СВАРОЧНЫЕ РАБОТЫ

ВИДЫ СВАРКИ

Напомним, что получение неразъемного соединения твердых материалов в процессе их местного плавления или пластического деформирования называется сваркой. Метал­лы и сплавы, как уже было сказано, являются твердыми крис­таллическими телами, состоящими из кристаллитов, между которыми существуют межатомные и межмолекулярные силы взаимодействия. При обычных условиях между силами отталкивания и притяжения наблюдается равновесие. Под воздействием энергии, направленной извне (это энергия ак­тивации), оно нарушается. В зависимости оттого, как именно активируются межатомные связи для формирования неразъ­емного соединения, сварка подразделяется на:

— сварку плавлением. В соответствии со способом на­грева электросварка плавлением представлена таким вида­ми, какэлектродуговая, элентрошлаковая, электроконтактная, электронно-лучевая. При этом жидкий металл расплавленных кромок перемешивается с образованием общего объема (сва­рочной ванны), из которого образуется металл шва. Это проис­ходит и в результате использования присадочного металла. Ис­точники локального нагрева бывают различными. Например, это могут быть электрическая дуга, плазма, горелка, энергия электронного или плазменного излучения, печь и др.;

— сварку давлением, при которой сварное соедине­ние образуется благодаря исключительно деформированию свариваемых частей (в некоторых случаях нагрузка может сочетаться с местным нагреванием). Это возможно за счет применения статической или ударной нагрузки, например при сварке взрывом, ультразвуком или в процессе холодной сварки. В ходе пластической деформации на участке свари­ваемых кромок (он называется зоной соединения) возникает трение, которое способствует формированию межатомных связей между частями.

Для соединения двух металлов в единое целое необхо­димо, чтобы расстояние между их атомами сократилось на­столько, чтобы силы взаимного притяжения начали активизи­роваться. Это достижимо при условии, что промежуток между атомами составляет 4 * 10-8 см, что возможно, если:

— не нагревая детали, сжать их с приложением больших усилий, что характерно исключительно для пластичных метал­лов, например для алюминия;

— одновременно нагреть и сжать детали, прикладывая умеренное усилие;

— в зоне соединения нагреть детали до расплавления, не прибегая к сжатию, что и происходит при сварке металлов и сплавов.

В соответствии с этим сварка металлов классифицирует­ся на основе различных признаков:

— физических;

— технических;

— технологических.

В основе классификации по физическим признакам лежит форма энергии, которая применяется для создания сварного соединения. Согласно ГОСТу 19521-74 выделяют 3 класса сварочных процессов:

1. Термический, при котором в зоне сварки под воздей­ствием тепловой энергии рабочие части металла соединяют­ся посредством плавления. Сюда входят следующие разно­видности сварки:

а) дуговая. Этот вид сварки классифицируется по различ­ным признакам (Ручная дуговая сварка. М.: Высшая школа, 1981), представленным на рис. 1.

С применением электродуговой сварки осуществляется примерно 65% сварочных работ, при которых могут использо­ваться как плавящиеся (металлические), так и неплавящиеся (угольные) электроды (рис. 2). Первый способ был разработан

Н. Г. Славяновым, а второй — Н. Н. Бенардосом.

Участок на границе расплавленной кромки называет­ся зоной плавления. Ее ширина измеряется микрометрами, но несмотря на такие размеры прочность сварного соедине­ния во многом зависит от нее.

По Славянову, кромки и электрод под воздействием сва­рочной дуги расплавляются одновременно. Образующаяся при этом сварочная ванна заполняет зазор между соеди­няемыми деталями, а после кристаллизации превращается в сварной шов. Чтобы улучшить качество наплавляемого ме­талла, на электрод наносится особое покрытие, которое, рас­плавившись, превращается в слой шлака, покрывающий жид­кий металл. В результате этого, во-первых, в шлак переходят вредные примеси, присутствующие в расплавленном метал­ле, а во-вторых, шлак защищает сварочную ванну от проник­новения в нее кислорода и азота из атмосферного воздуха.

К электроду, зафиксированному в электродержателе, ток (при этом способе дуговой сварки он может быть как пос­тоянным, так и переменным) поступает по электрическому проводу, а к деталям — через второй провод, закрепленный зажимом.

В методе, разработанном Бенардосом, используется неплавящийся электрод, сварочная ванная создается за счет металлического прутка, расплавляющегося под воздействи­ем сварочной дуги. В отличие от первого способа здесь ис­пользуется постоянный ток. При сварке стали он не всегда дает результат нужного качества, поэтому в основном нахо­дит применение при сварке алюминия, меди, тонколистовой стали и наплавке твердых сплавов;

б) электронно-лучевая. Для ее осуществления необходи­ма особая камера, в которой создается вакуум. Кромки сва­риваемых деталей расплавляются сфокусированным пучком электронов, которые ударяются в так называемое пятно на­грева, в результате чего кинетическая энергия их торможе­ния переходит в теплоту. При этом температура в фокусе до­стигает 10 000° С;

в) электрошлаковая, при которой основной и присадоч­ный материалы расплавляются теплом, которое выделяется при пропускании электрического тока через расплавленный шлак на протяжении всего процесса. Этот вид сварки разли­чается по виду и количеству электродов, наличию его колеба­ний и т. д. Данный способ используется для сварки крупнога­баритных заготовок;

г) плазменная. При сварке в столб дуги постоянно посту­пает неионизированный газ. Под ее воздействием он после­довательно нагревается, ионизируется и трансформируется в плазменную струю, которая уплотняется вихревым потоком газа. Образуется источник тепловой энергии, концентрация которого такова, что достаточна для сваривания металла;

д) световая, при которой сваривание деталей (металлов и отдельных неметаллических материалов) обеспечивает концентрированный луч — монохроматический (при лазер­ной сварке), солнечный (при гелиосварке) или искусственный полихроматический;

е) индукционная, при которой металл, нагретый токами высокой частоты, сдавливается. Данный способ практикуется при сварке труб;

ж) термитная. Для ее осуществления свариваемые части кладут в огнеупорную форму, на них ставят тигель, в который помещают термит (порошок из смеси алюминия с железной окалиной). В процессе реакции восстановления выделяется большое количество тепла (реакция относится к экзотерми­ческим), а температура металла достигает 2000° С. В резуль­тате этого жидкий металл оплавляет кромки частей и затека­ет в промежуток между ними. Кристаллизовавшись, он дает сварочный шов;

з) газовая, основанная на том, что основной и присадоч­ный металлы свариваются с помощью высокотемпературного газокислородного пламени. Для этой цели используются раз­личные газы — ацетилен, природный газ, водород и др. Чаще всего применяется ацетиленокислородная сварка, в которой используется пламя инжекционной горелки. Роль присадоч­ного материала играют прутки или проволока из металла, схожего по составу с основным. По качеству этот вид сварки уступает электродуговой;

и) литейная. Этим способом сваривают изделия из благо­родных металлов и пр. В современном производстве к такому виду сварки прибегают редко — только для исправления чу­гунных отливок. Суть сварки состоит в следующем: зону свар­ки заливают расплавленным в тигле металлом, после чего формуют шов.

2. Термомеханический, который включает сварку и с ис­пользованием тепловой энергии, и с применением давления. Это такие виды сварки, как:

а) контактная, осуществляемая тремя способами, напри­мер встык, что практикуется для соединения частей с малыми сечениями. Сначала гидравлический пресс сжимает кромки, потом с помощью электрического тока металл на кромках на­гревается до пластического состояния и сваривается:

б) индукционно-прессовая, при которой под воздействи­ем токов высокой частоты соединяемые части или детали, расположенные под определенным углом друг к другу и кон­тактирующие на участке сварки, нагреваются, расплавляют­ся, стягиваются обжимными роликами и осаживаются. Ре­зультат — прочное соединение;

в) диффузионная, основанная на способности атомов контактирующий деталей к диффузии. Их устанавливают встык, нагревают с помощью индуктора и сжимают. Процесс проходит либо в вакууме, либо в газовой среде (для этого ис­пользуются инертные газы). При этом способе достаточно довести температуру до 750-800° С;

г) газопрессовая, при которой кромки свариваемых час­тей нагревают с помощью ацетиленокислородной горелки и сжимают, применяя специальный осадочный механизм;

д) термокомпрессионная, для осуществления которой необходимость расплавления материалов отсутствует. Ком­понент, например проволочные выводы, и подложку покры­вают ковким материалом (золотом), нагревают до 300° С и сжимают примерно на полсекунды. В результате образуется соединение по типу диффузной сварки;

е) дугопрессовая, которая находит применение при необ­ходимости присоединить к пластине детали вроде болтов или шпилек. Когда шпилька или болт отводится от пластины, между ними возникает дуговой разряд, из-за которого температура их торцов и металла пластины повышается, они нагреваются и расплавляются. В тот момент, когда при отключенном токе шпилька или болт ударяются о пластину, они свариваются;

ж) печная, практикующаяся, например, для приварива­ния фланцев к трубам. Для этого стыки покрывают специаль­ным составом (вставка между ними латунного или бронзово­го кольца — еще один вариант). В таком виде все помещают в электропечь, в которой при температуре 1100-1500° С происходит сваривание;

и) термитно-прессовая, при которой соединяемые части или детали нагревают газовым пламенем и сжимают.

3. Механический, в него входят виды сварки, для осу­ществления которых используется комбинация механиче­ской энергии и давления. Эту группу составляют следующие виды сварки:

а) холодная, в основе которой лежит способность крис­таллитов металла срастаться под воздействием высокого давления. Таким способом соединяют исключительно плас­тичные материалы, такие как алюминий, свинец и др.;

б) ультразвуковая, при которой свариваемые части сбли­жают и стягивают вибрирующим зажимом, через который по­ступают высокочастотные колебания от магнитострикционно - го генератора. Благодаря колебаниям состыкованные части нагреваются, после чего свариваются в процессе диффузии атомов контактирующих материалов;

в) магнитно-импульсная, для проведения которой под воздействием импульсного тока индуктора и наведенных им вихревыми токами в соединяемых частях, деталях и ином свариваемые поверхности соударяются;

г) сварка взрывом, которая используется для соедине­ния тонких листов с более массивными (процесс называется «плакирование»), например стали с латунью. Детали уклады­вают друг на друга, на поверхность помещают взрывчатое ве­щество, которое при детонировании взрывается и соединяет их в результате соударения;

д) сварка трением, практикуемая для соединения мелких деталей, одна из которых неподвижна, а другая вращается во­круг нее (или они вращаются в разные стороны). При трении выделяется тепло, которое нагревает и сваривает детали.

Техническими признаками, на которые опирается клас­сификация сварки металлов, являются:

— способы защиты металла на участке сварки. Среди ис­пользуемых представлена сварка в вакууме, защитных газах (в углекислом газе, водяных парах, инертных газах и др.), воз­духе, пене, по флюсу и под ним. Кроме того, возможно комби­нирование способов;

— степень непрерывности сварочных работ. По этому признаку различаются как прерывистые, так и непрерывные способы сварки;

— наличие механизации процесса сварки. Сюда входят ручные, автоматизированные, механизированные и автома­тические способы сварки.

О технологических признаках следует сказать, что для каждого вида сварки они разрабатываются отдельно.