Основные методы и способы сварки

Сварка это процесс получения неразъемного соединения посредством установления межатомных связей между свариваемыми частями при их местном или общем нагреве, или пластическом деформировании, или совместном действии того и другого. В настоящее время создано очень много методов сварки. Все известные виды сварки принято классифицировать по основным физическим, техническим и технологическим признакам. По физическим признакам, в зависимости от формы используемой энергии, предусматриваются три вида сварки:  термическая сварка, термомеханическая сварка и механическая сварка.

Термический вид сварки включает все методы с использованием тепловой энергии (дуговая сварка, газовая сварка, плазменная сварка и т. д.).

Термомеханический вид объединяет все методы сварки, при которых используются давление и тепловая энергия (контактная сварка, диффузионная сварка)

Механический вид включает методы сварки, осуществляемые с помощью механической энергии (холодная сварка, сварка трением, ультразвуковая сварка, сварка взрывом).

Методы сварки классифицируются по следующим техническим признакам:

• по типу защитного газа (в активных газах, в инертных газах);
• по способу защиты металла в зоне сварки (на воздухе, в среде защитного газа, в вакууме, под слоем флюса,  с комбинированной защитой);
• по степени механизации (ручная, механизированная, автоматизированная, автоматическая);
• по характеру защиты металла в зоне сварки (со струйной защитой, в контролируемой атмосфере).

Дуговая (электродуговая) сварка.  Дуговая сварка металла это сварка плавлением, при которой нагрев свариваемых кромок осуществляется теплом электрической дуги. Наибольшее применение получили четыре способа дуговой сварки.

Ручная дуговая сварка металла

 

Схема ручной дуговой сварки

Может производиться двумя способами:неплавящимся электродом и плавящимся электродом.
При ручной дуговой сварке  неплавящимся электродом  свариваемые кромки изделия приводят в соприкосновение. Между неплавящимся (угольным или графитовым) электродом и изделием возбуждают дугу. Кромки изделия и вводимый в зону дуги присадочный материал нагреваются до плавления, образуется ванночка расплавленного металла. После затвердевания металл в ванночке образует сварной шов. Этот способ используется при сварке цветных металлов и их сплавов, а также при наплавке твердых сплавов.
При ручной дуговой сварке  плавящимся электродом используется так называемый штучный электрод с покрытием-обмазкой.  Этот способ является основным при ручной сварке. Электрическая дуга возбуждается аналогично первому способу, но расплавляет и электрод и кромки изделия. Получается общая ванна жидкого металла, которая, охлаждаясь, образует шов.

Автоматическая и полуавтоматическая сварка металла под флюсом

Автоматическая и полуавтоматическая сварка металла под флюсом выполняется путем механизации основных движений, выполняемых сварщиком при ручной сварке металла - подачи электрода в зону дуги и перемещения его вдоль свариваемых кромок изделия. При полуавтоматической сварке механизирована подача электрода в зону дуги, а перемещение электрода вдоль свариваемых кромок производит сварщик вручную. При автоматической сварке металла механизированы все операции, необходимые для этого процесса. Жидкий металл в ванночке защищают от воздействия кислорода и азота воздуха расплавленным шлаком, образованным от плавления флюса, подаваемого в зону дуги. Такая сварка металла обеспечивает высокую производительность и хорошее качество сварного шва.

Дуговая сварка металла в защитном газе

Дуговая сварка металла в защитном газе выполняется неплавящимся (вольфрамовым) или плавящимся электродом. В первом случае сварной шов формируется за счет металла расплавленных кромок изделия. При необходимости в зону дуги подается присадочный материал. Во втором случае подаваемая в зону дуги электродная проволока расплавляется и участвует в образовании шва. Защиту расплавленного шва от окисления и азотирования осуществляют струей защитного газа, оттесняющего атмосферный воздух из зоны дуги.

Электрошлаковая сварка металла

Электрошлаковая сварка металла осуществляется путем плавления металла свариваемых кромок изделия, расположенных вертикально или под углом 45^о, и электрода теплотой, выделяемой током при прохождении через расплавленный шлак. Кроме того, шлак защищает расплавленный металл от воздействия воздуха. Снизу к свариваемым изделиям приваривается вручную поддон. По обе стороны зазора между изделиями прижимаются формирующие шов медные ползуны с водяным охлаждением. Затем на поддон насыпается специальный флюс, над которым располагаются одна или две электродные проволоки. Дуга возбуждается под флюсом между электродами и поддоном. В зону горения дуги электродная проволока подаётся специальным механизмом. За счёт тепла дуги электродная проволока и флюс расплавляются, в результате образуется ванна расплавленного металла и над ней шлаковая ванна. В дальнейшем необходимое тепло образуется за счёт прохождения тока через расплавленный шлак, обладающий высоким сопротивлением (согласно закону Ленца-Джоуля). 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 подъёма жидкого металла.

Особые виды сварки металла

В промышленности и строительстве все более широкое распространение получают тугоплавкие и химически активные металлы и сплавы. Они применяются в особо ответственных узлах. Для получения высококачественных швов в этих случаях используют источники с высокой концентрацией теплоты и осуществляют сварку в среде с очень низким содержанием кислорода, азота и водорода. Наиболее часто применяются электронно-лучевая и плазменная сварки.

Электронно-лучевая сварка металла осуществляется путем использования кинетической энергии концентрированного потока электронов, движущихся с большой скоростью в вакууме. Устройство для электронно-лучевой сварки похоже на устройство кинескопа (катод, ускоряющий электрод, магнитная линза, напряжение 30-100 кВ).

Плазменная сварка металла основана на использовании струи ионизированного газа - плазмы, содержащего электрически заряженные частицы и способного проводить ток. Энергия дуговой плазменной струи зависит от сварочного тока, напряжения, расхода газа и др. факторов. Источники питания дуги должны иметь рабочее напряжение более 120 В. Плазмообразующий газ служит также защитой расплавленного металла от окружающего воздуха.

 

КЛАССИФИКАЦИЯ   МЕТОДОВ   СВАРКИ ПЛАВЛЕНИЕМ
 

Существующие методы сварки плавлением могут быть классифицированы по виду источников теплоты, способы сварки - по характеру защиты ванны и свариваемого металла от взаимодействия с атмосферой воздуха, особенности введения теплоты, степени автоматизации процессов и другим признакам. По виду источника теплоты могут быть выделены методы сварки плавле­нием: дуговая электрошлаковая; электронно-лучевая; свето-лучевая;   газовая;  плазменная;  термитная.

По характеру защиты свариваемого металла и сварочной ванны от окружающей атмосферы могут быть выделены способы сварки со шлаковой, газошлаковой и газовой защитой.

По особенностям введения теплоты различают способы сварки с непрерывным нагревом и импульсным.

По степени автоматизации процесса существующие способы сварки могут быть разделены на ручную, механизированную и автоматическую.

Характеристика наиболее широко применяемых в промышлен­ности методов и способов сварки плавлением, учитывающая отме­ченные технологические признаки,  приведена в таблице

 

 

 

Отличительные признаки способов сварки	Дуговая сварка	Электрошлаковая сварка
Источник теплоты	Теплота, выделяющаяся при бомбардировке поверхности на­грева заряженными частицами, и теплота плазмы столба дуги	Теплота,   выделя­ющаяся   при  прохо­ждении   тока   через расплавленный  шлак
Характер защиты	Газошлаковая и газовая инертными  и активными газа­ми. Местная и общая.  При нормальном внешнем и повы­шенном давлениях и в вакууме	Шлаковая
Введение теплоты	Непрерывный, импульсный	Непрерывный
Степень    автомати­зации	Ручная, механизированная и автоматическая	Автоматическая и механизированная

 

Отличительные признаки способов сварки	Лазерная сварка	Электронно-лучевая сварка
Источник теплоты	Теплота, выделяющаяся при бомбардировке поверх­ности нагрева электронами, получившими   ускорение в поле высокого  напряжения	Теплота, выделяющая­ся при  поглощении  по­верхностью нагрева  ин­дуцированного излуче­ния с определенной дли­ной волны
Характер защиты	Общая в вакууме	Газовая инертными га­зами.  Местная  и  общая. При нормальном и повы­шенном давлениях и в вакууме
Введение теплоты	Непрерывный, импульсный	Непрерывный, импульсный
Степень    автомати­зации	Автоматическая	Автоматическая

 

Отличительные признаки способов сварки	Газовая сварка	Плазменная сварка	Термитная сварка
Источник теплоты	Теплота, полу­ченная при сжи­гании  горючего газа в кислороде	Теплота, содержащаяся  в ионизированном газовом потоке	Теплота,  со­держащаяся в перегретом жидком  рас­плаве
Характер защиты	Газовая и га­зошлаковая	Газовая, инерт­ными и    актив­ными газами. Местная и общая	Шлаковая
Введение теплоты	Непрерывный, периодический	Непрерывный	Непрерывный
Степень    автомати­зации	Ручная	Ручная и авто­матически	Ручная

 

                          СВАРИВАЕМОСТЬ  И ПАЯЕМОСТЬ МЕТАЛЛОВ

Одним из важнейших свойств металлов является их способ-ность подвергаться той или иной обработке. Можно говорить о способйости металлов пластически деформироваться в холод­ном или горячем состоянии, обрабатываться резанием, изме­нять свои свойства под влиянием термической обработки и т. д.. Очевидно, можно и необходимо говорить о способности метал­лов соединяться в процессе сварки и пайки - о их свариваемо­сти и паяемости. Что следует понимать под свариваемостью и паяемостью металлов и как их оценивать?

Содержание понятия свариваемость металлов не остава­лось неизменным. Впервые оно было сформулировано в конце 20-х, в начале 30-х годов прошлого века. В соответствии с уровнем развития сварки  и   встречающимися затруднениями  под свариваемостью понимали отношение металлов к тепло­вому воздействию. При сварке сталей с повышенным содержа­нием углерода в то время наибольшие затруднения вызывало предупреждение  появления   трещин   в   околошовных участках.
   В последующие годы, с одной стороны, резко расширилась номенклатура металлов и сплавов, используемых в сварных, конструкциях, с другой, - были разработаны и применены на практике многие новые методы сварки, значительно усовершен­ствована технология сварочных процессов, достигнуты большие-успехи в разработке теоретических основ сварки. В этих усло­виях изменились и те затруднения, с которыми приходилось, иметь дело при сварке.
  Очевидно, что при определении понятия свариваемости ме­таллов необходимо исходить из физической сущности сварки и отношения к ней металлов. Сварку целесообразно рассматри­вать как сочетание нескольких одновременно протекающих; процессов: взаимная кристаллизация металлов, тепловое воз­действие на металл в околошовных участках и плавление, ме­таллургическая обработка и кристаллизация металла шва. Под свариваемостью, следовательно, необходимо понимать отноше­ние металлов к этим основным процессам.
   Если металлы однородны, то взаимная кристаллизация лю­бой формы между ними принципиально возможна. Однако свое­образные условия протекания сварки (высокая температура, рост дендритов от поверхностей частично оплавленных зерен, большая скорость кристаллизации, значительная степень де­формации и др.) в некоторых случаях могут вызвать пониже­ние свойств сварных соединений в области взаимной кристал­лизации.
   Понижение свойств металла в области взаимной кристал­лизации возможно и при неправильном подборе присадочного-металла. Например, при сварке алюминиевых сплавов часто-используют присадочные прутки из алюминиевокремниевого-сплава с 5% Si марки АК- Однако при сварке сплавов, содер­жащих магний, магний взаимодействует с кремнием присадоч­ного металла, образуя Mg₂Si, включения которого неблагопри­ятно  влияют на  свойства сварного соединения.
   При сварке однородных металлов процесс взаимной кри­сталлизации принципиально возможен. Следует лишь оцени­вать в необходимых случаях степень возможного понижения свойств соединения  в области взаимной кристаллизации.
   При соединении разнородных металлов процесс взаимной кристаллизации далеко не всегда возможен. Например, эта имеет место тогда, когда металлы образуют химические соеди­нения.   В   этих  случаях   внутрикристаллическая   форма   связи, 

между металлами возникнуть не может. Очевидно, такие ме­таллы принципиально сварены быть не могут. Это дает право ввести понятие о принципиальности свариваемости металлов. Принципиальная свариваемость есть способность пары метал­лов в условиях сварки образовать соединения на основе вза­имной кристаллизации (внутрикристаллическая форма связи).
   В тех относительно редких случаях, когда разнородные ме­таллы могут быть сварены, необходимо оценивать свойства •сварных соединений в области взаимной кристаллизации - сте­пень их принципиальной свариваемости.
   Поскольку существуют два различных вида процесса сварки (сварка с расплавлением металлов и сварка в пластическом со­стоянии), то принципиальную свариваемость необходимо со­ответственно подразделять для каждого из этих видов про­цесса.
   Условия протекания второго и третьего процессов опреде­ляются методом сварки и его режимами. Поэтому отношение к ним металлов называется технологической свариваемостью. Технологическая свариваемость, в свою очередь, подразде­ляется на тепловую свариваемость (отношение металлов к теп­ловому воздействию) и металлургическую свариваемость (от­ношение металлов к плавлению, металлургической обработке и последующей кристаллизации).
   Оценка тепловой свариваемости производится по отноше­нию к вполне определенному свариваемому металлу. Несколько сложнее с оценкой металлургической свариваемости.
   Если свариваются детали из одного металла и применяется аналогичный присадочный металл (или последний отсутствует), оценка металлургической свариваемости производится для вполне определенного металла. Если же свариваются неодина­ковые металлы или присадочный металл иной, то оценку метал­лургической свариваемости необходимо производить с учетом образующихся сплавов в металле шва, что несколько услож­няет вопрос. С другой стороны, путем соответствующего под­бора присадочного металла, обеспечивающего получение оп­тимального состава металла шва, можно улучшить металлур­гическую свариваемость металлов.
   Оценку технологической свариваемости необходимо произ­водить применительно к конкретному методу сварки, а иногда и к определенным технологическим режимам. Очень часто ме­талл хорошо сваривается одним методом и неудовлетворитель­но другим. Например, дуралюмин удовлетворительно свари­вается точечной сваркой и плохо - газовой.
   Технологическая свариваемость не есть нечто присущее ме­таллам и сплавам. С развитием технологии сварки плохо сва­ривающиеся металлы и сплавы часто становятся хорошо сваривающимися. Правильная оценка технологической сваривае­мости требует глубокого анализа процесса сварки и хорошего изучения свойств свариваемого металла.
   В настоящее время разработано много методик определе­ния тепловой свариваемости металлов. Несколько сложнее оп­ределение металлургической свариваемости. Большое число факторов, влияющих на металлургическую свариваемость, тре­бует для ее определения более сложных экспериментальных ис­следований. На практике этот вопрос решается путем проверки химического состава металла шва, его механических свойств, чувствительности к образованию трещин и газовой пори­стости и т. д.
   До настоящего времени еще не сформулировано понятие о паяемости металлов - об их способности образовывать со­единения при пайке. Очевидно, решение этого вопроса должно быть аналогичным определению свариваемости металлов. Под паяемоетью металлов и сплавов необходимо понимать их отно­шение ко всей совокупности процессов, происходящих при пайке. Последние, аналогично сварке, могут быть подразде­лены, как уже указывалось выше, на три обобщенных процесса. Следовательно, паяемость и есть отношение металлов и спла­вов к этим процессам.
   Однако следует отметить, что с помощью пайки могут быть соединены любые однородные и разнородные металлы. По­этому введение понятия о принципиальной паяемости метал­лов вряд ли имеет практический смысл. Правильный подбор припоез позволяет обеспечить в подавляющем большинстве случаев вполне удовлетворительные свойства соединения в об­ласти непосредственного взаимодействия припоя с паяемым ме­таллом.