Тема 4. Основы технологии сварочного производства

Процессы формирования неразъемных соединений. Выполнение подвижных и неподвижных соединений. Сварные, паяные, клеевые и комбинированные соединения. Физико-химические основы свариваемости. Основы формообразования сварных конструкций. Понятие о технологичности заготовок. Методы сварки плавлением и давлением. Пайка материалов. Получение неразъемных соединений склеиванием.

Сваркой называют технологический процесс получения неразъёмного соединения различных материалов.

Сварку применяют для соединения однородных и разнородных металлов и сплавов, металлов с неметаллическими материалами (керамикой, стеклом, графитом и др.), а также пластмасс.

Физическая сущность процесса сварки заключается в установ­лении прочных межатомных или межмолекулярных связей поверхностных слоев соединяемых заготовок.

Для образования соединения необходимо выполнение следую­щих условий:

• очистка свариваемых поверхностей от загрязнений, окислов, инородных атомов;

• активизация поверхностных и приповерхностных атомов;

• сближение соединяемых поверхностей на расстояние межатомного (межмолекулярного) взаимодействия.

Указанные условия реализуются различными способами сварки путём энергетического воздействия на материал в зоне соединения. Энергия может вводится в виде теплоты при местном или общем нагреве; или пластической деформации; или совместным действием того и другого.

В зависимости от состояния материалов в момент образования сварного соединения все многообразие способов сварки можно разделить на 2 группы: сварку в жидком и сварку в твердом состоянии, то есть сварку плавлением и сварку давлением.

Сварка плавлением. Процесс образования сварного соединения плавлением протекает в 2 стадии:

• расплавление соединяемых поверхностей материалов и образование общей ванны жидкого металла;

• затвердевание этого общего объёма металла, образование сварного шва.

Сварка давлением. Для сварки давлением также характерны 2 стадии:

• сближение соединяемых поверхностей до образования физического контакта;

• появление участков межатомного взаимодействия с установлением металлической связи под действием пластической деформации.

В результате всех видов сварки образуется сварное соединение.

Существует 3 типа сварных соединений (рис.64):

• стыковое соединение - соединение торцов свариваемых дета­лей;

• соединение внахлёстку - соединение боковых поверхностей свариваемых деталей;

• тавровое соединение - соединение торца одной детали с боковой поверхностью другой детали.

При сварке плавлением при стыковом соединении в зависимо­сти от толщины свариваемых деталей торцы получают соответствующую обработку.

При толщине менее 5 мм торцы не обрабатывают. При толщине более 5 мм требуется специальная подготовка кромок, так называемая разделка фасок.

При толщине 6-20 мм применяют V-образный шов (рис. 64.3).

При 12-50 мм - Х-образный шов (рис. 64.4).

При толщине более 20 мм используют U-образный шов [рис. 64.5).

Способы сварки плавлением

Дуговая сварка - процесс соединения металлических деталей с использованием в качестве источника теплоты электрической дуги.

Дуга - мощный стабильный электрический разряд в ионизированной газовой атмосфере. Процесс зажигание дуги включает 3 этапа (рис. 65):

1) короткое замыкание электрода (7) на заготовку (2);

2) отвод электрода на расстояние 3-6 мм, начало эмиссии (излу- чение) электронов электрода (3), их столкновение с молекулами газов атмосферы (4) - начало их ионизации;

3) устойчивое горение дуги (6).

Рис. 65. Схема процессов зажигания дуги 1 - электрод; 2 - заготовка; 3 - электроны; 4 - ионизированные молекулы газа (и паров металла); 5 - катодное пятно; 6 - дуга; 7 - анодное пятно

Различают следующие схемы дуговой сварки (рис. 66):

1) Сварка неплавящимся электродом.

Дуга возбуждается между электродом (7) (угольным или вольфрамовым) и изделием (3). Сварку осуществляют с плавлением основного и присадочного металлов (4).

2) Сварка плавящимся электродом.

Дуга прямого действия - между электродом (7) и изделием (3). Сварочную ванну образуют металлы электрода и изделия.

3) Сварка косвенной дугой.

Дуга горит между двумя неплавящимися электродами (7); соединение осуществляется основным металлом деталей (3).

4) Сварка трехфазной дугой.

Дуга горит между электродами (7) и изделием (5), соединяемого основным металлом.

Способы дуговой сварки. В промышленности наиболее распространены следующие способы дуговой сварки:

- ручная металлическими электродами со специальными покрытиями;

• автоматическая под флюсами;

• в защитных газах;

1. Ручная дуговая сварка выполняется сварочными плавящимися электродами, которые вручную подают в дугу и перемещают вдоль заготовок. Электроды представляют собой стержни с нанесёнными на них покрытиями. Стержень изготавливают из стальной сварочной проволоки диаметром 0,2-12 мм (низкоуглеродистая, легированная, высоколегированная). Покрытие (флюс) образует при сварочной температуре жидкий шлак, который обеспечивает защиту сварочной ванны от вредного воздействия окружающей атмосферы. Затвердевший металл шва более качественный, чем при сварки без флюса, шов име­ет высокие механические и эксплутационные свойства. Затвердевшую шлаковую корку после сварки механическим способом удаляют.

2. При автоматической дуговой сварке под флюсом используют непокрытую проволоку, подача которой механизирована, и флюс для защиты дуги и сварочной ванны от воздуха. Флюс в больших количествах и значительной толщины является более надёжной зашитой, что позволяет получить металл шва более высокого качества, чем при ручной сварке. Флюс в процессе сварки частично расплавляется переходя в шлак, другая часть остаётся неиспользованной, собирается и может быть использована повторно в дальнейшем.

3. Дуговую сварку в атмосфере защитных газов ещё называют газоэлектрической сваркой, при этом способе дуга и сварочная ванна защищены струёй газа. Газ падают через приспособление (специальную водоохлаждаемую сварочную горелку), в центре которой помещается электрод. В качестве защитных газов применяют инертные газы (аргон, гелий) и активные газы (углекислый газ, азот, водород), а также смеси этих газов. В отечественном машиностроении наиболее применяемы аргон и углекислый газ.

Плазменная сварка - процесс сварки плавлением, при котором соединение деталей осуществляется при нагреве плазменной струёй. Плазменная струя - это направленный поток ионизированных частиц газа, имеющий температуру 10000-30000 °С . Плазму получают пропуская поток газа через столб электрической дуги. Дугу можно создать как между электродом и деталью - горелка прямого действия, так и между электродом и соплом водоохлаждаемой горелки - горелка косвенного действия (рис.67). В качестве плазмообразующего газа используют аргон, водород и азот.

Рис. 67. Дуговые плазменные горелки а - прямого действия; б - косвенного действия: 1 - вольфрамовый электрод; 2 - дуга; 3 - сопло горелки; 4 - канал сопла; 5 - изделие (заготовка); 6 - плазменная струя

Газовая сварка - процесс сварки плавлением, при котором место соединения нагревают до расплавления газовым пламенем. Сварочную ванну образуют металлы соединяемых заготовок и присадочный материал, который вводят в пламя газовой горелки извне. Газо­вое пламя получают при сгорании горючего газа в атмосфере технически чистого кислорода. В качестве горючего газа наиболее широко применяют ацетилен (С₂Н₂), так как он обеспечивает получения пла­мени с более высокой температурой горения - 3200°С . Ацетилен ис­пользуются в стальных баллонах, окрашенных в белый цвет с красной надписью "Ацетилен", газ находится в них под давлением 1,5 МПа. Кислород используют в баллонах ёмкостью 40 л, окрашенных в голубой цвет с черной надписью "Кислород", газ находится под давлением 15 МПа, в свободном состояние это составляет 6000 л кислорода.

Совокупность ацетиленого и кислородного баллонов с горелкой или резаком составляют оборудование газосварочного поста (рис. 68).

К другим разновидностям сварки плавлением относят высокоэнергетические способы сварки, такие как электронно-лучевая сварка и сварка лазером.

Рис. 68. Оборудование сварочного поста а - схема газосварочного поста с питанием от баллонов; 1 - шланг подачи ацетилена; 2 - редуктор ацетиленовый; 3 - редуктор кислородный; 4 - шланг подачи кислорода; 5 - сварочная горелка; б - схема инжекторной горелки