Сварка является одним из ведущих технологических процессов, как в машиностроении, так и в других отраслях индустрии. Сварка широко используется при изготовлении различных машин, металлургического и другого оборудования, трубопроводов, судов и многого другого.

1 Сущность процесса сварки

Сваркой называется технологический процесс получения неразъёмных соединений материалов путём создания межатомных связей в результате совместной кристаллизации после расплавления, местной пластической деформации и диффузии атомов между свариваемыми частями.

По признаку применяемого вида активации для образования межатомных связей в неразъемном соединении различают два вида сварки – сварку плавлением и сварку давлением.

Сущность сварки плавлением состоит в том, что посредством внешнего источника тепла оплавляются кромки свариваемых частей, создается общий объем жидкого металла, который называется сварочной ванной. В процессе кристаллизации при охлаждении металла сварочной ванны образуется сварной шов (рис. 1).

Рис.1. Схема ручной дуговой сварки металлическим электродом с покрытием (стрелкой показано направление сварки):

1 - металлический стержень; 2 - покрытие электрода;

3 - газовая атмосфера дуги;

4 - сварочная ванна;

5 - затвердевший шлак;

6 - закристаллизовавшийся металл шва;

7 - основной металл (изделие);

8 - капли расплавленного электродного металла;

9 - глубина проплавления;

Сущность сварки давлением состоит в пластическом деформировании металла по кромкам свариваемых частей статической или ударной нагрузкой (рис.2).

Д ля облегчения пластической деформации по кромкам, зачастую сварку давлением выполняют с местным нагревом.

Рис.2. Соединение деталей сваркой давлением

Без внешнего нагрева:

а - заготовки перед сваркой;

б - после сварки (макроструктура соединения алюминия);

в - оптимальная зависимость между температурой нагрева и давлением для железа;

2. Краткая характеристика видов сварки и их применимость

В настоящее время применяется широкий круг различных видов сварки, применение каждого из которых предопределено множеством факторов, такими как: природа свариваемых материалов, размерные параметры свариваемых изделий, локальность зоны сварки и многими другими. Более глубокое ознакомление с наиболее применимыми способами сварки - цель технологической практики, другие виды и способы приводятся в плане общеинженерной информации.

2.1 Сварка плавлением

Электродуговая сварка. Необходимое для местного расплавления кромок заготовок и присадочного материала тепло образуется при «горении» электрической дуги между свариваемым металлом и электродом. По степени механизации сварка может быть ручная, полуавтоматическая и автоматическая. Механизированная (полуавтоматическая и автоматическая) сварка может быть под флюсом и в среде защитных газов.

Электрошлаковая сварка. Электрошлаковую сварку применяют для соединения стальных листов толщиной от 50 мм до нескольких метров (что невозможно выполнить никакими другими способами сварки). Она в основном применяется при изготовлении толстостенных турбин, при производстве сварно-литых и сварно-кованых конструкций и других аналогичных случаях.

Сущность процесса заключается в следующем. В начальный период под флюсом возбуждается электрическая дуга, за счет теплоты которой расплавляется флюс, образуя электропроводный шлак, обладающий значительным оммическим сопротивлением. После чего дуга гаснет, а ток, проходя через электропроводный расплавленный шлак, выделяет тепло достаточное для плавления последующей порции флюса, кромок свариваемых заготовок и электрода. Расплавленный металл сварочной ванны, кристаллизуясь, образует сварной шов (рис.3).

Рис.3.Схема электрошлаковой сварки:

1 - электрод;

2 – свариваемые заготовки;

3 - расплавленный флюс - электропроводный шлак;

4 - расплавленный металл;

5 – формующие ползуны;

6 - подача воды для охлаждения ползунов;

7 - сварной шов;

8 - флюс;

V - скорость сварки;

Газовая сварка. Газовая сварка в сравнении с дуговой обеспечивает более плавный нагрев и медленное охлаждение изделий, что и определяет, в основном, области ее применения. Этот способ сварки обладает рядом технологических особенностей, что позволяет применять его при изготовлении изделий из тонколистовой стали и сплавов цветных металлов, наплавке, в полевых условиях и т.д.

Газовая сварка основана на плавлении свариваемого и присадочного металлов высокотемпературным газокислородным пламенем. В качестве горючего для сгорания в кислороде применяют ацетилен, водород, пары нефтепродуктов и другие газы. Ацетилен чаще других газов применяется для сварки и газовой резки, он дает наиболее высокую температуру пламени при сгорании в смеси с кислородом (3050 - 3150С). Для смешивания ацетилена с кислородом применяют специальные горелки (рис. 4).

Рис.4. Устройство инжекторной горелки:

1, 16 - кислородный и ацетиленовый ниппели;

2 - рукоятка; 3, 15 - кислородная и ацетиленовая трубки; 4 - корпус; 5, 14 - кислородный и ацетиленовый вентили; 6 - ниппель наконечника; 7 - мундштук; 8 - мундштук для пропан-бутан-кислородной смеси; 9 - штуцер;

10 - подогреватель; 11 - трубка горючей смеси; 12 - смесительная камера; 13 - инжектор.

а, б - диаметры выходного канала инжектора смесительной камеры;

в - размер зазора между инжектором и смесительной камерой;

г - боковые отверстия в штуцере 9 для нагрева смеси;

д - диаметр отверстия мундштука;

Сварка в защитных газах. Сварку в среде защитных газов проводят с целью изолирования расплавленного металла сварочной ванны от воздуха. Для этого в зону дуги подводят струю защитного газа (рис. 5). Сварка выполняется как плавящимся, так и неплавящимся электродом и может быть ручной, механизированной и автоматической. В качестве защитных газов применяют углекислый газ, аргон, гелий, иногда (для сварки меди) азот и смеси газов.

Инертные газы (аргон, гелий) используют для сварки легированных сталей и химически активных металлов (алюминий, титан)

и их сплавов.

Рис.5 Схема горения дуги в инертных газах:

1 - электрод; 2 - присадочная проволока; 3 - изделие; 4 - сварной шов; 5 - дуга; 6 - поток защитного газа; 7 - горелки; 8 - воздух;

Применение защитных газов началось вместе с изобретением дуговой сварки. При газовой защите процесс сварки происходит в атмосфере газа, менее вредного, чем воздух.

Способ газовой защиты заключается в том, что в зону дуги непрерывно подается струя защитного газа. Такой способ получил название «дуговая сварка в защитном газе» или «газоэлектрическая сварка».

При сварке в атмосфере защитных газов (Рис.6а) электрод 3 зона дуги 5 и сварочная ванна 6 защищаются струей защитного газа 4. Газ подают с помощью сварочной горелки через сопло из керамики или меди, в центре которого помещается электрод: неплавящийся 3 (Рис.6а) или плавящийся 8 (Рис.6б). Медное сопло охлаждается водой и изолировано от других частей горелки и токоподвода.

Для обеспечения надежной защиты зоны сварки и сварочной ванны от окружающего воздуха важное значение имеют расстояние сопла от изделия 1 (Рис.6а), размер сопла и расход защитного газа. Чрезмерное приближение к изделию увеличивает забрызгивание сопла, а удаление приводит к нарушению защиты зоны сварки. При существующем оборудовании расстояние сопла от изделия обычно выдерживают в пределах 7…25 мм.

Рис. 6 Схема сварки в среде защитных газов: а – неплавящимся электродом; б – плавящимся электродом. 1 – изделие; 2 – присадочная проволока; 3 – вольфрамовый электрод; 4 – защитный газ; 5 – электрическая дуга; 6 – расплавленный металл (сварочная ванна); 7 – наконечник (сопло) горелки; 8 – плавящийся электрод

Сварка в защитных газах обеспечивает достаточно надежную изоляцию сварочной ванны при работе в заводских условиях. При сварке на монтаже должны быть предусмотрены меры против нарушения газовой защиты потоками воздуха. На эффективность газовой защиты влияют тип сварного соединения и скорость сварки. С увеличением скорости сварки стабильность защиты снижается.

Находит применение ручная и полуавтоматическая сварка неплавящимся (вольфрамовым или угольным) электродом (Рис.6а) и ручная, полуавтоматическая и автоматическая сварка плавящимся электродом (Рис.6б).

В качестве защитных газов применяют инертные газы (аргон и гелий) и активные газы (углекислый газ, азот, водород и др.), иногда–смеси двух газов или более. У нас в стране наиболее распространены аргон (Ar) и углекислый газ (CO₂).

Аргон – бесцветный газ, в 1,38 раза тяжелее воздуха. С большинством элементов он не образует химических соединений и нерастворим в жидких и твердых металлах. Аргон получают из воздуха, переохлажденного до низких отрицательных температур, путем избирательного испарения при температурах выше –185,5^о С. Согласно ГОСТ 10157-73 выпускают три марки аргона различной чистоты: А-99,99%, Б-99,96% и В-99,90% чистого аргона, остальное – примеси кислорода и азота. Поставляется и хранится аргон в сжатом газообразном состоянии в стальных баллонах под давлением 150 кг/см².

Углекислый газ – бесцветный, со слабым запахом, в 1,52 раза тяжелее воздуха и нерастворим в жидких металлах. Углекислый газ оказывает окислительное действие на расплавленные металлы, особенно после термической диссоциации на окись углерода (СО) и кислород (О). Получают углекислый газ из отходящих газов химических производств в сжиженном или твердом состоянии (сухой лёд). Согласно ГОСТ 8050-76 выпускают два сорта сварочного углекислого газа и пищевую углекислоту соответственно с 99,5; 99,0 и 98,5% чистого газа. Для сварки газ поставляют и хранят в сжиженном состоянии в стальных баллонах под давлением 7,0 МПа.

Сварку в защитных газах, как правило, выполняют при напряжении 22…34В. При этом обеспечивается надежная защита плавильного пространства от окружающего воздуха и снижается угар элементов, входящих в состав электродной проволоки. При сварке неплавящимся электродом (Рис.6а) применяют стержни диаметром 0,8…25 мм и силу тока 40…300 А, при сварке плавящимся электродом (Рис.6б) – электродную проволоку сплошного сечения диаметром 0,5…4,0 мм (сила тока 50…700 А) и порошковую проволоку.

Аргонодуговая сварка.

Этим способом можно сваривать металл по двум схемам: неплавящимся и плавящимся электродами. Сварку неплавящимся электродом применяют, как правило, при соединении металла толщиной 0,1…6 мм; плавящимся электродом – от 2 мм и более. Разграничение по толщинам является условным. Нередко, когда производительность не является главным показателем сварочного процесса, металл значительной толщины также сваривают неплавящимся электродом многослойным швом.

Аргонодуговую сварку неплавящимся электродом ведут дугой прямого действия на постоянном токе прямой полярности без присадочного металла (при толщине основного металла до 3 мм с отбортовкой кромок), а при необходимости усиления шва или заполнения разделки кромок (при толщине основного металла более 3 мм) с применением присадочного материала – прутка или проволоки (Рис.6а).

Применение постоянного тока прямой полярности обеспечивает легкое зажигание дуги и устойчивое её горение при напряжении 10…15 В. Возможно применение сравнительно высоких плотностей тока без значительного нагрева и расхода электрода. В тоже время дуга остается устойчивой при малых токах (~1 А), что обуславливает возможность сварки очень тонкого металла (0,1 мм).

При обратной полярности уменьшается устойчивость горения дуги, поэтому приходится повышать напряжение, что приводит к перегреву электрода, а, следовательно, к увеличению потерь (например, на разбрызгивание). Эти особенности дуги обратной полярности делают её ограниченной для применения в сварочном производстве. Однако такая дуга обладает одним важным технологическим свойством: при её действии с поверхности свариваемого металла удаляются окислы и загрязнения. Одно из объяснений этого явления заключается в том, что поверхность металла бомбардируется тяжелыми положительными ионами аргона, которые механически разрушают окисные пленки. Процесс удаления окисных пленок также известен как катодное распыление. Указанные свойства дуги обратной полярности используют при сварке таких сильно окисляющихся металлов, как алюминий, магний и их сплавы, применяя для питания дуги переменный ток.

Сварка в среде активных газов.

При сварке с защитой активными газами наиболее широко применяют углекислый газ, некоторое применение находит также водород.

Сварка в углекислом газе осуществляется, главным образом, плавящимся электродом. В качестве плавящегося электрода служат низколегированные сварочные проволоки сплошного сечения и порошковые проволоки. Сварку низколегированными проволоками сплошного сечения ведут постоянным током обратной полярности.

При сварке постоянным током прямой полярности вследствие более высокого содержания в металле шва водорода наблюдается интенсивное образование пор. Питание дуги переменным током возможно при сварке порошковой проволоки, в состав которой введены стабилизирующие дугу вещества.

Широкое использование полуавтоматической сварки в углекислом газе взамен ручной сварки покрытыми электродами обусловлено большей производительностью, лучшими условиями труда и меньшими требованиями к квалификации сварщиков. Перед полуавтоматической сваркой под флюсом её преимущества заключаются в возможности визуального наблюдения за расположением электрода, отсутствии операций по удержанию и удалению флюса и возможности выполнения сварки швов во всех пространственных положениях.

При применении СО₂ в качестве защитного газа необходимо учитывать некоторые металлургические особенности процесса сварки, связанные с окислительным действием СО₂ по отношению к расплавленному металлу. При высокой температуре сварочной дуги СО₂ диссоциирует на окись углерода (СО) и кислород (О), который, если не принять специальных мер, приводит к окислению свариваемого металла и легирующих элементов. Окислительное действие СО₂ нейтрализуется введением в сварочную проволоку избыточного количества раскислителей – марганца и кремния. Поэтому для сварки в СО₂ конструкционных углеродистых и низколегированных сталей применяют специальные марки сварочной проволоки с повышенным содержанием этих элементов (Св-08ГС, Св-10Г2 и т.п.).

Рис.7 Схема установки полуавтомата для сварки в среде углекислого газа:
1 – баллон с газом 2 – электроподогреватель газа 3 – редуктор 4 – осушитель 5 – газоэлектрический клапан	6 – расходомер 7 – подающий механизм с катушкой проволоки 8 – гибкий шланг 9 – держатель с горелкой