Основы технологии сварочного производства

 

 

3 ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ СВАРОЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА

 

Сваркой называют технологический процесс получения неразъёмного соединения различных материалов. Сварку применяют для соединения однородных и разнородных металлов и сплавов, металлов с неметаллическими материалами (керамикой, стеклом, графитом и др.), а также пластмасс. Физическая сущность процесса сварки заключается в установлении прочных межатомных или межмолекулярных связей поверхностных слоев соединяемых заготовок. Для образования соединения необходимо выполнение следующих условий: очистка свариваемых поверхностей от загрязнений, окислов, инородных атомов; активизация поверхностных и приповерхностных атомов; сближение соединяемых поверхностей на расстояние межатомного (межмолекулярного) взаимодействия. Указанные условия реализуются различными способами сварки путём энергетического воздействия на материал в зоне соединения. Энергия может вводится в виде теплоты при местном или общем нагреве; или пластической деформации; или совместным действием того и другого.

В зависимости от состояния материалов в момент образования сварного соединения все многообразие способов сварки можно разделить на 2 группы: сварку в жидком и сварку в твердом состоянии, то есть сварку плавлением и сварку давлением.

 Сварка  плавлением. Процесс образования  сварного соединения плавлением  протекает в 2 стадии: расплавление  соединяемых поверхностей материалов и образование общей ванны жидкого металла; затвердевание этого общего объёма металла, образование сварного шва.

Сварка давлением. Для сварки давлением также характерны 2 стадии: сближение соединяемых поверхностей до образования физического контакта; появление участков межатомного взаимодействия с установлением металлической связи под действием пластической деформации.

 

4 Процессы формирования неразъемных соединений

 

В результате всех видов сварки образуется сварное соединение.

Существует 3 типа сварных соединений :

Рисунок. 1- Типы сварных соединений

1. Стыковое соединение - соединение торцов свариваемых деталей;
2. Соединение внахлёстку - соединение боковых поверхностей свариваемых деталей;
3. Тавровое соединение - соединение торца одной детали с боковой поверхностью другой детали.

При сварке плавлением при стыковом соединении в зависимости от толщины свариваемых деталей торцы получают соответствующую обработку. При толщине менее 5 мм торцы не обрабатывают. При толщине более 5 мм требуется специальная подготовка кромок, так называемая разделка фасок. При толщине 6-20 мм применяют V-образный шов. При 12-50 мм - Х-образный шов. При толщине более 20 мм  используют U-образный  шов.

5 Способы дуговой сварки       

Дуговая сварка - процесс соединения металлических деталей с использованием в качестве источника теплоты электрической дуги. Дуга - мощный стабильный электрический разряд в ионизированной газовой атмосфере.

Процесс зажигание дуги включает 3 этапа:

1. короткое замыкание электрода (7) на заготовку (2);        
2. отвод электрода на расстояние 3-6 мм, начало эмиссии (излучение) электронов электрода (3), их столкновение с молекулами газов атмосферы (4) - начало их ионизации;
3. устойчивое горение дуги (6).

 

Рисунок 2- Схема процессов зажигания дуги 1 - электрод; 2 - заготовка; 3 - электроны; 4 - ионизированные молекулы газа (и паров металла); 5 - катодное пятно; 6 - дуга; 7 - анодное пятно.

Различают следующие схемы дуговой сварки:

1. Сварка неплавящимся электродом. Дуга возбуждается между электродом (7) (угольным или вольфрамовым) и изделием (3). Сварку осуществляют с плавлением основного и присадочного металлов (4).

2. Сварка плавящимся электродом. Дуга прямого действия - между электродом (7) и изделием (3). Сварочную ванну образуют металлы электрода и изделия.

3. Сварка косвенной дугой. Дуга горит между двумя неплавящимися электродами (7); соединение осуществляется основным металлом деталей (3).

4. Сварка трехфазной дугой. Дуга горит между электродами (7) и изделием (5), соединяемого основным металлом.

В промышленности наиболее распространены следующие способы дуговой сварки:

• Ручная металлическими электродами со специальными покрытиями;
• автоматическая под флюсами;
• в защитных газах;

Ручная дуговая сварка выполняется сварочными плавящимися электродами, которые вручную подают в дугу и перемещают вдоль заготовок. Электроды представляют собой стержни с нанесёнными на них покрытиями. Стержень изготавливают из стальной сварочной проволоки диаметром 0,2-12 мм (низкоуглеродистая, легированная, высоколегированная). Покрытие (флюс) образует при сварочной температуре жидкий шлак, который обеспечивает защиту сварочной ванны от вредного воздействия окружающей атмосферы. Затвердевший металл шва более качественный, чем при сварки без флюса, шов имеет высокие механические и эксплуатационные свойства. Затвердевшую шлаковую корку, после сварки, механическим способом удаляют.

При автоматической дуговой сварке под флюсом используют непокрытую проволоку, подача которой механизирована, и флюс для защиты дуги и сварочной ванны от воздуха. Флюс в больших количествах и значительной толщины является более надёжной зашитой, что позволяет получить металл шва более высокого качества, чем при ручной сварке. Флюс в процессе сварки частично расплавляется переходя в шлак, другая часть остаётся неиспользованной, собирается и может быть использована повторно в дальнейшем.

 Дуговую сварку в атмосфере  защитных газов ещё называют  газоэлектрической сваркой, при  этом способе дуга и сварочная  ванна защищены струёй газа. Газ падают через приспособление (специальную водоохлаждаемую сварочную горелку), в центре которой помещается электрод. В качестве защитных газов применяют инертные газы (аргон, гелий) и активные газы (углекислый газ, азот, водород), а также смеси этих газов. В отечественном машиностроении наиболее применяемы аргон и углекислый газ.

 

6 Способы сварки плавлением

 

Плазменная сварка - процесс сварки плавлением, при котором соединение деталей осуществляется при нагреве плазменной струёй. Плазменная струя - это направленный поток ионизированных частиц газа, имеющий температуру 10000-30000 °С .

Плазму получают пропуская поток газа через столб электрической дуги. Дугу можно создать как между электродом и деталью - горелка прямого действия, так и между электродом и соплом водоохлаждаемой горелки - горелка косвенного действия (рис.3). В качестве плазмообразующего газа используют аргон, водород и азот.

 

Рисунок 3- Дуговые плазменные горелки а - прямого действия; б - косвенного действия: 1 - вольфрамовый электрод; 2 - дуга; 3 - сопло горелки; 4 - канал сопла; 5 - изделие (заготовка); 6 - плазменная струя.

Газовая сварка - процесс сварки плавлением, при котором место соединения нагревают до расплавления газовым пламенем. Сварочную ванну образуют металлы соединяемых заготовок и присадочный материал, который вводят в пламя газовой горелки извне. Газовое пламя получают при сгорании горючего газа в атмосфере технически чистого кислорода. В качестве горючего газа наиболее широко применяют ацетилен (С2Н2), так как он обеспечивает получения пламени с более высокой температурой горения - 3200°С .

Ацетилен используются в стальных баллонах, окрашенных в белый цвет с красной надписью "Ацетилен", газ находится в них под давлением 1,5 МПа. Кислород используют в баллонах ёмкостью 40 л, окрашенных в голубой цвет с черной надписью "Кислород", газ находится под давлением 15 МПа, в свободном состояние это составляет 6000 л кислорода. Совокупность ацетиленого и кислородного баллонов с горелкой или резаком составляют оборудование газосварочного поста (рис. 4).

К другим разновидностям сварки плавлением относят высокоэнергетические способы сварки, такие как электронно-лучевая сварка и сварка лазером.

Рисунок 4- Оборудование сварочного поста а - схема газосварочного поста с питанием от баллонов; 1 - шланг подачи ацетилена; 2 - редуктор ацетиленовый; 3 - редуктор кислородный; 4 - шланг подачи кислорода; 5 - сварочная горелка; б - схема инжекторной горелки

7 Способы сварки давлением

Контактная сварка - это процесс сварки давлением, заключающийся в совместном термическом и деформационном воздействии на соединяемые детали. Совместное графическое изображение тока и давления, изменяющихся в процессе сварки, называют циклограммой сварки.

Существуют следующие виды контактной сварки:

1. Стыковая сварка сопротивлением является видом контактной сварки, при которой детали соединяются по всей поверхности соприкосновения.

 

 

Рисунок 5- Принципиальная схема контактной сварки Rja, - сопротивление заготовок; RK - сопротивление сварочного контакта; R„ - сопротивление между электродами и заготовками.

Детали, зажатые в электродах сварочной машины, сжимают для обеспечения физического контакта свариваемых поверхностей. Затем включают ток, металл разогревают до пластического состояния, далее его деформируют до образования неразъёмного соединения.

2. При стыковой сварке оплавлением  детали сближают с одновременным  включением тока. В момент сближения  торцов начинается процесс расплавления  единичных выступов. По мере продолжающегося  сближения деталей число контактов непрерывно растет и расплавленный металл вместе с окислами и другими загрязнениями выжимается из стыка, образуя грат, а поверхности деталей образуют сварное соединение.  

3. Точечная сварка – это вид контактной сварки, при которой детали соединяют в отдельных точках. При точечной сварке детали соединяют внахлест и зажимают с усилием между двумя медными электродами, через которые подводят ток к месту сварки (рис.6). Контактное сопротивление между деталями больше, чем между деталями и медным электродом, поэтому зона контакта нагревается быстрее, именно там происходит сварка.

Рисунок 6- Схема образования точечного соединения 1 - соединяемые детали; 2-медные электроды; 3 - ядро контакта.

4. Шовная сварка - это модернизированный вид точечной сварки. Так же как при точечной сварке, детали соединяют внахлёстку, так же зажимают между медными электродами, только электроды выполнены в виде роликов. При отсутствии вращения электродов роликов при пропускании тока образуется сварная точка. Если роликам сообщить вращательное движение с одновременным пропусканием тока, то получают перекрывающие друг друга сварные точки, образующие сплошной герметичный шов.

5. Сварка запасённой энергией - это вид контактной сварки, при  которой используется энергия, запасенная  в соответствующем аккумулирующем  устройстве. Наиболее широкое применение  получила конденсаторная сварка. При конденсаторной сварке энергия  от питающей электрической сети  накапливается в батарее конденсаторов, а затем весь запас мгновенно  расходуется на сварку деталей.

 

Рисунок 7- Схемы конденсаторной сварки а - с разрядом на изделие; б - с разрядом на первичную обмотку сварочного трансформатора С - батарея конденсатора; В - выпрямитель; Π - переключатель 1 - пружина; 2 и 3 - соединяемые детали; 4 - защелка; 5 – направляющие

 

6. Сварка по методу Игнатьева - это вид контактной сварки, при  которой электрический ток протекает  параллельно плоскости соединения.

Рисунок 8- Схема контактной сварки по методу Игнатьева 1 - пуансон; 2 - электрод; 3 и 4~ соединяемые детали; 5 - изолирующие прокладки.

Электроток подводят к одной из деталей, равномерно нагревая её, при этом от неё нагревается и соединяемая деталь. Когда необходимая для сварки температура достигнута, детали сжимают, они образуют неразъёмное соединение.

Другие способы сварки давлением. Газопрессовая сварка - это процесс сварки давлением, при котором нагрев деталей осуществляется многопламенной газовой горелкой с одновременным сжатием соединяемых деталей.

Рисунок 9- Установка для газопрессовой сварки: 1 - неподвижный захват; 2 - многопламенная горелка; 3 - подвижный захват; 4 - свариваемое изделие; 5 – пневмоцилиндр.

Диффузионная сварка - это процесс сварки давлением, при котором соединение образуется в результате взаимной диффузии атомов поверхностных слоев соединяемых деталей, находящихся в твердом состоянии.

Рисунок 10- Схема процесса диффузионной сварки 1 - вакуумная камера; 2 - соединяемые детали; 3 - нагревательный индуктор; 4 - шток; 5 - нагружающее устройство.

 

Свариваемые детали с тщательно зачищенными поверхностями загружают в специальную камеру, где для активизации процесса диффузии создают постоянную нагрузку на детали, разряжение атмосферы (вакуум) и нагрев. Холодная сварка - это процесс сварки давлением, при котором соединение деталей приводится при значительной пластической деформации без применения внешнего нагрева. Деформация в процессе сварки достигает 70-80%. Холодной сваркой можно осуществлять соединение внахлёстку и в стык. Металл деталей деформируется с помощью пуансонов (при сварке внахлёстку) или без них (при сварке в стык) (рис.11). В процессе деформации плёнка окислов и другие загрязнения поверхности выдавливаются в периферийную область, а между соединяемыми поверхностями устанавливаются межатомные связи, т.е. происходит сварка деталей.