Лекция 6 сварочное производство

1.Технологические процессы получения изделий сваркой

Сварочное производство подразделяется по направлениям:

- Получение сварных заготовок и изделий из отдельных частей.

- Разрезка заготовок на части и раскрой листового материала.

Оба эти направления используют одинаковые или аналогичные технологические процессы и оборудование, что и позволяет объединить их в одно производство.

Сварным соединением называют неразъемные соединения, получаемые в результате образования атомно-молекулярных связей между частицами соединяемых заготовок.

Преимущества сварки по сравнению с другими способами соединения элементов конструкции:

- Экономия материала – вследствие полного использования рабочих сечений элементов конструкции, придания им более рациональной формы в соответствии с действующими нагрузками.

- Уменьшение веса конструкции за счет уменьшения и устранения припусков и напусков. - Особое преимущество проявляется в мелкосерийном и единичном типах производств.

- Сокращение сроков работ и уменьшение стоимости.

возможность изготовления изделия сложной формы путем комбинации сварки с другими технологиями ( штампосварные и литосварные изделия)

- Удешевление технологического оборудования и снижение капитальных затрат.

- Облегчение комплексной механизации массового производства однотипных сварных изделий. возможность 100% -ной механизации и автоматизации производства.

- Возможность широкого использования в сварных конструкциях прогрессивных материалов (высокопрочных сталей, спецпрофилей проката, легких сплавов, сверхчистых металлов и т.п.)

- Облегчение изготовления микроминиатюрных узлов и деталей для радио и приборостроения.

- Широкое применение сварки, наплавки, резки при ремонте изношенных деталей.

- Герметичность и надежность сварных конструкций.

- Уменьшение производственного шума, улучшение условий труда.

Классификация технологий сварки может быть построена по нескольким принципам.

- По агрегатному состоянию металла в зоне сварки – сварка давлением и сварка плавлением.

- По виду энергии для подогрева металла – ультразвуковая, механическая (холодная и трением), химическая (газовая, термитная), физическая (диффузионная, взрывом, кузнечная), электрическая (дуговая, контактная, электрошлаковая, лучевая (лазерная, плазменная, электронно-лучевая).

Наиболее распространена в практике современного производства классификация способов сварки по агрегатному состоянию материала заготовок в процессе сварки. По этой принципу сварку подразделяют на сварку давлением и сварку плавлением.

Сварка давлением – процесс получения неразъемного соединения путем сближения заготовок на расстояние (2 4) 10^-10м для возникновения межатомных связей и последующего образования прочного соединения в результате взаимной диффузии атомов соприкасающихся частей заготовок. Давление, прилагаемое при сварке должно смять неровности поверхности и разрушить неметаллические пленки, препятствующие образованию межатомных связей.

Сварка давлением подразделяется на: контактную электрическую сварку, диффузионную сварку, сварку трением, холодную сварку, газопрессовую сварку. Каждый из этих видов сварки имеет свою область применения. В настоящее время наиболее широко распространена контактная электрическая сварка, которая имеет большое количество модификаций. По виду получаемого соединения различают: точечную, стыковую, шовную, конденсаторную. Контактной электрической сваркой изготавливают различные изделия из листового материала. В автомобильном производстве большинство корпусных конструкций сваривают точечной сваркой. В строительстве, использующем железобетонные конструкции, стальную арматуру сваривают контактной стыковой сваркой.

Контактная электрическая сварка осуществляется путем пропускания электрического тока, I через контакт заготовок, образовавшийся при их сдавливании за счет внешнего усилия, P. Сварка проводится при напряжении электрического тока U = 12 15В, Сила тока определяется условиями сварки и геометрическими параметрами получаемого сварного соединения. Максимальная величина силы тока на мощных установках для стыковой сварки достигает I = 100 000 500 000 А. Выделение тепла, Q при сварке определяется законом Джоуля-Ленца: . R- электрическое сопротивление, τ – время сварки. Электрическое сопротивление , R_o – электросопротивление токоподводов, R_З – электросопротивление заготовок, R_К – электросопротивление контакта между заготовками. Для осуществления сварки должно выполняться условие: . В этом случае основная часть Джоулева тепла будет выделяться в зоне контакта заготовок, что и приведет к их свариванию. Обеспечение этого условия достигается различными технологическими приемами, наиболее эффективными из которых являются: создание на контактных поверхностях высокой шероховатости, уменьшение эффективной площади контакта, окисление поверхности.

Диффузионная сварка – соединение сдавливанием заготовок в вакууме (10^-3 10^{- 6}мм.рт.ст) при повышенной температуре. Отличается высоким качеством получаемого сварного соединения. Диффузионной сваркой изготавливают или ремонтируют ответственные изделия.

Сварка трением – соединение сдавливанием разогретых за счет трения заготовок. Тепло при трении может возникать в результате вращения заготовок или их вибрации. Сваркой трением при вращении получают концевой режущий инструмент. Детали, имеющие сложное сечение, сваривают путем их вибрации с высокой частотой и малой амплитудой.

Холодная сварка – соединение сдавливанием заготовок из материалов, пластичных при комнатной температуре. Таким образом сваривают изделия из цветных металлов, пластмасс, внахлестку сваривают листы толщиной, δ = 0,2 15 мм.

Газопрессовая сварка – сдавливание заготовок, разогретых горением газовой горелки. Способ применяется в двух вариантах: сварка в пластичном состоянии и сварка оплавлением. Таким способом можно сваривать различные металлические материалы в различном сочетании: чугун-сталь, различные металлы и т.п.

Сварка плавлением – получение сварного соединения путем расплавления материала в зоне сварки. Сварным соединением называют сочетание сварного шва, зоны термического влияния и основного материала заготовок. Подвидами сварки плавлением являются наплавка и напайка. Наплавка – нанесение расплавленного слоя материала на оплавленную поверхность заготовки. Напайка – нанесение расплавленного слоя материала на разогретую твердую поверхность заготовки.

Сварка плавлением подразделяется на: электрическую дуговую сварку, лучевые методы сварки плавлением, электрошлаковую сварку, термитную сварку.

Наибольшее распространение получила электрическая дуговая сварка. Существует два направления электродуговой сварки: сварка плавящимся электродом (способ Славянова Н.Г.) и сварка неплавящимся электродом (способ Бенардоса Н.Н.). Оба направления имеют свои специфические области применения, однако более распространен в современных условиях способ сварки плавящимся электродом. При сварке плавящимся электродом используют электрод – металлический стержень того же состава, что и свариваемые заготовки. При сварке неплавящимся электродом используют стержень из вольфрама или графита, которые не плавятся при сварке, а служат для возбуждения электрической дуги. Электрическая дуговая сварка проводится при постоянном или переменном токе. В качестве источников переменного тока используют сварочные трансформаторы. В качестве источников постоянного тока используют генераторы или выпрямители.

Разновидности электрической дуговой сварки: ручная дуговая сварка, полуавтоматическая и автоматическая дуговая сварка.

Ручная дуговая сварка – используют штучные электроды из сварочной проволоки, покрытой специальной обмазкой, способствующей устойчивости электрической дуги и защите расплавленного металла в зоне сварки от окисления. Дополнительно обмазка может выполнять функции раскисления и легирования материала шва. Существуют типы электродов для сварки конструкционных углеродистых, низко и легированных сталей, цветных металлов и для наплавки. Маркировка электродов – Э42 Э125. Цифра после буквы Э означает предел прочности при растяжении, σ_вр, кГ/мм². Сила сварочного тока рассчитывается по эмпирической формуле . Обмазка на электродах изготавливается в вариантах: кислая (SiO₂) – для сварки углеродистых и низколегированных сталей и основная (СaO) – для сварки легированных сталей. При ручной сварке расстояние между электродами поддерживается вручную. Таким образом, длина электрической дуги случайным образом изменяется и, вследствие этого, качество сварного шва получается невысоким.

Полуавтоматическая и автоматическая сварка

Полуавтоматическая сварка штучными электродами выполняется двумя способами: сварка «опертым» электродом и сварка «лежащим» электродом. В этих способах расстояние между электродами определяется толщиной обмазки (при сварке лежащим электродом) и углом наклона электрода (при сварке опертым электродом) и может быть выдержано с большой точностью в процессе сварки. Качество сварного шва при этом высокое.

Полуавтоматическая сварка может выполняться с помощью ранцевого аппарата, который переносит рабочий – сварщик. В этом случае используется сварочная проволока, намотанная на катушку. Для защиты сварного шва от окисления защитный газ подается в зону сварки. Ручной сваркой и полуавтоматической сваркой можно сваривать швы, расположенные в пространстве в различных положениях: горизонтально, наклонно, вертикально, потолочные.

Автоматическая сварка под флюсом – осуществляется специальными сварочными агрегатами (тракторами). Сварка производится сварочной проволокой, которую выпускают их материалов в широкой номенклатуре: 77 марок для сварки сталей, 30 марок для наплавки и 14 марок для сварки алюминиевых и других цветных сплавов. Защита зоны сварки осуществляется порошкообразным флюсом, который насыпается на шов при сварке, вследствие чего возможна сварка только горизонтально расположенных швов. Производительность автоматической сварки под флюсом в десятки раз выше, чем в случае ручной сварки. Для еще большего увеличения производительности используют варианты автоматической сварки: импульсно-дуговая сварка плавящимся электродом, сварка трехфазной дугой, сварка сжатой дугой.

Лучевая сварка плавлением

Электронно-лучевая сварка – для сварки используют электронную пушку с катодом из тугоплавкого материала. Ускоряющее напряжение составляет 25 120 кВ. Сила тока 35 1000 mA. Температура пучка электронов в зоне сварки достигает 5000 6000^оС. Сварка происходит в высоком вакууме. Диаметр сфокусированного пучка электронов составляет 0,02 1 мм. Толщина проплавления достигает 200 мм (для стали). Скорость сварки зависит от толщины свариваемых заготовок и может достигать 100 м/ч и более. Этот способ сварки отличается весьма высоким качеством сварного шва.

Лазерная сварка – для сварки используют твердотельные или газовые лазеры – квантовые генераторы световой энергии. Сварка проводится на воздухе, вместе с тем, качество сварного шва весьма высокое вследствие особых свойств лазерного пучка фотонов и происходящих при сварке процессов.

Плазменная сварка – для сварки используют плазменную установку, генерирующую пучок высокоэнергетичной плазмы. Сварка проводится в различных газах, используемых как для создания плазмы (плазмообразующий газ), так и для защиты зоны сварки а также для управления процессом сварки. Качество сварного шва весьма высокое вследствие особых физико-химических условий проведения процесса сварки.

Электрошлаковая сварка – энергию, необходимую для расплавления основного и присадочного материала дает тепло, выделяющееся при прохождении электрического тока через шлаковую ванну. Этим способом сваривают крупногабаритные конструкции из толстостенных заготовок, например, каркасы доменных печей, станины крупногабаритных металлорежущих станков и т.п. При этом производительность сварки таких изделий возрастает в десятки и сотни раз в сравнении. с ручной электродуговой сваркой.

Газовая сварка и резка – для сварки используют смесь горючих газов: водород, метан, ацетилен, светильный газ, природный газ и т.п. Наибольшее распространение получили горелки, использующие смесь ацетилена и кислорода. Используют три варианта ацетилено-кислородной смеси: нормальное - , окислительное - и науглероживающее - . Нормальным пламенем сваривают большинство сталей. Окислительным сваривают латуни для подавления испарения цинка из зоны сварки. Науглероживающим (коптящим) пламенем сваривают цветные сплавы.

Термитная сварка – происходит с помощью термита – порошковой горючей смеси состава (Ме + МеО). Используютразличные термитные смеси. 1. Алюминиевый термит – Температура реакции -3000 ^оС. 2. Магниевый термит - Температура реакции – 2500 ^оС.