Сущность процессов сварки материалов и их классификация

Cварка - это технологический процесс получения неразъемных соединений металлов, сплавов и других ма­териалов, осуществляемый на основе сил межатомного сцепления свариваемых материалов. Она широко применяется в машиностроении, приборостроении, металло­обработке, в строительстве и других отраслях народного хозяйства; сварка является незаменимой в судостроении, мостостроении, авиастроении, создании трубопроводов. Сварка позволяет соединять между собой однородные металлы и сплавы, разнородные металлы (например, медь с алюминием, сталь с медью), металлы с неметал­лами (керамикой, стеклом, графитом и др.), а также пластмассы.

Развитие сварки, особенно в последние годы, привело к появлению новых методов сварки, расширило возмож­ности применения ее традиционных методов.

Сварные соединения можно получить двумя способа­ми: плавлением и давлением. В первом случае кромки свариваемых деталей расплавляют. Подвижность атомов материала в жидком состоянии приводит к образованию общей сварочной ванны. При охлаждении происходит кристаллизация атомов двух металлов и в результате образования единого литого ядра сварного шва полу­чается прочное неразъемное соединение. В другом случае сварку осуществляют сдавливанием свариваемых поверхностей,при котором сварное соединение образуется за счет взаимного проникновения (диффузии) атомов одно­го материала в другой. Удельные давления, обеспечиваю­щие межатомные связи, должны быть весьма высокими и соответствовать пределу текучести данного материала; при этом материал переходит в пластичное состояние. Необходимость получения высоких удельных давлений, сложность обеспечения плотного контакта по всей свариваемой поверхности, наличие на поверхности оксидов, адсорбированных газов и других загрязнений затрудняют осуществление холодной сварки. Поэтому сварку давлением часто осуществляют с предварительным подо­гревом, повышающим пластичность материала.

Bce методы сварки можно классифицировать: по фи­зическим признакам, по способу образования сварного соединения, виду используемой энергии, степени автома­тизации. Классификация сварки по физическим признакам является стандартной (рис. 18.28).

По виду энергии, используемой для нагрева материа­ла, все методы сварки можно разделить на шесть групп: 1) электрическая, 2) химическая, 3) механическая, 4) лу­чевая, 5) электромеханическая, 6) химико-механическая. В промышленности наиболее широкое применение получили электросварка (электродуговая, плазменная, электрошлаковая) и электромеханическая сварка (кон­тактная, диффузионная). Из химических методов наи­большее значение имеет газовая сварка. В механических способах широкое развитие получают ультразвуковая, трением и др.

B зависимости от степени автоматизации процесса различают ручную, полуавтоматическую и автоматиче­скую сварку. При сварке автоматизируются обычно про­цессы подачи присадочного материала и флюса, а также управления источником энергии. По способу образования сварного соединения все виды сварки делятся на две группы: плавлением и давлением.

Основными видами сварных соединений (рис. 18.29), применяемых при изготовлении различных конструкций, являются: а — стыковые, б — внахлестку, в — угловые, г — тавровые.

Предварительная подготовка кромок, расположение сварного шва регламентируются стандартами и зависят от материала свариваемых деталей, а также его тол­щины.

Способность материала образовывать надежное и прочное сварное соединение является одним из важных его технологических свойств, называемым сваривае­мостью. Сварные соединения должны по возможности обладать теми же свойствами, что и свариваемые мате­риалы. При сварке металлических деталей возникает не­однородность свойств металла в различных его зонах, обусловленная различием структуры и величины зерна.

Нагрев до высоких температур приводит к образованию крупнозернистой структуры в сварном шве и может вы­звать окисление, азотирование, газонасыщение, выгора­ние легирующих компонентов в металле сварного шва. Металл околошовной зоны также претерпевает струк­турные изменения.

В настоящее время сварочная техника обеспечивает сварку большинства металлов и сплавов, хотя их свари­ваемость и качество сварных соединений различны. На свариваемость стали большое влияние оказывает содер­жание углерода, марганца, хрома, молибдена, никеля. Хо­рошей свариваемостью обладают низкоуглеродистые и низколегированные стали, технически чистый алюми­ний. Низкую свариваемость имеют чугуны, высокохро­мистые стали, медно-цинковые и алюминиевые сплавы, химически активные и тугоплавкие металлы (титан, воль­фрам, ванадий, ниобий, молибден и др.). Наиболее слож­но сваривать детали из разнородных материалов. В этих случаях для получения сварных соединений высокого ка­чества необходимо применять особые технологические приемы или новые способы сварки.

Сварка плавлением

Электродуговая сварка. Внастоящее время электроду­говая сварка по сравнению с другими методами имеет наибольшее распространение. Для плавления кромок сва­риваемых деталей при электродуговой сварке исполь­зуется электрическая дуга, которая может обеспечить вы­сокую температуру (до 6000 °С) и большую силу тока в зоне разряда. Электрические параметры дуги могут изменяться в широких пределах. Применяют токи от 1 до 3000 А при напряжении 10 — 50 В. Мощность можно из­менять от 0,01 до 150 кВт, что позволяет выполнять элек­тродуговую сварку металлов с различной температурой плавления и разных толщин.

Электрическая дуга возникает между двумя электро­дами 1, один из которых, как правило, является сваривае­мой деталью 2, а второй — специальный стержень (рис. 18.30, а). Такой способ называют сваркой дугой прямого действия или зависимой дугой. Независимая электриче­ская дуга горит между двумя стержневыми электродами (рис. 18.30,6). Плавление кромок свариваемых деталей осуществляется за счет косвенного действия дуги. Этот метод менее эффективен и применяется довольно редко.

На качество сварки большое влияние оказывает ста­бильность горения дуги. Напряжение, необходимое для поддержания горения дуги, зависит от материала и раз­меров электрода, силы тока и длины дуги (l₁ и l₂). Эта зависимость выражается вольтамперной или статиче­ской характеристикой дуги (рис. 18.31).

Горению электрической дуги предшествует дуговой разряд, который возникает при напряжении 45 — 50 В для стальных электродов и 55-65 В для угольных электро­дов. После возникновения дугового разряда напряжение понижается до 18-25 В для стальных и 30-40 В для угольных электродов. Устойчивое горение дуги обеспечи­вается при силе тока, превышающей 50 А, когда напря­жение на дуге не зависит от силы тока. Для устойчивого горения дуги необходимо сохранить ее длину в пределах 0,6 — 0,8 диаметра электрода.

Для питания электрической дуги может использовать­ся постоянный или переменный ток. Устойчивость горе­ния дуги на постоянном токе выше, чем на переменном. Однако постоянный ток энергетически менее выгоден, а применяемое в этом случае оборудование более гро­моздко. Повышенный расход электрической энергии при сварке на постоянном токе увеличивает ее стоимость. Для питания дуги постоянным током используют сва­рочные генераторы и выпрямители электрического тока. Сварочные генераторы бывают однопостовые и много­постовые, стационарные и передвижные, работающие от электродвигателя или от двигателя внутреннего сгора­ния.

Электрическая дуга на переменном токе менее устой­чива из-за непрерывного изменения направления тока, в результате чего дуга может гаснуть. Стабильность дуги повышается при применении переменного тока повышен­ной частоты (150-450 Гц) или использовании специальных стабилизирующих покрытий, наносимых тон­ким слоем на электродные стержни. Такие покрытия обеспечивают ионизацию дугового столба и тем самым предотвращают угасание дуги. Электродуговая сварка на переменном токе имеет наибольшее распространение. При этом применяют сварочные трансформаторы, пони­жающие напряжение до 60—65 В. Устойчивость горения дуги и возможность саморегулирования процесса обеспе­чивается источниками электрического тока — сварочными генераторами и трансформаторами с падающей внешней вольт-амперной характеристикой (рис. 18.31, кривая а). Напряжение при таком оборудовании должно умень­шаться с повышением силы тока, а при токе короткого замыкания напряжение должно падать до нуля (рис. 18.31, точка 1). В точке 2 пересечения характеристик дуги и источника питания имеет режим, при котором горение дуги устойчивое.

Электродуговая сварка выполняется плавящимися ме­таллическими электродами (по способу Славянова) и не­плавящимися графитовыми (по способу Бенардоса) или вольфрамовыми электродами. Неплавящиеся электроды служат только для поддержания горения дуги, которая расплавляет кромки свариваемых деталей, образуя свар­ной шов. При сварке деталей больших толщин дополни­тельно применяют присадочный материал в виде прово­локи, химический состав которого должен соответство­вать составу металла свариваемых частей. Присадочная проволока расплавляется в зоне горения дуги и перехо­дит в металл сварного шва. Сварка неплавящимися гра­фитовыми электродами осуществляется только на по­стоянном токе.

Плавящиеся электроды служат для поддержания горе­ния дуги и являются дополнительным присадочным ма­териалом для образования сварного шва.

Размеры всех электродов стандартизованы. Плавя­щиеся электроды для ручной сварки изготовляют из спе­циальной сварочной проволоки, по химическому составу близкой к химическому составу металла свариваемых де­талей. Их выпускают с покрытием (обмазкой), которое служит для защиты расплавленного металла от насыще­ния его кислородом и азотом, создания устойчивости го­рения дуги, обеспечения легирования металла сварного шва и придания ему свойств, близких к основному металлу.

По толщине обмазки различают электроды с тонким и толстым покрытием. Тонкие покрытия (толщиной 015 — 0,3 мм) являются стабилизирующими. Они обычно состоят из смеси известняка и жидкого стекла. Образую­щиеся в процессе сварки ионы кальция способствуют по­вышению стабильности горения дуги. Такие электроды применяют при сварке неответственных конструкций из углеродистой стали. При сварке ответственных изделий применяют электроды с толстым покрытием толщиной 1 — 3 мм. В состав толстого покрытия входят газообра­зующие, шлакообразующие, легирующие и связующие элементы. Газообразующие элементы состоят из органи­ческих веществ — древесной муки, крахмала. Они пред­назначены для создания вокруг дуги и жидкого металла защитной среды, состоящей из оксида углерода и других продуктов распада углеводородов. Шлакообразующие элементы состоят из минеральных веществ — полевого шпата, марганцевой руды, ильменита и др., которые при плавлении электрода образуют шлаковую защиту метал­ла сварного шва. Кроме того, шлак замедляет охлажде­ние металла шва, что способствует улучшению его струк­туры. Легирующие элементы вводят в состав обмазки в виде ферросплавов (ферромарганца, ферросилиция, ферротитана, феррохрома и др.). При выплавлении они переходят в металл сварного шва и тем самым обеспечи­вают улучшение его механических свойств.

Электродуговая сварка выполняется открытой или за­щищенной дугой. Она может быть ручной, полуавтома­тической и автоматической.

При ручной сварке электрод перемещают вдоль свар­ного шва и по мере его расплавления обеспечивают по­стоянство длины дуги в процессе сварки. Качество свар­ного шва зависит от постоянства длины дуги, поэтому при ручной сварке оно неоднородно по длине шва. В этом случае трудно также осуществить защиту дуги, а сварка открытой дугой приводит к образованию окси­дов металла на поверхности, газонасыщенности, рыхлой структуре и снижению механических, свойств сварного шва. Повышение качества сварного соединения обеспечи­вается электродуговой сваркой защищенной дугой, при которой в качестве защитных сред используются флюсы или защитные газы.

Широкое применение находит автоматическая дуговая сварка под слоем флюса (рис. 18.32).

Оборудование для автоматической сварки состоит из сварочной головки, ис­точника питания и регулирования сварочного тока. Сварочная головка обеспечивает автоматическую подачу электродной проволоки в зону сварки со скоростью, под­держивающей длину дуги постоянной, а также подачу флюса в зону сварки. Сварочная автоматическая головка перемещается вдоль сварного шва (при неподвижном из­делии). Иногда используют неподвижную головку при автоматическом перемещении изделия. При автоматиче­ской сварке применяют голую плавящуюся электродную проволоку, намотанную в кассете 1. В рассматриваемом способе дуга горит под толстым слоем флюса, защи­щающем расплавленный металл от воздействия окру­жающей среды и предотвращающем его разбрызгивание, что улучшает условия формирования шва между двумя свариваемыми заготовками 4, 5. В состав флюсов входят раскислители и отдельные легирующие элементы, улуч­шающие структуру, механические свойства сварного шва. Флюс в виде гранул засыпается в зону сварки из бункера 2. Расплавляясь в процессе сварки, он равномерно покры­вает шов, образуя при остывании твердую корку шлака на его поверхности. Впоследствии шлаковая корка легко удаляется. Оставшийся после сварки сыпучий гранулиро­ванный флюс отсасывается обратно в бункер с помощью сопла 3.

Основными преимуществами автоматической элек­тродуговой сварки под флюсом являются: повышение качества шва, обеспечение однородности качества шва по его длине, повышение производительности сварки в 10—15 раз по сравнению с ручной, уменьшение расхода электроэнергии и электродной проволоки, улучшение ус­ловий труда, уменьшение выделения пыли и газов, отсут­ствие светового излучения. Но автоматическую сварку нельзя применять для вертикальных, потолочных и фа­сонных швов. Сварочные автоматы наиболее эффективно применять при производстве швов большой протяженно­сти.

Для защиты дуги и расплавленного металла от воз­действия кислорода и азота воздуха кроме флюса приме­няют защитные газы. Наибольшее применение в промы­шленности нашли аргоно-дуговая, атомно-водородная и сварка в среде углекислого газа.

К преимуществам дуговой сварки в среде защитных газов относятся: надежность защиты сварочной ванны и обеспечение высокого качества сварного соединения, отсутствие флюсов и покрытий, высокая производитель­ность процесса, широкие возможности автоматизации и механизации процесса, возможность получения сварно­го шва в различных пространственных положениях, вы­сокая степень концентрации теплоты, возможность на­блюдения за дугой, что облегчает управление процессом. Защитный газ выбирают в зависимости от химического состава свариваемого металла и его чувствительности к примесям, содержащимся в газе.

Атомно-водородная сварка. Такую сварку осущест­вляют, как правило, дугой независимого действия, горя­щей между двумя вольфрамовыми электродами 1, 5 (рис. 18.33). В зону сварки 8 по специальным каналам 3, 4 электрододержателей 2, 6 поступает водород, обладаю­щий способностью восстанавливать оксиды металлов и оказывать защитное действие. Кроме того, водород переносит теплоту от горящей дуги к свариваемому ме­таллу, благодаря чему дуга независимого действия мо­жет обеспечить высокие температуры (до 4000 °С). Водо­род в зоне горения дуги диссоциирует на атомы. Процесс диссоциации водорода протекает с поглощением боль­шого количества теплоты

Н₂à2H - Q

В месте сварки атомы водорода, соприкасаясь с более холодной поверхностью металла заготовок 7, 9, вновь соединяются в молекулы, выделяя при этом поглощен­ную теплоту.

Чистый водород взрывоопасен, поэтому при атомно-водородной сварке обычно применяют азотоводородную смесь, получаемую путем разложения аммиака при 500-600°С.

Атомно-водородная сварка обеспечивает получение плотных и прочных сварных соединений меди, нержавею­щих сталей, алюминиевых сплавов, обладающих плохой свариваемостью. При атомно-водородной сварке воз­можно применение присадочной проволоки. Для защиты дуги используют также инертные газы — аргон, гелий или их смеси.

Аргоно-дуговая сварка нашла наибольшее примене­ние для соединения деталей из высоколегированных ста­лей и сплавов на основе титана, магния, никеля, меди. Она выполняется дугой зависимого действия. В качестве электродов используют плавящиеся и неплавящиеся (во­льфрамовые) электроды. Плавящимися электродами сва­ривают детали толщиной более 3 мм. Сварку неплавящимися электродами можно выполнять с применением присадочной проволоки. Аргон подается к месту сварки под давлением 30 — 50 кПа. В некоторых случаях, напри­мер при сварке заготовок сложной формы или изготов­ленных из активных, быстроокисляющихся металлов, ис­пользуют специальные камеры, заполненные аргоном. Сварку в камерах выполняют вручную или автоматиче­ски. Аргоно-дуговую сварку выполняют также с ис­пользованием подвижных защитных микрокамер.

Сварка в среде углекислого газа осуществляется ду­гой зависимого действия с помощью плавящейся элек­тродной проволоки, которая автоматически подается в зону сварки с постоянной скоростью. Для устранения пористости сварного шва сварку производят постоянным током обратной полярности. Углекислый газ подается в зону сварки через сопло горелки из баллона. Так как углекислый газ обладает окислительным действием, в электродную проволоку вводят раскислители (кремний и марганец).

Такой способ является относительно дешевым, поэто­му получает все большее распространение. Этим мето­дом сваривают заготовки из углеродистых и низколеги­рованных сталей с прямыми и кольцевыми швами, устраняют дефекты стальных отливок. Процесс сварки может выполняться на автоматах и полуавтоматах.

Электрошлаковая сварка. Электрошлаковая сварка, разработанная НИИ электросварки им. Е. О. Патона и отмеченная золотой медалью на Всемирной выставке в Брюсселе, является разновидностью автоматической сварки под слоем флюса. В этом случае флюсы должны быть электропроводными и иметь температуру плавления на 100—120 °С выше темпера­туры плавления свариваемого ме­талла и электродной проволоки. В за­висимости от толщины свариваемых заготовок сварку выполняют одним или несколькими плавящимися го­лыми электродами.

Первоначально процесс сварки начинается с возбуждения и поддер­жания горения дуги под слоем флюса. После расплавления флюса и обра­зования достаточного количества жидкого шлака дуговой процесс пре­кращается и начинается электрошлаковый (рис. 18.34).

Кромки свариваемых заготовок 6, 7 и электроды 1 пла­вятся за счет теплоты, выделяющейся при прохождении электрического тока через цепь: электроды 1 — жидкий токопроводящий шлак 3 — жидкий металл 4 — сваривае­мые заготовки 6, 7. Количество теплоты, необходимое для протекания электрошлакового процесса, определяется по закону Джоуля — Ленца. Металл электродов, опущенных в жидкий шлак, плавится и каплями стекает в сварной шов. Проходя через шлак, металл очищается от серы, неме­таллических включений, газов, т. е. рафинируется. Полу­ченный сварной шов обладает высокими механическими свойствами, почти не отличаясь по прочности и пластич­ности от основного металла.

Сварной шов 5 формируется между двумя медными ползунами 2, 8, охлаждаемыми водой. По мере плавле­ния электроды автоматически подаются в зону сварки. Ползуны вместе с механизмом подачи электродов авто­матически перемещаются вдоль сварного шва.

Этот способ позволяет сваривать металл практически неограниченной толщины, причем заготовки толщиной до 50 — 60 мм сваривают одним электродом, а толщиной до 400 — 450 мм — несколькими электродами. С помощью электрошлаковой сварки изготовляют разнообразные крупногабаритные конструкции: станины прессов, детали прокатных станов, емкости высокого давления, а также выполняют наплавку сплавов со специальными свойства­ми. Применение электрошлаковой сварки позволяет за­менить цельнокованые и цельнолитые конструкции ана­логичными сварными, обеспечивая значительную эконо­мию расхода металла и затрачиваемых средств.

Обеспечивая высокие качество и производительность, электрошлаковая сварка считается одним из прогрес­сивных методов. Способ электрошлаковой сварки запа­тентован во многих передовых капиталистических стра­нах. Принцип электрошлаковой сварки положен в основу получения высококачественного металла в металлургиче­ских процессах электрошлаковым переплавом.

Газовая сварка.При газовой сварке для расплавления кромок свариваемых заготовок и присадочной проволоки используют теплоту, выделяемую при сгорании газа в кислороде (ацетилена, водорода, пропана, природного газа и др.). Наибольшее применение находит ацетилен, обладающий высокой теплотой сгорания и дающий наи­большую температуру пламени (3150 °С). Ацетилен мо­жет подаваться для сварки непосредственно от газогене­ратора, в котором его получают из карбида кальция, либо из баллона, где он находится в растворенном со­стоянии под давлением 1,5-1,6 МПа. Ацетилен взрыво­опасен, поэтому баллоны наполняют пористой массой (активированным углем), пропитанной ацетиленом. Да­вление ацетилена при сварке понижается до 0,01—0,15 МПа с помощью редукторов, установленных на выходе из баллона.

Кислород, используемый при сварке, транспортирует­ся в жидком виде в специальных резервуарах (танках). С помощью газификаторов кислород переводят в газо­образное состояние и по трубопроводам подают к рабоче­му месту сварщика. Кислород можно транспортировать и хранить, так же как и ацетилен, в баллонах в газо­образном состоянии под давлением 15 МПа. При сварке давление кислорода снижается до 0,3 — 0,5 МПа. Кисло­родные баллоны окрашиваются в синий, а ацетилено­вые — в белый цвет.

Для смешивания газов в заданном соотношении и получения устойчивого газового пламени применяют сва­рочную горелку, схема которой показана на рис. 18.35, а. В сварочную горелку газы подаются по шлангам. По принципу действия различают горелки инжекторные (всасывающие) — низкого давления и безинжекторные высокого давления.

Газовое пламя обеспечивает плавление металла, а также его восстановление, науглероживание или окис­ление. Получение того или иного пламени достигается за счет изменения соотношения горючего газа и кислорода в смеси.

Наиболее благоприятные условия сварки обеспечиваются при соотношении объемов кислорода и ацетиле­на, равном 1,1 — 1,2. Такое пламя называют нормальным или восстановительным. Нормальным пламенем свари­вают большинство сталей. Газовое пламя состоит из трех основных зон (рис. 18.35,6). Зона 1 — ядро, содержа­щее свободный кислород и продукты распада ацетилена. В зоне 2 содержатся продукты неполного сгорания аце­тилена, оксид углерода (СО) и водород (Н₂)

С₂Н₂ + О₂ = 2СО + Н₂

Эта зона имеет наивысшую температуру (315О°С). По­этому она называется сварочной или восстановительной. В зоне 3 происходит полное сгорание ацетилена за счет кислорода воздуха с образованием паров воды (Н₂О) и углекислого газа (СО₂). Пламя с избытком ацетилена является науглероживающим. Его применяют при сварке чугуна. В этом случае углерод, выгорающий при сварке, компенсируется за счет пламени.

Окислительное пламя (с избытком кислорода) приме­няют при сварке латуней для получения оксидных пле­нок, препятствующих испарению цинка. Содержащиеся в пламени восстановительные газы — оксид углерода (СО) и водород (Н₂) — несколько защищают металл от окисле­ния, однако при сварке активных металлов такая защита недостаточна, поэтому необходимо применять флюсы (например, при сварке алюминиевых сплавов).

Газовую сварку применяют главным образом для стыковых соединений деталей толщиной 0,2 — 5 мм, изго­товленных из стали, легкоплавких сплавов цветных ме­таллов, а для заполнения металлом сварного шва ис­пользуют дополнительно присадочную проволоку.

Газовая сварка имеет значительно меньшее распро­странение, чем электрические методы сварки, так как на­личие кислорода в пламени ухудшает механические свой­ства металла и качество сварного шва. Газовая сварка уступает другим методам и по производительности. Этот процесс трудно поддается автоматизации и выполняется в основном вручную.

Наибольшее применение газовая сварка находит при ремонтных работах, а также в местах, где отсутствуют источники электрического тока.

К специальным методам сварки плавлением относятся электронно-лучевая сварка, лазерная и плаз­менная сварка.

С развитием научно-технического прогресса найдут широкое применение и другие новые методы сварки плавлением: фотонная (от искусственного источника све­та), гелиосварка (от энергии Солнца) и т. п.