СВАРКА, РЕЗКА, ПАЙКА И НАПЛАВКА МЕТАЛЛОВ, Общие сведения о сварке, Сварка — Материаловедение

Сварка – технологический процесс получения неразъемных соединений из металлов, сплавов и других однородных или разнородных материалов в результате образования атомно-молекулярных связей между частицами соединяемых заготовок.

Основной задачей сварки является получение прочного неразъемного соединения свариваемых заготовок с заданными физико-механическими свойствами. Процесс соединения деталей с помощью сварки в большинстве случаев является сборочным и может быть введен непосредственно в поток узловой или общей сборки. Во время сварки собираемые элементы конструкции (детали) удерживаются в специальных приспособлениях фиксаторами или конвекторами, что обеспечивает правильное положение элементов относительно друг друга.

Не все металлы и их сплавы и не в любых комбинациях могут надежно свариваться обычными методами с применением традиционной технологии, т.е. образовывать соединения с требуемыми механическими и физическими свойствами. Поэтому существует понятие – свариваемость металлов и их сплавов.

Свариваемостью металла называют совокупность его физических и технологических свойств, определяющих способность обеспечить с помощью того или иного обычного метода сварки и принятого технологического процесса надежное в эксплуатации соединение.

Сварное соединение считают высоко- и равнопрочным, если его физико-механические свойства близки к свойствам основного (свариваемого) металла и в нем отсутствуют дефекты – трещины, поры, шлаковые включения, раковины и др.

Сварка является одним из наиболее совершенных, экономически выгодных, высокопроизводительных и в значительной степени механизированных технологических процессов. Поэтому ее широко применяют практически во всех отраслях машиностроения. Она позволяет надежно соединять между собой детали и элементы узлов машин, заготовки практически любых толщин и конфигурации. Поэтому сварные изделия или отдельные их узлы могут иметь очень сложную форму в сочетании с незначительной массой при относительно простой и нетрудоемкой технологии изготовления.

Существует несколько десятков способов сварки. Все они значительно отличаются один от другого по технике выполнения. Однако по характеру протекания процессов формирования соединения, в зависимости от агрегатного состояния металла в месте и во время сварки все существующие способы принято объединять в две группы: сварка плавлением и сварка с применением давления.

На рис. 18.13 представлена классификация основных способов сварки и их разновидностей, имеющих в настоящее время промышленное значение. При сварке плавлением происходит совместное расплавление кромок свариваемых заготовок, а в случае необходимости присадочного металла для дополнительного заполнения зазора между ними. В результате образуется сварочная ванна металла, после затвердевания которой формируется сварочный шов.

Рис. 18.13. Классификация основных способов сварки

При сварке с применением давления заготовки соединяются в результате совместного воздействия нагрева и давления.

Выбор того или иного способа и режима сварки зависит в первую очередь от свойств материала; толщины, геометрической формы и габаритов заготовок; назначения изделия.

Электрическая дуговая сварка. Сущность процесса электрической дуговой сварки состоит в том, что расплавление кромок заготовок происходит за счет теплоты сварочной дуги, возбуждаемой между электродом и кромками заготовок. Максимальная температура дуги наблюдается в осевой ее части и составляет 4500–6000°С.

В качестве исходных заготовок при дуговой сварке используют продукцию стального и цветного проката, объемной и листовой штамповки, поковки, отливки и др.

Ручную дуговую сварку (рис. 18.14) широко применяют во всех областях техники. Однако этот способ малопроизводителен, и качество сварки зависит от квалификации сварщика. Заготовку или полуфабрикат 2 располагают на металлическом столе или стальной плите 1, обеспечивая при этом с помощью механических прижимов надежный электрический контакт между ними и фиксирование заданного положения свариваемых кромок. Электрод 3 закрепляют в специальном электродержателе.

Рис. 18.14.Ручная сварка:

1 – сварочный стол; 2 – заготовка; 3 – электрод

Принципиальная схема сварки показана на рис. 18.15. К заготовкам 6 и электроду 1 подводится переменный или постоянный ток напряжением не ниже 60 В, затем сварщик возбуждает между ними сварочную дугу, при нормальном горении которой устанавливается рабочее напряжение 16–20 В. За счет ее теплоты кромки заготовок и металл торца электрода взаимно расплавляются, образуя сварочную ванну 4. При этом также расплавляется на торце электрода обмазка 2, образуя над ванной 4 некоторый объем нейтрального газа 3 и шлака 5, которые повышают стабильность горения дуги и защищают кипящей металл ванны от вредного воздействия атмосферного воздуха.

Рис. 18.15. Принципиальная схема сварки:

1 – электрод; 2 – обмазка; 3 – нейтральный газ; 4 – сварочная ванна; 5 – шлак; 6 – заготовка

Сварщик перемещает вручную электрод вдоль шва, сообщая его концу с горящей дугой поперечные колебательные или вращательные движения для обеспечения равномерного расплавления обеих кромок заготовок и перемешивания металла сварочной ванны. По мере перемещения дуги металл сварочной ванны затвердевает, образуя сварной шов, соединяющий заготовки.

Для сварки ответственных изделий с толщиной стенок более 4–6 мм часто накладывают швы один на другой путем повторного прохода, что обеспечивает более полный провар кромок на всю их толщину.

При сварке прерывистым швом или для прихватки заготовок в отдельных точках сварщик перемещает электрод, возбуждая дугу периодически.

В зависимости от вида сварных соединений и взаимного расположения свариваемых элементов существуют различные типы сварных соединений (рис. 18.16): встык, внахлестку, тавровые, угловые, кромочные, с отбортовкой кромок, точечные.

Рис. 18.16.Виды сварных соединений:

а – встык; б – внахлестку; в – тавровые; г – угловые; д – кромочные; е – с отбортовкой кромок; ж – точечные

Наиболее прочными и экономичными являются стыковые соединения. Угловые и бортовые выполняют главным образом связующую роль, так как они практически не способны воспринимать заметные силовые нагрузки. Пример выполнения соединений с помощью угловой и точечной сварки показан на рис. 18.17. В зависимости от положения продольной и поперечной оси шва в пространстве различают сварку в нижнем, вертикальном, горизонтальном и потолочном положениях (рис. 18.18).

Рис. 18.17.Примеры сварки:

а – угловой; б – точечной (швы выделены белым цветом)

Рис. 18.18.Основные положения сварки:

а – нижнее; б – горизонтальное; о – вертикальное; г – потолочное

На практике большинство швов выполняют в наиболее удобном и надежном нижнем положении.

При данном виде сварки металлический стержень выполняет функции электрода и присадочного материала. Электродные стержни должны изготовляться из проволоки, у которой строго выдержан химический состав. Особое внимание выбору электродов следует уделять при сварке специальных сталей. Промышленность выпускает более 70 марок сварочной проволоки.

Для питания сварочной дуги применяют специальные источники тока: переменного – сварочные трансформаторы, понижающие сетевое напряжение с 380–220 В до 55–65 В; постоянного – генераторы и выпрямители.

Дуговую сварку под флюсом (рис. 18.19) ведут непокрытой электродной проволокой 4, дугу 1 и ванну 10 защищают со всех сторон специальным порошкообразным или гранулированным флюсом 6.

Рис. 18.19.Принципиальная схема сварки под флюсом:

1 – дуга; 2 – сварочная головка; 3 – ролики; 4 – электродная проволока; 5 – жидкий шлак; 6 – слой флюса; 7 – шлаковая корка; 8 – сварочный шов; 9 – деталь; 10 – расплавленный металл

Сварку, как правило, выполняют полуавтоматическим или автоматическим методом с применением больших сварочных токов до 2000 А. Кромки заготовок плотно прижимают к стальной (сменной или остающейся) или медной прокладке. Электродную проволоку длиной 5–25 м заправляют в кассету, помещенную в ранце полуавтомата или самоходной головке автомата. Проволока в зону сварки подается роликами 3. Под действием дуги 1 расплавляются кромки заготовок 9, электродная проволока 4 и часть флюса 6; образуется сварочная ванна металла 10, покрытая некоторым слоем жидкого шлака 5. Действие мощной дуги и весьма быстрое ее перемещение вдоль заготовок обусловливают оттеснение расплавленного металла 10 в сторону, противоположную направлению сварки. По мере поступательного движения дуги металлическая и шлаковая ванны затвердевают с образованием сварного шва 8, покрытого твердой шлаковой коркой 7. После сварки она легко отделяется и удаляется с поверхности шва. Металл сварочной ванны, медленно затвердевая под шлаковой коркой, приобретает высокие механические свойства. В состав флюса входят компоненты, обеспечивающие надежную защиту сварочной ванны, стабильность горения дуги, а также легирование, раскисление и благоприятное формирование шва. Плотная флюсовая защита сварочной ванны предотвращает разбрызгивание и угар расплавленного металла в условиях действия мощной дуги. Для сварки определенных групп металлов применяют соответствующие флюсы: углеродистых и низколегированных сталей – марганцевые высококремнистые, легированных сталей – низкокремнистые, высоколегированных сталей – безкремнистые флюсы на основе соединений СаО, CaF2 и Al2O3 и т.д. Автоматизированная дуговая сварка под флюсом производительнее дуговой сварки в 10 раз и более, а также обеспечивает более высокое качество.

Области применения ограничены горизонтальными швами. Автоматическую сварку под флюсом применяют в серийном и массовом производствах для выполнения непрерывных прямолинейных и кольцевых швов большой протяженности на металле толщиной 2–100 мм.

Принципиальная схема дуговой сварки в защитных газах показана на рис. 18.20. В зону действия сварочной дуги 4 непрерывно подается с помощью специальной сварочной горелки защитный газ 2, надежно защищающий металл сварочной ванны и охлаждающий швы. Защитные газы, как правило, обладают хорошей ионизирующей способностью, поэтому обеспечивают стабильное горение дуги при любой величине тока.

Рис. 18.20.Сварка в защитном газе:

1 – свариваемые детали; 2 – защитный газ; 3 – электрод; 4 – дуга

В качестве защитных газов наибольшее распространение получили инертные: аргон или гелий, а также углекислый газ.

Более подробно рассмотрим вариант аргонодуговой сварки. Ею можно сваривать неплавящимся вольфрамовым электродом без присадки и с присадкой и плавящимся электродом вручную (рис. 18.21, а), полуавтоматическим (рис. 18.21,6, в) и автоматическим методами.

Рис. 18.21.Разновидности сварки в среде защитных газов:

а – ручная; б – полуавтоматическая с неплавящимся электродом; в – полуавтоматическая с плавящимся электродом: 1 – присадочный пруток или проволока, 2 – сопло; 3 – токоподводящий мундштук; 4 – корпус горелки; 5 – неплавящийся вольфрамовый электрод; 6 – рукоять горелки; 7 – атмосфера защитного газа; 8 – сварочная дуга; 9 – ванна расплавленного металла; 10 – кассета с проволокой; 11 – механизм подачи; 12 – плавящийся металлический электрод (сварочная проволока)

Процесс в варианте ручной сварки (см. рис. 18.21, а) происходит следующим образом. Кромки заготовок плотно прижимают к стальной или медной подкладке и фиксируют их расположение. К заготовкам и вольфрамовому электроду 5 подводится сварочный ток напряжением холостого хода не ниже 60 В. Затем сварщик включает автоматическую подачу аргона 7 в зону сварки и спустя 5–7 с возбуждает с помощью горелки 4 стабильную сварочную дугу 8 (которая затем действует устойчиво при напряжении 10–12 В) и одновременно обеспечивает, если требуется, подачу присадочной проволоки.

Под действием дуги 8 кромки заготовок и присадочная проволока расплавляются, образуя сварочную ванну 9, которую защищает поступающий из сопла 2 горелки аргон 7. При этом сварщик вручную перемещает горелку вместе с действующей дугой и подачей присадочной проволоки и аргона вдоль свариваемых кромок. По мере перемещения жидкий металл ванны затвердевает, образуя сварной шов. Для выполнения прерывистого шва или прихватки заготовок в отдельных точках сварщик перемещает горелку непрерывно, а возбуждает дугу, включает подачу аргона и перемещает присадочную или электродную проволоку периодически. В качестве присадочного материала и плавящегося электрода применяют в большинстве случаев проволоку диаметром 0,5–3 мм, но химическому составу близкую к составу свариваемого материала.

Аргонодуговая сварка неплавящимся электродом является одним из лучших способов сварки тонколистовых заготовок (0,1–2 мм) изделий из многих алюминиевых и магниевых сплавов, нержавеющих и жаропрочных сталей.

Успешно также сваривают изделия из тугоплавких и химически активных металлов и сплавов: ниобия, тантала, молибдена, циркония и др.

Вариантом этого метода является аргонодуговая сварка в камере с контролируемой атмосферой. Отличие этого метода в том, что все изделие помещается в специальную герметичную камеру, из которой предварительно откачивают воздух, а затем заполняют ее аргоном.

Электрошлаковую сварку выполняют обычно при вертикальном или наклонном (под углом 45°) положении заготовок с зазором между ними в 20–30 мм и принудительном формировании сварного шва. Поскольку сварка ведется по зазору без разделки кромок, это позволяет получать более однородную, без шлаковых включений структуру металла шва. Схема процесса показана на рис. 18.22.

Рис. 18.22.Схема электрошлаковой сварки:

1 – заготовка; 2 – жидкий шлак; 3 – ползуны; 4 – электроды; 5 – расплав металла; 6′ – шов; 7 – поддон

Процесс сварки сводится к следующим операциям. Снизу к заготовкам 1 приваривают вручную вводную планку (поддон) 7. По обе стороны зазора между заготовками прижимают водоохлаждаемые формирующие медные ползуны (пластины) 3. Затем на поддон насыпают специальный флюс. В зазоре между заготовками располагают одну или несколько электродных проволок 4.

К электроду и заготовкам подключают постоянный или переменный ток. Между электродом и поддоном возбуждается под флюсом дуга. В зону ее горения электродную проволоку подают специальным механизмом. За счет теплоты дуги электродная проволока и флюс расплавляются, в результате образуются металлическая 5 и шлаковая 2 ванны. После накопления нужного объема жидкого металла и шлака дуга шунтируется электропроводным шлаком и гаснет, а подача проволоки 4 и поступление тока продолжаются. При прохождении тока через расплавленный шлак, являющийся электролитом, обладающим высоким сопротивлением, в нем выделяется большое количество теплоты (согласно закону Джоуля – Ленца), за счет которой и происходит дальнейшее расплавление электродной проволоки и кромок заготовок. По мере накопления в ванне жидкого металла и шлака медные ползуны вместе с механизмом подачи электродной проволоки и флюса перемещаются автоматически снизу вверх со скоростью подъема уровня жидкого металла. Вследствие отвода теплоты в основной металл и медные ползуны металл ванны охлаждается и в нижней части кристаллизуется, образуя сварной шов 6, соединяющий кромки заготовок. В начальном и конечном участках шва образуются дефекты: в начале – непровар кромок, в конце – усадочная раковина и неметаллические включения. Поэтому сварку начинают на вводной, а заканчивают на выходной планке, которые приваривают вручную заранее, а затем удаляют газовой сваркой.

Электрошлаковую сварку особенно выгодно использовать в тяжелом и транспортном машиностроении для изготовления сварно-кованых и сварно-литых конструкций: станин и деталей мощных прессов и станков, прокатных станов и т.д. из любой стали, титана, меди, алюминия и их сплавов, заготовок толщиной 50–2000 мм.