Кузнечная сварка (FOW), также называемая огневой сваркой , представляет собой процесс сварки в твердом состоянии [1] , который соединяет два куска металла путем нагревания их до высокой температуры, а затем удара молотком. [2] Он также может состоять из нагрева и прижимания металлов друг к другу с помощью прессов или других средств, создавая достаточное давление, чтобы вызвать пластическую деформацию на поверхностях сварного шва. [3] Этот процесс, хотя и сложный, был методом соединения металлов, используемым с древних времен, и является основным продуктом традиционного кузнечного дела . [4] Кузнечная сварка универсальна, поскольку позволяет соединять множество похожих и разнородных металлов. С изобретением методов электросварки и газовой сварки во время промышленной революции ручная кузнечная сварка была в значительной степени заменена, хотя автоматизированная кузнечная сварка является распространенным производственным процессом.
Кузнечная сварка — это процесс соединения металлов путем нагревания их выше определенного порога и прижимания их друг к другу с достаточным давлением, чтобы вызвать деформацию сварных поверхностей, создавая металлическую связь между атомами металлов. Требуемое давление варьируется в зависимости от температуры, прочности и твердости сплава . [5] Кузнечная сварка — старейшая техника сварки, которая используется с древних времен.
Процессы сварки обычно можно разделить на две категории: сварка плавлением и диффузионная сварка. Сварка плавлением подразумевает локальное плавление металлов на границах сварного шва и распространена в методах электрической или газовой сварки. Для этого требуются температуры, намного превышающие температуру плавления металла, чтобы вызвать локальное плавление до того, как тепло сможет термически отвести от шва, и часто используется присадочный металл, чтобы предотвратить сегрегацию шва из-за высокого поверхностного натяжения . Диффузионная сварка заключается в соединении металлов без их плавления, сварке поверхностей вместе в твердом состоянии. [6]
При диффузионной сварке источник тепла часто ниже температуры плавления металла, что позволяет более равномерно распределять тепло, тем самым снижая термические напряжения в сварном шве. При этом методе присадочный металл обычно не используется, а сварка происходит непосредственно между металлами на границе сварного шва. Сюда входят такие методы, как холодная сварка , сварка взрывом и кузнечная сварка. В отличие от других методов диффузии, при кузнечной сварке металлы нагреваются до высокой температуры перед тем, как соединить их вместе, что обычно приводит к большей пластичности на поверхностях сварного шва. Это, как правило, делает кузнечную сварку более универсальной, чем методы холодной диффузии, которые обычно применяются на мягких металлах, таких как медь или алюминий. [7]
При кузнечной сварке все области сварки нагреваются равномерно. Кузнечная сварка может использоваться для гораздо более широкого спектра более твердых металлов и сплавов, таких как сталь и титан. [8]
История соединения металлов восходит к бронзовому веку , когда бронзы разной твердости часто соединялись путем литья. Этот метод заключался в помещении твердой детали в расплавленный металл, содержащийся в форме, и позволении ему затвердеть без фактического расплавления обоих металлов, например, лезвие меча в рукоятку или хвостовик наконечника стрелы в наконечник. Пайка и пайка также были распространены в бронзовом веке. [9]
Процесс сварки (соединение двух твердых деталей посредством диффузии) начался с железа. Первым процессом сварки была кузнечная сварка, которая началась, когда люди научились плавить железо из железной руды ; скорее всего, в Анатолии (Турция) около 1800 г. до н. э. Древние люди не могли создать достаточно высокую температуру, чтобы полностью расплавить железо, поэтому процесс плавки , который использовался для выплавки железа, производил комок (кричку) из зерен железа, спеченных вместе с небольшим количеством шлака и других примесей, называемый губчатым железом из-за его пористости .
После выплавки губчатое железо необходимо было нагреть выше температуры сварки и проковать, или «проковать». Это выдавливало воздушные карманы и расплавляло шлак, приводя зерна железа в тесный контакт, образуя сплошной блок (заготовку).
Археологами было найдено множество предметов из кованого железа , которые демонстрируют свидетельства кузнечной сварки, датируемые периодом до 1000 г. до н. э. Поскольку железо обычно производилось в небольших количествах, любой крупный предмет, такой как Делийская колонна , требовалось кузнечной сварки из более мелких заготовок. [10] [11]
Кузнечная сварка выросла из метода проб и ошибок, становясь все более утонченной на протяжении веков. [12] Из-за низкого качества древних металлов, она обычно использовалась при изготовлении композитных сталей, путем соединения высокоуглеродистых сталей, которые сопротивлялись деформации, но легко ломались, с низкоуглеродистыми сталями, которые сопротивлялись трещинам, но слишком легко гнлись, создавая объект с большей прочностью и стойкостью , чем можно было бы изготовить с помощью одного сплава. Этот метод узорчатой сварки впервые появился около 700 г. до н. э. и в основном использовался для изготовления оружия, такого как мечи; наиболее широко известными примерами являются дамасский , японский и меровингский . [13] [14] Этот процесс также был распространен при изготовлении инструментов, от кованых плугов со стальными краями до железных долот со стальными режущими поверхностями. [13]
Многие металлы можно сваривать ковкой, наиболее распространенными из которых являются как высокоуглеродистые, так и низкоуглеродистые стали . Железо и даже некоторые доэвтектические чугуны можно сваривать ковкой. Некоторые алюминиевые сплавы также можно сваривать ковкой. [15] Такие металлы, как медь , бронза и латунь, плохо поддаются ковке. Хотя сплавы на основе меди можно сваривать ковкой , это часто бывает очень трудно из-за тенденции меди поглощать кислород во время нагрева. [16] Медь и ее сплавы обычно лучше соединяются холодной сваркой , сваркой взрывом или другими методами сварки давлением. В случае железа или стали наличие даже небольшого количества меди значительно снижает способность сплава к ковке. [17] [18]
Сплавы титана обычно свариваются кузнечной сваркой. Из-за тенденции титана поглощать кислород в расплавленном состоянии, твердотельная диффузионная связь кузнечной сварки часто оказывается прочнее, чем сварка плавлением, в которой металл находится в жидком состоянии. [19]
Кузнечная сварка между подобными материалами вызывается твердотельной диффузией. Это приводит к сварке, которая состоит только из свариваемых материалов без каких-либо наполнителей или связующих материалов. Кузнечная сварка между разнородными материалами вызывается образованием эвтектики с более низкой температурой плавления между материалами. Благодаря этому сварной шов часто прочнее, чем отдельные металлы.
Самый известный и самый старый процесс кузнечной сварки — метод ручной ковки. Ручная ковка выполняется путем нагрева металла до нужной температуры, покрытия флюсом, перекрытия сварных поверхностей и последующего многократного удара по соединению ручным молотком . Соединение часто формируется так, чтобы дать возможность флюсу вытекать , путем скашивания или легкого скругления поверхностей, и последовательно долбят наружу, чтобы выдавить флюс. Удары молотка, как правило, не такие сильные, как те, которые используются для формовки, что предотвращает выдувание флюса из соединения при первом ударе.
Когда были разработаны механические молоты , кузнечная сварка могла осуществляться путем нагрева металла, а затем помещения его между механизированным молотом и наковальней. Первоначально приводимые в действие водяными колесами , современные механические молоты также могут работать от сжатого воздуха, электричества, пара, газовых двигателей и многими другими способами. Другой метод — кузнечная сварка с помощью штампа , при котором куски металла нагреваются, а затем вдавливаются в штамп, который одновременно обеспечивает давление для сварки и удерживает соединение в готовой форме. Сварка прокаткой — это еще один процесс кузнечной сварки, при котором нагретые металлы накладываются друг на друга и пропускаются через ролики под высоким давлением для создания сварного шва. [20] [21]
Современная кузнечная сварка часто автоматизирована, с использованием компьютеров, машин и сложных гидравлических прессов для производства различных изделий из ряда различных сплавов. [22] Например, стальная труба часто подвергается ковочной сварке в процессе производства. Плоский прокат нагревается и подается через ролики специальной формы, которые одновременно формируют сталь в трубу и обеспечивают давление для сварки краев в непрерывный шов. [23]
Диффузионная сварка является распространенным методом кузнечной сварки титановых сплавов в аэрокосмической промышленности. В этом процессе металл нагревается в прессе или штампе. За пределами определенной критической температуры, которая варьируется в зависимости от сплава, примеси выгорают, а поверхности сжимаются вместе. [24]
Другие методы включают в себя стыковую сварку и ударную сварку . Это методы контактной кузнечной сварки, при которых пресс или штамп электризуется, пропуская сильный ток через сплав для создания тепла для сварки. [25] Кузнечная сварка в защитном газе — это процесс кузнечной сварки в кислородно-реактивной среде для выжигания оксидов с использованием газообразного водорода и индукционного нагрева . [26]
Железо, различные стали и даже чугун можно сваривать друг с другом, при условии, что их содержание углерода достаточно близко, чтобы диапазоны сварки перекрывались. Чистое железо можно сваривать, когда оно почти раскалено добела; между 2500 °F (1400 °C) и 2700 °F (1500 °C). Сталь с содержанием углерода 2,0% можно сваривать, когда она оранжево-желтая, между 1700 °F (900 °C) и 2000 °F (1100 °C). Обычная сталь, с содержанием углерода от 0,2 до 0,8%, обычно сваривается при ярко-желтом нагреве. [27]
Основным требованием к кузнечной сварке является то, что обе свариваемые поверхности должны быть нагреты до одинаковой температуры и сварены до того, как они остынут слишком сильно. Когда сталь достигает нужной температуры, она начинает очень легко свариваться, поэтому тонкий стержень или гвоздь, нагретый до той же температуры, будет иметь тенденцию прилипать при первом контакте, требуя, чтобы его согнули или скрутили.
Необходимо соблюдать осторожность, чтобы не перегреть металл до такой степени, чтобы он начал давать искры из-за быстрого окисления (горения), иначе сварной шов будет некачественным и хрупким. [28]
Когда сталь нагревается до температуры аустенизации , углерод начинает диффундировать через железо. Чем выше температура, тем больше скорость диффузии. При таких высоких температурах углерод легко соединяется с кислородом, образуя углекислый газ , поэтому углерод может легко диффундировать из стали в окружающий воздух. К концу кузнечной работы сталь будет иметь более низкое содержание углерода, чем до нагрева. Поэтому большинство кузнечных операций выполняются как можно быстрее, чтобы уменьшить обезуглероживание, не давая стали стать слишком мягкой.
Чтобы получить нужную твердость в готовом изделии, кузнец обычно начинает со стали, в которой содержание углерода выше желаемого. В древние времена ковка часто начиналась со стали, в которой содержание углерода было слишком высоким для нормального использования. Большинство древних кузнечных сварок начиналось с гиперэвтектоидной стали, содержащей содержание углерода иногда значительно выше 1,0%. Гиперэвтектоидные стали обычно слишком хрупкие, чтобы быть полезными в готовом изделии, но к концу ковки сталь обычно имела высокое содержание углерода в диапазоне от 0,8% (эвтектоидная инструментальная сталь) до 0,5% (гипоэвтектоидная пружинная сталь). [29]
Кузнечная сварка использовалась на протяжении всей своей истории для изготовления большинства предметов из стали и железа. Она использовалась во всем, от производства инструментов, сельскохозяйственных орудий и кухонной утвари до производства заборов, ворот и тюремных камер. В начале промышленной революции она широко использовалась при производстве котлов и сосудов высокого давления, вплоть до появления сварки плавлением . Она широко использовалась в Средние века для производства доспехов и оружия.
Одно из самых известных применений кузнечной сварки включает производство узорчатых сварных лезвий. Во время этого процесса кузнец многократно вытягивает стальную заготовку , складывает ее и сваривает ее с собой. [30] Другим применением было изготовление стволов ружей. Металлическая проволока наматывалась на оправку , а затем ковалась в ствол, который был тонким, однородным и прочным. В некоторых случаях сваренные кузнечной сваркой предметы подвергались кислотному травлению, чтобы обнажить основной рисунок металла, который уникален для каждого предмета и обеспечивает эстетическую привлекательность.
Несмотря на свое разнообразие, кузнечная сварка имела много ограничений. Основным ограничением был размер объектов, которые можно было сваривать кузнечной сваркой. Более крупные объекты требовали большего источника тепла, а размер уменьшал возможность ручной сварки до того, как они слишком остынут. Сварка крупных предметов, таких как стальные пластины или балки, обычно была невозможна или, по крайней мере, крайне непрактична до изобретения сварки плавлением, требующей вместо этого их заклепывания. В некоторых случаях сварка плавлением давала гораздо более прочный сварной шов, например, при строительстве котлов.
Кузнечная сварка требует, чтобы поверхности сварных швов были чрезвычайно чистыми, иначе металл не соединится должным образом, если вообще соединится. Оксиды имеют тенденцию образовываться на поверхности, в то время как примеси, такие как фосфор и сера, имеют тенденцию мигрировать на поверхность. Часто используется флюс , чтобы предотвратить окисление поверхностей сварки , что приведет к некачественному сварному шву, и чтобы извлечь другие примеси из металла. Флюс смешивается с образующимися оксидами и снижает температуру плавления и вязкость оксидов. Это позволяет оксидам вытекать из соединения, когда две детали бьются вместе. Простой флюс можно сделать из буры , иногда с добавлением порошкообразной железной стружки. [31]
Самым старым флюсом, используемым для кузнечной сварки, был мелкий кварцевый песок . Железо или сталь нагревались в восстановительной среде в углях кузницы. Лишенный кислорода, металл образует на своей поверхности слой оксида железа, называемого вюститом . Когда металл достаточно горячий, но ниже температуры сварки, кузнец посыпает металл песком. Кремний в песке реагирует с вюститом, образуя фаялит , который плавится чуть ниже температуры сварки. Это давало очень эффективный флюс, который помогал делать прочный сварной шов. [32]
Ранние образцы флюса использовали различные комбинации и различные количества железных наполнителей, буры , нашатыря , бальзама копайбы , цианида калия и фосфата натрия . В издании Scientific American 1920 года в книге фактов и формул указывается часто предлагаемая торговая тайна, как использование купороса , селитры , поваренной соли , черного оксида марганца , пиррусата калия и «хорошего сварочного песка» (силиката).
{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )