Сварка в машиностроении. Справочник т. 1-4

Николаев Г.А.

Машиностроение, 1974 г.

Сварочные процессы в металле в большинстве случаев протекают при быстром изменении температуры в пределах от температуры окружающего воздуха до температуры испарения металла. В этом весьма широком температурном промежутке развиваются разнообразные физические и химические процессы — плавление основного и присадочного металлов, металлургические реакции в жидкой ванне, кристаллизация расплавленного металла, структурные и объемные изменения в металле шва и основном металле, процессы местного пластического деформирования. Для управления сварочными процессами необходимо знать, как влияют на них все определяющие параметры, в том числе изменение температуры металла во времени.

Процессы нагревания и охлаждения металла при сварке и местной термической обработке определяются воздействием высококонцентрированных источников теплоты и условиями отвода теплоты от областей действия источников. Электрическая дуга, плазменная струя, газовое пламя, электронный луч, сфокусированное световое излучение, луч лазера, электрический ток, вводимый через контактный участок поверхности изделия, и трение на контактном участке являются местными источниками; выделяемая ими теплота весьма неравномерно распределена по поверхности или объему металла. Источники теплоты, применяемые для сварки, характеризуются эффективной тепловой мощностью, распределением выделяемой теплоты по поверхности или объему изделия и изменением этого распределения во времени.

НАГРЕВ ДЕТАЛЕЙ ПРИ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СВАРКЕ

Применение ультразвука для соединения материалов основано на возбуждении в зоне контакта упругих деформаций с ультразвуковой частотой. Диапазон используемых при ультразвуковой сварке частот составляет 18—80 кГц. При этом деформации металла могут достигать значений 10~2—10~3, амплитуды смещений — десятков микрон, а амплитуды скоростей — нескольких метров в секунду. Опытные данные показывают, что источники тепла, возникающие на контактных поверхностях соединяемых материалов при ультразвуковой сварке, обусловлены работой сил трения при перемещении изделий с малой амплитудой и большой частотой относительно друг друга.

МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ реакции ПРИ СВАРКЕ

При сварке без защиты расплавляемый металл интенсивно поглощает азот и кислород из воздуха, вследствие чего сварные швы характеризуются низкими механическими свойствами (табл. 1).

Для изоляции металла от воздуха в процессе сварки применяют различные средства защиты: электродные покрытия, флюсы, защитные газы, вакуум. Однако полностью изолировать металл от воздуха обычно не удается. Даже при сварке в вакууме парциальное давление азота и кислорода в камере может оказаться достаточным для взаимодействия с металлом.

Более того, средства защиты обычно сами способны взаимодействовать с металлом. Не являются исключением и инертные газы (аргон, гелий), которые могут содержать заметные количества азота, кислорода и водорода (влаги) и вызывать при соответствующих условиях протекание реакций между газом и металлом.

Протекание реакций при сварке приводит к изменению состава переплавляемого (обычно качественного) металла и, значит, к изменению его свойств. Возможно также образование в результате реакций пор неметаллических включений и других дефектов в металле шва. Поэтому знание закономерностей металлургических реакций при сварке имеет важное практическое значение, открывая пути для прогнозирования состава, а в конечном счете, и свойств металла шва.

Выделяют две основные зоны или стадии взаимодействия расплавленного металла с газами и шлаком: торец электрода с образующимися на нем каплями и сварочную ванну. В зависимости от условий взаимодействия (температуры, времени взаимодействия, межфазной поверхности, равновесных и исходных концентраций) на этих стадиях полнота протекания реакций и даже их направление могут быть различными. Представление о роли отдельных стадий при сварке (наплавке в медную форму) на воздухе без защиты проволокой с различным содержанием углерода дают данные, приведенные в табл. 2. Окисление углерода (и марганца) на стадии ванны увеличивается с ростом содержания его в проволоке, так как, несмотря на большую скорость окисления углерода в каплях, в этом случае содержание его в металле, поступающем в ванну, оказывается заметно большим. Таким образом, с реакциями на стадии ванны приходится считаться тем в большей степени, чем в менее окислительных условиях ведется процесс сварки. Кроме реакций на стадиях капли и ванны, в случае электродных покрытий и керамических флюсов, приходится считаться также с химическими реакциями, которые протекают между компонентами покрытий и флюсов при их изготовлении и нагреве в процессе сварки (до их расплавления). Наибольшее значение имеют реакции окисления металлических присадок, вводимых в шихту покрытий (флюсов). В качестве примера приведем данные об окислении марганца по стадиям для покрытия, состоящего из 35% мрамора, 35% плавикового шпата, 17,5% порошка металлического марганца (88,99% Мп) и 12,5% сухого остатка жидкого стекла:

Стабильность процесса сварки «в щель» можно существенно повысить, если осуществлять поперечные колебания дуги за счет вращательных колебаний электрода с изогнутым рабочим участком. Амплитуда колебаний электрода в этом случае автоматически или вручную устанавливается по напряжению на дуге в крайних положениях (в «мертвых» точках колебательного цикла).

Дуга в щели горит устойчиво. При одинаковом вылете стойкость вольфрамового электрода в щели выше, чем на поверхности. При горении дуги в щели сокращаются потери энергии в окружающую среду и, таким образом, повышается эффективный КПД нагрева изделия. Для обеспечения надежного межслойного сплавления рекомендуется присадочную проволоку подавать за дугой в сварочную ванну. В качестве защитной среды применяют аргон или смесь аргона с гелием (50%).

Автоматическая дуговая сварка без разделки кромок в узкую щель обеспечивает высокие стабильные механические свойства соединений при относительно небольшой трудоемкости процесса.

Сварка плавящимся электродом. При сварке дуга горит между концом непрерывно расплавляемой проволоки и изделием. Проволока подается в зону дуги с помощью механизма со скоростью, равной средней скорости ее плавления. Это обусловливает постоянство средней длины дугового промежутка. Расплавленный металл электродной проволоки переходит в сварочную ванну и, таким образом, участвует в формировании шва. В качестве защитной среды применяют как инертные, так и активные газы, а также их смеси.

Преимущества плавящегося электрода при сварке в защитных газах следующие:

высокий удельный тепловой поток, обеспечивающий относительно узкую зону термического влияния;

возможность металлургического воздействия на металл шва за счет регулирования состава проволоки и защитного газа;

широкие возможности механизации и автоматизации процесса сварки;

высокая производительность сварочного процесса.

Перенос металла в дуге. Перенос металла через дуговой промежуток обусловливает технологические характеристики дуги. От характера переноса металла зависят стабильность горения дуги, ее тепловой баланс, металлургические реакции в зоне сварки, размеры проплавления и формирование шва.

Силы, действующие на капли электродного металла. Перенос металла через дуговой промежуток происходит в виде капель и паров. Капли формируются на конце электрода под воздействием силы тяжести, поверхностного натяжения, давления газов, образующихся внутри расплавленного металла, кинетической энергии движущихся газов, электростатических и электродинамических сил, реактивного давления паров металла, а при сварке в среде многоатомных газов под воздействием дополнительного давления в зоне активного пятна, связанного с диссоциацией молекул газа.

Основными силами, обусловливающими формирование капель электродного металла и перенос его через дуговой промежуток, являются аксиальная сила, возникающая в результате пинч-эффекта, и силы поверхностного натяжения. Сила тяжести имеет практическое значение при токе, относительно небольшом для диаметра проволоки. Расплавленный металл на конце электрода под действием поверхностного натяжения собирается в капли. По мере расплавления электрода капля растет до такого объема, когда ее вес становятся равным силе поверхностного натяжения, и капля отрывается.

СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВИДЫ СВАРКИ

СВАРКА ДАВЛЕНИЕМ

В теченне последнего десятилетия в СССР и за рубежом получили широкое развитие разнообразные способы сварки в твердой фазе: термокомпрессионная, диффузионная, трением, ультразвуковая, клинопрессовая, индукционная, холодная, взрывом, магнитно-импульсная и др. Этому способствовали, с одной стороны, разработка теоретических основ сварки в твердой фазе (1965—1972 гг.) и, с другой стороны, быстрый прогресс электронной техники, точного приборостроения и средств автоматизации.

Способами сварки в твердой фазе (рис. 1) можно соединять практически любые металлические сплавы в однородном и разнородном сочетаниях, металлы с полупроводниками и керамиками, пластмассы и т. д. Чем выше степень локализации пластической деформации в зоне соединения, тем эффективнее способы сварки в твердой фазе обеспечивают точность размеров изделий, сохранение механических и специальных свойств свариваемых материалов и тем легче они позволяют соединять хрупкие материалы, особенно в разнородных сочетаниях.

При любых способах сварки в твердом состоянии соединение образуется в результате деформационного или термодеформационного воздействия на соединяемые материалы в зоне контакта. Независимо от характера и интенсивности этого воздействия природа образования соединения едина. Различия заключаются в кинетике протекания бтдельных стадий процесса, которая определяется условиями нагрева, характером и интенсивностью деформации материалов, степенью локализации деформации и особенностями развития релаксационных процессов в приконтактной зоне.

С позиций теории твердофазных топохимических реакций процесс образования соединения при всех способах сварки в твердой фазе протекает в три основные стадии [15, 29, 9].

1. Образование физического контакта, т. е. сближение атомов соединяемых материалов на расстояние, при котором возникает физическое взаимодействие (обусловленное дисперсионными силами типа Ван-дер-Ваальса), или расстояние, при котором возможно слабое химическое взаимодействие. Это осуществляется за счет пластической деформации обоих (при соединении одноименных или близких по сопротивляемости пластическому деформированию) или более мягкого из соединяемых материалов. Расчеты кинетики стадии образования физического контакта разработаны для процессов сварки с низкоинтенсивным силовым воздействием типа термокомпрессионной и диффузионной, для которых эта стадия достаточно продолжительна. Эти расчеты основаны на анализе смятия микровыступов на поверхностях соединяемых материалов за счет ползучести с учетом степени чистоты механической обработки поверхностей и изменения истинного напряжения по мере деформации микровыступов.

2. Активация контактных поверхностей (образование активных центров). При сварке одноименных материалов активация контактных поверхностей происходит одновременно с образованием физического контакта в процессе их сближения при смятии отдельных микровыступов за счет пластической деформации. При сварке разноименных материалов на этой стадии для образования соединения необходимо дополнительное время для образования активных центров на поверхности более твердого из соединяемых материалов.

ДИФФУЗИОННАЯ СВАРКА

Особенности диффузионной сварки. Способ диффузионной сварки на современной стадии развития имеет важное народнохозяйственное значение. Он позволил решить ряд сложных технических проблем, создать новые образцы современной техники, новые сложные и точные конструкции приборов и изделий различного назначения. В то же время диффузионное соединение является экономически эффективным технологическим процессом. Он не требует дорогостоящих припоев, специальной сварочной проволоки и электродов. В большинстве случаев отпадает необходимость в последующей механической обработке, отсутствуют дополнительные потери металла, вес конструкции не увеличивается, снижаются эксплуатационные расходы. Способ диффузионного соединения обеспечивает высокое качество изделий, повышает их надежность, позволяет увеличить ресурс работы. Способ предложен, разработан и доведен до промышленного применения проф-Н. Ф. Казаковым. Диффузионная сварка — разновидность сварки давлением — происходит за счет взаимной диффузии атомов контактирующих поверхностей при относительно длительном воздействии повышенной температуры и незначительной пластической деформации. Если процесс соединения протекает при наличии жидкой фазы, тс потребность в давлении отпадает, поскольку происходит предварительное смачивание соединяемых поверхностей жидкой пленкой.

Сварку производят в специальных сварочных установках (рис. 50), Две части детали помещают в вакуумную камеру. Для защиты их от интенсивного окисления и азотирования в процессе разогрева и сварки в рабочей камере обеспечивается вакуум. Источником нагрева служит высокочастотный генератор, сжимающее усилие обеспечивается гидросистемой.

После сварки детали охлаждаются в вакуумной камере до комнатной температуры.

При этом способе сварки образование соединения зависит от температуры, давления и времени выдержки.

Температура сварки для однородных металлов, как правило, должна составлять 0,5—0,7 от температуры плавления металла или сплава, а при сварке разнородных — 0,5—0,7 от температуры плавления металлов с более низкой температурой плавления. Такая температура необходима для ускорения взаимной диффузии атомов материалов через поверхность стыка и для обеспечения некоторого размягчения металла, которое способствует более легкому протеканию деформации, смятию неровностей поверхности.

Давление служит одной главной цели — обеспечению плотного контакта поверхностей, подлежащих соединению. Величина давления должна быть достаточной, чтобы в результате деформации поверхностей соединяемых деталей все пустоты в области стыка были заполнены.