Введение

Сварочная техника и технология занимает одно из ведущих мест в современном производстве. Свариваются корпуса гигантских супертанкеров и сетчатка человеческого глаза, миниатюрные детали проводниковых приборов и кости человека при хирургических операциях. Многие конструкции современных машин и сооружений, например космические ракеты, подводные лодки, газо- и нефтепроводы, изготовить без помощи сварки невозможно. Развитие техники предъявляет все новые требования к способам производства и, в частности, к технологиям сварки. Сегодня сваривают материалы, которые еще относительно недавно считались экзотическими. Это титановые, ниобиевые и бериллиевые сплавы, молибден, керамика, а также всевозможные сочетания разнородных материалов. Свариваются детали электроники толщиной в несколько микрон и детали тяжелого оборудования толщиной в несколько метров. Постоянно усложняются условия, в которых выполняются сварочные работы: сваривать приходится под водой, при высоких температурах, в глубоком вакууме, при повышенной радиации, в невесомости. Недаром сварки стала вторым после сборки технологическим процессом, впервые в мире опробованным нашими космонавтами в космосе.

Необходимость повышения производительности труда ведет к увеличению уровня механизации и автоматизации сварочного производства к его оснащению новыми сложными машинами и агрегатами, без которых сегодня немыслимо серийное производство многих видов продукции. Наглядный пример тому- сварочные автоматические линии Волжского автозавода. В сварочное производство активно внедряются роботы, что позволяет полностью автоматизировать цикл сварки деталей без участия рабочего-сварщика. В последние годы патентные ведомства промышленно развитых стран мира ежемесячно реагируют более 200 изобретений в области сварочной техники и технологии- таковы темпы развития сварочного аппарата.

Все это предъявляет повышенные требования к квалификации специалистов в области сварки, в особенности рабочих-сварщиков, так как именно они непосредственно осваивают новые способы и приемы сварки, сварочные машины. Сегодня рабочему-сварщику недостаточно уметь выполнять несколько, пусть даже сложных, операций освоенного им способа сварки. Он должен понимать физическую сущность основных процессов, происходящих при сварки, знать особенности сварки различных конструкционных материалов, а также смысл и технологические возможности других, как традиционных, так и новых, перспективных способов сварки.

Отсюда следует необходимость постоянного совершенствования обучения, повышения профессионального мастерства и культурно-технического уровня рабочих-сварщиков.В нашей стране действует система начальной профессиональной подготовки, включающая в себя сеть профессиональных училищ, готовящих наряду с другими специалистами и рабочих сварочного производства. По числу подготавливаемых сварщиков мы занимаем одно из первых мест в мире. Для подготовки сварщиков нашими учеными и педагогами О.И.Стекловым, В.М. Рыбаковым, И.И.Соколовым, Л.П.Шебеко и другими создан ряд учебников и учебных пособий по сварочным дисциплинам. Это составило хорошую методическую базу для учебного процесса в профессиональных училищах.

Современные темпы развития сварочного производства требует постоянного обновления и пополнения методической базы обучения сварщиков. Всем этим и вызвана необходимость создания настоящего учебного пособия. Цель его- обеспечить возможность обучения учащихся учреждений начального профессионального образования до 1-го и 2-го уровней освоения в соответствии с квалификационными характеристиками для 3-го разряда специальностей- газосварщик, электрогазосварщик, электросварщик на автоматических и полуавтоматических машинах, электросварщик ручной сварки.

1.Сущность дуговой сварки в защитных газах.

Дуговая сварка в защитных газах-общее название многочисленных разновидностей этого способа, основная особенность которых состоит в том, что в процессе сварки вокруг факела дуги создается газовая среда, отличающаяся по составу от воздуха. Эта среда защищает расплавленный металл от вредного влияния воздуха.

Существующие ныне разновидности дуговой сварки в защитных газах настолько многочисленны, что классификация их затруднена. В связи с этим целесообразно уделить внимание наиболее существенным признакам, по которым одна разновидность отличается от другой. К таким признакам можно отнести: способ создания газовой защиты; тип защитного газа; тип электрода; род тока, на котором производят сварку; степень механизации процесса. При струйной защите газ в зону сварки подается относительно электрода центрально или сбоку. Центрально газ подают или одним концентрическим потоком(рис.1,а), или двумя (рис.1,б),если используют два различных газа для уменьшения расхода дорогого, но необходимого для качественного

формирования шва газа. Сбоку (рис.1,в)газ в зону сварки подают при больших скоростях сварки, когда при центральной подаче надежность защиты может быть нарушена сопротивлением атмосферного воздуха, который оттесняет струю газа из зоны сварки. Для сварки длинномерных швов крупногабаритных изделий струйную. Защиту используют в ряде случаев в сочетании с подвижной микрокамерой( рису.1, г).

При сварке ответственных деталей из тугоплавких и активных металлов для высоконадежной защиты сварку выполняют в специальных камерах с общей защитой - сварка в контролируемой атмосфере. Изделие помещают в герметизированную камеру, откачивают из нее воздух до остаточного давления 10^-4 мм рт.ст. и заполняют камеру инертным газом высокой чистоты. В таких камерах выполняют автоматическую сварку с дистанционным управлением или ручную сварку через резиновые рукавицы, встроенные в люки камеры. При сварке сложных ответственных узлов применяют “ обитаемые ” камеры объемом до 350м^3, в которые сварщики входят в скафандрах через шлюзы.

В качестве защитного газа могут быть использованы инертные газы (аргон, гелий), не взаимодействующие в расплавленным металлом и не растворяющиеся в нем, и активные газы( углекислый газ, кислород, водород, азот), вступающие во взаимодействие с расплавленным металлом, причем кислород, водород и азот используют лишь для образования различных газовых смесей.

Состав защитной среды выбирают с учетом особенностей свариваемого металла, толщины кромок, типа электрода, и требований, предъявляемых к сварным швам. Инертные газы, например, используют при сварке химически активных металлов. Смесь инертных газов с активными позволяет в ряде случаев повысить устойчивость дуги, увеличить глубину проплавления, улучшить внешний вид сварного шва, уменьшить разбрызгивание металла при сварке плавящимся электродом, повысить плотность металла шва, увеличить производительность процесса сварки.

1.1 Классификация способов сварки

В зависимости от вида энергии активации и по состоянию металла в зоне соединения все способы сварки можно разделить на 2 группы: сварка давлением и сварка плавлением.(рис.1)

Рис.1 Классификация способов сварки по состоянию металла в зоне соединения

К сварки давлением относят способы, при которых применяют только механическую или тепловую или механическую энергию совместно. В последнем случае сварка может происходить с оплавлением металла или без его оплавления.

К сварке давлением без нагрева относится холодная сварка , сварка взрывом, магнитно-импульсная сварка. Для этих способов характерно высокое давление на детали в зоне соединения, в несколько раз превышающее предел текучести и даже предел прочности свариваемого металла при комнатной температуре, что обеспечивает совместное пластическое деформирование соединяемых поверхностей.

Сварка давлением с нагревом без оплавления происходит при высоких температурах, переводящих металл в пластическое состояние. Это снижает предел текучести металла и позволяет получить нужную для сварки деформацию при небольшой удельным осадочном давлении, в несколько раз меньшем предела текучести металла при комнатной температуре.

Примерами способов сварки давлением с нагревом без оплавления может служить кузнечная, диффузионная и ультразвуковая сварка, газопрессовая сварка, при которой нагрев производит пламенем от сжигания горючих газов в кислороде, сварка токами высокой частоты, нагревающими свариваемые кромки индуцируемыми в них вихревыми токами.

Сварка давлением с нагревом и оплавлением характеризуется высокой температурой нагрева зоны соединения, превышающей температуру плавления свариваемого металла. На поверхности соединяемых деталей тонкий слой металла оплавляется. Под действием прилагаемого давления жидкий металл при некоторых способов сварки может выдавливаться из зоны соединения, например при сварки трением, контактной стыковой сварке оплавлением. С жидким металлом выносятся за пределы зоны соединения загрязнения поверхности. Вокруг соединения образуется наплыв выдавленного металла-грат, который после сварки удаляется. Соединение образуется за счет деформации нагретых, но не расплавленных слоев металла, находившихся под оплавленным слоем. При контактной точечной и роликовой сварке расплавленный металл остается в зоне соединения и после прекращения нагрева кристаллизируется между соединяемыми поверхностями под давлением, образуя сварное соединение. Сварка давлением незначительно изменяет химический состав, структуру и свойства металла. С ее помощью могут быть получены сварные соединения с такими же свойствами, как и у основного металла без дополнительной обработки после сварки. Это одно из основных преимуществ сварки давлением перед сваркой плавлением. Но большинство способов сварки давлением( за исключением контактной сварки) требует создания особых условий( например, вакуума при диффузионной сварке, обеспечения безопасности работ при сварке взрывом), либо они применимы только для небольшой группы конструкций деталей. Поэтому сварка давлением применяется чаще.

При сварке плавлением в зону соединения вводится только тепловая энергия. Металл в зоне сварки нагревается выше температуры его плавления. Здесь могут быть 2 способа: с плавлением основного металла и без плавления основного металла.

При нагреве может быть расплавлен только вспомогательный металл(припой) с температурой плавления ниже, чем у основного металла соединяемых деталей. Основной металл в этом случае не расплавляют. Жидкий припой растекается по поверхности соединения, смачивает ее и , кристаллизуясь при охлаждении, образует пьяный шов. Этот процесс называют пайкой.

В большинстве способов сварки плавлением с помощью различных источников тепла небольшой участок соединения деталей нагревают выше температуры плавления основного металла. Образуется ограниченный твердым металлом объем жидкого металла, который называют сварочной ванной. По мере перемещения источника тепла вдоль свариваемого стыка в головной части сварочной ванны основной металл расплавляется, а в хвостовой части ванны металл затвердевает , образуя сварной шов. Для усиления сварного шва в сварочную ванну может подаваться расплавляемый материал электрода или присадочный материал.

Способы сварки плавлением отличаются друг от друга источниками тепла и защитой зоны сварки от окружающей атмосферы.

При газопламенной(газовой) сварке источник тепла -это пламя от сжигания горючего газа или пара в кислороде. Шов защищают продукты сгорания этого газа.

Наиболее распространена дуговая сварка, при которой нагрев производят электрической сварочной дугой. В зависимости от способа защиты металла в зоне нагрева различают несколько способов дуговой сварки.

При дуговой сварке штучными электродами при плавлении обмазки образуется шлак, который покрывает металл шва. Зона сварки защищается при этом также парами металла и компонентов покрытия. Защиту осуществляют инертными (аргон, гелий) или активными(углекислый газ, водяной пар) газами или их смесями. Эти способы дуговой сварки называют сваркой в защитных газах, или газоэлектрической сваркой. Она может выполняться плавящимся или неплавящимся электродом. С помощью защитного газа можно сжать электрическую дугу в узком канале горелки так, что дуга станет высококонцентрированным источником тепла. В таком случае говорят о сварке сжатой дугой, или о плазменной сварке.

Хорошее качество шва и высокую производительность обеспечивает дуговая сварка под флюсом. На стык деталей заранее или в процессе сварки насыпают слой порошка флюса толщиной больше длины дуги. Дуга расплавляет флюс и горит под пленкой жидкого шлака и слоем порошка флюса в атмосфере паров металла и компонентов флюса. Шлак надежно закрывает шов, образуя шлаковую пленку.

Для соединения деталей большой толщиной применяют электрошлаковую сварку, при которой для расплавления основного и электродного металлов используют теплоту , выделяющуюся при прохождении электрического тока через жидкий шлак, защищающий сварочную ванну от воздуха.

При сварке плавлением используют также высококонцентрированные источники тепла: электронный луч и световой луч, излучаемый оптическим квантовым генератором-лазером. Электронно-лучевая сварка основана на использовании теплоты, выделяющейся при торможении острофуксированного потока ускоренных электрическим полем электронов в результате их столкновений со свариваемой поверхностью. Сварку производят в вакууме, который защищает нагретую зону. Лазерная сварка происходит в результате передачи свариваемой поверхности энергии светового луча, сфокусированного на этой поверхности оптической системы. Защиту зоны сварки производят инертными либо активными газами.

Выделение теплоты в результате химических реакций между окислом металла и другим металлом, более активным по отношению к кислороду, используют при термитной сварке. Термит- это смесь порошков окиси – закиси железа Fe3O4 и алюминия или магния. если ее подогреть до температуры воспламенения, произойдет реакция: 3Fe3O4+8Al-->4Al2O3+9Fe+850ккал(3559кДж) на 1кг смеси

В результате реакции образуется железо и окись алюминия, которая всплывает на поверхность, образуя шлак. Продукты реакции нагреваются до температуры 3000С. Термитная сварка может осуществляться методом промежуточного литья, когда расплавом железа заливают стык стальных или чугунных деталей, заключенный в литейную форму. Эта сварка плавлением. Но термитную сварку выполняют еще в притык, когда жидким металлом и шлаком только нагревают торцы соединяемых деталей, а соединение получают, сдавливая разогретые торцы и деформируя их. Это сварка давлением с нагревом без оплавления. Термитная сварка применяется в основном для соединения рельсов. Она малопроизводительна, ее трудно автоматизировать. Поэтому ее применяют редко.

Таким образом, при всех способах сварки под действием энергии активации металл в зоне соединения изменяется, происходит его деформация и(или) плавление с последующим затвердением. Металл может взаимодействовать с окружающей атмосферой, компонентами шлаков, происходит изменение его структуры. Поэтому сварные соединения, как правило, отличаются от основного металла структурой, химическим составом металла и механическими свойствами. Особенно велики эти отличия при сварке плавлением.