Введение
Сварка на ковках (FOW), также называемая огненной сваркой, — это процесс сварки в твердом состоянии, при котором два куска металла соединяются путем нагрева до высокой температуры и последующей их совместной ковки. Процесс может также включать нагрев и принудительное соединение металлов с помощью прессов или других средств, создавая достаточное давление для пластической деформации на поверхностях соединения. Этот процесс, хотя и требующий определенных навыков, использовался для соединения металлов с древних времен и является основой традиционного кузнечного дела. Сварка на ковках универсальна и позволяет соединять различные похожие и непохожие металлы. С изобретением электрической и газовой сварки в эпоху промышленной революции ручная сварка на ковках была в значительной степени вытеснена, хотя автоматизированная сварка на ковках остается распространенным производственным процессом.
Forge welding (FOW), also called fire welding, is a solid state welding process that joins two pieces of metal by heating them to a high temperature and then hammering them together. It may also consist of heating and forcing the metals together with presses or other means, creating enough pressure to cause plastic deformation at the weld surfaces. The process, although challenging, has been a method of joining metals used since ancient times and is a staple of traditional blacksmithing. Forge welding is versatile, being able to join a host of similar and dissimilar metals. With the invention of electrical welding and gas welding methods during the Industrial Revolution, manual forge welding has been largely replaced, although automated forge welding is a common manufacturing process.
Введение
Ковальная сварка – это процесс соединения металлов путем нагрева их выше определенного порога и совместного сжатия с достаточным давлением для деформации поверхностей соединения, что создает металлическую связь между атомами металлов. Необходимое давление варьируется в зависимости от температуры, прочности и твердости сплава. Ковальная сварка – старейшая техника сварки, известная с древних времен. Процессы сварки обычно подразделяются на две категории: сварка плавлением и диффузионная сварка. Сварка плавлением предполагает локальное расплавление металлов в зоне соединения и широко используется в электрической и газовой сварке. Для этого требуются температуры значительно выше температуры плавления металла, чтобы вызвать локальное расплавление до того, как тепло успеет отвестись от зоны сварки, и часто используется присадочный металл для предотвращения расслоения сварного шва из-за высокого поверхностного натяжения. Диффузионная сварка заключается в соединении металлов без их расплавления, соединении поверхностей в твердом состоянии. При диффузионной сварке источник тепла часто ниже температуры плавления металла, что обеспечивает более равномерное распределение тепла и, следовательно, снижает термические напряжения в зоне сварки. В этом методе обычно не используется присадочный металл, а соединение происходит непосредственно между металлами в зоне контакта. К таким методам относятся холодная сварка, взрывная сварка и ковальная сварка. В отличие от других диффузионных методов, при ковальной сварке металлы нагреваются до высокой температуры перед совместным сжатием, что обычно приводит к большей пластичности поверхностей соединения. Это делает ковальную сварку более универсальной, чем методы холодной диффузии, которые обычно применяются к мягким металлам, таким как медь или алюминий. При ковальной сварке вся область соединения нагревается равномерно. Ковальная сварка может применяться к гораздо более широкому спектру твердых металлов и сплавов, таких как сталь и титан.
История
История соединения металлов уходит корнями в бронзовый век, когда бронзы различной твердости часто соединялись методом литья в форму. Этот метод заключался в помещении твердой детали в расплавленный металл, находящийся в форме, и последующем затвердевании, без расплавления обоих металлов, например, вставляли лезвие меча в рукоять или хвостовик наконечника стрелы в острие. В бронзовом веке также были распространены пайка и лужение. Сварка (соединение двух твердых частей посредством диффузии) началась с железом. Первым процессом сварки была кузнечная сварка, которая возникла, когда люди научились выплавлять железо из железной руды, вероятнее всего, в Анатолии (Турции) около 1800 г. до н.э. Древние люди не могли достичь температур, достаточных для полного расплавления железа, поэтому процесс выплавки железа давал кусок (крицу) железных зерен, 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. Это вытесняло воздушные пузыри и расплавляло шлак, сближая железные зерна для образования твердого слитка (заготовки). Археологи обнаружили множество изделий из кованого железа, свидетельствующих о кузнечной сварке, датируемых периодом до 1000 г. до н.э. Поскольку железо обычно производилось в небольших количествах, любой крупный объект, такой как Делийский столб, требовал кузнечной сварки из меньших заготовок. Кузнечная сварка развивалась от метода проб и ошибок, постепенно совершенствуясь на протяжении веков. Из-за низкого качества древних металлов она часто использовалась при изготовлении композитных сталей, путем соединения высокоуглеродистых сталей, устойчивых к деформации, но хрупких, с низкоуглеродистыми сталями, устойчивыми к разрушению, но легко гнущимися, создавая изделие с большей прочностью и вязкостью, чем можно было получить из одного сплава. Этот метод дамасской сварки впервые появился около 700 г. до н.э. и в основном использовался для изготовления оружия, такого как мечи; наиболее известными примерами являются дамасские, японские и меровингские изделия. Этот процесс также был распространен в производстве инструментов, от кованых железных плугов со стальными лемехами до железных стамесок со стальными режущими кромками. Металлы, такие как медь, бронза и латунь, плохо поддаются кузнечной сварке. Хотя кузнечная сварка сплавов на основе меди возможна, она часто затруднена из-за склонности меди поглощать кислород при нагревании. Медь и ее сплавы обычно лучше соединяются холодной сваркой, взрывной сваркой или другими методами сварки давлением. В случае железа или стали даже небольшое количество меди значительно снижает способность сплава к кузнечной сварке. Титановые сплавы обычно подвергаются кузнечной сварке. Из-за склонности титана поглощать кислород в расплавленном состоянии, диффузионная связь в твердом теле при кузнечной сварке часто прочнее, чем сварной шов, полученный плавлением металла. Кузнечная сварка между однородными материалами обусловлена диффузией в твердом теле. В результате получается сварной шов, состоящий только из свариваемых материалов, без наполнителей или переходных элементов. Кузнечная сварка между разнородными материалами обусловлена образованием эвтектики с более низкой температурой плавления между материалами. Благодаря этому сварной шов часто прочнее, чем отдельные металлы.
Процессы
Самым известным и старым способом ковочной сварки является ручная молотковая обработка. Ручная ковка выполняется путем нагрева металла до необходимой температуры, нанесения флюса, наложения поверхностей для сварки, а затем многократного удара по соединению ручным молотом. Соединение часто формируют таким образом, чтобы обеспечить пространство для выхода флюса, слегка скошивая или закругляя поверхности, и проковывают последовательно наружу, чтобы выдавить флюс. Удары молотком обычно не такие сильные, как при формовке, чтобы предотвратить выбивание флюса из соединения при первом ударе. С разработкой механических молотов ковочную сварку можно было выполнять, нагревая металл, а затем помещая его между механизированным молотом и наковальней. Первоначально они приводились в действие водяными колесами, но современные механические молоты могут работать от сжатого воздуха, электричества, пара, газовых двигателей и многими другими способами. Другой метод – ковочная сварка в штампе, при котором нагретые куски металла помещаются в штамп, который обеспечивает необходимое давление для сварки и сохраняет окончательную форму соединения. Вальцовая сварка – еще один процесс ковочной сварки, при котором нагретые металлы накладываются друг на друга и пропускаются через валки под высоким давлением для создания сварного шва. Современная ковочная сварка часто автоматизирована, с использованием компьютеров, машин и сложных гидравлических прессов для производства различных изделий из множества различных сплавов. Например, стальные трубы часто ковочно свариваются в процессе производства. Плоский прокат нагревается и подается через специальные валки, которые одновременно формируют сталь в трубу и обеспечивают давление для сварки кромок в непрерывный шов. Диффузионная сварка – распространенный метод сварки титановых сплавов в аэрокосмической промышленности. В этом процессе металл нагревается в прессе или штампе. При превышении определенной критической температуры, которая зависит от сплава, примеси выгорают, и поверхности соединяются. Другие методы включают в себя импульсную сварку и сварку взрывом. Это виды контактной ковочной сварки, при которых пресс или штамп электрифицируется, и через сплав пропускается высокий ток для создания тепла, необходимого для сварки. Ковочная сварка в защитной газовой среде – это процесс ковочной сварки в среде, реактивной к кислороду, для выжигания оксидов с использованием водорода и индукционного нагрева.
Температура
Железо, различные стали и даже чугун могут быть сварены друг с другом, при условии, что их содержание углерода достаточно близко для перекрытия диапазонов сварки. Чистое железо можно сваривать, когда оно почти белое от жара; между и сталь с содержанием углерода 2,0% можно сваривать при оранжево-желтом цвете, между и. Обычная сталь с содержанием углерода от 0,2 до 0,8% обычно сваривается при ярко-желтом калении. Основное требование для ковальной сварки заключается в том, чтобы обе свариваемые поверхности были нагреты до одинаковой температуры и соединены до того, как они остынут. Когда сталь достигает нужной температуры, она начинает очень легко свариваться, поэтому тонкий стержень или гвоздь, нагретый до той же температуры, будет прилипать при первом контакте, требуя изгиба или скручивания для разъединения. Необходимо следить за тем, чтобы не перегреть металл до появления искр от быстрого окисления (горения), иначе сварка получится некачественной и хрупкой.
Декарбонизация
Когда сталь нагревается до температуры остенизации, 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 выходить из стали в окружающий воздух. К концу кузнечного изделия содержание углерода в стали будет ниже, чем до нагрева. Поэтому большинство кузнечных операций выполняются как можно быстрее, чтобы уменьшить обезуглероживание, предотвращая чрезмерное размягчение стали. Для достижения необходимой твердости в готовом изделии кузнец обычно начинает с стали, содержание углерода в которой выше требуемого. В древности ковка часто начиналась со стали с содержанием углерода, значительно превышающим допустимое для нормального использования. Большая часть древней сварной ковки выполнялась с использованием гиперевтектоидной стали, содержащей углерод, иногда значительно выше 1,0%. Гиперевтектоидные стали обычно слишком хрупки для использования в готовом изделии, но к концу ковки содержание углерода в стали обычно находится в диапазоне от 0,8% (эвтектоидная инструментальная сталь) до 0,5% (гипоэвтектоидная пружинная сталь).
Приложения
Кованая сварка использовалась на протяжении всей своей истории для изготовления практически любых изделий из стали и железа. Ее применяли для изготовления всего: от инструментов, сельскохозяйственного инвентаря и посуды до заборов, ворот и тюремных камер. В начале промышленной революции она широко использовалась при производстве котлов и сосудов под давлением, до появления сварки плавлением. В Средние века кованая сварка широко применялась для изготовления доспехов и оружия. Одно из самых известных применений кованой сварки – производство дамасских лезвий. В этом процессе кузнец многократно вытягивает заготовку из стали, складывает ее и сваривает саму с собой. Другим применением было изготовление стволов дробовиков. Металлическую проволоку наматывали на оправку, а затем выковывали в тонкий, однородный и прочный ствол. В некоторых случаях кованые сварные изделия подвергают травлению кислотой, чтобы обнажить базовый узор металла, который уникален для каждого изделия и придает ему эстетическую привлекательность. Несмотря на широкую область применения, кованая сварка имела множество ограничений. Основным ограничением был размер изделий, которые можно было сварить ковкой. Более крупные изделия требовали большего источника тепла, а их размер затруднял ручную сварку до того, как металл остывал. Сварка крупных деталей, таких как стальные листы или балки, обычно была невозможна или, по крайней мере, крайне непрактична, до изобретения сварки плавлением, что требовало их соединения клепками. В некоторых случаях сварка плавлением обеспечивала гораздо более прочное соединение, например, при строительстве котлов.
Поток
При ковальной сварке поверхности, подлежащие сварке, должны быть предельно чистыми, иначе металл не соединится должным образом, а то и вовсе не соединится. Окислы имеют тенденцию образовываться на поверхности, а примеси, такие как фосфор и сера, – мигрировать на неё. Часто используется флюс для предотвращения окисления свариваемых поверхностей, что привело бы к сварному шву низкого качества, а также для удаления других примесей из металла. Флюс смешивается с образующимися оксидами, снижая их температуру плавления и вязкость. Это позволяет оксидам вытекать из зоны соединения при совместном обжиге деталей. Простой флюс можно изготовить из буры, иногда с добавлением порошкообразных железных опилок. Самым древним флюсом, применяемым при ковальной сварке, был мелкий кварцевый песок. Железо или сталь нагреваются в восстановительной среде, внутри углей горна. В отсутствие кислорода на поверхности металла образуется слой оксида железа, называемый вуститом. Когда металл достаточно нагрет, но ниже температуры сварки, кузнец посыпает его песком. Кремний, содержащийся в песке, реагирует с вуститом, образуя фаялит, который плавится чуть ниже температуры сварки. Это создавало очень эффективный флюс, способствующий получению прочного сварного шва. В ранних примерах флюсов использовались различные комбинации и количества железных наполнителей, буры, нашатырной соли, бальзама копайбы, цианида калия и соды. В издании 1920 года «Книги фактов и формул» Scientific American упоминается часто предлагаемый коммерческий секрет, заключающийся в использовании медного купороса, селитры, поваренной соли, чёрного оксида марганца, желтой кровяной соли и «хорошего сварного песка» (силиката).