227

ГЛАВА 7. МЕЖОТРАСЛЕВЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ. СВАРКА И ПАЙКА МЕТАЛЛОВ

7.1.Сварка

7.1.1.Общие сведения. Сваркой называется технологический процесс получения неразъемных соединений заготовок путем их местного расплавления или совместного деформирования (сжатия), в результате чего возникают прочные связи между атомами (молекулами) соединяемых деталей. В первом случае свариваемые кромки деталей расплавляют, металл перемешивается, при последующем охлаждении происходит кристаллизация атомов металлов и образуется сварной шов. Во втором случае сварку осуществляют сдавливанием свариваемых поверхностей, при котором сварное соединение образуется за счет взаимного проникновения (диффузии) атомов одного материала в другой. Осуществление холодной сварки затрудняется необходимостью получения высоких удельных давлений, сложностью обеспечения плотного контакта по всей свариваемой поверхности, наличием на поверхности загрязнений, поэтому сварку давлением часто осуществляют также с предварительным подогревом, повышающим пластичность материала.

Свариваются между собой однородные и разнородные металлы (например, сталь с медью, медь с алюминием), металлы с неметаллами (керамикой, стеклом, керметами и т.д.) и пластмассы.

Все методы сварки можно классифицировать по физическим признакам, способу образования сварного соединения, виду используемой энергии, степени автоматизации. ГОСТ 19521–74 определяет три класса сварки: термический, механический и термомеханический.

К термическому классу относятся виды сварки плавлением, при которых металл кромок свариваемых частей расплавляется, образуя сварочную ванну, и затем затвердевает с получением сварного шва. Тепловая энергия, необходимая для этого, получается за счет преобразования электрической или химической энергии. К этому классу относятся: дуговая, электрошлаковая, плазмен-

ная, электронно-лучевая, лазерная, газовая, термитная и др. виды сварки.

228

Кмеханическому классу относятся те виды сварки, при которых определяющим фактором является пластическое деформирование, возникающее под влиянием давления в поверхностных слоях соединяемых частей. В результате сдавливания в зонах контакта дробятся и вытесняются адсорбированные включения кислорода, азота, паров воды, загрязнений, происходит смятие выступов

изаполнение впадин от шероховатости поверхностей, сближение атомов до размеров атомных радиусов, и образование, благодаря этому, сварного соединения. К механическому классу относятся:

холодная и ультразвуковая сварка, сварка взрывом, трением и др.

Ктермомеханическому классу относятся те виды сварки, при которых для образования сварного соединения используют тепловую энергию и внешнее давление. К этому классу сварки от-

носятся: контактная, газопрессовая, диффузионная и другие виды сварки.

Основными видами сварных соединений, применяемых при изготовлении различных конст-

рукций, являются (рис. 7.1): а – стыковые, б – внахлестку, в – угловые, г – тавровые.

Рис. 7.1. Виды сварных соединений

Сварочные соединения широко применяются в промышленности, выбор технологии сварки определяется видом применяемых материалов, требованиями к последующей эксплуатации изделия и др. факторами. По виду энергии, используемой для нагрева материала, все методы сварки можно разделить на шесть групп: 1) электрическая, 2) химическая, 3) механическая, 4) лучевая, 5) электромеханическая, 6) химико-механическая.

Развитие сварки привело к появлению новых ее видов, к расширению возможностей и области ее применения. Новые виды сварки, вследствие высокой концентрации энергии и малой длитель-

229

ности процесса (сварка электронным лучом, взрывом, лазерная, ультразвуковая, холодная сварка),

характеризуются отсутствием реакций образования оксидов и других соединений от взаимодействия свариваемых металлов с газами и флюсами, что обеспечивает более высокую прочность сварки и возможность соединения таких материалов, которые не свариваются традиционными способами.

Наиболее широкое применение в промышленности получили следующие виды соединений: электросварка (электродуговая, плазменная, электрошлаковая), электромеханическая (контактная, диффузная) и газовая.

7.1.2. Электродуговая сварка. Электрическая дуговая сварка впервые была применена в России. В 1882 г. русский изобретатель Н.Н. Бенардос впервые использовал электрическую дугу для сварки металлов угольным электродом, а в 1888 г.

Н.Г. Славянов предложил способ дуговой сварки металлическим электродом. В зависимости от способа включения в сварочную цепь основного и присадочного металла и характера воздействия на них сварочной дуги различают следующие основные виды дуговой сварки: неплавящимся угольным электродом или способ Бенардоса, плавящимся металлическим электродом или способ Славянова и плавящимися металлическими электродами с использованием трехфазной дуги.

По способу Бенардоса (рис. 7.2, а) сварку производят графитовым электродом 3 с присадочным металлом 2 или без него. Присадочный металл в цепь не включен и плавится от электрической дуги между электродом и деталью. Расплавленный металл заливает свариваемую поверхность и образует шов. Этот способ применяется редко.

230

Рис. 7.2. Схемы основных видов дуговой сварки

По способу Славянова (рис. 7.2, б) применяется металлический электрод в виде проволоки 2. Между металлическим электродом и свариваемым металлом возбуждается дуга, она плавит оба металла, расплавленный металл перемешивается и заполняет образовавшуюся при плавке ванночку. При ручной сварке пользуются электродами, покрытыми специальным составом – обмазкой. Обмазка обеспечивают устойчивость горения дуги, защиту и легирование металла, защищает металл от окисления и насыщения азотом.

При сварке трехфазной дугой (рис. 7.2, в) к разным фазам трехфазного тока в сварочную цепь включены два изолированных один от другого электрода 2 и свариваемое изделие 1. Дуга возбуждается между каждым электродом и изделием и между электродами, т.е. возникают три дуги. По производительности сварка трехфазной дугой в два–три раза выше однофазной.

Электродуговая сварка возможна на постоянном и переменном токе (рис. 7.2, в). На постоянном токе дуга более устойчива, но выше расход электроэнергии.

В качестве источника энергии при сварке постоянным током используется генератор тока и выпрямители, при сварке переменным током – сварочные трансформаторы напряжением 20–30 в.

Сварка в защитных газах. Сущность способа сварки в защитных газах состоит в том, что для защиты расплавленного металла от вредного действия кислорода и азота воздуха в зону дуги, горящей между электродом и свариваемым изделием, непрерывно подается струя защитного газа, оттесняющего воздух от места сварки, или сварка происходит в герметичной камере, заполненной защитным газом. В качестве защитных газов используют инертные газы – аргон или гелий, которые не взаимодействуют с расплавленным металлом, и активные газы (углекислый газ, водород, азот, пары воды), а также их смеси (аргон с кислородом, аргон с азотом и др.), взаимодействующие в некоторой степени с расплавленным металлом. Наибольшее применение получили аргон и углекислый газ.