Министерство образования И НАУКИ

Российской федерации

__________________

Санкт-Петербургский институт машиностроения

(ЛМЗ-ВТУЗ)

________________________________________________________

Иванова И. В., Федоренко Г. А.

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СВАРКИ

ПЛАВЛЕНИЕМ И ДАВЛЕНИЕМ

Монография

Часть 1

Санкт-Петербург

2011

УДК 621.438.165

Иванова И.В., Федоренко Г.А.Технологические основы сварки плавлением и давлением: Монография - СПб.: Изд-во ПИМаш, 2011 – 116 с.

Монография. Составлена в соответствии с программами машиностроительных вузов и факультетов по курсу «Технологические основы сварки плавлением и давлением». Рассмотрены принципы неразрушающих и разрушающих методов контроля материалов и сварных соединений, технологические операции контроля, даны рекомендации о порядке выполнения работ, необходимые сведения по технике безопасности, организации службы контроля, а также даны характеристики дефектов, встречающихся при сварке.

Предназначено для студентов машиностроительных специальностей, обучающихся по направлению подготовки «Оборудование и технология сварочного производства». Может быть полезно инженерно-техническим работникам машиностроительных предприятий, аспирантам и соискателям.

Ил. – 41, табл. – 5, библиогр. – 3 назв.

Рецензенты: к.т.н., проф. В.Е. Завьялов (ПИМаш)

Р.Л. Табакман (ОАО «ИЗ»)

 Санкт-Петербургский институт

машиностроения, 2011

1. Общая схема образования сварных соединений, их классификация, терминология, элементы подготовки под сварку, стандарты

И ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ

С древних времен человек, осваивающий природу, вынужден был при создании жилищ, средств проживания, связи, обороны и т. д. прибегать к приемам соединения разобщенных предметов в единое целое. Освоение металлических материалов привело человека к созданию кузнечной сварки еще до начала нашей эры. Дальнейшее развитие способов создания неразъемных металлических соединений привело к современному состоянию сварочного производства.

Твердый конструкционный материал представляет собой тело, состоящее из атомов и молекул взаимодействующих между собой. На молекулярном уровне - это взаимодействие, проявляющееся в виде сил притяжения разноименно заряженных частиц и отталкивания частиц с одноименными зарядами. Формы этого взаимодействия в твердых телах сложны и не являются предметом рассмотрения в данном курсе. Однако, механизм этого взаимодействия начинает работать, когда поверхности двух разобщенных металлических предметов сближаются на расстояние межатомного взаимодействия этих частиц. Сближение поверхностей разобщенных частей твердого тела металлического или неметаллического строения до расстояний межатомного взаимодействия, и образование, вследствие этого, неразъемного соединения, называется сварочным процессом, а само соединение – сварным швом.

Сблизить две твердые поверхности на такие расстояния весьма сложно по двум причинам. Во-первых, шероховатость и волнистость поверхности каждой детали должна обеспечивать возможность сближения на расстояние между ними до 0,0002 – 0,0003 мкм. Во-вторых, поверхности должны быть абсолютно чистыми - без пыли, влаги, адсорбционных наслоений и оксидных пленок

Поверхность любых металлов из-за механической обработки или других форм воздействия, представляет собой полностью разрушенную и разориетированную кристаллическую структуру (рис. 1).

Р ис. 1. Кристаллическая структура металла

Она состоит из чередующихся между собой выступов в виде пирамид различной высоты и впадин (рис. 2).

Р ис. 2. Поверхностный слой металла

Глубина поверхностного слоя (т.е. высота пирамид) зависит от способа механической обработки: после тонкого шлифования от 2 до 2,5 мкм, после точения и грубого шлифования от 75 до 250 мкм, после полирования от 0,2 до 0,5 мкм.

В то же время, для межатомного взаимодействия поверхности металла необходимо сблизить на расстояние 0,0002 – 0,0003 мкм. Разрушенный кристаллический слой (поверхностный) является концентратором избыточной энергии, за счет которой весьма активно оксидируется металлическая поверхность. Это оксидирование (образование поверхностных окислов) протекает весьма быстро. Так, на поверхности, образовавшейся в результате разрушения образца, за миллионные доли секунды (2,4 ∙ 10^-9) ч появляется мономолекулярный слой кислорода, вступающий во взаимодействие с разрушенной и деформированной кристаллической поверхностью. Кроме этого, воздушная среда помещения, где происходит обработка поверхности металла, всегда насыщена электрически полярными парами воды, масла, пылью, сварочными аэрозолями и т. д., которые, оседая на поверхности, образуют адсорбционные наслоения по оксидному слою.

Таким образом, подготовить поверхность без шероховатостей невозможно, как невозможно обеспечить и зафиксировать удаление оксидных и адгезионных пленок на поверхности твердых металлов.

Совместить эти два фактора можно либо в процессе сдавливания этих поверхностей, когда деформируемые пирамидки освобождаются от оксидных и адгезионных наслоений, выталкиваемых наружу из плоскости сдавливаемых поверхностей, а элементы самих поверхностей сближаются до расстояний межатомного взаимодействия.

Второй возможностью образования сварных швов является расплавление поверхностей сближаемых твердых металлических тел. Образовавшиеся в результате этого однородные по фазе металлические жидкости соединяются в раствор, который при остывании превращается в сварной шов.

Поэтому, все способы сварки могут классифицироваться по двум признакам протекания процесса – сварка давлением и сварка плавлением.

Сварной шов при сварке давлением образуется в процессе пластической деформации волнистости поверхности и микровыступов и очисткой их поверхностей от оксидных и адгезионных наслоений, сближения этих поверхностей до расстояния их активации и протекающего на последнем этапе объемного взаимодействия.

Если все эти процессы развиваются в полном объеме, в зоне соединения образуются общие зерна или новые фазы. В этом случае при сварке однородных металлов служебные характеристики сварного шва соответствуют уровню основного металла.

Если указанные выше процессы развиваются не в полной мере, образование сварного соединения заканчивается на стадии схватывания отдельных контактных поверхностей. Сварной шов в этом случае можно рассматривать как «структурный надрез», имеющий высокие механические характеристики, но низкую пластичность, вязкость и работу задержанного разрушения.

Сварной шов при сварке плавлением образуется в результате расплавления основного металла двух свариваемых металлических тел – деталей в зоне их сближения или расплавления этих деталей с добавкой постороннего металла – присадочной проволоки. Неразъемное соединение выполненное подобным образом называется сварным соединением (рис. 3).

Р ис. 3. Сварное соединение

Сварное соединение включает в себя сварной шов 1, зону сплавления 2, зону термического влияния 3 и основной металл 4.

Сварной шов образуется в результате кристаллизации расплавленного основного металла стыкуемых деталей или с добавкой к этому металлу присадочной проволоки в виде отдельных прутков, подаваемых в расплавленный металл сварочной ванны (места на стыкуемых деталях, где происходит расплавление металла деталей и подаваемой проволоки), или проволоки, запитанной током, между расплавляемым концом которой и сварочной ванной, горит электрическая дуга. Эта проволока называется плавящимся электродом. В случае, когда дуга горит между нерасплавляемым стержнем и сварочной ванной, последний называется неплавящимся электродом.

Зона сплавления 2, максимальная ширина которой достигает величины 0,1 – 0,3 мм, является участком перехода от расплавленного металла шва к нерасплавленному металлу. Эта зона состоит из частично расплавленных зерен основного металла и прослоек между ними в виде закристаллизовавшегося металла шва.

Зона термического влияния 3 прилегающая к зоне сплавления 2 (рис. 3), – это участок основного металла, подвергшийся большому перегреву от теплового потока термического цикла сварки, в результате чего металл зоны термовлияния претерпевает структурные изменения, влияющие на свойства его работоспособности.

Основной металл 4 – металл соединяемых частей находится за пределами зоны термовлияния и не претерпевает в результате этого изменения своих свойств.

Две трети промышленного потребления проката стали во всем мире идут на создание сварных конструкций толщиной от нескольких миллиметров до величины более метра и массой от долей граммов до тысяч тонн. В промышленно развитых странах на производстве сварных конструкций занято около 5 млн. человек, из них порядка 80 % занято в производстве сварки электродуговыми методами.

Ежегодный оборот сварочного производства в масштабах земли составляет 40 млн. долларов. Из них 70 % расходуется на сварочные материалы и оплату труда сварщиков, а 30% - на сварочное оборудование.

Основные процессы получения неразъёмных соединений сваркой следующие.

1. Газопламенная сварка, при которой пламя горючего газа (ацетилена, пропан – бутана и др.), смешанного с кислородом, разогревает и расплавляет свариваемую поверхность и подаваемую в зону разогрева присадку, вследствие чего образуется соединение, которое после остывания превращается в сварной шов.

2. Термитная сварка основана на восстановлении металла из окислов с помощью другого более активного металла. Применительно к сварке сталей в качестве термитов используют смесь порошка окислов железа (окалины) и алюминия. После поджигания смеси порошков протекает реакция

3Fe₃O₄ + 8Al = 4Al₂O₃ + 9Fe (1)

При сгорании 1 кг смеси выделяется 3100 кДж, которые нагревают восстановленное железо до (2200 – 2400) ⁰С. Расплавленное железо поступает в зазор между заформованными в опоке деталями, заполняет его и образует сварной шов.

3. Дуговая сварка покрытыми электродами осуществляется за счёт расплавления дугой, возникающей между свариваемыми деталями и электродом. Расплавленный металл как деталей, так и электрода, после остывания превращается в сварной шов. Защита сварочной ванны от насыщения её газами воздуха осуществляется выделяющимися газами из расплавляемого покрытия электродов.

4. При сварке под флюсом электрическая дуга горит в газовом пузыре, который надежно защищает сварочную ванну от контакта с воздухом, т. к. находится под слоем расплавленного флюса.

5. При сварке в среде защитных газов электрическая дуга и сварочная ванна защищаются от воздуха потоком защитного газа, который поступает в зону сварки из сопла горелки, расположенной над этой зоной.

6. Процесс электрошлаковой сварки - это бездуговой процесс, в котором плавление металла и поступающей в шов проволоки, пластинчатых электродов или плавящегося мундштука происходит за счёт выделения тепла в жидкой ванне расплавленного шлака при прохождении через эту ванну тока.

7. Сварка электронным лучем, или лучем монохроматического когерированного пучка света (лазером), осуществляется с большой плотностью энергии в пятне на свариваемых деталях, которая достигает 10⁵ Вт/см².

Перечисленные выше способы относятся к термической сварке плавлением без приложения давления.

Далее следуют способы термической сварки с приложением давления.

1. Контактная сварка, при которой сварное соединение образуется вследствие сближения под давлением двух деталей с одновременным пропусканием через находящиеся в контакте поверхности этих деталей электрического тока. Разновидностями контактной сварки являются точечная, шовная, стыковая и т. д.

2. При диффузионной сварке формирование неразъёмного соединения осуществляется на деталях, стыкуемые кромки которых предварительно подогреты до температуры 0,4Т_пл ≤ Т ≤ Т_пл где: Т_пл - температура плавления данного материала. Детали помещают в камеру с вакуумом (1,3 – 1,5) ∙ 10^-2 Па, сжимают под давлением (10 – 30) МПа и выдерживают в сжатом состоянии от 3 минут до нескольких часов.

3. При холодной сварке к двум состыкованным деталям прикладываются усилия сжатия, которые приводят к значительной совместной пластической деформации деталей в зоне стыка, доходящей до 80 %.

4. Ультразвуковая сварка осуществляется за счёт приложения сжимающего усилия к нахлёсточному соединению двух деталей, колеблющихся друг относительно друга в плоскости их соединения с ультразвуковой частотой.

5. Сварка взрывом является разновидностью сварки давлением, только энергия давления индуцируется взрывчатым веществом.

6. Сварка трением осуществляется без подогрева кромок с одновременным приложением к свариваемым деталям двух усилий: осевого, сжимающего эти детали, и вращения одной детали относительно другой.

Наиболее существенные объёмы сварки в мировом производстве принадлежат следующим видам:

На первом месте находится сварка в среде защитных газов плавящимся и неплавящимся электродом. Ее объем от общего объема мировой сварки составляет ≈ 50 % и налицо тенденции дальнейших увеличений этих объемов;

На втором месте находится ручная сварка покрытыми электродами, объем которой в общемировом производстве составляет (15 – 18) %. Однако, наблюдается тенденция дальнейшего сокращения этого объема.

На третьем месте находится сварка под флюсом, объём которой в мировом производстве составляет (10 – 12)%.

На указанные три вида сварки приходится порядка 80 % объёма всего мирового производства сварочных работ. В оставшихся 20 % объёма наиболее существенная роль отводится контактной сварке (5 – 8) % от общего объёма и лазерной – менее 2 %.

В реакторном машиностроении основной объём производства сварных конструкций падает на электродуговую сварку плавлением - ручную сварку покрытыми электродами, автоматическую сварку под флюсом, электрошлаковую сварку, сварку в среде защитных газов и пайку металлов и сплавов.

Технология сварки - это совокупность материалов, средств технологического оснащения и приемов, правильное применение которых приводит к получению сварного соединения требуемого качества. Она включает в себя следующие элементы.

1. Форма подготовки свариваемых кромок и размеры их конструктивных элементов.

2. Сварочные материалы (марки электродов, проволок, флюсов, защитных газов).

3. Значения параметров режима сварки, род тока, полярность, количество проходов и значения параметров, определяющих внешнюю форму шва.

4. Указания об условиях и технике выполнения сварки.

Сварные соединения подразделяются на типы, а сварные швы - на виды.

Основные типы сварных соединений: стыковые, тавровые, угловые, нахлесточные, крестовые и прорезные (рис.4).

Рис. 4. Основные типы сварных соединений

В зависимости от толщины свариваемого материала и требований, предъявляемых к сварной конструкции, перечисленные типы сварных соединений могут выполняться без скоса и со скосом кромок, а также иметь особые геометрические формы разделок кромок.

Основные виды сварных швов:

• по типу соединения: стыковые, угловые, электрозаклепочные и прорезные;

• по форме наружной поверхности: с усилением и без усиления, прерывистые и непрерывные;

• по выполнению в пространственном положении: нижние, вертикальные, горизонтальные и потолочные;

• по формированию шва: со свободным и принудительном формированием;

• по протяжённости и числу слоев: короткие (длиной до 0,5 м) и длинные; однопроходные и многопроходные.

Элементы сварного соединения.

Простейшие сварные швы выполняются наложением одиночного валика. Так как при этом совершается одноразовое перемещение дуги по изделию, шов называется однопроходным.

При подготовке деталей под сварку их соединяют друг с другом посредством прихваток. Прихватка – это одиночный валик длиной от 20 до 120 мм с площадью поперечного сечения не более 1/3 площади поперечного сечения шва.

Сварка деталей большой толщины выполняется наложением большого количества одиночных валиков, т. е. многопроходным швом. Первый одиночный валик, выполненный в самом узком месте разделки (в её основании), называется корневым проходом. Если корневой проход выполняется без соблюдения особых условий, приводящих к качественному формированию его обратной стороны, то после выполнения еще нескольких проходов со стороны разделки, где выполнялся корневой проход, корень шва с обратной стороны разделки подвергается частичной выборке – механической либо газопламенной, или электродуговой строжке с последующей заваркой удалённой части шва.

Одиночный валик, накладываемый по выборке, называется подварочным швом.

Многопроходные швы при ручных и механизированных видах сварки выполняются посредством последовательного наложения валиков, заполняющих сечение разделки от кромки до кромки. Наплавленная при таком заполнении от кромки до кромки часть шва называется слоем.

Кромкам деталей, подлежащим сварке, придаются необходимые геометрические формы, которые называются конструктивными элементами сварного соединения. В качестве конструктивных элементов выступают толщина детали S, зазор между свариваемыми кромками b, угол скоса кромок β, радиус R при криволинейном скосе кромок и притупление кромок в корне шва c.

Конструктивные элементы сварных соединений для дуговой, электрошлаковой и контактной сварки сталей регламентированы следующими стандартами.

1. Для ручной сварки покрытыми электродами – ГОСТ 5264-80 «Ручная дуговая сварка. Соединения сварные. Основные типы, конструктивные элементы и размеры».

2. Для механизированной сварки под флюсом – ГОСТ 8713-79 «Сварка под флюсом. Соединения сварные. Основные типы, конструктивные элементы и размеры».

3. Для электрошлаковой сварки – ГОСТ 15164-78. «Электрошлаковая сварка. Соединения сварные. Основные типы, конструктивные элементы и размеры».

4. Для ручной и механизированной сварки в защитных газах - ГОСТ 14771-76 «Дуговая сварка в защитном газе. Соединения сварные. Основные типы, конструктивные элементы и размеры».

5. Для сварки элементов под острыми и тупыми углами -ГОСТ 11534-75 «Ручная сварка» и ГОСТ 11533-75 «Сварка под флюсом».

6. Для сварки нахлесточных соединений с электрозаклепочными швами и прорезными соединениями – ГОСТ 14776-79 «Дуговая сварка. Соединения сварные. Основные типы, конструктивные элементы и размеры».

7. Для контактной сварки – ГОСТ 15878-79 «Контактная сварка. Соединения сварные. Конструктивные элементы и размеры».

Для ряда других материалов (цветных, температурно активных) наиболее часто применяются следующие стандарты.

8. Для сварки алюминиевых сплавов – ГОСТ 14806-80 «Швы сварных соединений. Дуговая сварка алюминия и алюминиевых сплавов», ГОСТ 27580-88 «Дуговая сварка алюминия и алюминиевых сплавов в инертных газах. Соединения сварные под острыми и тупыми углами».

9. Для сварки меди и медно-никелевых сплавов – ГОСТ 16038-80. «Швы сварных соединений трубопроводов из меди и медно-никелевых сплавов».