Сварка и ее виды

Введение
На сегодняшний день применяются различные виды стыковки металлов, основные различия и характеристики подразделяются на техническую, физическую, а также технологические разновидности. Технологический процесс соединения подразумевает взаимодействия материалов на межатомном уровне путем воздействия температур. Несъемные крепления используются для множества материалов, основные из них металлические детали, также свариваются стекло, пластмасса и керамика. Процесс происходит основными способами ручной, полуавтоматической или автоматической, в зависимости от характеристик механизмов.
Энергия подводится к электроду, материалу для сварки, путем усиления через инвертор. Определение сварки начинается с того, что воздействие электрической дуги приводит к расплавлению металла электрода, что приводит к образованию сварочной ванны. При процессе образования ванны происходит смешивание с основным материалом, шлаки всплывают на поверхность и служат как защитная пленка. Затвердевание металла после процессов называется процессом сварки.
Для определения, что такое сварка, важно знать, что существует два вида электродов – неплавящиеся и плавящиеся. Неплавящийся электрод подразумевает использование присадочной проволоки, которая вводится в сварочную ванну отдельно. Второй вариант плавит непосредственно прут электрода. Защита от окисления в процессе стыковки производится газами, подводящийся при горении головки. Существуют переменные и постоянные агрегаты, при работах с агрегатами постоянного тока происходит более качественный, равномерный шов.
1. Флотация
Диффузия - это процесс, во время которого при тесном контакте между поверхностями молекулы и атомы разных элементов начинают смешиваться и проникать друг в друга. В естественных условиях данный процесс протекает достаточно медленно, поэтому он не приемлем для производственных условий.
Но в 1953 году советский физик Николай Федорович Казаков смог добиться повышения скорости взаимного проникновения молекул и атомов друг в друга. Он поместил соединяемые заготовки в вакуум, повысил температурные показатели и оказал на них усиленное давление. Так и появилась диффузионная сварка, которая позволяет соединять детали из разных видов металлов.
Характеристика диффузионной сварки
Во время диффузионной сварки металлов используются специальные сварочные стенды. На их поверхности размещаются элементы, затем стенды с ними помещаются в камеру с вакуумом. На соединяемую зону оказывается давление, если потребуется, она может подвергаться температурному воздействию.
В соответствии с основными особенностями сварочного процесса, он может длиться от нескольких минут до часов. В результате изделие приобретает характеристики, которые невозможно получить при проведении других видов сварок.
Чтобы при проведении диффузной сварки удалось получить прочный и качественный шов стоит обратить внимание на несколько важных условий:
При помощи специальной установки требуется создать вакуум. Чем выше будет разряжение внутри, тем быстрее и эффективнее будет протекать сварочный процесс. Чтобы получить физический вакуум в обычных условиях требуются большие затраты. По этой причине приходиться применять небольшое разряжение, которое редко может превышать 10-5 мм рт.ст.. Но даже этого показателя достаточно для получения отличных результатов.
Во время сварки необходимо нагревать соединяемые детали. Иногда процесс может протекать при комнатной температуре, но тогда на формирование шва может потребоваться много времени. При увеличении температуры повышается текучесть металлов и ускоряется диффузия. Нагревание может выполнять разными способами - индукционным, электроконтактным, радиационным.
После достижения требуемой температуры в область соединения подается необходимое давление. Оно может быть разных типов - длительное или кратковременное, локальное или одновременно распределенное. Это требуется для ускорения взаимного проникновения частиц вещества.
Для повышения прочности сварного соединения требуется применять тонкую медную, золотую, платиновую, никелевую фольгу. Ее толщина должна составлять несколько микрон. Также области стыков заготовок рекомендуется обрабатывать химическими веществами.
Каждая готовая деталь подвергается дефектоскопии. Обычно вакуумная сварка требуется для применения радиации и ультразвука.
2.Сварка трением
Сварка металла трением — это уникальный процесс соединения двух металлов, при котором механическая энергия трения или вращения одной из заготовок превращается в тепловую, где генерирование теплоты происходит именно в месте нужного соединения. В процессе нагрева детали прижимаются с постоянным давлением или нарастающим. После необходимого нагрева, расплава металла, соединения путем давления сварка завершается осадкой и резким прекращением вращения.
При сварке металла трением в зоне соединения в результате давления происходит разрушение жировых пленок и окислов, которые мешают прочному соединению.
Сильно разогретый металл, до температуры плавления, при сильном сжатии побуждает атомы металлов врастать друг в друга, что вызывает монолитность изделия. Таким образом, сварка металла трением включает в себя процесс:
-прочное закрепление деталей, при котором одна из них подвижная, а другая нет;
-разогрев металла механическим путем до пластичного состояния, плавления;
-процесс разрушения окислов, жировых пленок, мешающих прочности сварного шва;
-кромки горячего металла устанавливают металлические связи на атомном уровне;
-прекращение вращательных движений, давления, режим застывания деталей.
В 1990-е годы был разработан метод сварки трением металлов с перемешиванием. Этим способом варятся стыковые швы листового цветного металла: алюминия, титана, их сплавов, а также стали. Также свариваются все сплавы с температурой плавления до 18000С, можно соединять разнородные металлы. Для этого используют инструмент в форме стержня с наконечником, который углубляется в свариваемую деталь и проходит по всей необходимой длине свариваемой детали. Инструмент вращается с очень большой скоростью, происходит сильное трение, вызывающее нагрев металла до пластичного состояния. Происходит перемешивание расплавленной массы с вращающимся инструментом и его вытеснение в свободное пространство позади инструмента. В результате такого процесса устанавливаются металлические связи и происходит соединение металлов. По окончании работы инструмент выводят за пределы заготовки. Ключевые критерии сварки трением металлов с перемешиванием:
-скорость сварки;
-частота вращательных движений;
-сила прижимания инструмента, его перемещение, с учетом свариваемого металла, его толщины;
-размеры такого инструмента и угол его наклона.
Достоинства такой сварки:
-не нужна большая мощность;
-локальная зона разогрева, точность разогрева;
-быстрота сварки;
-точность соединения;
-отсутствие брызг.

3.Дуговая сварка
Сварка в защитном газе является одним из способов дуговой сварки. При этом в зону дуги подается защитный газ, струя которого, обтекая электрическую дугу и сварочную ванну, предохраняет расплавленный металл от воздействия атмосферного воздуха, окисления и азотирования.
При сварке в среде защитных газах для защиты зоны сварочной дуги и расплавленного металла испoльзуют специальный газ, подаваемый струей в зону плавления при помощи горелки, или сварку выполняют в камерах, заполненных газом.
При сварке в защитном газе электрод, зона дуги и сварочная ванна защищены струей защитного газа.
В этом случае при выполнении дуговой сварки дуга и расплавляемый металл, а иногда и остывающий шов находятся в защитном газе, подаваемом в зону сварки с помощью специальных устройств.
Способы дуговой сварки
Способы дуговой сварки в защитных газах (рисунок 1) классифицируют по характеру воздействия дуги на свариваемый металл, виду тока, дуги, электрода и защитного газа, степени механизации процесса и наличию присадочного материала или флюса.

Наиболее распространенной являетcя струйная местная защита потокoм газа, истекающим из соплa сварочной горелки (рисунок 1). Качество струйной защиты завиcит oт размеров и конструкции сопла 1, расстояния L oт среза сопла A - A дo поверхности свариваемого материалa, и от расхода защитного газа. B строeнии газового потока различaют двe облаcти: 2 - ядро струи и 3 - периферийный участок. Надежнaя защита металла гарантирована толькo в пределах ядра потока, максимальнaя длина H которого наблюдается пpи ламинарном истечении газа из соплa.
4.Сварка с предварительным подогревом (термомеханический класс)
Контактная сварка. Сварные соединения получаются в результате нагрева деталей проходящим через них током и последующей пластической деформации зоны соединения. По виду получаемого соединения контактную сварку подразделяют на точечную, шовную, стыковую (рис. 1).

Рис. 1. Схемы контактной сварки: а – стыковой; б – точечной; в – шовной
Сварка осуществляется на машинах, состоящих из источника тока, прерывателя тока и механизмов зажатия заготовок и создания давления. К деталям с помощью электродов подводят ток небольшого напряжения (3…8 В) и большой силы (до нескольких десятков кА). Большая часть тепла выделяется в зоне контакта деталей. Стыковая контактная сварка (рис. 1, а) – способ соединения деталей по всей плоскости их касания. Свариваемые заготовки 1 плотно зажимают в неподвижном 2 и подвижном 3 токоподводах, подключенных к вторичной обмотке сварочного трансформатора 4. Для обеспечения плотного электрического контакта свариваемые поверхности приводят в соприкосновение и сжимают. Затем включается ток. Поверхность контакта заготовок разогревается до требуемой температуры, ток отключается, производится сдавливание заготовок – осадка. Стыковую сварку с разогревом стыка до пластического состояния и последующей осадкой называют сваркой сопротивлением, а при разогреве торцов до оплавления с последующей осадкой – сваркой оплавлением. В результате пластической деформации и быстрой рекристаллизации в зоне образуются рекристаллизованные зерна из материала обеих деталей. Данный способ сварки применяется для соединения встык деталей типа стержней, толстостенных труб, рельсов и т.п.
Точечная сварка (рис. 1, б) – способ изготовления листовых или стержневых конструкций, позволяющий получить прочные соединения в отдельных точках. Свариваемые заготовки 1, собранные внахлест, зажимают между неподвижным 2 и подвижным 3 электродами, подсоединенными к обмотке трансформатора 4. Электроды изнутри охлаждаются водой, нагрев локализуется на участках соприкосновения деталей между электродами. Получают линзу расплава требуемого размера, ток выключают, расплав затвердевает, образуется сварная точка. Электроды сжимают детали, пластически деформируя их. Образующееся сварное соединение обладает большой прочностью и его можно применять для изготовления несущих конструкций. Данный способ широко применяют в автомобиле- и приборостроении, строительстве, при сборке электрических схем и т.д.
Шовная сварка (рис. 1, в) – способ соединения деталей швом, состоящим из отдельных сварных точек. Свариваемые заготовки 1 помещают между двумя роликами-электродами, один из электродов 2 может иметь вращательное движение, а другой 3 – вращательное движение и перемещение в вертикальном направлении. Электроды подключаются к вторичной обмотке трансформатора 4. Электроды-ролики зажимают и передвигают деталь. Шовная сварка обеспечивает получение прочных и герметичных соединений их листового материала толщиной до 5 мм. Диффузионная сварка – способ сварки давлением в вакууме приложением сдавливающих сил при повышенной температуре. Свариваемые детали тщательно зачищают, сжимают, нагревают в вакууме специальным источником тепла до температуры рекристаллизации (0,4∙Тпл), и длительно выдерживают. В начальной стадии процесса создаются условия для образования металлических связей между соединяемыми поверхностями. Низкое давление способствует удалению поверхностных пленок, а высокая температура и давление приводят к уменьшению неровностей поверхностей и сближению их до нужного расстояния. Затем протекают процессы диффузии в металле, образуются промежуточные слои, увеличивающие прочность соединения. Соединения получают при небольшой пластической деформации, изменение размеров мало. Сварка может осуществляться в среде инертных и защитных газов: гелий, аргон, водород. Способ применяется для соединения металлов, металлов и полупроводников, а также других неметаллических материалов. Широко применяется в космической технике, электротехнической, радиотехнической и других отраслях промышленности.

5. Сварка без предварительного подогрева (механический класс)
Сварка трением – способ сварки давлением при воздействии теплоты, возникающей при трении свариваемых поверхностей. Осуществляется на специальных машинах. Свариваемые заготовки устанавливают соосно в зажимах машины, один из которых неподвижен, а другой может совершать вращательное и поступательное движения. Заготовки сжимаются осевым усилием, и включается механизм вращения. При достижении температуры 980…13000 С вращение заготовок прекращают при продолжении сжатия. Иногда сварку трением производят через промежуточный вращаемый элемент или заменяют вращательное движение вибрацией. Сваркой трением можно сваривать заготовки диаметром 0,75…140 мм. Преимущества способа: простота, высокая производительность, малая энергоемкость, стабильность качества соединения, возможность сварки заготовок из разнородных материалов. Сварка взрывом Большинство технологических схем сварки взрывом основано на использовании направленного взрыва. Соединяемые поверхности заготовок, одна из которых неподвижна и служит основанием, располагают под углом друг к другу на определенном расстоянии. На вторую заготовку укладывают взрывчатое вещество и устанавливают детонатор. Сварку осуществляют на жесткой опоре. При соударении двух деталей под действием ударной волны, движущихся с большой скоростью, между ними образуется кумулятивная струя, которая разрушает и уносит оксидные поверхностные пленки и другие загрязнения. Поверхности сближаются до расстояния действия межатомных сил, и происходит схватывание по всей площади соединения. Продолжительность сварки несколько микросекунд. Прочность соединений, выполненных сваркой взрывом, выше прочности соединяемых материалов. Сварку взрывом используют при изготовлении заготовок для проката биметалла, плакировке поверхностей конструкционных сталей металлами и сплавами со специальными свойствами, при сварке заготовок из разнородных материалов. Целесообразно сочетание сварки взрывом со штамповкой и ковкой.
6. Специальные термические процессы в сварочном производстве (наплавка и напыление)
Наплавка – процесс нанесения слоя металла или сплава на поверхность изделия. Наплавка позволяет получать детали с поверхностью, отличающейся от основного металла, например жаростойкостью и жаропрочностью, высокой износостойкостью при нормальных и повышенных температурах, коррозионной стойкостью и т.п. Наплавка может производиться как при изготовлении новых деталей, так и в ремонтно-восстановительных работах, существенно удлиняя срок эксплуатации деталей и узлов, обеспечивая этим высокий экономический эффект. Существуют следующие способы наплавки:
Ручная дуговая электродами со стержнями и покрытиями специальных составов.
Автоматическая наплавка под флюсом. Электроды могут быть сплошного сечения и порошковые. Состав флюса, металл электрода и состав наполнителя определяют свойства наплавленного слоя.
Наплавка плавящимися и неплавящимися электродами в среде защитных газов. Свойства наплавленного слоя зависят от материала присадки или электрода.
Плазменная наплавка. Дуга может быть как прямого, так и косвенного действия. Можно плазменной струей оплавлять слой легированного порошка, предварительно нанесенный на поверхность детали.
Электрошлаковая, электронно-лучевая, лазерная наплавка, а также наплавка газокислородным пламенем.
Существенным показателем эффективности того или иного способа наплавки является степень перемешивания при наплавке основного металла и присадочного: чем она меньше, тем ближе будут свойства наплавленного слоя к заданным. Напыление при напылении расплавленные по всему объему или по поверхности частицы материала будущего покрытия направляются на поверхность нагретой заготовки. При соударении с поверхностью частица деформируется, обеспечивая хороший физический контакт с деталью. Характер взаимодействия частицы с материалом подложки, последующая кристаллизация частиц определяет качество адгезии покрытия с подложкой. Последующие слои формируются уже за счет связей частиц друг с другом, имеют чешуйчатое строение и существенно неоднородны. Для напыления используют источники тепла: газовое пламя, плазму, ионный нагрев, нагрев в печах, лазер и др. Наибольшее распространение получили процессы газопламенного и плазменного напыления. Материал для напыления подается в пламя горелки или плазменную дугу в виде проволоки или порошка, где происходит нагрев и распыление частиц, которые тепловым потоком источника нагрева разгоняются и попадают на поверхность напыляемой детали.
Иной способ формирования покрытий при нагреве в печах. В этом случае нагретая деталь контактирует с материалом покрытия, находящимся в виде порошка или газовой фазы. Получаемое таким методом покрытие имеет высокую адгезию к поверхности детали за счет активных диффузионных процессов, происходящих в период длительной выдержки в печи при высокой температуре. Все большее распространение получают ионно-плазменные методы напыления износостойких и декоративных покрытий.

Заключение
Сварка является одним из ведущих технологических процессов обработки металлов. Сварка широко применяется в основных отраслях производства, потребляющих металлопрокат, т.к. резко сокращается расход металла, сроки выполнения работ и трудоёмкость производственных процессов. Выпуск сварных конструкций и уровень механизации сварных процессов постоянно повышается. Успехи в области автоматизации сварочных процессов позволили коренным образом изменить технологию изготовления важных хозяйственных объектов, таких как доменные печи, турбины, химическое оборудование.

Список использованных источников
1.Малышев.Б.Д, Мельник.В.И, Гетия.И.Г. Ручная дуговая сварка. - М.: Стройиздат, 2016г
2.Рыбаков.В.М. Дуговая и газовая сварка. М.: Высшая школа, 2017г
3.Журнал "Промышленное Оборудование" 2014 г.
4.Казаков.Ю.В, Козулин.М.Г. Сварка и резка материалов. - М.: Издательский центр “Академия”, 2017г.
5. Технология конструкционных материалов для ВУЗов под редакцией А.М.Дальского. Москва «МАШИНОСТРОЕНИЕ» 2015г.
6.Интернет рисурс: https://osvarka.com/vidy-i-sposoby-svarki/diffuzionnaya-svarka-v-vakuume