4.5. Технологии сварки и пайки

Сварка – это процесс создания неразъемного соединения однородных или разнородных материалов за счет установления прочных связей между атомами соединяемых деталей при подводе внешней энергии путем нагревания и/или пластического деформирования. В зависимости от характера подводимой энергии все сварочные процессы (сварка, пайка, резка) можно отнести к термическим, механическим или термомеханическим. Процесс сварки включает стадии образования физического контакта между соединяемыми деталями, возникновения электронного взаимодействия между взаимодействующими атомами и развития диффузионных процессов. Получение надежного неразъемного соединения в реальных условиях осложнено наличием на поверхности свариваемых деталей микронеровностей, оксидных пленок, адсорбированных газов и различных загрязнений.

Сварке подвергаются практически любые металлы и неметаллы в любых условиях – на земле, в воде, в космосе. Толщина свариваемых деталей колеблется от микронов до метров, масса конструкций – от долей грамма до сотен тонн. Нередко сварка является единственно возможным способом создания неразъемных соединений материалов и получения заготовок, максимально приближенных к форме и размерам готовой детали или конструкции.

Соединения, получаемые сваркой, характеризуются высокими механическими свойствами, небольшим расходом металла, низкой трудоемкостью и себестоимостью. Надежность соединений, выполняемых сваркой, позволяет применять ее при сборке самых ответственных конструкций. Более половины валового внутреннего продукта промышленно развитых стран создается с применением сварки и родственных технологий. До 70% мирового потребления стального проката идет на производство сварных конструкций и сооружений.

4.5.1. Термические виды сварки

Наиболее широкое распространение получила сварка плавлением, которая состоит в том, что жидкий металл одной оплавленной кромки детали соединяется и перемешивается с жидким металлом второй оплавленной кромки, образуя общий объем жидкого металла, который называется сварочной ванной. В зависимости от вида используемой энергии различают электрическую и газовую сварку. В свою очередь, электрическая сварка плавлением подразделяется на дуговую, плазменно-дуговую, электрошлаковую, электроконтактную, электронно-лучевую и др. Ведущее место во всех отраслях промышленности и строительства занимает электродуговая сварка¹⁵.

Дуговая сварка. Сущность дуговой сварки состоит в том, что свариваемый металл плавится теплом электрической дуги. Для образования сварочной дуги используют электрическую цепь со специальным источником питания. Дуга горит между электродом и изделием. Для питания дуги используется переменный или постоянный ток от трансформаторов, выпрямителей, мотор-генераторов и т.п.

При дуговой сварке плавящимся электродом шов образуется за счет расплавления электрода и свариваемого металла. При сварке неплавящимся электродом шов заполняется металлом свариваемых частей, а иногда также присадочным металлом, подаваемым в зону дуги со стороны. В качестве плавящихся электродов используют стальные, медные, алюминиевые, неплавящихся – угольные, графитовые, вольфрамовые.

Для выполнения качественной сварки требуется защищать сварочный электрод, зону дуги и сварочную ванну от взаимодействия с кислородом и азотом воздуха. Для этого выполняют сварку покрытыми электродами, в защитной атмосфере (защитных газах), под флюсом, порошковой самозащитной проволокой.

По степени механизации сварочного процесса дуговая сварка подразделяется на ручную, полуавтоматическую (механизированную) и автоматическую.

Газовая сварка. Технологические процессы, выполняемые с применением газового пламени, называются газопламенной обработкой металлов (ГОМ). В настоящее время в качестве горючих газов для ГОМ используют ацетилен (С₂Н₂), сжиженные газы на основе пропан-бутановых смесей, природный газ; при этом окислителем служит кислород или воздух.

Газовая сварка отличается низкой производительностью, сопровождается нагревом широкой зоны, большими деформациями металла и существенными изменениями его структуры. В последнее время газовую сварку применяют преимущественно при ремонте, а также на тех работах, где ее использование незаменимо или более рационально.

Плазменная сварка. Плазменной называют сварку сжатой в узкий канал электрической дугой. Устройства для получения сжатой дуги называют плазматронами. Простейший плазматрон состоит из изолятора, неплавящегося электрода и медного, охлаждаемого водой сопла. В сопло подают плазмообразующий инертный, нейтральный или содержащий кислород газ, который в столбе дуги нагревается до высокой температуры и плавит металл. Плазматроны могут работать на постоянном и переменном токе.

Различают плазматроны прямого и косвенного действия. Для сварки и резки чаще применяют плазматроны прямого действия – рис. 4.12. В них дуга горит между электродом и обрабатываемым изделием. В плазматронах косвенного действия дуга горит между электродом и соплом. Их применяют при обработке неэлектропроводных материалов и в качестве нагревателей газов.

Рис. 4.12. Схема плазматрона прямого действия: 1 – сварочный источник питания; 2 – высокочастотный генератор; 3 – вольфрамовый электрод; 4 – плазмообразующий газ; 5 – охлаждающая вода; 6 – защитный газ; 7 – сопло защитного газа; 8 – сопло, формирующее дугу; 9 – дуга; 10 – изделие

Электронно-лучевая сварка. Для расплавления стыка примыкающих друг к другу кромок деталей и образования качественного сварного шва в этом методе используется кинетическая энергия пучка разогнанных в сильном электрическом поле электронов. Электронный луч обеспечивает высокую удельную мощность на поверхности пятна нагрева. Сварка производится в вакууме.

Лазерная сварка. При облучении поверхности тела энергия квантов света поглощается этой поверхностью. Если световую энергию сконцентрировать на малом участке поверхности, то можно получить высококонцентрированный нагрев с интенсивностью до 10¹¹ Вт/м². На этом принципе основана сварка лучом оптического квантового генератора – лазера. Лазерную сварку производят на воздухе или в среде защитных газов (Ar, СО₂). Полученные таким образом соединения отличаются высокой прочностью и благодаря высокой локализации нагрева минимальной деформацией сварных конструкций.

Широкое применение новых конструкционных материалов на основе тугоплавких и высокоактивных материалов (титана, циркония, молибдена, вольфрама и др.) потребовало создание способов их обработки источниками тепла с высочайшей плотностью энергии. Наиболее полно этим условиям отвечают рассмотренные электронно-лучевая и лазерная технологии.