СВАРКА

СВАРКА

ВОПРОС 1. Сущность методов сварки

Сварка представляет собой технологический процесс, предназначенный для получения неразъемных соединений. Ключевая сущность этого метода заключается в установлении межатомных связей между соединяемыми частями. Для этого необходимо сблизить поверхности заготовок на расстояние, соизмеримое с параметрами кристаллической решетки. На практике достичь такого сближения при обычных условиях невозможно из-за неровностей поверхностей и наличия оксидных пленок. Поэтому процесс сварки включает в себя два основных воздействия: нагрев и пластическую деформацию. Нагрев повышает пластичность металла и способствует разрушению поверхностных пленок, а деформация (сжатие или обжатие) позволяет сблизить чистые поверхности металла до действия сил межатомного притяжения. Таким образом, сущность сварки — это создание прочных связей между атомами на границе раздела двух тел за счет энергии тепла и давления. В результате формируется единое монолитное изделие, свойства которого в зоне соединения должны быть близки к свойствам основного материала. Сварка является одним из ведущих технологических процессов в современном машиностроении и строительстве, так как позволяет создавать конструкции практически любой сложности, экономить материал и снижать трудоемкость изготовления по сравнению с литьем или клепкой. Благодаря сварке стало возможным рационально комбинировать разные материалы в одной конструкции, используя их лучшие эксплуатационные качества.

ВОПРОС 2. Классификация способов сварки

В современной промышленности существует более 70 различных способов сварки. Вся совокупность методов классифицируется по принципу образования физического контакта между свариваемыми деталями. Согласно этой классификации, все способы делятся на три большие группы: сварка плавлением, сварка давлением и пайка. К первой группе, сварке плавлением, относятся процессы, при которых локальный нагрев приводит к расплавлению кромок соединяемых деталей. Жидкая ванна смешивается, и при кристаллизации формируется литой сварной шов. Сюда входят газовая сварка, дуговая сварка, электрошлаковая, плазменная и лучевые методы (лазерная, электронно-лучевая). Вторая группа — сварка давлением. В этих способах соединение достигается за счет пластической деформации в зоне контакта без расплавления основного металла (или с нагревом до пластичного состояния, но без перехода в жидкость). Для этого используется сжатие, прокатка или взрыв. Примерами являются

контактная, диффузионная, ультразвуковая сварка и сварка трением. Наконец, третья группа — пайка. Этот метод принципиально отличается тем, что основной металл деталей не плавится. Соединение образуется за счет легкоплавкого припоя, который расплавляется, затекает в зазор между деталями и, кристаллизуясь, скрепляет их. Таким образом, классификация отражает физическую сущность процесса: образование литого ядра, создание связей через деформацию или заполнение зазора припоем.

ВОПРОС 3. Сварка плавлением. Газовая сварка.

Газовая сварка является одним из способов сварки плавлением, при котором теплота, необходимая для расплавления металла, выделяется при сгорании горючего газа в струе кислорода. Процесс осуществляется с помощью специальной горелки, в которой происходит смешивание газов. Наиболее распространенным горючим газом является ацетилен (C H ), так как его пламя обладает самой высокой температурой — от 3100 до 3200°C. Применяются также водород, природный газ, пары бензина или керосина, но их температура горения ниже. Характерной особенностью газовой сварки является относительно медленный нагрев металла и большая зона термического влияния. Обычно сварка ведется с использованием присадочной проволоки, которая плавится и заполняет стык. Пламя выполняет две функции: расплавляет кромки и присадку, а также создает защитную газовую среду, препятствуя окислению металла воздухом. Регулируя соотношение кислорода и ацетилена, можно управлять характером пламени (нормальное, окислительное или науглероживающее). Газовая сварка чаще всего выполняется вручную, что делает ее незаменимой при ремонтных работах, монтаже труб малого диаметра, при сварке тонкостенных конструкций и цветных металлов (чугуна, латуни, бронзы). К основным недостаткам следует отнести невысокую производительность по сравнению с дуговыми методами, большую зону нагрева, что может вызывать деформации, и относительно высокую стоимость газов (ацетилен). В промышленности газовая сварка постепенно вытесняется более эффективными видами дуговой сварки, но остается востребованной в автосервисе и сантехнических работах.

ВОПРОС 4. Сварка плавлением. Электрическая дуговая сварка, возможные способы проведения.

Электрическая дуговая сварка основана на использовании теплоты электрической дуги, которая возникает между электродом и заготовкой при прохождении тока через газовый промежуток. Температура дуги достигает 5000–7000°C, что позволяет расплавлять

практически любые металлы. Существует множество способов проведения дуговой сварки, которые классифицируются по степени механизации, типу электрода и способу защиты зоны сварки. По степени механизации различают ручную, механизированную (полуавтоматическую) и автоматическую сварку. Ручная сварка выполняется штучным покрытым электродом, где все движения контролирует сварщик. При механизированной и автоматической сварке подача электродной проволоки в дугу механизирована, а скорость перемещения дуги может задаваться автоматом. По типу электрода сварка бывает плавящимся электродом (проволока или стержень) и неплавящимся (вольфрамовый или графитовый стержень). В случае использования неплавящегося электрода в зону дуги отдельно подается присадочный пруток. По способу защиты расплавленного металла от воздуха различают сварку под флюсом (дуга горит под слоем сыпучего флюса), сварку в защитных газах (аргон, гелий, углекислый газ, подаваемые из горелки), а также сварку покрытыми электродами, где газ образуется при сгорании обмазки. Возможно также сочетание защит, например, использование флюса и газа одновременно. Такое разнообразие способов позволяет подобрать оптимальный режим для любых материалов, толщин и пространственных положений, обеспечивая высокое качество и производительность.

ВОПРОС 5. Электрическая дуга, вольт-амперная характеристика. Источники сварочного тока.

Электрическая сварочная дуга — это мощный электрический разряд в ионизированной газовой среде, характеризующийся высокой температурой и плотностью тока. Для понимания процессов управления дугой используется ее вольт-амперная характеристика (ВАХ), которая показывает зависимость напряжения на дуге (U) от силы сварочного тока (I). Статическая ВАХ дуги имеет три участка. При малых токах (падающий участок) с ростом тока напряжение падает, так как увеличивается ионизация газа. При средних токах (жесткий участок) напряжение почти не зависит от тока, потому что растет не плотность тока, а площадь сечения дуги. При больших токах (возрастающий участок) возможности расширения дуги исчерпаны, сопротивление столба растет, и напряжение увеличивается. Чтобы процесс сварки был стабилен, необходимо, чтобы источник питания обладал характеристикой, пересекающей ВАХ дуги. Для ручной сварки используют источники с крутопадающей внешней характеристикой (при изменении длины дуги ток резко меняется, что помогает сварщику), для автоматической — с жесткой. Основными источниками сварочного тока являются сварочные трансформаторы (преобразуют сетевое напряжение в пониженное, работают на переменном токе),

выпрямители (вырабатывают постоянный ток, обеспечивая стабильную дугу), а также современные инверторы. Инверторы преобразуют сетевой переменный ток в постоянный высокочастотный, затем понижают напряжение и снова выпрямляют. Такие аппараты легки, компактны, имеют высокий КПД и позволяют плавно регулировать ток в широких пределах, что делает их наиболее распространенными на сегодняшний день. Выбор источника зависит от способа сварки, типа электрода и требуемого качества шва.

ВОПРОС 6. Сварка плавлением. Ручная дуговая сварка.

Ручная дуговая сварка (РДС) является одним из самых универсальных

ираспространенных способов соединения металлов. Ее сущность заключается в использовании тепла электрической дуги, возбуждаемой между свариваемой деталью и штучным электродом, который удерживается в руке сварщика. Электрод состоит из металлического стержня и покрытия (обмазки), нанесенного на его поверхность. При возбуждении дуги стержень плавится, и капли жидкого металла переходят в сварочную ванну, формируя шов. Покрытие электрода выполняет несколько критически важных функций: при сгорании оно создает газовое облако, защищающее расплавленный металл от кислорода и азота воздуха; образует шлаковую корку, всплывающую на поверхность ванны и предохраняющую металл при кристаллизации; а также вводит в шов легирующие и раскисляющие добавки для улучшения свойств шва. Главное преимущество РДС — ее высокая маневренность и доступность. Оборудование (трансформатор или инвертор, электроды, маска) относительно дешево и портативно. Сварщик имеет возможность выполнять швы в любых пространственных положениях (потолочный, вертикальный, горизонтальный), в труднодоступных местах и при монтаже конструкций на высоте или в полевых условиях. Однако у РДС есть и серьезные недостатки. Это низкая производительность (из-за частой смены электродов и потерь на огарок), сильная зависимость качества шва от квалификации сварщика

ивредные условия труда (яркое излучение, дым, разбрызгивание металла). Тем не менее, благодаря своей универсальности, ручная дуговая сварка остается незаменимой в строительстве, ремонте и единичном производстве.

ВОПРОС 7. Сварка плавлением. Автоматическая дуговая сварка (под флюсом).

Автоматическая дуговая сварка под флюсом представляет собой высокопроизводительный механизированный процесс, при котором дуга горит между электродной проволокой и изделием под слоем

сыпучего защитного материала — флюса. В отличие от ручной сварки, здесь все операции (подача проволоки, возбуждение дуги, перемещение дуги вдоль стыка) выполняются специальным механизмом — сварочным автоматом или трактором. Сущность процесса заключается в том, что флюс насыпается на кромки свариваемых деталей слоем определенной толщины (30–50 мм). При зажигании дуги металл плавится, и часть флюса плавится, образуя жидкую шлаковую ванну. Шлак полностью покрывает жидкий металл, надежно изолируя его от воздуха. Благодаря этому металл шва получается очень чистым, без пор и оксидных включений. Глубокое проплавление позволяет сваривать металл большой толщины за один проход. Преимущества сварки под флюсом очевидны: производительность в 5–10 раз выше ручной, качество шва стабильно высокое, отсутствует вредное световое излучение (дуга скрыта), а также экономия электродного металла. Однако этот метод имеет ограничения: сварку можно выполнять только в нижнем положении (для удержания флюса), преимущественно по длинным прямолинейным или кольцевым швам, а также требуется специальное оборудование. Автоматическая сварка под флюсом широко применяется в крупносерийном и массовом производстве: при изготовлении труб большого диаметра, балок, колонн, плоских листовых конструкций, корпусов резервуаров и котлов. Она обеспечивает высочайшее качество соединения и максимальную экономию ресурсов на длинных швах.

ВОПРОС 8. Сварка плавлением. Защитных газах, плазменная, электрошлаковая.

Сварка в защитных газах использует газ, подаваемый из горелки, для вытеснения воздуха из зоны дуги. Газы бывают инертными (аргон, гелий) — для алюминия, титана, нержавейки; и активными (углекислый газ) — для сталей. Это позволяет получать качественные швы без шлака. Плазменная сварка использует сжатый столб дуги (плазму), продуваемую через узкое сопло. Температура плазмы достигает 20000°C, что дает огромную концентрацию энергии. Плазменная сварка характеризуется высокой стабильностью, позволяет сваривать очень тонкие листы (0,1 мм) и, наоборот, глубоко проплавлять металл, часто без разделки кромок. Электрошлаковая сварка принципиально отличается от дуговой. Здесь дуга зажигается только в начале процесса, а затем гасится. Ток проходит через расплавленный электропроводный шлак, который выделяет джоулево тепло. Заготовки устанавливаются вертикально с зазором, который заполняется

флюсом и электродной проволокой. Шлак нагревается до температуры выше температуры плавления металла (около 1700°C), расплавляя кромки и проволоку. Главное преимущество электрошлаковой сварки

— возможность за один проход сваривать металл практически любой толщины (до 1–2 метров), что невозможно для дуговых методов. Шов получается крупнозернистым и требует последующей термической обработки. Этот метод незаменим в тяжелом машиностроении (станины прессов, прокатные валы, роторы турбин) и при строительстве уникальных сооружений. Каждый из трех методов решает свои конкретные технологические задачи там, где обычная дуговая сварка бессильна или неэкономична.

ВОПРОС 9. Сварка давлением без предварительного подогрева. Сущность и способы.

Сварка давлением без предварительного подогрева (механический класс) объединяет способы, при которых соединение достигается за счет интенсивной пластической деформации, а нагрев либо отсутствует, либо является вторичным фактором (возникает от трения). Сущность метода заключается в том, что при приложении критического давления и относительном перемещении поверхностей оксидные пленки и загрязнения разрушаются. Чистые пластичные поверхности металла сближаются до расстояния действия межатомных связей. Ярким примером является сварка взрывом. Детали располагают под углом друг к другу. На одну из них укладывают заряд взрывчатки. При детонации деталь разгоняется до сверхзвуковой скорости и под острым углом ударяется о неподвижную поверхность. В месте удара возникает кумулятивная струя, которая счищает оксидные пленки, и происходит холодное схватывание металлов. Соединение настолько прочное, что разрушение идет по основному металлу, а не по шву. Другой распространенный метод — сварка трением. Одна заготовка зажимается неподвижно, вторая вращается с высокой скоростью. Детали сдавливают. В зоне контакта из-за трения выделяется тепло, металл переходит в суперпластичное состояние, и происходит взаимное внедрение. Вращение резко останавливают, увеличивая усилие осадки. Процесс длится секунды. Преимущества этих методов: отсутствие нагрева всей детали (избегаем деформаций), возможность соединять разнородные металлы (медь с алюминием, сталь с титаном), экологическая чистота и высокая прочность соединения, достигаемая за микросекунды или секунды. Недостатки — сложность оборудования (для взрыва требуются специальные полигоны) и ограниченность форм свариваемых деталей.

ВОПРОС 10. Сварка давлением с предварительным подогревом (термомеханический класс).

Сварка давлением с предварительным подогревом (термомеханический класс) объединяет способы, в которых для получения соединения одновременно используется тепловая энергия (для размягчения металла и активации диффузии) и механическое давление (для сближения поверхностей и осадки). Нагрев не приводит к плавлению металла (как при сварке плавлением), а лишь повышает его пластичность, снижает предел текучести и ускоряет диффузионные процессы. Основным представителем этого класса является контактная сварка (стыковая, точечная, шовная). В ней нагрев происходит за счет джоулева тепла, выделяемого при прохождении большого электрического тока (тысячи ампер) через место контакта деталей. Металл нагревается до ковочной температуры (т.е. становится пластичным, но не жидким), после чего мощное давление сжимает заготовки, обеспечивая сварку в твердой фазе. Другим важным способом является диффузионная сварка. Этот процесс проводится в вакууме или защитной среде. Детали сжимаются небольшим давлением (до 10–20 МПа) и нагреваются до температуры 0,4–0,8 от температуры плавления. В таких условиях атомы металла активно диффундируют из одной детали в другую, граница соединения исчезает. Давление необходимо для обеспечения плотного контакта и разрушения остаточных пленок. Диффузионная сварка позволяет соединять керамику с металлом, жаропрочные сплавы, многослойные композиции. Ключевое отличие термомеханического класса от чисто механического (трение, взрыв) заключается в том, что здесь используется внешний нагрев, что позволяет сваривать малопластичные и крупногабаритные детали без динамических ударов, но требует более длительного времени цикла.

ВОПРОС 11. Контактная, точечная и стыковая сварка.

Контактная сварка является одним из самых производительных способов сварки давлением. Ее сущность основана на нагреве места контакта деталей электрическим током низкого напряжения (2–8 В) и большой силы (до 50 000 А) с последующей осадкой. Ток вызывает интенсивное тепловыделение в зоне контакта, металл становится пластичным (нагревается до 900–1300°C), после чего срабатывает механизм осадки, создавая усилие в сотни килограммов и килоньютонов, которое сваривает детали. Точечная сварка — самый распространенный вид контактной сварки. Две или три детали собираются внахлест. Их сжимают между двумя медными электродами, через которые пропускают короткий импульс тока (0,1– 0,5 сек). В зоне контакта металл расплавляется и под давлением формируется литое ядро (точка). Используется в автомобилестроении для кузовов, в приборостроении. Шовная сварка — это разновидность

точечной, где электроды выполнены в виде вращающихся роликов. Подавая ток импульсами, на листе получают цепочку перекрывающихся точек, формирующую герметичный шов. Используется для производства барабанов, баков, труб. Стыковая сварка служит для соединения деталей по всей площади торцов. Бывает двух видов: сварка сопротивлением (детали плотно сжимают и пропускают ток — нагрев происходит во всей плоскости стыка) и сварка оплавлением (детали сжимают слабо, подают ток, возникает дуга, оплавляющая торцы, затем дают резкую осадку — вытесняя окислы). Стыковая сварка применяется для рельсов, арматуры, труб, инструмента. Главные преимущества контактной сварки — высочайшая производительность (сотни точек в минуту), отсутствие присадочных материалов и прочность соединения.

ВОПРОС 12. Пайка. Сущность метода.

Пайка — это технологический процесс получения неразъемного соединения материалов с нагревом, но без расплавления основного металла соединяемых деталей. Соединение достигается с помощью припоя — специального металлического сплава, температура плавления которого значительно ниже температуры плавления соединяемых материалов (обычно на 200–300°C). Сущность процесса заключается в том, что расплавленный припой смачивает нагретые поверхности основного металла, затекает в зазор (капиллярный эффект) и взаимодействует с ним (диффундирует, растворяет оксидные пленки). При охлаждении припой кристаллизуется, образуя прочную связь. Важную роль играют флюсы — вещества, которые удаляют оксидные пленки с поверхности детали и защищают ее от окисления в процессе пайки. Флюсы могут быть в виде паст, порошков или жидкостей (бура, канифоль, хлористый цинк). Припои классифицируются по температуре плавления: легкоплавкие (оловянно-свинцовые, температура до 450°C), среднеплавкие (медноцинковые, до 1100°C) и тугоплавкие (серебряные, никелевые, выше 1100°C). Пайка принципиально отличается от сварки тем, что основной металл не переходит в жидкую фазу, а его структура и свойства в зоне соединения остаются неизменными. Это позволяет паять микросхемы, тонкие провода, соединять разнородные (и даже неметаллические) материалы. К недостаткам относится относительно низкая прочность соединения по сравнению со сваркой (особенно при нагреве) и необходимость тщательной подготовки поверхностей. Пайка незаменима в электронике, холодильной технике, производстве теплообменников и ювелирном деле.