Раздел V. Технология сварочного производства

Сварка – технологический процесс получения неразъемных соединений металлов и сплавов между собой и с неметаллическими материалами (керамикой, стеклом, графитом, керметами и др.).

В зависимости от метода объединения соединяемого металла процессы делят на сварку плавлением (соединяемые поверхности заготовок расплавляются) и сварку давлением металл находится в твердом состоянии.

При сварке плавлением силы межатомного взаимодействия возникают между заготовками в результате образования общей сварочной ванны жидкого металла. Для получения сварочной ванны кромки свариваемых заготовок расплавляют с помощью мощного источника теплоты. В зависимости от типа источника теплоты сварку плавлением подразделяют: дуговая, электрошлаковая, газовая, электронно-лучевая, лазерная, плазменная.

При сварке давлением соединение заготовок достигается путем совместной пластической деформации соединяемых поверхностей, сварка в твердом состоянии возможна лишь при приложении давления, достаточного для смятия неровностей, разрушения и частичного вытеснения из зоны сварки окисных пленок. Металлы, обладающие высокой пластичностью (медь, алюминий, свинец), свариваются без нагрева (холодная сварка), другие металлы необходимо нагревать, чтобы устранить наклеп при холодном деформировании, повысить пластичность и тем самым исключить разрушение в процессе пластической деформации при сварке.

К способам сварки давлением относятся диффузионная, контактная, индукционная, газопрессовая, ультразвуковая, сварка трением, взрывом, конденсаторная, холодная сварка.

Способы сварки плавлением

Ручная дуговая сварка основана на возникновении электрической дуги между электродами, одним из которых является свариваемая заготовка, другим – пруток из сварочной проволоки, покрытой специальным составом. Дуга возникает между электродами, соединенными с источником тока, когда между электродами находится ионизированный газ. Ионизация дугового промежутка происходит за счет эмиссии с катода электронов.

Возбуждение дуги, опускание электрода по мере его плавления и перемещения электрода вдоль свариваемой детали осуществляется вручную. Защита ванны расплавленного металла от воздействия атмосферы происходит при расплавлении покрытий электрода. Для сварки различных материалов применяют электроды с разными составами покрытий. Качество и производительность сварки определяется режимом сварки, включающем диаметр электрода в мм, сварочный ток в амперах, напряжение на дуге в вольтах и скорость сварки в м/ч.

Диаметр электрода выбирают в зависимости от толщины свариваемого металла сварочный ток определяют в зависимости от диаметра электрода по эмпирической формуле , где k – коэффициент, равный 50 А/мм для малоуглеродистой стали, d_эл- диаметр электрода, мм.

Напряжение на дуге для наиболее широко применяемых электродов в среднем составляет 25-28 В.

Скорость сварки

Где - коэффициент наплавки, г/А·ч,

- плотность металла, г/см³;

F_нм – площадь поперечного сечения наплавленного металла шва, см².

Длина дуги составляет 3-5 мм, она обеспечивает устойчивое горение дуги.

Ознакомьтесь с классификацией электродов, применением ручной дуговой сварки при выполнении коротких и криволинейных швов в любых пространственных положениях и многослойной сварке. Отметьте достоинства и недостатки этой сварки.

Автоматическая сварка под флюсом ведется непокрытой проволокой, током большой величины (до 2000 А). Защита сварочной ванны и шва производится порошкообразным флюсом, насыпаемым на заготовку непосредственно перед дугой. Подача проволоки в дугу и перемещение ее вдоль шва осуществляется автоматически.

Режим сварки определяется диаметром электродной проволоки, сварочным током, напряжением на дуге, скоростью подачи электродной проволоки и скоростью сварки.

Марку электродной проволоки и флюс назначают в зависимости от химического состава свариваемого металла. Для низкоуглеродистых сталей используют проволоки СВ-08 и СВ-08А, флюсы марок ОСЦ-45. (ГОСТ 9087-81).

Затем устанавливают глубину проплавления h, мм. При односторонней сварке h равна толщине (S) металла h=s, а при двусторонней h=0.6S, выбирают сварочный ток из расчета 80…100А на 1мм глубины

И назначают напряжение в дуге 30…40 В. Далее определяют массу наплавленного металла ,

где F_нм – площадь наплавленного шва, см²

L – длинна сварных швов на изделии, см

- плотность металла, г/см³.

Расход флюса принимают равным массе наплавленного металла.

Диаметр электродной проволоки выбирают расчетом или по справочнику. Для толщин 8…20 мм диаметр электрода составляет 5 мм. Коэффициент наплавки выбирают в зависимости от сварочного тока и диаметра электродной проволоки, что составляет в среднем 14-16

Скорость сварки определяют по той же методике, что и при ручной дуговой сварке.

Автоматическую сварку под слоем флюса применяют при получении большого количества однотипных сварных узлов с протяженными прямолинейными и кольцевыми швами в нижнем положении.

Обратите внимание на достоинства сварки.

Полуавтоматическая сварка под флюсом. Отличается от автоматической тем, что перемещение электродной проволоки вдоль шва осуществляется вручную. Это позволяет выполнять сварку коротких прерывистых швов по сложной траектории.

Сварка в среде защитных газов проводится при подаче в зону сварочной дуги защитных газов для защиты расплавленного металла от взаимодействия с окружающей средой. Наиболее часто для защиты используются инертные газы (аргон) и активные (углеродистый газ). Эти газы дороги и применяются для сварки легированных сталей и сплавов на основе титана, алюминия, магния и др. Сварку в среде аргона ведут неплавящимся (вольфрамовым) и плавящимся электродом. При сварке неплавящимся электродом сваривают материалы малой толщины (до 0,1 мм) на малых сварочных токах. При сварке плавящимся электродом в среде аргона электродную проволоку диаметром 1-3 мм подают с постоянной скоростью и применяют высокие плотности тока.

Более дешевый углекислый газ используется при сварке углеродистых и низколегированных сталей. Углекислый газ в дуге диссоциирует с выделением кислорода, который окисляет металл. Для предотвращения окисления в состав электродной проволоки вводят раскислители, которые восстанавливают оксиды железа, продукты реакции всплывают на поверхность шва в виде шлака.

Режим сварки в углекислом газе назначают в такой последовательности: выбирают марку и диаметр электродной проволоки. Для низкоуглеродистых и низколегированных выбирают сталь марок СВ-08Г2СА, СВ-08ГС (гост 2246-70) с повышенным содержанием раскислителей.

Для автоматической применяют проволоку диаметром 2…5 мм, выбирают ее в зависимости от толщины металла.

Напряжение на дуге определяют: , В.

Приближенно рассчитывается сварочный ток. Массу наплавленного металла, время и скорость сварки определяют как и при ручной дуговой сварке.

Расход защитного газа зависит от вида и режима сварки и устанавливается по сварочным данным.

В режим сварки в среде аргона входят те же технологические параметры, что и в среде углекислого газа.

Среда защитного газа охлаждает расплавленный металл быстрее и сварочная ванна кристаллизуется быстрее. Это позволяет проводить сварку в потолочном и вертикальном положении.

Электрошлаковая сварка. В этом способе сварки мощный дуговой разряд возбуждают в начале сварки для получения шлаковой ванны. После расплавления флюса и образования слоя жидкого шлака определенной толщины дуга вследствие шунтирования тока через ванну гаснет. Теплота, выделяемая при прохождении тока через ванну жидкого металла, нагревает шлак до температуры необходимой для оплавления кромок заготовок и присадочной проволоки. За один проход свариваются заготовки большой толщины (свыше 30 мм) с высокой производительностью. Свариваются только вертикальные швы. Для сварки используют проволоку 2-3 мм, сварочный ток составляет 150-1000А. после сварки требуется термическая обработка (отжиг или нормализация) для измельчения зерна в металле сварного соединения. Применяется для изготовления ковано-сварных и лито-сварных конструкций (станины, детали мощных прессов, коленчатые валы судовых дизелей и т.п.).

Сварка и обработка материалов плазменной струей. Источником теплоты является струя ионизированного газа - плазма. Для получения плазмы используют дуговой разряд, размещаемый в узком канале плазмотрона, через который продувают газ (аргон, водород, азот), температура столба дуги повышается до 30000ºС. Способ позволяет варить тонкие (0,15 мм) и толстые заготовки любой площади.

Плазменной струей, полученной в столбе дугового разряда независимой дуги разрезают тонкие стальные листы, алюминиевые, медные, жаропрочные сплавы и неэлектропроводные материалы (керамику). Металл выплавляется из полости ряда направленным потоком плазмы, совпадающим с токоведущим столбом создающей его дуги прямого действия.

Электронно-лучевая сварка. Сварка выполняется в вакууме электронный луч представляет собой сжатый поток электронов, образующийся за счет эмиссии электронов с нагретого в вакууме 1,33·10^-8…1,33·10^-10МПа катода и направленного на поверхности свариваемых материалов. Электроны, излучаемые с катода, разгоняются до большой скорости высоким напряжением (40…150КВ) между катодом и анодом (заготовкой), концентрируются в луч и бомбардируют металл, выделяя при торможении теплоту. Энергию луча можно концентрировать на малой площади в глубине металла, обеспечивая высокую проплавляющую способность луча, позволяющую сваривать заготовку до 50 мм за один проход без разделки кромок и минимальной ширины. В современных установках для сварки, сверления, резки и фрезерования электронный луч фокусируется на площади диаметром 0,001 см. Электронно–лучевой сваркой изготовляют детали из тугоплавких химически активных металлов и их сплавов (вольфрамовых, танталовых, ниобиевых, молибденовых и т.п.), а также из алюминиевых и титановых сплавов и высоколегированных сталей. Минимальная толщина свариваемых заготовок составляет 0,02 мм, максимальная – до 100 мм.

Способы сварки давлением

Электрическая контактная сварка. Детали соединяемых поверхностей нагревают проходящим электрическим током без оплавления или с оплавлением и сдавливают для совместной пластической деформации, в ходе которой формируется сварное соединение. Количество выделяемой теплоты определяется законом Джоуля-Ленца

, Дж;

где Q – количество теплоты, выделяемой в сварочном контуре, Дж;

R – полное сопротивление сварочного контура, Ом;

I – сварочный ток, А;

t – время протекании тока, с.

Контактную сварку по виду получаемого соединения подразделяют на стыковую, точечную и шовную.

Стыковой сваркой сваривают детали типа стержней, рельсы, трубы. Торцы заготовок нагревают, а затем сжимают. Сварку ведут двумя способами сопротивлением и оплавлением.

Сварка сопротивлением применяется для небольших заготовок из однородных сплавов , с обработанными и очищенными торцами.

Сварка оплавлением применяется при соединении крупных заготовок различных поперечных сечений из любых сплавов без предварительной обработки торцев. Нагрев ведется до полного оплавления торцов, при последующем сжатии жидкий металл с окислами и другими загрязнениями выдавливается из зоны сварки, а в совместной пластической деформации участвуют нагретые слои твердого металла.

В режим стыковой сварки сопротивлением и оплавлением входят: установочная длинна ,мм; суммарное расстояние между электродами 2 ; плотность тока ,А/мм²(сварочный ток); усилия осадки P(H); длительность прохождения тока t_св, с.

Установочная длинна при сварке сопротивлением равна =(0.5…0.7)D, где D – диаметр заготовки, мм.

При сварке оплавлением установочную длину с учетом оплавления и осадку выбирают =(0.5…1.0)D.

Сварочный ток и усилие при осадке определяют

где j – плотность тока А/мм²;

F_заг – площадь контактной поверхности , мм²;

P – давление Н/мм²;

Время сварки изделия подсчитывают из условия часовой производительности выбранной машины.

Ознакомьтесь с подготовкой заготовок под сварку, типами сварных соединений и выберите тип контактной машины. Типы машин выбирают по справочнику в зависимости от параметров свариваемых заготовок и их химического состава, при сварке плавлением и сопротивлением – от площади поперечного сечения заготовок, при точечной и шовной сварке – от толщины свариваемых заготовок, мм. После выбора машины следует указать ее техническую характеристику.

Точечная сварка – это разновидность контактной сварки, при которой заготовки соединяются в отдельных точках. Предназначена она для листовых заготовок, края которых собраны внахлестку. Заготовки зажимают с усилием Р между двумя электродами, подводящими ток к месту сварки, и нагревают проходящим током. Нагрев продолжают до пластического состояния внешних слоев и до расплавления внутренних слоев. Затем выключают ток, снимают давление. В результате образуется литая сварная точка.

Рассмотрите схемы контактной точечной сварки и ее применение для углеродистых и легированных сталей, алюминиевых и медных сплавов, толщина свариваемых металлов составляет 0,5-5 мм.

Шовная сварка применяется для листовых заготовок герметичным швом, которой получается за счет перекрывающих друг друга сварных точек. Электроды при шовной сварке выполняют в виде плоских роликов, между которыми пропускают свариваемые заготовки.

Шовную сварку, так же как и точечную, можно выполнить при двустороннем и одностороннем расположении электродов.

Шовную применяют в массовом производстве при изготовлении различных сосудов.

Для расчета основных параметров при точечной сварке определяют: диаметр контактной поверхности электрода, который зависит от толщины свариваемых заготовок d=2s+3, мм, где s – толщина более тонкой заготовки; мм, сварочный ток , и усилие, приложенное на электродах .

Для шовной сварки ток и усилие на электродах определяют с увеличением тока в 1,5-2 раза, а усилия – 10-30%.

Имеются разнообразные шовные машины, различающиеся расположением роликов, обратите внимание на их применение. По конструктивному оформлению шовные машины близки к машинам для точечной сварки и отличаются электродами, приводимыми во вращение с помощью специальных механизмов.

Сварка трением и газопрессовая сварка. Сварка трением – это процесс, в котором используется взаимное перемещение свариваемых поверхностей, давление и кратковременный нагрев.

Трение поверхностей, осуществляемое вращением или возвратно-поступательным перемещением сжатых заготовок приводит к разрушению оксидных пленок на поверхности и их удалению. В результате нагрева и сжатия происходит совместная пластическая деформация. Сварное соединение образуется вследствие металлических связей между контактирующими поверхностями свариваемых заготовок.

Параметры сварки зависят от свойств свариваемого металла, площади сечения и конфигурации изделия и включают скорость относительного перемещения свариваемых поверхностей, продолжительность нагрева, удельное усилие, осадку.

При газопрессовой сварке заготовки нагревают газовым пламенем и сдавливают. Она применяется для более крупных заготовок, а так как не требуется электроэнергия ее применяют для ремонта в полевых условиях.

Выявите особенности процессов этих видов сварки, их преимущество по сравнению с контактной стыковой сваркой, используемое оборудование.

Диффузионная сварка. При диффузионной сварке соединение образуется в результате взаимной диффузии атомов в поверхностных слоях контактирующих материалов, находящихся в твердом состоянии. Выполняют сварку в вакууме, но она возможна и в инертных газах, для защиты от окисления. Свариваемые заготовки, установленные в металлической камере нагревают (в том числе и от индуктора ТВЧ или электронным лучом или другим способом). После нагрева до нужной температуры заготовки сжимают при небольшом давлении (1-20МПа) в течении 5-20 мин. Выдержка увеличивает площадь контакта. Применяется для получения биметаллических заготовок, соединяемых с металлами.

Отметьте преимущества диффузионной сварки и используемые установки.

Сварка взрывом. Соединяемые поверхности располагают под углом друг к другу на определенном расстоянии. На заготовку укладывают взрывчатое вещество, а со стороны, находящейся над вершиной угла устанавливают детонатор. Давление, возникающее при взрыве сообщает импульс расположенной под зарядом пластине. В месте соударения метаемой пластины с основанием выдуваются оксидные пленки и другие загрязнения, поверхности сближаются до расстояния действия межатомных сил происходит схватывание по всей площади соединения. Сварка взрывом не превышает несколько микросекунд.

Параметры сварки взрывом: скорость детонации, определяемая типом взрывчатого вещества и толщиной его слоя;, скорости метаемой пластины и угла встречи пластин при соударении.

Применяют сварку взрывом для проката биметалла, плакирования поверхностей и др.

Ознакомьтесь с особенностями технологии сварки различных металлов и сплавов, обратите внимание на свойства сплавов увеличивающие образование горячих и холодных трещин в сварных соединениях и возможности предупреждения и их появления.