Сварочные работы: учеб. пособие

§ 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.