Сварочные работы: учеб. пособие

В. А. Чебан

Ростов-на-Дону : Феникс, 2006 г.

Глава 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СВАРКЕ

§ 1 Классификация различных видов сварки

Сваркой называется процесс получения неразъемного соединения каких-либо твердых материалов путем их местного плавления или пластического деформирования, в результате чего образуются прочные связи между атомами свариваемых материалов.

Сварка металлов подразделяется на различные виды по физическим, техническим и технологическим признакам.

Классификация сварки металлов по физическим признакам

Классификация по физическим признакам осуществляется в зависимости от формы энергии, используемой для образования сварного соединения. В результате сварочные процессы подразделяются на три класса:

— термический;

— термомеханический;

— механический.

К термическому классу относятся такие разновидности сварки, которые осуществляются плавлением с использованием тепловой энергии: дугозая, электронно-лучевая, электрошлаковая, плазменная, ионно-лучевая, световая, сварка тлеющим разрядом, индукционная, термитная, газовая и литейная.

К термическому классу сварки относятся такие ее виды, которые производятся как с использованием тепловой энергии, так и с использованием давления. Сюда откосятся: контактная сварка, индукционно-прессовая, диффузионная, газопрессовая, термокомпрессиоиная, дугопрессовая, шла-кодрессовая, печная и термитно-прессовая.

К механическому классу сварки относятся разновидности, осуществляемые с использованием механической энергии и давления: холодная, ультразвуковая, взрывом, трением и магнитно-импульсная.

Классификация сварки металлов по техническим признакам

К техническим признакам относят следующее:

— способ защиты металла в зоне сварки;

— степень непрерывности процесса сварки;

— степень механизации процесса.

С точки зрения способа защиты металла различают сварку в воздухе, вакууме, различных защитных газах, под флюсом, по флюсу, в пене, с комбинированной защитой.

В качестве защитных применяют газы активные (например, углекислый газ, азот, водород, водяной пар, смеси активных газов), инертные газы (гелий, аргон, смеси аргона с гелием), а также различные смеси активных и инертных газов.

По непрерывности процесса сварки различают непрерывные и прерывистые виды; по степени механизации различают ручные, механизированные, автоматизированные и автоматические виды сварки.

§ 2. Краткая характеристика основных видов сварки

Дуговая сварка является наиболее распространенным и универсальным видом сварки. Относится к сварке плавлением. Дуговая сварка может классифицироваться по целому ряду дополнительных признаков. Подобная схема классификации приведена на рис. 1.

Плавление основного и присадочного металла производится электрической дугой, горящей между электродом и металлом, который сваривают. Расплавленный основной и присадочный металл (электрод или сварочная проволока) образуют так называемую сварочную ванну; в результате кристаллизации металла сварочной ванны образуется сварной шов.

Для защиты сварного шва от окисления применяют электроды с толстым покрытием с обмазкой, выделяющей при горении дуги жидкие шлаки и восстановительные газы (например, СО; водород).

Сварку угольными электродами с зависимой (рис. 2, б) или независимой (рис. 2, в) дугой с присадочными прутками применяют ограниченно, преимущественно для сваривания тонкостенных изделий из цветных металлов.

Более широко применяют угольные электроды для дуговой резки (особенно для резки шлифованных сталей). Автоматическая дуговая сварка под слоем флюса

Этот вид сварки применяется при больших масштабах производства для соединения деталей прямыми и круговыми швами (рис. 3). Электродом служит полая сварочная проволока 1.

Производительность данного процесса в 5—10 раз выше, чем при ручной дуговой сварке; качество сварных швов также высокое.

Сварка в защитных газах

Сварка осуществляется плавящимися (рис. 4, а) или не-плавящимися (вольфрамовыми) электродами (рис. 4, б) в струе инертных газов.

Данный способ применяют при сваривании деталей из высоколегированных сталей, титановых, никелевых, алюминиевых и магниевых сплавов. При сварке углеродистых сталей используется более дешевый углекислый газ.

Электрошлаковая сварка

В данном виде сварки плавление основного и присадочного металлов осуществляется теплом, которое выделяется при прохождении электрического тока через расплавленный шлак в течение установившегося процесса сварки.

Электрошлаковая сварка классифицируется по виду электрода, наличию колебаний электрода, количеству электродов и некоторым другим признакам.

Применяется для соединения массивных заготовок (корпусные детали крупных машин, резервуары высокого давления и т. п.).

Электронно-лучевая сварка

Этот вид сварки (рис. 5) выполняется в специальных камерах в вакууме потоком электронов, испускаемых вольфрамовой спиралью , которая питается током высокого напряжения (250 KB), поток электродов проходит через кольцевой анод 2 и фокусируется собирательными электромагнитными катушками 3. Температура в фокусе достигает 10000 °С, пятно нагрева составляет от 2—3 мм до нескольких сотых миллиметра.

Плазменно-лучевая сварка

Плазменно-лучевая сварка (рис. 6) осуществляется струей нейтрального газа (азот, аргон, гелий), ионизированного при пропускании через электрическую дугу, горящую между электродом из вольфрама 1 и медным соплом 2, которое охлаждается водой. Температура по оси струи порядка 15000-18000 *С и выше.

В плазмотронных сварочных аппаратах газ ионизируют при помощи высокочастотного электромагнитного поля; при этом струя плазмы формируется электромагнитными катушками. Температура такой струи до 40000 °С.

Плазменно-лучевой сваркой режут и сваривают наиболее тугоплавкие материалы (даже керамику).

Газовая сварка

Данный вид сварки основан на плавлении основного и присадочного металлов высокотемпературным газово-кислородным пламенем. В качестве горючего для сгорания в кислороде применяют самые разные газы: водород, ацетилен, пропан-бутановую смесь, пары бензина, пары керосина, городской газ, природный, светильный, коксовый, нефтяной и другие газы.

Ацетиленокислородная сварка (рис. 7) осуществляется в пламени инжекционной горелки.

Присадочным металлом служит проволока или прутки из металла, близкого по составу к металлу свариваемых деталей.                      

Ацетиленокисдородная сварка используется в основном для сварки деталей из углеродистых сталей в мелкосерийном производстве и в полевых условиях. Очень широко применяют ацетиленокислородную резку, которая отличается большой производительностью и более высоким качеством реза, чем электродуговая резка.

Газопрессовая сварка

Соединяемые кромки нагревают пламенем ацетилен-кислородной горелки и сдавливают при помощи специального осадочного механизма (рис. 8). Этот способ широко применяется для сваривания магистральных труб в полевых условиях. Нагрев стыка осуществляется кольцеобразно расположенными горелками.

Контактная сварка

Сварка встык сопротивлением применяется, как правило, для соединения деталей с небольшими сечениями. Торцы деталей сжимают гидравлическим прессом, затем включают электрический ток. Металл на стыке при этом доводится до пластического состояния.

Другая разновидность контактной сварки — сварка оплавлением. При этом способе стык сначала сжимают небольшим усилием, затем включают ток. В результате на стыке образуется большое число микродуг, расплавляющих металл (рис. 9, б). После оплавления стык сжимается гидравлическим прессом (рис. 9, е). Сварку оплавлением применяют для соединения деталей больших сечений, кроме того( — деталей из разнородных материалов.

Еще один вид контактной сварки — точечная сварка, подразделяемая на одноточечную, двухточечную и многоточечную.

Контактная сварка может выполняться различными видами электрического тока — постоянным, переменным, пульсирующим.

Термитная сварка

Данный способ заключается в том, что свариваемые детали помещают в огнеупорную форму, а в установленный сверху тигель засыпается термит — порошкообразная смесь алюминия с железной окалиной (железные окислы). Источником тепла служит экзотермическая реакция восстановления. При этом развивается высокая температура (более 2000 °С), образуется жидкий металл, который оплавляет кромки свариваемых изделий, заполняет зазор и образует сварочный шов (рис. 10).

Диффузионная сварка осуществляется за счет взаимной диффузии атомов контактирующих частей.

Стык свариваемых деталей 2, 4 (рис. 11) нагревают индуктором 3 и сжимают плунжером 1 в камере с глубоким вакуумом или в среде инертных газов. Для надежного соединения достаточно относительно небольшой температуры (750-800 'С),

Этим способом можно сваривать тугоплавкие жаропрочные сплавы, металлокерамику, керамику. Для сварки тонких деталей из никелевых, алюминиевых и медных сплавов, а также коррозионно-стойких сталей применяют токи радиочастотного диапазона (50—200 кГц).

Ультразвуковая сварка основана на совместном воздействии механических колебаний ультразвуковой частоты (20-30 кГц) и небольших сжимающих усилий.

Детали сжимают вибрирующим зажимом 1 (рис. 12), соединенным волноводом 2 с магнитострикционным генератором колебаний 3. Высокочастотные колебания вызывают нагрев сварного стыка и диффузионное взаимопроникновение атомов соединяемых материалов.

Сварка трением (рис. 13) осуществляется теплом, которое выделяется при вращении одной из свариваемых деталей 1 относительно неподвижной другой детали 2 под осевым усилием.

Данный способ применяется для сварки встык мелких деталей, преимущественно цилиндрической формы.

Сварка взрывом. Сварку взрывом применяют для присоединения тонких листов к массивным (например, плакирование стали медью, латунью, титановыми сплавами). На поверхность свариваемых деталей , 2 (рис. 14) укладывают слой взрывчатого вещества 3 и взрывают детонатором. Под давлением взрыва лист 2 прочно соединяется с Основным материалом.

Печная сварка применяется для соединения деталей на цилиндрических поясах (например, при соединении труб в рамных конструкциях, при соединении фланцев к трубам).

На стыке соединяемых деталей укладывают латунное или бронзовое кольцо 1 (рис. 15, а) или смазывают стык специальной пастой из порошкообразной бронзы и флюса (рис. 15, б). Подготовленные таким образом детали нагревают в электропечи до температуры 1100—1150 С. Индукционная сварка осуществляется нагревом соединяемых кромок с помощью индуктора 1 (рис. 16> а), через который пропускают ток высокой частоты (5—20 кГц). Затем кромки сжимают специальным осадочным механизмом.

При дугоконтактной сварке труб торцы труб нагревают токами противоположного направления с помощью двух индукторов 2, 3 (рис. 16, б). Под воздействием этих токов на стыке образуется быстро вращающаяся кольцевая дуга, расплавляющая металл. Соединение завершается сжатием стыка.

Индукционную сварку широко применяют при автоматизированном производстве труб (рис. 16, б). При этом скатанная в трубу заготовка пропускается через индуктор 4, который нагревает стык. Затем кромки трубы сдавливаются.

Холодная сварка основана на способности кристаллов металла срастаться при значительном давлении.

Лазерная сварка производится концентрированным световым лучом, создаваемым лазером. Температура оси луча достигает 10000 °С; пятно нагрева имеет размеры от нескольких микрон до нескольких сотых миллиметра.