Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Классификация способов сварки

1.1 Сварка плавлением

1.2 Сварка давлением

2. Дуговая сварка

2.1 Основные параметры режима дуговой сварки

2.2 Дополнительные параметры режима дуговой сварки

3. Сварка плавящимся и неплавящимся электродом

4. Электрошлаковая сварка

5. Сварка электронным лучом

6. Лазерная сварка

7. Газовая сварка

8. Дефекты сварных швов и их предотвращение

9. Техника безопасности

Библиографический список



Введение

Сварка - великое русское изобретение, в развитии которого ведущее место принадлежит русским ученым и изобретателям. Первое указание на возможность использования тепловой энергии электрической дуги для расплавления металлов встречается одновременно с описанием открытого в 1802 г. явления дуги в трудах академика В.В. Петрова, крупнейшего физика конца XVIII в. и первого русского электротехника.

В сообщении академика В.В. Петрова о впервые произведенном расплавлении металла электрической дугой содержится не только первое указание на возможность такого расплавления, но и описывается в точности явление дуги, которое мы наблюдаем при сварке металлов. Однако прошло почти три четверти века, пока открытое В.В. Петровым новое физическое явление получило свое развитие и практическое применение в электрической плавке и сварке металлов.

В области электрической сварки дуга Петрова получила практическое применение благодаря трудам выдающихся русских инженеров-изобретателей Н.Н. Бенардоса и Н.Г. Славянова.

Работы над созданием аккумуляторной батареи приводят Н.Н. Бенардоса в 1882 г. к изобретению «Способа соединения и разъединения металлов непосредственным действием электрического тока», названного им «электрогефест».

Из сохранившихся в архиве Н.Н. Бенардоса описаний, чертежей и рисунков, видно, что им изобретен не только способ сварки угольной дугой, которому он придавал основное значение, но, по существу, все основные способы дуговой электрической сварки, применяющиеся ныне.

В 1888 - 1890 гг. Н.Г. Славяновым были усовершенствованы способы использования тепла электрической дуги для целей промышленного нагрева.

Н.Г. Славянов изобрел и разработал способ и аппараты для электрического уплотнения металлических отливок.

Первая из этих работ представляет собой способ электросварки металла посредством электрической дуги, образованной между изделием и металлическим электродом. Н.Г. Славянов впервые разработал и осуществил специальный автомат для поддержания дуги между изделием и металлическим электродом по мере его плавления, ставший предтечей современных автоматических сварочных установок.

На основе своих исследований Н.Г. Славянов впервые указал на необходимость приведения сварки под шлакообразующими покрытиями, изолирующими металл от воздействия воздуха и участвующими в металлургическом процессе. Для этой цели он рекомендует в процессе плавления металла в дуге «подбрасывать битое стекло», которое, как известно, по своему химическому составу близко ко всем известным в настоящее время флюсам, применяемым в современных методах сварки сталей. Не ограничиваясь применением стекла в качестве флюса, он рекомендует также прибавлять в флюс ферросплавы.

Сущность способов электрической дуговой сварки, созданных в результате замечательных работ академика В. В. Петрова и талантливых инженеров-изобретателей Н.Н. Бенардоса и Н.Г. Славянова, остается неизменной до наших дней.

В практическом применении в способы вносились и вносятся в соответствии с современными требованиями многочисленные усовершенствования, не меняющие существа процессов, но повышающие их практическую ценность.

Российские ученые в своих работах продолжали и развивали научное наследство своих выдающихся соотечественников В.В. Петрова, Н.Н. Бенардоса и Н.Г. Славянова - основоположников электрической дуговой сварки.

В начальный период, когда основным препятствием в развитии применения электрической сварки металлов являлось отсутствие специальных сварочных машин и аппаратов, отвечающих требованиям технологического процесса, усилия российских ученых были направлены на изучение свойств дуги как основного источника нагрева и потребителя энергии при сварке.

Первые работы в этой области были посвящены определению параметров статической характеристики дуги в условиях сварки и выявлению общего вида условий устойчивости дуги и формы внешней характеристики источника тока. Изучались также явления, происходящие в дуге постоянного тока с расплавляющимся электродом, устойчивая работа дуги от системы с постоянным напряжением и дуга переменного тока.

В области широкого применения переменного тока для сварки Россия занимала ведущее положение. Работами российских инженеров были впервые доказаны преимущества и установлена целесообразность широкого применения сварки на переменном токе, являющейся прогрессивным способом соединения металла.

Широкое применение переменного тока основывалось на ряде исследований, посвященных изучению сварочной дуги переменного тока, условий получения качественных сварных соединений и применению высокочастотного искрового генератора для повышения устойчивости дуги.

Наряду с работами по развитию теоретических основ сварочных машин и трансформаторов были широко развернуты работы в области исследования и усовершенствования технологических процессов.

Работы в этой области были направлены на получение сварного соединения, равнопрочного основному металлу, и на повышение производительности сварочных работ.

Проблема повышения качества и производительности сварки потребовала изучения и развития теоретических основ сварочного процесса. В этой области российские ученые также шли своим путем и создали новые научные направления.

Важнейшие работы по развитию теории сварочных процессов проведены академиком Н.Н. Рыкалиным. Эти исследования позволили установить важнейшие закономерности процесса нагрева и охлаждения металла при сварке и научно обосновать пути повышения производительности и эффективности сварочных процессов и дать расчетные методы выбора режимов сварки, обеспечивающих качество сварного соединения.

Одновременно российские ученые и инженеры проводили исследования в области металлургии сварочных процессов, разрабатывали составы специальных электродных покрытий, создавали новые марки сварочных электродов и исследовали процессы сварки различных конструкционных сталей.

В результате этих работ, позволивших выявить основные физико-химические реакции при сварке, определилось влияние легирующих элементов на процесс окисления и механические свойства швов, изучение ионизационных свойств компонентов покрытий и влияние их на стабилизацию дуги и производительность сварки, была получена возможность качественно сваривать практически все марки углеродистых и легированных сталей и получать в сварном шве металл, не уступающий по прочности основному металлу.

Большое развитие по практическим результатам получила сварка в среде защитных газов - водорода, аргона, гелия, углекислого газа и др. В этом случае дуга горит в струе защитного газа, который либо изолирует металл от воздействия воздуха, либо активно участвует в раскислении металла.

Одновременно с повышением качества сварного соединения шло повышение производительности сварочных работ, которое при ручной сварке достигалось путем увеличения мощности сварочной дуги с одновременным увеличением диаметра металлического электрода.

Технический прогресс в нашей промышленности и широкое применение сварки в машиностроении, строительстве и других отраслях техники поставили перед российскими учеными и инженерами проблему механизации и автоматизации сварки. Наибольшие трудности в решении этой проблемы представлял вопрос о защите сварочной дуги от влияния воздуха, без которой качественная сварка при современных требованиях почти невозможна.

Поиски путей решения этой задачи привели к использованию принципиальных основ и сущности методики, созданной Н.Г. Славяновым и заключающейся в том, чтобы расплавленный жидкий металл во все время сварки был закрыт шлаком. Одним из первых таких решений, представляющих усовершенствование основной методики защиты сварочной ванны, был способ дуговой электросварки под слоем флюса, подаваемого зернообразного покрытия - флюса - к дуге.

С усовершенствованием технологических процессов сварки повышались прочность и надежность сварных конструкций. В первоначальный период, когда сварочный процесс осуществлялся исключительно вручную голыми электродами с ионизирующими покрытиями, электрическая дуговая сварка находила применение в основном во всевозможных работах восстановительного характера и ремонтных работах, а также и новых конструкциях, где отсутствовала динамическая нагрузка.

В 30-х годах, с развитием качественных покрытий для электродов, позволивших обеспечить высокие механические свойства сварного соединения, сварка с успехом начинает применяться в различных отраслях промышленности. Разработка электродов для сварки специальных сталей и флюсов для автоматической сварки позволило значительное количество металлоконструкций для краностроения, котлостроения, автостроения, строительства выполнять сварными, а также перейти на сварные соединения в судостроении авиастроении и в атомной промышленности.

Значение электрической дуговой сварки в настоящее время как одного из основных и передовых технологических процессов в решении задач, поставленных перед нашей техникой, является бесспорным. Опыт применения сварки в различных отраслях промышленности со всей очевидностью доказал, что этот метод металлообработки является одним из передовых и позволяет получать не только большую экономию металла, но и значительно ускорить производство работ всех видов металлических конструкций.



1. Классификация способов сварки

способ технология сварочная работа

1.1 Сварка плавлением

Электродуговая сварка (ручная, полуавтоматическая, автоматическая) является наиболее распространенной; характеризуется использованием тепла электрической дуги для разогрева и плавления металла.

Импульсно-дуговая сварка характеризуется тем, что сварочный ток подается кратковременными импульсами в «дежурную» сварочную дугу.

Лазерная сварка предусматривает использование фотоэлектронной энергии. Плавление металла осуществляется световым лучом, полученным с помощью специальных устройств (лазеров).

Электрошлаковая (ванная) сварка происходит в результате плавления основного и присадочного металла за счет тепла, выделяющегося при прохождении электрического тока через расплавленный шлак.

Плазменная сварка - процесс, в основе которого лежит плавление основного и присадочного металла плазменной струей, имеющей температуру до 30000 °С.

Электронно-лучевая сварка в вакууме осуществляется в камерах, имеющих разряжение до 10^-4-10^-6 мм рт. столба. Металл плавится за счет тепла, выделяющегося в результате бомбардировки металла электронами, направленными специальной установкой.

Термитная сварка состоит в следующем. Место соединения формуют огнеупорным материалом. Над соединением устанавливают тигель с термитом (порошок алюминия и окиси железа), при горении которого восстанавливается окись железа и образуется жидкий металл. Заполняя форму, жидкий металл оплавляет кромки свариваемого металла и при остывании образует сварное соединение.

Газовая сварка - процесс, который происходит при нагреве и плавлении основного и присадочного металла за счет тепла газокислородного пламени, имеющего температуру до 3200 °С.

Таким образом, все виды сварки плавлением различаются способом получения тепла, необходимого для нагрева и плавления металла.

1.2 Сварка давлением

Контактная сварка - это расплавление или разогрев до пластического состояния кромок свариваемого металла теплом, полученным при прохождении электрического тока через контактирующие между собой кромки, и последующее сжатие под определенным давлением (стыковая, точечная, роликовая, импульсная или конденсаторная).

Газопрессовая сварка отличается от контактной в основном тем, что свариваемые кромки нагревают многопламенными горелками без использования электрического тока.

Ультразвуковая сварка происходит за счет превращения электрических колебаний в механические высокой частоты. Это превращение сопровождается возникновением в местах соединения металлов высокой температуры и разогревом металла до пластического состояния, при котором возможно сплавление с применением усилий сжатия.

Диффузионная сварка в вакууме происходит без нагрева, за счет взаимной диффузии частиц металлов соединяемой пары при сжатии.

Сварка трением соединение металлов за счет тепла, возникающего при трении двух поверхностей свариваемого металла с применением последующего сжатия.

Холодная сварка основана на способности некоторых металлов создавать прочные соединения под высоким давлением, вызывающих пластическую деформацию.

Индукционная сварка - нагрев деталей токами высокой частоты до пластического состояния с применением последующего сжатия.

Все вышеуказанные способы сварки все шире применяются в промышленности и строительстве. В строительстве главными материалами являются металлопрокат и различные сплавы металлов. В дальнейшем в более широком масштабе будет происходить переход от использования низкоуглеродистых сталей к применению низколегированных и высокопрочных сталей.

Основным и самым передовым технологическим процессом получения неразъемного соединения деталей и конструкций в современном промышленном строительстве будет оставаться сварка как наиболее экономный и производительный процесс, объемы применения которого постоянно продолжают расти.

Дальнейшее совершенствование и повышение эффективности строительно-монтажных работ предусматривает увеличение объема производства сварных конструкций при постоянном росте степени механизации их монтажа и автоматизации сварки.

По-прежнему способы электродуговой сварки (покрытыми электродами, под флюсом, в защитных газах, порошковой и голой легированной проволокой) остаются основными при строительно-монтажных работах Непрерывно повышается только уровень механизации сварочных процессов. Созданы и серийно выпускаются высокопроизводительные электроды для ручной дуговой сварки в различных пространственных положениях, низкотоксичные электроды, улучшающие условия труда сварщиков-монтажников. Новые возможности для механизации электродуговой сварки штучными электродами открывают способы сварки наклонным и лежачим электродами.

Совершенствование оборудования и технологии сварки плавящимся электродом в среде СО₂ и различных газовых смесях позволяет значительно повысить уровень механизации сварочных работ. Разработка новых и совершенствование существующих марок порошковых проволок, дающих возможность успешно осуществлять вертикальную сварку открытой дугой, создают перспективу повышения уровня механизации сварочно-монтажных работ непосредственно на строительных площадках.

Наряду с развитием способов электродуговой сварки расширяется область применения контактной сварки и электрошлаковой сварки толстолистовых конструкций, что обеспечивает высокую производительность и гарантирует хорошее качество сварного соединения. Вышли из стадии лабораторных исследований плазменно-дуговые способы сварки и резки различных сталей и сплавов. Разработаны и успешно внедряются прогрессивные методы термической обработки и контроля сварных соединений применительно к строительным конструкциям.



2. Дуговая сварка

2.1 Основные параметры режима дуговой сварки

В настоящее время существует большое число различных способов дуговой сварки, отличающихся принятыми при сварке средствами защиты металла от воздуха, типом электрода, особенностями горения дуги и степенью автоматизации процесса.

По виду защиты металла от окружающей атмосферы существующие способы дуговой сварки можно разделить на две группы: со шлаковой и газошлаковой защитой; с газовой защитой. Последние можно разделить на несколько подгрупп: по виду применяемого газа ѕ на способы с защитой инертными и активными газами; по виду защиты ѕ на способы с местной защитой ванны и общей защитой изделия (сварка в камерах); по давлению газа в реакционной зоне ѕ на способы сварки при нормальном внешнем давлении, в разреженном пространстве и при повышенном внешнем давлении.

По типу применяемого электрода различают способы дуговой сварки плавящимся и неплавящимся электродом.

По особенностям горения дуги могут быть выделены способы однодуговой и многодуговой сварки, трехфазной, расщепленным электродом, с непрерывным и импульсным режимами горения дуги, свободногорящей и сжатой дугой.

По степени механизации различают сварку ручную, полуавтоматическую и автоматическую.

В результате различного сочетания указанных технологических особенностей получено большое число способов дуговой сварки. Параметры режима дуговой сварки и их влияние на форму ванны и размеры швов.

Основные параметры дуговой сварки. К основным параметрам относятся сила тока I_д , напряжение дуги U_д и скорость сварки v_св. Полная мощность сварочной дуги:

.

Тепловложение на единицу длины шва определяется погонной энергией (q _оh_и/v_св) и условиями сварки, оказывающими влияние на h_и. Величина h_и в зависимости от условий сварки может меняться от 0,3 до 0,95. Ток дуги. Этот параметр в наибольшей степени определяет тепловую мощность. При постоянном диаметре электрода с увеличением силы тока дуги возрастает концентрация тепловой энергии в пятне нагрева. Повышается температура плазмы столба дуги. Стабилизируется положение активных пятен на электроде и изделии. С увеличением силы тока дуги возрастает длина сварочной ванны, ее ширина и глубина проплавления. Особенно интенсивно растет глубина проплавления. Это обусловлено не только увеличением тепловой мощности и сосредоточенности энергии в пятне нагрева, но и значительным повышением давления дуги на ванну, которое пропорционально квадрату силы сварочного тока.

В определенных пределах изменения тока глубина проплавления ванны приближенно может быть оценена зависимостью, близкой к линейной:

,

где k ѕ коэффициент, зависящий от рода тока, полярности, диаметра электрода, степени сжатия дуги и др. Напряжение дуги. С увеличением напряжения также возрастает тепловая мощность дуги, а, следовательно, и размеры сварочной ванны. Особенно интенсивно возрастают ширина и длина ванны. Ширина ванны связана с напряжением практически прямой зависимостью:

,

где S ѕ толщина свариваемого металла. При постоянной величине сварочного тока повышение напряжения дуги незначительно сказывается на глубине проплавления ванны. По-видимому, это обусловлено некоторым снижением эффективного КПД дуги и большими возможностями для блуждания активного пятна в сварочной ванне. Путем медленного уменьшения длины дуги и соответственно напряжения дуги можно перейти к сварке погруженной дугой.

Скорость сварки. При постоянной погонной энергии увеличение скорости сварки вызывает повышение термического КПД процесса, а это, в свою очередь, приводит к возрастанию глубины проплавления и снижению ширины шва. Изменение скорости сварки при постоянной тепловой мощности дуги заметно сказывается на размерах сварочной ванны и шва.

2.2 Дополнительные параметры режима дуговой сварки

Дополнительные параметры связаны с условиями ведения процесса сварки и особенностями горения дуги. Так, например, при одной и той же погонной энергии можно изменять диаметр электрода, род тока и полярность, использовать импульсный и непрерывный режимы горения дуги. В некоторых случаях применяют сжатую дуг, а иногда колебания электрода. Эти особенности процесса также сказываются на формировании ванны и конечных размерах швов.

Диаметр электрода. При постоянной величине сварочного тока диаметр электрода определяет плотность энергии в пятне нагрева и подвижность дуги. В связи с этим при увеличении диаметра электрода снижается глубина проплавления ванны и возрастает ее ширина.

Род тока и полярность. В зависимости от рода тока и полярности на изделии выделяется различное количество теплоты. Если теплоту, выделяющуюся на аноде (W_a) и катоде (W_к), приближенно оценивать по эффективному падению напряжений, то получим зависимости

где U_a и U_к ѕ анодное и катодное падение напряжений; j, kT ѕ потенцаильная и термическая энергия электронов. На катоде не вся энергия U_к переходит в теплоту. Часть ее (j+2kT) уносится в плазму столба дуги. На аноде выделяется энергия U_a и прибавляется потенциальная и термическая энергия электронов.

Количество теплоты, выделенное на катоде, зависит от потенциала ионизации дугового газа. Поэтому разница в тепловыделении на катоде и аноде определяется способом дуговой сварки. В реальных условиях при сварке на прямой полярности (анод на изделии) глубина проплавления оказывается меньше, чем при сварке на обратной полярности (катод на изделии). Это легко объясняется формой столба дуги. Анодное пятно занимает большую площадь по сравнению с катодным. Поэтому ширина ванны и шва при сварке на прямой полярности возрастает. При выборе рода тока необходимо учитывать влияние магнитного поля дуги на ее отклонение (магнитное дутье). Наличие вблизи дуги ферромагнитных масс или посторонних магнитных полей усиливает это явление. Формирование сварочной ванны и шва при действии магнитного поля меняется. Наблюдается вытеснение расплавленного металла из сварочной ванны, снижение глубины проплавления и т.п. Меры борьбы с отклонением дуги собственным магнитным полем заключаются в правильном токоподводе, устранении ферромагнитных масс вблизи дуги, ориентировании угла наклона электрода по направлению отклонения столба дуги. Полное устранение магнитного дутья достигается при питании дуги переменным током.

Угол наклона электрода. Изменяя наклон электрода в плоскости продольной оси шва, можно существенно влиять на размеры сварочной ванны и шва. При a<90° сварку выполняют углом вперед. Давление дуги вытесняет расплавленный металл в головную часть ванны. При этом глубина проплавления основного металла снижается. При a>90° сварку выполняют углом назад. Давление дуги способствует интенсивному вытеснению расплавленного металла из головной части ванны в хвостовую. Глубина проплавления возрастает.

Аналогичные результаты могут быть получены отклонением столба дуги магнитным полем при вертикальном расположении электрода.

Колебание электрода. При поперечных колебаниях электрода возрастает ширина шва и снижается глубина проплавления. Изменяются условия кристаллизации и тепловой цикл в зоне термического влияния. Колебания электрода в процессе сварки обычно осуществляют с частотой 10ѕ60 Гц и амплитудой 2ѕ4 мм. Для этих целей используют раздичные по конструкции и принципу действия устройства.

Сжатие столба дуги. При сварке сжатой дугой появляется новый дополнительный параметр режима ѕ степень сжатия дуги. С увеличением степени сжатия дуги увеличивается температура плазмы дуги, повышается концентрация теплоты в пятне нагрева, возрастает глубина проплавления и снижается ширина сварочной ванны и шва.

Импульсная подача тока. При импульсном горении дуги появляются два новых дополнительных параметра процесса: время импульса t_и и время паузы t_п. Тепловая энергия подводится только во время импулься. Оба этих параметра оказывают влияние на размеры сварочной ванны и шва. При неизменной погонной энергии в течение цикла (t_ц=t_и+t_п) увеличение времени паузы ужесточает режим. Значительно возрастает термический КПД процесса. Благодаря этому до определенных значений t_и растет глубина проплавления основного металла и снижается ширина шва. На размеры ванны и шва большое влияние оказывает число одновременно горящих дуг и их расположение. При сварке трехфазной дугой, путем изменения мощности в отдельных дугах, имеется возможность регулировать количество теплоты, выделяемое между электродами и на свариваемых кромках.



3. Сварка плавящимся и неплавящимся электродом

Плавление и перенос металла электрода в сварочную ванну. Скорость плавления электрода жестко связана с величиной сварочного тока. При сварке различных видов сварных соединений и типов швов требуется неодинаковая скорость плавления электрода. В одних случаях она должна быть минимальной, в других, наоборот, максимальной. При сварке стыковых соединений без разделки кромок и без зазора расплавленный металл электрода образует усиление шва.

По мере увеличения толщины свариваемых элементов для полного их проплавления необходимо увеличение силы тока дуги. Одновременно с этим увеличивается и количество расплавляющегося электродного металла. В результате образуются швы с чрезмерно большим усилением. Для получения швов с нормальным усилением следует искать пути снижения скорости плавления электрода или прибегать к разделке кромок, сварке с увеличенным фиксированным зазором.

При выполнении стыковых соединений с разделкой кромок, а также при сварке угловых швов желательно увеличивать скорость плавления электрода, поскольку в этих случаях производительность процесса в значительной мере определяется количеством электродного металла, расплавляющегося в единицу времени, необходимого для заполнения разделки или формирования угловых швов с заданным катетом.

На практике используют в качестве характеристики среднюю скорость плавления электрода, определяющуюся количеством расплавленного металла:

,

где a_Р ѕ коэффициент расплавления электрода, г/(АЧч); I_д ѕ сила тока дуги, А; k ѕ коэффициент, зависящий от выбора единиц измерения.

Количество наплавленного металла или средняя скорость наплавки

,

где a_Н ѕ коэффициент наплавки, г/(АЧч). Коэффициенты расплавления электрода и наплавки зависят от способа сварки и плотности тока на электроде. Для небольших плотностей тока при ручной дуговой сварке сталей их значение не превышает 7ѕ10 г/(АЧч). С увеличением плотности тока значение коэффициентов возрастает до 17 г/(АЧч) и более.

Разница в коэффициентах a_Р и a_Н определяется потерями электродного металла на разбрызгивание, испарение и т.п.:

,

где y ѕ коэффициент потерь, %.

Для различных способов дуговой сварки потери составляют 1ѕ15%. С увеличением силы сварочного тока потери на разбрызгивание во многих случаях возрастают. На формирование сварочной ванны и шва влияет характер переноса электродного металла при его плавлении. Перенос расплавленного металла с электрода в сварочную ванну осуществляется под действием электродинамических сил и газовых потоков, образующихся в столбе дуги.

Стойкость неплавящегося электрода и плавление присадочного металла. При сварке неплавящимся электродом отсутствует перенос расплавленного металла через дуговой промежуток. Это в значительной мере облегчает условия горения дуги и обусловливает более высокую ее стабильность. Присадочный металл по мере необходимости подается в головную часть сварочной ванны. В отличие от сварки плавящимся электродом скорость плавления присадочного металла не связана жесткой зависимостью с величиной сварочного тока. Количество присадочного металла, подаваемого в ванну, выбирают из условия обеспечения требуемой доли участия присадочного металла в образовании шва. При сварке стыковых соединений без разделки кромок присадочных металл необходим в основном для создания усиления шва.

Переход присадочного металла в сварочную ванну, минуя дуговой промежуток, исключает его разбрызгивание. Сокращаются потери на испарение и ограничивается взаимодействие расплавленного металла с газовой фазой столба дуги. При сварке неплавящимся электродом создаются благоприятные условия для защиты ванны и формирования шва. Стойкость вольфрамового электрода в первую очередь определяется плотностью тока. Большое влияние оказывает род тока и полярность при постоянном его значении.



4. Электрошлаковая сварка

Источником теплоты при электрошлаковой сварке служит расплавленный флюс. Количество теплоты, выделяющееся при прохождении тока через флюс, определяют по известному уравнению

,

где R_В ѕ сопротивление шлаковой ванны.

Расплавленный шлак за счет прохождения электрического тока нагревается до высокой температуры. Теплота, выделяющаяся в шлаковой ванне при прохождении тока, обеспечивает расплавление основного и присадочного металлов с образованием общей сварочной ванны.

Для удержания ванны в вертикальном положении от вытекания используют различные приспособления: передвижные медные водоохлаждаемые ползуны и т.п. По мере плавления основного и присадочного металлов металлическая и шлаковая ванны поднимаются. Процесс ведется автоматически, причем наряду с заданной скоростью подачи присадочного металла поддерживается определенная глубина шлаковой и металлической ванны.

Электрошлаковую сварку применяют главным образом для получения соединений из металла (стали, алюминия, титана и их сплавов и др.) большого сечения (свыше 40-50 мм). Преимущества процесса: высокая производительность, высокое качество сварных соединений, сравнительная простота и возможность автоматизации.

Способы электрошлаковой сварки

В зависимости от типа применяемого электрода различают несколько способов процесса электрошлаковой сварки: электродной проволокой, электродной пластиной, плавящимся мундштуком. Выбор способа электрошлаковой сварки определяется сечением соединяемых элементов и их протяженностью.

Сборка свариваемых элементов и формирование ванны

Основной вид соединения при электрошлаковой сварке ѕ стыковое. Этим методом могут быть выполнены и другие соединения. Величину зазора между свариваемыми элементами выбирают в зависимости от толщины соединяемых кромок, способа электрошлаковой сварки и т.п. На практике зазор между свариваемыми элементами выбирают достаточным для размещения электрода (электродов) и предупреждения его замыкания на кромки. При сборке свариваемых кромок необходимо учитывать возможность их смещения. Это затрудняет удержание ванны формирующими устройствами.

При электрошлаковой сварке применяют различные способы закрепления соединяемых элементов. Для сборки стыков большой протяженности к кромкам приваривают скобы. Небольшие по высоте свариваемые элементы фиксируют при сборке устройствами, формирующими шов.

При электрошлаковой сварке формирование ванны и шва невозможно без точной подгонки формирующих устройств к поверхности кромок. При использовании жидкотекучих флюсов зазор между формирующим устройством и изделием свыше 0,5мм практически недопустим. Если зазор превышает допустимую величину, расплавленный шлак заполняет его, кристаллизуется и постепенно расширяет щель. Создаются условия для вытекания шлаковой и металлической ванны.

Подгонка формирующих устройств облегчается после механической обработки поверхности свариваемых кромок, особенно при изготовлении сварно-литых и сварно-кованых конструкций.

Параметры режима и их влияние на размеры сварочной ванны и шва

Эффективная мощность, выделяемая в шлаковой ванне:



,

где U ѕ падение напряжения в шлаковой ванне.

Эффективный КПД h_И зависит от соотношения между тепловыми потоками в свариваемое изделие и формирующие устройства и составляет 0,6ѕ0,9. Основные параметры режима ѕ сила сварочного тока, напряжение на электродах и скорость сварки. Изменением этих параметров влияют на размеры сварочной ванны и шва. Размеры ванны оцениваются ее шириной е и глубиной h.

Сила сварочного тока. Изменение тока наибольшее влияние оказывает на глубину металлической ванны, С увеличением силы тока глубина ванны возрастает и имеет зависимость, близкую к линейной. Ток является главным параметром, за счет которого изменяют глубину ванны в требуемых пределах. На ширину ванны изменение тока влияет незначительно.

Напряжение на электроде. Изменение напряжения на электроде большое влияние оказывает на ширину металлической ванны. Зависимость имеет прямолинейный характер. На практике ширину ванны и шва изменяют в тр буемых пределах регулированием напряжения на электроде (электродах). С увеличением напряжения несколько возрастает также и глубина металлической ванны.

Скорость сварки. Изменение скорости сварки для сохранения стабильности процесса требует изменения других параметров процесса, особенно силы сварочного тока. При увеличении скорости сварки наблюдается возрастание глубины ванны. Ширина ее изменяется по более сложной зависимости, имеющей максимум. Это, по-видимому, связано с различными значениями термического КПД. К дополнительным элементам режима электрошлаковой сварки относятся величина зазора, скорость подачи электрода, число электродов и площадь их поперечного сечения, глубина шлаковой ванны, состав флюса и др. Их влияние на размеры сварочной ванны и шва проявляются слабее. Для сохранения стабильност процесса изменение скорости подачи электрода требует и соответствующего изменения силы тока.

Следовательно, с увеличением скорости подачи электрода растет и глубина металлической ванны. Большое влияние на стабильность процесса оказывает глубина шлаковой ванны. При недостаточной глубине возрастает вероятность образования дугового разряда либо внутри ванны, либо на ее поверхности. Глубину шлаковой ванны поддерживают в пределах 30ѕ90 мм. Устойчивость электрошлакового процесса зависит от свойств источника питания и совершенства исполнительных устройств электрошлаковых аппаратов.

При электрошлаковой сварке должно соблюдаться равенство мощности, выделяемой в шлаковой ванне, и мощности, необходимой для образования сварочной ванны и шва. Стабильность процесса возрастает при применении источников переменного тока с малым внутренним сопротивлением (жесткой вольт-амперной характеристикой). Исполнительные устройства должны обеспечить в процессе сварки постоянство глубины металлической и шлаковой ванны.



5. Сварка электронным лучом

Способы электронно-лучевой сварки

Источником нагрева при этом методе служит концентрированный поток электронов. Зона нагрева электронным лучом в зависимости от степени фокусировки может изменяться в значительных пределах. Диаметр пятна нагрева может изменяться от 0,05 до 5 мм, плотность энергии в нем 10⁴ѕ 10⁶ Вт/см² . Электронный луч позволяет проводить сварку материалов с максимальной глубиной проплавления и минимальной зоной термического влияния.

Процесс сварки осуществляется в камерах. Различают однокамерные и двухкамерные установки. В однокамерных установках вследствие ионизации паров металла при нагреве возможно появление дугового разряда, отрицательно влияющего на работоспособность электронной пушки. В двухкамерных установках рабочая камера изолирована от электронной пушки. Высокий вакуум создается только в пространстве (камере), занятом прожектором электронной пушки.

Электронно-лучевая сварка нашла большое применение при изготовлении конструкций из молибдена, вольфрама, тантала, ниобия и других тугоплавких и активных металлов, а также из высокопрочных сталей и алюминиевых сплавов.

К преимуществам метода следует отнести высокие значения эффективного (0,85ѕ0,95) и термического (0,35ѕ0,485) КПД, высокую производительность (скорость сварки в 1,5ѕ2 раза выше, чем при дуговой); незначительную зону термического воздействия, высокую чистоту атмосферы, незначительный расход электроэнергии и т.д. Недостаток электронно-лучевой сварки ѕ высокая стоимость оборудования и его сложность, а в некоторых случаях и опасность облучения обслуживающего персонала.



Формирование сварочной ванны и шва

Электронно-лучевой сваркой могут быть получены различные виды сварных соединений и достаточно большое количество типов швов. Наибольшее распространение способ получил при выполнении стыковых, угловых и реже тавровых соединений. Технологические особенности подготовки кромок и сборки их перед сваркой связаны со специфичностью электронного луча как источника нагрева. В первую очередь необходимо учитывать малые размеры пятна нагрева. Это приводит к получению узких клиновидных швов. Отсюда вытекают высокие требования к точности сборки свариваемых элементов. Подготовка кромок должна обеспечить возможность их тщательной подготовки по всей длине с минимальным зазором и смещением по высоте.

Сварка электронным лучом осуществляется в большинстве случаев без подачи присадочного материала. Усиление шва, как правило, отсутствует.

Следовательно, разделка кромок нежелательна. При сварке стыковых соединений со сквозным проплавлением для формирования обратной стороны шва могут быть использованы остающиеся или съемные подкладки. В отличие от дуговой сварки давление потока электронов на сварочную ванну невелико. Импульс давления, передаваемый единице площади пучком электронов

,

где j ѕ плотность тока электронного луча; U_О ѕ ускоряющее напряжение.

Основное пространственное положение ѕ нижнее. Допускаются значительные отклонения от нижнего с переходом в вертикальное положение по схеме формирования швов на подъем (снизу вверх). При этом создаются условия получения более глубокого проплавления, Благоприятных очертаний шва и даже небольшого усиления. Процесс сварки электронным лучом может быть выполнен с поверхностным нагревом кромок и глубинным. В первом случае при сварке используют небольшие плотности энергии в пятне нагрева. Во втором случае применяют высокие плотности энергии в пятне нагрева. В сварочной ванне образуется кратер, который способствует глубинному проплавлению металла. Поверхностный нагрев применяют в основном при сварке тонких металлов, он способствует увеличению ширины шва и зоны термического влияния.

Часто встречающийся дефект ѕ несплавление кромок в корне шва ѕ связан со смещением луча относительно стыка при клиновидной форме сечения шва. С увеличением толщины свариваемых элементов вероятность несплавлений возрастает. Исходя из этого, требуется высокая точность направления луча по стыку (отклонения не более ±0,15 мм) с применением систем слежения.

Параметры режима и их влияние на размеры ванны и шва

Основные параметры режима электронно-лучевой сварки ѕ сила тока, напряжение электронного луча, скорость сварки. Ускоряющее напряжение и сила тока луча определяют мощность источника нагрева. Ускоряющее напряжение в основном определяет тепловую энергию в пятне нагрева, оказывает исключительно большое влияние на глубину проплавления сварочной ванны. При сохранении постоянной удельной мощности в пятне нагрева глубина проплавления увеличивается с повышением ускоряющего напряжения.

В первом приближении глубина проплавления пропорциональна квадратному корню из ускоряющего напряжения.

На практике электронно-лучевую сварку выполняют при ускоряющем напряжении 10ѕ100 кВ. В процессе сварки необходима высокая стабильность ускоряющего напряжения. Колебание напряжения (±0,1%) приводит к существенному изменению диаметра пятна нагрева и отклонению электронного луча относительно свариваемого стыка.

Ток электронного луча оказывает большое влияние на ширину сварочной ванны и шва. Увеличение силы тока приводит к их существенному возрастанию. Глубина проплавления сварочной ванны мало зависит от величины тока. Однако общее увеличение мощности электронного луча приводит к некоторому ее возрастанию. Для увеличения глубины проплавления при сравнительно больших ускоряющих напряжениях может быть использован способ формирования на подъем. Особенно большой эффект достигается при сварке вертикальных швов. В этом случае сила тока электронного луча значительно увеличивается и достигает 1 А и выше. На практике величину тока электронного луча выбирают от десятков миллиампер до 1 А и более.

Скорость сварки влияет на размеры сварочной ванны и шва, как и при дуговой сварке. Увеличение скорости сварки при сохранении постоянства погонной энергии несколько увеличивает глубину проплавления, мало влияя на ширину шва. На размеры сварочной ванны и шва оказывают влияние и дополнительные параметры режима: величина тока в магнитной фокусирующей линзе, остаточное давление в камере; время импульса и паузы при импульсной сварке, колебания электронного луча; расстояние от пушки до свариваемого изделия и др. Особенно большое влияние на размеры сварочной ванны и шва оказывает величина тока в магнитной фокусирующей линзе (фокусировка). Этот параметр режима определяет конфигурацию потока электронов по отношению к свариваемому изделию, форму ванны и диаметр пятна нагрева. Регулированием тока в магнитной линзе можно в широких пределах изменять концентрацию тепловой энергии в пятне нагрева.

Это значит, что при одинаковом значении погонной энергии можно получать различную по форме сварочную ванну и шов. При увеличении силы тока I_Ф в фокусирующей линзе ширина ванны е сначала снижается, а затем возрастает. Изменение глубины проплавления h при изменении силы тока в фокусирующей линзе имеет зависимость с резко выраженным максимумом.

Вследствие того, что h_И и h_t при электронно-лучевой сварке вблизи к своему максимуму, площадь проплавления шва Fпр мало зависит от фокусировки. На практике силу тока в фокусирующей линзе выбирают в пределах 50ѕ100 мА (для пушек со средним ускоряющим напряжением). Остаточное давление в камере определяет стабильность процесса и качество сварных соединений. Разрежение должно быть достаточным для исключения дугового разряда в течение всего периода сварки. Увеличение давления в камере снижает мощность электронного луча и уменьшает его проникающую способность. Для сохранения постоянного вакуума производительность откачных насосов рассчитывают с учетом повышения давления в камере в процессе сварки. При электронно-лучевой сварке давление в камере поддерживают на уровне 10^--4 ѕ10--⁶ мм рт.ст.

Колебания электронного луча позволяют избежать ряда дефектов, свойственных электронно-лучевой сварке (подрезов, несплавлений кромок в корне шва и др.). Используют прямоугольные или синусоидальные поперечные колебания луча в широком диапазоне частот (10ѕ800 Гц). Амплитуду колебаний выбирают в пределах 0,5ѕ2 мм. Большие значения амплитуды приводят к раздвоению электронного луча относительно стыка. Наряду с поперечным применяют и продольное колебание луча.

Расстояние от эллектронной пушки до свариваемого издеоия допускается в широких пределах: 50ѕ120 мм для низковольтных пушек и 50ѕ500 мм для высоковольтных. Изменение расстояния в процессе сварки на несколько миллиметров не оказывает заметного влияния на размеры швов и их качество.

При импульсном режиме электронно-лучевой сварки тепловыделение дополнительно регулируется частотой и длительностью сварочных импульсов. Импульсная электронно-лучевая сварка особенно целесообразна при выполнении швов с минимальной зоной термического влияния.



6. Лазерная сварка

По виду активного вещества излучателя лазеры разделяют на твердые и газовые. Для перевода активных частиц в возбужденное состояние служат источники возбуждения. Они могут воздействовать на активное вещество световым потоком, потоком электронов, потоком радиоактивных частиц и т.п. Параметры режима лазерной сварки. При импульсной лазерной сварке форма и размеры ванны оцениваются диаметром и глубиной проплавления. Основные параметры режима сварки ѕ мощность в импульсе и время импульса. С увеличением этих параметров возрастает тепловая мощность источника и соответственно диаметр ванны и глубина ее проплавления. Дополнительные параметры ѕ диаметр пятна нагрева, определяющийся углом расходимости светового пучка после фокусировки, и пространственно-временная зависимость распределения энергии в пятне нагрева. В твердотельных лазерах импульс генерируемого света состоит из набора более коротких импульсов, так называемых пучков. Величина и длительность этих пучков колеблются в широких пределах. Благоприятные условия для существования ванны создаются только при равномерном распределении энергии по пятну нагрева. Параметры режима определяют освещенность в пятне нагрева:

,

где Q ѕ мощность в импульсе; r_f ѕ радиус пятна нагрева; t_и ѕ время импульса.

Плотность тепловой энергии в пятне нагрева:

,

где А ѕ поглощательна способность свариваемых кромок (зависит от состояния поверхности и длины волны излучения).

При сварке лазером непрерывного излучения форма и размеры сварочной ванны такие же, как и при сварке плавлением. Основные параметры ѕ выходная мощность излучения и скорость сварки. Дополнительные параметры, оказывающие наибольшее влияние на размеры ванны и шва, ѕ диаметр пятна нагрева, поглощательная способность свариваемых кромок и др.



7. Газовая сварка

Способы сварки

В качестве одного из первых методов сварки плавлением, получившего распространение в промышленности, можно назвать газовую сварку. Этот метод сохранил свое значение и до настоящего времени. При сгорании горючих газов в кислороде концентрация тепловой энергии в пятне нагрева невелика и составляет до 200 Вт/см². Эффективный КПД процесса находится в пределах 0,3ѕ0,6. В качестве горючих газов используют ацетилен, водород, пропан-бутан и др. По виду горючего газа различают и способы газовой сварки.

Основные преимущества газовой сварки ѕ универсальность с точки зрения как сварки металлов различных толщин, так и сварки металлов с различным физико-химическими свойствами. Недостатки газовой сварки ѕ трудность автоматизации процесса и длительное тепловое воздействие на свариваемый металл. Рациональная область применения этого метода ѕ ремонтные работы.

Формирование сварочной ванны и шва

Газовой сваркой могут быть получены все виды сварных соединений и большинство типов швов в различных пространственных положениях. В этом отношении газовая сварка также универсальна, как и дуговая.

Проплавляющая способность газового пламени невелика. Поэтому без разделки кромок сваривают стыки с небольшой толщиной кромок (3ѕ4 мм). При соединении больших толщин требуется разделка кромок. Требования к сборке свариваемых элементов (зазору, смещению кромок по высоте в стыковых соединениях) несколько ниже, чем при сварке другими концентрированными источниками нагрева. Увеличение зазора в допустимых пределах способствует более глубокому проплавлению кромок. На формирование ванны оказывает влияние максимальная температура пламени и концентрация теплоты в пятне нагрева.

Эти факторы зависят от теплофизических свойств горючего газа. Из доступных горючих газов наиболее высокой температуры пламени и концентрации теплоты в пятне нагрева удается достигнуть при сжигании ацетилена в кислороде.

Параметры режима

Основные параметры ѕ тепловая мощность пламени, соотношение между кислородом и ацетиленом и скорость сварки. Мощность сварочного пламени, получаемого в сварочных горелках, оценивают условно часовым расходом ацетилена. Для выбора мощности пламени (А л/ч) используют зависимость:

,

где S ѕ толщина свариваемых кромок, мм; k ѕ коэффициент, определяемый экспериментально.

Большое значение для сварки имеет отношение расхода кислорода к расходу горючего газа. В зависимости от этого можно получить окислительное, восстановительное или нормальное пламя. При сварке применяют в основном нормальное пламя с отношением О₂ : С₂Н₂=1,1 ё 1,2. К дополнительным параметрам режима относят угол наклона пламени, диаметр присадочного металла и др. На размеры ванны и особенно ее глубину влияет угол наклона оси пламени относительно поверхности соединяемых кромок.

В соответствии с этим различают правый и левый способы газовой сварки.

При правом способе пламя направлено на формирующийся металл шва. Направление движения горелки ѕ слева направо. Присадочный металл подают вслед за горелкой. При левом способе пламя горелки направлено на нерасплавленный металл. Направление движения горелки ѕ справа налево. Присадочный металл подают впереди горелки.

Сварку тонкостенных элементов выполняют левым способом. При этом легче избежать сквозных проплавлений. Правый способ ѕ более производительный ѕ применяют при сварке соединений с повышенной толщиной кромок. Выбор способа определяется толщиной свариваемых элементов и их положением в пространстве.

Диаметр (сечение) присадочного металла выбирают в зависимости от тольщины кромок и способа сварки:

,

где S ѕ толзина кромок свариваемого металла.

Движение горелки и прутка в сварочной ванне осуществляют различными способами в зависимости от характера подготовки кромок, пространственного положения и т.п. Качество соединений во многом зависит от работы сварочных горелок и их конструкции. Прежде всего необходима высокая стабильность сварочного пламени. Горелка должна быть легкой, удобной для ручного ведения процесса.



8. Дефекты сварных швов и их предотвращение

Качество сварных соединений в значительной мере определяет эксплуатационную надежность и экономичность конструкций. Наличие в сварных соединениях дефектов - отклонений от заданных свойств, формы и сплошности шва, свойств и сплошности околошовной зоны может привести к нарушению герметичности, прочности и других эксплуатационных характеристик изделия, а при некоторых обстоятельствах вызвать аварию его в процессе изготовления, монтажа или работы. В реальных условиях производства дефекты возникают достаточно часто. Количество их - объективный показатель рациональности принятого технологического процесса, пригодности и кондиции используемых сварочных материалов и основного металла, квалификации сварщиков, наличия необходимого комфорта для работы, оптимальности и технического состояния оборудования и оснастки и общей культуры производства, характерной для данного предприятия.

...