Сварочное производство

Размещено на http://www.allbest.ru/

СВАРОЧНОЕ ПРОИЗВОДСТВО

1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ СВАРКОЙ

Сварочное производство подразделяется по направлениям:

- Получение сварных заготовок и изделий из отдельных частей;

- Разрезка заготовок на части и раскрой листового материала.

Оба эти направления используют одинаковые или аналогичные технологические процессы и оборудование, что и позволяет объединить их в одно производство.

Сварным соединением называют неразъемные соединения, получаемые в результате образования атомно-молекулярных связей между частицами соединяемых заготовок.

Преимущества сварки по сравнению с другими способами соединения элементов конструкции:

- Экономия материала - вследствие полного использования рабочих сечений элементов конструкции, придания им более рациональной формы в соответствии с действующими нагрузками;

- Уменьшение веса конструкции за счет уменьшения и устранения припусков и напусков. Особое преимущество проявляется в мелкосерийном и единичном типах производств;

- Сокращение сроков работ и уменьшение стоимости, возможность изготовления изделия сложной формы путем комбинации сварки с другими технологиями (штампосварные и литосварные изделия);

- Удешевление технологического оборудования и снижение капитальных затрат;

- Облегчение комплексной механизации массового производства однотипных сварных изделий, возможность 100%-ной механизации и автоматизации производства;

- Возможность широкого использования в сварных конструкциях прогрессивных материалов;

- Облегчение изготовления микроминиатюрных узлов и деталей для радио и приборостроения;

- Широкое применение сварки, наплавки, резки при ремонте изношенных деталей;

- Герметичность и надежность сварных конструкций;

- Уменьшение производственного шума, улучшение условий труда.

Классификация технологий сварки может быть построена по нескольким принципам:

- По агрегатному состоянию металла в зоне сварки - сварка давлением и сварка плавлением;

- По виду энергии для подогрева металла - ультразвуковая, механическая (холодная и трением), химическая (газовая, термитная), физическая (диффузионная, взрывом, кузнечная), электрическая (дуговая, контактная, электрошлаковая, лучевая (лазерная, плазменная, электронно-лучевая).

Наиболее распространена в практике современного производства классификация способов сварки по агрегатному состоянию материала заготовок в процессе сварки. По этой принципу сварку подразделяют на сварку давлением и сварку плавлением.

Сварка давлением - процесс получения неразъемного соединения путем сближения заготовок на расстояние (2-4) 10-10 м., для возникновения межатомных связей и последующего образования прочного соединения в результате взаимной диффузии атомов соприкасающихся частей заготовок. Давление, прилагаемое при сварке должно смять неровности поверхности и разрушить неметаллические пленки, препятствующие образованию межатомных связей.

Сварка давлением подразделяется на: контактную электрическую сварку, диффузионную сварку, сварку трением, холодную сварку, газопрессовую сварку. Каждый из этих видов сварки имеет свою область применения. В настоящее время наиболее широко распространена контактная электрическая сварка, которая имеет большое количество модификаций. По виду получаемого соединения различают: точечную, стыковую, шовную, конденсаторную. Контактной электрической сваркой изготавливают различные изделия из листового материала. В автомобильном производстве большинство корпусных конструкций сваривают точечной сваркой. В строительстве, использующем железобетонные конструкции, стальную арматуру сваривают контактной стыковой сваркой.

Контактная электрическая сварка осуществляется путем пропускания электрического тока, I через контакт заготовок, образовавшийся при их сдавливании за счет внешнего усилия, P. Сварка проводится при напряжении электрического тока U = 12-15В, Сила тока определяется условиями сварки и геометрическими параметрами получаемого сварного соединения. Максимальная величина силы тока на мощных установках для стыковой сварки достигает I = 100000-500000 А.

Диффузионная сварка - соединение сдавливанием заготовок в вакууме (10-3, 10-6 мм. рт. ст.) при повышенной температуре. Отличается высоким качеством получаемого сварного соединения. Диффузионной сваркой изготавливают или ремонтируют ответственные изделия.

Сварка трением - соединение сдавливанием разогретых за счет трения заготовок. Тепло при трении может возникать в результате вращения заготовок или их вибрации. Сваркой трением при вращении получают концевой режущий инструмент. Детали, имеющие сложное сечение, сваривают путем их вибрации с высокой частотой и малой амплитудой.

Холодная сварка - соединение сдавливанием заготовок из материалов, пластичных при комнатной температуре.

Таким образом сваривают изделия из цветных металлов, пластмасс, внахлестку сваривают листы толщиной 0,2-15 мм.

Газопрессовая сварка - сдавливание заготовок, разогретых горением газовой горелки. Способ применяется в двух вариантах: сварка в пластичном состоянии и сварка оплавлением. Таким способом можно сваривать различные металлические материалы в различном сочетании: чугун-сталь, различные металлы и т. п.

Сварка плавлением - получение сварного соединения путем расплавления материала в зоне сварки. Сварным соединением называют сочетание сварного шва, зоны термического влияния и основного материала заготовок. Подвидами сварки плавлением являются наплавка и напайка. Наплавка - нанесение расплавленного слоя материала на оплавленную поверхность заготовки. Напайка - нанесение расплавленного слоя материала на разогретую твердую поверхность заготовки.

Сварка плавлением подразделяется на: электрическую дуговую сварку, лучевые методы сварки плавлением, электрошлаковую сварку, термитную сварку. Наибольшее распространение получила электрическая дуговая сварка. Существует два направления электродуговой сварки: сварка плавящимся электродом (способ Славянова Н.Г.) и сварка неплавящимся электродом (способ Бенардоса Н.Н.). Оба направления имеют свои специфические области применения, однако более распространен в современных условиях способ сварки плавящимся электродом. При сварке плавящимся электродом используют электрод - металлический стержень того же состава, что и свариваемые заготовки. При сварке неплавящимся электродом используют стержень из вольфрама или графита, которые не плавятся при сварке, а служат для возбуждения электрической дуги. Электрическая дуговая сварка проводится при постоянном или переменном токе. В качестве источников переменного тока используют сварочные трансформаторы. В качестве источников постоянного тока используют генераторы или выпрямители.

Разновидности электрической дуговой сварки: ручная дуговая сварка, полуавтоматическая и автоматическая дуговая сварка.

Ручная дуговая сварка - используют штучные электроды из сварочной проволоки, покрытой специальной обмазкой, способствующей устойчивости электрической дуги и защите расплавленного металла в зоне сварки от окисления. Дополнительно обмазка может выполнять функции раскисления и легирования материала шва. Существуют типы электродов для сварки конструкционных углеродистых, низко и легированных сталей, цветных металлов и для наплавки. Маркировка электродов - Э42-Э125. Цифра после буквы Э означает предел прочности при растяжении, увр, кГ/мм. кв. При ручной сварке расстояние между электродами поддерживается вручную. Таким образом, длина электрической дуги случайным образом изменяется и, вследствие этого, качество сварного шва получается невысоким.

Полуавтоматическая и автоматическая сварка.

Полуавтоматическая сварка штучными электродами выполняется двумя способами: сварка «опертым» электродом и сварка «лежащим» электродом. В этих способах расстояние между электродами определяется толщиной обмазки (при сварке лежащим электродом) и углом наклона электрода (при сварке опертым электродом) и может быть выдержано с большой точностью в процессе сварки. Качество сварного шва при этом высокое. Полуавтоматическая сварка может выполняться с помощью ранцевого аппарата, который переносит рабочий - сварщик. В этом случае используется сварочная проволока, намотанная на катушку. Для защиты сварного шва от окисления защитный газ подается в зону сварки. Ручной сваркой и полуавтоматической сваркой можно сваривать швы, расположенные в пространстве в различных положениях: горизонтально, наклонно, вертикально, потолочные.

Автоматическая сварка под флюсом - осуществляется специальными сварочными агрегатами (тракторами). Сварка производится сварочной проволокой, которую выпускают их материалов в широкой номенклатуре: 77 марок для сварки сталей, 30 марок для наплавки и 14 марок для сварки алюминиевых и других цветных сплавов. Защита зоны сварки осуществляется порошкообразным флюсом, который насыпается на шов при сварке, вследствие чего возможна сварка только горизонтально расположенных швов. Производительность автоматической сварки под флюсом в десятки раз выше, чем в случае ручной сварки. Для еще большего увеличения производительности используют варианты автоматической сварки: импульсно-дуговая сварка плавящимся электродом, сварка трехфазной дугой, сварка сжатой дугой.

Лучевая сварка плавлением.

Электронно-лучевая сварка - для сварки используют электронную пушку с катодом из тугоплавкого материала. Ускоряющее напряжение составляет 25-120 кВ. Сила тока 35-1000 mA. Температура пучка электронов в зоне сварки достигает 5000-6000С.

Сварка происходит в высоком вакууме. Диаметр сфокусированного пучка электронов составляет 0,02 1 мм. Толщина проплавления достигает 200 мм. (для стали). Скорость сварки зависит от толщины свариваемых заготовок и может достигать 100 м/ч и более. Этот способ сварки отличается весьма высоким качеством сварного шва.

Лазерная сварка - для сварки используют твердотельные или газовые лазеры - квантовые генераторы световой энергии.

Сварка проводится на воздухе, вместе с тем, качество сварного шва весьма высокое вследствие особых свойств лазерного пучка фотонов и происходящих при сварке процессов.

Плазменная сварка - для сварки используют плазменную установку, генерирующую пучок высокоэнергетичной плазмы.

Сварка проводится в различных газах, используемых как для создания плазмы (плазмообразующий газ), так и для защиты зоны сварки а также для управления процессом сварки.

Качество сварного шва весьма высокое вследствие особых физико-химических условий проведения процесса сварки.

Электрошлаковая сварка - энергию, необходимую для расплавления основного и присадочного материала дает тепло, выделяющееся при прохождении электрического тока через шлаковую ванну. Этим способом сваривают крупногабаритные конструкции из толстостенных заготовок, например, каркасы доменных печей, станины крупногабаритных металлорежущих станков и т. п.

При этом производительность сварки таких изделий возрастает в десятки и сотни раз в сравнении. с ручной электродуговой сваркой.

Газовая сварка и резка - для сварки используют смесь горючих газов: водород, метан, ацетилен, светильный газ, природный газ и т. п.

Наибольшее распространение получили горелки, использующие смесь ацетилена и кислорода.

Используют три варианта ацетилено-кислородной смеси: нормальное окислительное - и науглероживающее -. Нормальным пламенем сваривают большинство сталей.

Окислительным сваривают латуни для подавления испарения цинка из зоны сварки. Науглероживающим (коптящим) пламенем сваривают цветные сплавы.

Термитная сварка - происходит с помощью термита - порошковой горючей смеси состава (МеМеО).

2. ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ВЫСОКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПРИ СВАРКЕ

1. Кинетические характеристики способов сварки. Сварное соединение считают высококачественным или равнопрочным, если его механические свойства близки к механическим свойствам основного материала и в нем отсутствуют дефекты, снижающие эксплуатационные свойства изделия.

Характер теплового воздействия источника нагрева на каждый участок материала шва определяется термическим циклом сварки, т. е., зависимостью температуры Т от времени t. Термические циклы различных технологиях сварки показаны на рисунке.

Рис. - Графики зависимости температуры сварки от времени для разных технологий:

1- ЛС - лазерная сварка;

2 - ЭЛС - электронно-лучевая сварка;

3 - АДС - автоматическая сварка;

4 - ЭШС - электрошлаковая сварка.

При этом протекают фазовые и структурные превращения, диффузионные процессы, приводящие к перераспределению примесей, элементов структуры (границ зерен, размеров зерен). Следует отметить, что при одинаковом характере процессов, протекающих при сварке и литье, скорости этих процессов при сварке существенно выше. Вследствие этого ликвация при сварке значительно менее эффективна, чем при литье. Сварочные дефекты аналогичны тем, которые образуются при литье. Большинство дефектов являются результатом несоблюдения режимов сварки. Поэтому современные сварочные установки снабжают устройствами, регулирующими и стабилизирующими процесс сварки - следящие системы, системы с обратной связью и т. п.

Особенно важным для достижения высокого качества сварки является использование программного управления ветви охлаждения, фактически определяющей качество сварки. При сварке плавлением в зоне сварки происходят сложные физико-химические процессы. В большинстве технологий сварки плавлением имеет место локализация объема материала, подвергаемого быстрому нагреву и охлаждению, и, вследствие этого, расширению и сжатию, которое затрудняется окружающим холодным материалом. Таким образом возникают сначала сжимающие, а затем растягивающие напряжения. Величина этих напряжений зависит от скорости охлаждения, массы изделия, конфигурации свариваемых заготовок и т. п.

При высоком уровне сварочных напряжений может возникать деформация всей конструкции, локализованная деформация в зоне сварки и микроскопическая деформация структуры материала. Напряжения, вызываемые сваркой принято разделять на временные и остаточные. Результатом временных напряжений могут быть горячие трещины. Результатом остаточных напряжений могут быть холодные трещины. Горячие трещины возникают при кристаллизации материала шва и во всех случаях зарождаются и распространяются по границам зерен. Холодные трещины обычно образуются не в шве, а в зоне сплавления и на участке перегрева основного материала. Существует несколько гипотез по поводу их возникновения: закалочная, водородная и т. д.

Холодные трещины часто образуются в сталях перлитного и мартенситного классов, если в процессе сварки происходит закалка в зоне термического влияния. Склонность к холодным трещинам увеличивается при насыщении шва водородом, который попадает в шов из влажных электродных покрытий и окружающего воздуха.

Холодные трещины являются основной причиной разрушения сварных изделий в процессе эксплуатации, т. к., образовавшиеся зародышевые трещины способны расти со временем. Распространение холодных трещин происходит скачками и сопровождается интенсивным звуком. Различают три типа трещин, образующихся при термической обработке сварных соединений:

1 - возникшие при сварке и раскрывшиеся при термической обработке вследствие релаксации сварочных напряжений;

2 - возникшие при температурах более 200С вследствие появления высоких растягивающих напряжений из-за неравномерного нагревания изделия;

3 - возникшие при высоких температурах - трещины имеют ярко выраженный межкристаллитный характер в материалах с низкой пластичностью вследствие деформаций, вызванных релаксацией напряжений.

Сварные соединения можно получить практически на всех металлах. Однако для получения качественного шва на плохо свариваемых металлах необходимо применять сложные технологические приемы в зависимости от этого все материалы подразделяют на группы свариваемости.

2. Группы свариваемости:

- 1 группа - хорошо свариваемые;

- 2 - удовлетворительно свариваемые;

- 3 - ограниченно свариваемые;

- 4 - плохо свариваемые.

Примеры материалов, относящихся к различным группам.

К первой группе относятся низкоуглеродистые и низколегированные стали (сталь 25, сталь 20Х и т. п.).

К второй группе относятся углеродистые промежуточного класса и среднелегированные стали (сталь 35, сталь 20ХГС). Для получения качественного сварного соединения требуется подогрев 100-150С. К третьей группе относятся стали среднеуглеродистые и легированные (сталь 45, сталь 30ХН2МА и т. п.). Требуется подогрев 150-350С. К четвертой группе относятся высоколегированные и высокоуглеродистые стали (сталь 50Г2, 40ХФЮА и т. п.).

Даже при использовании сложных технологических приемов не обеспечивается высокое качество электродуговой сварки. В современном машиностроении наряду с низкоуглеродистой сталью широко применяют металлы и сплавы, обладающие высокими физико-механическими свойствами, но плохой свариваемостью. К таким металлам и сплавам относятся высокоуглеродистые и легированные стали, чугун, медь, алюминий, магний, тугоплавкие металлы. Следствием плохой свариваемости этих материалов является образование трещин в сварных соединениях.

3. Особенности сварки различных металлов и сплавов. Сварка углеродистых (более 0,3%С) и легированных (до 3 5%) конструкционных сталей. Основная трудность при сварке - опасность закалки околошовной зоны и образование холодных трещин.

Меры предупреждения - нагрев до 100 300С, замена однослойной сварки на многослойную, применение электродов с основными покрытиями, производство отпуска (300С) сразу после сварки, применение контактной электрической сварки на мягких режимах.

Сварка высокохромистых сталей (12-28%). Трудности при сварке - охрупчивание шва и зоны термического влияния (ЗТВ). Меры предупреждения - сварка при малых погонных энергиях, производить отжиг после сварки (800 900С) с последующей закалкой.

Сварка аустенитных хромоникелевых сталей (типа 18-8). Трудности при сварке - выпадение карбидов хрома по границам зерен и возникновение склонности к межкристаллитной коррозии. Меры предупреждения - сварка при малых погонных энергиях с теплоотводящими медными прокладками или водяным охлаждением, легирование стали сильными карбидообразующими элементами (Ti, Nb), закаливать (от 1050С) после растворения карбидов хрома.

Сварка чугуна.

Применяют в варианте заварки дефектов на уникальных изделиях. Технология холодной заварки - чугунными, стальными, медно-железными, медно-никелевыми электродами с последующим высокотемпературным длительным отжигом.

Наиболее дешевыми являются медно-железные электроды. Технология горячей заварки - с подогревом до 400-700С в нагревательных горнах с древесным углем и воздушным дутьем. Перед заваркой дефекты вырубают и заформовывают с помощью графита и кварцевого песка, замешанного на жидком стекле. Сваренные изделия охлаждают с печью.

Сварка меди и ее сплавов. Трудности при сварке связаны с содержанием вредных примесей (О, Н, Вi, Pb). Меры предупреждения - при единичном производстве применяют газовую сварку ацетилено-кислородным пламенем большой мощности. сварка металл сплав

После сварки применяют быстрое охлаждение и проковку. При автоматической сварке применяют специальные керамические флюсы и сварку в защитных газах (аргон, азот). Сварку проводят вольфрамовым электродом на постоянном токе прямой полярности. Присадка - прутки меди с добавками Si, Sn, Mn. Подогрев до 200-800С.

Сварка латуни. Трудности связаны с испарением цинка при сварке (пары цинка ядовиты). Меры предупреждения - применяют газовый флюс (в пламя вводят пары боросодержащих жидкостей, борный ангидрид. Успешно сваривают латунь с помощью электрической контактной сварки.

Сварка алюминия и его сплавов. Трудности связаны с образование прочной и тугоплавкой окисной пленки Al2O3 (Тпл = 2050С).

Меры предупреждения - применение активных флюсов для растворения окислов - смеси хлористых и фтористых солей щелочно-земельных металлов (NaCl, KCl, LiF). Широко применяют сварку в защитных газах (аргоно-дуговая сварка).

Сварка тугоплавких металлов. Трудности связаны с окислением металлов при высоких температурах. Меры предупреждения - сварка в вакууме, в инертных газах, применение лучевых методов сварки.

Размещено на Allbest.ru