Общие сведения о сварке металлов

Обновлено: 22.01.2025

Сваркой называется процесс получения неразъемных соединений по­средством установления межатомных связей между свариваемыми частя­ми при их нагревании или пластическом деформировании, или совмест­ном действии того и другого (ГОСТ 2601-84).

Различают два вида сварки: сварку плавлением и сварку давлением.

Сущность сварки плавлением состоит в том, что металл по кромкам свариваемых частей оплавляется под действием теплоты источника нагре­ва. Источником нагрева могут быть электрическая дуга, газовое пламя, расплавленный шлак, плазма, энергия лазерного луча. При всех видах сварки плавлением образующийся жидкий металл одной кромки соеди­няется и перемешивается с жидким металлом другой кромки, создается общий объем жидкого металла, который называется сварочной ванной. После затвердевания металла сварочной ванны получается сварной шов.

Сущность сварки давлением состоит в пластическом деформировании металла по кромкам свариваемых частей путем их сжатия под нагрузкой при температуре ниже температуры плавления. Сварной шов получается в результате пластической деформации. Сваркой давлением хорошо сва­риваются только пластические металлы: медь, алюминий, свинец и др. (холодная сварка).

Среди большого разнообразия различных видов сварки плавлением ве­дущее место занимает дуговая сварка, источником теплоты при которой служит электрическая дуга.

В 1802 году российский ученый В. В. Петров открыл явление электри­ческого дугового разряда и указал на возможность использования его для расплавления металлов. Своим открытием В. В. Петров заложил начало развитию новых отраслей технических знаний и науки, получивших в дальнейшем практическое применение в электродуговом освещении, а затем при электрическом нагреве, плавке и сварке металлов.

В 1882 году другой российский ученый-инженер Н. Н. Бенардос, работая над созданием крупных аккумуляторных батарей, открыл способ электродуго­вой сварки металлов неплавящимся угольным электродом. Им был разрабо­тан способ дуговой сварки в защитном газе и дуговая резка металлов.

В 1888 году российский инженер Н. Г. Славянов предложил произво­дить сварку плавящимся металлическим электродом. С именем Н. Г. Славянова связано развитие металлургических основ электрической дуговой сварки, создание первого автоматического регулятора длины дуги и пер­вого сварочного генератора. Им были предложены флюсы для получения высококачественного металла сварных швов. (В Московском политехни­ческом музее имеется подлинный сварочный генератор Н. Г. Славянова и экспонируются образцы сварных соединений).

В 1924 — 1935 гг. в основном применяли ручную сварку электродами с тонкими ионизирующими (меловыми) покрытиями.] В эти годы под ру­ководством академика В. П. Волошина были изготовлены первые отече­ственные котлы и корпуса нескольких судов. С 1935-1939 гг. стали при­менятся толстопокрытые электроды. Для электродных стержней исполь­зовали легированную сталь, что позволило использовать сварку для изго­товления промышленного оборудования и строительных конструкций. В процессе развития сварочного производства была разработана технология сварки под флюсом. Сварка под флюсом позволила увеличить произво­дительность процесса в 5-10 раз, обеспечить хорошее качество сварного соединения за счет увеличения мощности сварочной дуги и надежной за­щиты расплавленного металла от окружающего воздуха, механизировать и усовершенствовать технологию производства сварных конструкций. В начале пятидесятых годов Институтом электросварки им. Е.О.Патона бы­ла разработана электрошлаковая сварка, что позволило заменить литые и кованые крупногабаритные детали сварными; заготовки стали более транспортабельными и удобными при сборке-монтаже.

С 1948 г. получили промышленное применение способы дуговой свар­ки в инертных защитных газах: ручная неплавящимся электродом, меха­низированная и автоматическая неплавящимся и плавящимся электро­дом 1950-1952 гг. в ЦНИИТмаше при участии МВТУ и ИЭС им. Е.О. Патона была разработана сварка низкоуглеродистых и низколегирован­ных сталей в среде углекислого газа — процесса высокопроизводительно­го и обеспечивающего хорошее качество сварных соединений. Сварка в среде углекислого газа составляет около 30% объема всех сварочных ра­бот в нашей стране. Разработкой этого способа сварки руководил доктор наук, профессор К. Ф. Любавский.

В конце пятидесятых годов французскими учеными был разработан новый вид электрической сварки плавлением, получивший название электронно-лу­чевой сварки. Этот способ сварки применяется и в нашей промышленности. Впервые в открытом космосе была осуществлена автоматическая сварка и резка в 1969 г. космонавтами В. Кубасовым и Г. Шониным. Продолжая эти работы в 1984 г., космонавты С. Савицкая и В. Джанибеков провели в откры­том космосе ручную сварку, резку и пайку различных металлов.

К сварке плавлением относится также газовая сварка, при которой для нагрева используется тепло пламени смеси газов, сжигаемой с помощью горелки (ГОСТ 2601-84).

Способ газовой сварки был разработан в конце прошлого столетия, ко­гда началось промышленное производство кислорода, водорода и ацетиле­на. В этот период газовая сварка являлась основным способом сварки ме­таллов и обеспечивала получение наиболее прочных соединений. Наиболь­шее распространение получила газовая сварка с применением ацетилена. С развитием сети железных дорог и вагоностроения газовая сварка не могла обеспечить получение конструкций повышенной надежности. Большее рас­пространение получает дуговая сварка. С созданием и внедрением в произ­водство высококачественных электродов для ручной дуговой сварки, а так­же разработкой различных методов автоматической и механизированной ду­говой сварки под флюсом и в среде защитных газов, контактной сварки га­зовая сварка вытеснялась из многих производств. Тем не менее газовая сварка применяется во многих отраслях промышленности при изготовлении и ремонте изделий из тонколистовой стали, сварке изделий из алюминия и его сплавов, меди, латуни и других цветных металлов и их сплавов; напла­вочных работах. Разновидностью газопламенной обработки является газо - термическая резка, которая широко применяется при выполнении заготови­тельных операций при раскрое металла.

К сварке с применением давления относится контактная сварка, при которой также используется и тепло, выделяющееся в контакте сварива­емых частей при прохождении электрического тока. Различают точечную, стыковую, шовную и рельефную контактную сварку.

Основные способы контактной сварки разработаны в конце прошлого столетия. В 1887 году Н. Н. Бенардос получил патент на способы точеч­ной и шовной контактной сварки между угольными электродами. Позд­нее эти способы, усовершенствованные применением электродов из ме­ди и ее сплавов, стали наиболее широко распространенными способами контактной сварки.

Контактная сварка занимает ведущее место среди механизированных способов сварки. В автомобилестроении контактная точечная сварка яв­ляется основным способом соединения тонколистовых штампованных конструкций. Кузов современного легкового автомобиля сварен более чем в 10 тысячах точек. Современный авиалайнер имеет несколько мил­лионов сварных точек. Стыковой сваркой сваривают стыки железнодо­рожных рельсов, стыки магистральных трубопроводов. Шовная сварка применяется при изготовлении бензобаков. Рельефная сварка является наиболее высокопроизводительным способом сварки арматуры для стро­ительных железобетонных конструкций.

Особенность контактной сварки — высокая скорость нагрева и полу­чение сварного шва, это создает условия применения высокопроизводи­тельных поточных и автоматических линий сборки узлов автомобилей, отопительных радиаторов, элементов приборов

Общие сведения о сварке.

Сваркой называется процесс получения неразъемного соединения каких-либо твердых материалов путем их местного плавления или пластического деформирования, в результате чего образуются прочные связи между ато­мами свариваемых материалов.

Сварка металлов подразделяется на различные виды по физическим, техническим и технологическим признакам.

Классификация сварки металлов по физическим признакам

Классификация по физическим признакам осуществ­ляется в зависимости от формы энергии, используемой для образования сварного соединения. В результате сва­рочные процессы подразделяются на три класса:

К термическому классу относятся такие разновиднос­ти сварки, которые осуществляются плавлением с использованием тепловой энергии: дуговая, электронно-лучевая, электрошлаковая, плазменная, ионно-лучевая, световая, сварка тлеющим разрядом, индукционная, термитная, газовая и литейная.

К термомеханическому классу сварки относятся такие ее виды, которые производятся как с использованием тепловой энер­гии, так и с использованием давления. Сюда относятся: контактная сварка, индукционно-прессовая, диффузионная, газопрессовая, термокомпрессионная, дугопрессовая, шлакопрессовая, печная и термитно-прессовая.

К механическому классу сварки относятся разновид­ности, осуществляемые с использованием механической энергии и давления: холодная, ультразвуковая, взрывом, трением и магнитно-импульсная.

Классификация сварки металлов по техническим признакам

К техническим признакам относят следующее:

— способ защиты металла в зоне сварки;

— степень непрерывности процесса сварки;

— степень механизации процесса.

С точки зрения способа защиты металла различают свар­ку в воздухе, вакууме, различных защитных газах, под флюсом, по флюсу, в пене, с комбинированной защитой.

По непрерывности процесса сварки различают непре­рывные и прерывистые виды; по степени механизации различают ручные, механизированные, автоматизирован­ные и автоматические виды сварки.

Краткая характеристика основных видов сварки

Дуговая сварка является наиболее распространенным и универсальным видом сварки. Относится к сварке плав­лением.

Плавление основного и присадочного металла произ­водится электрической дугой, горящей между электро­дом и металлом, который сваривают. Расплавленный ос­новной и присадочный металл (электрод или сварочная проволока) образуют так называемую сварочную ванну; в результате кристаллизации металла сварочной ванны об­разуется сварной шов.

Для защиты сварного шва от окисления применяют электроды с толстым покрытием с обмазкой, выделяю­щей при горении дуги жидкие шлаки и восстановитель­ные газы (например, СО2; водород).

Сварку угольными электродами с зависимой (рис. 2,б) или независимой (рис. 2, в) дугой с присадочными прут­ками применяют ограниченно, преимущественно для сва­ривания тонкостенных изделий из цветных металлов. Более широко применяют угольные электроды для дуговой резки (особенно для резки шлифованных сталей).


Рисунок 2 - Дуговая ручная сварка

Автоматическая дуговая сварка под слоем флюса

Этот вид сварки применяется при больших масштабах производства для соединения деталей прямыми и круго­выми швами (рис.3). Электродом служит полая свароч­ная проволока 1.

Производительность данного процесса в 5—10 раз выше, чем при ручной дуговой сварке. Качество сварных швов также высокое.


Рисунок 3 - Автоматическая дуговая сварка под слоем флюса

Сварка в защитных газах

Сварка осуществляется плавящимися (рис. 4, а) или неплавящимися (вольфрамовыми) электродами (рис. 4, б) в струе инертных газов.


Рисунок 4 - Сварка в защитных газах

Данный способ применяют при сваривании деталей из высоколегированных сталей, титановых, никелевых, алюминиевых и магниевых сплавов. При сварке углеродис­тых сталей используется более дешевый углекислый газ.

Электрошлаковая сварка

В данном виде сварки плавление основного и приса­дочного металлов осуществляется теплом, которое выде­ляется при прохождении электрического тока через рас­плавленный шлак в течение установившегося процесса сварки.

Электрошлаковая сварка классифицируется по виду электрода, наличию колебаний электрода, количеству электродов и некоторым другим признакам. Применяется для соединения массивных заготовок (корпусные детали крупных машин, резервуары высоко­го давления и т. п.).

Газовая сварка

Данный вид сварки основан на плавлении основного и присадочного металлов высокотемпературным газово-кислородным пламенем. В качестве горючего для сгора­ния в кислороде применяют самые разные газы: водо­род, ацетилен, пропан-бутановую смесь, пары бензина, пары керосина, городской газ, природный, светильный, коксовый, нефтяной и другие газы.

Ацетиленокислородная сварка (рис.5) осуществляется в пламе­ни инжекционной горелки. Присадочным металлом служит проволока или прутки из метал­ла, близкого по составу к метал­лу свариваемых деталей. Качество соединений при ацетиленокислородной сварке ниже, чем при электродуговой сварке.

Рисунок 5 - Ацетилено­кислородная сварка

Контактная сварка

Сварка встык сопротивлением применяется, как правило, для соединения деталей с небольши­ми сечениями. Торцы деталей сжимают гидравлическим прес­сом, затем включают электричес­кий ток. Металл на стыке при этом доводится до пластическо­го состояния.

Другая разновидность контак­тной сварки — сварка оплавлени­ем. При этом способе стык снача­ла сжимают небольшим усилием, затем включают ток. В результате на стыке образуется большое число микродуг, расплав­ляющих металл (рис. 6, б). После оплавления стык сжима­ется гидравлическим прессом (рис. 6, в). Сварку оплавле­нием применяют для соединения деталей больших сече­ний, кроме того — деталей из разнородных материалов.

Еще один вид контактной сварки — точечная сварка, подразделяемая на одноточечную, двухточечную и мно­готочечную.

Контактная сварка может выполняться различными видами электрического тока — постоянным, переменным, пульсирующим.


Рисунок 6 - Стыковая сварка

Понятие о свариваемости металлов

Свариваемостью в сварочном производстве называется способность однородных и разнородных металлов (а так­же их сплавов) образовывать сварное соединение, кото­рое сможет работать при заданных нагрузках, среде, тем­пературе и других условиях.

При сварке плавлением свариваются только металлы, имеющие хорошую взаимную растворимость. Хорошо свариваются все однородные металлы, то есть сталь со сталью, чугун с чугуном, медь с медью и т. п. Медь и свинец не обладают взаимной растворимостью и в рас­плавленном (жидком) состоянии образуют неперемешивающиеся слои, поэтому сварить медь и свинец практи­чески невозможно. Трудно сваривается железо со свин­цом, алюминий- с висмутом, железо с магнием и т. д. По­этому в таких случаях для обеспечения свариваемости разнородных металлов обычно используют третий металл, обладающий хорошей взаимной растворимостью с обо­ими свариваемыми металлами.

Кроме свойств основного металла, свариваемость зави­сит от вида и режима сварки, состава присадочного ме­талла и флюса, от вида защитного газа. Так, например, сваривать углеродистую сталь в среде азота нельзя, пото­му что произойдет насыщение металла шва азотом, а в результате — старение металла. Сварка меди в азоте, на­оборот, происходит благоприятно, поскольку расплавлен­ная медь практически нейтральна к азоту.

Для определения свариваемости металлов и их спла­вов на практике используется более 150 способов.

Общие сведения о сварке

В материал лекции входит: сварные соединения, их общая характеристика и область применения; основные виды сварных соединений, типы сварных швов, допускаемые напряжения; расчет сварных стыковых соединений.

Сварка – это процесс получения неразъемного соединения, которое образуется за счет сил межатомного взаимодействия материалов путем местного нагрева соединяемых деталей.

Сварные соединения – наиболее распространенный и совершенный тип неразъемных соединений. Сваркой соединяют детали из конструкционных углеродистых и легированных сталей, цветных сплавов и неметаллов. Сварные соединения широко применяют в строительстве (например, сварные конструкции мостов, лестниц и др.), в машиностроении от единичного до массового типов производства (например, при производстве станин, рам, корпусов редукторов, кузовов автомобилей, трубопроводов и др.) и других отраслях промышленности.

Достоинства сварных соединений:

- низкая стоимость изготовления, вследствие малой трудоемкости сварки и простоты конструкции сварного шва (не требуется моделей, форм или штампов);

- низкая металлоемкость (по сравнению с заклепочными соединениями экономия металла 15-20%, с литыми конструкциями - 30%);

- герметичность и плотность соединения;

- возможность автоматизации процесса сварки;

- возможность сварки деталей сложной конфигурации и больших размеров.

Недостатки сварных соединений:

- возможность получения скрытых дефектов сварного шва (трещин, шлаковых включений, раковин и др.);

- трудность контроля качества сварного шва;

- коробление деталей из-за неравномерности нагрева в процессе сварки (особенно характерно для тонкостенных деталей);

- низкая прочность при переменных режимах нагружения (сварной шов является сильным концентратором напряжений).

В современном машиностроении используют разнообразные способы сварки. Наиболее широкое распространение получила электрическая сварка – электродуговая и контактная.

При электродуговой сварке металл в зоне соединения доводится до расплавления, а соединение образуется после отвердевания металла. Электродуговая сварка, бывает трех видов:

- автоматическая – высокопроизводительна и экономична, обеспечивает высокое качество сварного шва (используется в массовом и серийном производстве, в конструкциях с длинными швами);

- полуавтоматическая (используется в конструкциях с короткими прерывистыми швами, в серийном производстве);

- ручная – малопроизводительна, качество шва в значительной степени зависит от квалификации сварщика (применяют в единичном и мелкосерийном производстве).

Для защиты расплавленного материала от вредного действия окружающего воздуха на поверхность электрода наносят толстую защитную обмазку, которая выделяет большое количество шлака и газа, образуя изолирующую среду, или производят сварку под слоем флюса.

При контактной сварке разогрев происходит при прохождении электрического тока между двумя электродами, сдавливающими соединяемые детали. Металл в зоне соединения доводится не до жидкого (электродуговая сварка), а только до пластичного состояния. Контактная сварка бывает:

- стыковая – соединение образуется за счет сдавливания предварительно нагретых торцов соединяемых деталей;

- точечная – соединение образуется в отдельных точках, к которым подводят электроды сварочной машины, а не по всей поверхности стыка;

- шовная (роликовая) - соединение выполняют с помощью электродов, имеющих форму роликов (шов имеет вид узкой непрерывной ленты, расположенной вдоль стыка деталей).

Краткие сведения о сварке

Сваркой называют способ получения неразъемного соединения с обеспечением непосредственной сплошности изделия.. В отличии от сварки пайка дает неразъемное соединение, в котором сплошность достигается применением сплава, более легкоплавкого в сравнении с соединяемыми материалами.

Как правило, процессы сварки протекают при нагреве соединяемых поверхностей до температуры плавления или до температуры пластического состояния. Исключением является холодная сварка, осуществляемая за счет прижатия хорошо обработанных и тщательно очищенных поверхностей соединяемых деталей (рис.23.1).

При высокой температуре атомы металла, находящихся в тестообразном состоянии, приобретают большую подвижность, в результате чего на поверхностях деталей 1 и 2 атомы этих металлов в т. А,В,С образуют общие кристаллы. За счет приложенного внешнего усилия Р количество точек соприкосновения увеличивается за счет деформации выступов стыка, находящегося в пластичном состоянии. Такой способ соединения деталей носит название пластической сварки. В старину для нагрева деталей применялись кузнечные горны, откуда и появилось для этого способа название горновой или кузнечной сварки. Такая сварка применима для крупногабаритных деталей , так как прочность стыка низка, а потому изменение ее было крайне ограниченным. Основным способом соединения металлических деталей до начала 20в. была клепка (строительство судов , котлов, и прочих сооружений). В конце 19в. на смену пластической сварке пришла сварка плавлением, основанная на расплавлении стыка от того или иного источника теплоты.

Для сварки плавлением характерно образование локальной ванночки расплавленного металла на поверхности свариваемого металла, остающегося в основной массе относительно холодным. Для этого необходим источник тепловой энергии весьма высокой концентрации мощности, способный развивать в рабочей зоне сварки температуру, не менее 3000С.

Рис. 23.2. Классификация методов электросварки.

По виду энергии, используемой для нагрева, различают химическую и электрическую сварки. Виды электрической сварки приведены на рис.19.2.

Наиболее распространенными видами электрической сварки является дуговая сварка (рис.23.3) и сварка сопротивлением или контактная сварка (рис.19.4).

В процессе дуговой сварки тепловая энергия выделяется в непосредственной близости от свариваемого стыка.

Рис. 23.3. Разновидности электродуговой сварки.

При контактной сварке тепловая энергия выделяется непосредственно в свариваемом стыке за счет протекания в свариваемой детали электрического

Рис. 23.4. Разновидности электроконтактной сварки.

тока. Контактная сварка относится к пластическому виду сварки (сварка давлением).

Очевидные преимущества электрической сварки по сравнению с клепкой – экономия металла и рабочей силы и, как следствие, удешевление и ускорение производства – открыли ей широкие перспективы, особенно в изготовлении металлических конструкций различного назначения: в судостроении, в котлостроении , авиации, промышленности и транспортном машиностроении.

Развитие сварки в машиностроении привело к внедрению новой прогрессивной технологии сварнолитых и штампо–сварных конструкций станков и машин, например, литых рам мощных редукторов прокатных станов с приваркой к ним малонагруженных коробок из листовой стали, образующих сравнительно легкую масляную ванну.

Применение контактной сварки рельсов железнодорожных путей с укладкой свариваемых плетей длиной до 1км. не только ускоряет и удешевляет кладку путей, но и существенно уменьшает износ подвижного состава, подверженного ударной нагрузке на стыках рельсов.

Читайте также: