Определение процесса сварки
Для стыковки деталей в промышленности и строительстве используют различные технологии. Лидерскую позицию удерживает сварка. Она широко используется в машиностроении и других отраслях промышленности, при проведении строительных и ремонтных работ. Такую популярность можно объяснить высокой надежностью конструкций, получаемых в результате, и их прочностью. Технология экономически выгодна, отличается высокой производительностью.
Сварка — это технологический процесс, в результате которого образуются неразъемные соединения материалов. Иногда понятие ошибочно относят только к технологии соединения металлических элементов. На деле же разнообразные виды сварки позволяют надежно скрепить не только металл, но и стекло, графит, керамику, пластик.
На физическом уровне при сварке атомы и молекулы соединяемых поверхностей образуют прочные связи. Чтобы такие соединения возникли, необходимо соблюдать некоторые условия:
- свариваемые поверхности нужно очистить от загрязнений, оксидов, инородных атомов;
- для облегчения взаимодействия атомов между собой должна произойти их энергетическая активация;
- свариваемые заготовки необходимо разместить на таком расстоянии, которое можно было бы сопоставить с межатомным расстоянием в элементах.
В процессе остывания происходит образование сварочного шва на стыке.
Классификация видов сварки
Существующие виды сварки можно поделить на три класса. Эти большие группы выделяют на основании таких различий:
- специфика техники;
- характеристики свариваемого материала;
- особенности защиты процесса сварки от воздействия воздуха.
Способ воздействия на детали — это главный критерий, который позволяет выделить следующие три вида этого процесса:
- Термическая сварка. Совершается при помощи тепла, с применением дополнительных материалов. Источником тепловой энергии при данном виде сварки может служить газовое пламя, плазменный поток, электрическая дуга. Под воздействием высокой температуры присадочный металл плавится, получившаяся жидкость заполняет промежутки между элементами. После остывания получается неразъемное соединение.
- Механическая сварка. Главную роль в соединении элементов играет наружное воздействие на свариваемые детали. Все виды механической сварки предполагают деформацию поверхностей, которая приводит к плотному скреплению на молекулярном уровне. При физическом воздействии происходит переход механической энергии в кинетическую, что позволяет нагреть элементы до нужной температуры.
- Комбинированная сварка. Также известна как термомеханическая, заключается в сочетании перечисленных выше способов. В таком процессе используется давление и тепловая энергия. Например, металл могут предварительно нагреть до нужной температуры, а затем при помощи внешнего воздействия образуется неразъемное соединение.
В каждый из перечисленных классов входит несколько видов сварочного процесса. Основной критерий для разделения — это источник энергии, которая воздействует на свариваемые поверхности.
1 Дуговая
Дуговая сварка наиболее распространена. Для нее не нужны специальные приспособления или инструменты. Для дуговой сварки необходим мощный стабильный разряд электричества в ионизированной атмосфере газов. Во время зажигания дуги происходит ионизация дугового промежутка, которая поддерживается на протяжении всего горения.
Зажигание дуги — это процесс, происходящий в три этапа:
- Контакт металлической заготовки и электрода вызывает короткое замыкание. Оно служит для достижения температуры, необходимой при сварке.
- Затем инструмент отводится на небольшое расстояние (от 3 до 6 мм). Такое действие провоцирует начало термоэлектронной эмиссии электронов.
- Предыдущие действия позволяют добиться возникновения устойчивого дугового разряда. Это происходит, так как дуговой промежуток становится электропроводным.
Данный вид сварки разделяется на три подгруппы исходя из метода соединения деталей:
Материал, число электродов, а также способ их включения в цепь электротока формируют еще одну классификацию дугового вида сварки на несколько подвидов:
- Сварка неплавящимся электродом дугой прямого действия. Используется графитный или вольфрамовый электрод, присадочный материал применяется не всегда.
- Сварка плавящимся электродом дугой прямого действия. Применяется металлический электрод, одновременно происходит плавление основного металла.
- Сварка косвенной дугой. Как правило, этот способ предполагает использование двух неплавящихся электродов.
- Сварка трехфазной дугой. Горение дуги при таком способе происходит между электродами, а также между основным металлом и каждый электродом.
Fe2o3 2al =>al2o3 2fe 760 кдж, где
Fe2O3 – трехвалентный оксид железа ( визуально выглядит как обыкновенная ржавчина);2Al – пудра из алюминия;Al2O3 – шлаковый состав;Fe – чистое железо.
Реакция протекает очень бурно и длится 15-30 с. Из одного килограмма термита получают 0,55 кг металла и 0,45 кг шлака. Для сварочных работ термитную смесь готовят преимущественно в следующих пропорциях:1/4 -порошкообразный Al и ¾ — железный окисел. Термит дополнительно легируют для получения сварного соединения с заданными мех. свойствами и наполняют стальными обрезками для увеличения количественного выхода расплавленных продуктов реакции.
Для формирования жидкого металла используются формы, состоящие из двух разъемных половин. Сварка производится литейным металлом, который оплавляет кромки деталей и заполняет зазор между ними. Величина зазора 10-15 мм.
Существует два способа сварки: первый позволяет экономить расход термита, второй – увеличить скорость работ.
В первом случае соединение , на которое предварительно установлена форма, подогревают горелкой, которая подводится через верхнюю ее часть, до Т- (850 -900) градусов Цельсия. По достижению температуры расплавленный состав выдерживается 5-6 с и спускается в форму.
Второй случай не предполагает применение предварительного нагрева (благодаря чему и экономия времени 15-20 мин.) свариваемого изделия газопламенной горелкой. Металл сварного соединения прогревается самим термитом, который сжигается в увеличенном количестве (в литейном производстве также используется подобный прием, когда кокиль нагревается самим металлом, например, при алюминиевом гравитационном литье).
Детали не должны содержать влаги. Вода спровоцирует выплеск металла. Операторы термитной сварки должны быть ознакомлены с правилами техники безопасности. Они должны использовать СИЗ: стойкие к высокой температуре прозрачные очки, специальную обувь, одежду, обработанную огнеупорным составом (читайте статью «СИЗ сварщика»).
Достоинства и недостатки метода
При помощи термитной сварки есть возможность без применения дорогостоящего оборудования сваривать черные и цветные металлы. По сравнению с другими способами сварки данную технологию выгодно отличает целый ряд качеств.
- Термитная сварка характерна меньшей затратностью в плане времени. Если учесть массивность свариваемых деталей, то эта выгода порой является определяющей.
- Качество швов достигает высокой степени, так как происходит частичное проплавление металла заготовок. Помимо этого, шов получается достаточно эстетичным и аккуратным.
- Следует также отметить относительно невысокую трудоемкость работ.
- От сварщика требуется определенное мастерство, но оно касается, скорее, подготовительного этапа и приготовления смеси. Сам же процесс сварки особых навыков не требует, в отличие от сварки электродом.
- Доступность и низкая стоимость расходных материалов позволит существенно сэкономить финансы и упростить задачу.
- Сварочное оборудование можно использовать вдали от населенных пунктов.
При этом установка для термитной сварки считается достаточно опасной. Необходимо соблюдать меры предосторожности при ее использовании. Важно помнить, что термиты считаются горючими смесями. Нельзя допускать попадание в шихту жидкостей, так как это может привести к взрыву.
Термитная сварка не получила такого распространения, как дуговая, зато в некоторых случаях является незаменимой. В мелких мастерских ремонт осуществляется при помощи термитного карандаша. Начинающему мастеру сначала следует освоить этот инструмент, а уже затем приступать к изучению настоящего оборудования.
Контактно-тепловая сварка | упаковочное оборудование, запайщики, микродозаторы
Контактно-тепловую сварку нагретым инструментом осуществляют с односторонним или с двусторонним нагревом (рис. 5.19). Учитывая, что при сварке мягкой тары толщина материа-
Л а значительно меньше ширины и длины шва, можно считать тепловой поток от нагревателя 1 направленным в одну сторону вдоль оси у. Тогда все плоскости, параллельные плоскости шва и рабочей плоскости нагревателя, будут изотермическими поверхностями. Температура этих поверхностей является функцией расстояния от нагревателя у, зависящей от времениT.
Решение задачи определения температур изотермических поверхностей должно удовлетворять основному уравнению теплопроводности Фурье для одномерного теплового потока и некоторым условиям, характеризующим эту задачу [40]:
DT d2T
2- (5-2)
Dt dy
Где Т—температура, К; t—время; а—коэффициент температуропроводности, м2/с; у — расстояние от верхней поверхности пленки, находящейся в контакте с нагревателем, м.
Время, необходимое для достижения какой-либо заданной температуры при нестационарных тепловых процессах, обратно пропорционально температуропроводности материала. Коэффициент температуропроводности а зависит от удельной теплоемкости с, плотности р и коэффициента теплопроводности X:
А = (5-3)
Чем больше коэффициент температуропроводности, тем меньше разность температур в различных местах внутри материала при одинаковых внешних условиях его нагревания.
Теплофизические свойства термопластичных полимеров, необходимые для расчета их коэффициента температуропроводности, приведены в табл. 5.2.
При заданном начальном распределении температуры в материале, известных условиях теплообмена на его границах, а также при условии, что теплофизические свойства материала в процессе сварки остаются постоянными, можно рассчитать процесс распространения тепла. Решая уравнение (5.2), получаем выражение
Термопластичный полимер | Температура текучести Гт, «С | Коэффициент теплопроводности А., Вт/(м — град) | Удельная теплоемкость с, кД)^/(кг-фадГ | Коэффициент линейного термического расширения а, 10~4 |
ПЭНП | 110 | 29,2-Ю-2 | 2,10-3,84 | 2,2 (от 0 до 50 вС) |
ПЭВП | 140 | 40,0-10″2 | 2,10-3,84 | 5,2 (от 50 до 100-С) |
ПП | 170 | 13,8-Ю-2 | 1,92 | 1.4-2,0 |
ПС | 150 | 12,5-Ю-2 | —- | 0,6 |
ПММА | 160-180 | 16,7-10″2 | 1,50 | 1.2 |
ПВХ | 180 | 16,7-Ю-2 | 1,17 | 1,0 |
ПА | 225-260 | 25,1-Ю-2 | 1,67 | 1.1 |
ПУ | 190 | 31,4-Ю-2 | — | 1.4 |
ПЭТФ | 280 | 13,8-10″2 | 1,04 | — |
ФП-4 | >360 | 25,1-10″2 | 1,04 | 1,8 |
ФП-3 | >270 | 5,8-10″2 | 0,92 | — |
Тн»тс _ 2 Г e-P’dfi
^ <5-4)
у.
мерно. На поверхности материала температура выше, чем в зоне сварки. Для достаточного разогрева зоны сварки температура нагревательных элементов должна быть выше температуры сварки. Скорость разогрева зависит от температуры инструмента, теплофизических свойств и толщины свариваемого материала.
Значительно улучшает условия сварки двусторонний нагрев материала (рис. 5.19, б). Он позволяет уменьшить время разогрева и понизить температуру инструмента.
Основное уравнение теплопроводности (5.2) при двустороннем нагреве принимает вид
Пей9Ncd 25nat>
2 1 с2 1
Е 5 —е s —е — 3 5
ГдеT — продолжительность нагрева, с: 5 — суммарная толщина материала в зоне сварки, м.
Числовое значение ряда в правой части уравнения (5.6) можно определить по справочникам.
Способы получения сварных соединений разделяют на непрерывные и периодические.
При непрерывной контактно-тепловой сварке скорость перемещения материала относительно инструмента v определяется продолжительностью разогрева зоны сварки до требуемой температуры t
V = ~T> (5/7)
Где I — рабочая длина нагревателя.
В процессе непрерывной сварки температура по длине нагревателя распределяется неравномерно. Передняя его часть, постоянно вступающая в контакт с холодным материалом, имеет более низкую температуру. Поэтому для нагрева свариваемого материала требуется больше времени, чем при шаговой сварке нагревателем, имеющим такую же. но равномерно распределенную температуру.
По конструктивному исполнению сварочного узла непрерывную контактно-тепловую сварку подразделяют на роликовую и ленточную. При роликовой сварке соединяемый материал пропускают через пару вращающихся нагретых роликов, один из которых прижимается с усилием, обеспечивающим требуемое контактное давление сварки (рис. 5.20). Ширина получаемого сварного шва задается шириной рабочей части роликов. Рабочая поверхность роликов может быть гладкой или рифленой с различным профилем. Ролики могут быть достаточно широкими в виде валиков, с углублениями различной конфигурации под упаковываемый штучный материал.
Ленточная сварка позволяет производить охлаждение свариваемого шва перед снятием давления. Схема ленточной сварки приведена на рис. 5.21. Зона сварки расположена между двумя парами соосно установленных вращающихся валов, на которые надеты две непрерывные кольцевые металлические ленты 2. Между ними подается свариваемый материал 1. Сварка осуществляется между нагревательными губками 3, передающими через ленту определенное давление сварки. Затем между охлаждающими губками 4 под давлением происходит охлаждение сварного шва.
Периодическая контактно-тепловая сварка включает операции подачи соединяемых материалов в зону сварки, прижим нагретым инструментом, нагрев, выдержку, охлаждение, отвод инструмента, удаление сваренных материалов.
Период рабочего цикла машины Тц, осуществляющей периодическую сварку, составляет
Где — время, затраченное на сварку; ^ — время, затраченное на холостые ходы в течение периода рабочего цикла.
Время, затраченное непосредственно на сварку, включает время нагрева t^, время выдержки ^ и время охлаждения £0ХЛ:
^св = ^н ^охл • (5-9)
Время, затраченное на холостые ходы, содержит время подачи материала в зону сваркиTn, время прижима и время отвода горячего инструмента время удаления сваренных материалов tyi
Tx=tn tnp TvT ty(5.10)
Оценить степень совершенства технологии позволяют соотношения технологической производительности к и цикловой производительности Qu:
Jc = —; = —-— = Т)fc,
T т T T
Ц ^cb
Где r — коэффициент производительности.
Л = —=———
Т ktv l
Очевидно, что 0 < r < 1, причем У] = 1 при отсутствии холостых ходов, т. е. при предельном совершенстве технологии и машины.
Сварочным инструментом для получения прямолинейных швов обычно являются бруски из нержавеющей стали с тщательно полированной поверхностью. Их толщина равна ширине сварочного шва. Они нагреваются чаще всего электрическим устройством.
Для получения швов различной конфигурации используют плоский сварочный инструмент в виде плит (рис. 5.22) с выступающим профилем шириной Ь, равной ширине сварочного шва. Профиль может иметь гладкую или рифленую рабочую поверхность.
Для уменьшения нагрева материала в околошовной зоне, значительно понижающего прочность сварочного соединения, ширину инструмента увеличивают и снабжают его специаль-
Отверстия для нагревателей
Рис. 5.22. Плоские плиты для контактно-тепловой сварки с гладкой (а) и рифленой (б) поверхностями сварочного шва
Ными охлаждающими элементами или изоляционными пластинками (рис. 5.23).
С целью исключения прилипания свариваемого материала к нагревателю, сварку часто осуществляют через разделительные прокладки. Их обычно изготавливают из фтороплас — та-4, армированного стеклянной тканью, а также из поли — этилентерефталата, целлофана, кремнийорганической резины. Вместо разделительных прокладок можно наносить на рабочие поверхности нагревателя тонкий слой антиадгезионного состава на силиконовой основе. Однако этот слой необходимо часто восстанавливать, поскольку после каждого цикла сварки небольшое количество антиадгезионного состава переходит в сварной шов.
Выбор технологических параметров сварки (температуры, давления и продолжительности) зависит в первую очередь от типа свариваемого материала, его толщины, а также от типа и конструктивных особенностей сварочного инструмента.
Мягкая тара изготавливается преимущественно из полимерных однослойных или многослойных материалов. Особен-
Ностью сварки тонких пленок является возможность их быстрого прогрева. Поэтому инструмент при контактно-тепловой сварке можно нагревать до температур начала деструкции материала. Однако это не сказывается на качестве сварки, поскольку скорость деструкции ниже скорости сварки при малых толщинах пленок.
Сварку пленок толщиной до 100-150 мкм можно проводить с односторонним нагревом. Более толстые пленки следует сваривать с двусторонним нагревом. С увеличением толщины пленок возрастает температура нагревательного элемента, но до известного предела, поскольку одновременно возрастает и время прогрева материала, что может привести к его деструкции (табл. 5.3) [40].
Скорость контактно- тепловой сварки возрастает с повышением температуры нагревательных элементов. На рис. 5.24 показана зависимость скорости роликовой сварки полиэтиленовой пленки от температуры нагревающего ролика. Заштрихованная область на графике соответствует оптимальным значениям температур и скоростей сварки, при которых получают качественные сварные соединения.
Прочность получаемых сварных соединений пленок при испытании на расслаивание составляет в среднем 60-70% от прочнос-
Режимы контактно-тепловой сварки пленок на машине МСП-1
Материал | Толщина пленки, мкм | Температура нагревательного инструмента, ‘С | Давление на свариваемый материал, МН/м2 | Скорость сварки, м/мин |
30 | 160-180 | 0,05-0,20 | 10-15 | |
Полиэтилен, | 45 | 190-200 | // | 8-12 |
Полипропилен | 60 | 210-220 | // | 8-12 |
100 | 220-250 | // | 6-8 | |
Фторлон | 110 | 260 | 0,15-0,25 | 1-2 |
Ти основного материала. Одной из причин понижения прочности шва является перегрев зоны материала, непосредственно соприкасающейся с нагретым инструментом. В результате термодеструкции прочность материала в этой зоне значительно уменьшается. Кроме того, перегрев приводит к повышенной деформации материала при его сдавливании сварочным инструментом. Возникающие наплывы являются концентраторами напряжений, снижающими прочность. При сварке ориентированных пленок основной причиной снижения прочности сварного шва является дезориентация полимера в зоне нагрева.
В результате определения температуры поверхности полиэтиленовых пленок, контактирующей с нагревательным сварочным инструментом, установлено, что за время сварки температуры околошовной зоны Успевает прогреться лишь уз- пленок ПЭНП толщиной 100 мкм Кая полоска материала возле от расстояния до нагретого Сварного шва (рис. 5.25) [40]. инструмента и времени сварки
Контроль качества
Качество сварного соединения – важный показатель термитной сварки. Изделие должно быть соединено надежно, прочно, аккуратно. При этом качество может зависеть от разных факторов, в том числе от выбранной технологии. Обычно работа контролируется по уровню дефектов сваривания металлических деталей.
На качество сварки могут влиять:
- геометрические размеры;
- структура, твердость, прочность;
- поры, трещины, шлаковые включения;
- сплавление основного и наплавленного металлов;
- эстетические показатели;
- коробления и структурные изменения;
- коррозийность сварных швов.
Контроль качества осуществляется в несколько этапов, выявляющих наличие либо отсутствие дефектов. В ходе проверки учитывают приемлемость внешнего вида, плотность готового шва, а также его физико-химические свойства. Сам контроль качества может быть предварительным и окончательным. Каждый тип имеет свои особенности.
Предварительный – не что иное, как первичный.Он является мерой профилактики дефектов. В данном случае следят не только за соблюдением режима сварки, но и за контролем электродов, флюсов. При окончательном происходит оценка результатов технологии сваривания. Это не только визуальный осмотр, но также испытание на проницаемость.
Испытания проводят в аппаратах, предназначенных для работы под давлением.
Следующее видео наглядно расскажет о термитной сварке рельсов на железной дороге.
Сварка ультразвуком, трением и вибротрением
В отличие от сварки металлов ультразвуком волновод устанавливается перпендикулярно к свариваемым плоскостям, а не в плоскости их (рис. 27.3). При такой схеме механические колебания и давление действуют по одной линии. Ультразвуковые механические колебания генерируют в свариваемых деталях достаточное количество теплоты, чтобы размягчить материал в зоне сварки, а дав-
Рис. 27.2.Сварка нагретым инструментом:
а — с односторонним нагревом; б — с двусторонним нагревом, при котором нагреватель соприкасается с внешней поверхностью (проплавление); в — сварка листов; г — сварка труб, нагреватель соприкасается непосредственно со свариваемыми поверхностями (оплавление); д — сварка пленок нагретым клином с механизированной подачей свариваемых пленок;
1 — опора; 2 — свариваемые листы; 3 — нагретый инструмент; 4 — изоляционная прокладка; 5 — сварной шов; 6 — свариваемые трубы; 7 — ведущий ролик; 8 — ролик-опора
Рис. 27.3.Ультразвуковая сварка с нормальным видом колебаний:
а — схема сварочного узла; б — эпюра амплитуды смещения колебательной системы; в — расположение вектора статического давления Р и динамического усилия; 1 — корпус преобразователя;
2 — пакет преобразователя с обмоткой; 3 — трансформатор упругих колебаний; 4 — волновод; 5 — свариваемые детали; 6′ — опора; А — амплитуда смещения волновода; УЗГ — ультразвуковой генератор ление обеспечивает сварку деталей.
Рассматриваемая схема ультразвуковой сварки относится к контактной, однако различают и так называемую передаточную сварку (рис. 27.4). Она характеризуется передачей энергии ультразвуковых колебаний па определенное расстояние от места ее ввода. Ее рекомендуют для сварки жестких пространственных конструкций из полистирола, капрона, поликарбоната, полиамида и др.
Рис. 27.4.Схема передаточной ультразвуковой сварки:
1 — волновод; 2 — свариваемые детали
Сварка трением и вибротрением основана па превращении механической энергии в тепловую. Их схемы аналогичны соответствующим схемам при сварке металлов (см. рис. 25.4). Сварка вибротрением применяется для соединения несимметричных деталей.
Составы
Как было уже указано выше, железоалюминиевая термитная сварка стала наиболее популярной. Основная масса термита представлена оксидом железа. Алюминия в смеси всего 25%, но можно встретить в составе и дополнительные компоненты. Добавляют флюс, легирующие присадки и железную обсечку.
- Магний (31%) и оксид железа (69%).
- Кальций (43%) и оксид железа (57%).
- Титан (31%) и оксид железа (69%).
- Кремний (21%) и оксид железа (79%).
В зависимости от области применения сварки, готовятся различные виды смесей. Железная окалина и алюминиевый порошок дают элементарную смесь. Необходимо строго соблюдать пропорции. Для соединения и ремонта на железной дороге создается специальный рельсовый состав.
Чугунные изделия, как правило, к сварке предъявляют особые требования. Так, в составе термита для чугуна в обязательном порядке должен присутствовать кремний. При соблюдении технологии можно получить достаточно качественное и прочное соединение. Марганец в таких присадках не применяется.
Способы
Существует 4 методики проведения сварочных работ с применением термита:
- впритык;
- дуплекс;
- смешанный вариант;
- с промежуточным вливанием.
Каждый способ соединения деталей имеет свои нюансы. Первый из них подразумевает соединение деталей встык с предварительной обработкой и зачищением торцов. В целях предупреждения деформации деталей в ходе неравномерного нагрева металла участки в месте сварки покрывают специальной термоизоляционной пленкой. После того как термит сгорит, жидкий металл заливают в зазор между заготовками. Далее их прижимают друг к другу и стыкуют.
Промежуточный способ термитной сварки не столь затратен, с технологической точки зрения он считается простым. В данном случае расплавленный металл также выливают из тигля в зазор между свариваемыми объектами. Однако они не проходят предварительную обработку. Комбинированный тип сварки может сочетать в себе оба вышеописанных способа сварочных работ. К такой методике прибегают при сварке рельсов. Методика заключается в подрезке рельсовых кромок, после чего между ними кладут тонкую металлическую пластину и производят сжимание двух элементов. В итоге пластина деформируется и сжимается. После этого стык повторно проваривается сверху.
Дуплекс – разновидность тигельной сварки, отличающаяся опрессовкой стыков. По сути, это промежуточная сварка с введением процедуры сжатия оплавленного зазора между двумя подготовленными деталями. Опрессовку выполняют после заливки сплава.
