Раздел 4. Сварка, пайка, склеивание материалов

Глава 6. Сварочное производство

Лекция 16. Сварка давлением

Сущность получения неразъемного сварного соединения двух металличе-

ских заготовок в твердом состоянии состоит в сближении идеально чистых со-

единяемых поверхностей на расстояние (2– 4) 10-8

см, при котором возникают

межатомарные силы притяжения. При достижении такого расстояния возможно

образование металлических связей, т. е. появление общих электронов двух со-

единяемых поверхностей и их взаимодействие с положительно заряженными

ионами кристаллических решеток.

Строение и состояние реальной поверхности соединяемых заготовок ха-

рактеризуется наличием большого числа дефектов, неровностей и загрязнений.

Поверхность любого, даже тщательно отполированного, твердого тела всегда

волниста, шероховата и имеет множество микроскопических выступов, высота

которых, однако, на несколько порядков выше, чем расстояния, необходимые

для возникновения сил межатомарного воздействия.

Вследствие наличия неровностей и выступов площадь действительной

поверхности металла во много раз превышает площадь поверхности, измерен-

ную обычными методами. Наружную поверхность металла характеризует на-

личие нескомпенсированных металлических связей и большое число дефектов

кристаллического строения, что способствует ее активному взаимодействию с

внешней средой и приводит к быстрому окислению и осаждению на поверхно- 110

сти жидкости и газов. Практически после любой обработки поверхность мгно-

венно покрывается тонкой пленкой оксидов, а также слоем адсорбированных

молекул воды и жировых веществ. Толщина этого слоя составляет 100–200 мо-

лекул, и удалить его полностью не удается, так как этому препятствует воз-

никшая между слоем и поверхностью электрическая связь. Следовательно, да-

же при их сближении соединение не может возникнуть, благодаря слою окси-

дов и масляных пленок, адсорбированным примесям.

Получить прочное неразъемное соединение двух поверхностей в твёрдом

состоянии можно, если удалить загрязняющие пленки и осуществить затем

плотный контакт по всей соединяемой плоскости. Практически при сварке в

твердом состоянии этого достигают путем приложения к свариваемым заготов-

кам давления, которое должно быть достаточным для смятия всех неровностей

в соединяемом сечении. В начальный момент сближения в точках касания раз-

рушается слой осажденных на поверхности примесей, и появляются «островки»

металлических соединений. При возрастании давления увеличивается площадь

контактирования поверхностей, сближающихся до расстояния, при котором на-

чинают действовать межатомарные силы притяжения. Вследствие большой

плотности контакта соединяемые поверхности не сообщаются с атмосферой,

поэтому новых оксидных и жировых пленок не образуется, а имевшиеся до это-

го частично выдавливаются из зоны соединения наружу, частично диффунди-

руют в глубь металла и не препятствуют образованию металлических связей.

Таким образом, необходимыми условиями получения качественного соедине-

ния в твердом состоянии является хорошее качество подготовки соединяемых

поверхностей и наличие сдвиговых деформаций в зоне соединения.

Описанный способ может быть применен для заготовок из металлов и

сплавов, имеющих относительно небольшое сопротивление пластическому де-

формированию и достаточно пластичных в холодном состоянии (Pl, Sn, Zn, Al,

Cu). Для заготовок из малопластичных и обладающих высоким пределом теку-

чести металлов приложение давления в холодном состоянии не позволяет по-

лучить необходимую степень течения металла вследствие быстрого наклепа.

Для высокопрочных материалов можно увеличить пластические свойства и

снизить сопротивление деформированию, предварительно подогревая соеди-

няемые поверхности и прилегающие к ним зоны. Благодаря этому удаётся при

относительно небольших силах сжатия удалить загрязняющий слой и активи-

зировать образование металлических связей.

Сварку в твердом состоянии с приложением давления называют сваркой

давлением. Существует множество разновидностей сварки давлением, которые

различаются источником нагревания либо видом энергии, применяемым для

активизации процесса.

Контактная электрическая сварка, при которой подогревают соеди-

няемые поверхности электрическим током и затем их сдавливают, является од-

ним из самых распространенных способов сварки давлением. Сварку произво-

дят на машинах, состоящих из источника тока, прерывателя тока и механизмов

зажатия заготовок и давления. В качестве источника тока в контактных маши- 111

нах применяют понижающий трансформатор. Его вторичная обмотка состоит

из одного витка, набранного из медной фольги, либо литого полого, охлаждае-

мого водой. Большой коэффициент трансформации обеспечивает вторичное ра-

бочее напряжение 1,5 – 12 В и силы проходящих токов от 10 000–500 000А.

Прерыватель тока электромагнитного или электронного типа служит для регу-

лирования времени пропускания тока через нагреваемое сечение. Сила и время

протекания тока являются основными регулируемыми характеристиками, опре-

деляющими интенсивность нагревания и охлаждения, а, следовательно, и про-

изводительность. Учитывая, что иногда нагревание продолжается в течение се-

кунд и даже долей секунды, создание систем прерывания сварочного тока (си-

лой в тысячи и десятки тысяч ампер), обеспечивающих достаточную точность и

минимальный разброс по времени срабатывания, представляет значительные

трудности.

Механизмы зажатия заготовок и давления механического или гидравли-

ческого типа служат для закрепления свариваемых заготовок и их сдавливания

после нагрева. По виду получаемого соединения контактную сварку подразде-

ляют на стыковую, точечную и шовную.

Стыковую контактную сварку применяют для соединения встык деталей

типа стержней, толстостенных труб, рельсов и т. п. Свариваемые заготовки

плотно зажимают в неподвижном и подвижном токоподводах, подключенных к

вторичной обмотке сварочного трансформатора.

Для обеспечения плотного электрического контакта свариваемые поверх-

ности приводят в соприкосновение и сжимают. Затем включается ток. Общее

количество теплоты, выделяемое при прохождении тока по вторичной цепи,

определяется законом Джоуля – Ленца: Q = I Rt. Здесь I – сила сварочного тока,

А; R – полное сопротивление цепи, Ом; R = 2R = R - R , где R –

cопротивление контакта токоподвод-заготовка; R - сопротивление заготовок; R

– сопротивление контакта между заготовками; t – время протекания тока, с.

Так как R значительно превосходит сопротивление любого другого уча-

стка, то и максимальный нагрев будет именно в месте контакта между заготов-

ками. При достижении необходимой температуры сварочный ток отключается,

и производится сдавливание заготовок – осадка.

В зависимости от качества подготовки свариваемых поверхностей время

нагревания до необходимой температуры может быть различным. Современные

автоматизированные системы предусматривают отключение тока и сдавлива-

ние заготовок при достижении в стыке необходимой температуры.

Точечная сварка применимая в основном для изготовления листовых или

стержневых конструкций, позволяет получать прочные соединения в отдельных

точках. Свариваемые заготовки, собранные внахлест, помещают между непод-

вижным и подвижным электродами, присоединенными к вторичной обмотке

трансформатора. После предварительного сдавливания включается сварочный

ток, который пропускается в течение времени, необходимого для разогревания

места контакта до нужной температуры. Затем ток отключается, и производится

сдавливание. Образующееся сварное точечное соединение обладает большой 112

прочностью, и его можно применять для изготовления несущих конструкций.

Этот способ широко применяют в авто- и вагоностроении, строительстве, а

также при сборке электрических схем и др.

Шовную сварку применяют при изготовлении листовых конструкций для

получения прочного и герметичного соединения. Свариваемые заготовки по-

мещают между двумя роликами – электродами, один из электродов может

иметь вращательное движение, а другой – вращательное движение и перемеще-

ние в вертикальном направлении. Электроды подключаются к вторичной об-

мотке трансформатора. Заготовки сдавливаются с силой, обеспечивающей на-

дежный контакт, а затем одновременно с включением сварочного тока роликам

задается вращательное движение со скоростью, необходимой для создания

нужного нагрева в контакте. Скорость сварки зависит от силы тока, толщины

листов и может составлять несколько метров в 1 мин. Шовная сварка обеспечи-

вает получение прочных и герметичных соединений из листового материала

толщиной до 5 мм.

В настоящее время универсальные машины для точечной и шовной свар-

ки применяют относительно редко. В подавляющем большинстве случаев это

специализированные сварочные агрегаты, снабженные роботами, входящими в

состав автоматических линий, например линий по сварке кузовов автомашин,

арматуры железобетонных изделий, автоматические линии по сварке сильфо-

нов.

Конденсаторная сварка является одной из разновидностей контактной

электрической сварки. Энергия, необходимая для подогревания места сварки,

накапливается в конденсаторах, а затем в процессе разряда преобразуется в те-

плоту. Количество накопленной энергии можно регулировать изменением ём-

кости конденсаторов и напряжения зарядки.

При замыкании ключа происходит зарядка конденсатора от источника

постоянного тока. В момент подачи давления на свариваемые заготовки ключ

автоматически перебрасывается в правое положение. Конденсатор разряжается

через первичную обмотку понижающего трансформатора, вторичная обмотка

которого соединена с неподвижным и подвижным электродами. Кратковремен-

ность процесса при достаточно большой мощности разряда обеспечивает ло-

кальное выделение теплоты, что позволяет сваривать между собой заготовки из

материалов, различных по теплофизическим свойствам. Кроме того, возмож-

ность весьма точной дозировки энергии подбором емкости конденсаторов по-

зволяет применить этот способ для соединения заготовок очень малых толщин

(несколько десятков микрометров). Способ широко применяют в радио –и

электротехнической промышленности.

Диффузной сваркой соединяют заготовки в твердом состоянии в вакууме

приложением сдавливающих сил при повышенной температуре. Тщательно за-

чищенные свариваемые заготовки собирают, помещают в вакуумную камеру,

сдавливают и затем нагревают специальным источником тепла до температуры

рекристаллизации, равной 0,4Т (температура плавления). В начальной стадии

процесса создаются условия для образования металлических связей между со- 113

единяемыми поверхностями. Низкое давление способствует удалению (испаре-

нию) поверхностных пленок, а высокая температура нагревания и давление

приводят к уменьшению неровностей поверхностей и сближению их до нужно-

го расстояния (4 – 10 см).

Последующая выдержка вызывает диффузию атомов материалов свари-

ваемых заготовок и образование промежуточных слоев, увеличивающих проч-

ность соединения. Время диффузной сварки зависит от химического состава

соединяемых заготовок, степени их очистки, температуры нагрева и составляет

10–30 мин. Достоинством этого способа является возможность соединения за-

готовок из разнообразных материалов. Диффузионную сварку применяют в

электротехнической, радиотехнической и других отраслях промышленности.

Сварка трением образует соединение в результате пластического дефор-

мирования заготовок, предварительно нагретых в месте контакта теплотой, вы-

делившейся в результате трения. Основным отличием ее от других видов свар-

ки давлением с подогревом является способ нагревания свариваемых поверхно-

стей. Свариваемые заготовки устанавливают соосно в зажимах машины, один

из которых неподвижен, а второй может совершать вращательное и поступа-

тельное (вдоль оси заготовок) движение. Заготовки сжимаются силой P и вклю-

чается механизм вращения. На соединяемых поверхностях возникают силы

трения; работа на преодоление этих сил превращается в теплоту, выделяющую-

ся на поверхность трения. При достижении температуры поверхностей 980–

1300o

С вращение заготовок прекращают и их дополнительно сдавливают (про-

ковка).

Иногда сварку трением производят через промежуточный вращаемый

элемент или заменяют вращательное движение вибрацией. Сваркой трением

можно сваривать заготовки диаметром 0,75–140 мм. Основные ее достоинства –

высокая производительность процесса, возможность сварки заготовок из мате-

риалов различных сочетаний, стабильность качества и отсутствие таких вред-

ных факторов, как ультрафиолетовое излучение, газовые выделения, брызги.

Холодная сварка – один из способов сварки давлением без подогревания.

Для ее осуществления с соединяемых поверхностей вращающейся металличе-

ской щеткой, шабрением и последующим обезжириванием тщательно удаляют

оксиды и загрязнения. Детали, подлежащие сварке, помещают между непод-

вижным и подвижным пуансонами. Оба пуансона имеют выступы, которые при

сварке должны быть полностью вдавлены в поверхность металла. Это необхо-

димо для создания интенсивного пластического течения металла и удаления из

зоны контакта загрязненного слоя.

Необходимая пластическая деформация зависит от силы P, свойств ме-

талла, толщины заготовки и способа подготовки поверхности. Холодную свар-

ку применяют для соединения заготовок из цветных металлов и сплавов, для

заварки оболочек, в электромонтажном производстве, для сварки приводов,

шин, троллейных токопроводов. 114

Практически все приведенные способы сварки давление высокопроизво-

дительны, легко поддаются автоматизации и могут быть использованы как в

гибких производственных системах, так и в роторно-конвейерных линиях.

Лекция 17. Сварка плавлением

При сварке плавлением силы межатомарного взаимодействия возникают

между материалами двух свариваемых заготовок, находящихся в месте со-

единения в жидком состоянии. Для получения неразъемного соединения кром-

ки свариваемых заготовок расплавляют с помощью мощного источника тепло-

ты; расплавленный металл образует общую сварочную ванну, смачивающую

полуоплавленную поверхность соединяемых элементов. Расплавленный металл

соединяемых заготовок смешивается, и образуются межмолекулярные связи. В

процессе расплавления устраняются все неровности поверхностей, органиче-

ские пленки, адсорбированные газы, оксиды и другие загрязнения, мешающие

сближению атомов. По мере удаления источника нагревания жидкий металл

остывает, начинается кристаллизация и образование сварного шва, соединяю-

щего заготовки в единое целое. Кристаллизация начинается с частично оплав-

ленных зерен основного металла и заканчивается обычно в центре шва, где

встречаются два фронта кристаллизации, начинающиеся от кромок сваривае-

мых заготовок. Сварку можно осуществлять, расплавляя только кромку свари-

ваемых заготовок либо дополнительно к этому расплавляя присадочный металл

(как правило, металл электрода).

В зависимости от типа выбранного источника теплоты сварку плавлением

можно подразделять на электродуговую плавлением, электронно-лучевую

плавлением, ацетилено-кислородную и т. п.

Металл сварного шва, полученный при сварке плавлением, по своей

структуре и химическому составу существенно отличается от металла свари-

ваемых заготовок, так как в процессе расплавления в сварочной ванне про-

исходят испарение и окисление некоторых элементов, поглощение газов, леги-

рование, диффузия и другие процессы. Полученный в процессе сварки плавле-

нием сварной шов имеет литую структуру. Основной металл заготовок, приле-

гающий к сварному шву, в процессе сварки нагревается до значительной тем-

пературы, в результате чего в нем происходят структурные изменения — ук-

рупнение зерен, выделение новых фаз, появление новых структур типа зака-

лочных. Зону основного металла, прилегающего к сварному шву, в которой

происходят структурные изменения, вызываемые нагревом при сварке, называют

зоной термического влияния (ЗТБ). Сочетание сварного шва, ЗТВ и основного

металла называют сварным соединением.

Механические, антикоррозионные, магнитные и другие свойства сварно-

го соединения могут существенно отличаться от свойств основного металла.

При сварке стремятся получить равнопрочное соединение (у которого показате-

ли те же, что и у основного металла). К сварке плавлением относится и наплав- 115

ка металлов, широко применяемая как при изготовлении новых конструкций,

так и при ремонтных работах. Наплавкой называют нанесение слоя металла на

нагретую до расплавления поверхность заготовки. Наплавка необходима для

создания на поверхности слоя металла, обладающего особыми свойствами, либо

для восстановления размеров изношенных деталей.

Электрическая дуговая сварка является одним из наиболее распростра-

ненных способов сварки плавлением (рис.32).

Рис.32 Схемы дуговых способов сварки плавлением:

а — ручной; б — автоматической под флюсом;

в — неплавящимся электродом;

г — плавящимся электродом в защитных газах

К свариваемым заготовкам 1 и к электроду 2 подводится постоянный или

переменный ток от специального источника тока 3, и возбуждается электриче-

ская сварочная дуга 4 — стабильный электрический разряд в ионизированных

парах или газах. Электропроводимость дугового промежутка l обусловлена по-

явлением электродов и ионов в результате термической ионизации. Темпера-

тура, необходимая для ионизации в момент возбуждения дуги, получается

вследствие выделения теплоты при коротком замыкании электрода на деталь;

в установившемся процессе ионизация осуществляется под действием высокой

температуры дуги.

Максимальная температура дуги наблюдается в осевой ее части и со-

ставляет 6000 °С. На поверхности электродов температура обычно близка к

температуре кипения материала электродов. Тепловая мощность q дуги зависит

от силы тока I и напряжения U; q — φUI, где φ = 0,8– 0,95 — коэффициент,

учитывающий потери. Меньшая часть теплоты сварочной дуги теряется в окру-

жающей атмосфере, а большая — идет на нагревание и плавление основного и

присадочного металлов.

Для питания сварочной дуги применяют специальные источники тока, по

своим характеристикам существенно отличающиеся от источников тока для

освещения, питания электродвигателей тепловых установок. Сварочные источ- 116

ники тока должны обеспечивать устойчивую дугу при относительно невысо-

ком напряжении и простое регулирование силы тока, постоянство силы тока при

изменении длины дуги и должны безаварийно выдерживать режим короткого за-

мыкания. Применяют источники переменного тока (сварочные трансформаторы)

и постоянного тока (генераторы или выпрямители), которые обеспечивают

большую стабильность дуги.

Дуговую сварку можно выполнить плавящимся и неплавящимся электро-

дами. В качестве плавящегося электрода рекомендуется применять металличе-

ский стержень состава, идентичного составу металла свариваемых заготовок. В

качестве неплавящегося электрода применяют, как правило, вольфрамовый

стержень. Сварку неплавящимся электродом можно вести без применения при-

садочного материала или подавая его непосредственно в дугу. Дуговая сварка

плавлением имеет разновидности в зависимости от степени автоматизации и

рода защиты расплавленного металла от воздействия окружающей атмосферы.

При ручной дуговой сварке (рис.32 а) сварщик возбуждает дугу, поддер-

живает ее горение, опускает электрод по мере его плавления и перемещает

электрод вдоль свариваемых заготовок. В качестве электродов в этом случае

применяют прутки из сварочной проволоки, покрытые специальным составом. В

этот состав вводят элементы, способствующие устойчивости дуги и осуществ-

ляющие защиту расплавленного металла от вредного воздействия окружающей

среды, раскисление и легирование металла шва. В зависимости от назначения

различают следующие типы электродов: для сварки конструкционных углеро-

дистых, низколегированных и легированных сталей, цветных металлов и спла-

вов и для наплавочных работ. Основным требованием, предъявляемым к элек-

тродам, является обеспечение необходимой прочности и нужного структурного

состава металла шва.

Электроды маркируют буквой Э и последующей цифрой, указывающей вре-

менное сопротивление металла шва, выполненного данным электродом, напри-

мер, Э-42, Э-55 ... Э-125. Электроды каждого типа могут иметь несколько ма-

рок, определяющих систему легирования металла шва. На практике чаще всего

применяют электроды диаметром 2—6 мм. Чем больше толщина свариваемого

металла, тем больше должен быть диаметр электрода. Согласно эмпирической

формуле сила сварочного тока (А) Iсв = 40dэ. где dэ — диаметр электрода, мм.

Ручную дуговую сварку широко применяют в машиностроении при сварке

заготовок из сталей и цветных металлов благодаря ее универсальности и воз-

можности выполнять процесс во всех пространственных положениях сваривае-

мого шва: нижнем, вертикальном, потолочном. Основные недостатки этого спо-

соба—малая производительность и необходимость высокой квалификации опе-

ратора.

Существует полуавтоматическая и автоматическая сварка штучными

электродами. К полуавтоматической относится сварка «опертым электродом»,

при которой покрытие электрода, образующее козырек, опирается на поверх-

ность свариваемой детали, и этим самым «автоматически» поддерживается за-

данная длина дуги; сварка «лежащим» электродом, который укладывают в раз- 117

делку между свариваемыми заготовками и с одного его конца возбуждают

электрическую дугу. Длина дуги в этом случае определяется толщиной по-

крытия. Автоматически сварка штучными покрытыми электродами производит-

ся автоматами, в которые заряжается кассета с электродами, сменяемыми по

мере их расплавления. Длина дуги соответствует заданному напряжению и авто-

матически поддерживается системой слежения по принципу обратной связи.

Автоматическая дуговая сварка под флюсом (см. рис. 32 б) обеспечи-

вает производительность, в 10—15 раз большую производительности ручной

дуговой сварки и, кроме того, она не требует оператора столь высокой ква-

лификации. При автоматической сварке зажигание дуги, подача электрода в ду-

гу и перемещение его вдоль направления сварки осуществляются механически

либо автоматами, выдерживающими заданный параметр режима.

Электрод 1, представляющий собой сварочную проволоку большой дли-

ны, заправляется в кассету 4 и подается в дугу с необходимой скоростью с по-

мощью подающих роликов 8, приводимых во вращение двигателем S через ре-

дуктор 2. Эта сборочная единица, называемая сварочной головкой, помещается

на самоходной тележке-каретке 5, приводимой в движение двигателем каретки

7 через редуктор 6. Ток на электрод от источника подается через скользящий

контакт 9. Скорость сварки зависит от скорости перемещения каретки.

Защита расплавленного металла от воздействия воздуха осуществляется

порошкообразным флюсом, ссыпаемым из бункера 10 непосредственно перед

дугой. В состав флюса входят элементы, обеспечивающие стабильность дуги, а

также легирование, раскисление и формирование металла шва. Флюсы, рас-

плавляясь, создают шлаковый купол над зоной сварочной дуги, препятствую-

щий проникновению воздуха. После химико-металлического воздействия на

расплавленный металл в дуговом пространстве и сварочной ванне флюсы обра-

зуют на поверхности шлаковую корку, в которую переходят из расплавленного

металла шва оксиды, сера, фосфор и газы.

Автоматическую сварку следует производить с помощью проволоки,

приближающейся по своему химическому составу к свариваемому металлу.

Стандартами предусмотрен выпуск проволоки 77 марок для сварки сталей,

проволоки 30 марок для наплавочных работ и проволоки 14 марок для сварки

алюминия и его сплавов.

Автоматическую сварку под флюсом целесообразно применять в нижнем

положении свариваемого шва для получения непрерывных длинных швов.

Применение ее для получения коротких швов сложной траектории эко-

номически невыгодно. Для получения вертикальных швов автоматическая свар-

ка под флюсом не применима вследствие вытекания расплавленных металла

и шлака.

Разновидностью дуговой сварки под флюсом является полуавтоматиче-

ская сварка. При таком способе подача электрода осуществляется механиче-

ски, а перемещение его по направлению сварки — вручную. Способ рекомен-

дуют для получения коротких и криволинейных швов в нижнем положе-

нии. 118

При сварке в защитных газах в зону сварочной дуги подается инертный

либо нейтральный газ, достаточно надежно защищающий расплавленный и

остывающий металл сварного шва от контакта с окружающей атмосферой.

В качестве защитных газов наибольшее применение получили инертные газы —

аргон, гелий и более дешевый углекислый газ. Иногда применяют смеси

двух газов и более. При сварке с защитой инертными газами различают сварку

неплавящимся и плавящимся электродами. Сварку неплавящимся вольфрамо-

вым электродом можно проводить либо без применения присадочного материа-

ла, либо с присадочным материалом, как правило, для заготовок толщиной

свыше 2—3 мм (рис. 32 в). В качестве присадочного материала применяют про-

волоку, по химическому составу близкую к составу свариваемого металла. Диа-

метр проволоки зависит от толщины свариваемых заготовок и составляет 0,5—3

мм.

Защитный газ к месту сварки доставляют в баллонах под давлением

1,56×107

Па. Для снижения давления применяют газовые редукторы. Расход га-

за обычно составляет 5—15 л/мин. Сварку плавящимся электродом обычно

применяют для заготовок толщиной более 8 мм (рис. 32 г). В качестве электрода

применяют сварочную проволоку состава, близкого к составу свариваемого

металла, диаметр ее 0,5—2 мм. Применение при относительно малых сечениях

электродов сварочного тока большой силы резко увеличивает проплавляющую

способность дуги, а также производительность процесса.

Разновидностью сварки в среде инертных газов является сварка в кон-

тролирующей атмосфере. Детали помещают в специальные камеры, из кото-

рых откачивают воздух, а затем заполняют аргоном. Сварку выполняют вруч-

ную или с помощью автомата с дистанционным управлением. Для сварки круп-

ногабаритных заготовок применяют камеры объемом до 450 м3

, внутри кото-

рых работает сварщик, снабженный специальной системой обеспечения дыха-

ния. Сварка в среде инертных газов является относительно дорогим процессом,

и ее применяют в основном для сварки заготовок из цветных металлов и спла-

вов, из аустенитных и высокопрочных сталей, а также из тугоплавких и ак-

тивных металлов.

Сварку в среде углекислого газа применяют главным образом для загото-

вок из углеродистых и низколегированных сталей. При сварке используют пла-

вящийся электрод диаметром 0,8—2 мм. В состав электродной проволоки вво-

дят дополнительно марганец и кремний, которые вступают в реакцию с кисло-

родом, выделяющимся при разложении углекислого газа в области дугового

разряда, и связывают его в оксиды 2СО2 → 2СО + О2 ;

2Мn + О2 → 2MnO ↑ ; Si + О2 → SiO2 ↑ .

Сварку в среде защитных газов, как правило, осуществляют на автоматах

и полуавтоматах с использованием постоянного тока. Исключение составляет

аргонодуговая сварка заготовок из алюминия и его сплавов, при которой реко-

мендуют применять переменный ток.

Рассмотрим лучевую сварку плавлением. Разновидность ее — электрон-

но–лучевая сварка, сущность которой состоит в использовании для нагрева и 119

расплавления свариваемых кромок кинетической энергии электронов, дви-

жущихся с высокими скоростями в вакууме. В месте соударения электронов со

свариваемыми заготовками почти 99% кинетической энергии переходит в теп-

ловую, что сопровождается повышением температуры до 5000— 6000 °С.

Кромки заготовок расплавляются, и после кристаллизации образуется свар-

ной шов.

Для сварки заготовок таким способом используют электронную пушку . В

вакуумной камере в формирующем электроде расположен вольфрамовый ка-

тод , обладающий эмиссионной способностью при подогреве до

2000—2500 °С. Под катодом находится анод с центральным отверстием для

пропускания луча к заготовке. Электроны, сформированные в пучок электро-

дом , под действием высокой разности потенциалов между катодом и анодом

перемещаются с ускорением по направлению к заготовке. Диафрагма отсекает

краевые зоны луча , а магнитные линзы фокусируют луч на поверхности заго-

товки . Скорость сварки определяется скоростью перемещения заготовки под

неподвижным пятном луча или отклонением самого луча с помощью отклоня-

ющей системы . Основными параметрами режима являются ускоряющее на-

пряжение (25—120 кВ), сила тока (35—1000 мА), диаметр сфокусированного

луча (0,02— 1,2 мм), скорость сварки (до 100 м/ч).

Достоинством электронно–лучевой сварки является высокая концентра-

ция энергии на поверхности детали, что позволяет проплавлять заготовки тол-

щиной до 200 мм, идеальная защита от влияния внешней среды — вакуум, а

также малое количество теплоты, вводимой в заготовку, что снижает вероят-

ность структурных превращений в больших объемах и деформацию конструкции.

Электронно–лучевую сварку можно применять для заготовок из всех материа-

лов, чаще всего из разнородных — например, из металла с керамикой, и для со-

единений заготовок из тугоплавких и химически активных металлов Nb, Mo,

W, Ti, Zr.

Все процессы электронно–лучевой сварки, включая сборку и загрузку

заготовок в камеру, механизированы или автоматизированы. Наблюдение за

процессом осуществляется через специальные иллюминаторы или с исполь-

зованием телевизионных систем. Дистанционное управление позволяет в случае

необходимости производить требуемые коррективы.

Создание достаточно мощных квантовых генераторов дало возможность

применять остро сфокусированный световой пучок для сварки плавлением —

лазерной сварки. Плотность тепловой энергии, создаваемой лазерами при фо-

кусировке луча в пятно диаметром до нескольких сотых долей миллиметра, по-

зволяет нагревать практически все металлы до расплавления и даже до ки-

пения. Лазеры большой мощности позволяют сваривать заготовки из ме-

талла толщиной до нескольких миллиметров. Большим достоинством лазерной

сварки является возможность ведения процесса в любой атмосфере, однако

она может неблагоприятно влиять на качество шва. Для лучевой сварки ха-

рактерно «ножевое проплавление», т. е. форма шва, при которой отношение

глубины шва к ширине нередко достигает 20 и более . 120

Лазерный луч применяют также для резки, которая может произво-

диться прямым испарением и выплавлением материала либо с продувкой в на-

гретую зону кислорода и сжиганием в нем разогретого металла. Лазерная резка

отличается хорошим качеством получаемой поверхности (параметр ее шерохова-

тости Rz = 30–40 мкм), малым отклонением размера полученной поверхности (до

10-4

) и может проводиться в любых пространственных положениях. Эти досто-

инства позволяют широко применять ее в сочетании с системами ЧПУ или

управлением от ЭВМ для производства заготовок сложной геометрической кон-

фигурации.

Широко применяют электрошлаковую сварку. Сущность ее заключается

в том, что тепловую энергию, необходимую для расплавления основного и при-

садочного металлов, дает теплота, выделяемая в объеме шлаковой ванны при

прохождении через нее тока. Свариваемые заготовки устанавливают в верти-

кальном положении ; снизу к ним приваривают вводную планку , а сверху вы-

водные планки . С двух сторон подводятся водоохлаждаемые медные ползуны .

Затем на вводную планку насыпается флюс, подводится электрод и зажигается

дуга. Подача электрода производится специальным механизмом подачи . В ре-

зультате расплавления флюса образуется шлаковая ванна. После достижения

определенной высоты шлаковой ванны дуга вследствие шунтирования тока че-

рез ванну гаснет, а проходящий ток нагревает ее до весьма высокой температу-

ры, превосходящей температуру плавления основного и присадочного метал-

лов, образуя сварочную ванну.

Металл электрода, проходя через шлак, раскисляется и легируется. Бла-

годаря относительно малой скорости затвердевания происходит более полное

удаление газовых пузырей, шлака и других примесей, чем при сварке под

флюсом. Рекомендуется применять электрошлаковую сварку для заготовок

толщиной 30 мм и более при изготовлении заготовок из стали, чугуна, меди,

алюминия, титана.

Лекция 18. Сварные соединения и швы, сварочные материалы

Классификация сварных соединений и швов. Сварные соединения и

швы можно классифицировать по ряду характерных признаков:

- виду соединения;

- конфигурации и протяженности;

- виду сварки;

- положению, в котором выполняется сварка;

- способу удержания расплавленного металла шва;

- количеству наложения слоев;

- материалу, который применяется для сварки;

- расположению свариваемых деталей относительно друг друга;

- форме свариваемой конструкции;

- действующему на шов усилию; 121

- объему наплавленного металла;

- форме подготовленных кромок (рис.33).

Рис.33 . Классификация сварных швов: а – по положению в пространстве;

б – по протяженности; в – по отношению к направлению действующих усилий;

г – по форме наружной поверхности

По виду соединения различают тавровые, стыковые, угловые, торцовые и

нахлесточные швы (рис.34).

122

Рис .34. Основные виды сварочных соединений:

а – стыковые, б– стыковые с отбортовкой, в– стыковые листов разной толщины,

г – нахлесточные, д– угловые, в – тавровые, ж – прорезные, з – торцовые,

и – с накладками, т – электрозаклепачные, 1- 3– свариваемые детали, 2 – накладки.

Стыковым соединением называется соединение двух элементов,

примыкающих друг к другу торцовыми поверхностями. Угловое соединение–

сварное соединение двух элементов, расположенных под углом друг к другу (не

обязательно под углом в 90°) и сваренных в месте примыкания их краев. Тавро- 123

вым называется соединение, в котором торец одного элемента примыкает под

углом (также не обязательно в 90°) и приварен к боковой поверхности.

Разделка кромок дает возможность проводить сварку отдельными слоями

небольшого сечения, что улучшает структуру сварного соединения и уменьша-

ет сварочные напряжения и деформации.

Величина зазора между стыкуемыми кромками зависит от толщины ме-

таллов; марки металлов, способа сварки и других факторов. Правильно вы-

бранный зазор обеспечивает качественный провар по сечению сварного соеди-

нения. Длиной скоса листа регулируют плавность перехода от толстой детали к

более тонкой, что способствует уменьшению напряжений

Условные обозначения сварных швов. На чертежах сварные швы обозна-

чаются независимо от способа сварки сплошной линией, если шов невидим

(рис.35).

Обозначение шва отмечают выноской, которая состоит из наклонной ли-

нии и полки. Наклонная линия имеет на конце стрелочку, закапчивающуюся на

месте шва.

Рис. 35. Условное изображение сварных швов:

а, б — видимый и невидимый швы, в - поперечное сечение;

1 - односторонняя стрелка, 2 — полка,

3 и 4— элементы видимого и невидимого швов

Полочка служит для размещения условных знаков, характеризующих

сварной шов (знаки располагают над полкой, если указана лицевая сторона

шва, и под ней, если указана обратная сторона).

Характеристика шва состоит из следующих элементов :

- обозначение стандарта на типы и конструктивные элементы швов;

- буквенно-цифровое обозначение сварных швов, которое принято в дан-

ном стандарте;

- условное обозначение способа сварки, принятого в стандарте (может не

указываться);

- для угловых, тавровых и нахлесточных соединений — знак профиля

шва и размер его катета;

- размер длины провариваемого участка (для прерывистых швов), шага и

знака, которые обозначают шахматный или цепной шов;

- вспомогательные знаки . 124

С помощью вспомогательных знаков обозначаются особые условия

выполнения швов (например, выполнение шва со снятым усилением, вы-

полнение сварки на монтаже и т. д.).

Основные виды сварки обозначаются следующим образом:

Р– ручная дуговая сварка (штучным электродом);

Ф– дуговая сварка под слоем флюса;

УП– сватка в активном газе (или же в смеси инертного и активного газов)

плавящимся электродом;

ИП – сварка в инертном газе плавящимся электродом;

ИН – сварка в инертном газе неплавящимся электродом;

Г– газовая сварка;

Пл– пламенная сварка;

ЭЛ– электронно– лучевая сварка.

Буквенные обозначения способа сварки проставляют на чертеже только в

случаях, когда применяется несколько видов сварки.

Притупление кромок осуществляется для обеспечения устойчивого ве-

дения процесса сварки, когда выполняется корневой шов. Если притупление

отсутствует, это вызывает образование при сварке прижогов.

Смещение кромок ухудшает прочность сварного соединения, а также

способствует возникновению непровара и концентраций напряжений.

Шов сварного соединения геометрически характеризуется следующими

параметрами: шириной шва b; высотой шва Н; величиной катета шва K (для

тавровых, угловых и нахлесточных соединений).

Электроды и другие сварочные материалы. Проволока сварочная

стальная.Стальная сварочная проволока, предназначенная для сварки и на-

плавки, изготавливается по ГОСТ 22465– 70.

Стандартом предусматривается 77 марок сварочной проволоки различно-

го химического состава: 6 марок низкоуглеродистой проволоки, 30 марок леги-

рованной проволоки и 41 марка высоколегированной проволоки.

В легированной проволоке содержится от 2,5 до 10% легирующих ком-

понентов, в высоколегированной свыше 10%.

Буквы и цифры в наименовании марок проволоки означают:

Св– проволока сварочная;

08 – 0,8% углерода (среднее содержание);

А – нормальное, АА– еще более низкое содержание вредных примесей

серы и фосфора;

Г– проволока, легированная марганцем (условные обозначения легирую-

щих элементов).

Таким образом, например, марка сварочной проволоки Св08ГС рас-

шифровывается следующим образом: Св–сварочная проволока, содержащая

0,8% углерода, до 1% марганца и до 1% кремния.

Сварочная проволока выпускается следующих диаметров: 0,3; 0,6; 0,8;

1,0; 1,4; 1,6; 2,0; 2,5; 3,0; 4,0; 5,0; 6,0; 8,0; 10,0; 12,0 мм. 125

Проволока диаметром до 3 мм применяется для шланговой сварки, диа-

метром от 1,6 до 6 мм — для ручной дуговой сварки штучными электродами;

от 2 до 5 мм — для автоматической сварки под флюсом; проволока больших

диаметров применяется для наплавочных работ.

В стандарте указаны технические условия на маркировку, упаковку,

транспортировку, а также хранение проволоки. Каждый моток или бухта долж-

на быть снабжена металлической биркой, на которой указываются наимено-

вание завода-изготовителя, условное обозначение проволоки, номер партии,

клеймо технического контроля и т. п.

Каждая партия проволоки снабжается сертификатом, в котором содер-

жатся основные технические данные.

Порошковая проволока. Порошковая проволока представляет собой

стальную оболочку с запрессованным в ней порошком. Порошковая проволока

применяется как для сварки, так и для наплавки.

Современная порошковая проволока изготавливается в основном пяти

типов (рис.36): трубчатая (1), трубчатая с нахлестом (2), с загибом в обо-

лочке (двух типов) (3;4) и двухслойная (5).

1 2 3 4 5

Рис.36 . Конструкция оболочек

Порошковая проволока выпускается диаметром от 1,6 до 3,6 мм. Для

оболочки используется лента из низкоуглеродистой стали марки 08КП холод-

ного проката в состоянии «мягкая» или «особо мягкая».

Проволока выпускается с пятью видами порошков (шихты):

— рутило-целлюлозная;

— карбонатно-флюоритная (флюорит — плавиковый шпат СаF2)

— флюоритная;

— рутило-флюоритная;

— рутиловая.

Покрытия электродов. Покрытия электродов выполняют сразу много

функций: стабилизируют горение дуги, защищают расплавленный металл от

кислорода и азота воздуха, способствуют удалению средних примесей, леги-

руют металл шва для улучшения его свойств и т. д.

Электродные покрытия состоят из шлакообразующих, раскисляющих,

газообразующих, легирующих, стабилизирующих и связующих компонентов.

Шлакообразующие компоненты защищают расплавленный металл от

воздействия кислорода и азота воздуха, а также частично очищают его. Шла- 126

кообразующие компоненты уменьшают скорость охлаждения металла и спо-

собствуют удалению неметаллических включений.

Шлакообразующие компоненты могут включать в себя марганцевую ру-

ду, титановый концентрат, каолин, мел, полевой пшат, мрамор, кварцевый пе-

сок, доломит, а также некоторые вещества, стабилизирующие горение дуги.

Раскисляющие компоненты обеспечивают раскисление расплавленного

металла сварочной ванны. К таким веществам относятся элементы, обладаю-

щие большим сродством к кислороду, чем железо, например, марганец, алю-

миний, кремний, титан и др. Как правило, раскислители вводятся в электрод-

ное покрытие в виде ферросплавов.

Газообразующие компоненты создают при сгорании защитную газовую

среду, которая предохраняет расплавленный металл от кислорода и азота воз-

духа. В качестве газообразующих используются такие вещества, как декстрин,

древесная мука, целлюлоза, крахмал.

Легирующие компоненты вводятся в состав электродного покрытия для

придания металлу шва специальных свойств: высокая механическая прочность,

жаростойкость, износостойкость, повышение сопротивляемости коррозии.

В качестве легирующих компонентов служат хром, титан, марганец, молибден,

ванадий, никель и некоторые другие элементы.

Стабилизирующие компоненты, В качестве стабилизирующих вводятся

элементы, имеющие небольшой потенциал ионизации, такие как натрий, калий

и кальций.

Связующие компоненты применяются для связывания составляющих

компонентов покрытия между собой и со стержнем электрода. Для этого ис-

пользуют декстрин, желатин, натриевое или калиевое жидкое стекло и другие

вещества. Основным связующим веществом служит, как правило, жидкое

стекло.

Классификация электродов. Электроды для дуговой сварки бывают

двух основных типов: плавящиеся и неплавящиеся. Неплавящиеся электроды

угольные, графитовые, вольфрамовые. Здесь же мы будем рассматривать толь-

ко плавящиеся электроды, опуская для краткости термин «плавящиеся».

Электроды, применяемые для сварки и наплавки, классифицируются по

целому ряду признаков:

— назначению (для сварки стали, чугуна, цветных металлов, для на-

плавочных работ);

— технологическим особенностям (для сварки в различных простран-

ственных положениях, для сварки с глубоким проплавлением, для ванной

сварки);

— виду и толщине покрытия;

— химическому составу стержня и покрытия;

— характеру шлака;

— механическим свойствам металла шва;

— способу нанесения покрытия (окунание или опрессовка); 127

— роду и полярности тока, а также по величине номинального напря-

жения холостого хода источника питания и т. д.

Все типы электродов должны удовлетворить перечню основных требова-

ний к ним:

— обеспечивать стабильное горение дуги;

— обеспечивать хорошее формирование шва;

— способствовать получению металла сварного шва заданного хими-

ческого состава;

— обеспечивать спокойное и равномерное расплавление электродного

стержня и покрытия — минимальное разбрызгивание электродного металла;

— обеспечивать легкое отделение шлаков;

— обеспечивать достаточную прочность сварного шва;

— обеспечивать высокую производительность сварки;

— должны сохранять свои физико-химические и технологические

свойства в течение определенного промежутка времени;

— иметь минимальную токсичность при изготовлении и производстве

сварочных работ.

Электроды для ручной дуговой сварки и наплавки подразделяются по на-

значению согласно стандарта следующим образом):

— для сварки углеродистых и низколегированных конструкционных

сталей с временным сопротивлением разрыву до 60 кгс/мм2

(обозначаются —

У);

— для сварки легированных сталей с временным сопротивлением раз-

рыву свыше 60 кгс/мм2

(Л);

— для сварки легированных теплоустойчивых сталей (Т);

— для сварки высоколегированных сталей с особыми свойствами (В);

— для наплавки поверхностных слоев с особыми свойствами (Н);

Электроды подразделяются также по толщине покрытия на электроды с

топким, средним, толстым и особо толстым покрытиями (обозначаются буква-

ми М, С, Д, Г).

По виду покрытия электроды подразделяются следующим образом:

— с кислым покрытием (обозначаются буквой А);

— c основным покрытием (И);

— с рутиловым покрытием (Р);

— с целлюлозным покрытием (Ц);

— с покрытием смешанного типа (обозначаются двумя буквами);

— с покрытием прочего вида (П).

По виду пространственного положения электроды подразделяются:

— для сварки во всех пространственных положениях, кроме верти-

кального сверху вниз.

— для положений нижнего, горизонтального на вертикальной плоско-

сти и вертикального снизу вверх;

— для нижнего положения и нижнего в «лодочку».

128