Сварка

Вступление.

Сварка– технологическийпроцесс получениянеразъемныхсоединенийматериаловпосредствомустановлениямежатомныхсвязей междусвариваемымичастями приих местном илипластическомдеформировании,или совместнымдействием тогои другого. Сваркойсоединяютоднородныеи разнородныеметаллы и ихсплавы, металлыс некоторыминеметаллическимиматериалами(керамикой,графитом, стекломи др.), а такжепластмассы.

Сварка– экономическивыгодный,высокопроизводительныйи в значительнойстепени механизированныйтехнологическийпроцесс, широкоприменяемыйпрактическиво всех отрасляхмашиностроения.

Физическаясущность процессасварки заключаетсяв образованиипрочных связеймежду атомамии молекуламина соединяемыхповерхностяхзаготовок. Дляобразованиясоединенийнеобходимовыполнениеследующихусловий: освобождениесвариваемыхповерхностейот загрязнений,оксидов иадсорбированныхна них инородныхатомов; энергетическаяактивацияповерхностныхатомов, облегчающаяих взаимодействиедруг с другом;сближениесвариваемыхповерхностейна растояния,сопостовимыес межатомнымрасстояниемв свариваемыхзаготовках.

В зависимостиот формы энергии,используемойдля образованиясварного соединения,все виды сваркиразделяют натри класса:термический,термомеханическийи механический.

К термическомуклассу относятсявиды сварки,осуществляемыеплавлениемс использованиемтепловой энергии(дуговая, плазменная,электрошлаковая,электронно– лучевая,лазерная, газоваяи др.).

К термомеханическомуклассу относятсявиды сварки,осуществляемыес использованиемтепловой энергиии давления(контактная,диффузионнаяи др.).

К механическомуклассу относятсявиды сварки,осуществляемыес использованиеммеханическойэнергии и давления(ультразвуковая,взрывом, трением,холодная идр.).

Свариваемость– свойствометалла илисочетанияметаллов образовыватьпри установленнойтехнологиисварки соединение,отвечающеетребованиям,обусловленным конструкциейи эксплуатациейизделия.

1. Электродуговаясварка.

1.1 Принципдействия.

Дуга –мощный стабильныйразряд электричествав ионизированнойатмосфере газови паров металла.Ионизациядугового промежуткапроисходитво время зажиганиядуги и непрерывноподдерживаетсяв процессе еегорения. Процессзажигания дугив большин-ствеслучаев включаетв себя три этапа:короткое замыканиеэлектрода назаготовку,отвод электродана расстояние3-6 мм и возникновениеустойчивогодугового разряда.

Короткое замыканиевыполняетсядля разогреваторца электродаи заготовкив зоне контактас электродом.После отводаэлектрода сего разогретоготорца (катода)под действиемэлектрическогополя начинаетсятермоэлектроннаяэмиссия электронов.Столкновениебыстродвижущихсяпо направлениюк аноду электроновс молекуламигазов и паровметалла приводитк их ионизации.По мере разогревастолбца дугии повы-шениекинетическойэнергии атомови молекул происходитдополнителнаяионизация засчет их соударения.Отдельные атомытакже ионизируютсяв результатепоглощенияэнергии, выделяемойпри соударениидругих частиц.В результатедуговой промежутокстановитсяэлектропроводными через негоначинаетсяразряд электричества.Процесс зажиганиядуги заканчиваетсявозникновениемустойчивогодугового разряда.

Источником теплоты придуговой сваркеслужит электрическаядуга, котораягорит междуэлектродоми заготовкой.В зависимостиот материалаи числа электродов,а также способавключенияэлектродови заготовкив цепь электрическоготока различаютследующиеспособы дуговойсварки:

а) Сварка неплавящимся(графитным иливольфрамовым)электродом,дугой прямогодействия, прикоторой соединениевыполняетсяпутем расплавлениятолько основногометалла, либос применениемприсадочногометалла.

б) Сварка плавящимся(металлическим)электродом,дугой прямогодействия, содно-временнымрасплавлениемосновногометалла и электрода,который пополняетсварочную ваннужидким металлом.

в) Сварка косвеннойдугой, горящеймежду двумя,как правило,неплавящимисяэлектро-дами.При этом основнойметалл нагреваетсяи расплавляетсятеплотой столбадуги.

г) Сварка трехфазнойдугой, прикоторой дугагорит междуэлектродами,а также междукаждым электродоми основнымметаллом.

Питание дугиосуществляетсяпостояннымили переменнымтоком. При применениепостоянноготока различаютсварку на прямойи обратнойполярностях.В первом случаеэлектрод подключаютк отрицательномуполюсу (катод),во втором – кположи-тельнуму(анод).

2. Ручнаядуговая сварка.

Ручную дуговуюсварку выполняютсварочнымиэлектродами,которые вручнуюпода-ют в дугуи перемещаютвдоль заготовки.В процессесварки металлическимпокрытым электродом– дуга горитмежду стержнемэлектрода иосновным металлом.Стержень электродаплавится, ирасплавленныйметалл каплямистекает вметаллическуюванну. Вместесо стержнемплавится поктрытиеэлектрода,образуя газовуюзащитную ат-мосферувокруг дугии жидкую шлаковуюванну на поверхностирасплавленногометалла. Металлическаяи шлаковыеванны вместеобразуют сварочнуюванну. По мередвижения дугисварочная ванназатвердеваети образуетсясварочный шов.Жидкий шлакпосле остыванияобразует твердуюшлаковую корку.

Электродыдля ручнойсварки представляютсобой стержнис нанесеннымина них покрытиями.Стержень изготовляютиз сварочнойпроволокиповышенногокачества. Сварочнуюпроволоку всехмарок в зависимостиот составаразделяют натри группы:низкоуглеродистая,легированнаяи высоколегированная.

Ручная сваркаудобна привыполнениикоротких икриволинейныхшвов в любыхпространственныхположениях– нижнем, вертикальном,горизонтальным,потолоч-ном,при наложениишвов в труднодоступныхместах, а такжепри монтажныхрабо-тах и сборкеконструкцийсложной формы.Ручная сваркаобеспечиваетхорошее качествосварных швов,но обладаетболее низкойпроизводительностью,например, посравнению савтоматическойдуговой сваркойпод флюсом.

Производительностьпроцесса восновном определяетсясварочнымтоком. Однакоток при ручнойсварке покрытымиэлектродамиограничен, таккак повышениетока сверхрекомендованногозначения приводитк разогревустержня электрода,отслаива-ниюпокрытия, сильномуразбрызгиваниюи угару расплавленногометалла. Ручнуюсварку постепеннозаменяютполуавтоматическойв атмосферезащитных газов.

2. Автоматическаядуговая сваркапод флюсом.

Для автоматическойдуговой сваркипод флюсомиспользуютнепокрытуюэлектрод-нуюпроволоку ифлюс для защитыдуги и сварочнойванны от воздуха.Подача и переме-щениеэлектроднойпроволокимеханизированы.Автоматизированыпроцессы зажига-ниядуги и заваркикратера в концешва.

В процессеавтоматическойсварки подфлюсом дугагорит междупроволокойи основ-нымметаллом. Столбдуги и металлическаяванна жидкогометалла со всехсторон плотнозакрыты слоемфлюса толшиной30 – 35 мм. Частьфлюса расплавляется,в ре-зультатечего вокругдуги образуетсягазовая полость,а на поверхностирасплавленногометалла – ваннажидкого шлака.Для сварки подфлюсом характерноглубокоепроплав-лениеосновногометалла. Действиемощной дугии весьма быстроедвижение электродавдоль заготовкиобусловливаютоттеснениерасплавленногометалла в сторону,потиво-положнуюнаправлениюсварки. По мерепоступательногодвижения электродапроисхо-дитзатвердеваниеметаллическойи шлаковой ваннс образованиемсварного шва,покры-тоготвердой шлаковойкоркой. Проволокуподают в дугуи перемещаютее вдоль швас помощью механизмовподачи и перемещения.Ток к электродупоступает черезтокопровод.

Дуговую сваркупод флюсомвыполняютсварочнымиавтоматами,сварочнымиголов-ками илисамоходнымитракторами,перемещающимисянепосредственнопо изделию.Назначениесварочныхавтоматов –подача электроднойпроволоки вдугу и поддержаниепостоянногорежима сваркив течение всегопроцесса.Автоматическуюсварку подфлюсом применяютв серийном имассовомпроизводствахдля выполнениядлинных прямолинейныхи кольцевыхшвов в нижнемположении наметалле толщиной2 – 100 мм. Под флюсомсвариваютметаллы различныхклассов. Автоматическуюсварку широкоприменяют приизготовлениикотлов, резервуаровдля храненияжидкостей игазов, корпусовсудов, мостовыхбалок и другихизделий. Онаявляется однымиз основныхзвеньев автоматическойлиний дляизготовлениясварных автомобильныхколес и ста-новдля производствасварных прямошовныхи мпиральныхтруб.

2. Электрошлаковаясварка и приплав.

При электрошлаковойсварке основнойи электродный металлы расплавляютсятеплотой,выделяющейсяпри прохожденииэлектрическоготока черезшлаковую ванну.Процесс электрошлаковойсварки начинаетсяс образованияшлаковой ванныв прос-транствемежду кромкамиосновногометалла иформирующимиустройствами(ползунами),охлаждаемыеводой, подаваемойпо трубам, путемрасплавленияфлюса эле-ктрическойдугой, возбуждаемоймежду сварочнойпроволокойи вводной планкой.После накопленияопределенногоколичестважидкого шлакадуга шунтируетсяшлаком и гаснет,а подача проволокии подвод токапродолжаются.При прохождениитока черезрасплавленныйшлак, являющийсяэлектропроводящимэлектролитом,в нем выделяетсятеплота, достаточнаядля поддержаниявысокой температурышлака (до 2000 градусовпо цельсию) ирасплавлениякромок основногометалла и электроднойпроволоки.Проволокавводится взазор и подаетсяв шлаковуюванну с помощьюмундштука.Проволокаслужит дляподвода токаи пополнениясварочной ваннырасплавленнымметаллом. Какправило, электрошлаковуюсварку выполняютпри вертикальномположениисвариваемыхзаготовок. Помере заполнениязазора междуними мундштукдля подачипроволоки иформирующиеползуны передвигаютсяв вертикальномнаправлении,оставляя послесебя затвердевшийсварной шов.

В начальноми конечномучастках шваобразуютсядефекты. В началешва – непроваркромок , в концешва - усадочнаяраковина инеметаллическиевключения.Поэтому сваркуначинают навводной, азаканчиваютна выходнойпланках, которыезатем удаляютгазовой резкой.

Шлаковая ванна– более распределенныйисточник теплоты,чем электрическаядуга. Основнойметалл расплавляетсяодновременнопо всему периметрушлаковой ванны,что позволяетвести сваркуметалла большойтолщины за одинпроход.

Заготовкитолщиной до150 мм можно свариватьодним электродом,совершающимпоперечныеколебания взазоре дляобеспеченияравномерногоразогревашлаковой ванныпо всей толщине.Металл толщинойболее 150 мм свариваюттремя проволоками,а иногда и большимчислом проволок,исходя изиспользованияодного электродана 45 – 60 мм толщиныметалла. Специальныеавтоматы обеспечиваютподачу электродныхпроволок и ихпоперчнойперемещениев зазоре.

Электрошлаковаясварка имеетряд преимуществпо сравнениюс автоматическойсваркой подфлюсом: повышеннуюпроизводительность,лучшую макроструктурушва и меньшиезатраты навыполнение1 м сварногошва.

К недостаткамэлектрошлаковойсварки следуетотнести образованиекрупного зер-нав шве и околошовнойзоне вследствиезамедленногонагрева и охлаждения.После сваркинеобходиматермическаяобработка(отжиг илинормализация)для измельчениязерна в металлесварного соединения.

Электрошлаковуюсварку широкуприменяют втяжелом машиностроениидля изго-товленияковано – сварныхи лито – сварныхконструкций,таких, как станиныи дета-ли мощныхпресов и станков,коленчатыевалы судовыхдизелей, роторыи валы гидро-турбин,котлывысокого давленияи т. п. Толщинасвариваемогометалла составляет50 – 2000 мм.

2. Сваркав среде защитныхгазов.

При сваркев защитном газеэлектрод, зонадуги и сварочнаяванна защищеныструей защитногогаза.

В качествезащитных газовприменяютинертные газы( аргон и гелий)и активные газы(углекислыйгаз, азот, водороди др.), а иногда– смеси двухгазов и более.

Сварка в средезащитных газовв зависимостиот степенимеханизациипроцессовподачи присадочнойили сварочнойпроволоки иперемещениясварочнойгорелки можетбыть ручной,полуавтоматическойи автоматической.

По сравнениюс ручной сваркойпокрытымиэлектродамии автоматическойпод флюсомсварка в защитныхгазах имеетследующиепреимущества:высокую степеньзащиты расплавленногометалла отвоздействиявоздуха; отсутствиена поверхностишва при примененииаргона оксидови шлаковыхвключений;возможностьведения процессаво всех пространственныхположениях;возможностьвизуальногонаблюденияза процессомформированияшва и его регулирования;более высокуюпроизводительностьпроцесса, чемпри ручнойдуговой сварке;относительнонизкую стоимостьсварки в угле-кисломгазе.

Области применениясварки в защитныхгазах охватываютширокий кругматериа-лови изделий (узлылетательныхаппаратов,элементы атомныхустановок,корпуса итрубопроводыхимическихаппаратов ит. п.). Аргонодуговуюсварку применяютдля цветных(алюминия, магния,меди) и тугоплавких(титана, ниобия,ванадия, циркония)металлов и ихсплавов, а такжелегированныхи высоколегированныхсталей.

2. Контактнаясварка.

Контактнаясварка относитсяк видам сваркис кратковременнымнагревом местасоединениябез оплавленияили с оплавлениеми осадкой разогретыхзаготовок.Характернаяособенностьэтих процессов– пластическаядеформация,в ходе которойформируетсясварное соединение.

Место соединенияразогреваетсяпроходящимпо металлуэлектрическимтоком, причеммаксимальноеколичество теплоты выделяетсяв месте сварочногоконтакта.

На поверхностисвариваемогометалла имеютсяпленки оксидови загрязненияс малой электропроводимостью,которые такжеувеличиваютэлектросопротивлениеконтакта. Врезультатев точках контактаметалл нагреваетсядо термопластичес-когосостояния илидо оплавления.При непрерывномсдавливаниинагретых заготовокобразуютсяновые точкисоприкосновения,пока не произойдетполное сближениедо межатомныхрасстояний,т. е. сваркаповерхностей.

Контактнуюсварку классифицируютпо типу сварногосоединения,определяющеговид сварочноймашины, и породу тока, питающегосварочныйтрансформатор.По типу сварногосоединенияразличаютсварку стыковую,точечную, шовную.

Стыковаясварка.

Стыковая сварка– разновидностьконтактнойсварки, прикоторой заготовкисвариваютсяпо всей поверхностисоприкосновения.Свариваемыезаготовкизакрепляютв зажимах стыковоймашины. Зажим1 установленна подвижнойплите, перемещаю-щийсяв направляющих,зажим 2 укрепленна неподвижнойплите. Сварочный

трансформаторсоединен сплитеми гибкимишинами и питаетсяот сети через включающееустройство.Плиты перемещаются,и заготовкисжимаются поддействи-емусилия, развиваемогомеханизмомосадки.

Стыковую сваркус разогревомстыка до пластическогосостояния ипоследующейосадкой называют– сваркойоплавлением.

Сварка оплавлениемимеет преимуществаперед сваркойсопротивлением.В процессеоплавлениявыравниваютсявсе неровностистыка, а оксидыи загрязненияудаляются,поэтому нетребуютсяособой подготовкиместа соединения.Можно свариватьзаго-товки ссечением, разнородныеметаллы (быстрорежущуюи углеродистуюстали, медь иалюминий ит.д.).

Наиболеераспостраненнымиизделиями,изготовляемыестыковой сваркой,служат элементытрубчатыхконструкций,колеса и кольца,инструмент,рельсы, железобетон-наяарматура.

Тотечнаясварка.

Точечная сварка– разновидностьконтактнойсварки, прикоторой заготовкисоеди-няютсяв отдельныхточках. Притотечной сваркезаготовкисобирают внахлесткуи зажимаютмежду электродами,подводящимиток к местусварки. Соприкасающиесяс медным электродамиповерхностисвариваемыхзаготовокнагреваютсямедленнее ихвнутреннихслоев. Нагревпродолжаетсядо пластическогосостояниявнешних слоеви до расплавлениявнутреннихслоев. Затемвыключают токи снимают давление.В результатеобразуетсялитая сварнаяточка.

Точечная сваркав зависимостиот расположенияэлектродовпо отношениюк свариваемымзаготовкамможет бытьдвустороннейи односторонней.

Многоточечнаяконтактнаясварка – разновидностьконтактнойсварки, когдаза один циклсвариваютсянесколькоточек. Многоточечнуюсварку выполняютпо принци-пуодностороннейточечной сварки.Многоточечныемашины могутиметь от однойпары до 100 парэлектродов,соответственносваривать 2–200 точек одновременно.Многоточечнойсваркой свариваютодновременнои последовательно.В первом случаевсе электродысразу прижимаютк изделию, чтообеспечиваетменьшее короблениеи большую точностьсборки. Токраспределяетсямежду прижатымиэлектродамиспециальнымтокораспределителем,включающимэлектродыпопарно. Вовтором случаепары электродовопускают поочередноили одновременно,а ток подключаютпоочереднок каждой пареэлектродовот сварочноготрансформатора.Многоточечнуюсварку применяютв основном вмассовомпроизводстве,где требуетсябольшое числосварных точекна заготовке.

Шовнаясварка.

Шовная сварка– разновидностьконтактнойсварки, прикоторой междусвариваемы-мизаготовки образуетсяпрочное и плотноесоединение.Электродывыполняют ввиде плоскихроликов, междукоторыми пропускаютсвариваемыезаготовки.

В процессешовной сваркилистовые заготовкисоединяютвнахлестку,зажимают междуэлектродамии пропускаютток. При движениироликов позаготовкамобразуютсяперекрывающиедруг другасварные точки,в результатечего получаетсясплошнойгеометрическишов. Шовнуюточку, так жекак и точечную,можно выпол-нитьпри двустороннейи одностороннемрасположенияхэлектродов.

Шовную сваркуприменяют вмассовом производствепри изготовленииразличныхсосудов. Толщинасвариваемыхлистов составляет0,3 – 3 мм. Шовнойсваркой выполняютте же типы сварныхсоединений,что и точечной,но используютдля полу-чениягерметичногошва.

3. Газоваясварка и резкаметаллов.

При сваркеместо соединениянагревают дорасплавлениявысокотемпературнымгазовым пламенем.При нагревегазосварочнымпламенем кромкисвариваемыхзаготовокрасплавляются,а зазор междуними заполняетсяприсадочнымметаллом, которыйвводят в пламягорелки извне.Газовое пламяполучают присгорании горючегогаза в атмосферетехническичистого кислорода.

Кислородныйбалон представляетсобой стальнойцилиндр сосферическимднищем и горловинойдля креплениязапорноговентиля. Нанижнюю частьбалона насаживаетсябашмак, позволяющийставить балонвертикально.На горловинеимеется кольцос резьбой длянавертываниязащитногоколпака. Средняяжидкостнаявместимостьбалона 40 дм³.При давлении15 МПа он вмещает~ 6000дм³ кислорода.

Ацетиленовыебалоны окрашиваютв белый цвет и делают наних надписькрасной краской«Ацетилен».Их конструкцияанологичнаконструкциикислороднызбалонов. Давлениеацетилена вбалоне 1,5 МПа.В балоне находитсяпористая масса(активизи-рованныйуголь) и ацетон.Растворенияацетилена вацетоне позволяетпоместить вмалом объемебольшое количествоацетилена.Растворенныйв ацетоне ацетилен пропитываетпористую массуи становитсябезопасным.

При газовойсварке заготовкинагреваютсяболее плавно,чем при дуговой;это и определяетосновные областиее применения:для сваркиметаллов малойтолщины (0,2 – 3 мм);легкоплавкихцветных металлови сплавов, требующихпостепенногонагрева и охлаждения,напримеринструментальныхсталей, чугуна,латуней; дляпайки а наплавочныхработ; для подваркидефектов вчугунных ибронзовыхотливках. Приувеличениитолщины металлапроизводительностьгазовой сваркирезко снижается.При этом засчет медленногонагрева свариваемыеизделия значительнодеформируют-ся.Это ограничиваетприминениегазовой сварки.

Газокислороднаярезка заключаетсяв сжиганииметалла в струекислорода иудале-нии этойструей образующихсяоксидов. Пригорении железав кислородевыделяетсязначительноеколичествотеплоты.

Для обеспечениянормальногопроцесса резкиметалл долженотвечать следующимтребованиям:температураего плавлениядолжна бытьвыше температурыгорения в кислороде;температураплавленияоксидов металладолжна бытьниже температурыего плавления;количесвтотеплоты, выделяющеесяпри сгоранииметалла в кислороднойструе, должнобыть достаточнымдля поддержаниянепрерывногопроцесса резки;теплопроводностьметалла недолжна бытьслишком высокой,в противномслучае теплотаслишком интенсивноотводится ипроцесс резкипрекращается;образующиесяоксиды должныбыть достаточножидкотекучимии лекго выдуватьсявниз струейрежущего кислорода.

Практическиуказаннымтребованияотвечают железо,низкоуглеродистыеи низко-легированныестали.

По характеруи направленностикислороднойструи различаютследующиеспособы резки.

Разделительнаярезка – режущая струя направленнанормально кповерхностиметалла и прорезаетего на всю толщину.Разделительнойрезкой раскраиваютлисто-вую сталь,разрезаютпрофильнойматериал, вырезаюткосынки, круги,фланцы и т. п.Поверзностнаярезка – режущаяструя направленнапод очень малымуглом к поверхностиметалла (почтипаралельноей) и обеспечиваютгрубую ее строжкуили обдирку.Ею удаляютповерхностныедефекты отливок.

Резка кислороднымкопьем – копьеобразуетсятонкостеннойстальной трубкой,присоединеннойк рукоятке исвободнымконцом прижатойк прожигаемомуметаллу. Кислороднымкопьем отрезаютприбыли крупныхотливок, прожигаютлетки в металлургическихпечах, отверствияв бетоне и т.п.

Резка можетбыть ручнойи машинной.

4. Дефеткыобразующиесяпри сварке.

Остаточныесварочныенапряженияи деформация.

Дефекты всоединенияхбывают двухтипов: внешниеи внутренние.В сварных соединенияхк внешним дефектамотносят наплывыподрезы, наружныенепровары инесплавления,поверхностныетрещины и поры.К внутренним– скрытые трещиныи поры, внутренниенепровары инесплавления,шлаковые включенияи др. В паяныхсоединенияхвнешними дефектамиявляются наплывыи натеки припоя,неполное заполнениешва припоем;внутренними– поры, вкюченияфлюса, трещиныи др.

Качество сварныхи паяных соединенийобеспечиваютпредварительнымконтролемматериалови заготовок,текущим контролемза процессомсварки и пайкии приемочнымконтролемготовых сварныхили паяныхсоединений.В зависимостиот нарушенияцелостностисварного соединенияпри контролеразличаютразрушающиеи неразрушающиеметоды контроля.

АльмяшеваАндрея Рашидовича.

1АП3.