Лекция 7. Технология сварочного производства

7.1 Общие сведения

Сварка металлов процесс получения неразъемных соединений металлических изделий, осуществляемый за счет использования межмолекулярных и межатомных сил сцепления.

Для проведения этих сил в действие необходимо сблизить атомы соединяемых металлов на расстоянии порядка (2-4) 10^-8 см, т.е. примерно равные параметрам кристаллических решеток этих металлов. Процессу сближения атомов и молекул способствует нагрев свариваемых поверхностей до расплавленного или пластического состояния и приложения механического усилия.

Сварка широко применяется для соединения однородных и разнородных металлов и их сплавов, металлов с некоторыми неметаллическими материалами (керамикой, графитом, стеклом и др.), а также при изготовлении изделий из пластмасс, некоторых горных пород, смол и пр.

Современные ТМ сварки классифицируются по двум признакам:

I. По состоянию металла в процессе сварки:

1)Сварка плавлением;

2) Сварка давлением;

П.По виду энергии, используемой для нагрева свариваемых частей:

1) Электрическая:

а) дуговая;

б) контактная;

в) электрошлаковая;

г) индукционная;

д) плазменная;

2)Химическая
а) газовая;

б) термитная;

3) Механическое:

а) горновая (кузнечная);

б) холодная давлением;

в) трением;

г) взрывом;

д) ультразвуком;

4)Лучевая:

а) электронно-лучевая;

б) лазерным лучом;

в) гелиосварка (сварка солнечными лучами).

Наибольшее распространение в практике машиностроения и самолетостроения получили следующие ТМ сварки:

- электрическая;

- контактная;

- газовая.

7.2 Свариваемость металла и технологичность конструкции

Свариваемость металла совокупность технологических свойств металла, определяющих его способность обеспечить при принятом ТП экономичное и надежное в эксплуатации сварное соединение.

Соединение считается высококачественным или равнопрочным, если его механические свойства близки к механическим свойствам основного металла и в нем отсутствуют поры, шлаковые включения и раковины. Кроме того, в некоторых случаях соединение должно иметь химические и физические свойства такие же, как у основного металла.

Свариваемость это сложная характеристика, зависящая не только от свойств свариваемого металла, но и от ТП, режима сварки и свойств применяемого материала. Сварная конструкция считается технологичной, если для её изготовления могут быть
применены относительно простые и дешевые способы, которые в совокупности с
правильным выбором конструкции соединяемых заготовок позволяют механизировать и
автоматизировать изготовление и вспомогательные сварочные операции, обеспечивая
низкую себестоимость.

Технологичность можно обеспечить применением комплекса ТО, правильным выбором материала и формы свариваемых заготовок, дающих возможность применять высокопроизводительные методы сварки, а также назначать рациональные режимы проведения процесса, исключая последующие дорогостоящие и трудоемкие операции.

Технология сварки предусматривает необходимость увязки стыковочных сопряжений по размерам и толщине.

Основными типами сварных соединений являются:

1. Стыковое, С;

2. Нахлесточное, Н;

3. Тавровое, Т;

4. Угловое, У.

При сварке заготовок больших толщин необходимо обрабатывать соединяемые кромки для получения провара по всему сечению. Для чего подбирается рациональная форма кромок под сварку:

1) V- образная для s=4-16 мм;

2) U- образная для s=10-25 мм;

3) Х- образная для s=20-60 мм;

4) X - образная двухсторонняя для s>30 мм.

Техника выполнения сварных швов зависит в большей степени от их положения в пространстве и вида сварного соединения.

По положению в пространстве швы подразделяются:

-нижние, наиболее удобные для сварки;

-вертикальные;

-горизонтальные;

-потолочные, наиболее трудные для сварки.

7.3 Электрическая дуговая сварка

В зависимости от способа включения в сварочную цепь основного и присадочного металла и характера воздействия на них сварочной дуги различаются следующие основные виды электрической дуговой сварки (ЭДС):

1) Неплавящимся угольным электродом (способ Бенардоса);

2) Плавящимся металлическим электродом (способ Славянова);

3) Плавящимся металлическим электродом с использованием трехфазной дуги.
Сварка по способу Бенардоса применяется преимущественно при исправлении пороков в чугунных и бронзовых отливках и при наплавке порошкообразными твердыми сплавами быстроизнашивающихся деталей.

Способ сварки Славянова по объему промышленного применения является одним из главных в настоящее время.

Сварка трехфазной дугой по производительности в 2-3 раза превышает сварку по способу Славянова. Этот метод преимущественно используется при автоматической сварке металла большой толщины.

Сварочная дуга представляет собой мощный электрический разряд в газах, сопровождаемый выделением значительного количества тепла и света. С физической точки зрения - это сложный ионный и электронный процесс переноса электрических зарядов через ионизированный воздушный промежуток. Ионизация газового промежутка при дуговой сварке в основном обусловлена электронной эмиссий с горячего катода. Для разогрева катода между ним и анодом, подключенным к источнику сварочного тока, производится кратковременным коротким замыканием.

К основным параметрам характеризующим свойства дуги, относятся:

- напряжение, Uд;
- ток, Iсв.;

- длина дуги, lд.
Сварочная дуга состоит из трех частей:

- катодная;

- анодная;
- столб дуги.

Почти все пространство занимает столб дуги, в котором происходят процессы ионизации и перемещения заряженных частиц к катоду и аноду. Температура столба дуги достигает 6000-7000"C. Он окружен ореолом, который представляет собой раскаленную смесь паров электродного и свариваемого металлов и продуктов реакции этих паров с окружающей газовой средой.

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

При сварке переменным током используются преимущественно сварочные трансформаторы, которые применяются значительно чаще, чем источники постоянного тока.

В зависимости от назначения и технологии выполнения, а также от уровня механизации и автоматизации ЭДС можно классифицировать следующим образом:

1) Ручная дуговая сварка;

2) Автоматическая и полуавтоматическая дуговая сварка;

3) Электрошлаковая сварка;

4) Дуговая сварка в защитных газах:

а) аргонодуговая;

б) в углекислом газе.

Ручная дуговая сварка выполняется штучными электродами, которые сварщик подает к свариваемому изделию и перемещает в нужном направлении. При сварке по методу Бенардоса применяются угольные и графитовые электроды s=6-30мми 1 =200-300мм. Для сварки по методу Славянова используются металлические электроды s==1,6-12мм и 1=150-450мм Сварку в инертных газах осуществляют вольфрамовыми электродами s==1-6мм. Основными параметрами режима ручной дуговой сварки являются:

- диаметр электрода, d;

- сила сварочного тока, 1св.

Диаметр электрода выбирается в зависимости от толщины свариваемого металла, слоя (первого и последующих) шва и положения швов в пространстве.

Сила сварочного тока в основном зависит от диаметра электрода.

При автоматической дуговой сварке все основные операции процесса механизированы, а именно:

- зажигание дуги;

- подача сварочной проволоки к изделию,

- поддержание постоянной длины дуги;

- перемещение дуги по направлению сварки.

При электрошлаковой сварке основной и присадочный металлы расплавляются теплом, выделяющимся при прохождении электрического тока через расплавленный шлак.

Дуговая сварка в защитных газах применяется для защиты расплавленного металла от вредного действия кислорода и азота воздуха в зону дуги, горящей между свариваемым изделием и плавящимся или неплавящимся электродом, когда через сопло горелки непрерывно подается струя защитного газа, оттесняющего воздух от места сварки. Иногда сварка выполняется в герметичных камерах, заполненных защитным (инертным) газом.

В качестве защитных газов используется одноатомные или инертные, газы аргон и гелий, которые не взаимодействуют с расплавленным металлом, и активные газы: углекислый газ, водород, азот, пары воды, а также их смеси: аргон с кислородом, аргон с азотом или с углекислым газом, углекислый газ с кислородом и др., взаимодействующие в некоторой степени с расплавленным металлом. Наибольшее применение на практике получили аргон и углекислый газ.

7.4 Электрическая контактная сварка

Электрическая контактная сварка (ЭКС) или сварка сопротивлением основана на разогреве свариваемых изделий джоулевым теплом и механическом сжатии разогретых изделий.

Сила сварочного тока при ЭКС достигает десятков и сотен тысяч ампер. Такие токи получают в понижающих однофазных сварочных трансформаторах, имеющих на вторичной обмотке чаще всего один виток. Для регулирования сварочного тока первичную обмотку трансформатора делят на несколько секций, от которых к переключателю ступеней регулирования сделано от 4до 16 отводов.

Величина вторичного напряжения составляет 1-12 В.

Увеличивая или уменьшая количество витков первичной обмотки, включенных в сеть, изменяют вторичное напряжение, а вместе с ним и сварочный ток. Чем меньше включено в сеть витков первичной обмотки, тем больше вторичное напряжение, первичный и вторичный (сварочный) токи.

Сопротивление места сварки зависит от чистоты и состояния поверхности свариваемого материала, сопротивления самого материала, величины давления, прикладываемого к свариваемым изделиям, и от других факторов. Наибольшее сопротивление имеет место контакта свариваемых изделий, где и выделяется наибольшее количество тепла. Время сварки в зависимости от толщины и рода свариваемого материала, изменяется от сотых и тысячных долей секунды до нескольких минут. Когда детали нагреваются до пластического состояния или до оплавления, к ним прикладывается усилие осадки и детали свариваются.

Основными способами ЭКС являются:

I. Стыковая:

1)Сварка методом сопротивления;

2) Сварка методом оплавления;

II. Точечная:

1)Сварка между электродами с приложением усилия (основная); 2)Односторонняя точечная сварка:

а) одноточечная;

б) двухточечная;

в) многоточечная;

г) рельефная сварка;

III. Шовная или роликовая:

1) Непрерывная;

2) Прерывистая;

IV. Сварка аккулизлированной энергией:

1) Электростатическая или конденсаторная (основная);

2) Электромагнитная;

3) Инерционная;

4) Аккумуляторная.

7.5 Газовая сварка

Для получения сварного соединения при газовой сварке (ГС) кромки основного металла и присадочный металл нагревается до расплавленного состояния пламенем горючих газов, сжигаемых в специальных сварочных горелках в смеси с кислородом.

В качестве горючего газа наибольшее применения получил ацетилен, который при сгорании в кислороде дает температуру пламени, достаточную для сварки сталей и большинства других металлов и их сплавов. Для сварки металлов (свинца, алюминия и пр.), температуры плавления которых ниже температуры плавления стали могут быть использованы и иные газы (водород, природный газ и др.), дающие более низкую температуру пламени.

Наиболее часто ГС применяют при изготовлении листовых и трубчатых конструкций из малоуглеродистых и низкоуглеродистых сталей толщиной до 3-5мм, при исправлении дефектов в отливках из серого чугуна и бронзы, а также при производстве изделий из цветных металлов и их сплавов.

Различаются следующие способы ГС:

1) Левый для S 5 мм;

2) Правый для S> 5 мм;

3) Газопрессовая сварка.

В зависимости от соотношения кислорода и ацетилена, поступающих на горелки, различаются три основных вида ацетиленокислородиого пламени:

1) Нормальное, или восстановительное;

2) С избытком кислорода, или окислительное;

3) С избытком ацетилена, или науглероживающее.
Ацетиленокислородное пламя состоит из трех зон:

1) Ярко очерченное ядро, с температурой Т=1000°С;

2) Сварочная, Т = 3050-3150°С;

3) Факел, с температурой Т = 1200°С.

7.6 Термитная сварка

Термитами называются порошкообразные горючие смеси, состоящие из металлов (алюминия, магния или кремния ) и оксидов металлов (железа, марганца, никеля, меди и др.). При сгорании таких смесей выделяется значительное количество тепла и развивается высокая температура. Наиболее распространенными термитами являются:

- алюминиевый, температура реакции Т = 3000°С;

- магниевый, температура реакции Т 2500°С.
Сварку алюминиевым термитом выполняют следующими способами:

1) Плавлением;

2) Давлением;

3) Комбинированный метод.

Термитная сварка (ТС) плавлением применяется при ремонте поломанных литых деталей, наварка отломанных зубьев зубчатых колес и пр.

ТС давлением используется для сварки с разогревом деталей до пластического
состояния и приложением механического усилия сжатия.

Комбинированный способ ТС в настоящее время в основном применяется только при сварке трамвайных рельсов.

ТС магниевым термитом применяется для сварки стальных телеграфных и телефонных проводов воздушных линий связи.

7.7 Пайка металлов

При пайке металлов до плавления доводят только легкоплавкий присадочный металл - припой. Соединение обеспечивается за счет диффузии расплавленного припоя, проникающего в нагретые до температуры его плавления поверхностные слои основного металла.

В зависимости от температуры плавления припоя различаются следующие ТМ пайки:

1) Пайка мягкими припоями Тпл 400°С,

2)Пайка твердыми припоями Тпл= 500- 1083 С

Хорошо поддаются пайке все углеродистые и легированные стали, в том числе нержавеющие и инструментальные, твердые сплавы, серые и ковкие чугуны, большинство цветных металлов и их сплавов.

К мягким припоям относятся оловянно свинцовые припои марок ПОС -90 и ПОС- 30. Температура плавления их составляет Тпл-180-260"С. Мягкие припои обеспечивают прочность Pп= 50-70МПа.

Для защиты нагретого основного металла и расплавленного припоя от окисления, а также для растворения образующихся оксидов и растекания жидкого припоя по поверхности места спая применяются следующие флюсы: канифоль, хлористый цинк или смесь хлористого цинка с хлористым аммонием др. Мягкие припои выпускаются в виде прутков, проволоки, порошка или пасты, состоящей из порошка припоя и флюса.

К твердым припоям относятся чистая медь и сплавы меди с цинком и серебром. Наиболее часто применяются медно - цинковые припои марок ПМЦ -42, ПМЦ-47 и ПМЦ-52. Их температура плавления соответственно равна: T₁=840°C, T₂=860°C и Т₃₌885°С.

Для пайки изделий особенно ответственного назначения часто применяются медно -серебряные припои: ПСр-25, ПСр-45 с температурой плавления Тпл= 780-830⁰С. При пайке твердыми припоями предел прочности достигаетРп =400-500МПа.

В качестве флюсов используется: бура, борная кислота или их смеси, хлористый цинк и пр.

7.8 Новые способы сварки