5 Теоретические основы для выполнения контрольной работы №2

5.1 Технология сварочного производства

Рассмотрите физическую сущность процесса сварки, используя знания о строении металлов и связи между атомами вещества. Металл состоит из множества положительно заряженных ионов, упорядочение расположенных в пространстве и связанных в единое целое облаком коллективизированных электронов. При соприкосновении двух металлических тел обычно не происходит их объединение в единое целое; этому препятствуют неровности на поверхности и пленки оксидов, гидридов и нитридов, дезактивирующих эту поверхность. 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 этом между затвердевающей расплавленной ванной и свариваемыми кромками 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 переводится 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, 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, что бы исключить местные разрушения при значительной пластической деформации в процессе сварки. Непластичные материалы (керамика, графит) образуют соединение в результате диффузии при длительном нагреве.

Свариваемость металлов. Возможность применения 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 деления металлов по степени свариваемости. К ограниченно сваривающимся металлам относят 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 в околошовной зоне при высокотемпературном нагреве.

По ряду перечисленных причин свариваемость металла увеличивается при 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 и размерам конструкции, экономическим критериям процесса. Усвойте основные технико-экономические показатели способов сварки и правила конструирования технологичных соединений.

Изучите классификацию способов сварки плавлением по виду источника теплоты [2].

Дуговая сварка. Это один из видов сварки плавлением, в котором источником тепла служит сварочная дуга  стабильный и управляемый электрический разряд в газовой среде. Дуга способна практически мгновенно расплавлять и нагревать до 20002500°С небольшие участки металла заготовки. Уясните условия возбуждения и стабилизации дуги, ее электрические и тепловые свойства, способы управления мощностью. При сварке стремятся к минимальному 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 60-70 В; стабильное горение 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 хода 60-70 В и падающей вольт-амперной характеристикой регулируемой кривизны. Дуговая сварка классифицируется по степени автоматизации и способам защиты шва от взаимодействия с атмосферой.

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 сварочное 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 восстанавливают 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 вызывают больших изменений сварочного тока из-за применения источников с крутопадающей вольтамперной 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 горит у противоположного на расстоянии около 300-400 мм. При чрезмерном токе возможен перегрев верхней части электрода джоулевым теплом, что вызывает отслаивание защитного покрытии и брак при сварке. Чтобы не допустить перегрева электрода, его диаметр выбирают в зависимости от толщины свариваемого металла, а сварочный ток по диаметру электрода. Изучите области применения этого способа сварки (материалы, толщину заготовок, тип конструкции). Способ эффективен при сварке коротких, прерывистые 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 он может удерживаться на вертикальной стене или в потолочном положении и счет сил поверхностного натяжения. Недостатки способа  тяжелый ручной труд и низкая производительность.

Автоматическая сварка под флюсом. Уясните, как обеспечивается начало процесса сварки, поддержание его на заданном режиме, защита от атмосферы и роль сварщика. Наладку автомата при заданной толщине свариваемого металла производит наладчик, определяя ток, скорость сварки, напряжение на дуге, а также скорость подачи электродной проволоки, равную скорости ее плавления при данном режиме. Возможные случайные отклонения режима в процессе сварки устраняют и автоматически по двум вариантам. В автомате с регулируемой скоростью подачи электродной проволоки, зависящей от напряжения на дуге, копируются действии сварщика. Автомат непрерывно сравнивает заданное напряжение (u_з) на дуге с действительным (u_д). Если u_д < u_з, скорость подачи электрода снижается, а если u_д > u_з - увеличивается, что устраняет обрывы дуги или короткие замыкании Автоматы с постоянной скоростью подачи электродной проволоки основаны на саморегулировании дуги, за счет чего при случайном увеличении длины дуги снижается сварочный ток и скорость плавления электрода восстанавливается до заданного режима. Саморегулирование дуги эффективно для большой плотности тока (большой ток или малый диаметр электрода). Качество процесса автоматической сварки обеспечивается правильным выбором марок проволоки для сварки (они имеют пониженное содержание примесей и обозначаются индексом "Св"), а также флюса. Общие требования к флюсу следующие: при взаимодействии с металлом он должен давать шлак с меньшей, чем у металла, плотностью; не образовывать с ним промежуточных соединений; иметь большую усадку. Этим исключаются шлаковые включении в шве и достигается самопроизвольное отделение шлаковой корки от шва при остывании.

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, 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, меди, титана, алюминия и их сплавов.

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, 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 панны. Так, большинство марок конструкционных сталей сваривают и среде углекислого газа. Попадая в зону высоких температур дуги, этот газ диссоциирует с выделением атомарного кислорода. Для защиты от окисления применяют сварочную проволоку с повышенным содержанием кремния и марганца (до 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 (1-3 мм), повышенные значения тока и источники тока с жесткой или возрастающей вольтамперной 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.

Сварка и обработка материалов плазменной струей. При этом методе сварки источником теплоты служит струя газа, ионизированного в дуге. Ионизированный газ, соударяясь о менее нагретое тело, деионизируется с выделением дополнительного большого количества тепла. Температура плазменной струи зависит от степени ионизации газа. Для ионизации используют столб сжатой дуги, т. е. дуги, горящей в узком канале, через который под давленном продувают газ (аргон, азот, водород), дополнительно увеличивающий степень се сжатия. В этих условиях температура газа в столбе дуги достигает 30000°С, 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 следующих вариантах: в совмещении с дугой (при термической резке) и обособленно от дуги (при сварке, наплавке, напылении). Последний вариант пригоден для обработки токонепроводящих материалов.

Электрошлаковая сварка. Рассмотрите сущность процесса и его отличие от сварки под флюсом. Для начала процесса необходима шлаковая ванна, которую получают с помощью сварочной дуги. Подавая флюс в дугу, создают значительным слой электропроводного жидкого шлака. После создания слоя жидкого шлаки дуга погружается в него, удлиняется и становится неустойчивой. Это 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 перегретого 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 тепла при дуговом процессе. За счет применения такого источника обеспечивается возможность сварки за один проход заготовок большой толщины и достижение высокой производительности. Процесс сварки возможен при вертикальном расположении шва; скорость сварки может быть от 1 до 5 м/ч, а производительность тем выше, чем больше толщина свариваемый заготовок.

Электрошлаковую сварку применяют для соединения толстолистовых (более 20 мм) заготовок, отливок, поковок и слитков из чугуна, стали, меди, 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.

Сварка электронным лучом. Процесс относится к сварке плавлением. В отличие от дуговых методов сварки он выполняется в глубоком вакууме, где мало ионов, переносящих электрические разряды. Поэтому в вакууме дуговой электрический заряд неустойчив. Для сварки в вакууме с давлением от 1,33 10^-8 до 1,33 10^-10 МПа в качестве источника теплоты используют поток ускоренных электронов. Скорость электронов равна примерно половине скорости света, что достигается высоким напряжением (40150 кВ) между катодом и заготовкой (анодом). Электроны, излучаемые катодом, разгоняются, концентрируются в луч и бомбардируют металл, выделяя при торможении теплоту за счет перехода кинетической энергии в тепловую. Важно отметить, что энергию луча можно сконцентрировать 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 вакуумной камере, что обеспечивает наиболее высокое качество соединений любых металлов, в том числе тугоплавких, легко окисляемых при повышенных температурах.

Лазерная сварка. При лазерной сварке источником теплоты для расплавления свариваемых кромок служит узконаправленный монохроматический световой луч, который способен нагревать металл и другие непрозрачные материалы. Основными достоинствами лазерной сварки являются высокая локальность пятна нагрева, равного диаметру электронного луча, и 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.

Термическая резка. Под термической резкой понимают местное удаление материала заготовки по траектории реза. По механизму удаления различают химический процесс окисления нагретого металла кислородом и перевода его в легкоплавкие оксиды, удаляемые из зоны реза, а также электромеханический процесс нагрева до расплавления и выдувания жидкого металла из зоны реза. К первому виду относят газокислородную резку, а ко второму  дуговую, плазменную, электронно-лучевую и лазерную.

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 джоулевым теплом, выделяемым в месте контакта двух заготовок при протекании через них электрического тока, 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 зачем 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, с подгонкой их по площади поперечного сечения в месте сварки.

Сварку оплавлением применяют при соединении крупных заготовок различных поперечных сечений из любых сплавов без предварительной обработки торцов. Нагрев ведут до полного оплавления торцов. При последующем сжатии жидкий металл с оксидами и загрязнениями выдавливается 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 жидкого металла 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, а также способ их преодоления за счет конденсаторной сварки.

Изучите устройство машин для контактной сварки (для односторонней и двусторонней точечной сварки, одноточечные и многоточечные), назначение узлов машин и возможности 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.

Сварка трением и газопрессовая сварка. Эти способы относит к сварке давлением, но они различаются источниками тепла. Надо уяснить преимущества этих способов по сравнению с контактной стыковой сваркой, особенности процессов и рациональные области применения. Для сварки трением одна из заготовок должна вращаться относительно другой.

Положительной стороной газопрессовой сварки является более плавный, чем при контактной сварке, режим нагрева и охлаждения, а так же защита от окисления газовым пламенем. Поэтому она пригодна для сварки особо крупных заготовок. Важно, что при этом не требуется электроэнергии, что позволяет применять ее при ремонтных и других работах в полевых условиях.

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, и при контакте с давлением ниже предела текучести сохраняется форма заготовок, а наличие вакуума обеспечивает защиту от окисления. Этот способ позволяет получать соединения по большой контактной поверхности и без существенной пластической деформации и применяется для получения биметаллических заготовок, соединения металлов с неметаллами.

Ультразвуковая сварка. Способ применяют при сварке металлов и пластмасс. Металлические листовые заготовки сжимают и сообщают одной из них возвратно-поступательное перемещение вдоль плоскости сварки с ультразвуковой частотой. Сварка осуществляется за счет разрушения оксидных пленок при скольжении и совместной деформации заготовок. Нагрев при этом не превышает 200-300°С. Способ пригоден для тонколистовых заготовок, в том числе для сварки после окончательной упрочняющей обработки.

Пластмассы сваривают при колебаниях инструмента, направленного перпендикулярно свариваемым поверхностям. При этом заготовки размягчаются за счет нагревания при рассеивании упругих колебаний у поверхности контакта. Способ позволяет сваривать заготовки различных толщин: пленки и листы толщиной от 5 до 20 мм из термопластичных материалов.

При нанесении износостойких и жаростойких покрытий различают два основных метода нанесения покрытий: наплавку и напыление. При наплавке материал заготовки оплавляется и перемешивается с материалом покрытия. Поэтому способ применяют чаще всего для материалов, обладающих взаимной растворимостью. Он дает покрытия сравнительно большой толщины и реализуется всеми способами сварки плавлением. При напылении материал подложки не оплавляется, а материал покрытия в виде мелких капель, ударяясь о подложку, обеспечивает сцепление. Для напыления применяют главным образом плазменную струю.

Наряду со сваркой широко применяют другой вид неразъемных соединений - пайку, при котором расплавляется только припой, смачивая нерасплавляемые кромки заготовок. Изучите современные механизированные способы пайки; "твердые" и "мягкие" припои, особенности конструирования паяных соединений и типовую номенклатуру паяных конструкции.

Сварка и пайка являются завершающей операцией изготовления конструкции, определяющей ее надежность. Поэтому применимость сварки во многом зависит от достоверности контроля сплошности соединений. Изучите основные методы неразрушающего контроля сварных соединений и стандартные методы оценки их механических свойств. Сварная конструкция должна удовлетворять требованиям технологичности. Под технологичностью сварной 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.