≡× МЕНЮ

• Водоснабжение
• Насосы
• Очистка воды
• Колодцы
• Фильтры

Виды сварки и что это такое. Сварка: способы сварки и оборудование. Сварные соединения Дать определение сварка

Сваркой называется процесс получения не­разъемных соединений посредством местного нагрева и расплавления кро­мок, соединяемых поверхностей металлических деталей. Сваркой можно соединять также термопластичные пластмассы (такая сварка осуществля­ется горячим воздухом или разогретым инструментом).

Сварка имеет ряд преимуществ перед клепаными соединениями:

1. Экономия металла. В сварных конструкциях стыки выполняются без вспомогательных элементов, утяжеляющих конструкцию, в клепаных - посредством накладок (см. рис. 92, II и 93). В сварных конструкциях масса наплавленного металла, как правило, составляет 1...1,5% и редко превы­шает 2% массы изделия, в то время как в клепаных масса заклепок дости­гает 3,5...4%;

2. Снижение трудоемкости изготовления. Для заклепочного соединения требуется сверлить отверстия, которые ослабляют соединяемые детали, точно размечать центры отверстий, зенковать под потайные заклепки, при­менять много разнообразных приспособлений и т. п. В сварных конструк­циях не требуется выполнять перечисленные предварительные операции и использовать сложное вспомогательное оборудование;

3. Уменьшение стоимости изделий. Стоимость сварных изделий ниже клепаных за счет уменьшения массы соединений и трудоемкости их изго­товления;

4. Увеличение качества и прочности соединения. Сварные швы создают по сравнению с клепаными абсолютно плотные и герметичные соединения, что имеет исключительно большое значение при изготовлении резервуаров, котлов, вагонов, цистерн, трубопроводов и т. д.

К технологии сварочных работ относятся различные процессы, иногда даже противоположные по своему характеру. Например: резка металлов и других материалов, наплавка, напыление и металлизация, упрочнение по­верхности. Однако основная и главная задача - получение неразъемных соединений между одинаковыми или различными металлами и неметалли­ческими материалами в самых разнообразных изделиях.

Форма и размеры таких соединений меняются в широких пределах от сварной точки в несколько микрометров (рис. 95), соединяющей полупро­водник с проводником в какой-либо микросхеме радиоэлектроники, до не­скольких километров сварных швов 1, которые выполняются при строи­тельстве морских судов. Материалы для изготовления сварных конструк­ций весьма разнообразны: алюминий и его сплавы, стали всех типов и на­значений, титан и его сплавы и даже такой тугоплавкий металл, как воль­фрам (температура плавления ~3400° С).

Рис. 95

Также различны по своим свойствам неметаллические материалы, под­вергающиеся сварке: полиэтилен, полистирол, капрон, графит, керамика из окиси алюминия и др.

Пайка, хотя и отличается по своей природе от сварки, также относит­ся к области сварочной технологии и находит очень широкое применение в приборостроении и машиностроении, кроме того ее начинают применять даже в строительных конструкциях.

С каждым годом применение сварки в народном хозяйстве расширяется, а клепки - сокращается. Однако сварные соединения имеют существенные недостатки - термические деформации, возникающие в процессе сварки (особенно тонкостенных конструкций); невозможность сваривания деталей из тугоплавких материалов.

Классификация основных видов сварки показана на рис. 96. Все способы делятся на две группы: сварка плавления и сварка давлением.

Рис. 96

Сварка плавлением

Сварка плавлением - это процесс со­единения двух деталей, или заготовок в результате кристаллизации общей сварочной ванны, полученной расплавлением соединяемых кромок. Источ­ник энергии при сварке плавлением должен быть большой мощности, высо­кой сосредоточенности, то есть концентрировать выделяющуюся энергию на малой площади сварочной ванны и успевать расплавлять все новые и но­вые участки металла, обеспечивая этим определенную скорость процесса.

Процесс сварки (2 - сварочный шов) плавлением осуществляется источ­ником энергии 1, движущимся по свариваемым кромкам 3 с заданной ско­ростью (рис. 97). Размеры и форма сварочной ванны зависят от мощности источника и от скорости его перемещения, а также от теплофизических свойств металла.

Рис. 97

В сварном соединении принято различать три области (рис. 98): основной металл - со­единяемые части будущего изде­лия, предназначенного для экс­плуатации; зона термиче­ского влияния (около­шовная зона) - участки металла, в которых он находится некото­рое время при высокой темпера­туре, доходящей на линии сплав­ления до температуры плавления металла; сварной шов - металл шва, представляющий литую структуру с характерными особеннос­тями.

Рис. 98

Каждый вид сварочного процесса имеет свои особенности и находит применение в той или иной сфере производства, где он дает необходимое качество изделия и экономически целесообразен. Наиболее широкое при­менение для сварки металлов плавлением нашли газовая и дуговая виды сварки.

При газовой (или ав­тогенной) сварке в качест­ве источника энергии используют пламя ацетиленокислородной го­релки (рис. 99), имеющей высо­кую температуру (около 3000°С) и значительную мощность, зави­сящую от количества ацетилена (8 - редуктор для регулирования ве­личины подачи газа), сгорающего в секунду. Кислород 1 из кисло­родного баллона 10 и ацетилен 2 из ацетиленового баллона 9 пода­ются по шлангам 7 в газовую го­релку, где образуется горючая смесь 3. На выходе из сопла горел­ки возникает пламя. Когда нагре­ваемое место свариваемых деталей доводится до расплавленного состоя­ния, к пламени подводят присадочный материал 4, который, расплавля­ясь вместе с кромками детали 5, образует сварочный шов 6.

Рис. 99

Дуговая сварка . При дуговой сварке (рис. 100) в качестве источника энергии 2 используется электрический дуговой разряд 3, возникающий при присо­единении свариваемых деталей 1 к одному, а электрода 4 - к другому по­люсу источника тока. Движение электрода с дуговым разрядом и подве­денным в его зону присадочным материалом (в виде прутка) 5 от­носительно кромок изделия за­ставляет перемещаться свароч­ную ванну, образующую сварной шов 6.

Рис. 100

Электрошлаковая сварка применяется для ав­томатической сварки верти­кальных швов из металла боль­шой толщины.

Электрошлако­вая сварка . При электрошлако­вой сварке (рис. 101) сва­риваемые детали устанавлива­ют вертикально и собирают под сварку с зазором между кром­ками. Электродные проволоки 5 (их может быть несколько и притом разного состава) пода­ются силовыми роликами 4 че­рез изогнутые токопроводящие мундштуки 6 в зазор между свариваемыми деталями 1. В процессе сварки автомат дви­жется вверх по направляю­щим, а мундштуки совершают колебательные движения, подавая проволоки в жидкую шлаковую ван­ну 2, в которой они расплавляются при температуре Т равной 1539°С вместе с металлом сплавляющихся кромок и образуют сварной шов 8. Жидкая шлаковая и металлическая ванны удерживаются поднимаю­щимися вместе с автоматом медными ползунами 7, охлаждаемыми из­нутри водой. Шлак 3, отделяясь от металла, всплывает.

Рис. 101

Плазменная сварка. При плазменной сварке ис­пользуют дуговой разряд в плазмотроне, который дает плазменную струю 1 с очень высокой температурой (рис. 102).

Рис. 102

Плазмотрон представляет собой прибор 2, в котором дуговой разряд 3 возбуждается в канале 4, и давлением газа (аргона, азота, воздуха) столб дуги растягивается и вырывается из сопла, охлаждаемого проточной во­дой 5, за пределы плазмотрона. Может быть два типа плазмотронов: с собственным анодом, на который замыкается разряд за счет дрейфа эле­ктронов, или дугой косвенного действия - дуговой разряд возникает между двумя электродами, но не замыкается на изделие 6. В сварочной технике чаще используют плазмотрон второго типа. Плазменная сварка и обработка материалов нашла широкое применение в промышленности.

При сварке алюминиевых сплавов качество сварных соеди­нений зависит от надежности защиты зоны сварки инертным газом и от подготовки кромок изделия.

Аргонодуговая сварка . Так для аргонодуговой сварки (3 сопло) алюминия применяют плавящийся электрод-проволоку 7, совпада­ющую по составу с основным металлом свариваемых изделий 2 или непла- вящийся вольфрамовый электрод (рис. 103). Для ответственных конструкций чаще применяют последний метод, при этом присадочный металл пода­ют сбоку непосредственно в дуговой разряд 4, 5, 6 или в сварочную ванну 1 рядом с дуговым разрядом.

Рис. 103

Аргонодуговую сварку применяют также для соединения деталей и з титана и его сплавов. Титан - металл, напоминающий по внеш­нему виду сталь, обладает также весьма высокой химической активностью, несколько уступая в этом отношении алюминия. Титан имеет температуру плавления - 1668° С.

При обычной температуре титан очень устойчив к воздействию окружа­ющей среды, так как закрыт окисной пленкой. В таком пассивном состоя­нии он даже устойчивее, чем коррозионно-стойкая сталь. При высоких тем­пературах окисный слой перестает защищать титан. При температуре выше 500° С он начинает активно реагировать с окружающей средой. Поэтому ти­тан и его сплавы можно сваривать (рис. 104) только в защитной атмосфере аргона, с которым он реагировать не может.

Рис. 104

Сварка давлением

Сварка давлением - это процесс соеди­нения поверхностных слоев деталей. При соединении происходит активная диффузия частиц, ведущая к полному исчезновению границы раздела и к прорастанию через нее кристаллов.

В современном машиностроении и приборостроении сварку давлением осуществляют несколькими путями в зависимости от типа изделий и требо­ваний, которые к ним предъявляются.

Контактная сварка широко применяется в машиностроении для изготов­ления изделий и конструкций, главным образом из сталей. Она относится к сварке с применением нагрева и давления. Нагрев осуществляется электри­ческим током, который проходит через место контакта двух свариваемых дета­лей. Давление, необходимое для сварки, создается или электродами, подводящими электрический ток, или специальными приспособлениями.

Различают три разновидности кон­тактной сварки: точечную - отдель­ными точками (рис. 105), применяемую для тонколистовых конструкций из стали (например, кузова автомашин). Сваривае­мые заготовки 1 зажимаются между элек­тродами 2, через которые проходит элект­рический ток большой силы от вторичной обмотки понижающего трансформатора 3, Место контакта свариваемых частей разо­гревается до высокой температуры, и под давлением усилия F происходит сварка; стыковую - оплавлением или давлением (рис. 106), применяемую для изготовления металлорежущего инструмента и др. В этом случае сваривае­мые детали 1 с силой стыкуются и удерживаются зажимами 2, к которым подводится электрический ток; роликовую (рис. 107, где 1 - свари­ваемые детали; 2 - ролики; 3 - электроды; 4 - источник энергии) - обес­печивающую непрерывный (герметичный) или прерывистый шов.

Рис. 105

Рис. 106

Рис. 107

В строительных конструкциях и в машиностроении сварка - основной способ получения неразъемных соединений деталей из сталей всех марок, чугуна, меди, латуни, бронзы, алюминиевых сплавов и пр.

Автоматизация процесса сварки

Широкое распространение свар­ки в промышленности стимулиро­вало создание оборудования для механизации и автоматизации сва­рочных процессов. В то же время автоматизация сварки потребова­ла коренного изменения техноло­гического процесса. В одних слу­чаях сварочный аппарат неподви­жен, а изделие перемещается отно­сительно него с заданной скоро­стью, а в других - устанавливает­ся на самодвижущуюся тележку 6 - «трактор», идущий по направ­ляющим 2, прикрепленным на не­подвижном изделии 1, или рядом с ним (рис. 108).

Рис.108

l - длина участка. Из рис. 57, II видно, что, чем дальше точка деформируемого сечения от­стоит от оси стержня, тем больше ее перемещение по дуге окружности при кручении. Следовательно, по закону Гука и напряжения в различных точ­ках будут различны. Наибольшие напряжения кручения r m ах возникают в наиболее удаленных точках, расположенных на поверхности стержня. На­пряжение в любой точке равно r = р/(R r m ах), где: r - напряжение кручения;

Рис. 57

р - расстояние точки до оси стержня; R - радиус стержня.

На производстве нашла широкое применение полуавтоматическая ду­говая сварка, сущность которой за­ключается в следующем: механизм подачи электродной проволоки 3,4 и пульт управления 5 устанавливают отдельно от головки или инструмен­та, сварочная проволока подается по гибкому шлангу, через который так­же подводится электрическое пита­ние к сварочному инструменту 7.

Функции сварщика в этом слу­чае значительно упрощаются, так как ему нужно двигать только сва­рочную головку (инструмент) в нужном направлении и на опреде­ленной высоте от изделия.

Электронно-лучевая сварка

Этот вид сварки представляет собой резуль­тат взаимодействия пучка электронов, ускоренных электрическим полем, с по­верхностью металла которой эти элек­троны отдают накопленную в электриче­ском поле энергию (энергия торможе­ния), расплавляя и даже частично испа­ряя ее.

Прототипом оборудования для полу­чения пучка электронов служит рентге­новский аппарат для просвечивания би­ологических объектов в медицинских целях или исследований. Схема установ­ки для сварки электронным лучом пока­зана на рис. 109. В камере 2 с глубоким вакуумом (давление 1 10 -4 Па и менее) между катодом 3, эмитирующим (обес­печивающим электрическую связь) эле­ктроны, и анодом 4, имеющим в середи­не отверстие, создается поток электро­нов, или электронный луч 1. Для увели­чения плотности энергии электронный луч фокусируют магнитными линзами и направляют на изделие 7, соединенное с землей. Управление 8 электронным лу­чом осуществляется магнитным устрой­ством, отклоняющим луч в нуж­ном направлении.

Рис. 109

Физическая сущность этого процесса сварки заключается в том, что электроны при прохожде­нии электрического поля большой напряженности ускоряются и при­обретают большой запас энергии, которую они и передают в виде теплоты свариваемым изделиям.

Недостаток этого метода - не­обходимость надежной защиты об­служивающего персонала от рент­геновского излучения, вредно вли­яющего на живые организмы.

Лазерная сварка

Лазер, или оптический квантовый гене­ратор (ОКГ), создает мощный им­пульс монохроматического излу­чения за счет оптического воз­буждения атомов примеси в кри­сталле рубина или в газах.

Этот совершенно новый источник энергии высокой концентрации сразу нашел применение в технике связи в промышленности для обработки ме­таллов.

Сущность процесса получения мощного потока световых квантов заклю­чается в том, что атомы любого вещества могут находиться в стабильных и возбужденных состояниях и при переходе из возбужденного состояния в стабильное они выделяют энергию возбуждения в виде квантов лучистой энергии.

Возбуждение атомов может происходить различными путями, но наибо­лее часто это осуществляется в результате поглощения лучистой энергии.

Схема оптического квантового генератора, или лазера, представлена на рис. 110, где 1 - манипулятор для настройки расположения детали относи­тельно луча; 2 - газоразрядная импульсная лампа; 3 - оптический кван­товый генератор; 4 - осветитель места сварки; 5 - рубин (источник, испу­скающий фотоны); 6 - пульт управления; 7 - бинокулярный микроскоп; 8,10 - свариваемые детали; 9 - световой луч. Атомы какого-либо элемен­та возбуждаются непрерывным источником энергии (лампы накачки) и электроны этих атомов переходят в новое качество - энергию. Поток кван­тов энергии (фотонов), направленный на поверхность твердого тела, транс­формирует свою энергию в тепловую, и температура твердого тела резко возрастает, так как поток фотонов обладает очень высокой концентрацией энергии.

Рис. 110

Сварка лазером не требует вакуума и идет всегда в импульсном режиме. Режим сварки регулируется частотой импульсов и некоторым расфокуси­рованием луча до уровня плотности энергии, необходимой для сварки изде­лия.

Примечание. В промышленности используются и другие виды сварки, как, напри­мер, сварка металлов взрывом, химическо-термическая сварка, при которой использу­ется энергия химической реакции и другие.

Виды конструктивных соединений деталей сваркой

Различают следующие виды конструктивных соединений деталей сваркой (рис. 111): сты­ковое (СЗ); внахлестку (H1); тавровое (Т1); угловое (У4).

Рис. 111

Рис. 112

По форме получаемого при этом поперечного сечения шва (рис. 112) при­нято различать: усиленные (выпуклые); нормальные; ослабленные (вогну­тые).

Кромки соединяемых деталей в зависимости от технологии сварки (руч­ная или автоматическая) и расположения шва (свободный доступ к нему с одной или двух сторон) могут быть ровными или специально подготовлен­ными (срезанными) для дальнейшего соединения сваркой.

В зависимости от толщины свариваемых деталей (рис. 113) производят различную подготовку кромок: при толщине металла до 8 мм сварку про­изводят без разделок кромок; при толщине до 26 мм производят F-образную разделку кромок; при толщине более 20 мм сваривают с криволинейным скосом кромок; при толщине металла более 12 мм рекомендуется дву­сторонняя Х-образная разделка кромок.

Рис. 113

Широкое распространение получили швы с нормальным очертанием. Длина катета углового шва нормального очертания называется его толщи­ной и обозначается буквой К (рис. 114). Длина перпендикуляра, опущенно­го из вершины прямого угла на гипотенузу (сечение А-А), носит название расчетной толщины шва. В швах с формой равнобедренного треугольника расчетная толщина k 0 = k sin 45° = 0,7k.

Рис. 114

В большинстве случаев катет шва k равен толщине детали s, но может быть и меньше.

Наименьшая толщина рабочих швов в машиностроительных конструк­циях равна 3 мм. Исключение составляют конструкции, у которых толщи­на самого металла меньше 3 мм.

Верхний предел толщины соединяемой сваркой конструкции не ограни­чен, но применение швов, у которых к > 20 мм, встречается редко.

Однородных материалов за счет образования атомных связей называется сваркой. При этом в месте контакта происходит плотное сплавление двух материалов в один. Несмотря на то что такое соединение используется уже длительное время, современная сварка металлов, виды и технология ее выполнения совершенствуются постоянно, что позволяет производить стыковку различных изделий с повышенной надежностью и качеством.

Особенности сваривания поверхностей

Весь процесс сварки металлов протекает в две стадии. Сначала поверхности материалов необходимо приблизить друг к другу на расстояние сил межатомного сцепления. При комнатной температуре стандартные металлы не способны соединиться даже при сжатии со значительным усилием. Виной этому служит их физическая твердость, поэтому контакт при сближении таких материалов происходит лишь в некоторых точках, независимо от качества обработки поверхностей. Именно загрязнение поверхности существенно влияет на возможность сцепления материалов, ведь пленки, окислы, а также слои примесных атомов всегда присутствуют в естественных условиях.

Поэтому создание контакта между кромками деталей может достигаться либо за счет пластических деформаций, которые возникают в результате приложенного давления, либо в случае расплавления материала.

На следующей стадии сварки металла осуществляется электронная диффузия между атомами соединяемых поверхностей. Поэтому поверхность раздела между кромками исчезает и получается или металлическая атомная связь, или ионная и ковалентная связи (в случае полупроводников или диэлектриков).

Классификация видов сварки

Технология проведения сварочных работ постоянно совершенствуется и становится разнообразнее. На сегодняшний день существует около 20 видов сварки металла, которые классифицируются на три группы:

Сварка плавлением

Этот вид сварочных работ находит широкое применение, как в промышленных условиях, так и в быту. К соединению металлов плавлением относятся:

1. Электродуговая сварка. Производится созданием между металлом и электродом высокотемпературной электрической дуги.
2. При плазменном соединении источником тепла служит ионизированный газ, который проходит с высокой скоростью через электрическую дугу.
3. Шлаковая сварка осуществляется благодаря нагреву расплавленного флюса (шлака) электрическим током.
4. Лазерное соединение происходит благодаря обработке металлической поверхности лазерным лучом.
5. При электронно-лучевой сварке нагревание места стыка осуществляется за счет кинетической энергии движущихся электронов в вакууме под воздействием электрического поля.
6. Газовая сварка металлов основана на нагревании точки соединения потоком огня, который образуется при сгорании кислорода и газа.

Электродуговое сварочное соединение

Дуговая сварка предполагает использование источника тока с большим номинальным значением, при этом аппарат имеет небольшое напряжение. Подключение трансформатора происходит одновременно на металлическую заготовку и сварочный электрод.

В результате сварки металла электродом образуется электрическая дуга, за счет которой происходит расплавление кромок соединяемых заготовок. В зоне действия дуги создается температура около пяти тысяч градусов. Такого нагрева вполне достаточно для расплавления любых металлов.

Во время плавления металла соединяемых деталей и электрода формируется сварочная ванна, в которой и происходят все процессы сцепления. Шлак поднимается на поверхность расплавленного состава и формирует специальную защитную пленку. В процессе дуговой сварки металла применяются электроды двух типов:

• неплавящиеся;
• плавящиеся.

При использовании неплавящегося электрода необходимо в зону действия электрической дуги вводить специальную проволоку. Плавящиеся электроды сварной шов формируют самостоятельно. В состав таких электродов добавляются специальные присадки, которые не позволяют дуге гаснуть и увеличивают ее устойчивость. Это могут быть элементы с высокой степенью ионизации (калий, натрий).

Способы соединения дугой

Электродуговая сварка осуществляется тремя способами:

Технология газосварки

Этот вид сварочных работ позволяет соединять различные металлические конструкции не только на промышленных предприятиях, но и в бытовых условиях. Технология сварки металла не очень сложная, газовая смесь при горении расплавляет кромки поверхности, которые заполняются присадочной проволокой. При остывании шов кристаллизуется и создает прочное и надежное соединение материалов.

Газовая сварка имеет много положительных аспектов:

1. Возможность соединять различные детали в автономном режиме. Причем для этой работы не требуется мощный источник энергии.
2. Простое и надежное оборудование газосварки легко поддается транспортировке.
3. Возможность осуществлять регулируемый процесс сварки, так как легко вручную изменять угол наклона огня и скорость нагрева поверхности.

Но есть и недостатки применения такого оборудования:

Шлаковая сварка

Такой вид соединения считается принципиально новым способом получения сварного шва. Поверхности свариваемых деталей покрываются шлаком, который нагревается до температуры, превышающей плавление проволоки и основного металла.

На начальной стадии сварка аналогична дуговому соединению под флюсом. Затем, после образования сварочной ванны из жидкого шлака, дуга прекращает свое горение. Дальнейшее расплавление кромок детали осуществляется за счет тепла, которое выделяется при протекании тока. Особенностью этого вида сварки металла является высокая производительность процесса и качество

Сварочное соединение давлением

Соединение металлических поверхностей посредством механического деформирования чаще всего производится в условиях промышленного производства, так как для выполнения такой технологии требуется дорогостоящее оборудование.

К сварке давлением относятся:

1. Ультразвуковая стыковка частей металла. Выполняется благодаря колебаниям ультразвуковой частоты.
2. Холодная сварка. Осуществляется на основе межатомного соединения двух деталей путем создания большого давления.
3. Кузнечно-горновой метод. Известен с давних времен. Материал нагревается в горне, а затем сваривается механической или ручной проковкой.
4. Газовая с прессовкой сварка. Очень похожа на кузнечный метод, только для нагрева применяется газовое оборудование.
5. Контактное электрическое соединение. Считается одним из самых популярных видов. При такой сварке нагрев металла осуществляется прохождением по нему электрического тока.
6. При сила давления на металл невысокая, но зато необходима большая температура нагрева места соединения.

Точечная контактная сварка

Соединяемые поверхности при такой сварке находятся между двумя электродами. Под действием пресса электроды сжимают детали, после чего подается напряжение. Нагрев места сварки происходит за счет прохождения тока. От размера контактной площадки электрода полностью зависит диаметр места сварки.

От того, как расположены электроды по отношению к соединяемым деталям, контактная сварка может быть односторонней или двусторонней.

Существует много видов контактной сварки, работающих по аналогичному принципу. К ним можно отнести: стыковую сварку, шовную, конденсаторную.

Техника безопасности

Работа со сварочным оборудованием сопряжена со многими опасными для здоровья оператора факторами. Высокая температура, взрывоопасная среда и вредные химические испарения требуют от человека строгого соблюдения мер безопасности:

Существует большое количество видов сварки металла, какой из них выбрать решает сам сварщик, исходя из наличия оборудования и способности достичь требуемого результата работы. Сварщик должен знать устройство и принципы работы на определенном оборудовании.

Сварка металлов - это процесс, в результате которого образуется неразъемное соединение путем установления межатомных связей между свариваемыми частями при их местном или общем нагреве, пластическом деформировании или при совместном воздействии того и другого. Современные технологии позволяют производить сварку практически в любых условиях: как в специально оборудованном цехе, так и на открытом воздухе, под водой и даже в космосе. Для выполнения сварных соединений необходим источник энергии, им может быть: электрическая дуга, горящий газ, электронный луч, лазерное излучение, ультразвук, трение.

Классификация видов сварки

По основным физическим признакам выделяют три класса сварных соединений, в зависимости от используемой формы энергии: термический класс - используется тепловая энергия, термомеханический класс - тепловая энергия и давление, механический класс - механическая энергия и давление.

К термическому классу относят следующие виды сварки: электродуговая, газопламенная, плазменная, лазерная, электронно-лучевая, электрошлаковая. Самый первый в истории вид сварки металлов - кузнечный, относится к термомеханическому классу, также к этому классу относят: контактную, диффузионную, сварку высокочастотными токами и сварку трением. Механический класс включает сварку взрывом, ультразвуковую и холодную сварки.

Применение наиболее распространенных видов сварки

Самым широко распространенным способом сварки металлов является электродуговая сварка. Ручная дуговая сварка удобна при выполнении коротких и криволинейных швов, например, при изготовлении закладных деталей , и при работе в трудно доступных местах, например, при изготовлении металлоконструкций на заказ и их монтаже . Автоматическую сварку под флюсом применяют в серийном и массовом производствах при необходимости устройства длинных прямолинейных или кольцевых швов, например, при изготовлении подкрановых балок.

Другим распространенным способом является газовая сварка. При газовой сварке металлические заготовки нагреваются более плавно, чем при дуговой, что и определяет основные области ее применения: при сварке легкоплавких металлов и сплавов, требующих постепенного нагрева и охлаждения, а также тонкостенных металлов толщиной до 3х мм, например, при сварке трубы стальной для водопровода.

Сварка представляет собой технологический процесс, при котором устанавливаются прочные связи между атомами и молекулами в соединяемых деталях. Чтобы обеспечить соединение, поверхность обрабатываемых конструкций предварительно очищают от загрязнений, а также снимают с деталей пленку окислов. Подготовительные работы сильно влияют на качество соединения.

Подлежащие сварке поверхности сближают так, чтобы расстояние между ними было минимальным. Затем детали подвергают сильному локальному нагреву или пластическому деформированию, после чего заготовки соединяются, образуя единое целое. На завершающем этапе производится обработка сварного шва.

Различают три класса сварки: механический, термический и термомеханический. Механические виды сварки осуществляют, используя энергию давления, например, обработку заготовок трением, взрывом или . При термической сварке используется плавление материалов за счет энергии тепла. Термомеханическая соединяет в себе особенности двух описанных классов.

Основные виды сварки

Дуговая сварка представляет собой один из самых распространенных видов подобного соединения материалов. В этом случае используют сварочные электроды, которые устанавливают в специальный держатель и перемещают вдоль будущего шва. Между стержнем электрода и заготовкой образуется дуга, металл плавится и заполняет сварочный шов, постепенно затвердевая.

При контактной сварке выполняется непродолжительный нагрев места стыковки деталей, не предполагающий оплавления краев заготовок. В данном случае имеет место пластическая деформация металла, которая приводит к образованию сварного соединения. Для разогрева места соединения при контактной сварке применяется электрический ток, являющийся источником теплоты. В точках контакта металл становится очень пластичным, что облегчает соединение поверхностей.

Широкое применение нашла в производстве и газовая сварка. В этом случае место, где нужно соединить детали, сильно разогревают газовым пламенем, имеющим очень высокую температуру. Края заготовок при таком термическом воздействии оплавляются. В образующийся зазор подается присадочный материал, служащий для формирования шва. Преимущество газовой сварки перед дуговой состоит в том, что заготовка под действием струи газа прогревается более плавно. Это позволяет использовать данный вид сварки для соединения заготовок малой толщины.

Сварка

Сварщик за работой

Сварка - это технологический процесс получения неразъёмного соединения посредством установления межатомных и межмолекулярных связей между свариваемыми частями изделия при их нагреве (местном или общем), и/или пластическом деформировании.

Сварка применяется для соединения металлов и их сплавов, термопластов во всех областях производства и в медицине.

При сварке используются различные источники энергии: электрическая дуга , электрический ток, газовое пламя, лазерное излучение , электронный луч, трение , ультразвук . Развитие технологий позволяет в настоящее время осуществлять сварку не только в условиях промышленных предприятиях, но в полевых и монтажных условиях (в степи, в поле, в открытом море и т. п.), под водой и даже в космосе. Процесс сварки сопряжен с опасностью возгораний; поражений электрическим током ; отравлений вредными газами; поражением глаз и других частей тела тепловым, ультрафиолетовым, инфракрасным излучением и брызгами расплавленного металла.

Классификация сварки металлов

Температура в столбе сварочной дуги колеблется от 5000 до 12 000 К и зависит от состава газовой среды дуги, материала, диаметра электрода и плотности тока. Температуру приближенно можно определить по формуле, предложенной академиком АН УССР К. К. Хреновым : Tст = 810 × Uдейств , где Tст - температура столба дуги, ; Uдейств - действующий потенциал ионизации, .

Электродуговая сварка

Источником теплоты является электрическая дуга , возникающая между торцом электрода и свариваемым изделием при протекании сварочного тока в результате замыкания внешней цепи электросварочного аппарата . Сопротивление электрической дуги больше, чем сопротивление сварочного электрода и проводов, поэтому бо́льшая часть тепловой энергии электрического тока выделяется именно в плазму электрической дуги. Этот постоянный приток тепловой энергии поддерживает плазму (электрическую дугу) от распада.

Выделяющееся тепло (в том числе за счёт теплового излучения из плазмы) нагревает торец электрода и оплавляет свариваемые поверхности, что приводит к образованию сварочной ванны - объёма жидкого металла. В процессе остывания и кристаллизации сварочной ванны образуется сварное соединение. Основными разновидностями электродуговой сварки являются: ручная дуговая сварка, сварка неплавящимся электродом, сварка плавящимся электродом, сварка под флюсом, электрошлаковая сварка.

Сварка неплавящимся электродом

В англоязычной литературе известно как en:gas tungsten arc welding (GTA welding, TGAW ) или tungsten inert gas welding (TIG welding, TIGW de:wolfram-inertgasschweißen (WIG ).

В качестве электрода используется стержень, изготовленный из графита или вольфрама , температура плавления которых выше температуры, до которой они нагреваются при сварке. Сварка чаще всего проводится в среде защитного газа (аргон , гелий , азот и их смеси) для защиты шва и электрода от влияния атмосферы, а также для устойчивого горения дуги. Сварку можно проводить как без, так и с присадочным материалом. В качестве присадочного материала используются металлические прутки, проволока, полосы.

Полуавтоматическая сварка проволокой в защитных газах

В англоязычной иностранной литературе именуется как en:gas metal arc welding (GMA welding, GMAW ), в немецкоязычной литературе - de:metallschutzgasschweißen (MSG ). Разделяют сварку в атмосфере инертного газа (metal inert gas, MIG ) и в атмосфере активного газа (metal active gas, MAG ).

В качестве электрода используется металлическая проволока, к которой через специальное приспособление (токопроводящий наконечник) подводится ток. Электрическая дуга расплавляет проволоку, и для обеспечения постоянной длины дуги проволока подаётся автоматически механизмом подачи проволоки. Для защиты от атмосферы применяются защитные газы (аргон , гелий , углекислый газ и их смеси), подающиеся из сварочной головки вместе с электродной проволокой. Следует заметить, что углекислый газ является активным газом - при высоких температурах происходит его диссоциация с выделением кислорода. Выделившийся кислород окисляет металл. В связи с этим приходится в сварочную проволоку вводить раскислители (такие, как марганец и кремний). Другим следствием влияния кислорода, также связанным с окислением, является резкое снижение поверхностного натяжения, что приводит, среди прочего, к более интенсивному разбрызгиванию металла, чем при сварке в аргоне или гелии.

Ручная дуговая сварка

В англоязычной литературе именуется en:shielded metal arc welding (SMA welding, SMAW ) или manual metal arc welding (MMA welding, MMAW ).

Ручная (TIG) и полуавтоматическая (MIG, MAG) импульсная сварка алюминия является более сложным процессом, чем электродуговая сварка чёрных металлов. Причиной тому - уникальные свойства алюминиевых сплавов, за которые они и ценятся.

Сварка под флюсом

В англоязычной иностранной литературе именуется как SAW. В этом виде сварки конец электрода (в виде металлической проволоки или стержня) подаётся под слой флюса . Горение дуги происходит в газовом пузыре, находящемся между металлом и слоем флюса, благодаря чему улучшается защита металла от вредного воздействия атмосферы и увеличивается глубина проплавления металла.

Газопламенная сварка

Газопламенная пайка

Ацетилено-кислородное пламя (температура около 3150 °C в 2-3 мм от ядра)

Сварщик, 1942 год

Источником теплоты является газовый факел, образующийся при сгорании смеси кислорода и горючего газа. В качестве горючего газа могут быть использованы ацетилен , МАФ , пропан , бутан , блаугаз, водород , керосин , бензин , бензол и их смеси. Тепло, выделяющееся при горении смеси кислорода и горючего газа, расплавляет свариваемые поверхности и присадочный материал с образованием сварочной ванны. Пламя может быть окислительным , «нейтральным» или восстановительным (науглероживающим), это регулируется соотношением кислорода и горючего газа.

• В последние годы [когда? ] в качестве заменителя ацетилена применяется новый вид топлива - сжиженный газ МАФ (метилацетилен-алленовая фракция). МАФ обеспечивает высокую скорость сварки и высокое качество сварочного шва, но требует применения присадочной проволоки с повышенным содержанием марганца и кремния (СВ08ГС, СВ08Г2С). МАФ гораздо безопаснее ацетилена, в 2-3 раза дешевле и удобнее при транспортировке. Благодаря высокой температуре сгорания газа в кислороде (2927 °C) и высокому тепловыделению (20 800 ккал/м³), газовая резка с использованием МАФ гораздо эффективнее резки с использованием других газов, в том числе и ацетилена.

• Огромный интерес представляет использование для газовой сварки дициана , ввиду его весьма высокой температуры сгорания (4500 °C). Препятствием к расширенному применению дициана для сварки и резки является его повышенная токсичность. С другой стороны, эффективность дициана весьма высока и сравнима с электрической дугой, и потому дициан представляет значительную перспективу для дальнейшего прогресса в развитии газопламенной обработки. Пламя дициана с кислородом, истекающее из сварочной горелки, имеет резкие очертания, очень инертно к обрабатываемому металлу, короткое и имеющее пурпурно-фиолетовый оттенок. Обрабатываемый металл (сталь) буквально «течёт», и при использовании дициана допустимы очень большие скорости сварки и резки металла.

• Значительным прогрессом в развитии газопламенной обработки с использованием жидких горючих может дать применение ацетилендинитрила и его смесей с углеводородами ввиду самой высокой температуры сгорания (5000 °C). Ацетилендинитрил склонен при сильном нагреве к взрывному разложению, но в составе смесей с углеводородами гораздо более стабилен. В настоящее время производство ацетилендинитрила очень ограничено и стоимость его высока, но при развитии производства ацетилендинитрил может весьма ощутимо развить области применения газопламенной обработки во всех её областях применения.

Электрошлаковая сварка

Стыковая сварка пластмасс оплавлением

Источником теплоты служит плоский нагревательный элемент, покрытый PTFE . Сварка делится на 5 этапов: нагрев под давлением, прогрев массы, вывод нагревательного элемента, сварка, затвердевание.

Сварка с закладными нагревателями

Применяется для сварки полиэтиленовых труб. Источником теплоты служит элементы сопротивления запаянные в сварной муфте. При сварке с закладными электронагревателями полиэтиленовые трубы соединяются между собой при помощи специальных пластмассовых соединительных деталей, имеющих на внутренней поверхности встроенную электрическую спираль из металлической проволоки. Получение сварного соединения происходит в результате расплавления полиэтилена на соединяемых поверхностях труб и деталей (муфт, отводов, тройников седловых отводов) за счёт тепла, выделяемого при протекании электрического тока по проволоке спирали, и последующем естественном охлаждении соединения.

Термомеханический класс

Контактная сварка

При сварке происходят два последовательных процесса: нагрев свариваемых изделий до пластического состояния и их совместное пластическое деформирование. Основными разновидностями контактной сварки являются: точечная контактная сварка , стыковая сварка, рельефная сварка, шовная сварка.

Точечная сварка

При точечной сварке детали зажимаются в электродах сварочной машины или специальных сварочных клещах. После этого между электродами начинает протекать большой ток, который разогревает металл деталей в месте их контакта до температур плавления. Затем ток отключается и осуществляется «проковка» за счёт увеличения силы сжатия электродов. Металл кристаллизуется при сжатых электродах и образуется сварное соединение.

Стыковая сварка

Заготовки сваривают по всей плоскости их касания. В зависимости от марки металла, площади сечения заготовок и требований к качеству соединения стыковую сварку можно выполнять одним из способов.

Стыковая сварка сопротивлением

Заготовки, установленные и закреплённые в стыковой машине, прижимают одну к другой усилием определённой величины, после чего по ним пропускают электрический ток. При нагревании металла в зоне сварки до пластического состояния происходит осадка. Ток выключают до окончания осадки. Данный способ сварки требует механической обработки и тщательной зачистки поверхностей торцов заготовок.

Неравномерность нагрева и окисление металла на торцах заготовок понижают качество сварки сопротивлением, что ограничивает область её применения. С увеличением сечения заготовок качество сварки снижается особенно заметно, главным образом из-за образования окислов в стыке.

Стыковая сварка непрерывным оплавлением

Контактная сварка непрерывным оплавлением трубы газопровода диаметром 1420 мм в Пскове на заводе ТЭСО

Состоит из двух стадий: оплавления и осадки. Заготовки устанавливают в зажимах машины, затем включают ток и медленно сближают их. При этом торцы заготовок касаются в одной или нескольких точках. В местах касания образуются перемычки, которые мгновенно испаряются и взрываются. Взрывы сопровождаются характерным выбросом из стыка мелких капель расплавленного металла. Образующиеся пары металла играют роль защитной атмосферы и уменьшают окисление расплавленного металла. При дальнейшем сближении заготовок образование и взрыв перемычек происходят на других участках торцов. В результате заготовки прогреваются в глубину, а на торцах возникает тонкий слой расплавленного металла, облегчающий удаление окислов из стыка. В процессе оплавления заготовки укорачиваются на заданный припуск. Оплавление должно быть устойчивым (непрерывное протекание тока при отсутствии короткого замыкания заготовок), особенно перед осадкой.

При осадке скорость сближения заготовок резко увеличивают, осуществляя при этом пластическую деформацию на заданный припуск. Переход от оплавления к осадке должен быть мгновенным, без малейшего перерыва. Осадку начинают при включённом токе и завершают при выключенном.

Стыковая сварка непрерывным оплавлением обеспечивает равномерный прогрев заготовок по сечению, торцы заготовок перед сваркой не требуют тщательной подготовки, можно сваривать заготовки с сечением сложной формы и большой площадью, а также разнородные металлы и позволяет получать стабильное качество стыков. Её существенным преимуществом является также возможность сравнительно легко автоматизировать процесс.

Стыковую сварку оплавлением применяют для соединения заготовок сечением до 0,1 м². Типичными изделиями являются элементы трубчатых конструкций, колеса, рельсы, железобетонная арматура, листы, трубы.

Рельефная сварка

На деталях для сварки предварительно создают рельефы - локальные возвышения на поверхности размером несколько миллиметров в диаметре. При сварке контакт деталей происходит по рельефам, которые расплавляются, проходящим через них, сварочным током. При этом происходит пластическая деформация рельефов, выдавливаются оксиды и загрязнения. После прекращения протекания сварочного тока происходит кристаллизация расплавленного металла и образование соединения. Преимуществом данного вида сварки является возможность получения за один цикл нескольких сварных соединений высокого качества.

Диффузионная сварка

Сварка осуществляется за счёт диффузии - взаимного проникновения атомов свариваемых изделий при повышенной температуре. Сварку проводят в вакуумной установке, нагревая места соединения до 800 °C. Вместо вакуума может быть использована среда защитных газов . Методом диффузной сварки можно пользоваться при создании соединений из разнородных металлов , отличающихся по своим физико-химическим свойствам, изготавливать изделия из многослойных композитных материалов .

Способ был разработан в 1950-х годах Н. Ф. Казаковым.

Кузнечная сварка

Первый в истории вид сварки. Соединение материалов осуществляется за счёт возникновения межатомных связей при пластическом деформировании инструментом (ковочным молотом). В настоящее время в промышленности практически не используется.

Сварка высокочастотными токами

Источником теплоты служит высокочастотный ток, проходящий между свариваемыми изделиями. При последующем пластическом деформировании и остывании образуется сварное соединение.

Сварка трением

Существует несколько схем сварки трением , первой появилась соосная. Суть процесса состоит в следующем: на специальном оборудовании (машине сварки трением) одна из свариваемых деталей устанавливается во вращающийся патрон , вторая крепится в неподвижный суппорт , который имеет возможность перемещения вдоль оси. Деталь, установленная в патрон, начинает вращаться, а деталь, установленная в суппорте, приближается к первой и достаточно большим давлением воздействует на неё. В результате трения одного торца о другой происходит износ поверхностей и слои металла разных деталей приближаются друг к другу на расстояния, соразмерные размеру атомов. Начинают действовать атомные связи (образуются и разрушаются общие атомные облака), в результате возникает тепловая энергия, которая нагревает в локальной зоне концы заготовок до температуры ковки. По достижении необходимых параметров патрон резко останавливается, а суппорт продолжает давить ещё какое-то время, в результате образуется неразъёмное соединение. Сварка происходит в твёрдой фазе, аналогично кузнечной сковке.

Способ достаточно экономичный. Автоматизированные установки для сварки трением потребляют электроэнергии в 9 раз меньше, чем установки для контактной сварки. Соединяются детали за считанные секунды, при этом практически нет газовых выделений. При прочих преимуществах получается высокое качество сварки, так как не возникает пористости, включений, раковин. При постоянстве режимов, обеспечиваемых автоматикой оборудования, обеспечивается постоянство качества сварного соединения, что, в свою очередь, позволяет исключить дорогостоящий 100%-й контроль при обеспечении качества. К недостаткам следует отнести:

• сложность необходимого оборудования;
• узкий спектр применения метода (свариваются тела вращения в стык);
• невозможность применения в непроизводственных условиях;
• диаметры свариваемых деталей от 4 до 250 мм.

Способ позволяет сваривать разнородные материалы: медь и алюминий , медь и сталь , алюминий и сталь , в том числе те, что невозможно сварить другими способами.

Идея сваривать детали трением была высказана токарем -изобретателем А. И. Чудиковым. В 1950-е годы на простом токарном станке ему удалось прочно соединить два стержня из низкоуглеродистой стали.

На сегодняшний день существует несколько схем сварки трением: такие как аксиальная, перемешиванием (позволяющая сваривать неподвижные детали), инерционная и др.

Механический класс

Сварка взрывом

Сварка осуществляется сближением атомов свариваемых изделий на расстояние действия межатомных сил за счёт энергии, выделяемой при взрыве . С помощью данного способа сварки часто получают биметаллы .

Ультразвуковая сварка металлов

Сварка осуществляется сближением атомов свариваемых металлических изделий на расстояние действия межатомных сил за счёт энергии ультразвуковых колебаний, вводимых в материалы. Ультразвуковая сварка характеризуется рядом положительных качеств, что несмотря на высокую стоимость оборудования, обуславливает её применение в производстве микросхем (сварка проводников с контактными площадками), прецизионных изделий, сварка металлов разных типов и металлов с неметаллами.

Холодная сварка

Схема точечной холодной сварки

Холодная сварка представляет собою соединение однородных или неоднородных металлов при температуре ниже минимальной температуры рекристаллизации ; сварка происходит благодаря пластической деформации свариваемых металлов в зоне стыка под воздействием механического усилия. Холодная сварка может быть стыковой, точечной и шовной .
Прочность соединения существенно зависит от усилия сжатия и степени деформации свариваемых деталей.

Сварка в искусстве

Сварка часто встречается как предмет социалистического реализма .

Электросварщик. Бюст в Музее социалистического искусства в Софии	Сварка в космосе на почтовой марке. 2006 год

См. также

Примечания

Литература

	Сварка на Викискладе