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.
Путем нагрева и расплавления кромок соединяемых деталей. Если раньше ей подвергали только металлы, то сегодня таким методом соединяют и другие материалы, например, пластмассу.
Можно говорить о том, что сварное соединение - это то, которое было получено путем плавления или сварки давлением. Безусловно, есть огромное количество методов получения необходимого результата. К примеру, существует такой элемент, как электрическая дуга, именно с ее помощью и осуществляется сварка. Способы сварки есть самые различные, мы постараемся все их рассмотреть.
Немного истории. Классификация
Ковка металла - первый сварочный процесс. Необходимость в ремонте металлических изделий, а также создание более совершенных деталей стало предпосылкой к освоению сварочных процессов. Так, в 1800-1802 годах была открыта электрическая дуга. С ней делали различные эксперименты. В конце концов люди научились делать сварные соединения посредством электрической дуги. На территории России активно ведется подготовка квалифицированных сварщиков, постоянно разрабатываются новые технологии, принципиально иные подходы и т.п. Ярким примером отличной теоретической и практической базы является учебный институт имени Баумана.
В настоящее время существует порядка 150 методов, по которым осуществляется сварка. Способы сварки разделяются по физическим, техническим, а также технологическим признакам. Так, по физическим показателям можно выделить три большие группы:
- Термический - это вид сварки, осуществляемой при использовании тепловой энергии. Сюда можно отнести газовую, дуговую, лазерную и др. сварку.
- Термомеханический - вид сварки, подразумевающей использование не только тепловой энергии, но и давления. Это может быть контактное, диффузионное, кузнечное соединение и т.п.
- Механический вид сварки . В таких случаях используется механическая энергия. Наиболее широко распространена холодная трением и др.
Каждый отдельно взятый вид отличается затратами энергии, экологичностью, а также оборудованием, которое используется во время работы.
Газопламенная сварка
В данном случае основным источником тепла выступает пламя, которое выделяется в результате сгорания топлива в смеси с кислородом. На сегодняшний день известно более десятка газов, которые могут быть использованы. Самые популярные - это ацетилен, МАФ, пропан и бутан. Выделяемое тепло плавит поверхности вместе с присадочным материалом.
Оператор регулирует характер пламени. Оно может быть окислительным, нейтральным или восстановительным, что зависит от количества кислорода и газа в смеси. В последние годы активно используется МАФ, который обеспечивает не только высокую скорость сварки, но и отличное качество шва. Но в это же время необходимо использовать более дорогостоящую проволоку с большим содержанием марганца и кремния. На сегодняшний день это самая актуальная смесь для газовой сварки, что обусловлено безопасностью и высокой температурой сгорания в кислороде (2430 градусов по Цельсию).
Многое зависит от состава металла, который планируется сваривать. Так, в зависимости от этого параметра выбирается количество присадочных прутков, а при учете толщины металла - их диаметр. При тщательной предварительной подготовке получается идеальная сварка.
Все способы сварки (газовой) имеют общую черту, которая заключается в плавном нагреве поверхности. Вот почему они подходят для работы со стальными листами в 0,5-5 мм, цветными металлами, а также с инструментальной сталью и чугуном.
Давайте более подробно рассмотрим некоторые способы газовой сварки. Их довольно много.
Левая, правая и сквозная сварка
При толщине листа не более 5 мм чаще всего используют левый вид газовой сварки. Соответственно, горелка перемещается справа налево, а присадочный прут находится впереди. Пламя направляется от шва и хорошо прогревает обрабатываемое место и присадочную проволоку. Техника изменяется в зависимости от толщины металла. Если лист меньше 8 мм, то горелка продвигается только вдоль шва. Если же больше 8 мм, то необходимо попутно выполнять колебательные движения в поперечном направлении для улучшения качества шва. Преимущество левого способа заключается в том, что оператор хорошо видит обрабатываемое место, и он может обеспечить равномерность.
Принципиальное отличие правой сварки в том, что она более экономична. Обусловлено это тем, что пламя горелки направлено не от шва, а к нему. Такой подход позволяет сварить металлы максимальной толщины, при этом угол раскрытия кромок небольшой. Горелка двигается слева направо, а за ней идет присадочный прут.
Конечно, если рассматривать способы газовой сварки, то обязательно стоит упомянуть о сварке сквозным валиком. Применяется она тогда, когда нужно получить вертикальное стыковое соединение. Суть заключается в том, что в нижней части стыка делается небольшое сквозное отверстие. При перемещении горелки верхняя часть отверстия плавится, а когда вводится присадка, заваривается нижняя часть. Когда толщина листа слишком большая, работа ведется с обеих сторон и выполняется двумя операторами.
Ванный способ сварки арматуры
Многие из нас знакомы с арматурой, которая активно используется в монолитно-каркасном строительстве. Ее применяют в блоках перекрытия, сваях и т.п. Давайте детально рассмотрим особенности такой сварки. Чаще всего она используется для горизонтальных стержней. Суть метода заключается в том, что в месте стыка заваривается стальная форма. Затем в ней создается ванна расплавленного металла за счет теплоты дуги. Получается так, что торцы свариваемой арматуры плавятся и образуют общую ванну. Соответственно, при остывании образуется полноценное соединение.
Но перед началом ванной сварки необходимо подготовить стержни. Делается это следующим образом: поверхности, а также торцы зачищаются, при этом удаляется любой вид загрязнения, например, ржавчина, окалина и грязь. Для этого подойдет щетка по металлу. Кстати, важно зачищать арматуру на длину 30 мм в месте сварки. Стержни устанавливаются соосно. При этом зазор не должен превышать полтора диаметра электрода (в месте торца).
Процесс протекает под большими токами. К примеру, при электроде в 6 мм сварочный агрегат работает при токе в 450 Ампер. Если речь идет о низких температурах, то ток увеличивают на 10-12%. Кроме того, работа может быть выполнена сразу несколькими электродами. Стоит обратить внимание на то, что данный метод позволяет снизить трудоемкость процесса, себестоимость изделия, а также расход электроэнергии. На сегодняшний день ванный способ сварки арматуры является самым популярным и надежным. Это обусловлено низким потреблением электроэнергии и высоким качеством соединения.
Сварка давлением (пластическая)
Данный вид сварки еще называется холодным. Обусловлено это тем, что во время выполнения соединения не происходит дополнительный нагрев обрабатываемой поверхности. Данный метод основан на пластической деформации металлов при сжатии или скольжении. Работы выполняются при нормальных или отрицательных температурах без диффузии. Данный метод считается одним из самых старых.
Для получения шва высокого качества используются специальные устройства, вызывающие деформацию обрабатываемых поверхностей, которые должны быть предварительно зачищены. В результате образуется монолитное и довольно прочное соединение. Существуют различные виды и способы сварки (пластической). В настоящее время их три: точечная, шовная и стыковая.
Холодной сваркой можно соединять такие материалы, как медь, свинец, алюминий, кадмий, железо и др. Наиболее предпочтительной пластическая сварка является тогда, когда необходимо выполнять работы с разнородными материалами, которые довольно чувствительны к нагреву.
Безусловно, нельзя не отметить, что основное и главное преимущество сварки давлением заключается в том, что не нужно подключать мощный источник электроэнергии для предварительного нагрева поверхности. Кроме того, шов, полученный таким образом, является не только прочным, но и однородным, а также устойчивым к коррозии. Тем не менее, есть и некоторые недостатки. Заключаются они в том, что работать можно только с металлами высокой пластичности. Если одни способы сварки труб могут быть применены, то другие - нет, и приходится использовать плавление. Это касается водопроводов и газовых магистралей.
Классификация способов сварки. Продолжение
Сам по себе процесс протекает следующим образом. Детали, которые необходимо соединить, устанавливают в непосредственной близости друг к другу. После этого подводится мощный источник тепла, который плавит соединяемые детали.
Расплавленный металл (без каких-либо дополнительных механических воздействий) добавляется в общую сварочную ванну. Когда источник тепла удаляют от места сварки, шов охлаждается, и наплавленный металл образует весьма прочное соединение. Основная проблема заключается в том, что источник тепла должен обладать высокой мощностью и температурой. К примеру, для работы со сталью, медью или чугуном необходимо устройство с температурой в 3 тысячи градусов по Цельсию. Если целенаправленно понизить этот показатель, то производительность сварки резко упадет, и процесс станет неэффективным.
Классификация способов сварки плавлением в зависимости от источника тепла существует следующая:
- Дуговая сварка. В качестве источника тепла используется электрическая дуга, которая горит между электродом и свариваемой поверхностью.
- Источник тепла - сжатая электрическая дуга. Через нее с большой скоростью (сверхзвуковой) продувается газ, который приобретает свойства плазмы.
- Электрошлаковая - металл нагревается от расплавленного флюса, через который протекает электрический ток.
- Электронно-лучевая сварка - нагрев осуществляется от кинематической энергии электронов. Они движутся в вакууме под воздействием электрического поля.
- Лазерная сварка производится путем нагрева металла через оптический луч квантового генератора. При этом диапазон излучения может быть световым или инфракрасным.
- Газовая сварка - плавление обрабатываемой поверхности за счет сгорания газово-кислородной смеси.
Дуговая сварка и ее виды
На сегодняшний день наиболее важной для многих отраслей промышленности является электрическая дуговая сварка. Если подсчитать количество действующих установок, занятость среди специалистов, а также число продукции, то такой способ получения высококачественных швов лидирует по всему миру. Давайте рассмотрим основные способы дуговой сварки. На сегодняшний день их несколько.
Наиболее распространенной является автоматическая сварка. Суть ее заключается в том, что некоторые движения оператора автоматизируются. Например, подача электрода и его перемещение вдоль шва осуществляются без участия человека (в отличие от полуавтоматического режима). Такой подход хорош тем, что качество шва и производительность несколько увеличиваются, а травмоопасность понижается. Зачастую используется защитный газ, который нужен для предотвращения азотирования и окисления сварного соединения во время выполнения работ.
Существует еще и ручная сварка, которая заключается в том, что плавящиеся кромки соприкасаются и возбуждают электрическую дугу (при неплавящемся электроде). После того как присадочный материал нагревается и плавится, получается ванна, которая впоследствии и создает шов. Стоит обратить ваше внимание на то, что способы сварки электродом при помощи электрической дуги классифицируются по нескольким техническим признакам. Например, по типу используемых газов (активные и инертные), по степени механизации (ручная, автоматическая и т.п.) и по другим признакам.
Более подробно о ручной дуговой сварке
Мы уже рассмотрели в общих чертах принцип получения сварного соединения в ручном режиме. Давайте разберемся в этом вопросе более подробно. На сегодняшний день существуют способы ручной дуговой сварки, каждый из которых уникален по-своему. Например, в процессе могут быть использованы различные электроды: плавящиеся и неплавящиеся. Если выбирается второй вид, то соединение шва осуществляется следующим образом: кромки прикладывают друг к другу, а графитовый или подносят к обрабатываемой поверхности и создают дугу. В результате образуется ванночка, которая через некоторое время затвердевает и образует сварной шов. Данный метод наиболее актуален для работы с цветными металлами и их сплавами, а также используется для наплавки.
Еще один способ заключается в использовании плавящегося электрода со специальной обмазкой. Такой метод можно назвать классическим, если вести речь о ручной сварке, так как он наиболее распространен и используется довольно давно. Единственное отличие от вышеописанного способа заключается в том, что электрод плавится вместе с поверхностью. В итоге получается общая ванночка, которая застывает после удаления дуги и образует высококачественный сварной шов. Выбор способа сварки зависит от конкретной ситуации, материала, его состава и много другого.
Несколько важных моментов
Мы рассмотрели основные способы сварки. Их условно разделяют на три большие группы: холодная, горячая и газовая. Однако стоит заметить, что иногда используются особые способы получения шва. Нужно это тогда, когда речь идет о химически активных металлах и их сплавах. Кстати, такие материалы все чаще используются в строительстве для возведения ответственных узлов. В таких случаях работы выполняются при низком содержании кислорода и азота в воздухе, а источник должен быть с высокой температурой. Ярким примером является плазменная, а также лучевая сварка. Во втором случае источник луча похож на кинескоп и имеет напряжение порядка 30-100 кВ.
Куда сложнее и интереснее с точки зрения получения качественного соединения плазменная сварка. С ее сутью мы уже немного разобрались. В процессе есть такие ключевые особенности, как проводимость электрического тока плазмой. Газ, образующий плазму, помимо основной своей задачи еще и защищает шов от окислительных процессов и азотирования. Можно с уверенностью говорить, что это достойный внимания метод, однако есть и некоторые ограничения. К примеру, источник питания должен иметь напряжение более 120 В, да и установка весьма дорогостоящая и сложная.
Заключение
Вот мы и разобрались с тем, что такое сварка. Способы сварки есть различные. В большинстве случаев перед оператором стоит задача получить не только качественный, но и прочный шов, который будет выдерживать механические воздействия в течение длительного времени. Для этого существуют различные способы сварки электродом, например, плавящимся или нет. Кроме того, технология может отличаться в зависимости от техники мастера. Кому-то удобно выполнять работу левой сваркой, кому-то - правой.
Даже элементарные способы сварки арматуры должны выполняться по инструкции. Согласитесь, будет не очень приятно, если перегородка завалится только потому, что сварщик схалтурил и решил немного сэкономить.
На сегодняшний день все большее распространение получают сложные и дорогостоящие виды получения соединения. Обусловлено это некоторыми факторами. Во-первых, технический прогресс приводит к тому, что далеко не всегда можно использовать кузнечную сварку из-за хрупкости конструкции. Во-вторых, стараются получить высокое качество шва, который не разрушался бы при длительных динамических и вибрационных нагрузках. Этого добиться несложно, особенно если учитывать, что удары и вибрация - самые главные враги сварного соединения. Но современная сварка (способы сварки) постоянно совершенствуется, разрабатываются всё новые подходы к укреплению и получению прочных и качественных стыков.
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 |
В наше время, когда очень часто необходимо получить неразъемные соединения, применяется сварка. Что такое сварка? Однозначно ответить на этот вопрос достаточно сложно.
Сварка используется для ремонта сложного промышленного оборудования, теплотрасс, а также нередко применяется для бытовых нужд.
Неразъемные соединения самых разных конструкций, когда применяется общий нагрев, называются сваркой. Деталь получает пластическую деформацию благодаря возникновению межатомных связей. Варить можно:
- металлические детали;
- керамику;
- стекло;
- пластмассу.
Сегодня известно несколько видов сварки, когда происходит плавление металла:
- дуговая;
- электрошлаковая;
- электронно-лучевая;
- плазменная;
- лазерная;
- газовая.
Сварка плавлением, когда происходит нагрев заготовок и их деформация, подразделяются на контактную, высокочастотную и газопрессовую. Кроме того, сварка плавлением имеет качественные результаты работы.
При деформации без нагрева применяется:
- холодная сварка;
- взрыв;
- диффузионное соединение с использованием вакуума.
Источник питания влияет на сварочный процесс. Он может быть:
- дуговым;
- газовым;
- электронно-лучевым.
Применение защитных материалов требует использования других методов сварки:
- с использованием флюса;
- в зоне защитного газа;
- в вакууме.
В зависимости от примененной механизации сварка бывает:
- ручной;
- полуавтоматической;
- автоматической.
Рассмотрим основные виды сварки плавлением.
Ручная технология
В настоящее время ЭДС стала основой при выполнении . Теория сварки в первую очередь изучает ЭДС. Источником тепла становится электрическая дуга, образованная двумя электродами, причем один из них — свариваемая деталь. Электрической дуге можно дать определение как сильнейшему разряду, произошедшему в газовой зоне.
Для того чтобы произошло зажигание дуги, необходимо наличие нескольких критериев:
- короткое замыкание, когда электрод касается заготовки;
- быстрый отвод электрода;
- появление устойчивого горения.
Короткое замыкание требуется для разогрева электрода. Он должен достичь температуры, когда возникает эмиссия электронов.
Образовавшиеся электроны получают сильнейшее ускорение, появляется ионизация газового зазора между анодом и катодом. В результате дуговой разряд получает устойчивое горение.
Электрическая дуга — это мощный источник тепла, достигающий температуры 6000°. В это время максимальное значение сварочного тока равно 3 кА. Напряжение дуги во время работы может достигать 50 В.
Чаще всего используется ЭДС с покрытыми электродами. Ручная сварка, когда применяются такие электроды, предназначена для:
- газовой защиты жидкого металла от попадания окружающего воздуха;
- легирования.
Вернуться к оглавлению
Сварка с использованием флюса
Широкое применение нашла , когда используется плавящийся электрод, а операция происходит под слоем специального флюса.
Его насыпают на деталь, толщина слоя при этом достигает 50 мм. Таким образом предотвращается горение дуги в воздушном пространстве. Образуется газовый пузырь, который находится под жидким флюсом, где происходит горение дуги, полностью изолированной от прямого контакта с кислородом.
Когда выполняется автоматическая сварка, не происходит разбрызгивания раскаленного металла, не нарушается форма шва, причем даже при подаче большого тока. Когда варятся детали с применением флюса, регулируется сила тока, устанавливается максимальный ток 1200 А. Когда варятся детали открытой дугой, достичь такого значения невозможно.
Сварка с флюсом позволяет увеличить сварочный ток. Причем сохраняется отличное качество шва, наблюдается высокая производительность. Для такой сварки необходимо иметь чистую электродную проволоку, подачу которой производит сварочная головка. Она медленно вращается, а проволока в это время двигается вдоль шва.
В сварочную головку по специальной трубке непосредственно в район шва подается зернистый флюс. Он плавится и равномерно закрывает шов. Получается твердая шлаковая корочка.
Основные отличия автоматической сварки, использующей флюс, от дуговой ручной:
- отличное качество шва;
- повышенная производительность;
- величина слоя флюса;
- мощность тока;
- автоматическая выдержка нужной длины дуги.
Вернуться к оглавлению
Сварка с применением шлака
Этот вид электрошлаковой методики считается абсолютно новой технологией соединения металлов. Он был изобретен и полностью разработан учеными института имени Патона.
При работе все заготовки закрываются шлаком, температура нагрева которого выше температуры плавления заготовки, а также электродной проволоки.
Сначала процесс повторяет операции аналогично использованию флюса. Когда образуется жидкий шлак, полностью гасится дуга. Края изделия начинают оплавляться благодаря теплу, которое выделяется, когда ток пропускается через расплав. Этим видом можно сваривать заготовки большой толщины, причем вполне достаточно одного прохода.
Вариант отличается высокой производительностью и отличным качеством шва.
Вернуться к оглавлению
Индукционная сварка
Этот вид сварки считается новым способом, который стал применяться несколько лет назад. Обычно таким методом варятся продольные швы, когда изготавливаются трубы при непрерывной подаче. Этот метод применяется для:
- наплавки твердых сплавов;
- изготовления режущего инструмента.
Металл в этом случае начинает нагреваться за счет использования тока высокой частоты и сильного сдавливания. Индукционная сварка совершается бесконтактно. Локализация токов высокой частоты происходит рядом с поверхностью нагреваемых деталей.
Работа этих установок совершается в следующем порядке. Ток от высокочастотного генератора передается индуктору. В заготовке начинают появляться вихревые токи, происходит сильный нагрев трубы.
Такие станы предназначены для сварки труб, максимальный диаметр которых достигает 60 мм. Скорость обработки равна 50 м/мин. Ламповый генератор мощностью 260 кВт обеспечивает питание. Используется частота 880 кГц.
Можно варить трубы и очень больших диаметров, толщина стенки которых превышает 7 мм. Максимальный диаметр трубы 426 мм, скорость сварки — 30 м/мин.
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:
- Электродуговая сварка. Производится созданием между металлом и электродом высокотемпературной электрической дуги.
- При плазменном соединении источником тепла служит ионизированный газ, который проходит с высокой скоростью через электрическую дугу.
- Шлаковая сварка осуществляется благодаря нагреву расплавленного флюса (шлака) электрическим током.
- Лазерное соединение происходит благодаря обработке металлической поверхности лазерным лучом.
- При электронно-лучевой сварке нагревание места стыка осуществляется за счет кинетической энергии движущихся электронов в вакууме под воздействием электрического поля.
- 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:
- Возможность соединять различные детали в автономном режиме. Причем для этой работы не требуется мощный источник энергии.
- Простое и надежное оборудование газосварки легко поддается транспортировке.
- 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:
- Ультразвуковая стыковка частей металла. Выполняется благодаря колебаниям ультразвуковой частоты.
- Холодная сварка. Осуществляется на основе межатомного соединения двух деталей путем создания большого давления.
- Кузнечно-горновой метод. Известен с давних времен. Материал нагревается в горне, а затем сваривается механической или ручной проковкой.
- Газовая с прессовкой сварка. Очень похожа на кузнечный метод, только для нагрева применяется газовое оборудование.
- Контактное электрическое соединение. Считается одним из самых популярных видов. При такой сварке нагрев металла осуществляется прохождением по нему электрического тока.
- 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.
