СВАРКА, РЕЗКА И ПАЙКА МЕТАЛЛОВ

КЛАССИФИКАЦИЯ СПОСОБОВ СВАРКИ

Современная промышленность располагает несколькими десят­ками видов и разновидностей способов сварки металлов, для изу­чения, оценки и определения рациональных областей применения которых целесообразно классифицировать их, разделив на две основные группы: ]) сварка давлением (пластическая); 2) сварка плавлением.

В первой группе весьма важную, доминирующую роль играет давление, прилагаемое к месту сварки, создающее пластическую деформацию и возбуждающее силы сцепления. Нагрев металла при

этом играет хотя и важную, но всё же подчинённую роль; в ряде случаев сварка может быть осуществлена и без применения нагрева.

Во второй группе процесс сварки основан на расплавлении ме­талла местным нагревом. Давление к месту сварки не прилагается, а если иногда и применяется, то играет второстепенную роль.

Группу способов сварки давлением можно, в свою очередь, раз­делить на три подгруппы, в зависимости от степени нагрева места сварки. Первая — холодная сварка давлением, при которой металл в зоне сварки остаётся всё время холодным, например сварка при нормальной комнатной температуре. Вторая — сварка давлением без оплавления, при которой металл не доводится до расплавления, а лишь подогревается до температуры так называемого сварочного жара, при этом несколько снижаются механическая прочность, упругие свойства и повышается пластичность. Процесс сварки дав­лением при этой температуре протекает успешно и даёт хорошие результаты. Понятие сварочный жар выработано практикой и яв­ляется довольно неопределённым. Вообще говоря, любой металл или любая пара разнородных металлов при подходящих условиях (достаточном удельном давлении и пр.) могут быть сварены и при комнатной температуре без всякого подогрева.

Переходя от принципиальной возможности сварки к достаточно удобным процессам сварки давлением, пригодным для промышлен­ного использования, следует отметить, что подогрев металла зна­чительно облегчает процесс сварки давлением и в большинстве слу­чаев является практически необходимым. При этом, чем выше тем­пература подогрева, тем лучше протекает процесс сварки, однако повышение температуры ограничивается различными дополнитель­ными соображениями.

Обычно металл нагревают до так называемых сварочных тем­ператур, т. е. температур, лежащих лишь немного ниже темпера­туры плавления металла. Дальнейшее повышение температуры не допускается, так как начавшееся плавление металла может нару­шить нормальный процесс сварки, ухудшить структуру металла и т. п. Иногда температура нагрева ограничивается невозмож­ностью дальнейшего её повышения при нагреве в разных горнах, печах и т. п.

Во многих случаях оказывается целесообразным усилить подо­грев металла в зоне сварки до оплавления. При этом расплавлен­ный металл в процессе осадки может полностью выдавливаться наружу из зоны сварки, и в соприкосновение войдут и будут свари­ваться слои металла, нагретые лишь до перехода в пластическое состояние. В этом случае при последующем металлографическом исследовании в сварном соединении литого металла не обнаружи­вается. Иногда расплавленный металл удаляется из зоны сварки осадкой не полностью или совсем не удаляется, например при то­чечной контактной электросварке. В этом случае при металлогра­фическом исследовании сварного соединения обнаруживается литой металл.

Если при подогреве металл доводится до оплавления, то сва­рочный процесс называется сваркой давлением с оплавлением.

Группа способов сварки плавлением, в свою очередь, может быть разделена на две подгруппы: 1) сварка плавлением, харак­теризующаяся расплавлением основного металла и 2) пайка, основ­ная особенность которой заключается в отсутствии плавления основного металла. Соединение осуществляется за счёт расплавле­ния легкоплавкого присадочного металла, имеющего температуру плавления ниже температуры плавления основного металла. Этот легкоплавкий металл называется припоем, а сам процесс — пайкой, которую можно считать разновидностью сварки плавлением. Од­нако провести резкую границу между собственно сваркой плавле­нием и пайкой, в особенности для цветных металлов, не всегда воз­можно.

На основании приведённых определений можно дать краткую характеристику процессам сварки давлением и сварки плавлением и отметить их некоторые особенности.

Процесс сварки давлением с нагревом слагается из двух опе­раций:

1) нагрева соединяемых частей в зоне сварки соответствующим источником тепла до необходимой температуры, чтобы на поверх­ностях соединения была достигнута температура сварочного жара;

2) осадки, состоящей в том, что к соединяемым частям прила­гается давление, вызывающее значительную пластическую дефор­мацию нагретого металла, течение которого вдоль поверхности раз­дела возбуждает силы сцепления и производит сращивание соеди­няемых частей в одно целое. Выдавливаемый нагретый металл при этом образует утолщение в зоне сварки.

Выполнение сварки давлением без оплавления не требует осо­бенно высоких температур, поэтому свариваемые изделия могуг нагреваться разнообразными источниками тепла. Металл в зоне сварки не расплавляется, поэтому его химический состав и струк­тура остаются практически неизменными или меняются сравнительно мало, вследствие чего в сварном соединении более или менее сохра­няются первоначальные механические свойства основного металла. В благоприятных случаях сварка давлением может дать совершенно однородный металл в зоне сварного соединения и место сварки не может быть обнаружено металлографическим исследованием; металл зоны сварки не отличается от основного металла по химическому составу, структуре и механическим свойствам.

Соединяемые поверхности должны быть тщательно очищены пе­ред сваркой, так как отсутствие плавления металла затрудняет уда­ление загрязнений из зоны сварки, в результате чего в процессе осадки часть загрязнений остаётся в сварном соединении и снижает его механические свойства. Иногда целесообразно применять флюсы, переводящие тугоплавкие окислы на поверхности свари­ваемых металлов в легкоплавкие шлаки, легче удаляемые в жидком виде из зоны сварки в процессе осадки.

Процесс сварки плавлением осуществляется следующим образом. Соединяемые части собираются в нужном положении, к месту со­единения подводится достаточной мощности источник тепла с вы­сокой температурой, расплавляющий металл обеих соединяемых частей. Расплавленный металл свариваемых деталей самопроиз­вольно, без внешних механических воздействий, сливается в общую сварочную ванну. По удалении источника тепла сварочная ванна, охлаждаясь, быстро затвердевает, а наплавленный металл прочно соединяет обе детали в одно целое. Расплавленный металл свароч­ной ванны весьма интенсивно отдаёт тепло в массу изделия вслед­ствие высокой теплопроводности металлов, поэтому для образова­ния сварочной ванны необходимых размеров требуется источник тепла не только достаточной мощности, но и весьма высокой тем­пературы. Опыт показывает, что для сварки плавлением таких металлов, как сталь, медь, чугун средних толщин, источник тепла должен иметь температуру не менее 3000°; при меньших темпера­турах сварка если и возможна, то даёт посредственные результаты и экономически невыгодна вследствие низкой производительности.

Такие высокие температуры в промышленном масштабе научи­лись получать относительно недавно (около 70 лет назад), поэтому все виды и разновидности сварки плавлением являются сравнитель­но новыми.

В расплавленной ванне различные загрязнения, бывшие на по­верхности металла (окислы, грязь и т. п.), имеют возможность всплыть на поверхность ванны и перейти в шлак, поэтому при свар­ке плавлением требования, предъявляемые к чистоте поверхности металла, могут быть меньше, чем при сварке давлением.

Процесс плавления металла и воздействие на ванну очень вы­сокой температуры источника нагрева вызывают резкое изменение химического состава, структуры и механических свойств металла сварного шва, по сравнению с основным металлом. Первоначальные свойства металла сварного соединения, сохраняющиеся при сварке давлением, в этом случае не сохраняются. Испаряются и выгорают составные части металла, поглощаются ванной газы из окружаю­щей атмосферы, в результате чего затвердевший металл ванны по­лучает совершенно иные состав и структуру. Изменение механиче­ских свойств часто проявляется в резком снижении пластичности металла.

Для устранения неблагоприятных последствий плавления ме­талла и воздействия на него высоких температур часто прибегают к улучшению металла шва, вводя в ванну различные присадки.

После открытия способов сварки плавлением в конце прошлого столетия особое внимание техников того времени привлекало то, что сварка плавлением выполнялась за одну операцию — нагрев; приложения же давления, т. е. операции осадки, не требовалось. Привычные старые способы сварки давлением требовали двух от­дельных операций — нагрева, а затем приложения давления в про­цессе осадки. Основное значение при этом справедливо приписыва­лось осадке.

Чтобы подчеркнуть главную отличительную особенность сварки плавлением, её назвали автогенной сваркой. Слово автогенная об­разовано из греческих корней авто и ген и может быть переведено как самовозникающая. В дальнейшем это слово в разговорной речи стало преимущественно применяться для обозначения лишь одного вида сварки плавле­нием, именно газовой сварки, и отсюда по­степенно образовал­ся своеобразный тех­нически безграмот­ный разговорный жаргоне выражения­ми вроде «он варит автогеном», «автоген­ная резка» и т. п.

Поэтому в настоящее время термин «авто­генная сварка» не рекомендуется при­менять в технической литературе.

Приведённая на фиг. 1 классификация способов сварки недостаточно удобна для дальнейшего развития и деталировки. Для практических целей гораздо удобнее другая система классификации, в основу которой положен способ нагрева металла при сварке. Классификацию по

способу нагрева можно сильно детализировать, охватив все виды и разновидности сварки, имеющие промышленное значение, если вме­сте со способами нагрева при классификации принять во внимание и некоторые другие признаки.

Основная схема классификации видов сварки по способу нагрева. металла показана на фиг. 2. В основу классификации положен вид

энергии, используемой для нагрева металла в процессе сварки. Со­ответственно этому все виды сварки разбиваются на четыре группы:

1) химическая — нагрев производится за счёт химических ре - •акций:

2) электрическая — нагрев производится электрической энергией;

3) механическая — нагрев производится за счёт механической работы, например работы сил трения;

4) холодная — нагрева не производится совсем.

Если в дальнейшем найдут применение другие виды энергии, например лучистая или световая, то могут быть соответственно вы­делены новые группы способов сварки.

В группе химических способов важнейшей будет реакция сжи­гания твёрдого, жидкого или газообразного горючего в воздухе или технически чистом кислороде. К группе химических способов может быть отнесена горновая сварка, когда нагрев места сварки осуще­ствляется в разного рода печах и горнах. Сюда же относится под­группа многочисленных способов и разновидностей газовой сварки, где нагрев производится сжиганием горючего газа в особых сва­рочных горелках. К группе химических способов принадлежит со всеми разновидностями термитная сварка, при которой источником тепла служит порошкообразная горячая смесь — термит, состоящая из частиц металла, например алюминия или магния, с большой те­плотой сгорания и окислов металла с меньшей теплотой сгорания, например железной окалины.

Использование электрической энергии для нагрева создало весь­ма обширную и разнообразную группу электрических способов сварки или электросварки, являющихся наиболее важным видом сварки металлов в современной промышленности.

Электрическая сварка разделяется на две большие подгруппы:

I) дуговая электросварка, при которой нагрев производится элек­трическим дуговым разрядом, и 2) контактная электросварка, когда нагрев производится джоулевым теплом тока, протекающего по металлу.

Объём применения и промышленное значение отдельных спосо­бов сварки различны. Из химических способов наибольшее практи­ческое значение имеет газовая сварка, а из видов газовой сварки — ацегилено-кислородная, применяющаяся почти во всех отраслях промышленности. Горновая или кузнечная сварка, являющаяся древнейшим способом, известным с незапамятных времён, заме­няется в настоящее время во многих отраслях промышленности бо­лее производительными и совершенными способами сварки. Тер­митная сварка имеет сравнительно ограниченный круг применения. В нашей практике до недавнего времени этот метод применялся почти исключительно для сварки рельсовых стыков, преиму­щественно трамвайных. С появлением нового, магниевого термита появилась новая, довольно значительная область применения тер­митной сварки — соединение стальных проводов линий телеграфной и телефонной связи.

Наиболее важным видом сварки для большинства отраслей про-

ю мышленности является электрическая луговая сварка. Этот метол, основанный на расплавлении металла электрическим дуговым раз­рядом, занимает в настоящее время первое место в нашей промыш­ленности по числу действующих установок, занятых рабочих, объ­ёму и стоимости выпускаемой продукции. Этот способ в последнее время в значительной степени механизирован и автоматизирован, всё большее значение начинает получать автоматическая дуговая электросварка. Способ дуговой электросварки весьма универсален и применим к изделиям самых разнообразных форм и размеров, но особенно выгоден он для изделий крупных размеров. Чем круп­нее размеры йзделия и больше толщина металла, тем выше пре­имущества дуговой электросварки перед другими возможными ме­тодами сварки.

Электрическая контактная сварка, после дуговой и газовой, по своему промышленному значению является в настоящее время третьим способом сварки, быстро прогрессирующим и развиваю­щимся. Развитие контактной сварки, требующей значительных элек­трических мощностей, тесно связано с усилением электрификации промышленности и переходом на массовое производство, так как этот метод сварки, по существу, является наиболее приспособлен­ным к массовому производству однотипных изделий. Процесс кон­тактной сварки значительно механизирован и легко поддаётся пол­ной автоматизации. Характерная особенность контактной сварки за­ключается в применении сравнительно Сложных специализирован­ных машин, предназначенных для выполнения определённой опе­рации.

Промышленное значение механической и холодной групп сварки пока ничтожно. Большое практическое значение имеет пайка. В дальнейшем, в соответствующих главах, приведена более деталь­ная классификация способов сварки.