Обновлено: 10.01.2025

Согласно схеме термодинамических превращений (рис. 1), целесообразно выделить при
классификации процессов сварки три основных физических признака:

• форму вводимой энергии,
• наличие давления и вид
  инструмента — носителя энергии.

Остальные признаки условно отнесены к техническим и технологическим (табл. 1.). Такая
классификация использована в ГОСТ 19521—74. По виду вводимой в изделие энергии
все основные сварочные процессы, включая сварку, пайку и резку, разделены
(табл. 2) на термические (Т), термомеханические (ТМ), термопрессовые (ТП),
механические (М), прессово-механические (ПМ), Признак классификации по наличию
давления применим только к сварке и пайке.

Рис. 1 — Схема модель, поясняющая термодинамическое
определение и классификацию процессов сварки: Г. ТМ. ЛМ — термические.
термомеханические и прессово-механические процессе

ТАБЛИЦА 1. ПРИЗНАКИ И СТУПЕНИ КЛАССИФИКАЦИИ
ПРОЦЕССОВ СВАРКИ

Наименование признака

Содержание признака

Ступени классификации и порядок расположения
процессов

Наличие
давления при сварке

Форма
энергии, вводимой при сварке

Вид
нагрева или механического воздействия(вид инструмента)

Технические

Устанавливаются
для каждого метода отдельно

Технологические

Технико-экономические

Удельная
энергия ε, Дж/мм 2 . Необходимая для соединения, или удельные
затраты на сварку, руб./мм 2

Устанавливается
порядок в расположении методов сварки от механических к термическим по
увеличению ε, Дж./мм 2

ТАБЛИЦА 2. КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТОДОВ СВАРКИ МЕТАЛЛОВ ПО
ФИЗИЧЕСКИМ ПРИЗНАКАМ

Сварка без давления плавлением

Сварка с давлением

Термические Т -процессы

Термомеханические ТМ-процессы

Механические М-процессы

Индукционная
с давлением

Печная с
давлением

Вакуумным
схватыванием ПМ-прессово-механическая

Термитная
с давлением

ТАБЛИЦА 3. КЛАССИФИКАЦИЯ ВИДОВ ДУГОВОЙ СВАРКИ ПО
ТЕХНИЧЕСКИМ ПРИЗНАКАМ

Группы (по форме дуги)

Дугой
прямого действия

Дугой
косвенного действия

Подгруппы (по свойствам электрода)

Не
плавящимся электродом

Виды (по защите дуги)

В инертных
газах

В активных газах

Скомбинированной
защитой. Покрытым электродом

Разновидности(конкретные примеры видов)

В аргоне.
В углекислом газе. Голой легированной проволокой. Порошковой проволокой

В аргоне
вольфрамовым электродом. В камере с контролируемой атмосферой. В СО₂
угольным электродом

Плазменной
струей. Атомноводородная. Угольными электродами

Форма энергии, применяемой в источнике энергии для сварки (электрическая, химическая
и др.), как классификационный признак не используется, так как он характеризует
главным образом не процесс, а оборудование для сварки.

Т-процессы осуществляются без давления (сварка плавлением), остальные — обычно только с давлением (сварка давлением). Указанные в (табл. 1) термины (класс, метод, вид)
условные, но, войдя в классификацию, они позволяют в дальнейшем вести четкую
систему типизации процессов сварки. Термин «процесс» использован как
независимый от классификационных групп.

Все известные в настоящее время процессы сварки металлов осуществляются за счет
введения только двух видов энергии — термической и механической или при их
сочетании. Поэтому в четвертый подкласс особых процессов пока могут быть
включены только нейтронная сварка пластмасс и (условно) склеивание, которое
происходит без существенного введения энергии извне. В (табл. 2) эти процессы
не указаны, так же как сварка восстановления из солей металлов,
электролитическая сварка, сварка напылением и др.— весьма редко используемые
процессы. В (табл. 3) для примера даны виды дуговой сварки.

Под сварочными процессами в настоящее время понимают достаточно широкую группу технологических процессов соединения, разъединения (резки) и локальной
обработки материалов, как правило, с использованием местного нагрева изделий.

Дуга, луч, газовое пламя — внешние носители энергии, от которых энергия передается в
изделие тем или иным способом. При термитной сварке разогрев происходит за счет
внутреннего источника в результате преобразования в теплоту химической энергии,
выделяемой при реакции горения термита. Для всех термических процессов сварки
плавлением (независимо от вида носителя энергии — инструмента) в стык энергия
вводится всегда путем расплавления металла.

В термомеханических и механических процессах преобладают внутренние носители
энергии, в которых ее преобразование в теплоту происходит главным образом
вблизи контакта соединяемых изделий — стыка.

Оценка эффективности сварочных процессов

Для правильного выбора того или иного сварочного процесса применительно к конкретному изделию следует учитывать по крайней мере три основных фактора:

• техническую возможность применения процесса;
• качество и надежность получаемого соединения;
• энергетическую и экономическую эффективность сварочного процесса.

Первый фактор должен быть выполнен безусловно. Вторые два фактора следует учитывать так, чтобы найти оптимальное решение в каждом конкретном случае. Для правильного и обоснованного учета факторов качества и надежности соединений одновременно со степенью эффективности применяемого процесса сварки нужна единая методика их количественной оценки. Эффективность процессов сварки плавлением оценивают обычно такими показателями, как эффективный и термический к. п. д., коэффициенты расплавления и наплавки и т. п. Источники сварочного нагрева характеризуют обычно удельным тепловым потоком в пятне нагрева q_max Вт/см 2 , и коэффициентом сосредоточенности k. Оценивают также удельные затраты на 1 м длины шва или на 1 кг наплавленного металла.

Сравнение термических источников энергии для сварки (рис. 1) показывает, что наибольшую удельную мощность в пятне нагрева имеют лучевые источники, для которых q_max Вт/см 2 примерно 1×10 10 Вт/см 2 . Однако их применение для сварки ограничено верхним пределом 1×10 7 Вт/см 2 для электронного и фотонного луча. При более высоких плотностях энергии в пятне нагрева сварка невозможна — происходит испарение материала; возможна резка и размерная обработка (лучевое фрезерование) изделий.

Рис. 1 — Удельная мощность различных источников энергии сварочных процессов в пятне нагрева. Левая штриховка соответствует сварке, правая — резке (Р). Обозначение. ГП — газовое пламя; СвД — свободная дуга; СжД — сжатая дуга; ЭЛ — электронный луч; ФЛ — фотонный луч

Однако приведенные показатели не позволяют сравнивать между собой процессы разных классов — термические, термомеханические и механические. В то же время часто имеется возможность выполнить одно и то же соединение разными методами сварки, а также пайкой или склеиванием. Основная задача любого из этих трех процессов — получение определенной площади качественно соединяемых материалов. Поэтому целесообразно применять удельные показатели эффективности, отнесенные к единице площади соединения.

Рис. 3 — Порядок величин удельной энергии ε_и и ε_общ. Дж/мм 2 , необходимой для однопроходной сварки стали различными методами εВСМ для ЭЛС подсчитано с учетом вакуумирования камеры и сварки соединения сечением около 1000 мм 2 .
Обозначения см. подпись под рис. 1, ЛЛ — лазерный луч

Пламенная дуга при достаточных мощностях разрезает коррозионностойкую сталь при удельной энергии резки ε_р=100 Дж/мм 2 . Однако при толщинах свыше 100—120 мм мощности источника не хватает для интенсивного ведения процесса, и еР возрастает до 300—350 Дж/мм 2 .

Сравнение эффективности Т, ТП и ПМ-процессов сварки.

Сравнение эффективности Т, ТП и ПМ-процессов сварки показывает, что для многих видов соединений и материалов механические и термомеханические процессы сварки требуют значительно меньше энергии, чем сварка плавлением. Например, для сварки встык стальных стержней диаметром 20 мм при дуговом ванном способе необходимо ε_св=1800 Дж/мм 2 , при контактной стыковой сварке оплавлением ∼400 Дж/мм 2 , при сварке трением ∼130 Дж/мм 2 . Для сварки встык пластин из алюминиевого сплава толщиной 5 мм требуется; при аргонодуговой сварке ε_св=300 Дж/мм2, при контактной сварке ∼200 Дж/мм 2 при холодной сварке ∼30 Дж/мм 2 .

Анализ эффективности по различным классам сварочных процессов позволяет построить условную диаграмму удельной энергии, необходимой для сварки соединений определенного типа с применением разных процессов или источников энергии. На диаграмме (рис. 4) по вертикальной оси в логарифмическом масштабе отложены приблизительные значения ε_н, а по горизонтальной оси указаны возможные процессы применительно к сварке встык стальных листов толщиной до 20 мм или стержней диаметром до 20 мм.

Рис. 4 — Удельная энергия ε_н требуемая для выполнения однотипных стыковых соединений с применением разных процессов

Удельная энергия εн требуемая для выполнения однотипных стыковых соединений с применением разных процессов

Целесообразно в ряде случаев применять показатель удельной энергии ε=q/νδ (Дж/м 2 ) как более информативный, чем показатель погонной энергии q/ν, измеряемый в Дж/м. Использование при анализе разных методов сварки показателей удельной энергии ε, Дж/м 2 , стимулирует выбор перспективных в отношении энергоемкости процессов и источников энергии.

Сварка. Основные виды сварки. Сварка различных металлов с сплавов.

Сварка - это технологический процесс получения неразъёмного соединения материалов за счёт образования атомной связи. Процесс создания сварного соединения протекает в две стадии.

На первой стадии необходимо сблизить поверхности свариваемых материалов на расстояние действия сил межатомного взаимодействия (около 3 А). Обычные металлы при комнатной температуре не соединяются при сжатии даже значительными усилиями. Соединению материалов мешает их твердость, при их сближении действительный контакт происходит лишь в немногих точках, как бы тщательно они не были обработаны. На процесс соединения сильно влияют загрязнения поверхности - окислы, жировые пленки и пр., а также слои абсорбированных примесных атомов. Ввиду указанных причин выполнить условие хорошего контакта в обычных условиях невозможно. Поэтому образование физического контакта между соединяемыми кромками по всей поверхности достигается либо за счёт расплавления материала, либо в результате пластических деформаций, возникающих в результате прикладываемого давления. На второй стадии осуществляется электронное взаимодействие между атомами соединяемых поверхностей. В результате поверхность раздела между деталями исчезает и образуется либо атомная металлическая связи (свариваются металлы), либо ковалентная или ионная связи (при сварке диэлектриков или полупроводников). Исходя из физической сущности процесса образования сварного соединения различают три класса сварки: сварка плавлением, сварка давлением и термомеханическая сварка (рис. 1.25).

Рис. 1.25. Классификация видов сварки

К сварке плавлением относятся виды сварки, осуществляемой плавлением без приложенного давления. Основными источниками теплоты при сварке плавлением являются сварочная дуга, газовое пламя, лучевые источники энергии и «джоулево тепло». В этом случае расплавы соединяемых металлов объединяются в общую сварочную ванну, а при охлаждении происходит кристаллизация расплава в литой сварочный шов.

При термомеханической сварке используется тепловая энергия и давление. Объединение соединяемых частей в монолитное целое осуществляется за счет приложения механических нагрузок, а подогрев заготовок обеспечивает нужную пластичность материала.

К сварке давлением относятся операции, осуществляемые при приложении механической энергии в виде давления. В результате металл деформируется и начинает течь, подобно жидкости. Металл перемещается вдоль поверхности раздела, унося с собой загрязненный слой. Таким образом, в непосредственное соприкосновение вступают свежие слои материала, которые и вступают в химическое взаимодействие.

2. Основные виды сварки

Ручная электродуговая сварка. Электрическая дуговая сварка в настоящее время является важнейшим видом сварки металлов. Источником тепла в данном случае служит электрическая дуга между двумя электродами, одним из которых является свариваемые заготовки. Электрическая дуга является мощным разрядом в газовой среде.

Процесс зажигания дуги состоит из трех стадий: короткое замыкание электрода на заготовку, отвод электрода на 3-5 мм и возникновение устойчивого дугового разряда. Короткое замыкание производится с целью разогрева электрода (катода) до температуры интенсивной экзо- эмиссии электронов.

На второй стадии эмитированные электродом электроны ускоряются в электрическом поле и вызывают ионизацию газового промежутка «катод-анод», что приводит к возникновению устойчивого дугового разряда. Электрическая дуга является концентрированным источником тепла с температурой до 6000 оС. Сварочные токи достигают 2-3 кА при напряжении дуги (10-50) В. Наиболее часто применяется дуговая сварка покрытым электродом. Это ручная дуговая сварка электродом, покрытым соответствующим составом, имеющим следующее назначение:

1. Газовая и шлаковая защита расплава от окружающей атмосферы.

2. Легирование материала шва необходимыми элементами.

В состав покрытий входят вещества: шлакообразующие - для защиты расплава оболочкой (окислы, полевые шпаты, мрамор, мел); образующие газы СО2, СН4, ССl4; легирующие - для улучшения свойств шва (феррованадий, феррохром, ферротитан, алюминий и др.); раскислители - для устранения окислов железа (Ti, Mn, Al, Si и др.) Пример реакции раскисления : Fe2O3+Al = Al2O3+Fe.

Рис. 1.26. Ручная сварка покрытым электродом: 1 - свариваемые детали, 2 - сварной шов, 3 - флюсовая корочка, 4 - газовая защита, 5 - электрод, 6 - покрытие электрода, 7 - сварная ванна

Рис. 1.26 иллюстрирует сварку покрытым электродом. По указанной выше схеме между деталями (1) и электродом (6) зажигается сварочная дуга. Обмазка (5) при расплавлении защищает сварочный шов от окисления, улучшает его свойства путем легирования. Под действием температуры дуги электрод и материал заготовки плавятся, образуя сварную ванну (7), которая в дальнейшем кристаллизуется в сварной шов (2), сверху последний покрывается флюсовой корочкой (3), предназначенной для защиты шва. Для получения качественного шва сварщик располагает электрод под углом (15-20)0 и перемещает его по мере расплавления вниз для сохранения постоянной длины дуги (3-5) мм и вдоль оси шва для заполнения разделки шва металлом. При этом обычно концом электрода совершают поперечные колебательные движения для получения валиков требуемой ширины.

Автоматическая сварка под флюсом.

Таким образом, автоматическая сварка под слоем флюса отличается от ручной сварки по следующим показателям: стабильное качество шва, производительность в (4-8) раз больше, чем при ручной сварке, толщина слоя флюса - (50-60) мм, сила тока - (1000-1200) А, оптимальная длина дуги поддерживается автоматически, шов состоит на 2/3 из основного металла и на 1/3 дуга горит в газовом пузыре, что обеспечивает отличное качество сварки.

Электрошлаковая сварка.

Электрошлаковая сварка является принципиально новым видом процесса соединения металлов, изобретенном и разработанным в ИЭС им. Патона. Свариваемые детали покрываются шлаком, нагреваемом до температуры, превышающей температуру плавления основного металла и электродной проволоки.

На первой стадии процесс идет так же, как и при дуговой сварке под флюсом. После образования ванны из жидкого шлака горение дуги прекращается и оплавление кромок изделия происходит за счет тепла, выделяющегося при прохождении тока через расплав. Электрошлаковая сварка позволяет сваривать большие толщи металла за один проход, обеспечивает большую производительность, высокое качество шва.

Рис. 1.27. Схема шлаковой сварки:

1 - свариваемые детали, 2 - сварной шов, 3 - расплавленный шлак, 4 - ползуны, 5 - электрод

Схема электрошлаковой сварки показана на рис. 1.27. Сварку ведут при вертикальном расположении деталей (1), кромки которых так же вертикальны или имеют наклон не более 30 o к вертикали. Между свариваемыми деталями устанавливают небольшой зазор, куда насыпают порошок шлака. В начальный момент зажигается дуга между электродом (5) и металлической планкой, устанавливаемой снизу. Дуга расплавляет флюс, который заполняет пространство между кромками свариваемых деталей и медными формующими ползунами (4), охлаждаемыми водой. Таким образом, из расплавленного флюса возникает шлаковая ванна (3), после чего дуга шунтируется расплавленным шлаком и гаснет. В этот момент электродуговая плавка переходит в электрошлаковый процесс. При прохождении тока через расплавленный шлак выделяется джоулево тепло. Шлаковая ванна нагревается до температур (1600-1700) 0С, превышающих температуру плавления основного и электродного металлов. Шлак расплавляет кромки свариваемых деталей и погруженный в шлаковую ванну электрод. Расплавленный металл стекает на дно шлаковой ванны, где и образует сварочную ванну. Шлаковая ванна надежно защищает сварочную ванну от окружающей атмосферы. После удаления источника тепла, металл сварочной ванны кристаллизуется. Сформированный шов покрыт шлаковой коркой, толщина которой достигает 2 мм.

Повышению качества шва при электрошлаковой сварке способствует ряд процессов. В заключение отметим основные преимущества электрошлаковой сварки.

- Газовые пузыри, шлак и легкие примеси удаляются из зоны сварки по причине вертикального расположения сварного устройства.

- Большая плотность сварного шва.

- Сварной шов менее подвержен трещинообразованию.

- Производительность электрошлаковой сварки при больших толщинах материалов почти в 20 раз превышает аналогичный показатель автоматической сварки под флюсом.

- Можно получать швы сложной конфигурации.

- Этот вид сварки наиболее эффективен при соединении крупногабаритных деталей типа корпусов кораблей, мостов, прокатных станов и пр.

Электронно-лучевая сварка.

Источником тепла является мощный пучок электронов с энергией в десятки килоэлектронвольт. Быстрые электроны, внедряясь в заготовку, передают свою энергию электронам и атомам вещества, вызывая интенсивный разогрев свариваемого материала до температуры плавления. Процесс сварки осуществляется в вакууме, что обеспечивает высокое качество шва. Ввиду того что электронный луч можно сфокусировать до очень малых размеров (менее микрона в диаметре), данная технология является монопольной при сварке микродеталей.

Плазменная сварка.

При плазменной сварке источником энергии для нагрева материала служит плазма - ионизованный газ. Наличие электрически заряженных частиц делает плазму чувствительной к воздействию электрических полей. В электрическом поле электроны и ионы ускоряются, то есть увеличивают свою энергию, а это эквивалентно нагреванию плазмы вплоть до 20-30 тыс. градусов. Для сварки используются дуговые и высокочастотные плазмотроны (см. рис. 1.17 - 1.19). Для сварки металлов, как правило используют плазмотроны прямого действия, а для сварки диэлектриков и полупроводников применяются плазмотроны косвенного действия. Высокочастотные плазмотроны (рис. 1.19) так же применяются для сварки. В камере плазмотрона газ разогревается вихревыми токами, создаваемыми высокочастотными токами индуктора. Здесь нет электродов, поэтому плазма отличается высокой чистотой. Факел такой плазмы может эффективно использоваться в сварочном производстве.

Диффузионная сварка.

Способ основан на взаимной диффузии атомов в поверхностных слоях контактирующих материалов при высоком вакууме. Высокая диффузионная способность атомов обеспечивается нагревом материала до температуры, близкой к температуре плавления. Отсутствие воздуха в камере предотвращает образование оксидной пленки, которая смогла бы препятствовать диффузии. Надежный контакт между свариваемыми поверхностями обеспечивается механической обработкой до высокого класса чистоты. Сжимающее усилие, необходимое для увеличения площади действительного контакта, составляет (10-20) МПа.

Технология диффузионной сварки состоит в следующем. Свариваемые заготовки помещают в вакуумную камеру и сдавливают небольшим усилием. Затем заготовки нагревают током и выдерживают некоторое время при заданной температуре. Диффузионную сварку применяют для соединения плохо совместимых материалов: сталь с чугуном, титаном, вольфрамом, керамикой и др.

Контактная электрическая сварка.

При электрической контактной сварке, или сварке сопротивлением, нагрев осуществляется пропусканием электрического тока достаточной иглы через место сварки. Детали, нагретые электрическим током до плавления или пластического состояния, механически сдавливают или осаживают, что обеспечивает химическое взаимодействие атомов металла. Таким образом, контактная сварка относится к группе сварки давлением. Контактная сварка является одним из высокопроизводительных способов сварки, она легко поддается автоматизации и механизации, вследствие чего широко применяется в машиностроении и строительстве. По форме выполняемых соединений различают три вида контактной сварки: стыковую, роликовую (шовную) и точечную.

Стыковая контактная сварка.

Это вид контактной сварки, при которой соединение свариваемых частей происходит по поверхности стыкуемых торцов. Детали зажимают в электродах-губках, затем прижимают друг к другу соединяемыми поверхностями и пропускают сварочный ток. Стыковой сваркой соединяют проволоку, стержни, трубы, полосы, рельсы, цепи и др. детали по всей площади их торцов. Существует два способа стыковой сварки:

- Оплавлением: детали соприкасаются в начале по отдельным небольшим контактным точкам, через которые проходит ток высокой плотности, вызывающий оплавление деталей. В результате оплавления на торце образуется слой жидкого металла, который при осадке вместе с загрязнениями и окисными плёнками выдавливается из стыка.

Физические основы сварки.

Сварочное производство - одна из отраслей промышленности, продукцией которой являются сварные заготовки или сварные конструкции.

Сварка металлов** - технологический процесс соединения металла(ов) при таком нагреве и/или давлении, в результате которого получается непрерывность структуры соединяемого(ых) металла(ов).

КУЗНЕЧНАЯ СВАРКА

Справка:железная колонна — изготовлена в 415 году, весит около 6,5 т, высота ее 7,3 м, диаметр у основания 41,6 см, у верха 29,5 см. Колонна состоит из отдельных элементов – криц 36кг. Находится примерно в 20 километрах южнее Старого Дели. Изготовлена из железа чистотой до 98 % с низким содержанием серы и повышенным содержанием фосфора. Широкую известность колонна приобрела благодаря тому, что за 1600 лет своего существования практически избежала коррозии.

Позже, в результате разработки и успешного применения более прочных, но менее пластичных сплавов - таких как бронза, которая была прочнее, но менее пластична чем медь, а, следовательно, хуже поддается ковке, применять кузнечную сварку было затруднительно. Для изготовления изделий из таких материалов стали применять литейную сварку.

Литейная сварка -осуществляется путем заливки жидкого металла между свариваемыми кромками, которые помещались в специальную форму. Этот присадочный металл сплавлялся с изделием. Такие соединения обнаружены на бронзовых сосудах Древней Греции и Рима.

Эти два вида сварки только и применялись при изготовлении сварных изделий вплоть до 19 века, в котором благодаря ряду открытий были предложены и реализованы другие виды сварки.

Одно из таких открытий, было сделано русским инженером Василий Владимировичем Петровым в 1802 г. Он впервые наблюдался и описан стабильный электрический разряд, который назвал – дуговой (позже английский учёный Г. Дэви в1808г также наблюдал такой разряд и назвал его «вольтовой дугой»).

Фото электрической дуги

Название «дуга» он получил за форму ярко светящегося плазменного шнура (столба) разряда, который в первых опытах со слаботочными разрядами изгибался вверх серповидной дужкой под действием восходящих конвективных потоков нагретого разрядом воздуха.

Хотя в большинстве случаев, например, между вертикальными электродами, аналогичный разряд не имеет дугообразной формы, первоначальное название его сохранилось.

Электрическая дуга (вольтова дуга) – один из видов самостоятельного электрического разряда в газе, в котором разрядные явления сосредоточены в узком ярко светящемся плазменном шнуре.

Степень ионизации газа в столбе дуги составляет несколько процентов. Такой ионизированный газ называется низкотемпературной плазмой.

Данное открытие позволило русскому инженеру Николай Николаевичу Бенардосу в 1882г использовать электрическую дугу в качестве источника тепла при сварке. Так, впервые был предложен и реализован способ сварки - ручная дуговая сварка. В качестве материала для электрода использовался графит. Чуть позже, в 1888г также русский инженер Николай Гаврилович Славянов реализовал ручную дуговую сварку уже металлическим электродом.

Родоначальниками дуговой сварки считаются русские инженеры!

В настоящее время комплексная технология (технология с применением сварки) является одним из основных заготовительных процессов, 30 % всех заготовок изготавливают с применением сварки и доля постоянно увеличивается. Данное обстоятельство обусловлено тем, что данные технологии позволяют существенно повысить эффективность производства.

При внедрении прогрессивных технологических процессов на основе сварки удаётся:

- уменьшить вес конструкции;

- уменьшить расход металла (КИМ увеличивается с 0,5 до 0,9);

- снизить трудоемкость изготовления (до 50%);

- улучшить условия труда (повышение уровня автоматизации и механизации).

Физические основы сварки.

Физическая сущность процесса сварки заключается в формировании неразъемного монолитного соединения путем образования прочных связей между атомами, расположенными на поверхности соединяемых заготовок.

Пример – соединение рельсов при прокладке железнодорожных путей с помощью металлических накладок и болтов;

Неразъемные соединения могут быть выполнены как монолитными (сплошными), так и немонолитными. Монолитное соединения получают сваркой, а немонолитное – клепкой.

Пример неразъемного соединения (немонолитного) – изготовление фюзеляжа самолета (обшивка подсоединяется к каркасу с помощью кленки)

Пример неразъемного соединения (монолитного) – соединение рельсов

Вид сварного шва рельсов

Справка: Впервые замысел устройства железнодорожного пути без стыков высказал в России инженер И. Ф. Стецевич еще в 1896 году. В Германии первый бесстыковой путь был проложен в 1924 году, в СШA — в 1930 году. В 1932 году на направлении Купянск-Валуйки были впервые в России уложены рельсы длиной 37,5 метра.

При формировании соединения при сварке атомы, расположенные на поверхности заготовок, сближаются. В процессе сближения на них действуют как силы притяжения – силы между отрицательно заряженными электронами – оболочкой и положительно заряженным ядром, а также силы отталкивания – межу положительно заряженными ядрами.

Схема изменения результирующей силы взаимодействия – F выглядит следующим образом.

Схема изменения сил взаимодействия между атомами (F)

в зависимости от расстояния между ними (r)

Система становится термодинамически стабильной, когда энергия связи между атомами будет минимальной. Это достигается при сближении атомов на расстояние r_o- расстояние между атомами в кристаллической решетке 0,2-0,6 нм (2-6Å).

К факторам, препятствующим сближению атомов на такое расстояние – расстояние, необходимое для образование прочных связей следует отнести:

- наличие на поверхности соединяемых заготовок микронеровностей;

Высота микронеровностей – сотни ангстрем (Å = 10 -10 м)

- наличие на поверхности оксидов, инородных атомов и различного рода загрязнений.

Вывод: при сварке необходимо исключить действие этих факторов – факторов, которые препятствуют сближению атомов на необходимое расстояние и сообщить атомам энергию для преодоления барьера схватывания. Такая энергия называется энергией активации и может сообщаться в общем случае в виде теплоты (термическая активация), и в виде упругопластической деформации (механическая активация). В зависимости от способа активации поверхности, виды сварки подразделяются на классы

Классы видов сварки в зависимости от способа активации поверхности

Термин	Определение
Термический класс сварки	Виды сварки, осуществляемые плавлением с использованием тепловой энергии
Термомеханический класс сварки	Виды сварки, осуществляемые с использованием тепловой энергии и давления
Механический класс сварки	Виды сварки, осуществляемые с использованием механической энергии и давления

Виды сварки, относящиеся к термическому классу, входят в группу способов сварки плавлением, а виды сварки, относящиеся к термомеханическому и механическому классу – к способам сварки давлением

Тема 5.3. Физические основы процесса. Электродуговая сварка.

Важнейшим промышленным видом сварки металлов в настоя­щее время является электродуговая сварка. Она используется для получения неразъемных соединений черных и цветных ме­таллов. При этом способе сварки кромки деталей и конец элек­трода разогреваются до плавления электрической дугой.

Электрическая дуга — это длительный мощный электриче­ский разряд в газовой среде между двумя электродами. Дуга заго­рается при кратковременном соприкосновении электрода и .основ­ного металла и последующем их разъединении. При соприкосно­вении электрода с изделием устанавливается режим короткого замыкания, а после отвода электрода от изделия на 3. 4 мм зажигается дуга (рис. 66). При установившемся режиме дуга

Технологическими параметрами режима сварки являются сила сварочного тока, напряжение и скорость процесса. Сила сварочного тока согласуется с толщиной свариваемых деталей и выбирается в зависимости от типа и толщины электрода. Обыч­но она не превышает 250 А. Рабочее напряжение при установив­шейся дуге не превышает 25 В, хотя для зажигания дуги требу­ется напряжение 45. 50 В. Следствием неправильно выбранного режима могут быть различные дефекты сварных швов — непро- вары, трещины, шлаковые включения, поры, пережог и др. Силу сварочного тока регулируют изменением воздушного зазора S в магнитопроводе дросселя (см. рис. 67). При максимальном S магнитное сопротивление будет наибольшим, магнитный поток — наименьшим. Так как э.д.с. самоиндукции определяется исклю­чительно магнитным потоком, то она в данном случае будет мини­мальной. Следовательно, приложенное напряжение будет гасить­ся в меньшей степени, что обусловит й цепи максимальный ток.

Электроды для ручной дуговой сварки представляют собой металлические стержни диаметром от 1 до 12 мм и длиной до 450 мм. Их изготавливают из специальной сварочной проволоки марок Св08, Св08Г, Св10Г2 и др. Содержание углерода в прово­локе, как правило, ограничивается, что улучшает пластичность наплавленного металла. Электроды диаметром 1. 2 мм приме­няют для сварки металла толщиной до 2 мм. С увеличением тол­щины свариваемого металла диаметр электродов увеличивают, например при сварке металлов толщиной 5. 10 мм используются электроды диаметром 4. 5 мм.

Стальные электроды для ручной дуговой сварки покрывают специальными обмазками для обеспечения более устойчивого горения дуги и повышения качества сварного шва. Применяют электродные обмазки двух видов — тонкие и толстые. Тонкие обмазки (обычно мел и жидкое стекло) используют только для обеспечения устойчивости горения дуги. Их применяют для свар­ки малоответственных изделий из углеродистой стали. Для сварки ответственных изделий применяют электроды с толстой обмаз­кой (покрытием). В их состав входят шлакообразующие, легирую­щие, раскисляющие, ионизирующие и связующие компоненты.

Для сварки высоколегированных сталей применяют электро­ды из электродной проволоки, имеющей примерно такой же со­став, как и свариваемая сталь.

Сварочный пост организовывается, как правило, в отдельной кабине и огораживается от остальной части цеха плотной шир­мой. Он должен иметь рабочий стол, сборочно-сварочные приспособ­ления, контрольно-измерительные инструменты и приборы, элек- трододержатель, гибкий кабель для подвода тока, электроды и др. Сварщики обеспечиваются спецодеждой и спецобувью, а также предохранительными щитками или шлемами со специальными светофильтрами для защиты глаз и лица от ультрафиолетовых и инфракрасных лучей, излучаемых электрической дугой.

Ручная дуговая сварка достаточно трудоемка, для ее проведения требуются высококвалифицированные сварщики, поскольку ка­чество сварных швов во многом зависит от их навыков и способ­ностей. Скорость ручной дуговой сварки не превышает 1,6 м/ч.

При автоматической сварке обеспечивается автоматическое зажигание дуги, автоматически поддерживается стабильный режим ее горения в процессе сварки. Кроме того, механизиру­ются подача электродной проволоки в сварочную ванну по мере расходования электрода и передвижение дуги вдоль шва. Если механизировано только одно движение, а второе — выполняет сварщик, то имеет место полуавтоматическая сварка.

Наиболее часто применяется автоматическая сварка под слоем флюса (рис. 68). Дуга при этом горит в газовом пузыре, образо­ванном парами металла и компонентами флюса. Флюс поступает в зону сварки из бункера. Часть флюса, окружающего дугу, рас­плавляется, образуя на поверхности расплавленного металла ванну жидкого шлака.

Рис. 68. Схема автоматической сварки под слоем флюса: 1 — свариваемый металл; 2 — стержень электрода; 3 —• расплавленный флюс; 4 — сварной шов; 5 — шлаковая корка

Образовавшаяся после затвердевания расплава шлаковая корка легко удаляется. Благодаря такой за­щите снижаются потери тепла на излучение, уменьшаются угар и разбрызгивание металла, снижаются термические напряжения. Кроме того, флюс защищает дугу и сварочную ванну от влияния окружающей атмосферы и обеспечивает хорошее формирование шва. При автоматической сварке под слоем флюса производи­тельность повышается в 5. 10 раз по сравнению с ручной дуго­вой сваркой.

Сварку под слоем флюса проводят автоматическими свароч­ными аппаратами (рис. 69), перемещающимися непосредствен­но по изделию. Сварочная головка 5 подает с катушки 3 в зону горения дуги 1 электродную проволоку 4. Сварочная дуга обра­зуется между основным металлом и электродной проволокой. По мере образования сварного шва сварочная головка автомати­чески перемещается вдоль стыка свариваемых изделий. Гранули­рованный флюс из бункера 2 непрерывно засыпается в разделку шва перед дугой. При горении дуги основной металл и электрод­ная проволока расплавляются под слоем флюса. Часть флюса от соприкосновения с дугой расплавляется и при остывании об­разует твердую корку, покрывающую шов. Флюс, оставшийся поверх корки, отсасывается обратно в бункер через трубку 6.

Автоматическую сварку под слоем флюса применяют пре­имущественно для сварки прямолинейных и кольцевых швов. При этом толщина свариваемых металлов составляет 2. 100 мм. Сваривать можно углеродистые и легированные стали, медные и алюминиевые сплавы, титан.

Электродную проволоку выбирают в зависимости от марки и состава свариваемого материала. Скорость сварки 30. 50 м/ч. Напряжение на дуге 22. 55 В.

Флюс для автоматической сварки должен обеспечить устой­чивое горение дуги, хорошее формирование и достаточные ме­ханические свойства сварного шва. При плавлении флюса не должны выделяться в большом количестве вредные газы и дым. Для сварки, например, низкоуглеродистых сталей применяют флюсы, содержащие марганцевую руду, плавиковый шпат, квар­цевый песок и ферросилиций. Иногда в состав флюсов для улуч­шения их технологических свойств вводят фторид кальция CaF₂.

1 — зона горения дуги; 2 — бункер для гранулированного флюса; 3 — ка­тушка с электродной проволокой; 4 — электродная проволока; 5 — свароч­ная головка; 6 — трубка для отсоса флюса; 7 — шлаковая корка

Для защиты свариваемого металла от воздействия кислорода и азота воздуха часто применяют дуговую сварку в защитных газах. В качестве защитных газов используют аргон, гелий, уг­лекислый газ. Эти способы обеспечивают лучшее качество свар­ных швов, чем при сварке на открытом воздухе.

Аргон и гелий — инертные газы, которые химически не взаи­модействуют с расплавами металлов и не растворяются в них. Их используют для сварки химически активных металлов (магния, титана, алюминия и др.), а также высоколегированных сталей.

Сварку в углекислом газе применяют для соединения загото­вок из конструкционных углеродистых сталей. В отдельных слу­чаях используют смеси газов, которые обеспечивают лучшие технологические свойства сварных швов.

Защитные газы поставляют в баллонах емкостью 40 л под давлением 15 МПа (аргон, гелий) и 6. 7 МПа (углекислый газ).

Наибольшее промышленное применение имеет аргонодуговая сварка. Обычно она выполняется неплавящимся вольфрамовым электродом 3 (рис. 70), установленным в мундштуке 4 специ­альной горелки. Через горелку пропускают аргон (или гелий), который создает вокруг зоны сварки защитную газовую оболочку. Возбуждение электрической дуги 6 происходит между электро­дом и свариваемой деталью 1. Для заполнения жидким металлом ванны в зону сварки вводят присадочный пруток 2, химический состав которого близок к составу свариваемой стали. Аргон по­дается в горелку под давлением 0,3. 0,5 МПа.

Рис. 70. Схема аргонодуговой сварки: 1 — свариваемая деталь; 2 — присадочный пруток; 3 — вольфрамовый электрод; 4 — мундштук; 5 — поток аргона; 6 — электрическая дуга; 7 — расплавленный металл

Большинство металлов сваривают на постоянном токе пря­мой полярности. Такое включение («плюс» на изделии) обеспечи­вает более высокую стойкость вольфрамового электрода. Поэтому, например, при диаметре электрода 3 мм при прямой полярно­сти допускается сила тока 140. 280 А, а при обратной — только 20. 40 А. При обратной полярности резко повышается нагрев электродов и их расход. Это объясняется тем, что в электриче­ской дуге наибольшее количество теплоты выделяется на аноде. Поэтому для сварки многих цветных металлов используют пе­ременный ток.

Сварка вольфрамовым электродом может выполняться в руч­ном режиме или же с помощью специальных полуавтоматиче­ских и автоматических установок. Напряжение на дуге 12. 16 В, сварочный ток 120. 160 А, расход аргона 6. 7 л/мин. Автома­тическую сварку вольфрамовым электродом применяют для со­единения заготовок сравнительно небольшой толщины — до 4 мм, без разделки кромок.

Основные процессы, протекающие при дуговой сварке.

Р ассмотрим металлургические процессы, которые имеют общий характер во всех или большинстве случаев выполнения дуговой сварки.

Диссоциация газов и соединений. При диссоциации происходит распад более сложных компонентов на атомы или составные части. Этому процессу способствуют наличие высоких температур в зоне сварки и каталитическое действие расплавленного металла. При дуговой сварке в первую очередь диссоциации подвергаются молекулы газов как простых (кислород, азот, водород), так и сложных (углекислый газ СО₂, пары воды Н₂О и др). Диссоциация газов происходит по реакциям:

Кислород и водород при температурах дуги практически полностью диссоциируют на атомы, азот диссоциирует в меньшей степени.

Диссоциация водяного пара в зависимости от температуры проходит по реакциям:

Следовательно, в зависимости от условий протекания реакций водяной пар может окислять или восстанавливать металл сварочной ванны.

Диссоциации подвергаются и более сложные соединения. Во многих электродных покрытиях и флюсах содержится плавиковый шпат CaF₂. При высоких температурах он разлагается по реакции

Атомы фтора, соединяясь с электронами, превращаются в ионы малой подвижности. Это ведет к снижению проводимости дугового промежутка и ухудшению стабильности дуги. Но в то же время атомы фтора способны связывать водород в молекулы HF, не растворяющиеся в металле ванны, уменьшая насыщение металла шва водородом. В состав многих покрытий электродов входят карбонаты, например СаСО₃. Разлагаясь при высоких температурах, они выделяют углекислый газ, который, в свою очередь, диссоциирует с образованием кислорода:

Находясь в атомарном состоянии, газы становятся химически активными и, реагируя с металлом, резко ухудшают его качество.

Окисление металла при сварке. Металл сварочной ванны может окисляться за счет кислорода, содержащегося в газовой среде и шлаках в зоне сварки. Кроме того, окисление может происходить и за счет оксидов (окалины, ржавчины), находящихся на кромках деталей и поверхности электродной проволоки. При нагреве имеющаяся в ржавчине влага испаряется, молекулы воды диссоциируют, а получающийся кислород окисляет металл. Окалина при плавлении металла превращается в оксид железа также с выделением свободного кислорода. При недостаточной защите сварочной ванны окисление происходит за счет кислорода воздуха.

Кислород с железом образует оксиды: FeO (22,3 % О₂), Fe₃0₄ (27,6 % О₂), Fe₂О₃ (30,1% О₂). При высокой температуре сварочной дуги за счет атомарного кислорода в результате реакции Fe+О→FeO образуется низший оксид, который при понижении температуры может переходить в другие формы высших оксидов.

Наибольшую опасность для качества шва представляет оксид FeO, способный растворяться в жидком металле. Этот оксид обладает температурой плавления меньшей, чем у основного металла. Поэтому при кристаллизации металла шва он затвердевает в последнюю очередь. В результате он располагается в виде прослоек по границам зерен, что вызывает снижение пластических свойств металла шва. Чем больше кислорода в шве находится в виде FeO, тем сильнее ухудшаются его механические свойства. Высшие оксиды железа не растворяются в жидком металле и, если они не успевают всплывать на поверхность сварочной ванны, остаются в металле шва в виде шлаковых включений.

Железо может окисляться также за счет кислорода, содержащегося в СО2 и парах воды Н2О:

В процессе сварки, кроме железа, окисляются и другие элементы, находящиеся в стали, – углерод, кремний, марганец. При переходе капель электродного металла в дуге окисление элементов происходит в результате взаимодействия их с атомарным кислородом газовой среды дугового промежутка:

В сварочной ванне элементы окисляются при взаимодействии их с оксидом железа

Mn + FeO ⇆ MnO + Fe,

Si + 2FeO ⇆ SiO₂ + 2Fe.

Окисление этих элементов приводит к уменьшению их содержания в металле шва. Кроме того, образующиеся оксиды могут оставаться в шве в виде различных включений, значительно снижающих механические свойства сварных соединений, особенно пластичность и ударную вязкость металла шва. Повышенное содержание кислорода вредно влияет и на другие свойства – уменьшает стойкость против коррозии, повышает склонность к старению металла, сообщает ему хладноломкость и красноломкость. Поэтому одним из условий получения качественного металла шва является предупреждение окисления его в первую очередь путем создания различных защитных сред.

Раскисление металла при сварке. Применяемые при сварке защитные меры не всегда обеспечивают отсутствие окисления расплавленного металла. Поэтому его требуется раскислить. Раскислением называют процесс восстановления железа из его оксида и перевод кислорода в форму нерастворимых соединений с последующим удалением их в шлак. Окисление и раскисление, в сущности, представляют два направления протекания одного и того же химического процесса. В общем случае реакция раскисления имеет вид FeO + Me ⇆ Fe + МеО, где Me – раскислитель.

Раскислителем является элемент, обладающий в условиях сварки большим сродством к кислороду, чем железо. В качестве раскислителей применяют кремний, марганец, титан, алюминий, углерод. Раскислители вводят в сварочную ванну через электродную проволоку, покрытия электродов и флюсы. Ниже приведены наиболее типичные реакции раскисления.

Раскисление марганцем: Fe + Mn ⇆ Fe + MnO.

Оксид марганца малорастворим в железе, но сам хорошо растворяет оксид железа FeO, увлекая его за собой в шлак.

Раскисление кремнием: 2FeO + Si ⇆ 2Fe+SiО₂.

Оксид кремния плохо растворим в железе и всплывает в шлак. Раскисление кремнием сопровождается реакциями образования более легкоплавких комплексных силикатов марганца, кремния и железа, которые лучше переходят в шлак:

Раскисление титаном: 2FeO + Ti = 2Fe + TiO₂.

Титан – энергичный раскислитель, при этом образуются легкоплавкие титанаты марганца и железа:

Марганец, кремний и титан вводят в сварочную ванну через электродную проволоку, легируя ее через покрытие электрода или флюс, вводя соответствующие ферросплавы.

Раскисление углеродом: FeO + С = Fe + СО.

Образующийся оксид углерода выделяется в атмосферу в газообразном состоянии, вызывая сильное кипение сварочной ванны и образуя поры в шве. Для получения плотных швов реакцию раскисления углеродом следует «подавить» введением в сварочную ванну других раскислителей, например кремния.

Легирование металла шва. Осуществляется различными полезными примесями для улучшения качества металла шва, путем введения полезных элементов в электродные стержни или проволоку, а также в состав электродного покрытия. Такие элементы, как кобальт, никель и др., полностью усваиваются наплавленным металлом. Элементы Mn и Si, участвующие в раскислении, при их достаточной концентрации в шлаке и электродном металле также частично усваиваются, переходя в сварной шов.

Взаимодействие с азотом. Азот воздуха, попадая в столб дуги, разогревается и частично диссоциирует. В атомарном состоянии азот растворяется в жидком металле. В процессе охлаждения азот выпадает из раствора и взаимодействует с металлом, образуя ряд соединений – нитридов Fe₂N, Fe₄N. Атомарный азот может соединяться и с кислородом, образуя оксид азота NO, который, растворяясь в каплях электродного металла, переходит в сварочную ванну. Содержание азота в металле шва вредно влияет на его механические свойства, особенно пластичность. Кроме того, насыщение металла азотом способствует образованию газовых пор. Снижение азота проводят для защиты расплавленного металла от воздуха или введения в него химических элементов, удаляющих азот в виде неметаллических включений.

Взаимодействие с водородом. Водород может попасть в зону сварки из влаги покрытия электрода или флюса, ржавчины на поверхности сварочной проволоки и детали, из воздуха. Атомарный водород хорошо растворяется в жидком металле, и с увеличением температуры нагрева растворимость увеличивается. Важной закономерностью в поведении газов является скачкообразное изменение их растворимости в металле при фазовых изменениях его и особенно при переходе из жидкого состояния в твердое.

При охлаждении и кристаллизации сварочной ванны выделяющийся водород не успевает полностью удаляться из металла шва. Это приводит к образованию в нем газовых пор. Кроме того, атомы водорода, диффундируя в имеющиеся полости и несплошности в затвердевающем металле, приводят к повышению в них давления, развитию в металле внутренних напряжений и образованию микротрещин. Снижение газонасыщения швов проводят за счет качественной защиты расплавленного металла при сварке очисткой и прокалкой свариваемого и сварочных материалов.

Реакции с серой и фосфором. Сера и фосфор являются вредными примесями в сталях. В сварочную ванну они попадают из основного металла, сварочной проволоки и иногда из покрытия электродов или флюса. В металле сера и фосфор могут находиться в виде соединений – сульфидов и фосфидов, хорошо растворимых в железе. Наличие в металле шва серы и фосфора снижает его механические свойства, сильно повышает склонность к образованию трещин и снижает ударную вязкость. Поэтому рафинирование, очистка металла от серы и фосфора имеет целью уменьшение общего содержания FeS и FeP

Рафинирование осуществляют путем связывания серы и фосфора в химические соединения, нерастворимые в стали и удаляемые в шлак, по реакциям:

FeS + Mn = MnS + Fe;

FeS + СаО=FeO + CaS;

2Fe₂P + 5FeO = P₂O₅+9Fe;

При этом MnS, CaS и Са₃Р₂О₈ переходят в шлак. Следует контролировать состав применяемых для сварки материалов (металла, покрытия, флюса) и не допускать содержания в них серы и фосфора выше норм.

Читайте также:

  
• Аргонодуговая tig тип сварки
  
• Сварка труб по asme
  
• Особенности сварки чугуна способы сварки
  
• Приспособления для сварки с поддувом аргона
  
• Назовите вид пламени применяемого при сварке изделий из чугуна