливок из серого чугуна
удельная прочность металла всегда снижается.
Повышение прочности детали при минимальном расходе металла возможно
при правильном подборе геометрических форм сечения отливок.
5. Формовочные материалы
Для изготовления разовых литейных форм приготавливают специальные
формовочные и стержневые смеси из различных основных и вспомогательных
формовочных материалов.
Основные формовочные материалы:
) формовочные пески – природные смеси состоящие из
мелкораздробленного кварца 90-98% и глины определенной зернистости
которые получаются в результате разрушения первичных горных пород –
гранита базальта диабаза и т.д. В литейном производстве наиболее
часто используют кварцевый песок (SiO2) обладающий высокой
огнеупорностью (Тпл.= 17000 С).
) формовочные глины – горная порода размером частиц до 0001 мм
которая в своем естественном состоянии после увлажнения переходят в
желеобразное состояние (гель) и обладают высокой пластичностью.
Вспомогательные формовочные материалы.
Связующие материалы вводят в состав формовочных и стержневых смесей
придающие прочность формам и стержням и предохраняют их от разрушения под
воздействием заливаемого в форму жидкого металла.
Связующие материалы подразделяют на классы А Б В. К классу А –
относятся органические связующие не смачиваемые водой (масла смолы битум
олифа льняное масло и т.д.) которые связывают между собой отдельные зерна
основных формовочных материалов в результате полимеризации при нагреве; к
классу Б – относятся органические связующие смачиваемые водой (коллоидные
растворы органических веществ патока и т.д.) проявляющие свои связующие
свойства после растворения в воде; к классу В – относятся неорганические
связующие (цемент жидкое стекло этилсиликат и др.).
6. Формовочные и стержневые смеси. Противопригарные покрытия
Состав формовочных смесей определяется маркой литейного сплава его
температурой перед заливкой в формы размерами и массой получаемых отливок
способом изготовления форм.
К формовочным смесям предъявляется ряд общих требований – текучесть
пластичность прочность огнеупорность податливость долговечность.
Формовочные смеси делятся на облицовочные наполнительные и единые.
Облицовочные смеси используют для изготовления рабочей поверхности формы
соприкасающейся с жидким металлом ей покрывают модель слоем 15 – 30 мм
поверх которой заполняют наполнительную смесь. Единые формовочные смеси
применяют в массовом производстве для заполнения всего объема формы в
условиях машинной формовки при изготовлении мелких и тонкостенных деталей.
Формовочные смеси готовят из различных песков и глин и оборотной
смеси т.е. смеси бывшей в употреблении. Кроме того в состав формовочной
смеси вводят органические связующие и противоугарные материалы: древесные
опилки каменноугольную пыль для чугунного литья и борную кислоту для
Стержневые смеси выбирают в зависимости от размера положения стержней
в форме заливаемого сплава и толщины стенки отливки.
При заливке формы стержни в большинстве случаев находятся в тяжелых
условиях испытывая значительное термическое и механическое воздействие
расплавленного литейного сплава. Поэтому к стержневым смесям предъявляют
более высокие требования по прочности и другим свойствам чем к формовочным
Жидкие и самотвердеющие смеси обладающие способностью течь после
приготовления и самопроизвольно отвердевать и упрочняться по всему объему
широко применяют при изготовлении форм и стержней. Такие смеси в течение 8
– 12 мин. после приготовления обладают подвижностью а через 20 – 30
мин. приобретают достаточную прочность для дальнейшего применения.
Противопригарные покрытия наносят на поверхности форм и стержней для
уменьшения шероховатости поверхности отливок и применяют обычно в сухом
виде или в составе водной краски. Наиболее часто используют графит кварц
тальк хромистый железняк.
Сущность процесса заключается в заливке расплавленного металла в
формы которые изготовлены из формовочных смесей основными материалами
которых является формовочные пески и глина путем их уплотнения с
использованием модельного комплекта после затвердевания сохраняет заданную
конфигурацию (рис. 4.4.).
Рис. 4.4. Литейная форма и литниковая система:
– нижняя и верхняя полуформы 3 – литейный стержень
– металлический центрирующий штырь 5 – выпор (прибыль) 6 – литниковая
чаша 7 – стояк 8 – опока 9 – шлакоуловитель 10 – питатель.
Основные операции технологического процесса в песчанно-глинистые
- изготовление формы;
- заливка металла в формы;
- выбивка отливки из формы;
- отрезка литниковой системы;
- термическая обработка;
Изготовлением формы называется операция формовки и определяется
наличием литейной оснастки которая включает в себя следующие элементы:
) модельный комплект – часть технологических приспособлений
необходимых для получения в форме контуров отливки включающие модель
отливки модели литниковой системы стержневые ящики;
) формовочный комплект – приспособления для проведения формовки
включающие опоки штыри модельные плиты для установки и крепления моделей
сушильные плиты шаблоны.
Модель – это приспособление с помощью которого в форме получают
отпечаток соответствующий конфигурации отливки. Модель изготавливают с
увеличением размеров на усадку металла отливки и припусками на
механическую обработку рабочих поверхностей отливки и назначаются ГОСТами.
На вертикальных стенках предусматривают формовочные уклоны для облегчения
извлечения модели из полости формы. С торцов располагаются знаки
предназначенные для получения гнезд в которые устанавливаются стержни.
Модели бывают деревянные или металлические разъемные и неразъемные.
Разъемную модель применяют как правило в тех случаях когда модель не
имеет плоской поверхности.
Модели литниковой системы предназначены для изготовления литниковой
системы – совокупность каналов и резервуаров по которым расплав металла
Литниковая система состоит из следующих основных элементов:
литниковая чаша (6) служит для приема металла;
стояк (7) – вертикальный или наклонный канал;
шлакоуловитель (9) служит для удерживания шлака и других
неметаллических примесей;
питатель (10) – полость через которую металл подается в форму;
выпор или прибыль (5) служит для вывода газов контроля заполнения
формы расплавом металла и питания отливки при ее затвердевании.
Операция ручной формовки выполняется в следующей последовательности:
На модельную плиту устанавливают нижнюю опоку рабочей плоскостью в
низ где фиксируют нижнею половину модели отливки и модели питателей
литниковой системы. Поверхности модели и плиты в пределах опоки посыпают
сухим разделительным песком.
На модель наносят слой облицовочной смеси толщиной 15 – 30 мм.
Нижнюю опоку заполняют наполнительной смесью которую уплотняют
ручным способом или с применением пневматической трамбовки. Излишек
наполнительной смеси срезают линейкой вровень с кромкой опоки делают
наколы улучшающие газопроницаемость формы.
Нижнюю опоку с заформированной в ней половиной модели поворачивают
на 1800 и вновь устанавливают на модельную плиту.
На нижнюю половину модели устанавливается верхняя половина модели
а верхняя опока устанавливается на нижнюю и фиксируется металлическими
центрирующими штырями. Поверхность модели и формовочную (наполнительную)
смесь нижней полуформы посыпают по плоскости разъема разделительным песком.
Устанавливают модели литниковой системы – шлакоуловитель стояк
Верхнюю опоку заполняют наполнительной смесью которую уплотняют.
Излишек наполнительной смеси срезают линейкой вровень с кромкой опоки
делают вентиляционные наколы.
Извлекают заливочную чашу стояк и центрирующие стержни снимают
верхнюю опоку поворачивают на 1800 и устанавливают на рабочую поверхность.
Извлекают нижнюю и верхнюю модели питатель шлакоуловитель.
Приступают к сборке литейной формы. Вначале в нижнюю опоку в
специальные гнезда формы (стержневые знаки) устанавливают стержни которые
формируют внутреннюю полость отливки. Верхнюю опоку поворачивая на 1800
устанавливают на нижнюю и фиксируют центрирующими штырями. После скрепления
скобами исключающие подъем верхней опоки за счет давления заливаемого
расплава металла на стенки формы и затекание его в образующийся зазор
форма считается подготовленной к заливке.
Особенно необходимо отметить правильную всей литниковой системы так
как она обеспечивает плавное и равномерное течение и подпитку расплава
металла утолщенных мест отливки в период его остывания.
Плавку металла выполняют в электрических печах сопротивления дуговых
индукционных и вакуумных электронно-лучевых установках. Температура
расплавленного металла зависит его химического состава массы отливки ее
размеров и формы толщины стенок отливки и ряда других факторов.
Так например температура заливки чугунных отливок составляет 1450 –
00 0С. Температура заливки стали составляет в пределах 1550 – 1600 0С.
Температура заливки бронзы колеблется в пределах 1050 – 1200 0С латуни
00 – 1100 0С алюминия 550 – 650 0С.
Соблюдение установленной температуры заливки является важнейшим
условием получения высококачественной отливки.
Заливка металла в формы осуществляется из специальных металлических
ковшей футерованных огнеупорным материалом. В производстве широко
применяют автоматические заливочные установки.
Выбивка отливок из литейных форм осуществляется на вибрационных
решетках или вручную при помощи пневмомолотов и очищают в дробеструйных
установках камерного или барабанного типа.
Отрезка литниковой системы осуществляют на фрезерных станках
дисковыми фрезами и на обрезных прессах. Когда подход к элементам
литниковой системы затруднен их отрезку производят газовыми горелками.
Термическая обработка применяется для снятия внутренних напряжений и
уравнения структуры отливки.
Контроль отливок определяют визуально с помощью люминесцентного
контроля магнитной дефектоскопией рентгеноскопией гамма-дефектоскопией
ультразвуковыми и другими методами.
8. Специальные способы литья
В современном литейном производстве все более широкое применение
находят специальные способы литья которые отличаются от наиболее
распространенного (универсального) формами для получения отливок.
Механизация и автоматизация технологического процесса изготовления отливок
обеспечивают их хорошее качество и высокую производительность труда. Эти
способы позволяют получение отливок формы и размеры которых максимально
приближены к формам и размерам готовых изделий с высокими технологическими
и механическими свойствами.
В настоящее время целый ряд ответственных деталей в авиационной
промышленности изготавливаются только специальными способами литья как
например охлаждаемые лопатки газотурбинного двигателя невозможно
изготовить без применения литья по выплавляемым моделям. Каждый специальный
способ литья имеет свои особенности которые определяют область его
применения что позволяет получать значительный технико-экономический
Специальные способы литья подразделяются на три основные группы:
) Литье в металлические формы (кокиль) литье под давлением основанные на
применении постоянных форм;
) Литье по выплавляемым моделям литье в оболочковые формы основанные на
применении разовых форм;
) Литье вакуумным всасыванием центробежное литье где применяют формы
8.1. Литье в металлические формы (литье в кокиль)
Сущность способа состоит в получении литых деталей путем свободной
заливки расплава в металлические формы многократного использования.
Конструкция кокилей весьма разнообразна они бывают неразъемные
(вытряхные) и разъемные изготавливаемые из чугуна стали и других сплавов.
Неразъемные применяются для получения небольших отливок простой
конфигурации которые можно удалить без разъема формы. Разъемные кокили
применяют для получения более сложных и крупных отливок которые состоят из
двух полуформ с вертикальной горизонтальной или сложными плоскостями
Процесс получения отливок состоит из следующих операций:
- подготовка кокиля к заливке;
- сборка кокиля (установка стержней закрытие кокиля);
- заливка расплавом металла затвердевание отливки и выемка ее из
Подготовка кокиля к заливке включает в себя очистку поверхности
полуформ центрирование и крепление подвижных частей. Затем кокиль
нагревают до температуры 150 – 200 0С электронагревателями или газовыми
горелками и наносят огнеупорные покрытия предназначенные для защиты кокиля
от резкого нагрева и схватывания с отливкой. После нанесения огнеупорного
покрытия кокиль нагревают до рабочей температуры в пределах 150 – 350 0С
значение которой определяется толщиной стенок размерами и требуемыми
свойствами металла отливки.
Сборка кокиля определяется установкой песчаных или металлических
стержней образующие внутренние полости в отливке. После чего полуформы
соединяют вручную или с помощью механизма запирания кокильной машины.
Заливка расплавом металла осуществляется из разливочных ковшей или
автоматических заливочных устройств.
Литье в кокиль позволяет создавать высокоэффективные автоматические
линии и комплексы в условиях крупносерийного и массового производства.
Отливки получают с толщиной стенок от 3 до 100 мм и массой от 10 грамм до
Существенным недостатком литья в кокиль является его высокая стоимость
и трудность получения тонкостенных отливок обусловленная быстрым отводом
теплоты от расплавленного металла.
8.2. Литье под давлением
Сущность процесса заключается во вводе расплава металла под большим
давлением от 10 до 100 МПа в пресс-форму. Формирование отливки
осуществляется при интенсивном отводе теплоты к массивной металлической
форме установленной на специальных литейных машинах с холодной или горячей
камерой давления (рис.4.5.).
Рис. 4.5. Схема процесса литья в машинах литья под давлением:
а – схема заливки расплава в машину с холодной камерой давления
б – запрессовка расплава в – извлечение отливки г – машина с горячей
камерой давления; 1 – гидравлический плунжер 2 – камера 3 –
– металлический стержень 5 – неподвижная полуформа 6 – подвижная
полуформа 7 – пресс-форма 8 – металлопровод9 – обогреваемый тигель.
Машины с горячей камерой давления применяют главным образом для
малоответственных деталей из легкоплавких алюминиевых и цинковых сплавов.
Для более ответственных деталей применяют машины холодной камерой давления.
Литье под давлением является одним из самых высокопроизводительных и
эффективных специальных способах литья позволяющий полностью
механизировать и автоматизировать весь цикл технологического процесса
Литье под давлением позволяет получать отливки максимально
приближенные по форме и размерам к готовой детали сложной конфигурации с
толщиной стенок 08 – 6 мм и отверстиями до 1 мм массой от нескольких
Широкое применение в авиационной промышленности получил способ литья
под давлением в вакууме позволяющий производить весьма ответственные
детали из алюминиевых титановых и жаропрочных сплавов. Для этой цели
созданы специализированные агрегаты в состав которых входят вакуумные
электропечи и машины литья под давлением в вакууме.
Недостатками литья под давлением являются: высокая стоимость пресс-
форм ограниченные размеры и массы отливок.
Одной из разновидностей способа литья под давлением является способ
литья под регулируемым давлением сущность которого заключается в
заполнении формы расплавом и его затвердевание под действием избыточного
давления воздуха или газа.
Литье под регулируемым давлением уменьшает усадочную пористость
повышает плотность и механические свойства отливок.
8.3. Литье в оболочковые формы
Литье в оболочковые формы основано на заливке расплава в специальные
формы толщиной 6 – 10 мм. Их изготавливают путем затвердевания на
металлической оснастке слоя смеси в которой связующее при нагреве вначале
расплавляется а затем затвердевает (необратимо) придавая оболочке высокую
прочность. Технологический процесс литья включает в себя следующие основные
Приготовление формовочного материала из сухого кварцевого песка с
увлажнителем (керосин бакелитовый лак и др.). После смешивания в состав
добавляют порошковую термореактивную смолу и смешивание продолжается.
На нагретую до 300 0С модель наносят слой теплостойкой смазки на
которую засыпают формовочную смесь и выдерживают 20 – 30 секунд. Затем с
модели удаляют сыпучую формовочную смесь и вместе с оболочкой помещают в
печь где при температуре 350 – 450 0С происходит окончательное спекание.
После охлаждения готовую оболочковую форму снимают с модели и
вместе с литниковой системой выполненной таким же способом собирают в
оболочковую форму. Чтобы избежать разрушения стенок в процессе заливки ее
помещают в металлические ящики (опоки) и засыпают стальной или чугунной
Заливка расплава осуществляется при помощи машин или вручную.
Разупрочнение оболочки при высоких температурах способствует свободной
усадке отливки снижает в них внутренние напряжения. Это дает возможность
получать отливки массой до 300 кг точные по размерам с гладкой
К недостаткам можно отнести применение дорогостоящих формовочных
материалов с более сложной технологической очисткой и ограничение массы
8.4. Центробежное литье
Центробежным литьем называют процесс при котором заливка металла
производится во вращающуюся литейную форму. При этом заполнение формы и
кристаллизация отливки происходит под давлением центробежных сил.
Рис. 4.6. Схемы изготовления отливок на центробежных машинах с осью
а — горизонтальной; б — вертикальной.
В машинах с горизонтальной осью вращения (рис. 4.6 а) расплавленный
металл из ковша 1 заливают по специальному желобу 2 во вращающуюся форму 3
с частотой вращения 200—1400 мин-1. Попадая на внутренние стенки формы
жидкий металл образует полую цилиндрическую отливку 4 которую после
затвердевания извлекают из формы. На таких машинах получают детали и
заготовки типа труб втулок гильз.
На машинах с вертикальной осью вращения (рис. 4.6 б) расплавленный
металл из ковша 1 заливают во вращающуюся форму 2 с частотой вращения 160—
0 мин-1. Растекаясь по дну изложницы металл увлекается центробежными
силами и прижимается к боковой цилиндрической стенке образуя вокруг нее
кольцевой слой 3. Форма вращается до полного затвердевания металла после
чего форму останавливают и из нее извлекают отливку. На таких машинах
получают отливки небольшой высоты но большого диаметра: кольца венцы
8.5. Литье по выплавляемым моделям
Сущность процесса литья по выплавляемым моделям состоит в следующем.
Из легкоплавких модельных составов в специальных пресс-формах изготавливают
модели деталей и литниковой системы. Их соединяют в блок моделей на
который в несколько слоев наносят суспензию (оболочковое покрытие)
состоящую из огнеупорной основы и связующего раствора. Каждый слой
суспензии обсыпают сухим песком и просушивают вследствие чего из модели
образуется тонкостенная оболочка-форма. Далее следует выплавление моделей
прокаливание формы и заливка ее металлом.
Литье по выплавляемым моделям по сравнению с литьем в песчаные формы
имеет ряд преимуществ:
) отливки получаются с высокой степенью чистоты поверхности (3-6
классы шероховатости по ГОСТу 2789-73) без пригара за счет применения в
технологическом процессе специального керамического покрытия;
) с высокой точностью (5-7 класс) размеров и в ряде случаев даже без
припусков на механическую обработку (в частности из сплавов которые не
подвергаются или плохо поддаются механической обработке); высокая точность
отливок достигается применением неразъемных моделей;
) возможность изготавливать отливки самой сложной конфигурации весом
от нескольких граммов до нескольких десятков килограммов со стенками
Получение отливок сложной конфигурации с тонкими стенками возможно за
счет заливки металла в горячие формы имеющие температуру 900-10500 С.
Технологический процесс литья по выплавляемым моделям (рис. 4.7.)
Модельный состав (парафин буроугольный воск торфяной битум
канифоль мочевина и т.д.) в пастообразном состоянии запрессовывают
в пресс-формы. После затвердевания модельного состава пресс-формы
раскрывают и модели охлаждают в воде.
Модели собирают в блоки с общей литниковой системой припаиванием
приклеиванием или механическим скреплением (2-100 моделей).
Изготовление формы путем многократного погружения модельного блока
в специальную жидкую огнеупорную смесь состоящую из связующего
вещества пылевидного кварца и других компонентов с последующей
обсыпкой кварцевым песком и отвердеванием на воздухе (обычно
наносят от 5 до 12 слоев).
Рис. 4.7. Схема последовательных операций формовки при литье по
выплавляемым моделям:
а – запрессовка модельного состава в пресс-форму; б – сборка моделей в
блоки; в – погружение модели в огнеупорную смесь; г – обсыпка модели
кварцевым песком и отвердевание на воздухе; д – удаление моделей из форм (в
горячей воде или с помощью пара); е – тонкостенные литейные формы (после
удаления модельного состава); ж – формовка литейных форм в опоки;
з – прокаливание форм в печи.
Удаление модельной массы (состава) из формы погружая в горячую
воду нагретую модельную массу или с помощью нагретого пара.
Формовка литейных форм в опоки.
Прокаливание в печи в течение 6-8 часов при температуре 850-9500 С
для удаления остатков модельного состава спекания частичек
огнеупорного материала испарения воды.
Заливка форм сразу же после прокалки в нагретом состоянии. Заливка
может быть свободной под действием центробежных сил в вакууме и
Охлаждение и освобождение отливок.
Контроль (люм-контроль рентген-контроль).
ТЕМА 5. Основы технологии обработки металлов давлением
1. Общие понятия и закономерности
Среди методов получения заготовок обработка металлов давлением (ОМД)
является одним из наиболее эффективных позволяющая полностью устранить или
значительно уменьшить механическую обработку.
Обработка металлов давлением (ОМД) – это процессы получения заготовок
или деталей машин силовым воздействием инструмента на исходную заготовку
путем пластического деформирования.
Пластическая деформация для получения изделия заданной формы как
правило является результатом воздействия внешних сил называемые
поверхностными которые уравновешиваются внутренними силами.
При пластической деформации атомы металла смещаются относительно друг
друга на величины больше межатомных расстояний и после снятия внешних сил
остаются смещенными (не возвращаются в исходное положение).
Напряжением называется интенсивность внутренних сил отнесенная к
площади под воздействием которых происходят процессы деформации и
разрушение металлов. Величина напряжений в объеме деформируемого тела
неодинакова и определяется деформационными условиями: температурой
скоростью и степенью деформации формой инструмента и готового
деформируемого изделия.
Среднее напряжение определяется по формуле:
где: Р – деформирующая сила Н;
F – площадь проекции на плоскость приложения деформирующей
Пластическая деформация проводится в холодном или нагретом состоянии.
Холодная пластическая деформация в кристаллических телах происходит
как по границам зерен – межкристаллитная пластическая деформация так и
внутри зерен – внутрикристаллитная пластическая деформация.
Межкристаллитная пластическая деформация может вызывать разрушение
граничных слоев поэтому она не бывает значительной. Наибольшее значение
пластической деформации имеет место когда граничные слои достаточно прочны
и деформация происходит внутри зерна поэтому внутрикристаллитная
пластическая деформация является основной.
При холодной пластической деформации одновременно с изменением формы
заготовки значительно меняются свойства металла – прочность упругость
твердость при этом увеличивается а вязкость пластичность коррозионная
стойкость электропроводимость снижаются. Это явление называется наклепом
Наклеп – упрочнение металла в результате холодной пластической
Изменение структуры и свойств при холодной пластической деформации
можно изменить отжигом при Т 04Тпл.
При Т = 03Тпл – снижаются остаточные напряжения. Такое явление
называется возвратом или отдыхом.
При Т ≥ 04Тпл – восстанавливается пластичность напряжения вызванные
наклепом полностью снимаются при этом начинают возникать зародыши
кристаллизации вокруг которых начинают возникать рекристализованные зерна.
Такое явление называется рекристаллизацией.
Горячая пластическая деформация происходит при полном завершении
процесса рекристаллизации при этом структура металла равноосная упрочнение
не происходит. Прочность – сопротивление деформации снижается в 10 – 20
раз что позволяет использовать оборудование меньшей мощности.
При нагреве возможно появление дефекта называемого перегрев или брака
– пережог. Перегрев характеризуется крупнозернистой структуры что приводит
к снижению механических свойств. Пережог связан сокислением границ зерна
что может привести к разрушению металла при деформации.
Степень деформации зависит от пластичности обрабатываемого материала и
для операции осадки (рис. 5.1.) определяется по формуле:
где: Нз – высота заготовки;
Н – высота заготовки после осадки.
Рис.5.1.Напряжения и деформации при обработке давлением:
– заготовка 2 – деформирующий инструмент.
Наибольшая допустимая степень деформации зависит от пластичности
металла. Деформирующая сила Р определяется для выбора оборудования и
расчета инструмента на прочность:
Помимо температуры и степени деформации на условия деформирования
влияет также скорость деформации. Скоростью деформации называется
изменение степени деформации в единицу времени т.е.
В общем случае влияние всех условий можно свести в таблицу:
Повышение условий Сопротивление Пластичность металла
Содержание углерода и Повышается Понижается
легирующих элементов
Температура нагрева Понижается Повышается
Скорость и степень Повышается Понижается
2.Классификация основных видов ОМД
Процессы обработки металлов давлением по назначению подразделяются на
) Для получения заготовок постоянного поперечного сечения по длине
(прутков проволоки лент листов) используемых для последующих операций
ОМД или обработки металлов резанием. Основными разновидностями таких
процессов является прокатка прессование волочение.
) Для получения заготовок имеющих приближенную форму и размеры
готовых деталей требующих обработки металлов резанием для придания
окончательных размеров и получение поверхности заданного качества.
Основными разновидностями таких процессов является ковка и штамповка.
Прокатка – наиболее распространенный вид ОМД заключающийся в
деформировании холодного или разогретого металла во вращающихся валках.
Продольная прокатка – заготовка 2 силами трения Ртр втягивается между
валками 1 вращающимися в разные сторон а силы Р нормальные к поверхности
валков уменьшают ее поперечные размеры. Почти 90% всего проката
производится данным видом ОМД в том числе весь листовой и профильный
прокат. Выделяют три основных вида прокатки (рис. 5.2.).
Поперечная прокатка – валки 1 вращаясь в одном направлении придают
вращение заготовке 2 которая перемещаясь вдоль оси валков деформируются.
Рис.5.2. Схема основных видов прокатки:
а – продольная; б – поперечная; в – поперечно-винтовая;
– валки; 2 – заготовка; 3 – оправка.
Поперечно-винтовая прокатка – валки 1 расположены под углом и сообщают
заготовке 2 при ее деформировании вращательно-поступательное движение.
Одной из основных характеристик деформации при прокатке является
коэффициент вытяжки равный отношению полученной длины L к
первоначальной Lo или отношению первоначальной площади поперечного сечения
Величина коэффициента вытяжки за один проход составляет 11 ÷ 16.
Технологические процессы прокатки обычно автоматизированы и состоят из
- прокатка слитка в полупродукт (блюмов слябов и заготовок);
- прокатка полупродукта в готовый прокат.
Готовый прокат определяемый конфигурацией поперечного сечения валка
называется профилем. Совокупность различных профилей называется
сортаментом. Валки бывают гладкими для прокатки листов и лент и
калиброванными которые имеют рабочие поверхности вырезы (ручьи) в
соответствии с требуемой формой (профилем) прокатываемого изделия.
Сортамент проката подразделяют на 4 основных группы:
Сортовой прокат – квадрат круг шестигранник прямоугольник
швеллеры двутавровые балки рельсы уголки.
Листовой прокат – листы толщиной от 02 до 4 мм (тонколистовой) и
от 4 до 160 мм (толстолистовой).
Трубы – бесшовные от Ф30 до 650 мм сварные от Ф10 до 1420 мм.
Специальные виды проката – колеса кольца оси втулки шары
Прокатное производство характеризуется непрерывностью и высокой
автоматизацией процессов осуществляемых на прокатных станах. Прокатные
станы – совокупность привода приводящего валки в движение и одного или
нескольких рабочих клетей (комплект прокатных валков с механизмом их
крепления и регулировки).
Прессование – процесс ОМД заключающийся в получение полуфабрикатов
выдавливанием заготовки через отверстие в матрице (рис.5.3.).
Рис. 5.3. Схема прессования:
– пуансон; 2 – контейнер; 3 – пресс-шайба;
– заготовка; 5 – матрица; 6 – матрицедержатель.
Этот процесс является единственным для обработки специальных сталей
цветных металлов и сплавов с низкой пластичностью. Прессованием получают
изделия очень сложной формы в поперечном сечении что невозможно при
использовании других видов обработки пластическим деформированием. Исходной
заготовкой для процесса прессования являются литые или прокатные заготовки.
Различают прессование: прямое обратное совмещенное с прошивкой труб
вакуумное и др. Прессованием получают прутки диаметром от 3 до 250 мм
трубы диаметром от 20 до 400 мм с толщиной стенки 15 – 12 мм. Точность и
сложность полученных профилей выше чем при прокатке. Недостатком
прессования является значительные потери на отходы неравномерность
механических свойств по длине и сечению изделия.
Волочение – процесс ОМД заключающийся в протягивании заготовки через
постепенно сужающееся отверстие в инструменте называемый волокой имеющий
форму поперечного сечения канала близкую к готовой детали (рис. 5.4.).
Рис. 5.4. Схема основных видов волочения:
а – круглого сплошного профиля; б – некруглого сплошного профиля;
в – круглой трубы без оправки;
– волока; 2 – протягиваемое изделие.
Волочением получают проволоку от 0002 до 10 мм круглые и фасонные
профили диаметром от 3до 150 мм трубы диаметром до 400 мм.
Процесс волочения осуществляется в основном в холодном состоянии но
при обработке титановых и тугоплавких сплавов процесс волочения
осуществляется с предварительным нагревом заготовки.
Ковкой называется процесс ОМД заключающийся в деформировании нагретой
заготовки рабочими поверхностями универсального инструмента при свободном
течении металла в стороны.
Ковка характеризуется большой неравномерностью деформации вызываемой
контактным трением и применяется при изготовлении деформированных изделий
относительно несложной конфигурации часто довольно крупных размеров в
условиях единичного и крупносерийного производства.
Для оценки величины деформации используют коэффициенты уковки:
где: F0 и F – площадь поперечного сечения заготовки соответственно до
и после операции осадки;
Н и h – высота заготовки соответственно до и после операции
Технологическая схема ковки включает в общем случае следующие
операции: резку заготовок на мерные длины; нагрев перед деформацией; ковку;
обсечку облоя; термообработку; контроль. Заготовками для ковки являются
слитки блюмсы прутки круглого и квадратного сечения.
Наиболее характерные операции свободной ковки показаны на рис. 5.5.
Рис.5.5. Операции свободной ковки:
а – осадка; б в – высадка; г – протяжка; д – разгонка; е – прошивка.
Процесс свободной ковки может осуществляться вручную молотом или
Для простейшего случая осадки силу пресса Р (Н) для проведения
операции можно определить по приближенной формуле:
где: р – удельное давление которое для малоуглеродистых сталей можно
принять равным 16 МПа для среднеуглеродистой стали – 175 МПа;
F – наибольшая площадь поперечного сечения поковки после осадки м2.
3. Основные методы штамповки
Основными методами штамповки являются объемная и листовая которые
подразделяются на холодную и горячую.
Горячая объемная штамповка – это формообразование поковок из нагретой
заготовки осуществляемое в специальных штампах при котором деформация
металла происходит в замкнутом контуре и в определенных направлениях.
Слой окалины образованный при нагревании повышает шероховатость
поверхности и снижает точность размеров поковок. Это приводит к
необходимости последующей обработки поковок резанием для получения готовых
деталей. Горячей объемной штамповкой изготавливают поковки различной
конфигурации и размеров из сталей цветных металлов и сплавов.
Штамповка осуществляется как в закрытых так и в открытых
штампах (рис. 5.6.).
Рис. 5.6. Горячая объемная штамповка:
а – открытая штамповка; б – закрытая штамповка;
– верхняя половина штампа; 2 – нижняя половина штампа; 3 – поковка;
– конфигурация облойной канавки (4 – магазин; 5 – мостик);
– линия разъема штампа.
При штамповке в открытых штампах поковка получается с облоем – избыток
металла в заготовке вытесненный в облойную канавку. По мере затекания
металла в облойную канавку давление нарастает что обеспечивает плотное
заполнение сложной конфигурации штампа.
Штамповка в закрытых штампах является безоблойной. При безоблойной
штамповке расход металла уменьшается на 20% исключая при этом затраты на
обрезку облоя. Существенным недостатком закрытой штамповки является
дороговизна и низкая стойкость штамповой оснастки.
Процессы горячей объемной штамповки осуществляются на кривошипных
горяче-штамповочных прессах (КГШП) гидравлических и винтовых прессах и на
горизонтально-ковочных машинах (ГКМ).
Расчет усилий для выбора оборудования и расчета стойкости штамповой
оснастки определяется в первом приближении по формулам свободной осадки.
Холодная объемная штамповка – процесс ОМД в открытых и закрытых
штампах без нагрева металла для изготовления небольших точных деталей из
стали и цветных металлов.
Основными операциями холодной объемной штамповки является: объемная
формовка вылавливание калибровка высадка и чеканка (рис.5.7.).
Рис. 5.7. Операции холодной объемной штамповки:
а – объемная формовка; б в г – холодное выдавливание
(прямое обратное комбинированное);
– пуансон; 2 – матрица; 3 – изделие.
Объемная формовка – формообразование изделий обжатием в открытом или
Холодное выдавливание – формообразование сплошных и тонкостенных
изделий выдавливанием исходной заготовки в зазор между пуансоном и
Холодная калибровка – формообразование изделий с гладкой
поверхностью после горячей объемной штамповки или другими методами.
Холодная высадка – формообразование изделий с местными утолщениями
заготовки требуемой формы (болты заклепки винты и т.д.).
Чеканка – формообразование для получения на изделии выпукло-вогнутого
рельефа(изготовление медалей жетонов монет и т.д. ).
Листовая штамповка – процессы изготовления плоских и объемных
тонкостенных изделий из листового материала ленты или полосы с помощью
штампов. Листовая штамповка подразделяется на разделительные и
формоизменяющие операции.
Разделительные операции – резка вырубка пробивка сопровождаются
разрушением металла по определенным поверхностям (рис. 5.8.).
Рис.5.8. Разделительные операции:
а – резка; б – вырубка; в – пробивка;
– верхний нож; 2 – нижний нож; 3 – листовая заготовка;
– упор;5 – пуансон; 6 – матрица; 7 – изделие.
Резка – отделение части заготовки по незамкнутому контуру на ножницах
Качество поверхности среза обеспечивается зазором Z(мм) между режущими
где S – толщина листа мм.
Вырубка и пробивка – отделение заготовки по замкнутому контуру в
Силу вырубки Pвыр (Н) определяют по формуле:
где: 13 – коэффициент учитывающий неравномерность толщины
материала и затупление режущих кромок инструмента (пуансона и
Dзаг. – диаметр вырубаемой заготовки мм;
S – толщина заготовки мм;
ср. – сопротивление срезу МПа.
Формоизменяющие операции – гибка вытяжка отбортовка раздача обжим
рельефная формовка выполняются благодаря пластическим деформациям металла
без разрушения заготовок (рис.5.9.).
Рис. 5.9. Формоизменяющие операции:
а – гибка; б – вытяжка; в – отбортовка; г – обжим; д – рельефная формовка;
– пуансон; 2 – матрица; 3 – прижим.
Гибка – придание заготовке криволинейной формы без изменения ее
Вытяжка – образование полого изделия из плоской или полой заготовки.
Формоизменение характеризуется коэффициентом вытяжки kв:
При значении Dзаг d > (18÷20)S возможны потеря устойчивости фланца и
образование складок которые предотвращают прижимом фланца заготовки к
матрице усилием Рпр. Зазор при этом определяется по формулам:
Z = (11 ÷ 13)S – вытяжка без утонения;
Z = (065 ÷ 085)S – вытяжка с утонением.
Отбортовка – образование борта (горловины) вокруг отверстия.
Формоизменения характеризуется коэффициентом отбортовки kп:
Обжим – уменьшение диаметра краевой части полой плоской заготовки
путем вдавливание в сужающуюся часть матрицы. За один переход можно
получить диаметр равный:
Рельефная формовка – изменение формы заготовки в результате
растяжения отдельных его участков.
3.1. Процесс с локальным очагом пластической деформации - штамповка
Одним из методов штамповки с локализацией очага деформации является
штамповка с применением сферодвижного механизма – штамповка обкатыванием
предложенная ленинградским инженером А. И. Силачевым.
У нас в стране разработка и промышленное освоение штамповки
обкатыванием связано с работами Н.А. Корякина В.В. Лапина К.Н.
Богоявленского Н.Н. Агеева Р.А. Бабушкина К.К. Екимова Л.Т. Кривды и
других исследователей.
Сущность штамповки обкатыванием (рис. 5.10) заключается в том что
общая деформация происходит в результате локального последовательного и
многократного воздействия пуансона (2) и матрицы (9) на заготовку (1) в
результате чего деформируемые участки ее подвергаются последовательному
пульсирующему нагружению. Это достигается за счет придания рабочему
подвижному инструменту (пуансону или матрице) сложного механического
движения - кругового колебательного от сферодвижного механизма и
вертикального поступательного от ползуна гидравлического пресса.
Рис. 5.10. Принципиальная схема штамповки обкатыванием:
– заготовка; 2 – пуансон; 3 – водило; 4 – червячное колесо;
– червяк;6 – муфта; 7 – электродвигатель; 8 – сферический
подпятник; 9 – матрица; 10 –ступица червячного колеса;
Круговое колебательное движение пуансону сообщает механизм состоящий
из двух электродвигателей (7) вращающих через муфты (6) и червяки (5)
червячное колесо (4). Ступица этого колеса имеет эксцентрично расположенное
под углом 30 отверстие в котором находится подшипник водила (3).
Благодаря возможности проворота цапфы водила в подшипнике
вращательное движение червячного колеса преобразуется в круговое
колебательное движение самого водила и закрепленного на нем пуансона
который и деформирует заготовку. Усилие деформации передается на
сферический подпятник (8) при этом центр сферической поверхности находится
на рабочем торце пуансона.
Применение штамповки обкатыванием по сравнению с традиционными
методами обусловлено следующими преимуществами:
) меньшими габаритами машин;
) снижением общих усилий деформирования в 15-20 раз;
) равномерностью распространения деформаций;
) высокой размерной точностью (8-11 квалитет);
) почти полным исключением вибраций и шума;
) более высоким качеством поверхности;
) повышением стойкости инструмента в 15-2 раза
и ряда других преимуществ.
Технологические процессы штамповки обкатыванием кольцевых и фланцевых
Обкатывающим инструментом могут осуществляться операции прямого и
обратного выдавливания вырубки высадка и осадка.
Процесс осадки из прутка (Рис. 5.11 а)
Осадка как наиболее распространенный и простой вид операции
осуществляется по трем схемам:
) колебательное и поступательное движение пуансона;
) колебательное движение пуансона и поступательное движение
) колебательное движение матрицы и поступательное движение пуансона.
Рис.5.11(а). Процесс осадки из прутка:
– пуансон; 2 – пуансонодержатель; 3 – матрица; 4 – матрицедержатель;
– корпус; 6 – контейнер; 7 – гайка; 8 – выталкиватель;
– вкладыш;10 – шпилька; 11 – исходная заготовка (пруток).
При этом ось инструмента наклонена к вертикальной оси под углом ( а
торцовая часть подвижного инструмента непрерывно перекатывается по
поверхности заготовки образуя в каждый момент времени локальный
Характер формообразования при осадке заготовок обкатывающим
инструментом отличается от обычной осадки. Если при обычной осадке диаметры
оснований заготовки со стороны пуансона и матрицы одинаковы то при
штамповке обкатыванием диаметр основания со стороны качающегося пуансона
превышает диаметр нижнего основания со стороны матрицы.
При штамповке обкатыванием нет бочкообразности боковой поверхности
присущей обычной осадке. Заторможенная зона со стороны пуансона действует
только на части торцовой поверхности заготовки и в процессе деформации
постоянно перемещается поэтому неравномерность деформации уменьшается
уменьшаются и растягивающие напряжения. Благодаря этому при ШО предельная
степень деформации до появления трещин на боковой поверхности увеличивается
на 10-30 % в зависимости от штампуемого материала.
Процесс деформирования обкатывающим пуансоном из квадратной заготовки
Нагретая до 750 0С исходная листовая заготовка 7 квадратной в плане
устанавливается на матрицу 1 фиксируя ее углами в прямоугольных
углублениях 6 регулируемых планок 5. При включении пресса в рабочий режим
его стол поднимается вверх а вместе с ним и материал 1 выталкиватель 3
исходная заготовка 7.
Рис.5.11(б). Процесс деформирования обкатывающим пуансоном из квадратной
Обкатывающий пуансон 2 в начальной стадии процесса входит в матрицу 1 и
центрируется по ней а затем происходит его силовое воздействие на
заготовку 7 и исходя из того что матрица 1 и пуансон 2 имеют острые
кромки происходит отрубка (отделение) углов 8 на заготовке до получения ее
длины по диагонали равной диаметру готовой заготовки.
Полуфабрикат 9 при дальнейшем движении стола вверх деформируется
обкатывающим пуансоном 2 до получения конечной заготовки детали. После
опускания стола пресса вниз готовая заготовка выталкивается из матрицы 1
выталкивателем 3. Отштампованная заготовка и отходы извлекаются.
Выталкиватель 3 возвращается в исходное положение.
Следующий цикл штамповки повторяется.
Для штамповки заготовки другой толщины планки 5 устанавливаются
соответствующим образом.
Параметры технологического процесса.
) Размеры диагонали исходной заготовки определяются следующим
Для обеспечения качественного среза при отрубке углов у исходной
заготовки обкатывающим пуансоном размер отрубаемой части (а) должен быть
не менее высоты заготовки Нзаг. Тогда минимальная длина заготовки
определяется по формуле:
Lg = Dизд + Нзаг (1).
Максимальная длина диагонали определяется по формуле (2) исходя из
условия вписания диска в исходно-квадратную заготовку при отсутствии
где: Lg – длина диагонали поперечного сечения квадратной заготовки
Dизд – диаметр готовой заготовки мм;
Нзаг – высота исходной листовой заготовки мм.
Общее соотношение длины диагонали исходной заготовки и готовой
заготовки должно соответствовать формуле (3):
Dизд + Нзаг Lg 141 Dизд (3).
) подача стола S = 17 ммоб
) температура нагрева исходной заготовки t = 740 0С
) максимальное усилие штамповки обкатыванием Pmax = 2300 кН
) время штампов обкатыванием в зависимости от толщины исходной
заготовки tшт = 4-8 сек.
) применяемое оборудование – гидравлический пресс мод. П294ОШО
(разработка Ижевского государственного механического университета).
Фиксированный угол наклона оси пуансона к оси матрицы ( = 30.
Обратное выдавливание ШО из прутка (Рис.5.11 в)
Процесс деформации осуществляется следующим образом.
Заготовка 4 подается в матрицу 1 под воздействием усилия
деформирования Р. Обкатывающий инструмент (пуансон) 3 устанавливается на
определенном расстоянии от торцовой поверхности матрицы 1 определяя тем
самым толщину самого изделия (если изделие плоское) и толщину дна (если это
изделие полое). Нужная толщина дна у изделия может быть получена за счет
ограничения перемещения обкатывающего инструмента (пуансона) 3 в осевом
направлении с помощью специальных регулируемых упоров устанавливаемых на
станине пресса. Под действием выталкивателя 2 заготовка 4 перемещается
вверх. Таким образом происходит подача металла в обкатывающий инструмент
При локальном очаге деформации металл интенсивно течет в радиальном
направлении от центра к периферии. Встречаясь с боковыми стенками
обкатывающего инструмента 3 он изменяет свое течение на осевое т. е.
огибает инструмент (матрицу) 1 в результате чего формируется готовое
Рис.5.11(в). Обратное выдавливание ШО из прутка.
– матрица; 2 – выталкиватель; 3 – обкатывающий
инструмент (пуансон); 4 – заготовка; 5 – готовое изделие.
После окончания процесса обкатывающий инструмент 3 уходит вверх
освобождая рабочее пространство пресса для выгрузки изделия.
Формула для определения средних удельных усилий
где: ( - коэффициент устанавливаемый опытным путем и примерно равен
s – предел текучести материала МПа.
где: ( - коэффициент трения;
dh – отношение диаметра осаживаемой заготовки к ее толщине;
( - угол наклона оси инструмента;
Eц – степень деформации;
S – подача инструмента на один оборот.
ТЕМА 6. Основы технологии сварочного производства
1. Основные понятия и определения
Сваркой называют технологический процесс получения неразъемных
соединений посредством установления межатомных связей между соединяемыми
частями при их нагревании и (или) пластическом деформировании.
Сварку применяют для соединения однородных и разнородных материалов и
сплавов металлов с неметаллическими материалами (керамикой стеклом
графитом и др.) а также пластмасс.
Физическая сущность процесса сварки заключается в установлении
прочных межатомных или молекулярных связей между частицами соединяемых
Для возникновения межатомных или межмолекулярных связей требуется
выполнить следующие условия:
- тщательная очистка свариваемых поверхностей от окислов инородных
включений и загрязнения;
- активация состояния поверхности с целью ослабления связей
поверхностных атомов;
- сближение соединяемых поверхностей.
Реализация условий обеспечивается введением определенной энергии
которая сообщается в виде теплоты упруго пластической деформации и
электронного ионного и других видов облучения.
Согласно ГОСТ 19521 – 74 все сварочные процессы классифицируются по
физическим техническим и технологическим признакам.
По первому признаку сварку подразделяют на три класса.
термический класс – виды сварки осуществляемые плавлением с
использованием тепловой энергии (дуговая электрошлаковая газовая
плазменная электронно-лучевая и др.).
термомеханический – виды сварки осуществляемые с использованием
тепловой энергии и давления (контактная диффузионная газопрессовая
механический – виды сварки осуществляемые с использованием
механической энергии и давления (холодная взрывом ультразвуковая
трением магнитоимпульсная).
Все виды сварки образуют 4 основных типа соединений (рис. 6.1.):
а) стыковое соединение – соединение торцов свариваемых деталей;
б) соединение внахлестку – соединение боковых поверхностей свариваемых
в г) тавровые и угловые соединения – соединение торца одной детали
с боковой поверхностью другой детали.
Рис. 6.1. Типы сварных соединений.
Стыковые соединения различают по виду предварительной подготовки
кромок. В зависимости от способа сварки и толщины свариваемого металла
производят различную подготовку кромок (рис. 6.2.):
Рис. 6.2. Форма подготовки кромок под сварку.
- при толщине металла 1 - 3 мм – применяют отбортовку без
зазора высота бортика 25 мм;
- при толщине металла 1 - 4 мм – сварку применяют без разделки кромок
- при толщине металла 3 - 60 мм – сваривают с односторонней
V-образной разделкой кромок см. рис. 6.2.(а);
- металл с толщиной 10 – 60 мм – сваривают с односторонней
U - чашеобразной разделкой кромок см. рис. 6.2.(б);
- при толщине металла 8 – 120 мм – рекомендуется двухсторонняя
Х- образная разделка кромок см. рис. 6.2.(в);
- при толщине металла 15 – 100 мм – рекомендуется двухсторонняя
U - чашеобразная разделка кромок см. рис. 6.2.(г)
Широкое применение сварки объясняется его технико – экономическими
) Экономия металла и ускорение производственного процесса по
сравнению с другими способами соединения металлических частей.
) Снижение стоимости продукции.
) Сварка позволяет получать более рациональные конструкции при
использовании различных профилей проката а также сочетании
литых штампованных заготовок с различным прокатом.
Используют сварку при ремонтных и восстановительных операциях а также
при исправлении брака литых деталей.
2. Виды сварки плавлением
Это процесс соединения металлических деталей при котором источником
тепла является электрическая дуга.
Электрическая дуга – непрерывный поток электронов и ионов
образованный между электродами в газовой среде.
Процесс зажигания дуги включает 3 этапа (рис. 5.3.):
Рис. 6.3. Схема процесса зажигания дуги:
– электрод; 2 – заготовка; 3 – электроны; 4 – ионизированные молекулы
газа (и паров металла); 5 – катодное пятно; 6 – дуга; 7 – анодное пятно.
а) короткое замыкание электрода (1) на заготовку (2);
б) отвод электрода на расстояние 3-6 мм начало эмиссии (излучения)
электронов электрода (3) их столкновение с молекулами газов
атмосферы (4) – начало их ионизации;
в) устойчивое горение дуги (6).
В практике применяют следующие схемы дуговой сварки (рис. 6.4.).
а) Сварка неплавящимся электродом.
Дуга возбуждается между вольфрамовым или угольным электродом (1) и
б) Сварка плавящимся электродом.
Дуга прямого действия – между электродом (1) и изделием (3).
в) Сварка косвенной дугой.
Дуга горит между двумя плавящимися электродами (1).
г) Сварка трехфазной дугой.
Дуга горит между плавящимися электродами (1) и изделием (3).
Рис. 6.4. Схемы электродуговой сварки:
– электрод; 2 – дуга прямого действия; 3 – соединяемые заготовки;
– присадочный металл; 5 – косвенная дуга; 6 – трехфазная дуга.
Температура электронной дуги зависит от материала электродов и состава
газов дугового промежутка: При угольных электродах на катоде оно составляет
около 3200 0С на аноде 3900 0С при металлических электродах
соответственно 2400 оС и 3600 оС. В центре дуги по ее оси температура
достигает 6000-7000 оС. при механизированной сварке в СО2 8000 0К для
сварки в Аr – 10000-12000 0К а в Не доходит до 20000 0К.
Способы дуговой сварки
В промышленности наиболее распространены три основных способа дуговой
- ручная дуговая сварка со специальным покрытием;
- автоматическая дуговая сварка под флюсом;
- дуговая сварка в защитных газах.
Ручная дуговая сварка (Рис. 6.5.)
Рис. 6.5. Схема ручной дуговой сварки:
– основной металл; 2 – шлаковая кромка; 3 – сварной шов;
– шлаковая ванна; 5 – газовая защитная атмосфера;
– покрытие электрода; 7 – стержень электрода;
– электродуга; 9 – сварочная ванна.
Электроды представляют собой проволочные стержни с нанесенным на них
покрытием. Покрытие образует жидкий шлак который обеспечивает защиту
сварочной ванны от вредного воздействия окружающей среды удаляемый
механическим способом.
Покрытия электродов согласно ГОСТ 9466-75 подразделяются на кислые
основные целлюлозные рутиловые и прочие которые облегчают ионизацию дуги
и способствует устойчивому ее горению и при расплавлении является средой
через которую осуществляется раскисление и легирование наплавленного
металла с требуемым химическим составом и механическими свойствами.
Основными параметрами определяющие режимы сварки являются диаметр
электрода и величина сварочного тока.
Диаметр электрода (dэ) выбирается в зависимости от толщины
свариваемого металла S:
S мм 1 – 2 3 – 5 4 – 10 12 – 24 и
dэ мм 2 – 3 3 – 4 4 – 5 5 – 6
Величину сварочного тока (Iсв.) выбирают в зависимости от диаметра и
типа металла электрода:
где k – опытный коэффициент равный 40 – 60 для электродов со
стержнем из низкоуглеродистой стали и 35 – 40 для электродов со
стержнем из высокоуглеродистой стали;
dэ – диаметр электрода мм.
2.2. Плазменная сварка
Плазменная сварка - процесс сварки плавлением при которой соединение
деталей осуществляется при нагреве плазменной струей.
Плазменная струя - направленный поток ионизированных частиц газа
имеющий температуру 10000 – 20000 0С. Плазму получают пропуская поток
газов через столб электрической дуги (рис. 6.6.). В качестве
плазмообразующего газа используют аргон водород и азот.
Рис. 6.6. Схема плазменной сварки.
Газовая сварка - процесс сварки плавлением при котором место
соединения нагревают до расплавления высокотемпературным газовым пламенем
Рис. 6.7. Схема газовой сварки:
– свариваемые детали 2 – присадочная проволока 3 –мундштук
– газовое пламя5 – горелка.
Сварочную ванну образуют металлы соединяемых заготовок и присадочный
материал который вводят в пламя газовой горелки. Газовое пламя получают
при сгорании горючего газа в атмосфере технически чистого кислорода. В
качестве горючего газа наиболее широко применяют ацетилен (С2Н2) так как
он обеспечивает получение пламени с более высокой температурой горения –
000С. Ацетилено-кислородное пламя состоит из трех зон (рис. 6.8.).
Существует 3 вида пламени в зависимости от соотношения О2 к С2 Н2:
Если =VO2V С2 Н2=10 – 13 – это нормальное пламя;
Рис. 6.8. Распределение температуры нормального ацетилено-кислородного
– ядро пламени 2 – средняя зона (сварочная)
– факел пламени (окислительная).
Нормальным пламенем сваривают большинство сталей. При увеличенном
содержании углерода пламя обладает окислительными свойствами и может быть
использовано только при сварке латуни. При увеличении содержания ацетилена
пламя становится коптящим такое пламя называют науглероживающим и
применяют для сварки чугуна и цветных металлов так как в этом случае
компенсируется выгорание углерода.
2.4. Электронно-лучевая сварка
Сущность сварки состоит в использовании для нагрева и расплавления
свариваемых кромок кинетической энергии электронов движущихся с высокими
скоростями в вакууме (рис. 6.9.).
Рис. 6.9. Схема сварки электронным лучом.
Достоинством сварки электронным лучом является высокая концентрация
энергии на поверхности детали что позволяет проплавлять заготовки толщиной
до 200 мм из всех материалов чаще всего из разнородных и для соединения
тугоплавких и химически активных металлов.
3. Виды сварки давлением
3.1. Контактная сварка
Сущность процесса заключается в совместном термическом деформационном
воздействии на соединяемые детали.
Существуют следующие основные способы контактной сварки:
- стыковая сварка (сопротивлением и оплавлением);
Стыковая сварка сопротивлением - метод контактной сварки при
которой детали соединяются по всей поверхности соприкосновения
Рис. 6.10. Контактная стыковая сварка:
–неподвижные плиты; 23 – зажимы .
Детали зажатые в электродах сварочной машины сжимают с силой Р за
счет перемещения плит для обеспечения физического контакта свариваемых
поверхностей. Затем включают ток металл разогревают до пластического
состояния далее его деформируют до образования неразъемного соединения.
Этим способом сваривают:
Сталь СИАL и их сплавынихром- детали компактного сечения d ≤ 40
Стыковая сварка оплавлением – метод сварки при котором детали
сближают с одновременным включением тока. В момент сближения торцов
начинается процесс расплавления единичных выступов. По мере продолжающегося
сближения деталей число контактов непрерывно растет и заканчивается когда
обе торцовые поверхности будут покрыты тонким и равномерным слоем жидкого
металла. Процесс происходит очень быстро и для оплавления всей торцевой
поверхности детали в зависимости от сечения необходимо затратить 05-3 с
Рис. 6.11. Последовательность процесса оплавления.
Область применения: Сталь СИАL и их сплавы стержни трубы
профильный прокат Fдо 100000 мм2(для стали).
Точечная сварка – это способ контактной сварки при которой детали
соединяются в отдельных точках (рис. 6.12.).
При точечной сварке детали соединяются внахлестку и зажимают с усилием
между двумя медными электродами через которые подводят ток к месту сварки.
Рис. 6.12. Принципиальная схема контактной точечной сварки:
– соединяемые заготовки; 3 – пятно контакта; 4 – медные электроды.
Область применения: листы с S ≤ 6 мм профиль + лист(обшивка) литые
заготовки + лист черные и цветные сплавы штампованные детали.
Шовная сварка - это модернизированный вид точечной сварки. Так же
как при точечной сварке детали соединяют внахлёстку так же зажимают между
медными электродами только электроды выполнены в виде роликов. При
отсутствии вращения электродов-роликов при пропускании тока образуется
сварная точка. Если роликам сообщить вращательное движение с одновременным
пропусканием тока то получают перекрывающие друг друга сварные точки
образующие сплошной герметичный шов.
Область применения: черные и цветные сплавы листы емкости
герметичные конструкции с толщиной листа S ≤ 4 мм.
3.2. Диффузионная сварка
При диффузионной сварке соединение образуется в результате взаимной
диффузии атомов в поверхностных слоях контактирующих материалов
находящихся в твердом состоянии (рис. 6.13.).
Рис. 6.13. Схема процесса диффузионной сварки:
– нагреватель; 2 – сжимающие устройство (гидравлическое или
пневматическое); 3 – вакуумная камера; 4 – свариваемые детали.
Температура нагрева в вакууме при сварке близка к температуре
рекристаллизации более легкоплавкого материала и способствует очистке
поверхностей деталей. После достижения требуемой температуры к деталям
прикладывают сжимающие усилие что увеличивает площадь контакта.
Поверхность должна быть тщательно очищена от окислов и загрязнений.
Достоинством сварки является возможность создания соединения
материалов с существенно различными свойствами (сталь с алюминием чугуном
вольфрамом титаном и металлокерамикой и т.д.). Можно соединять детали по
сложным рельефным поверхностям.
Способ сварки взрывом позволяет получать соединения на большой площади
в течение очень короткого времени и не требует сложного оборудования (рис.
При взрыве заготовка 3 движется по направлению к неподвижной пластине
со скоростью 2000 мсек.
Прочность соединений выше прочности соединяемых материалов.
Параметрами сварки является скорость детонации D нормальная скорость
VH метаемой пластины.
Рис. 6.14. Схема процесса сварки взрывом:
– детонатор; 2 – взрывчатое вещество; 34 – заготовки.
Сварку взрывом используют при изготовлении заготовок биметалла
плакировке поверхностей конструкционных сталей металлами и сплавами с
особыми физическими свойствами. Целесообразно применять сварку в сочетании
со штамповкой и ковкой.
3.4. Холодная сварка
Холодная сварка - это процесс сварки давлением при котором соединение
деталей приводится при значительной пластической деформации без применения
внешнего нагрева. Деформация в процессе сварки достигает 70-80%. Холодной
сваркой можно осуществлять соединение внахлёстку и встык. Металл деталей
деформируется с помощью пуансонов (при сварке внахлёстку) или без них (при
сварке встык) (рис. 6.15.). В процессе деформации плёнка окислов и другие
загрязнения поверхности выдавливаются в периферийную область а между
соединяемыми поверхностями устанавливаются межатомные связи т.е.
происходит сварка деталей.
Рис. 6.15. Схемы холодной сварки:
а - внахлестку: 1 – листы 2 – пуансоны 3 – направляющие;
б - встык: 1 - соединяемые стержни 2 - зажимное устройство 3 – грат.
Холодную сварку применяют для соединения заготовок из цветных металлов
и сплавов для сварки приводов шин токопроводов.
Соединение деталей происходит за счет взаимного перемещения (трения)
соединяемых поверхностей (рис. 6.16.).
После достижения температуры пластического состояния трение
прекращают и прикладывают усилие осуществляя совместное деформирование
Рис. 6.16. Схема процесса сварки трением.
Основными параметрами сварки трением являются скорость вращения и
величина осевого усилия сжатия.
Сварку трением применяют при изготовлении составного режущего
инструмента сварки различных валов труб и строительных арматур.
3.6. Ультразвуковая сварка
Процесс получение неразъемного соединения за счет совместного
воздействия на свариваемые детали ультразвуковых колебаний с частотой до 70
кГц и небольших сдавливающих усилий. При достижении определенной
температуры и сближении поверхностей на расстояние действия межатомных сил
возникает прочная связь (рис. 6.17.).
Рис. 6.17. Схема ультразвуковой сварки:
– преобразователь; 2 – сварочный наконечник; 35 – система сжатия
(пневматическая гидравлическая или механическая); 4 – деталь.
Ультразвуковой сваркой можно получать точечные и шовные соединения
внахлестку а также соединение по контуру металлов в однородных и
разнородных сочетаниях с достаточно высокой прочностью.
4. Дефекты сварных соединений
При изготовлении неразъемных соединений имеет место неравномерного
распределение температур в месте соединения деталей по зоне термического
ЗТВ – это околошовный участок основного металла нагретый в процессе
сварки от 100 0С до температуры плавления. Именно ЗТВ являются слабым
местом в соединении.
Дефекты сварных и паяных соединений подразделяются на два типа:
внешние и внутренние (рис. 6.18).
Дефекты выявляются различными методами контроля сравниваются с
нормативом и если допустимы к доработке дорабатываются механической
обработкой и вновь завариваются если размеры дефектов превышают допустимые
нормы – изделия бракуются.
Рис. 6.18. Типы дефектов сварных соединений:
Внешние дефекты: а – наплыв; б – подрез; в – наружные непровары;
г – поверхностные трещины и поры.
Внутренние дефекты: д – скрытые трещины и поры; е – внутренние не провары;
ж – шлаковые включении
ТЕМА 7. Электрофизические методы обработки
1. Электроэрозионная обработка заготовок
Электроэрозионная обработка заготовок основана на явлении эрозии
(разрушения) электродов из токопроводящих материалов при пропускании между
ними импульсного электрического тока. Разряд между электронами происходит в
газовой среде или при заполнении межэлектродного промежутка диэлектрической
жидкостью – керосином минеральным маслом. В жидкой среде эрозия происходит
более интенсивно. При наличии разности потенциалов на электродах происходит
ионизация межэлектродного пространства. Когда разность потенциалов
достигает определенного значения в среде между электродами образуется
канал проводимости по которому передается электрическая энергия в виде
импульсного искрового или дугового разряда. При высокой концентрации
реализуемой за 10-5–10-8 сек. мгновенная плотность тока в канале
проводимости достигает 8000-10000 Нмм2 в результате чего температура на
поверхности обрабатываемой заготовки-электрода возрастает до 10000-12000
С. Благодаря кратковременности процесса теплота не может распространиться
по объему электрода а поэтому происходит мгновенное оплавление и испарение
элементарного объема металла анода и на его поверхности образуется лунка.
Следующий импульс тока пробивает межэлектродный промежуток там где
расстояние между электродами наименьшее. Эрозия продолжается до тех пор
пока не будет удален весь металл расположенный между электродами на
расстоянии при котором возможен электрический пробой при заданном
напряжении импульса.
Для продолжения процесса необходимо сблизить электроды.
Совокупность силовых и тепловых факторов приводит к разрушению металла
и формообразованию поверхности обрабатываемой заготовки-электрода.
Одной из разновидностей электроэрозионной обработки является
электроискровая обработка (рис. 7.1.).
Метод обработки основан на использовании импульсного искрового разряда
между двумя электродами один из которых является обрабатываемой заготовкой
(анод) 1 а другой – инструментом (катод) 2. В качестве источников
импульсов используют электронные ламповые и транзисторные генераторы.
Обработку ведут в ваннах 3 заполненных диэлектрической жидкостью 4.
Наличие этой жидкости предотвращает нагрев электродов вызывает охлаждение
продуктов разрушения уменьшение боковых разрядов между инструментом и
заготовкой что повышает точность обработки.
Рис. 7.1. Схема электроискровой обработки.
– заготовка(анод); 2 – инструмент(катод);
– ванна; 4 – диэлектрическая жидкость
Для обеспечения непрерывности обработки необходимо чтобы ширина
зазора была постоянной. Для этого электроискровые станки снабжают следящей
системой и механизмом автоматического движения подачи инструмента.
Использование метода:
- получение сквозных отверстий (рис. 7.1 а);
- получение глухих отверстий и полостей (рис. 7.1 б);
- получение отверстий с криволинейными осями (рис. 7.1 в);
- вырезание заготовок из листа (рис. 7.1 г).
Наиболее целесообразно электроискровую обработку применять:
) для обработки заготовок из твердых сплавов – тантал вольфрам
) для изготовления штампов пресс-форм фильер режущего инструмента
деталей двигателя внутреннего сгорания сеток.
Зависимость интенсивности эрозии от физико-механических свойств
металла называют электроэрозионной обрабатываемостью. Принимая
электроэрозионную обрабатываемость стали за единицу другие металлы и
вольфрам – 03; твердые сплавы – 05; титан – 06; никель – 08;
медь – 11; латунь – 16; алюминий – 40; магний – 60.
2. Электроимпульсная обработка
При этом методе обработки используют электрические импульсы большой
длительности (500-10000 мкс) в результате чего происходит дуговой разряд.
Большие мощности импульсов обеспечивают высокую производительность
Электроимпульсную обработку целесообразно применять:
- при предварительной обработке штампов турбинных лопаток
твердосплавных деталей фасонных отверстий и т. д.
3. Электроконтактная обработка
Электроконтактная обработка (рис. 7.2.) основана на локальном нагреве
заготовки в месте ее контакта с электродом-инструментом и удалении
размягченного или даже расплавленного металла из зоны обработки
механическим способом при относительных движениях заготовки и инструмента.
Источником образования теплоты в зоне обработки являются импульсные дуговые
Рис. 7.2. Схема электроконтактной обработки плоской поверхности.
– заготовка; 2 – инструмент-электрод; 3 – трансформатор.
Обработку рекомендуют применять:
- для обработки крупных деталей из углеродистых и легированных сталей
чугунов цветных сплавов тугоплавких и специальных сплавов.
4. Электрохимические методы обработки
Электрохимическая обработка основана на явлении анодного растворения
происходящего при электролизе. При прохождении постоянного электрического
тока через электролит на поверхности заготовки включенной в электрическую
цепь и являющейся анодом происходит химическая реакция и поверхностный
слой металла превращается в химическое соединение переходящее в раствор
который удаляется механическим способом.
Разновидностями электрохимической обработки являются:
- размерная обработка.
5. Электрохимическая размерная обработка
Особенностью метода (рис. 7.3.) является обработка в струе электролита
(NaCl) прокачиваемого под давлением через межэлектродный промежуток
образуемый обрабатываемой заготовкой-анодом и инструментом-катодом. При
этом способе одновременно обрабатывается вся поверхность заготовки
находящаяся под активным воздействием катода что обеспечивает высокую его
Рис. 7.3. Схема электрохимической размерной обработки.
Участки заготовки не требующие обработки изолируют. Инструменту
придают форму обратную форме обрабатываемой поверхности. Формообразование
поверхности происходит по методу отражения (копирования) при котором
отсутствует износ инструмента т. к. им является струя электролита.
1. Способы получения металлических порошков
Металлокерамика или порошковая металлургия – это отрасль технологии
занимающаяся производством металлических порошков и деталей из них.
Сущность порошковой металлургии заключается в том что из металлического
порошка или смеси порошков прессуют заготовки которые потом подвергают
термической обработке – спеканию.
Порошковой металлургией можно получать материалы с особыми физико-
химическими механическими и технологическими свойствами пористые
материалы и детали из них детали состоящие из двух (биметаллы) или
нескольких слоев различных металлов и сплавов которые невозможно получить
методами литья обработки металлов давлением из особо тугоплавких из
нерастворимых друг в друге металлов (вольфрам и медь железо и свинец и
Металлические порошки состоят из очень мелких частиц (05–500 мкм)
различных металлов и их окислов. Общепринятым является условное деление
имеющихся способов получения порошков на физико-химические и механические
Механическими методами получают порошки как правило из отходов
основного производства.
Для механического измельчения твердых и хрупких материалов применяют
шаровые и вибрационные мельницы. Для механического измельчения пластичных и
легкоплавких металлов и сплавов применяют способы основанные на раздуве
жидкого материала струей воды или газа.
Физико-химимическими методами получают порошки тугоплавких металлов а
также порошки сплавов и соединений на их основе и является наиболее
К физико-химимическим методам получения порошков относится
восстановление окислов металлов электролиз и др. т.е. изменение
химического состава исходного сырья или его состава в результате
химического воздействия на исходный продукт.
Основные методы промышленного производства металлических порошков.
2. Технологические свойства металлических порошков
К основным технологическим свойствам металлических порошков
относится: насыпная масса текучесть и прессуемость.
Насыпная масса одного и того же порошка металла будет различной в
зависимости от способа получения и является объемной характеристикой
которая определяется массой единицы объема свободно насыпанного порошка в
граммах на см3. Постоянство насыпной массы обеспечивают постоянную усадку
Для изготовления конструкционных деталей следует применять
металлические порошки с большей насыпной массой (мелкая фракция) а для
получения пористых изделий следует применять металлические порошки с малой
насыпной массой (крупная фракция).
Текучесть металлических порошков – характеризует скорость прохождения
порошка через отверстие определенного диаметра (15-4 мм). Текучесть
оказывает большое влияние на равномерность заполнения пресс-формы на
скорость уплотнения при прессовании. Текучесть ухудшается при уменьшении
частиц порошка и повышении влажности.
Прессуемость металлических порошков – их способность уплотняться
приобретать и удерживать нужную форму при действии сжимающих усилий.
3. Методы производства металлокерамических изделий
Холодное прессование – наиболее распространенный способ формования и
состоит из ряда операций:
) приготовления шихты;
) дозировки и засыпки шихты в пресс-формы;
Приготовление шихты состоит из очистки порошков от примесей
предварительного отжига и смешивания их. В металлические порошки вводят
технологические присадки (парафин стеарин олеиновую кислоту) облегчающие
прессование и получение заготовок высокого качества легкоплавкие присадки
(ускоряющие спекание) различные летучие вещества (для получения деталей с
заданной пористостью).
Холодное прессование подразделяют:
- одностороннее прессование (рис.8.1.);
- двухстороннее прессование (рис.8.2.).
Одностороннее прессование
Под влиянием давления частицы порошка перераспределяются образуя
плотную упаковку деформируются упруго и в конечный момент уплотнение
происходит за счет пластической деформации частиц или их хрупкого
разрушения. Давление по высоте прессуемой детали становится неравномерным
ввиду влияния сил трения что приводит к неравномерной плотности детали.
Рис. 8.1. Схема одностороннего прессования:
– пуансон; 2 – пресс-форма; 3 – металлический порошок.
Получают: сплошные детали простой конфигурации при отношении
Двухстороннее прессование
Осуществляется взаимным движением навстречу друг другу двух пуансонов.
При данном прессовании для достижения одинаковой средней плотности
требуется усилие на 30-40% меньше чем при одностороннем.
Получают: детали при отношении HD > 2.
Рис. 8.2. Схема двухстороннего прессования:
Гидростатическое прессование (рис.8.3.)
Металлический порошок 3 заключенный в эластичную или металлическую
оболочку 2 подвергают всестороннему обжатию жидкостью в специальных
установках высокого давления 1 (10-30 атм).
Рис. 8.3. Схема гидростатического давления.
Этим методом можно получать материалы с высокой равномерно
распределенной плотностью а также заготовки и детали больших габаритов.
Мундштучное прессование (рис.8.4.)
Применяют для получения металлокерамических изделий с большим
отношением длины к диаметру. Форма изделия задается формой матрицы и может
быть любой сложности.
Рис. 8.4. Схема мундштучного прессования:
– плунжер пресса; 2 – пуансон; 3 – стальной стакан; 4 – конус;
– матрица; 6 – спрессованная заготовка; 7 – порошок.
Изделия полученные этим способом имеют равномерную плотность.
При прессовании в шихту добавляют до 10% пластификатора (парафина).
Прокатка металлических порошков (рис.8.5.)
Методом прокатки получают спрессованную ленту которую подвергают
Металлические порошки прокатывают в вертикальном и горизонтальном
Рис. 8.5. Прокатка металлических порошков:
– бункер; 2 – порошок; 3 – валки; 4 – лента (полоса).
Объем порошка при прокатке уменьшается в несколько раз. Плотность
получаемой ленты зависит от величины и соотношения диаметра валиков к
толщине прокатываемой ленты (обычно выбирают в пределах от 100:1 до 300:1).
Прокаткой получают 2- 3-хслойные ленты толщиной 0025-30 мм и
Технологически совмещаются формообразование и спекание заготовки.
Температура горячего прессования составляет обычно 06-08Тпл порошка.
Благодаря нагреву уплотнение протекает гораздо интенсивнее что позволяет
значительно снизить усилие прессования.
Горячее прессование применяют для изготовления деталей из твердых
сплавов и специальных жаропрочных материалов а также для деталей с большой
разницей диаметральных размеров и толщин.
Основная сложность горячего прессования – это выбор материала пресс-
форм который должен иметь достаточную прочность при температуре
прессования и не должен вступать в реакцию с прессуемым порошком.
) При температуре 500-600 0С применяют жаропрочные стали;
) при 800-900 0С – твердые сплавы;
) при температуре до 2600 0С – графит.
Низкая производительность и малая стойкость пресс-форм ограничивает
применение горячего прессования. Его используют когда другие методы
4. Технологический процесс спекания
Спекание – термическая операция которая проводится после холодного
прессования для повышения прочности изделия. Температура спекания
составляет 06-08Тпл.
Технология спекания влияет на плотность изделий. Увеличение времени и
температуры спекания приводит к возрастанию прочности и плотности изделий
но наряду с этим увеличивается интенсивность роста зерен что может
привести к снижению механических свойств. Спекание снимает остаточные
напряжения изменяет физические свойства.
Различают спекание в твердой и жидкой фазах. Спекание с жидкой фазой
позволяет получать более плотные изделия за счет активизации капиллярных
В промышленности большее распространение получило спекание в твердой
фазе когда спекание отдельных элементарных кристаллов происходит за счет
диффузии в твердом состоянии.
Дальский А.М. и др. Технология конструкционных материалов. М.:
Машиностроение 2005 592с.
Материаловедение и технология металлов: Учебное пособие Г.П.
Фетисов М.Г. Карпман В.М. Матюнин и др. М.: Высшая школа. 2001.638 с.
Кнорозов Б.В. и др. Технология металлов. М.: Металлургия 1978 904
Ковка и штамповка: Справочник. В 4 т. Т.4. Листовая
штамповкаПод ред. А.Д. Матвеева; Ред. совет: Е.И. Семенов (пред.) и др. –
М.: Машиностроение 1985 – 1987. – 544 с.: ил.
Ковка и штамповка: Справочник. В 4-х т. Ред. совет: Е.И. Семенов
(пред.) и др. – М.: Машиностроение 1986. – Т.2. Горячая штамповкаПод ред.
Е.И. Семенова 1986. 592 с. ил.
Литье по выплавляемым моделям Под ред. Шклекника Я.И.
Озерова В.А. – М.: Машиностроение 1984. – 408 с.
Шуб И.Е. Сорокин П.Я. Точное литье по выплавляемым моделям. – М.:
Машиностроение 1968. – 234 с.
Корякин Н.А. Лебедев В.А. Штамповка обкатыванием.- М.: ЦНИИ
Сурков В.А. Корякин Н.А. Галимов Э.Р. Разработка
технологических процессов штамповки обкатыванием кольцевых и фланцевых
заготовок.: Прогрессивные технологии и системы машиностроения.
Международный сборник научных трудов. – Донецк:Дон.НТУ 2007. – Вып.33