Виды сварки

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Сварка общее название более 50 разных технологических процессов создания неразъемного соединения металлических деталей. Один из старейших способов сварки, в настоящее время редко применяемый, - кузнечная сварка, при которой соединение деталей осуществляется за счет их совместного деформирования. Современные процессы сварки - электродуговая, газовая сварка, сварка сопротивлением, пайка твердым и др. - основаны на местном сплавлении соединяемых деталей.

Сварка - технологический процесс получения неразъемных соединений материалов посредством установления межатомных связей между свариваемыми частями при их местном или пластическом деформировании, или совместным действием того и другого. Сваркой соединяют однородные и разнородные металлы и их сплавы, металлы с некоторыми неметаллическими материалами (керамикой, графитом, стеклом и др.), а также пластмассы.

Сварка - экономически выгодный, высокопроизводительный и в значительной степени механизированный технологический процесс, широко применяемый практически во всех отраслях машиностроения.

Физическая сущность процесса сварки заключается в образовании прочных связей между атомами и молекулами на соединяемых поверхностях заготовок. Для образования соединений необходимо выполнение следующих условий: освобождение свариваемых поверхностей от загрязнений, оксидов и адсорбированных на них инородных атомов; энергетическая активация поверхностных атомов, облегчающая их взаимодействие друг с другом; сближение свариваемых поверхностей на растояния, сопостовимые с межатомным расстоянием в свариваемых заготовках.

В зависимости от формы энергии, используемой для образования сварного соединения, все виды сварки разделяют на три класса: термический, термомеханический и механический.

К термическому классу относятся виды сварки, осуществляемые плавлением с использованием тепловой энергии (дуговая, плазменная, электрошлаковая, электронно - лучевая, лазерная, газовая и др.).

К термомеханическому классу относятся виды сварки, осуществляемые с использованием тепловой энергии и давления (контактная, диффузионная и др.).

К механическому классу относятся виды сварки, осуществляемые с использованием механической энергии и давления (ультразвуковая, взрывом, трением, холодная и др.).

Свариваемость - свойство металла или сочетания металлов образовывать при установленной технологии сварки соединение, отвечающее требованиям, обусловленным конструкцией и эксплуатацией изделия.

Электродуговая сварка

Принцип действия.

Дуга - мощный стабильный разряд электричества в ионизированной атмосфере газов и паров металла. Ионизация дугового промежутка происходит во время зажигания дуги и непрерывно поддерживается в процессе ее горения. Процесс зажигания дуги в большин-стве случаев включает в себя три этапа: короткое замыкание электрода на заготовку, отвод электрода на расстояние 3-6 мм и возникновение устойчивого дугового разряда.

Короткое замыкание выполняется для разогрева торца электрода и заготовки в зоне контакта с электродом. После отвода электрода с его разогретого торца (катода) под действием электрического поля начинается термоэлектронная эмиссия электронов. Столкновение быстродвижущихся по направлению к аноду электронов с молекулами газов и паров металла приводит к их ионизации. По мере разогрева столбца дуги и повы-шение кинетической энергии атомов и молекул происходит дополнителная ионизация за счет их соударения. Отдельные атомы также ионизируются в результате поглощения энергии, выделяемой при соударении других частиц. В результате дуговой промежуток становится электропроводным и через него начинается разряд электричества. Процесс зажигания дуги заканчивается возникновением устойчивого дугового разряда.

Источником теплоты при дуговой сварке служит электрическая дуга, которая горит между электродом и заготовкой. В зависимости от материала и числа электродов, а также способа включения электродов и заготовки в цепь электрического тока различают следующие способы дуговой сварки:

а) Сварка неплавящимся (графитным или вольфрамовым) электродом, дугой прямого действия, при которой соединение выполняется путем расплавления только основного металла, либо с применением присадочного металла.

б) Сварка плавящимся (металлическим) электродом, дугой прямого действия, с одно-временным расплавлением основного металла и электрода, который пополняет сварочную ванну жидким металлом.

в) Сварка косвенной дугой, горящей между двумя, как правило, неплавящимися электро-дами. При этом основной металл нагревается и расплавляется теплотой столба дуги.

г) Сварка трехфазной дугой, при которой дуга горит между электродами, а также между каждым электродом и основным металлом.

Питание дуги осуществляется постоянным или переменным током. При применение постоянного тока различают сварку на прямой и обратной полярностях. В первом случае электрод подключают к отрицательному полюсу (катод), во втором - к положительнуму (анод).

Электрошлаковая сварка

Электрошлаковая сварка используется для соединения металлов большой толщины. Соединение выполняется вертикально вверх.

Перед сваркой между соединяемыми деталями насыпается флюс. Применяемый в этом процессе флюс способен проводить ток.

Для начала сварки между одним или более электродами и основным металлом под слоем флюса возбуждается дуга. В зону сварки электрод постоянно подается специальным механизмом, который также обеспечивает колебания электрода вперед-назад при сварке изделий большой толщины. Кроме того, механизм поднимается вверх по мере выполнения соединения. При горении дуги флюс плавится и горение дуги прекращается, но электрический ток продолжает проходить от электрода к основному металлу.

Расплавленный флюс плавит основной металл и постоянно подающийся электрод, являющийся присадочным материалом. Кроме того, флюс защищает металл от воздействия воздуха. Для того, чтобы жидкий металл и флюс не вытекали за пределы требуемой зоны сварки, используются специальные накладки с каждой стороны соединения. Накладки выполнены из меди с водяным охлаждением, которое не дает им расплавиться. Обычно накладки подвижны и поднимаются вслед за электродом.

Холодная сварка

Для этого процесса не требуется никаких внешних источников тепла; для соединения используется высокое давление. При этом соединяемые детали на поверхности соприкосновения в районе сдавливания разогреваются до такой степени, что сплавляются вместе. Данный способ в основном используется для соединения мягких металлов - алюминия с алюминием, меди с медью и алюминия с медью. Поверхности соединяемых металлов должны быть хорошо очищены. Для создания необходимого давления используется гидравлический пресс.

Ручная дуговая сварка с защитой зоны сварки

Этот наиболее распространенный вид электросварки применяется для сварки мягкой и легированных сталей, чугуна, нержавеющих сталей и в некоторых случаях цветных металлов. Электрод имеет вид стержня диаметром 1,5-10 мм, закрепляемого в ручном электрододержателе.

При прикосновении электрода к свариваемой металлической детали замыкается цепь тока, и конец электрода нагревается. Если затем электрод отвести на 3-5 мм от детали, то устанавливается дуговой разряд, за счет которого далее и поддерживается ток. Интенсивный локальный нагрев вызывает расплавление основного металла (металла детали) вблизи дуги разряда. Конец электрода тоже расплавляется, и металл электрода вливается в расплавленную «сварочную ванну» основного металла.

Сварщик, следя за тем, чтобы дуговой промежуток не изменялся, ведет электродом вдоль состыкованных кромок свариваемых деталей. При прохождении электрода образуется расплавленная сварочная ванна из основного металла и металла электрода, которая затем сразу же затвердевает. В результате однократного прохождения дуги по контуру сварки образуется сварочный валик.

Сварщик должен иметь на голове специальный щиток со стеклянными светофильтрами для защиты лица, головы и шеи от сварочных брызг, а глаз - от слепящего света. Кроме того, необходимы специальные перчатки из теплоизолирующего и негорючего материала с крагами, а также фартук. Описанный способ сварки довольно универсален и применяется как в цеховых, так и в полевых условиях для сварки деталей толщиной от 1,5 мм до 15 см и более.

Ключом к успеху такой технологии явилось создание густого флюса - обмазки, окружающей металлический электрод. Флюс защищает дугу и сварочную ванну от загрязнения газами, содержащимися в атмосферном воздухе, добавляет раскислители для очистки сварочного металла, повышает стабильность плазмы дугового разряда и в некоторых случаях обеспечивает подвод легирующих компонентов, а также порошкообразного основного металла для ускорения наплавки сварочного металла.

Сварка в среде защитных газов

При сварке в защитном газе электрод, зона дуги и сварочная ванна защищены струей защитного газа.

В качестве защитных газов применяют инертные газы ( аргон и гелий) и активные газы (углекислый газ, азот, водород и др.), а иногда - смеси двух газов и более.

Сварка в среде защитных газов в зависимости от степени механизации процессов подачи присадочной или сварочной проволоки и перемещения сварочной горелки может быть ручной, полуавтоматической и автоматической.

По сравнению с ручной сваркой покрытыми электродами и автоматической под флюсом сварка в защитных газах имеет следующие преимущества: высокую степень защиты расплавленного металла от воздействия воздуха; отсутствие на поверхности шва при применении аргона оксидов и шлаковых включений; возможность ведения процесса во всех пространственных положениях; возможность визуального наблюдения за процессом формирования шва и его регулирования; более высокую производительность процесса, чем при ручной дуговой сварке; относительно низкую стоимость сварки в угле-кислом газе.

Области применения сварки в защитных газах охватывают широкий круг материа-лов и изделий (узлы летательных аппаратов, элементы атомных установок, корпуса и трубопроводы химических аппаратов и т. п.). Аргонодуговую сварку применяют для цветных (алюминия, магния, меди) и тугоплавких (титана, ниобия, ванадия, циркония) металлов и их сплавов, а также легированных и высоколегированных сталей.

Сварка под флюсом

Этот способ сварки аналогичен предыдущему, но отличается от него тем, что электродом служит проволока, подаваемая с катушки и подводимая к месту сварки через слой флюса, наносимый по мере продвижения держателя электрода или сварочной головки. Сама дуга при этом не видна. Процесс сварки допускает почти полную автоматизацию и может обеспечивать высокую производительность при большой толщине свариваемых деталей.

Скорость сварки при такой технологии больше, но требуется время для подготовки деталей к сварке. Поэтому сварка под флюсом экономически оправдана только при большом объеме работ.

Сварка порошковой проволокой

В данном виде сварки дуга образуется между основным металлом и электродом. Электрод представляет собой трубку, внутри которой находится флюс. Называется она самозащитной или порошковой проволокой. Этот способ иногда используется для сварки сталей с низким содержанием углерода, используемых в строительстве и других производствах.

Самозащитную проволоку используют в основном без защитного газа, так как он образуется при сгорании флюса, но иногда все же углекислый газ применяется. При горении флюса образуется шлак, защищающий металл до его остывания.

Количество выделяемого дугой тепла зависит от ее длины, установленного тока, скорости подачи электрода. Скорость подачи проволоки устанавливается на подающем механизме. Чем выше скорость подачи проволоки, тем выше будет ток, и дуга будет гореть с большим выделением тепла.

Газоэлектрическая сварка расплавляемым электродом

Этот вид сварки охватывает ряд родственных технологий, подобных сварке под флюсом. Роль флюса в них играет газ, выходящий из сварочного сопла и охватывающий конец электрода, дугу и сварочную ванну. Можно получать разные характеристики дуги, используя аргон, гелий, углекислый газ или смесь перечисленных газов и вводя при необходимости малые добавки кислорода. Главные преимущества таких технологий - возможность сварки химически активных металлов (алюминия, магния, нержавеющей стали, меди, никеля), чистота, возможность визуального контроля, большая скорость и удобство сварки в трудных положениях. Диапазон толщин - от самых малых до очень больших. Для сварочного сопла может быть предусмотрено водяное охлаждение.

Важные разновидности такой технологии - дуговая сварка методом опирания и варианты импульсно-дуговой сварки. Эти разновидности позволяют получать некоторые специфические характеристики сварки за счет изменения условий переноса металла через дугу. Они дают некоторые преимущества при сварке тонких листов в любом положении, а также деталей большого поперечного сечения в вертикальном и навесном положениях.

Сварка вольфрамовым электродом в инертном газе

Этот метод отличается от предыдущих тем, что в нем используется короткий нерасплавляемый вольфрамовый электрод. Под действием тепла от дугового разряда плавится основной металл вблизи дуги. Присадочный металл, если он необходим, подводится отдельно в виде стержня или проволоки, сматываемой с катушки. Зона сварки обдувается извне инертным газом (аргоном или гелием) для защиты от атмосферного воздуха.

Такой метод допускает точный контроль как при ручной, так и при механизированной сварке некоторых металлов (алюминия, магния, никеля, нержавеющей стали) и сложных контуров. Параметры сварочной машины выбираются с учетом свариваемого металла и требований к изделию. Например, при сварке алюминия и магния сварочной машиной переменного тока цепь сварочного тока должна быть дополнена высокочастотной цепью стабилизации дуги, либо следует использовать источник тока с большим напряжением разомкнутой цепи.

Дуговая сварка трубчатым электродом

При таком методе (другое название которого - сварка порошковой проволокой) дуга создается между свариваемой деталью и непрерывным трубчатым электродом, наполненным флюсом. Материал электрода служит присадочным металлом, а продукты разложения флюса обеспечивают защиту сварочной зоны.

Сварка сжатой дугой (плазменная сварка)

Метод аналогичен сварке вольфрамовым электродом в инертном газе, но дуга (плазменный столб) ограничивается сварочным соплом, благодаря чему существенно повышается ее температура. Дуга создается либо между плазменной горелкой и свариваемой деталью, либо в самой плазменной горелке. Теплом разряда расплавляется основной металл вблизи дуги и отдельно подводимый присадочный металл. Поток горячей плазмы обеспечивает некоторую защиту; при необходимости над зоной сварки можно создавать дополнительный поток защитного газа.

Газовая сварка

Самый известный вид газовой сварки - ручная ацетилено-кислородная сварка. При таком методе за счет контролируемого сжигания ацетилена в кислороде достигается температура пламени ок. 3000° С. Газы обычно подводятся к сварочной горелке по гибким шлангам от газовых баллонов высокого давления, снабженных редукционным клапаном, понижающим давление. Сварщик держит в одной руке горелку, а в другой - присадочный пруток. Его глаза должны быть защищены от слепящего света и брызг очками с тонированными стеклами. Метод особенно подходит для сварки стальных трубопроводов малого диаметра, а также для присоединения арматуры к трубопроводам, для ремонтных работ, пайки-сварки и пайки твердым.

При пайке-сварке сварное соединение получают нагреванием до температуры выше 360°

С основного и присадочного цветного металла, температура плавления которого ниже, чем у основного металла. Пайка-сварка применяется главным образом для чугуна, стали и медных сплавов. Сварочные прутки обычно латунные или бронзовые. Поскольку температура при пайке-сварке не очень высока, сварка бронзой весьма рекомендуется в тех случаях, когда недопустима деформация свариваемого изделия.

Оборудованием газовой сварки можно пользоваться для резки стальных элементов толщиной 10-15 см и более. Существует также специальное оборудование для подводной резки. При т.н. резке кислородным копьем нагретая сталь окисляется и выдувается из образующейся узкой прорези тонкой струей кислорода, подводимого под высоким давлением.

Сварка сопротивлением

Сварке сопротивлением (контактной сварке) мы обязаны огромными количествами товаров массового производства из листовых металлов - автомобильных кузовов, хозяйственно-бытового оборудования, железнодорожных вагонов, электровакуумных приборов, электронных компонентов и т.д. Чаще всего применяемые виды сварки сопротивлением - точечная, роликовая шовная и рельефная.

Точечная сварка сопротивлением

При таком методе края соединяемых металлических листов складывают внакрой с достаточно большой нахлесткой, чтобы можно было сжать их двумя электродными стержнями (с регулируемым усилием сжатия) на время прохождения импульса тока большой силы. Место контакта двух тесно сжатых поверхностей сильно нагревается проходящим током, и в этом месте происходит их сплавление с образованием сварной точки. Если сварка выполнена правильно, то при испытании сварного соединения оно разрушается не по сварочной границе.

Роликовая шовная сварка сопротивлением

В этом случае электроды имеют вид роликов, вращающихся при прохождении между ними соединения внахлестку. На ролики периодически подаются импульсы тока требуемой частоты, так что последовательность перекрывающихся сварных точек образует непрерывный плотный сварной шов.

Рельефная сварка сопротивлением

Метод аналогичен точечной сварке, но сваривание происходит на выступах основного металла, созданных штампованием или обработкой резанием, либо в точках контакта деталей сборки.

Во всех технологиях сварки сопротивлением первостепенное значение имеет точный контроль характеристик источника питания и согласование во времени импульсов тока с приложением давления. Своим успехом этот метод в значительной мере обязан разработке высокоэффективных электродных материалов.

Сварка сопротивлением применяется в основном для тонких элементов (до 5-6 мм). Скорость сварки очень велика: одна сварная точка может быть получена за два периода переменного тока, т.е. за 1/30 с. Сварочное оборудование эффективно только при большом объеме работ.

Пайка твердым

Пайка твердым позволяет соединять детали сложной формы, которые не поддаются сварке другими методами. Отличительной особенностью пайки твердым является применение присадочных металлов с температурой плавления более низкой, чем для металла соединяемых деталей, но не ниже 360° С. Кроме того, такая пайка требует тщательной подгонки соединяемых деталей, чтобы расплавленный присадочный металл втекал в зазор под действием капиллярных сил; это возможно лишь в том случае, если выбранный присадочный металл способен смачивать основной. Как правило, необходим флюс, растворяющий нежелательные окислы и способствующий смачиванию. Нагревание может осуществляться газовой горелкой, проходящим током (сопротивлением), индукционным нагревателем, в печи, погружением в горячую ванну, инфракрасными лампами и пр. Технология пайки твердым хорошо разработана в применении к задачам авиакосмической промышленности.

электродуговая сварка газовая электрод

Диффузионная сварка

При диффузионной сварке соединяемые поверхности сдавливают и нагревают (но не до расплавления металла), обычно в вакууме. Сварной шов образуется в результате диффузии одного материала в другой, вызванной нагревом и сдавливанием. Применение такой технологии экономически оправдано только тогда, когда требуется изготавливать детали из дорогостоящих материалов (титана, циркония и т.д.) с очень малыми допусками на размеры. Основные области применения диффузионной сварки - авиакосмическая, электронная, инструментальная промышленность, ядерные технологии.

Сварка электронным лучом

Нагрев осуществляется в вакуумной камере концентрированным пучком электронов высокой энергии. Метод пригоден практически для любых металлов. Такой сваркой обычно выполняются плотные соединения встык и внахлестку.

Сварка взрывом

Тепло выделяется локально за счет трения между соединяемыми поверхностями. Движение вызывается контролируемым взрывом, который с огромной силой сжимает контактирующие поверхности. В зоне сварки происходят взаимопроникновение волнообразной формы и частичное сплавление. Метод применяется для плакирования таких металлов, как сталь, инородным материалом, например алюминием.

Сварка трением

Разогрев поверхностей происходит за счет вращения одной из них, прижимаемой к другой, неподвижной. При последующем резком прижатии поверхностей деталей локализованный нагрев приводит к их сплавлению.

Высокочастотная сварка

Кромки свариваемых деталей разогревают токами высокой частоты, подводимыми индукционно или контактами, а затем детали сжимают. Присадочный металл не используется. Метод применяется в основном для изготовления труб и фасонных изделий из сортовой стали.

Лазерная сварка

Разогрев производится сфокусированным лазерным лучом. Метод подобен сварке электронным лучом, но имеет свои преимущества. Лазерный луч применяется также для резки металлов и других материалов

Сварка ультразвуком

Сваривание происходит под действием ультразвукового луча в месте соединения предварительно сжатых деталей. Точечным или непрерывным швом свариваются тонкие алюминиевые и медные фольги, а также пластиковые пленки. Сварочным инструментом служит ультразвуковой излучатель, преобразующий электрические колебания в механические. Используется для запечатывания упаковочной алюминиевой фольги и пластиковой пленки. Исполнение быстрое и экономичное.

Литература

Глизманенко Д.Л. Сварка и резка металлов. М., 1975

Николаев Г.А., Ольшанский Н.А. Специальные методы сварки. М., 1975

Багрянский К.В. Теория сварочных процессов. Киев, 1976

Геворкян В.Г. Основы сварочного дела. М., 1979

Размещено на Allbest.ru