Размещено на http://www.allbest.ru/

Сварка металлов и сплавов

1. Общие сведения

1.1 Сущность процесса сварки

Сваркой называется технологический процесс получения неразъёмных соединений твёрдых материалов, который осуществляется за счёт использования межмолекулярных и межатомных сил сцепления.

Сварка широко применяется в современном машиностроении, строительстве для соединения металлов и их сплавов между собой и с неметаллическими материалами (керамикой, стеклом), а также для соединения пластмасс. Сварка является высокопроизводительным и экономически выгодным процессом обработки материалов.

Суть процесса соединения материалов путём сварки заключается в сближении соединяемых поверхностей на расстояние, в пределах которого начинают действовать силы межатомного сцепления. Это расстояние имеет порядок нескольких ангстрем (Ає=10^-8 см). Современные способы сварки для необходимого сближения поверхностей соединяемых деталей предусматривает тепловое и механическое воздействие на металл в зоне соединения.

1.2 Классификация способов сварки

В настоящее время насчитывается несколько десятков способов сварки и их разновидностей. Все они могут классифицироваться по двум признакам:

1. по методу объединения соединяемых поверхностей;

2. по виду применяемой энергии.

По первому признаку все сварочные процессы можно разделить на способы сварки плавлением и способы сварки давлением.

При сварке плавлением производится расплавление кромок свариваемых заготовок и присадочного материала для заполнения зазора между ними. Повышенная подвижность атомов материала в жидком состоянии приводит к объединению деталей в результате образования общей сварочной ванны. После затвердевания сварочной ванны и возникновения сварного шва образуется прочное соединение.

К способам сварки плавлением относится:

1. дуговая сварка (ручная, автоматическая под флюсом, газоэлектрическая и дуговой плазмой);

2. электрошлаковая;

3. электроннолучевая;

4. газовая;

5. термитная.

При сварке давлением соединение заготовок осуществляется путём совместной пластической деформации соединяемых поверхностей. Пластическая деформация осуществляется за счет приложения внешнего усилия. При этом металл в зоне соединения нагревают с целью повышения пластичности. В процессе деформации происходит снятие неровностей, разрушение окисных плёнок, в результате чего обеспечивается полный контакт между заготовками. Возникновение межатомных связей в этих условиях приводит к прочному соединению деталей.

К способам сварки давлением относится:

1. контактная;

2. индукционная;

3. диффузионная;

4. ультразвуковая;

5. газопрессовая;

6. сварка трением;

7. холодная сварка.

По виду применяемой энергии сварка может быть:

1. электрической (все виды дуговой сварки, электрошлаковая, контактная);

2. химической (газовая и термитная);

3. механической (кузнечная, холодная, трением, взрывом и ультразвуком);

4. лучевой (электроннолучевая, лазерным и солнечным лучом).

2. Электрическая дуговая сварка

2.1 Понятие об электрической дуге и характеристика основных способов сварки

Источником теплоты при дуговой сварке являются электрическая дуга, которая горит между двумя электродами, при этом одним электродом является свариваемая заготовка.

Сварочная дуга - это мощный электрический разряд в ионизированной газовой среде, который сопровождается выделением значительного количества тепла и света.

Процесс зажигания дуги при сварке состоит из 3-х периодов:

1. короткое замыкание электрода на заготовку;

2. отвод электрода на расстояние 3…6 мм;

3. возникновение устойчивого дугового разряда.

Короткое замыкание производится с целью разогрева торца электрода и основного металла в зоне контакта с электродом. После отвода электрода с его разогретого торца , являющегося катодом, под действием электрического поля начинается эмиссия электронов. Столкновение быстродвижущихся по направлению к аноду электронов с молекулами газов и атомами паров металлов приводит к их ионизации. В результате дуговой промежуток становится электропроводным и через него начинается разряд эл. тока. Процесс зажигания дуги заканчивается возникновением устойчивого дугового разряда.

Электрическая дуга является концентрированным источником теплоты с очень высокой температурой. Температура столба дуги достигает 6000єС, а температура анодного и катодного пятен - 2000…3000єС.

Однако не вся мощность дуги полностью расходуется на нагрев и расплавление электрода и основного материала, часть её теряется в результате теплоотдачи в окружающую среду. Так при ручной дуговой сварке потери мощности составляют 20%, примерно 30% мощности идет на нагрев и расплавление электрода, а остальные 50% расходуются на нагрев и расплавление основного материала.

В зависимости от материала и количества электродов, а также от способа включения электродов и заготовки в цепь электрического тока различают следующие способы дуговой сварки:

1. сварка неплавящимся электродом (способ Бенардоса) или вольфрамовым. Соединение осуществляется либо путём расплавления только одного основного металла, либо с применением присадочного материала.

2. сварка плавящимся электродом (способ Славянова). Электрод подается в сварочную дугу, расплавляется и наполняет сварочную ванну жидким металлом.

3. сварка дугой косвенного действия. Дуга горит между двумя плавящимися или неплавящимися электродами, основной металл нагревается и плавится теплом, излучаемым столбом дуги.

4. сварка трёхфазной дугой. Два электрода и деталь подключены к разным фазам трёхфазного тока. Дуга возникает между электродами, а также между каждым электродом и основным металлом.

2.2 Источники питания сварочной дуги

Для дуговой сварки используется как постоянный, так и переменный ток. Источниками постоянного тока являются генераторы постоянного тока и сварочные выпрямители - селеновые, германиевые и кремниевые.

Генераторы постоянного тока изготовляют стационарными и передвижными с приводом от электродвигателя и от двигателя внутреннего сгорания.

При сварке переменным током преимущественно используют сварочные трансформаторы, которые распространены шире, чем генераторы. Сварочные трансформаторы проще в изготовлении и эксплуатации , имеют небольшой вес и меньшую стоимость, более высокий кпд и значительно долговечнее.

Источники постоянного тока изготавливают однопостовыми и многопостовыми, а переменного только однопостовыми.

2.3 Ручная дуговая сварка

Производится сварочными электродами, подача которых в дугу и перемещение вдоль заготовки выполняется вручную рукой сварщика. Для удержания электрода и подвода к нему тока сварщик пользуется электрододержателем. Для защиты от светового и ультрафиолетового излучения дуги лицо сварщика закрывается предохранительным щитком или маской с тёмными стеклами, а тело и руки - брезентовой спецодеждой и рукавицами. Рабочее место сварщика помещается в специальной кабине.

Электроды для ручной сварки представляют собой проволочные стержни с нанесённым на них покрытием. Стержень электрода изготавливается из специальной сварочной проволоки повышенного качества, с пониженным содержанием P и S. ГОСТ предусматривает 56 марок проволоки диаметром 0,3…12 мм.

Схема процесса сварки следующая: дуга горит между стержнем электрода и основным металлом. Стержень плавится и расплавленный металл каплями стекает в сварочную ванну. Вместе со стержнем плавится покрытие электрода, образуя газовую защитную атмосферу вокруг дуги и шлаковую ванну на поверхности расплавленного металла. По мере движения дуги происходит затвердевание сварочной ванны и образование сварного шва. Жидкий шлак по мере остывания образует на поверхности шва твёрдую шлаковую корку.

Ручная дуговая сварка широко применяется в производстве металлоконструкций для сварки различных материалов малых и средних толщин (от 2…30 мм). Особенно она выгодна и удобна при выполнении коротких и криволинейных швов в любых пространственных положениях (нижнем, вертикальном, потолочном), а также при наложении швов в труднодоступных местах. Недостаток - низкая производительность.

2.4 Автоматическая дуговая сварка под флюсом

При этой сварке используется процесс, принципиально отличающийся от ручной сварки покрытыми электродами. Характерные особенности автоматической сварки заключается в следующем:

1. сварка ведётся непокрытой электродной проволокой;

2. защита дуги и сварочной ванны осуществляется флюсом;

3. подача и перемещение электродной проволоки механизирована.

Дуговая сварка под флюсом производится автоматическими сварочными головками или самоходными тракторами, перемещающимися непосредственно по изделию. Основным их назначением является подача электродной проволоки в дугу и поддержание постоянного режима сварки в течение всего процесса. Преимущества: повышение производительности сварки в 20…25 раз, повышение качества сварных соединений и уменьшение себестоимости 1 м сварного шва.

2.5 Полуавтоматическая дуговая сварка под флюсом

Отличается от автоматической тем, что перемещение электродной проволоки осуществляется вручную. Применяется для выполнения коротких и прерывистых швов, а также криволинейных швов, которые невозможно сварить автоматической сваркой.

2.6 Электрошлаковая сварка

Является принципиально новым процессом соединения металлов, при котором расплавление основного и электродного металлов осуществляется теплотой, выделяющейся при прохождении электрического тока через шлаковую ванну.

Процесс начинается с образования шлаковой ванны в пространстве между кромками основного металла и приспособлениями (ползунами), причём путём расплавления флюса электрической дугой. После накопления некоторого количества жидкого шлака дуга гаснет, а подача проволоки и подвод тока продолжается. При прохождении тока через шлаковую ванну выделяется теплота, достаточная для поддержания высокой температуры шлака и расплавления кромок основного металла и электродной проволоки. Проволока вводится в зазор и подаётся в шлаковую ванну с помощью мундштука и служит для подвода тока и пополнения сварочной ванны расплавленным металлом. Электрошлаковая сварка осуществляется при вертикальном положении свариваемых деталей.

Преимущества:

1. повышение производительности вследствие непрерывности процесса сварки, выполняемой за один проход при любой толщине металла, увеличения сварочного тока в 1,5…2 раза, уменьшения расхода электродного металла;

2. повышение качества сварного соединения;

3. снижение затрат на 1 погонный метр шва в 10 и более раз.

Электрошлаковая сварка применяется в тяжёлом машиностроении для изготовления сварно-литых и сварно-кованных конструкций, таких как станины мощных прессов, коленвалы судовых двигателей, роторы и валы турбин.

Толщина свариваемого металла находится в пределах от 50…2000 мм.

2.7 Дуговая сварка в среде защитных газов

Суть способа заключается в том, что для защиты расплавленного металла от вредного воздействия кислорода и азота воздуха в зону дуги, которая горит между свариваемым изделием и плавящимся или неплавящимся электродами через сопло непрерывно подается струя защитного газа. В качестве защитных применяются инертные газы - аргон и гелий, активные - углекислый газ, водород, азот. Применяют также смеси аргона с кислородом, аргона с азотом, аргона с углекислым газом, углекислого газа с кислородом.

Инертные газы используются для сварки химически активных металлов (высоколегированные стали и цветные металлы).

В среде защитных газов применяется ручная и механизированная сварка неплавящимся электродом, а также автоматическая и полуавтоматическая плавящимся электродом.

Преимущества:

1. отсутствие необходимости в применении обмазок и флюсов;

2. высокая степень концентрации источника теплоты, способствующая уменьшению коробления изделия;

3. низкая стоимость;

4. возможность сварки в любых пространственных положениях.

3. Электрическая контактная сварка

3.1 Характеристика процесса

Контактная сварка выполняется как сварка давлением с осадкой разогретых заготовок. Разогрев заготовок производится прохождением по металлу электрического тока, причём максимальное количество теплоты выделяется в месте сварного контакта. Когда детали нагреваются до пластичного состояния или до оплавления, к ним прикладывается усилие осадки и детали свариваются. Время сварки в зависимости от толщины и вида сварочного материала колеблется от сотых долей секунды до нескольких минут.

3.2 Основные виды контактной сварки

Контактная сварка классифицируется по типу свариваемого соединения, определяющего вид сварочной машины, и по способу питания сварочного трансформатора.

По типу свариваемого соединения различают: стыковую, точечную и шовную (роликовую) сварку.

По способу питания сварочного трансформатора различают:

1. сварку переменным током в большинстве однофазным с частотой 50 гц;

2. сварку импульсом постоянного тока;

3. сварку аккумулированной энергией, из которой чаще всего применяют конденсаторную сварку.

3.3 Точечная сварка

Это вид контактной сварки, при котором заготовки соединяются в отдельных точках. Причём одновременно можно сварить одну, две или несколько точек. Их положение определяется расположением электродов точечной машины.

При точечной сварке заготовки соединяют внахлёстку и зажимают с усилием Р между двумя медными электродами, подводящими ток к месту сварки. Соприкасающиеся с медным электродом поверхности свариваемых заготовок нагреваются медленнее их внутренних слоев. Нагрев продолжают до пластического состояния или до расплавления внутренних слоев детали, затем выключают ток и снижают давление. В результате образуется литая сварная точка.

Точечная сварка широко используется для изготовления штампосварных соединений, когда отдельные штампованные детали соединяются сварными точками.

3.4 Шовная или роликовая сварка

Вид контактной сварки, при которой между свариваемыми заготовками образуется прочноплотное соединение.

При шовной сварке листы также соединяют внахлёстку и зажимают между медными роликами. При пропускании тока образуется сварная точка. Т. к. свариваемые листы проходят между вращающимися роликами, то эти точки перекрывают друг друга и получается сплошной герметичный шов.

Существует 2 цикла шовной сварки: с непрерывным и с прерывистым протеканием тока.

Первый цикл применяется для сварки коротких швов из малоуглеродистых и низколегированных сталей толщиной до 1 мм.

Второй цикл обеспечивает стабильность процесса и применяется для сварки длинных швов на заготовках из нержавеющих сталей, алюминиевых и медных сплавов.

Шовная сварка применяется в массовом производстве при изготовлении различных сосудов.

3.5 Стыковая сварка

Вид контактной сварки, при которой заготовки свариваются по всей поверхности соприкосновения.

Стыковая сварка с разогревом стыка до пластического состояния и последующей осадкой называется сваркой сопротивлением, а при разогреве торцов заготовок до оплавления - сваркой оплавлением.

При первом способе заготовки, зажатые в машине, сжимаются небольшим усилием, обеспечивающим контакт свариваемых поверхностей. Затем включается ток, металл разогревается до пластического состояния производится осадка и сварка.

Сварка сопротивлением применяется для заготовок малого сечения (диаметр до 20 мм). Заготовки сложного сечения (лист, двутавр), а также из разнородных металлов этим методом не сваривают.

При втором способе различают сварку с непрерывным и прерывистым оплавлением.

При непрерывном оплавлении установленные в зажимах машины детали равномерно сближают при включенном напряжении. После достижения равномерного оплавления всей поверхности стыка производят осадку.

При прерывистом оплавлении зажатые заготовки сближают под током, приводят в кратковременное соприкосновение и вновь разводят на небольшое расстояние. Быстро повторяя одно за другим замыкание и размыкание, производят оплавление всего сечения. Затем делается осадка, в процессе которой выключают ток.

Методом оплавления можно сварить заготовки из разнородных материалов с сечением сложной формы без подготовки поверхности стыка.

4. Газовая сварка

4.1 Сущность процесса

Сущность газовой сварки заключается в том, что присадочный и основной металлы расплавляются за счёт теплоты газового пламени, получаемой при сгорании горючего газа в смеси с кислородом.

В качестве горючего газа применяется ацетилен, обладающий наибольшей теплотворной способностью по сравнению с другими горючими, но также используется водород, нефтяной газ, бензин, керосин.

Чаще всего газовую сварку применяют при изготовлении листовых или трубчатых конструкций из малоуглеродистых и низколегированных сталей толщиной до 3…5 мм, при исправлении дефектов в отливках из серого чугуна и бронзы, а также для сварки цветных металлов и их сплавов.

4.2 Аппаратура для газовой сварки

Промышленный способ получения ацетилена заключается в разложении карбида кальция в воде. Аппараты, в которых получают ацетилен, называются ацетиленовыми генераторами.

В зависимости от принципа взаимодействия карбида кальция (СаС₂) с водой различают такие системы генераторов:

1. “карбид в воду”

2. “вода на карбид”

3. генератор контактной системы с вариантом “погружение” и “вытеснение”.

Генераторы бывают также низкого и среднего давления. Они могут быть стационарными и переносными.

Инструментом для газовой сварки являются сварочные горелки. Их различают по способу подачи горючего газа в камеру смешения - инжекторные и безинжекторные; по размеру и весу - нормальные и облегчённые; по числу сопел - односопловые и многосопловые.

Инжекторные горелки работают на ацетилене низкого и среднего давления от 0,01…0,5 кг/см² и при давлении кислорода 1…5 кг/см².

Инжекцией наз. подсос ацетилена в камеру смешения струёй кислорода. Горелки этого типа имеют 7 сменных наконечников, служащих для регулирования мощности пламени.

Безинжекторные горелки отличаются от инжекторных тем, что питание от баллонов происходит через специальный редуктор выравнивающий давление ацетилена и кислорода.

4.3 Техника и режим газовой сварки

Различают два способа ведения сварочного процесса: правый и левый.

Сущность правого способа состоит в том, что пламя горелки перемещается слева направо и направлено на горячий металл шва, а присадочная проволока движется позади горелки. Этот способ применяется при толщине металла более 5 мм.

Левый способ сварки отличается тем, что пламя горелки перемещается справа налево и направленно на холодный металл, а присадочная проволока движется впереди горелки. Применяется при сварке листов из легкоплавких металлов и сплавов толщиной до 4 мм и вертикальных швов.

Режим газовой сварки определяется выбранным диаметром присадочного металла и мощностью газосварочного пламени. Диаметр присадочной проволоки (до 6…8 мм) зависит от способа сварки и толщины свариваемого металла. сварка электрошлаковый флюс

4.4 Термитная сварка

Термитами наз. порошкообразные смеси металлов с окислами металлов, которые, сгорая, выделяют значительное количество теплоты и развивают при этом высокую температуру.

Наиболее распространенными являются алюминиевый и магниевый термит.

Алюминиевый термит состоит из 23% порошка алюминия и железной окалины (Fe₃O₄) - 77%. Для воспламенения термита нужна высокая температура, поэтому зажигание его производят дугой, специальным запалом и термоспичками. Горение протекает быстро, в течение нескольких секунд, температура достигает 3000єС.

Существует 3 способа термитной сварки - способ промежуточного литья, сварка впритык и комбинированный способ сварки, которые могут осуществляться как с применением давления, так и без него.

Термитную сварку применяют при ремонте поломанных литых изделий, приваривания сломанных зубьев зубчатых колес.

Магниевый термит - порошкообразная смесь металлического магния и железной окалины.

Магниевый термит используется в основном для сварки стальных телеграфных и телефонных проводов воздушных линий связи.

Размещено на Allbest.ru

...