Тема 3. Основы теории сварочных технологий. Виды сварки

Рассмотрите физическую сущность процесса сварки, используя знания о строений металлов и связи между атомами вещества. Металл состоит из• множества положительно заряженных ионов, упорядочено расположенных в пространстве и связанных в единое целое облаком коллективизированных электронов. При соприкосновении двух металлических тел обычно не про­исходит их объединения в единое целое; этому препятствуют неровности на поверхности и пленки оксидов, гидридов и нитридов, дезактивирующих ее. Если активизировать поверхности заготовок и сблизить поверхностные ио­ны до расстояний, равных расстояниям между атомами твердого металла, то происходит сварка, т.е. неразъемное соединение заготовок межатомными силами связи. На практике этого достигают тепловым, силовым воздействи­ем или их сочетанием.

При сварке плавлением происходит только тепловое воздействие - на­грев до расплавления кромок заготовок с образованием единой жидкой ме­таллической ванны. Ее кристаллизация происходит последовательным еди­ничным или групповым оседанием атомов жидкой фазы во впадинах кри­сталлической решетки твердой фазы, при котором устанавливаются меж­атомные фазы. В результате кристаллизации в зоне сварки образуются зер­на, принадлежащие одновременно основному металлу и металлу шва. В зоне сварки устанавливается такое же атомно-кристаллическое строение металла, как в основном металле, что обеспечивает равнопрочное соединение. При сварке плавлением оксиды и другие примеси на свариваемых поверхностях частично разрушаются при нагреве, а частично переводятся в легкоплавкие шлаки, всплывающие на поверхность шва.

При сварке давлением образование неразъемного соединения достига­ют в твердом состоянии силовым воздействием, если оно вызывает совмест­ную пластическую деформацию заготовок в зоне сварки. При этом сминают­ся неровности, а оксиды и другие поверхностные пленки разрушаются и вы­тесняются из зоны сварки при пластическом течении металла. Образовав­шиеся чистые активированные поверхности приводятся в соприкосновение,

15

между ионами которых устанавливаются связи. Для металлов, обладающих высокой пластичностью (медь, алюминий), сварку давлением можно произ­водить без нагрева (холодная сварка). Менее пластичные сплавы необходи­мо нагревать до температуры высокопластичного состояния, чтобы исклю­чить местные разрушения при значительной пластической деформации в процессе сварки. Непластичные материалы (керамика, графит) образуют со­единение в результате диффузии при длительном нагреве.

Литература: [1, разд. 5, гл. I].

Свариваемость металлов. Применяемость сварки определяется свари­ваемостью металлов заготовок. Под свариваемостью металла понимают его способность образовывать при сварке качественное сварное соединение, эксплуатационные свойства которого близки к свойствам свариваемого ме­талла.

Важно понять, что свариваемость металлов и сплавов зависит от хи­мического состава сплава и способа сварки. Уясните принцип действия ме­таллов по степени свариваемости. К ограниченно сваривающимся металлам относятся те, которые дают качественные соединения лишь при усложнении технологии сварки (подогрев, специальные сварочные материалы). Изучите причины ограниченной свариваемости металлов в виде дефектов, возни­кающих при сварке. Первой причиной являются напряжения и деформации в металле при сварке из-за неравномерного нагрева заготовок, которые дейст­вуют как на этапе кристаллизации шва, так и после полного охлаждения. В процессе кристаллизации сварной шов испытывает растяжение главным об­разом из-за того, что холодные зоны заготовки препятствуют усадке и со­кращению размеров остывающего шва. Этот фактор вызывает в шве образо­вание горячих трещин, когда металл шва имеет крупнозернистое строение с повышенным содержанием легкоплавких примесей по границам зерен. В процессе дальнейшего охлаждения сварного соединения в нем накапливают­ся напряжения, вызывающие искажение формы конструкции. В случаях, ко­гда напряжения велики, а металл при сварке претерпел закалку (особенно часто это бывает при сварке заготовок из среднеуглеродистых легированных сталей), в сварном соединении образуются холодные трещины, возникающие после остывания шва, а также в течение нескольких суток после сварки. Об­ратите внимание на основные способы борьбы с холодными и горячими трещинами. Свариваемость может быть низкой из-за снижения прочностных или антикоррозионных свойств сварных соединений в результате укрупне­ния зерен в зоне шва и околошовной зoне при высокотемпературном нагре­ве. По ряду перечисленных причин свариваемость металла увеличиваетсяпри уменьшении температуры нагрева, длительности его пребывания при высоких температурах и сужения зоны нагрева. Поэтому при сварке давле­нием свариваемость обеспечивается для более широкого круга материалов, чем при сварке плавлением. Выбор способов сварки производят как по сва­риваемости, так и по форме, размерам конструкции, экономическим крите­риям процесса. Усвойте основные технико-экономические показатели спосо­бов сварки и правила конструирования технологичных соединений.

Рассмотрите возможные трудности и дефекты сварных соединений, возникающие при сварке сталей различных классов, сплавов алюминия, ни-

16

келя, активных металлов, а также способы и условия, при которых можно получить качественные сварные соединения.

Литература: {1, разд. 5. гл. V, § 1-7].

Технологичность сварных конструкций. Под технологичностью свар-ной конструкции понимают обеспечение возможности получения качествен­ной конструкции наиболее экономичным и прогрессивным методом. Для этого необходимо: выбирать сплавы с хорошей свариваемостью; расчленять конструкцию на экономичные заготовки, получаемые прогрессивными ме­тодами (прокаткой, листовой штамповкой, ковкой, литьем); выбирать места соединений так, чтобы обеспечивать применение автоматизированных спо­собов сварки и возможность контроля качества сварных соединений; при разработке конструкции предусматривать возможность использования мер, обеспечивающих минимальный уровень сварочных деформаций и напряже­ний.

Рассмотрите примеры выбора сплавов, способа получения заготовок, способа сварки, конструктивных и технологических мер борьбы со свароч­ными напряжениями и деформациями, а также способов контроля качества сварных соединений.

Литература: [i, разд. 5, гл.VIII, § 1-6].

Изучите классификацию способов сварки плавлением пo виду источ­ника теплоты.

Дуговая сварка. Это один из видов сварки плавлением, в котором ис-точником тепла служит сварочная дуга-стабильный и управляемый элек-трический разряд в газовой среде. Дуга способна практически мгновенно расплавлять и перегревать до 2000...2500*C небольщие участки металла заго­товки. Уясните условия возбуждения и стабилизации дуги, ее электрические и тепловые свойства, способы управления мощностью. При сварке стремят­ся к минималъному напряжению на дуге. Поэтому регулирование мощности дуги производят изменением тока сварочного источника, управляя его вольт-амперной характеристикой. Усвойте основные требования к источни­кам тока: легкое зажигание дуги и безопасность работы, что достигается на­пряжением холостого хода не более 60-70B; стабильное горенне дуги на за­данном режиме; варьирование током; ограничение тока при коротком замы­кании сварочной цепи. Для выполнения этих требований применяют источ­ник переменного или постоянного тока с напряжением холостого хода60...70B и падающей вольт-амперной характеристикой регулируемой кривиз­ны. Дуговая сварка классифицируется по степени автоматизации и способам защиты шва от взаимодействия с атмосферой.

Литература; [I, разд. 5, гл. II, § 1-3].

Ручная дуговая сварка. В этом процессе сварщик управляет электро­дом, поддерживая заданную длину дуги, производя подачу электрода по ме­ре его плавления и перемещения по заготовке. Уясните способы защиты ме­талла шва от атмосферы, обеспечивающие качественное сварное соединение. При сварке плавящимся электродом наносят защитно-легирующие покры­тия, которые при расплавлении образуют легкие шлаки, покрывающие ме­талл шва и ванну вязкой пленкой, препятствующей окислению. В составе покрытий содержатся раскислители и легирующие добавки, которые восста-

17

навливают оксиды в металле шва в период его контакта с жидким шлаком и легируют шов в целях повышения эксплуатационных свойств. При дуговой сварке неизбежные колебания длины дуги не выэывают больших изменений сварочного тока из-за применения источников с крутопадающей вольт -амперной характеристикой.

Обратите внимание на принцип выбора типа, марки и диаметра элек­трода для сварки, а также допустимый режим сварки. Ток при ручной дуго­вой сварке подводят к одному концу электрода, а дуга горитyпротивопо­ложного на расстоянии около 300...400 мм. При чрезмерном токе возможенперегрев верхней части электрода джоулевым теплом, что вызывает отслаи­вание защитного покрытия и брак при сварке. Чтобы не допустить перегре­ва электрода, его диаметр выбирают в зависимости от толщины свариваемо­го металла, а сварочного тока - по диаметру электрода. Изучите области применения этого способа сварки (материалы, толщины, типы конструк­ций). Способ эффективен при сварке коротких, прерывистых швов, сложных траекторий, в труднодоступных местах, в различных пространственных по­ложениях, в условиях ремонта, в опытном производстве, монтаже и строи­тельстве. При ручной сварке объем жидкого металла сварочной ванны не­значителен и может удерживаться на вертикальной стене или в потолочном положении за счет сил поверхностного натяжения. Недостатки способа: тя­желый ручной труд и низкая производительность.

Литература: [1, разд. 5, гл. II, § 4].

Автоматическая сварка под флюсом. Уясните, как обеспечивается нача­ ло процесса сварки, поддержание его на заданном режиме, защита от атмо­сферы и роль сварщика. Наладку автомата при заданной толщине сваривае­ мого металла производит наладчик, определяя ток, скорость сварки, напря­ жение на дуге, а также скорость подачи электродной проволоки, равнуюскорости ее плавления на данном режиме. Возможные случайные отклоне­ ния режима в процессе сварки устраняются автоматически по двум вариан­ там. В автомате с регулируемой скоростью подачи электродной проволоки,зависящей от напряжения на дуге, копируются действия сварщика. Автомат непрерывно сравнивает заданное напряжение (Uз) на дуге с действительным (Uд). Если Uд < Uз, скорость подачи электрода снижается, а если Uд > U₃ - увеличивается, что устраняет обрывы дуги или короткие замыкания. Авто­ маты с постоянной скоростью подачи электродной проволоки основаны насаморегулировании дуги, за счет чего при случайном увеличении длины ду­ ги снижается сварочный ток и скорость плавления электрода восстанавлива­ ется до заданного режима. Саморегулирование дуги эффективно для боль­ шой плотности тока (большой ток или малый диаметр электрода). Качество процесса автоматической сварки обеспечивается правильным выбором ма­ рок проволоки для сварки (они имеют пониженное содержание примесей и обозначаются индексом «св»), а также флюса. Общие требования к флюсу:при взаимодействии с металлом он должен давать шлак с меньшей, чем у ме­ талла, плотностью; не образовывать с ним промежуточных соединений;иметь большую усадку. Этим исключаются шлаковые включения в шве и достигается самопроизвольное отделение шлаковой корки от шва при осты­ вании. . .

18

Рассмотрите особенности технологии сварки, уяснив, что при автома­тической сварке токопровод близко расположен к дуге и можно использо­вать, не опасаясь перегрева, электроды диаметром 4...5 мм и ток до 1600 А и достичь наибольшей производительности процесса сварки. Большая масса жидкой ванны не позволяет выполнять сварку в потолочном положении, а при сварке корневого шва требуются мероприятия по удержанию жидкой ванны (подкладки, флюсовые подушки). Автоматическую сварку под флю­сом целесообразно применять для однотипных узлов, имеющих протяжен­ные прямолинейные и кольцевые швы - для листовых заготовок повышен­ной толщины (более 3 мм) из различных сталей, титана, алюминия и их сплавов.

Литература: [1, разд. 5, гл. II, § 5].

Дуговая сварка в защитных газах. Уясните роль защиты зоны дуги га­зом, заключающуюся в оттеснении атмосферы воздуха из зоны горения дуги защитными газами с одновременным исключением их взаимодействия с ме­таллом сварочной ванны шва. Следует иметь в виду, что защитные газы мо­гут быть инертными (аргон, гелий) и активными (углекислый газ, азот, во­дород). Инертные газы не вступают в реакцию с металлом электрода и сва­рочной ванны и не растворяются в нем. Поэтому химический состав шва идентичен составу свариваемого металла, что обеспечивает наиболее высо­кое качество сварных соединений. Важно усвоить, что инертные газы при­меняют при сварке легированных сталей и сплавов на основе титана, цирко­ния, ниобия, алюминия, магния. Для ряда сплавов качественные соединения получают при сварке в среде активных газов, которые могут вступать в хи­мические реакции с металлом сварочной ванны. Так, большинство марок конструкционных сталей сваривают в среде углекислого газа. Попадая в зо­ну высоких температур дуги, он диссоциирует с выделением атомарного ки­слорода. Для защиты от окисления применяют сварочную проволоку с по­вышенным содержанием кремния и марганца (1-2%), которые способны вос­становить оксид железа; при этом продукты реакции всплывают на поверх­ность шва в виде шлака. Сварку в среде защитных газов осуществляют пла­вящимся или неплавящимся электродом. В последнем случае электрод изго­тавливают из вольфрама, а для защиты используют инертные газы. Сварку выполняют вручную, на полуавтоматах и автоматах. Стабилизация процес­са сварки плавящимся электродом в защитных газах обеспечивается саморе­гулированием дуги при постоянной скорости подачи электрода. При этом применяют электродную проволоку малых диаметров (1...3мм), повышен­ные значения тока и источники с жесткой или возрастающей характеристи­кой. В этих условиях короткие замыкания между электродом и заготовкой не опасны для источника тока, так как электродная проволока малого диа­метра играет роль плавкого предохранителя. При сварке в защитных газах сварочная ванна охлаждается быстрее, так как объем ее мал. Это позволяет, в отличие от сварки под флюсом, производить сварку в защитных газах в потолочном и вертикальном положении. Например, возможна сварка встык невращающихся труб за счет движения автоматической сварочной головки вокруг стыка трубы.

Литература: [1, разд. 5. гл. II. § 6].

19

Сварка и обработка материалов плазменной струей. При этом методе сварки источником теплоты служит струя газа, ионизированного в дуге, ко­торая, соударяясь с менее нагретым телом, деионизируется с выделениембольшого количества теплоты, позволяющим считать ее вторичным источ­ником. Температура плазменной струи зависит от степени ионизации газа. Для ионизации используют столб сжатой дуги, т.е. дуги, горящей в узком канале, через который под давлением продувают газ (аргон, азот, водород), дополнительно увеличивающий степень ее сжатия. В этих условиях темпера­тура газа в столбе дуги достигает 30000"C, что по сравнению со свободно горящей дугой резко увеличивает степень ионизации и температуру газа, выходящего из канала с большой скоростью в виде струи. Этот источник те­плоты имеет высокую концентрацию тепловой энергии и обладает защит­ными свойствами. Струя плазмы используется в двух вариантах: в совмеще­нии с дугой (при термической резке) и обособленно от дуги (при сварке, на­плавке, напылении). Последний вариант пригоден для обработки токоне­проводящихматериалов.

Литература: [1, разд. 5, гл. II, §7].

Электрошлаковая сварка. Рассмотрите сущность процесса и его отли­чия от сварки под флюсом. Для начала процесса необходима шлаковая ван­на, которую получают с помощью сварочной дуги. Подавая флюс в дугу, создают значительный слой электропроводного жидкого шлака. После соз­дания слоя жидкого шлака дуга погружается в него, удлиняется и становится неустойчивой, что приводит к прекращению дугового разряда и замыканию сварочной цепи через жидкий шлак, подогреваемый джоулевым теплом при прохождении через него электрического тока. Плавление электродной про­волоки, подаваемой в сварочную ванну, обеспечивается теплотой перегре­ваемого шлака. Теплота расходуется и на оплавление кромок свариваемых заготовок по всей толщине.

Следовательно, в электрошлаковом процессе источником теплоты яв­ляется шлаковая ванна. Источник теплоты является распределенным в отли­чие от сосредоточенного источника - дуги. За счет применения такого ис­точника обеспечивается возможность сварки за один проход заготовок большой толщины и достижение высокой производительности. Процесссварки возможен при вертикальном расположении шва; Скорость процесса сварки 1...5 м/ч, а производительность тем выше, чем больше толщина сва­риваемых заготовок.

Электрошлаковую сварку применяют для соединения толстолистовых (более 20 мм) заготовок, отливок, поковок и слитков из чугуна, стали, мед­ных, никелевых, титановых и алюминиевых сплавов. Возможно выполнение стыковых (прямолинейных и кольцевых) швов, наплавок, а также тавровых швов при изготовлении крупных гидроцилиндров, станин прессов и крупных узлов оборудования тяжелого машиностроения.Литература:[1, разд. 5, гл.II, § 8].

Сварка электронным лучом. Процесс относится к сварке плавлением. В отличие от дуговых методов сварки выполняется в глубоком вакууме, гдемало ионов, переносящих электрические разряды; Поэтому в вакууме дуго­вой электрический заряд неустойчив. Для сварки в вакууме с давлением

20

1,33-10-⁸... 1,3310-¹⁰ МПа в качестве источника теплоты используют поток ус­коренных электронов, скорость которых равна примерно половине скорости света, что достигается высоким напряжением (40...150кВ) между катодоми заготовкой (анодом). Электроны, излучаемые с катода, разгоняются, кон­центрируются в луч и бомбардируют металл, выделяя при торможении теп­лоту за счет перехода кинетической энергии в тепловую. Важно отметить, что энергию луча можно концентрировать на весьма малой площади в глу­бине металла, где происходит торможение основного потока электронов.Это обеспечивает весьма высокую проплавляющую способность, луча, по­зволяющую сваривать заготовки толщиной до 50 мм за один проход без раз­делки кромок и получать швы минимальной ширины, что исключает иска­жение формы заготовок при сварке. Сварка электронным лучом применима для заготовок, размещаемых в камере, и обеспечивает наиболее высокое ка­чество соединений любых металлов, в том числе тугоплавких, легко окис­ляемых при повышенных температурах.Литература: [1, разд. 5, гл.II,§ 9].

Лазерная сварка. При лазерной сварке источником теплоты для рас­плавления свариваемых кромок служит узконаправленный монохроматич­ный световой луч, который способен нагревать металл и другие непрозрач­ные материалы. Основные достоинства лазерной сварки: высокая локаль­ность пятна нагрева, равного диаметру электронного луча, но не требующая вакуумной среды. Лазерную сварку ведут в воздушной среде, а для защиты металла от окисления используют струйные способы газовой защиты. Ла­зерную сварку применяют в промышленности для сварки тонколистовых конструкций из разных конструкционных сплавов, в том числе и ограничен­но свариваемых другими методами.Литература: [1, разд. 7, § 6].

Изучите классификацию способов сварки по характеру термомехани­ческого воздействия на заготовки и видам энергии.

Контактная сварка. Контактная сварка - наиболее распространенный способ сварки давлением, где нагрев металла производят теплотой, выде­ляемой при контакте двух заготовок при протекании через них электриче-ского тока. Теплота интенсивнее выделяется в зоне сварки, т.е. месте контак­та между заготовками, так как эта зона имеет наибольшее электросопротив­ление. Главное требование к нагреву- обеспечение совместной пластической деформации свариваемых заготовок. Уясните, почему стыковую, точечную и роликовую сварку называют контактной и в чем различие этих процессов. Стыковой сваркой сваривают заготовки компактных сечений (рельсы, прут­ки, трубы). Торцы заготовок нагревают, а затем сжимают для обеспечения совместной пластической деформации. Сварку ведут двумя способами: со­противлением и оплавлением. Сварку сопротивлением применяют при со­единении небольших заготовок из однородных сплавов, с обработанными и очищенными торцами и подгонкой их по площади поперечного сечения в месте сварки. Сварку оплавлением применяют при соединении крупных за­готовок различных поперечных сечений из любых сплавов без предвари-тельной обработки торцов. Нагрев ведут до полного оплавления торцов.При последующем сжатии жидкий металл с оксидами и загрязнениями вы-

21

давливается из зоны сварки, а в совместной пластической деформации уча­ствуют нагретые слои свариваемых металлов. Точечная и роликовая сварка предназначена для соединения листовых заготовок. Края заготовок, собран­ные внахлестку, сжимают электродами и нагревают проходящим электриче­ским током. Максимальный нагрев достигается в местах контакта между листами заготовок. Это приводит к частичному расплавлению заготовок по толщине и образованию литого ядра сварной точки. Вытеканию жидкогометалла препятствует сжатие листов электродами. Давление способствует получению плотного металла в сварной точке, несмотря на усадку жидкого металла при кристаллизации. Оборудование для роликовой сварки отлича­ется от точечной формой электродов. Роликовая сварка обеспечивает полу­чение герметичного непрерывного шва за счет последовательного образова­ния перекрещивающихся точечных соединений. Уясните, почему электроды не привариваются к заготовкам и из какого материала их изготавливают.Одной из причин брака является расплавление листов в месте сварки на всю толщину. При этом происходит выброс лишнего металла из-под электродов. С этих позиций следует рассматривать трудности при сварке ультратонких заготовок, связанных с нестабильностью качества сварки. Изучите устройст­во машин для контактной сварки (для односторонней и двусторонней точеч­ной сварки, одноточечные и многоточечные), назначение узлов машин ивозможности механизации процесса. Рассмотрите подготовку заготовок под сварку и их сборку, технологические возможности процессов и характерные области применения (материалы, толщины, типы конструкций). Выбор типа машины для контактной сварки и ее мощность зависят от размеров и формы заготовок, а также от теплопроводности и электросопротивления материала.Литература: [l. разд. 5. гл.III, § 1-6].

Сварка трением. Этот способ относят к сварке давлением. Надо вы­явить преимущества способа по сравнению с контактной стыковой сваркой, особенности процесса и рациональные области применения. Для сварки тре­нием одна из заготовок должна иметь ось вращения.Литература: [1, разд. 5, гл.III, § 8].

Диффузионная сварка в вакууме. Сущность процесса состоит в диффу­зии атомов соединяемых элементов, при которой на границе контакта двух деталей образуются новые зерна, принадлежащие одновременно каждой из соединяемых заготовок. Температура нагрева металла такова, что он остает­ся в твердом состоянии, но скорость диффузионных процессов наибольшая; давление ниже предела текучести - для обеспечения физического контакта при сохранении форм заготовок; наличие вакуума - для защиты от окисле­ния. Этот способ позволяет получать соединения по большой контактной поверхности и без существенной пластической деформаций; применяется для получения биметаллических, заготовок; соединения металлов с неметаллами. Литература;[1,разд. 5, гл.III, § 11].

Нанесение износостойких и жаростойких покрытий. Различают два ос­новных метода применения сварочных источников для нанесения покрытий: наплавку и напыление. При наплавке материал заготовки оплавляется и пе­ремешивается с материалом покрытия. Это ограничивает номенклатуру со­четаний. Применяют для материалов, обладающих взаимной растворимо-

22

стью. Он дает покрытия сравнительно большой толщины и реализуется все­ми способами сварки плавлением. При напылении материал подложки не оплавляется, а материал покрытия в виде мелких калель, ударяясь о подлож­ку, обеспечивает сцепление. Для напыления применяют главным образом плазменную струю.

Литература: [1, разд. 5, гл. IV, § 1,2].