Технологические основы процесса сварки металлов и сплавов

 

     Сварка - экономически  выгодный, высокопроизводительный  и в значительной степени механизированный  технологический процесс, широко  применяемый практически во всех  отраслях машиностроения.

 

     Физическая  сущность процесса сварки заключается  в образовании прочных связей  между атомами и молекулами  на соединяемых поверхностях  заготовок. Для образования соединений  необходимо выполнение следующих  условий: освобождение свариваемых  поверхностей от загрязнений,  оксидов и адсорбированных на  них инородных атомов; энергетическая  активация поверхностных атомов, облегчающая их взаимодействие  друг с другом; сближение свариваемых  поверхностей на расстояния, сопоставимым  с межатомным расстоянием в  свариваемых заготовках.

 

     В зависимости  от формы энергии, используемой  для образования сварного соединения, все виды сварки разделяют  на три класса: термический, термомеханический  и механический.

 

     К термическому  классу относятся виды сварки, осуществляемые плавлением с  использованием тепловой энергии  (дуговая, плазменная, электрошлаковая,  электронно-лучевая, лазерная, газовая  и др.).

 

     К термомеханическому  классу относятся виды сварки, осуществляемые с использованием  тепловой энергии и давления (контактная, диффузионная и др.).

 

     К механическому  классу относятся виды сварки, осуществляемые с использованием  механической энергии и давления (ультразвуковая, взрывом, трением,  холодная и др.).

 

 

 

 

 

7.   Электродуговая сварка.

 

7.1.   Принцип действия.

 

     Дуга - мощный  стабильный разряд электричества  в ионизированной атмосфере газов  и паров металла. Ионизация  дугового промежутка происходит  во время зажигания дуги и  непрерывно поддерживается в  процессе ее горения. Процесс  зажигания дуги в большинстве  случаев включает в себя три  этапа: короткое замыкание электрода  на заготовку, отвод электрода  на расстояние 3-6 мм и возникновение  устойчивого дугового разряда. 

 

     Короткое замыкание  выполняется для разогрева торца  электрода и заготовки в зоне  контакта с электродом. После  отвода электрода с его разогретого  торца (катода) под действием электрического  поля начинается термоэлектронная  эмиссия электронов. Столкновение  быстродвижущихся по направлению  к аноду электронов с молекулами  газов и паров металла приводит  к их ионизации. По мере разогрева  столбца дуги и повышение кинетической  энергии атомов и молекул происходит  дополнительная ионизация за  счет их соударения. Отдельные  атомы также ионизируются в  результате поглощения энергии,  выделяемой при соударении других  частиц. В результате дуговой  промежуток становится электропроводным  и через него начинается разряд  электричества. Процесс зажигания  дуги заканчивается возникновением  устойчивого дугового разряда.

 

     Источником  теплоты при дуговой сварке  служит электрическая дуга, которая  горит между электродом и заготовкой. В зависимости от материала  и числа электродов, а также  способа включения электродов  и заготовки в цепь электрического  тока различают следующие способы  дуговой сварки:

 

   а) Сварка неплавящимся (графитным или вольфрамовым) электродом, дугой прямого действия, при которой  соединение выполняется путем  расплавления только основного  металла, либо с применением  присадочного металла.

 

   б) Сварка плавящимся (металлическим) электродом, дугой  прямого действия, с одновременным  расплавлением основного металла  и электрода, который пополняет  сварочную ванну жидким металлом.

 

   в) Сварка косвенной  дугой, горящей между двумя,  как правило, неплавящимися электродами.  При этом основной металл нагревается  и расплавляется теплотой столба  дуги.

 

   г) Сварка трехфазной  дугой, при которой дуга горит  между электродами, а также  между каждым электродом и  основным металлом.

 

Питание дуги осуществляется постоянным или переменным током. При  применение постоянного тока различают  сварку на прямой и обратной полярностях. В первом случае электрод подключают к отрицательному полюсу (катод), во втором - к положительному (анод).         

 

 

7.2.   Ручная дуговая  сварка.

 

     Ручную дуговую  сварку выполняют сварочными  электродами, которые вручную  подают в дугу и перемещают  вдоль заготовки. В процессе  сварки металлическим покрытым  электродом - дуга горит между  стержнем электрода и основным  металлом. Стержень электрода плавится, и расплавленный металл каплями  стекает в металлическую ванну.  Вместе со стержнем плавится  покрытие электрода, образуя газовую  защитную атмосферу вокруг дуги  и жидкую шлаковую ванну на  поверхности расплавленного металла.  Металлическая и шлаковые ванны  вместе образуют сварочную ванну.  По мере движения дуги сварочная  ванна затвердевает и образуется  сварочный шов. Жидкий шлак  после остывания образует твердую  шлаковую корку.

 

     Электроды для  ручной сварки представляют собой  стержни с нанесенными на них  покрытиями. Стержень изготовляют  из сварочной проволоки повышенного  качества. Сварочную проволоку всех  марок в зависимости от состава  разделяют на три группы: низкоуглеродистая,  легированная и высоколегированная.

 

     Ручная сварка  удобна при выполнении коротких  и криволинейных швов в любых  пространственных положениях - нижнем, вертикальном, горизонтальном, потолочном, при наложении швов в труднодоступных  местах, а также при монтажных  работах и сборке конструкций  сложной формы. Ручная сварка  обеспечивает хорошее качество  сварных швов, но обладает более  низкой производительностью, например, по сравнению с автоматической  дуговой сваркой под флюсом.

 

     Производительность  процесса в основном определяется  сварочным током. Однако ток  при ручной сварке покрытыми  электродами ограничен, так как  повышение тока сверх рекомендованного  значения приводит к разогреву  стержня электрода, отслаиванию  покрытия, сильному разбрызгиванию  и угару расплавленного металла.  Ручную сварку постепенно заменяют  полуавтоматической в атмосфере  защитных газов. 

 

 

 

 

7.3.   Автоматическая  дуговая сварка под флюсом.

 

     Для автоматической  дуговой сварки под флюсом  используют непокрытую электродную  проволоку и флюс для защиты  дуги и сварочной ванны от  воздуха.     Подача и перемещение  электродной проволоки механизированы. Автоматизированы процессы зажигания  дуги и заварки кратера в  конце шва.

 

     В процессе  автоматической сварки под флюсом  дуга горит между проволокой  и основным металлом. Столб дуги  и металлическая ванна жидкого  металла со всех сторон плотно  закрыты слоем флюса толщиной 30 - 35 мм. Часть флюса расплавляется,  в результате чего вокруг дуги  образуется газовая полость, а  на поверхности расплавленного  металла - жидкий шлак. Для сварки  под флюсом характерно глубокое  проплавление основного металла.  Действие мощной дуги и весьма  быстрое движение электрода вдоль  заготовки обусловливают оттеснение  расплавленного металла в сторону,  противоположную направлению сварки. По мере поступательного движения  электрода происходит затвердевание  металлической и шлаковой ванн  с образованием сварного шва,  покрытого твердой шлаковой коркой. Проволоку подают в дугу и  перемещают ее вдоль шва с  помощью механизмов подачи и  перемещения. Ток к электроду  поступает через кабель.

 

     Дуговую сварку  под флюсом выполняют сварочными  автоматами, сварочными головками  или самоходными тракторами, перемещающимися  непосредственно по изделию. Назначение  сварочных автоматов - подача  электродной проволоки в дугу  и поддержание постоянного режима  сварки в течение всего процесса. Автоматическую сварку под флюсом  применяют в серийном и массовом производствах, для выполнения длинных прямолинейных и кольцевых швов в нижнем положении на металле толщиной 2 - 100 мм. Под флюсом сваривают металлы различных классов. Автоматическую сварку широко применяют при изготовлении котлов, резервуаров для хранения жидкостей и газов, корпусов судов, мостовых балок и других изделий. Она является одним из основных звеньев автоматической линий для изготовления сварных автомобильных колес и станов для производства сварных прямошовных и спиральных труб.

 

 

7.4.   Электрошлаковая  сварка и приплав.

 

     При электрошлаковой  сварке основной и электродный   металлы расплавляются теплотой, выделяющейся при прохождении  электрического тока через шлаковую  ванну. Процесс электрошлаковой  сварки  начинается с образования  шлаковой ванны в пространстве  между кромками основного металла  и формирующими устройствами (ползунами), охлаждаемые водой, подаваемой  по трубам, путем расплавления  флюса электрической дугой, возбуждаемой  между сварочной проволокой и  вводной планкой. После накопления  определенного количества жидкого  шлака дуга шунтируется шлаком  и гаснет, а подача проволоки  и подвод тока продолжаются. При  прохождении тока через расплавленный  шлак, являющийся электропроводящим  электролитом, в нем выделяется  теплота, достаточная для поддержания  высокой температуры шлака (до 2000 градусов по Цельсию) и расплавления  кромок основного металла и  электродной проволоки. Проволока  вводится в зазор и подается  в шлаковую ванну с помощью  мундштука. Проволока служит для  подвода тока и пополнения  сварочной ванны расплавленным  металлом. Как правило, электрошлаковую  сварку выполняют при вертикальном  положении свариваемых заготовок.  По мере заполнения зазора  между ними мундштук для подачи  проволоки и формирующие ползуны  передвигаются в вертикальном  направлении, оставляя после себя  затвердевший сварной шов.

 

     В начальном  и конечном участках шва образуются  дефекты. В начале шва –  непровар, кромок , в конце шва  - усадочная раковина и неметаллические  включения. Поэтому сварку начинают  на вводной, а заканчивают на  выходной планках, которые затем  удаляют газовой резкой.

 

     Шлаковая ванна  - более распределенный источник  теплоты, чем электрическая дуга. Основной металл расплавляется  одновременно по всему периметру  шлаковой ванны, что позволяет  вести сварку металла большой  толщины за один проход.

 

     Заготовки толщиной  до 150 мм можно сваривать одним  электродом, совершающим поперечные  колебания в зазоре для обеспечения  равномерного разогрева шлаковой  ванны по всей толщине. Металл  толщиной более 150 мм сваривают  тремя проволоками, а иногда  и большим числом проволок, исходя  из использования одного электрода  на 45 - 60 мм толщины металла. Специальные  автоматы обеспечивают подачу  электродных проволок и их  поперчное перемещение в зазоре.

 

     Электрошлаковая  сварка имеет ряд преимуществ  по сравнению с автоматической  сваркой под флюсом: повышенную  производительность, лучшую макроструктуру  шва и меньшие затраты на  выполнение 1 м сварного шва. 

 

     К недостаткам  электрошлаковой сварки следует  отнести образование крупного  зерна в шве и в околошовной  зоне вследствие замедленного  нагрева и охлаждения. После сварки  необходима термическая обработка  (отжиг или нормализация) для измельчения  зерна в металле сварного соединения.

 

     Электрошлаковую  сварку широко применяют в  тяжелом машиностроении для изготовления  ковано - сварных и лито - сварных  конструкций, таких, как станины  и детали мощных прессов и  станков, коленчатые валы судовых  дизелей, роторы и валы гидротурбин,  котлы высокого давления и  т. п. Толщина свариваемого  металла составляет 50 - 2000 мм.

 

 

7.5.   Сварка в среде  защитных газов.

 

     При сварке  в защитном газе электрод, зона  дуги и сварочная ванна защищены  струей защитного газа.

 

     В качестве  защитных газов применяют инертные  газы (аргон и гелий) и активные  газы (углекислый газ, азот, водород  и др.), а иногда - смеси двух  газов и более.

 

     Сварка в  среде защитных газов в зависимости  от степени механизации процессов  подачи присадочной или сварочной  проволоки и перемещения сварочной  горелки может быть ручной, полуавтоматической  и автоматической.

 

     По сравнению  с ручной сваркой покрытыми  электродами и автоматической  под флюсом сварка в защитных  газах имеет следующие преимущества: высокую степень защиты расплавленного  металла от воздействия воздуха;  отсутствие на поверхности шва  при применении аргона, оксидов  и шлаковых включений; возможность  ведения процесса во всех пространственных  положениях; возможность визуального  наблюдения за процессом формирования  шва и его регулирования; более  высокую производительность процесса, чем при ручной дуговой сварке; относительно низкую стоимость  сварки в углекислом газе.

 

     Области применения  сварки в защитных газах охватывают  широкий круг материалов и  изделий (узлы летательных аппаратов,  элементы атомных установок, корпуса  и трубопроводы химических аппаратов  и т. п.). Аргонодуговую сварку  применяют для цветных (алюминия, магния, меди) и тугоплавких (титана, ниобия, ванадия, циркония) металлов  и их сплавов, а также легированных  и высоколегированных сталей.