Кваснiцкий Спецiальнi способи зварювання

УДК 621.79 ББК 34.641 К 32

Рекомендовано Міністерством освіти і науки України як навчаль-

ний посібник. Лист № 14/18.2-967 від 10.05.2002 р.

Рецензенти: доктор технічних наук, професор В.Д. Кузнецов; доктор технічних наук, професор Ю.М. Лебедєв; кандидат технічних наук, доцент Г.П. М'яльниця.

Науковий редактор – доктор технічних наук, професор В.Ф. Квасницький.

В.В. Квасницький

К 32 Спеціальні способи зварювання: Навчальний посібник. – Мико-

лаїв: УДМТУ, 2003. – 437 с.

ISBN 5-87848-096-4

Посібник укладено відповідно до програми курсу "Спеціальні способи зварювання" і призначено для студентів спеціальності "Технологія та устаткування зварювання", інших кораблебудівних і машинобудівних спеціальностей. Він може бути корисним також для аспірантів і молодих спеціалістів.

ВСТУП

Зварювання – один із провідних технологічних процесів, який широко застосовується в різних галузях господарства. Ефективність машин, енергетичних установок, багатьох інших виробів значною мірою визначають конструкційні матеріали, що постійно вдосконалюються та створюються їх нові марки і класи. У суднота машинобудуванні розширюється застосування високоміцних та високолегованих сталей, сплавів алюмінію, титану, міді тощо як в однорідних, так і в різнорідних сполученнях. Успішне використання цих матеріалів забезпечується розвитком зварювального виробництва.

Подальше підвищення ефективності зварювального виробництва може бути досягнуте як за рахунок удосконалення існуючих способів зварювання, так і застосування нових. Наприклад, відомі високоефективні способи зварювання суднокорпусних конструкцій струмами високої частоти [63], при яких продуктивність праці зростає в 5…6 разів у порівнянні з механізованими способами електродугового зварювання, а також відпадає необхідність використання електродів, флюсів і зварювальних дротів. Наслідком розвитку існуючих дугових способів є імпульсно-дугове зварювання. Велику роль у суднобудуванні відіграє термічне різання, за допомогою якого переробляється близько 80 % всього металу. За трудомісткістю термічне різання складає 10…20 % загального обсягу робіт у суднокорпуснооброблювальному виробництві [23]. Найбільш широко застосовується повітряноплазмове різання, яке замінило газо-кисневе. Використання тонколистових матеріалів сприяло розвитку мікроплазмового різання і зварювання. У суднобудуванні розширюється застосування лазерної обробки металів [157].

Ремонт суден і кораблів на плаву, будівництво морських гідротех-

3

нічних споруд, підводних трубопроводів різного призначення, освоєння континентального шельфу важко уявити без підводного різання та зварювання.

Важливе значення для України має енергетика. Ефективність енергетичних установок знаходиться в прямій залежності від параметрів робочого тіла. Наприклад, розрахунки та досвід експлуатації газотурбінних установок показують, що підвищення температури газу перед турбіною з 820 до 1050 ºС дозволяє подвоїти потужність та підвищити економічність без зміни її габаритів [48]. Підвищення температури робочого тіла пов'язане з виробництвом високожароміцних дисперснозміцнених, композитних та неметалічних матеріалів, які неможливо з'єднати електродуговим зварюванням. При виготовленні ряду деталей застосування електродугового зварювання неможливе за конструкційними особливостями.

В енергетиці та новій техніці використовують тугоплавкі метали та їх сплави, що мають високу хімічну активність щодо газів та надзвичайно чутливі до перегріву при зварюванні. У приладобудуванні, радіоелектроніці, новій техніці, інструментальному виробництві необхідні прецизійні способи зварювання з обмеженою температурою нагрівання.

Вирішення перерахованих та багатьох інших проблем стало можливим завдяки розробці спеціальних способів зварювання. Створені для зварювання певних матеріалів або конструкцій, ці способи виявилися більш ефективними, ніж традиційні електродугові та електроконтактні, також при виготовленні деталей, вузлів і конструкцій, що звичайно вироблялися за допомогою традиційних способів. Разом із тим спеціальні способи зварювання змінили уявлення про здатність металів до зварювання: багато з них перейшли з розряду металів, що погано зварюються, у розряд металів із доброю або задовільною здатністю до зварювання.

4

Головним недоліком електродугового зварювання є відносно невелика концентрація енергії в дузі та недосконалість захисту металу від взаємодії з азотом та киснем. Тому досить тривала дія високих температур при недостатньому захисті металу може призвести до втрати ним важливих властивостей (пластичності, міцності, корозійної стійкості, стійкості проти переходу в крихкий стан тощо). Значні розміри шва і зони термічного впливу зумовлюють великі витрати електричної енергії та значні пластичні деформації зварних конструкцій. Ці недоліки значною мірою можуть бути усунуті при використанні джерел тепла з високою концентрацією енергії (електронний та лазерний промені), управлінням процесами плавлення і переносу металу та формування шва, застосуванням вакуумного захисту, а також зварювання

втвердому стані.

Удругій половині двадцятого століття створено десятки нових способів зварювання. Теорія, технологія та обладнання багатьох із них висвітлені в монографіях та наукових статтях. У даному навчальному посібнику детально розглянути всі способи та їх використання неможливо. Тому, по-перше, посібник містить досить великий список літератури, що полегшує самостійну роботу студентів та знайомить їх з різними поглядами авторів. По-друге, в посібнику детальніше висвітлено поширені способи зварювання тиском та плавленням, які дозволяють найбільш ефективно вирішити проблеми з'єднання спеціальних сталей і сплавів, кольорових та тугоплавких металів, композиційних та неметалічних матеріалів, створення спеціальних деталей і конструкцій в особливих умовах та з використанням різноманітних джерел тепла. За фізико-хімічними, тепловими і металургійними процесами, технологією та обладнанням ці способи, як правило, суттєво відрізняються від електродугового й електрошлакового зварювання, що складають основу курсу "Зварювання плавленням", та контактного зварювання, що складає основу курсу "Зварювання тиском".

5

Розвиток та впровадження багатьох спеціальних способів зварювання і споріднених технологій відбувалися завдяки праці радянських та українських вчених, а також особисто Президента Національної академії наук України академіка Б.Є. Патона. Серед організацій провідну роль у розвитку багатьох із цих способів відіграв Інститут електрозварювання імені Є.О. Патона НАН України.

Посібник написано відповідно до програми однойменного курсу в УДМТУ. Вперше такий курс лекцій і лабораторних занять був уведений у МВТУ імені М.Е. Баумана академіком Г.О. Ніколаєвим та професором М.О. Ольшанським. В УДМТУ він викладається вже декілька десятків років і відіграє важливу роль у підготовці інженерів для ряду провідних підприємств України.

Автор висловлює щиру подяку науковому редактору проф. В.Ф. Квасницькому, рецензентам проф. В.Д. Кузнецову, проф. Ю.М. Лебедєву та доц. Г.П. М'яльниці за цінні зауваження та поради при підготовці посібника.

1.ТЕОРЕТИЧНІ ОСНОВИ ЗВАРЮВАННЯ ТИСКОМ

Упромисловості найбільш поширеним способом зварювання тиском є контактне зварювання, а при виготовленні автомобілів цей спосіб є основним. У суднобудуванні контактне зварювання застосовують

уцехах добудови при виготовленні круглих і прямокутних сталевих вентиляційних труб, сіток, ґрат, а також шухляд, щитів, шаф та інших виробів з алюмінієвих сплавів. Застосування контактного зварювання може значно зрости в заготівельних та основних цехах підприємств (стикове зварювання набору, полотнин тощо). Точкове зварювання по шару рідкого клею використовують у виробництві цілого ряду клеє зварних конструкцій.

Спеціальні способи зварювання тиском, які розглядаються в посібнику, суттєво відрізняються від контактного зварювання. Вони теж уже вийшли за межі лабораторій і без них неможливе виготовлення багатьох важливих вузлів і конструкцій. Наприклад, у суднокорпусобудуванні часто необхідно до сталевого корпусу приварювати надбудови, рубки, труби, леєра з легких алюмінієво-магнієвих сплавів. Палубні надбудови довжиною в кілька десятків метрів виготовляють зі сплавів АМг5В чи АМг61, а корпус – зі сталі 09Г2 чи 10ХСНД. Алюміній із залізом утворюють крихкі інтерметаліди FeAl3, Fe2Al5 тощо. Безпосереднє зварювання плавленням алюмінієвих сплавів зі сталлю не дає позитивних результатів. Одним із способів виготовлення сталеалюмінієвих корпусних конструкцій є їх з'єднання за допомогою біметалічних вставок. Біметалічні вставки встановлюють між елементами конструкції з різнорідних металів. При такому способі надбудова з'єднується з алюмінієвою частиною вставки звичайними способами зварювання плавленням, а корпусна сталь зварюється з нержавіючою сталлю аустенітними електродами за технологією, передбаченою для

7

зварювання хромонікелевих сталей з вуглецевими. Вибір режимів зварювання ведуть з урахуванням того, що біметал у зоні стика не повинен нагріватися вище 450 °С, щоб уникнути утворення інтерметалідів та розшарування вставки. Цим способом можна з'єднувати різнорідні метали, отримуючи з'єднання стикові, таврові, кутові та внапусток.

Розроблено технологію виготовлення та організовано промисловий випуск біметалічних листів АМг6 + сталь 12Х18Н10Т зварюванням прокаткою і вибухом. Біметалічні листи товщиною 3,5…11,0 мм випускають площею до 1,3 м2. Зварювання тиском застосовують для одержання біметалічних листів і труб, що мають інші сполучення матеріалів, наприклад: алюміній + Ст3, титан + сталь, мідь + сталь, латунь + сталь, нержавіюча сталь + вуглецева сталь.

Спеціальні способи зварювання тиском (дифузійне, тертям, холодне, ультразвукове тощо) дозволяють значно розширити можливості виготовлення зварних деталей та конструкцій. Наприклад, дифузійне зварювання у вакуумі дозволяє здійснити так зване прецизійне зварювання, тобто одержати конструкції із заданими розрахунковими розмірами та з металів, що характеризуються надзвичайно високою активністю до газів; ультразвуковим зварюванням з'єднують деталі електронної і радіоелектронної техніки і т. ін. Звичайно кожний зі спеціальних способів зварювання має певну найбільш ефективну сферу застосування. Для кожного способу характерні свої параметри режиму та особливості зварювання. Завдяки цьому було висунуто досить багато гіпотез зварювання тиском: плівочна, енергетична, рекристалізаційна, дифузійна, електронна та інші, але вони базувалися на дослідженні певних процесів та їх впливу на зварювання, причому процеси вивчалися на різних структурних рівнях. Тому в посібнику перед розглядом теоретичних основ зварювання тиском наведено короткі відомості про будову металів і сплавів.

8

1.1. Будова металів і сплавів

Склад і будова матеріалів для зварних конструкцій визначають їх властивості та технологію обробки, у тому числі зварювання та паяння. Розглядаючи будову матеріалів, можна говорити про його макро- і мікроструктуру, атомну і кристалічну структуру. Кінцевою ланкою в ієрархічній послідовності структур є електронна. Кожна з перерахованих структур впливає на властивості матеріалу. Вплив на властивості матеріалу електронної структури описує теорія електронних станів, кристалічної – динаміка ґраток, атомної – теорія точкових дефектів і дислокацій, мікроструктури – теорія границь зерен. Вплив макроструктури визначається кількістю і характером макродефектів у матеріалі, наприклад пор, тріщин тощо. Перераховані структури знаходяться у взаємозв'язку та взаємодії [1,137]. Аналіз кожного рівня структури може бути зроблений тільки на основі структури більш глибокого рівня.

Завдання технологічного процесу зварювання – створення міжатомних зв'язків між елементами, які з'єднуються в конструкції, тобто утворення в результаті електронної взаємодії енергетично стійких електронних конфігурацій. Наприклад, при зварюванні будь-якого сплаву або чистого металу в зоні з'єднання повинна бути структура, характерна для цих матеріалів. Оскільки структуру можна розглядати на різних рівнях, то в центрі уваги будуть різні процеси. При вивченні з'єднань на мікроструктурному рівні предметом досліджень будуть границі зерен, на атомному рівні – фізична мікронеоднорідність, на макроструктурному рівні – стан поверхні та макродефекти. Встановлення міжатомних зв'язків можливе тільки при зближенні поверхонь, що з'єднуються, на міжатомні відстані, а цьому перешкоджають нерівності, шорсткості і забруднення поверхонь. Ці перешкоди повинні бути усунуті. Якщо між поверхнями встановлюються міжкристалітні міжатомні зв'язки, тобто зв'язки між зернами з різним кристалографічним орієнтуванням, то з'єднання буде поступатись основному металу

9

за міцністю, особливо при високих температурах. Для забезпечення рівноцінності з'єднання й основного металу за механічними властивостями, у зоні з'єднання повинні утворюватися спільні зерна між елементами, які з'єднуються. У зоні зварювання не повинно бути також дефектів кристалічної структури: пористості, фізичної і хімічної мікронеоднорідності тощо. Таким чином, на властивості з'єднань впливають електронна, атомна, кристалічна, мікро- і макроструктури металу, що утворюються в зоні зварювання.

1.1.1. Електронна структура атомів і твердих тіл. Стан та енергія електронів в атомі визначаються чотирма квантовими числами: п – головне квантове число, що визначає енергію і розмір електронної орбіталі та співпадає з номером періоду елемента в Періодичній системі елементів Д.І. Менделєєва; l – орбітальне квантове число, що змінюється від 0 до п – 1 і визначає енергію, орбітальний момент кількості руху і форму орбіталі; ml – магнітне квантове число, що змінюється від –l до

+l; ms – спінове квантове число, що має тільки два значення: + 12 і − 12 .

Електронні оболонки, які мають головні квантові числа n, які дорівнюють 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, позначаються відповідно буквами K, L, M, N, О, P, Q. Орбітальні квантові числа l, які дорівнюють 0, 1, 2, 3, 4, позначаються відповідно s, р, d, f, q. Сукупність електронів з однаковим значенням l визначає підгрупу (підрівень) даної оболонки. Наприклад, оболонка п = 2 має дві підгрупи типів: s, p. У показнику типу підгрупи вказується число електронів у підгрупі. Наприклад, електронна конфігурація алюмінію записується так: 1s2 2s2 2р6 3s2 3р1.

Відповідно до принципа заборони Паулі, в атомі не може бути двох електронів з однаковими всіма чотирма квантовими числами. Тому загальна кількість електронів на певній оболонці

l=n−1

Nn = 2 ∑(2l +1) = 2n2 .

l=0

10