Лекция 10 Технологические процессы получения заготовок сварочным методом

Под сваркойв машиностроении понимают технологический процесс соединения металла при таком нагреве и/или давлении, в результате которого получается непрерывность структуры соединяемого металла. Все процессы сварки детальны описаны в [7]. Согласно этому документу сварные соединения можно получать двумя принципиально разными процессами (рисунок 10.1).

 

Рисунок 10.1 – Основные процессы сварки

 

Сварка плавлением – это технологический процесс сварки, осуществляемый оплавлением сопрягаемых поверхностей без приложения внешней силы, обычно, но не обязательно, добавляется расплавленный присадочный металл. Существует множество видов сварки плавлением, удобнее всего классифицировать их по способу нагрева свариваемых деталей. По этому критерию классифицируют следующие виды процессов сварки плавлением (рисунок 10.2).

 

Рисунок 10.2 – Виды сварки плавлением

Дуговая сварка – сварка плавлением, при которой нагрев осуществляется электрической дугой – одним из видов электрического разряда, возникающего между двумя электродами в атмосфере или в газах. Наиболее распространены следующие разновидности дуговой сварки: дуговая сварка неплавящимся электродом, сварка плавящимся электродом, дуговая сварка в защитном газе, дуговая сварка под флюсом, ручная дуговая сварка. Основным инструментом при сварке является сварочный электрод – металлический или неметаллический стержень или ролик из электропроводного материала, предназначенный для подвода тока к свариваемому изделию.

Последовательно ознакомимся с разновидностями дуговой сварки.

Сварка неплавящимся электродом – это процесс, при котором соединение выполняется путем расплавления только свариваемого (основного) металла или с применением присадочного металла. При этом сам электрод не плавится. Присадочный металл вводится в сварочную ванну в дополнение к расплавленному основному металлу. Сварка плавящимся электродом происходит с одновременным расплавлением основного металла и электрода, который пополняет сварочную ванну жидким металлом. Такими процессами сваривают тонколистовой металл; стали всех классов, цветные металлы и их сплавы. Возможно получение качественных сварных соединений при сварке разнородных металлов.

При сварке в защитном газе электрод, дуга и сварочная ванна защищены струей защитного газа (инертного или активного – аргон, гелий, углекислый газ, азот). Газ защищает сварочный шов от влияния кислорода, что не дает окисляться сварочному шву и препятствует процессу кипения ванны.

Дуговая сварка под флюсом производится с использованием сварочного флюса – материала, используемого для защиты зоны сварки от атмосферного воздуха, обеспечения устойчивости горения дуги, формирования поверхности сварного шва и получения заданных свойств наплавленного материала. Для сварки используют непокрытую электродную проволоку. Схема автоматической дуговой сварки под флюсом представлена на рисунке 10.3. Сваривают в защитных средах различные стали, сплавы, цветные металлы. Сварка под флюсом применяется при изготовлении конструкций и изделий ответственного назначения, которые должны работать и в условиях глубокого холода, под действием высоких температур, давлений, агрессивных жидких и газовых сред.

 

Рисунок 10.3 – Схема дуговой сварки под флюсом: 1 – сварочная ванна, 2 – шлак, 3 – флюс, 4 – трубка подачи флюса, 5 – мундштук, 6 – подающие ролики, 7 – проволока сварочная, 8 – дуга, 9 – сварной шов, 10 – источник питания

 

Ручную дуговую сварку выполняют сварочными электродами, которые подают в зону сварки вручную и перемещают вдоль заготовки (рисунке 10.4).

 

Рисунок 10.4 – Ручная дуговая сварка плавящимся покрытым электродом: 1 - заготовка, 2 - сварной шов, 3 - шлак, 4 - дуга, 5 - покрытый электрод, 6 - электрододержатель, 7 - источник питания

 

В процессе сварки металлическим покрытым электродом дуга горит между стержнем электрода и основным металлом. Стержень электрода плавится, и стекает в сварочную ванну. Вместе со стержнем плавится покрытие электрода, образуя защитную газовую атмосферу вокруг дуги и жидкую шлаковую ванну на поверхности расплавленного металла. Ручная дуговая сварка успешно применяется при изготовлении конструкций и изделий различного назначения, при строительных, ремонтных и восстановительных работах.

Электрошлаковая сварка – сварка плавлением, при которой для нагрева используется тепло, выделяющееся при прохождении электрического тока через расплавленный шлак. При этом металлическая и шлаковая ванна удерживаются охлаждаемыми ползунами, перемещающимися вверх по мере выполнения шва (рисунке 10.5). Электрошлаковую сварку широко применяют в тяжелом машиностроении для изготовления станин и деталей прессов и станков, коленчатых валов судовых дизелей, роторов и валов гидротурбин, котлов высокого давления.

 

Рисунок 10.5 – Электрошлаковая сварка: 1 – сварной шов, 2 – заготовка, 3 – источник питания, 4 – водяное охлаждение, 5 – проволочный электрод, 6 – подающие ролики, 7 – мундштук, 8 – заготовка, 9 – ползуны, 10 – дуга, 11 – защитный газ, 12 – сварочная ванна, 13 – металл шва, 14 – водяное охлаждение

 

При электронно-лучевой сварке (рисунок 10.6) свариваемые детали, собранные без зазора, помещают в вакуумную камеру и подают на них электронный луч – пучок электронов, движущихся с большой скоростью. При соударении с изделием электроны тормозятся, их кинетическая энергия переходит в тепловую энергию и расплавляет металл. Температура в месте соударения достигает 5000-6000 ^о С. Перемещая электронный луч вдоль стыка, получают сварной шов.Электронно-лучевой сваркой изготовляют детали из: тугоплавких металлов, химически активных металлов и их сплавов, алюминиевых и титановых сплавов, высоколегированных сталей.

Плазменная сварка – дуговая сварка, при которой нагрев осуществляется дугой, столб которой сжат с помощью сопла плазменной горелки, потока газа или внешнего электромагнитного поля. Защиту можно создавать дополнительным газом. Может добавляться присадочный металл.

 

Рисунок 10.6 – Процесс плазменной сварки зубчатых колес: 1 – заготовка, 2 – рабочая камера, 3 – электронный луч, 4 – отклоняющая система, 5 – анод, 6 – катод, 7 – вакуумная камера, 8 – источник питания, 9 – фокусирующая система, 10 – сварной шов

 

Газовая сварка – это сварка плавлением, при которой для нагрева используется теплота горения горючего газа или смеси горючих газов и кислорода (рисунок 10.7). Газовую сварку применяют для сварки: металла малой толщины, легкоплавких цветных металлов и сплавов; металлов и сплавов, требующих постепенного нагрева и охлаждения (инструментальные стали, латуни); для подварки дефектов в чугунных и бронзовых отливках.

 

Рисунок 10.7 – Процесс газовой сварки: 1 – заготовка, 2 - сварной шов,

3 – присадочный металл, 4 – газовое пламя, 5 – горючий газ и кислород,

6 – сварочная горелка

 

Термитная сварка– это сварка заливкой жидкого металла между свариваемыми кромками, при которой используют энергию экзотермической реакции смеси оксидов металла и измельченного алюминиевого порошка, в результате чего образуется расплавленный присадочный металл.

Лазерная сварка – это способ сварки плавлением, при которых металл нагревают излучением лазера (рисунок 10.8).

 

Рисунок 10.8 – Процесс лазерной сварки: 1 – заготовка; 2 – источник света; 3 – источник питания; 4 – зеркало; 5 – активный элемент; 6 – световое излучение;

7 – лазерный луч; 8 – линза; 9 – защитный газ; 10 – сварной шов

 

Лазер – это устройство, преобразующее энергию накачки (световую, электрическую, тепловую, химическую и др.) в энергию когерентного, монохроматического, поляризованного и узконаправленного потока излучения. Преимуществом лазерной сварки является быстрый точечный нагрев металла до плавления и быстрое охлаждение. Это позволяет свести к минимуму ширину околошовной зоны, сварочные напряжения и деформации. Лазерную сварку применяют для сварки: металла малой толщины.

Переходим к описанию процессов сварки давлением. Сварка давлением – сварка, осуществляемая приложением внешней силы и сопровождаемая пластическим деформированием сопрягаемых поверхностей, обычно без присадочного металла. В современном машиностроительном производстве используют множество видов сварки давлением, основные виды классифицированы и представлены на рисунке 10.9. Рассмотреть подробно все процессы сварки давлением не представляется возможным в рамках одной лекции. Познакомимся с наиболее интересными процессами.

 

Рисунок 10.9 – Разновидности сварки давлением

 

Ультразвуковая сварка – это сварка давлением, осуществляемая при воздействии механических колебаний высокой частоты и статической силы, создаваемой этими колебаниями.

Магнитно-импульсная сварка – это сварка с применением давления, при которой соединение осуществляется в результате соударения свариваемых частей, вызванного воздействием импульсного магнитного поля.

Диффузионная сварка – это сварка давлением, осуществляемая за счет взаимной диффузии атомов в тонких поверхностных слоях контактирующих частей, достигаемой нагревом (ниже температуры плавления) и длительной выдержки, при этой температуре, с последующим сжатием.

Сварка трением – это процесс сварки давлением, при которой поверхности разогреваются трением, обычно вращением заготовок в контакте друг с другом, сварка завершается приложением ковочного усилия.

Сварка взрывом – это сварка с применением давления, при которой соединение осуществляется в результате вызванного взрывом соударения свариваемых частей. Сварка взрывом близка к холодной сварке, но отличается тем, что в зоне соединения металл нерегулируемо нагревается в результате быстрой пластической деформации.

Контактнаясварка – это сварка с применением давления, при которой используется тепло, выделяющееся в контакте свариваемых частей при прохождении электрического тока.

Сварка ТВЧ (высокочастотная сварка) – сварка с применением давления, при которой нагрев осуществляется токами высокой частоты. Нагрев может быть индукционный и конденсаторный.

 

Контрольные вопросы к лекции 10

1. В чем состоит физическая сущность процесса сварки.

2. Какие процессы сварки относятся к сварке плавлением.

3. Перечислите особенности и разновидности дуговой сварки.

4. Какие процессы сварки относятся к сварке давлением.

5. В чем заключается понятие «защитная среда» в процессах сварки.

6. Какие способы сварки являются «защитными».

7. В чем состоит процесс сварки трением. Какие физические процессы происходят при таком виде сварки.

8. Какие способы нагрева зоны сварки вы знаете.