ОСНОВЫ СВАРКИ СУДОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ

РАЗНОВИДНОСТИ СПОСОБОВ СВАРКИ ДАВЛЕНИЕМ

Вес способы сварки этим методом можно разделить на две группы. В первой сварка осуществляется без предварительного подогрева сва­риваемых деталей. Здесь происходит соединение в результате пласти­ческой деформации в районе контакта, и кратковременный, относи­тельно небольшой по величине нагрев лишь сопутствует этой деформации.

Ко второй группе относятся способы, при которых объемы метал­ла в районе контакта подвергаются значительному нагреву. Для неко­торых разновидностей способов местный нагрев достигает Г (элект­рическая контактная сварка).

Способы сварки без подогрева

Холодная сварка была предложена в 1942 г. академиком К. К. Хре­новым. В этом способе в чистом виде реализуется принцип сварки давлением (рис. 2.1).

I л

При приложении давления Р на поверхности листов в месте кон­такта происходит смятие гребешков поверхности металла за счет со­вместной пластической! деформации деталей (ее величина может до­ходить до 80%). При этом происходит разрушение поверхностных окисных пленок, растет площадь чистых контактпруемых поверхнос­тей, они сближаются до величин межатомных расстояний, образуют­ся межатомные связи и создается неразъемное соединение. Способ применим для относительно «мягких» (высокопластичных) металлов, таких как медь, алюминий и их сплавы, и служит для соединения про­водов, шин и армирования деталей из одного металла другим и других надобностей.

Сварка взрывом разработана в СССР в 1946 г. академиком М. А. Лаврентьевым. При этом способе за счет сгорания заряда 2 на верхней пластине 3 образуется взрывная волна, «метающая» верхнюю пластину на нижнюю (рис. 2.2).

Энергия взрывчатого вещества (ВВ) затрачивается, с одной сторо­ны, на совместную пластическую деформацию пластин, возникающую при ударе, а с другой стороны - на воздушную струю, с большой скоро­стью истекающую из зазора при «захлопывании» деталей. При плас­тической деформации возникает нагрев металла в месте контакта, об­легчающий пластическую деформацию, которая и приводит к сближению деталей на необходимое расстояние. Воздушная струя в зазоре способствует удалению с поверхности деталей различных окпе-
ных пленок, очищая их, приводя к получению качественного соеди­нения, Технологическими параметрами способа является начальный зазор я, угол между пластинами а и величина навески ВВ Q. В каче­стве ВВ применяют специальную пластическую взрывчатку, наноси­мую слоем определенной толщины на поверхность метаемой детали. Все работы, связанные со взрывом, производят или в специальных камерах, или на полигонах. Применяется с успехом для нанесения на поверхность деталей слоев со специальными свойствами. Перспек­тивен способ для получения плакированной листовой стали (нанесе­ние на стальной лист тонкого слоя коррозионноустойчивой стали, алюминиевого или титанового сплава).

Ультразвуковая сварка разработана в 1935 г. в Германии. Детали сжимаются роликами, верхний из которых вращается и закреплен на коническом волноводе машины. Его противоположный торец соеди­нен с магнитострикционным вибратором, обмотка которого питается от генератора с частотой более 20000 Гц. При достаточной мощности генератора возникающие в контакте электрод-металл поперечные колебания ультразвуковой частоты приводят к разрушению окислов, некоторому местному повышению температуры (в месте контакта деталей отмечается температура 250...300 °С). Трение разрушает плен­ки в месте контакта, благоприятствуя сближению свариваемых дета­лей на необходимое расстояние. Этот способ сварки применяется в приборостроении для сварки малых деталей с небольшими толщина­ми (менее 0,5 мм), а также для сварки полимерных пленок и некото­рых пластмасс.

Способы сварки с подогревом

Кузнечная (горновая) сварка. Это первый вид сварки, применен­ный человеком около 3500 лет назад. При нем нагрев железных (сталь­ных) деталей производят в горне, а соединение деталей происходит при прохождении пластической деформации, вызываемой проков­кой. При правильном ведении процесса и полном вытеснении из сты­ка соединяемых деталей окислов железа, образующихся при нагреве, соединение обладает высоким качеством.

Электрическая контактная сварка. При этом способе сварки нагрев деталей в месте контакта и последующее получение соедине­ния происходит за счет выделения тепла при прохождении электри­ческого тока по цепи с различным сопротивлением в соответствии с законом Джоуля-Ленца

Q=IRt,

2 Заказ № 1398

где Q - количество выделенной теплоты, Дж; I - сила сварочного тока, A; R - сопротивление, Ом; t - время, с.

Общее (полное) сопротивление в районе сварки (рис. 2,3)

R = RU + 2К,+2К,.

где RK, R, R - соответственно сопротивление в контакте, сопротив­ление детали и сопротивление электрод-деталь.

I

Обычно самым большим электрическим сопротивлением облада­ет место контакта подлежащих сварке поверхностей деталей. Именно здесь и выделяется наибольшее количество теплоты, идущей на на­грев и расплавление металла. Нагрев в машинах для контактной свар­ки обычно осуществляется переменным током, получаемым от сило­вых понижающих трансформаторов большой мощности (есть и машины постоянного тока). Теплота, выделяемая в контактах R, бес­полезна и отводится бронзовыми водоохлаждаемыми электродами; величина этого сопротивления, как правило, невелика. Контактное сопротивление Лк, особенно в начальной стадии процесса, достаточно велико. Это объясняется тем, что контакт даже шлифованных свари­ваемых поверхностей осуществляется в отдельных точках, на малых площадках гребешков поверхности рельефа с учетом того, что любая поверхность покрыта пленкой окислов.

По мере прохождения тока уменьшается прочность металла в ме­стах контакта из-за его нагрева, приложенное давление приводит к деформированию гребешков поверхности, разрушению окненых пле­нок, увеличению площади контакта и, как следствие, к уменьшению контактного сопротивления. При температуре примерно 500 °С со­противление контакта R становится таким малым, что им можно пренебречь, и основную роль начинает играть сопротивление свари­ваемых детален R (это относится ко всем видам контактной сварки). Величина отого сопротивления изменяется с изменением температу­ры нагреваемых деталей, что следует учитывать при его расчете. Теп­лота в районе соединения распределяется в зависимости от вида кон­тактної! сварки.

На рис. 2.4 дано примерное распределение температур при точеч­ной сварке. Центральная часть нагревается до температуры плавления или выше. Она и образует литое ядро точки после застывания, Раз­меры этого ядра зависят от толщины и рода материала свариваемых деталей, диаметра электрода и режима сварки. Точечная сварка по­зволяет получить прочное нахлесточное соединение (при определен­ном количестве точек на длине соединения); однако такое соедине­ние негерметично.

Для получения прочно-плотного соединения необходимо пользо­ваться шовной контактной сваркой (рис. 2.5), Здесь в качестве элект­родов используются медные диски (ролики), закрепленные на стани­не машины. К дискам подведен ток от трансформатора машины, при сварке они вращаются. Между ними помещаются свариваемые лис­ты, диски прижимаются к ним. Сварочный ток подается импульса­ми. Время перерыва между импульсами t выбирается с таким расче­том, чтобы одна точка (ее расплавленное ядро) перекрывала другую, образуя непрерывный шов, обеспечивающий как плотность, так и прочность соединения.

а)

в)

Рис. 2.6. С хсмаїиппроиаппые циклограммы контактом старки'

а - с і ыкопая птрка. 6 — тчечпня снарк. ц в ро. шкоцля енлркл;

Iі — длн. кчше: /1|( саарочмын тк

Как при точечной, так и при шовной сварке перед началом про­цесса поверхность свариваемых деталей в месте соединения тща­тельно зачищают механическим способом или подвергают хими­ческому травлению. При назначении режимов необходимо учитывать шунтирование сварочного тока через уже сваренные точки либо места случайного касания деталей вне места сварки.

Ток шунтирования может быть определен из выражения

где / - сварочный ток, A; R - сопротивление в месте сварки, Ом; R - сопротивление шунта, Ом, Эта величина зависит от расстояния между точками и может составлять 20„.25% от сварочного тока, Режимы при точечной и шовной сварке выбирают в зависимости от рода материала и толщины свариваемых деталей. Этими видами сварки хорошо свариваются малоуглеродистые и коррозионностой­кие стали, алюминиевые и титановые сплавы в диапазоне толщин 0,5...5,0 мм. Режимы сварки подбираются опытным путем, и отдельные их параметры колеблются в пределах; сварочный ток 5...25 кА (для точечной сварки всех вышеуказанных материалов в диапазоне толщин 0,5.„3,0 мм); давление на электрод 1...8 кН; диаметр контактной повер­хности электрода 4,0...12,0 мм, длительность включения тока 0,1.„О,4 с.

Шовная сварка при прочих равных условиях имеет несколько иные параметры. Так, сила сварочного тока изменяется в преде­лах 8,..22 кА, усилие сжатия на роликах 2.„14 кН, скорость свар­ки 0,5.„2,0 м/мин, продолжительность включения тока и паузы 0,04/0,04.„0,16/0,18 с.

Сварка деталей малой толщины (< 1,0 мм) ведется при неболь­ших значениях давления Р на так называемых «жестких» режимах, что увеличивает роль контактных сопротивлений, способствует кон­центрированному выделению теплоты в контакте. Здесь особенно важ­но стабилизировать силу тока, длительность его протекания и уси­лия давления.

При сварке деталей больших толщин (> 5,0 мм), имеющих значи­тельную жесткость, необходимы высокие сварочные и ковочные уси­лия и относительно «мягкие» режимы по току. Ввиду перегрева и по­вышенного износа электродов здесь целесообразно использовать многоимпульсные режимы (чередование импульсов тока и пауз). Стыковая контактная электрическая сварка (рис, 2.7) подразде­ляется на сварку сопротивлением и сварку оплавлением, В зажимах машины устанавливаются две заготовки (как правило, имеющие се­чение тел вращения), подлежащие сварке. Левый важим машины неподвижен, правый - подвпжньпі важим - повволяет производить возвратно-поступательные перемещения. Зажимы (губки) подклю­чены к вторнчноіі обмотке сварочного трансформатора. При сварке сопротивлением цикл процесса начинается с перемещения правой заготовки до контакта со второй и создания давления с деталью ле­вого зажима. После этого включается сварочный ток. За счет повы­шенного сопротивления в контакте Rh начинается разогрев и плас­тическая деформация металла в районе контакта, Под влиянием пластической деформации при действующем в цикле давлении ме­талл деформируется, его части сближаются до расстояний, образую­щих металлические связи, часть металла вытесняется из зазора в виде так называемого грата.

При сварке оплавлением подвижный зажим машины, при вклю­чении тока, после замыкания деталей! отводится вправо с возбужде­нием дуги между деталями. После нескольких таких действий кром­ки деталей оплавляются, после чего выключается ток и дается осадка - образуется шов между деталями. Этот вид сварки целесообразно прп - менять для детален с компактным сечением, преимущественно тел вращения (трубы, прутки).

При сварке сопротивлением торцы деталей необходимо тщатель­но зачищать н подгонять. Этот вид сварки применяется для деталей из одного материала с относительно небольшим контактным сечени­ем. Сварка оплавлением имеет перед сваркой сопротивлением неко­торые преимущества, что и определяет се более широкое примене­ние. К этим преимуществам относятся:

• отсутствие тщательной предварительной механической подго­товки соединяемых поверхностей;

• возможность сварки развитых сечений;

• возможность сварки разнородных материалов;

• высокая прочность сварного соединения;

• увеличенная производительность.

К общим достоинствам электрической контактной сварки относят­ся: высокая производительность и возможность широкой автоматиза­ции процесса при серийном и массовом производстве; весьма широкий спектр свариваемых материалов: малоуглеродистые, нержавеющие аус - тенитные стали, алюминиевые сплавы, медные и титановые сплавы. В судостроении стыковая контактная сварка применяется для: сварки инструмента, стальных труб судовых систем (диаметр 10,0...76,0 мм при толщине стенки 3,0...5,0 мм); приварки фланцев и наконечников к тру­бам; сварки встык полособульбов; сварки оплавлением при изготовле­нии отдельных звеньев якорных цепей.

Точечная п шовная сварки производятся на специальных маши­нах. Серийно выпускаемые машины имеют относительно небольшой вылет (400...600 мм), что объясняется большой потерей мощности в связи с увеличением индуктивного сопротивления вторичного кон­тура. Это обстоятельство затрудняет сварку крупногабаритных кон­струкций; для них применяются переносные машины типа клещей. Такие аппараты можно использовать для сварки стальных переборок и выгородок, находящихся внутри корпуса судна,

В судостроении применяют клеесварные точечные соединения. В этом случае на предварительно очищенные поверхности наносят слой клея (грунтовка) толщиной 0,3...0,5 мм и не позднее чем через час детали сваривают точечной сваркой. Применяют специальный клей, например КС-609. Через 3...4 часа после сварки происходит полимеризация (отвердевание) клеевой прослойки, обеспечивающая получение герметичного соединения, в то время как обычное точеч­ное соединение герметичности не дает.

Стационарные машины для контактной сварки состоят (незави­симо от марки) обычно из двух частей:

• механической (корпус, станина), служащей для размещения узлов (зажимного устройства, устройства для создания сва­рочного давления н т. д.);

• злектрическоіі, включающей силової! сварочный трансформа­тор, регулятор сварочного тока, реле времени, выключателя тока и т. д.

На точечных и шовных машинах зажим деталей осуществляется механизмом сжатия деталей; зажимное устройство стыковых машин состоит из губок и механизма зажима. Механизм зажима может быть механическим (винтовым, эксцентриковым), пневматическим или гидравлическим. Механизм сжатия обеспечивает необходимый кон­такт между свариваемыми деталями, что необходимо для протека­ния тока и сдавливания деталей в завершающей стадии процесса. Этот механизм может быть рычажный (педальный), на более мощных ма­шинах - пневматический, гидравлический или пневмогидравличес­ки й.

В качестве силовых трансформаторов контактных машин исполь­зуются однофазные понижающие трансформаторы с переменным на­пряжением 220 и 380 В. Вторичная обмотка такого трансформатора обычно состоит и. з одного (двух) витков с напряжением холостого хода

1.. .12 В. Сила тока вторичной цепи достигает десятка тысяч ампер. В мощных современных машинах применяются трехфазные трансфор­маторы; сила тока во вторичной цепи в этом случае достигает сотен тысяч ампер. Трансформаторы контактных машин работают в режиме чередования периода нагрузки с паузами (цикл повторно-кратковре­менного режима). Продолжительность включения (ИВ) для стыковых и точечных машин должна быть не менее 20%, для шовных - не менее 40%. Мощность серийных контактных машин при ПВ до 25% составля­ет 5...150 кВт; в специализированных машинах для сварки больших сечений доходит до 300.„400 кВт,

Диффузионная сварка (1953 г., профессор Н. Ф. Казаков) выпол­няется в специальной установке (рис. 2.8), в объеме которой поддер­живается вакуум = 1,33 10 - Па. Детали, подлежащие сварке, заранее загружаются в установку, затем создается вакуум. Детали нагрева­ются индуктором (температура нагрева зависит от материала свари­ваемых деталей) и обжимаются при помощи устройства. Время вы­держки при данной температуре обычно составляет 3...6 мин, давление находится в пределах 2.„40 МПа. При нагреве в вакууме металл прак­тически не окисляется; при сжатии нагретого металла за счет пластп-

ческой деформации происходит деформация поверхностного релье­фа на плоскостях контакта, высокая температура и относительно дли­тельная выдержка приводят к развитию диффузионных процессов между двумя деталями, растворению и коагуляции неметалличес­ких включений. Незначительная величина пластической деформа­ции в контакте позволяет получать сварные узлы высокой точности. Эта разновидность сварки позволяет сваривать стали всех классов со многими цветными и химически активными металлами. Находит применение в машиностроении и энергомашиностроении для сварки арматуры, деталей двигателей и турбин в приборостроении и других областях.

При сварке трением (СССР, 1956 г.) механическая энергия за счет трения между торцами неподвижной и вращающейся деталей (рис. 2.9) превращается в теплоту, которая и разогревает металл до температуры сварки, после чего выключается вращение и дается осадка.

Отим способом хорошо свариваются дота. пі, имеющие форму тел вращения и, і era. їм, стали с алюминием и медью. Часто применяется в инструментальном производстве.