Основные сведения по технологии сварочных работ. Типы сварочных швов и соединений. Виды сварки
Сваркой называют процесс получения неразъемных соединений металлических изделий с применением местного нагрева. Металлические части в местах соединения плавятся и соединяются в одно целое. Cварку применяют для соединения однородных и разнородных металлов и сплавов, металлов с неметаллическими материалами (керамикой, стеклом, графитом), а также пластмасс. Физическая сущность процесса сварки заключается в установлении прочных межатомных связей поверхностных слоев соединяемых заготовок.
Для образования соединения необходимо выполнение следующих условий: очистка свариваемых поверхностей от загрязнений, оксидов, инородных атомов, активизация поверхностных и приповерхностных атомов, сближение соединяемых поверхностей на расстояние межатомного взаимодействия
Свариваемость металлов неодинакова и зависит от их физических свойств, методов и режимов, применяемых при сварке. В зависимости от состояния материалов в момент образования сварного соединения все многообразие способов сварки можно разделить на две группы: сварку в жидком и сварку в твердом состоянии, т.е. на сварку плавлением и сварку давлением.
Сварка плавлением. Образование сварного соединения плавлением протекает в 2 стадии:
- расплавление соединяемых поверхностей и образование общей ванны жидкого металла;
-затвердевание этого общего объема металла, образование сварного шва.
Сварка давлением. Для сварки давлением характерны 2 стадии:
-сближение соединяемых поверхностей до образования физического контакта;
- появление участков межатомного взаимодействия с установлением металлической связи под действием пластической деформации.
В результате всех видов сварки образуется сварное соединение. Существуют 4 типа сварных соединений (рис. 8): стыковое соединение 1 - 7 (соединение торцов свариваемых деталей), соединение внахлестку 8 – 9 (соединение боковых поверхностей свариваемых деталей), тавровое соединение 10 – 12 (соединение торца одной детали с боковой поверхностью другой детали), угловое соединение 13 – 15 углов свариваемых деталей.
Способы сварки плавлением. Наиболее распространена электродуговая сварка плавлением с применением металлического электрода.
Электродуговая сварка основана на использовании теплоты от электрической дуги, возникающей между двумя проводниками (электродами) при пропускании электрического тока.
При электродуговой сварке одним полюсом является свариваемая деталь, другим – угольный или металлический электрод. В случае применения угольного электрода необходим присадочный металл, для чего расплавляют специальный пруток, а при металлическом электроде расплавляется сам электрод. При сварке металлическим электродом его конец и свариваемое изделие расплавляются, капли металла электрода заполняют сварной шов и удерживаются на нем силами поверхностного натяжения.
При применении переменного тока расход энергии меньше, чем при применении постоянного тока, а оборудование проще и дешевле. Применение постоянного тока обеспечивает более стабильное горение дуги, чем при переменном токе.
Рисунок 8 - Типы сварных соединений.
Электроды. Электроды, применяемые при сварке изделий должны обеспечивать высокие механические свойства сварного соединения и высокую производительность процесса сварки. Они могут быть плавящимися (стальными, чугунными, алюминиевыми) и неплавящимися (угольными, вольфрамовыми). Качество электрода зависит от марки применяемого металла и вида обмазки.
Стальные электроды изготавливают из проволоки диаметрами от 2 до 12 мм. Электродами диаметром 2 мм сваривают металл толщиной до 2 мм, диаметром 3 мм – металл толщиной 2 мм и выше. Для сварки металла толщиной 5-10 мм применяют электроды диаметром 4-5 мм, а для толщин свыше 10 мм – электроды диаметром 5-8 мм.
Угольные электроды состоят из аморфного угля или графита. Он сгорает достаточно медленно. Угольный электрод не прилипает к металлу, а длина дуги может достигать 30-50 мм.
На электроды наносят различного вида обмазки для повышения устойчивости горения дуги путем ионизации воздушного промежутка, создания вокруг металла и дуги защитного слоя из газов и шлака, необходимого для защиты металла от окисления. В зависимости от толщины покрытия электроды подразделяются на тонкопокрытые с толщиной обмазки 0,1 - 0,3 мм и толстопокрытые с толщиной обмазки 0,25 - 0,35 d, где d – диаметр электрода в мм.
Тонкие предназначаются для увеличения устойчивости дуги, поэтому называются ионизирующими покрытиями. Наиболее распространенным является меловое покрытие, состоящее из 80 - 85% мелко просеянного мела и 15 - 20% жидкого стекла. К более сложным тонким покрытиям относится покрытие МВТУ, состоящее из 62 % титанового концентрата, 31 % полевого шпата и 7 % калия хромовокислого, которое позволяет с высоким качеством сваривать тонкий металл.
Для получения сварных швов с высокими показателями прочности и пластичности используют электроды с толстым покрытием. В состав толстого покрытия входят газообразующие, шлакообразующие и легирующие вещества и раскислители в виде ферросплавов (ферротитана, ферромарганца, ферросилиция и др.). Газообразующие добавки (мука, крахмал, целлюлоза и др.) предназначаются для создания в процессе плавления электрода газовой защитной среды, состоящей в основном из водорода и оксида углерода. Шлакообразующие вещества (полевой шпат, марганцевая или титановая руда, мел, каолин и др.) образуют при плавлении электрода шлаки, защищающие расплавленный металл от воздействия воздуха и улучшающие условия формирования металла шва. Легирующие элементы из покрытия, выгорая, переходят в шов, что повышает его механические свойства. Раскислители вводят для раскисления металла шва.
Сварочные машины и аппараты для дуговой сварки. Для получения равномерного процесса сварки необходимо, чтобы характеристика источника питания обеспечивала постоянство рабочего тока. Питание дуги постоянным током осуществляется сварочной машиной – генератором. Питание переменным током производится от сварочного трансформатора. Осцилляторы применяют для повышения устойчивости горения дуги при сварке переменным током и представляют собой искровый генератор токов высокой частоты.
Дуговую сварку используют для сваривания малоуглеродистых, конструкционных и легированных сталей.
Газовая сварка основана на получении необходимой теплоты для расплавления свариваемых деталей за счет химической реакции горения газа (ацетилена, водорода, бутана и др.). Газовое пламя получают при сгорании горючего газа в атмосфере технически чистого кислорода. Чаще всего в качестве горючего газа используют ацетилен, так как он обеспечивает получение пламени с более высокой температурой горения - 3200о С. Совокупность ацетиленового и кислородного баллонов с горелкой или резаком составляют оборудование газосварочного поста. При газовой сварке для создания сварочного шва вводят присадочные прутки, имеющие химический состав, близкий к составу свариваемого металла.
Наибольшее значение этот вид сварки получил при изготовлении различных тонкостенных конструкций и деталей из жаропрочных и нержавеющих сплавов и сплавов из алюминия.
Плазменная сварка – процесс сваривания плавлением, при котором соединение деталей осуществляется при нагреве плазменной струей. Плазменная струя – это поток ионизированных частиц газа, имеющий температуру 10000 - 30000о. Плазму получают, пропуская поток газа через столб электрической дуги. Дугу можно создавать как между электродом и деталью (горелка прямого действия), так и между электродом и водоохлаждаемой горелкой (горелка косвенного действия). В качестве плазмообразующего газа используют аргон, водород и азот.
Способы сварки давлением. Контактная сварка – это процесс сварки давлением, заключающийся в совместном термическом и деформационном воздействии на соединяемые детали. Она основана на нагревании места сварки электрическим током высокой плотности с одновременным сдавливанием деталей для облегчения взаимного проникновения атомов свариваемых металлов. Детали, зажатые в электродах сварочной машины, сжимают для обеспечения физического контакта свариваемых поверхностей. Затем включают ток, металл разогревается до пластического состояния, далее его деформируют до образования неразъемного соединения.
Существуют следующие виды контактной сварки: стыковая сварка сопротивлением, стыковая сварка оплавлением, точечная сварка, шовная сварка, сварка запасенной энергией, сварка по методу Игнатьева.
Стыковая сварка сопротивлением является видом контактной сварки, при которой детали соединяются по всей поверхности соприкосновения. Детали, зажатые в электродах сварочной машины, сжимают для обеспечения физического контакта свариваемых поверхностей. Затем включают ток, металл разогревается до пластического состояния, далее его деформируют до образования неразъемного соединения.
Стыковая сварка оплавлением заключается в сближении деталей одновременно с включением тока. В момент сближения торцов начинается процесс расплавления сначала отдельных контактов, затем число их непрерывно растет и заканчивается, когда обе торцовые поверхности будут покрыты тонким и равномерным слоем жидкого металла. Процесс протекает очень быстро и для оплавления всей торцевой поверхности детали в зависимости от сечения необходимо затратить от 0,5 до 3 с.
Точечная сварка – самый распространенный вид контактной сварки. Она применяется при соединении деталей в отдельных местах в виде небольших площадок (точек). Необходимая для разогревания теплота создается электрическим током, подводимым медными электродами, между которыми помещается и зажимается свариваемая деталь. Точечная сварка используется при сваривании пересечений арматуры для железобетонных конструкций, прокатных и штампованных профилей и др.
Шовная сварка – это модернизированный вид точечной сварки. Процесс такой же, только электроды выполняются в виде роликов. Ролику сообщают вращательное движение с одновременным пропусканием тока и получают перекрывающие друг друга сварные точки, образующие сплошной герметичный сварной шов.
Сварка запасенной энергией – это вид контактной сварки, при которой используется энергия, запасенная в соответствующем аккумулирующем устройстве. Наиболее широкое применение получила конденсаторная сварка, при которой энергия от питающей электрической сети накапливается в батарее конденсаторов, а затем расходуется на сварку металлов.
Сварка по методу Игнатьева- это вид контактной сварки, при которой электрический ток протекает параллельно плоскости соединения. Ток подводят к одной из деталей, от которой нагревается другая деталь. Когда достигается необходимая для сварки температура, детали сжимают. При этом образуется неразъемное соединение.
Диффузионная сварка – это процесс сварки давлением, при котором соединение образуется в результате взаимной диффузии атомов поверхностных слоев соединяемых деталей, находящихся в твердом состоянии. Свариваемые детали с тщательно зачищенными поверхностями загружают в специальную камеру, где для активизации процесса диффузии создают постоянную нагрузку на детали, разряжение атмосферы (вакуум) и нагрев.
Ультразвуковая сварка – это процесс сварки давлением, при котором соединение образуется в результате ультразвуковых колебаний одной детали относительно другой. В ультразвуковой сварке используют давления, нагрев и трение, возникающие при перемещение свариваемых поверхностей. Источником ультразвука является преобразователь, вызывающий возвратно-поступательные движения высокой частоты одной детали относительно другой. В результате сдвиговых деформаций контактные поверхности взаимно очищаются, нагреваются, с усилием сближаются и, пластически деформируясь, образуют сварное соединение.
Холодная сварка - это процесс сварки давлением, при котором соединение деталей проводится при значительной пластической деформации без применения внешнего нагрева. Металл деталей деформируется с помощью пуансонов. В процессе деформации пленка окислов выдавливается в периферийную область, а между соединяемыми поверхностями устанавливаются межатомные связи, т.е. происходит сварка деталей.