ВВЕДЕНИЕ

Сварка и наплавка, пайка и склеивание являются одними из ведущих технологических процессов изготовления и ремонта многообразных конструкций различного назначения и применения. Посредством сварки и наплавки изготавливают порядка 70 % изделий.

Широкое применение сварки и наплавки определяется уникальными возможностями техники и технологии, способностью создавать наиболее рациональные, эффективные при разработке, изготовлении и ремонте металлические конструкции, использование материалов с различными свойствами.

Сварка, наплавка и напыление зачастую оказываются единственными способами (процессами), обеспечивающими разработку, изготовление и ремонт той или иной металлоконструкции.

В настоящее время сварку широко применяют для соединения почти всех металлов и их сплавов, стекол, пластмасс, керамики. Важное значение в получении неразъемных соединений и в реновации имеют пайка и склеивание.

1. История развития сварки

Первые способы сварки возникли у истоков цивилизации- с началом использования и обработки металлов. Еще в VIII-VII тысячелетии до н. э. возникла кузнечно-горновая сварка и пайка случайно находимых кусочков самородных металлов.

Позже научились выплавлять металл из руд, плавить его и литьем изготовлять более крупные изделия из меди и бронзы – возникла литейная сварка и пайка.

Кузнечная сварка и пайка были ведущими процессами начиная с освоения железа и до конца XIX века, когда стали появляться и разрабатываться современные методы сварки, связанные с локальным нагревом и плавлением металла.

Эти способы сварки связаны с общим развитием техники и цивилизации – появлением электричества.

В 1802 году В.В. Петров открыл и исследовал дуговой разряд, используя который русский изобретатель Н.Н. Бенардос 1882 году предложил точечную дуговую сварку угольными (неплавящимися) электродами (СНЭ).

Русский инженер Н.Г. Славянов в 1886 году разработал наиболее распространенный в настоящее время способ сварки плавящимся электродом (СПЭ).

Однако отсутствие мощных и дешевых источников электроэнергии позволило возникнувшей в конце XIX – начале XX века газовой и термитной сварки временно обогнать электродуговую.

Разработка полуавтоматической и автоматической сварки под флюсом (по патенту Д.А. Дульчевского в 1929 году) сделала их основными в промышленности многих стран.

В 40-50 годах появилась дуговая сварка в среде защитных газов (Ar, He в США, CO₂ в СССР).

Во Франции была разработана и впервые внедрена ЭЛС. В дальнейшем развитие получила электрошлаковая, лазерная, ультразвуковая, диффузионная, плазменная сварка и др.

Все виды сварки продолжают развиваться, опираясь на созданную в процессе развития теорию сварочных процессов – ТСП, поскольку экспериментальный поиск новой технологии становится все более дорогостоящим, трудоемким и длительным процессом. В этих условиях возрастает роль теоретического расчета физико-химических и металлургических процессов сварки, наплавки, пайки.

2. Определения терминов

Сварка – процесс получения неразъемного соединения на атомно-молекулярном уровне путем термодинамически необратимого превращения вещества и энергии, вводимой в зону соединения в виде теплоты и/или деформации.

Наплавка – сварка плавлением, в процессе которой на поверхность детали наносится слой металла необходимого состава.

Пайка – процесс соединения материалов с помощью вносимого между ними припоя с температурой плавления более низкой, чем у соединяемых материалов.

Склеивание – образование соединения без введения энергии благодаря силам адгезии (прилипания) между жидким клеем и молекулами твердого вещества.

МАТЕРИАЛЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ ПРИ СВАРКЕ

При проектировании сварных конструкций большое внимание необходимо уделять выбору материала с целью получения изделий с учетом наименьшей его массы: применять по возможности прочные материалы ( металлы и неметаллы); учитывать специфику работы, температуру, химическую среду и т.п.

В сложных современных конструкциях часто применяются комбинации различных материалов: различные марки стали, цветные металлы и сплавы, пластмассы, керамика и т.д.

Очень важно предвидеть не только первичную экономию материалов, но и суммарную экономию за весь жизненный цикл сварочного изделия, принимать меры против износа, эрозии и коррозии, повреждений.

На теоретической базе должны быть решены вопросы выбора материалов и сварочных режимов. Самое большое внимание следует уделять вопросам применения и сварки высокопрочных сталей, цветных металлов и сплавов, имеющих высокую чувствительность к термическому эффекту сварки, к образованию зональных структур, ведущих к хрупким разрушениям швов и сварных конструкций.

Должны быть разработаны конструкции изделий и технологические процессы их изготовления с учетом всего комплекса факторов: металлургических, теплофизических и химических процессов, протекающих как при сварке, так и в процессе эксплуатации.

Материалы, используемые при сварке подразделяются на:

1) основные, являющиеся основой сварной конструкции;

2) присадочные, используемые для формирования геометрии сварного шва и /или для обеспечения требуемой металлургической обработки металла сварного шва;

3) защитные материалы (среды), обеспечивающие защиту основного и вспомогательного сварочного материала от вредного воздействия окружающей среды.

В зависимости от назначения свариваемой конструкции к основным сварочным материалам предъявляется тот или иной комплекс требований.

Механические свойства основных сварочных материалов определяют их несущую способность – прочность и жесткость, т.е. способность воспринимать заданные для сварочной конструкции нагрузки.

Основными механическими свойствами являются следующие:

1) предел прочности σ_в, МПа;

2) предел текучести σ_т, иногда σ_0,2, МПа;

3) относительное удлинение при разрыве δ, %;

4) ударная вязкость, KCU Дж/см² – сопротивление ударным воздействиям стандартных образцов с надрезами, имеющими различную остроту KCU, KCV, NCT;

5) твердость: HV-Виккерса – алмазный индентор;

HB-Бринелля – стальной шарик, МПа;

HRC-Роквелла – алмазный конус, 120⁰.

Структурный состав, форма и дисперсность выделяющихся фаз при сварке во многом определяют эксплуатационные свойства основных сварочных материалов и их сварных соединений.

3. Стали

Углеродистые стали подразделяются на низкоуглеродистые (С = 0,09...0,25 %), среднеуглеродистые (С = 0,25……0,46 %) и высокоуглеродистые (С= 0,46……0,75 %).

Низкоуглеродистые стали чаще применяют в строительных конструкциях; среднеуглеродистые – в машиностроении; высокоуглеродистые – в инструментальном производстве.

Помимо углерода в сталях присутствуют примеси: полезные (Мn, Si, Al, Ti и другие) и вредные (S, P, O, N, H).

Содержание примесей в стали зависит от способа производства и степени раскисленности.

По способу производства стали подразделяются на бессемеровскую, мартеновскую, кислородно-конверторную и электросталь (в электропечах). Наивысшие сорта сталей получают их переплавом: электрошлаковым, вакуумным, дуговым, электронно-лучевым, плазменно-дуговым.

По степени раскисления стали бывают: 1) кипящие, раскисленые только Мn; 2) полуспокойные, раскисленые только Мn и Al; 3) спокойные, раскисленые Мn, Si, Al.

В сварных конструкциях используют стали всех степеней раскисления. Однако в ответственных применяют, как правило, стали спокойных плавок. Кипящие стали обладают большой неоднородностью распределения примесей (P и S), что повышает вероятность образования горящих трещин. Кипящие стали более склонны к старению и охрупчиваются в области низких температур.

По ГОСТ 380 выпускаются стали обыкновенного качества трех групп:

А – гарантируемые механические свойства, маркируются Ст1, Ст2……;

Б – гарантируемый химический состав, маркируются в зависимости от способа производства: М – мартеновским, К – конверторным, Б – бессемеровским;

В – гарантируемые механические свойства и химический состав, маркируются буквой В: ВСт1, ВСт2…..

Для сварных конструкций используются стали группы В, если сталь не подвергается горячей обработке, и группы Б, если подвергается горячей обработке.

По ГОСТ 1050 поставляются качественные стали с содержанием углерода от 0,05 – 0,11 до 0,82 – 0,90 %.

Применение среднеуглеродистых, а тем более высокоуглеродистых сталей, приводит к значительному усложнению технологии сварки: применению подогрева, отпуска или отжига сварного изделия.

Как правило, наиболее удовлетворительно свариваются стали, содержащие не более 0,25 % углерода.

В последнее время расширяется применение прочных и высокопрочных сталей. Повышение прочности достигается введением легирующих добавок и термической обработкой.

Стали легируют таким образом, чтобы повышение прочности σ_в и предел текучести σ_т сопровождалось сохранением достаточной пластичности, ударной вязкости, технологической обрабатываемости и свариваемости.

Таблица 1

Маркировка легирующих элементов стали

Элементы

Cr

Ni

Mn

Si

Co

Cu

V

W

Nb

Ti

Mo

Al

Маркировка

Х

Н

Г

С

К

Д

Ф

В

Б

Т

М

Ю