Все о сварке

Физические основы сварки


Физические основы сварки

Главная » Статьи » Профессионально о сварке » Основы сварки

Рекомендуем приобрести:

Установки для автоматической сварки продольных швов обечаек - в наличии на складе! Высокая производительность, удобство, простота в управлении и надежность в эксплуатации.

Сварочные экраны и защитные шторки - в наличии на складе! Защита от излучения при сварке и резке. Большой выбор. Доставка по всей России!

Сваркой называется процесс получения неразъёмного соединения отдельных частей из твёрдых материалов за счёт междуатомных сил сцепления как с применением нагрева, так и без него.

Сварка в промышленности особенно широко применяется для соединения металлов, но могут свариваться и многие другие материалы: стёкла, пластмассы, смолы, некоторые горные породы и т. д. В настоящей статье рассматривается только сварка металлов.

Силы сцепления, связывающие в одно целое элементарные частицы, из которых состоят твёрдые или жидкие тела, могут быть объяснены взаимодействием электронных оболочек атомов, составляющих тело. Для осуществления сварки, т. е. соединения твёрдых металлических частей в одно целое, необходимо привести в действие силы сцепления. Для этого прежде всего нужно достаточно сблизить атомы соединяемых частей на расстояние порядка атомного радиуса, а затем активизировать силы сцепления, т. е. заставить взаимодействовать электронные оболочки соединяемых частиц.

По общим законам термодинамики частицы взаимодействуют так, что в конечном счёте уменьшают свободную энергию системы. К процессам, уменьшающим свободную энергию системы, относятся, например, распределение атомов в определённом правильном порядке пространственной кристаллической решётки, которая обладает известной прочностью. Для деформирования решётки необходимо затратить определённую работу, т. е. подвести к твёрдому кристаллическому телу достаточное количество энергии. Деформированная кристаллическая решётка при подходящих условиях возвращается к нормальному состоянию, уменьшая свободную энергию системы и возвращая работу, затраченную на её деформирование. Во время перестройки деформированной кристаллической решётки частицы приходят во взаимодействие, вызывая срастание в одно целое соединяемых металлических частей.

К процессам, идущим самопроизвольно, с уменьшением свободной энергии системы, относятся, например, растворение и диффузия, которые часто играют основную роль в процессе сварки. Важным фактором увеличения свободной энергии системы является нагрев свариваемых тел. С повышением температуры сначала происходит уменьшение прочности твёрдого тела, ослабляются упругие свойства, растёт способность к пластическим деформациям, а затем происходит плавление металла. При дальнейшем повышении температуры металл переходит в газообразное состояние. Способность объёмов вещества к объединению в одно целое меняется с температурой, возрастая с её повышением. Любые газы, приведённые в соприкосновение и находящиеся в любых соотношениях, самопроизвольно образуют смесь, однородную по всему объёму, с наиболее вероятным равномерным распределением различных газовых молекул по всему объёму. В жидком состоянии способность к диффузия частиц уже сильно ограничена: существуют многочисленные примеры взаимно нерастворимых жидкостей и жидкостей с ограниченной взаимной растворимостью. Все расплавленные металлы являются достаточно однородными жидкостями и обладают хоть и очень ограниченной, но достаточной для осуществления сварки взаимной растворимостью.

Нагрев металла облегчает выполнение процесса сварки и применяется в широких размерах и разнообразнейших формах в сварочной технике, поэтому в обычном представлении сварка неразрывно связана с нагревом металла до высоких температур его плавления или перехода в пластическое состояние. Однако нагрев не является необходимым для осуществления процесса сварки и применяется из соображений практического удобства. Принципиально сварка возможна при низких температурах и в некоторых случаях осуществляется в промышленных масштабах. Срастание частиц металла в монолитное твёрдое тело при низких температурах наблюдается достаточно часто, так, например, при комнатной температуре формируются плотные и прочные массы металла при электролитическом его осаждении из водных растворов.

Нанося гальваническим путём осадок металла на соединяемые части, можно их соединить в одно целое и принимать осуществляемый таким образом процесс за сварку. Плотные прочные осадки металлов могут быть получены иногда и посредством химических реакций восстановления металла из его соединений, протекающих при низких температурах. При комнатной температуре возможно превращение металлических порошков в монолитный металл приложением значительного давления. За счёт пластической деформации осуществляется холодная сварка многих металлов при комнатной температуре,  находящая  промышленное  применение.

Источник: Хренов К.К. Сварка, резка и пайка металлов

www.autowelding.ru

Раздел 1. Физические основы и классификация процессов сварки

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Санкт-Петербургский институт машиностроения

(ВТУЗ-ЛМЗ)

______________________________________________________

Кафедра «Оборудование технология сварочного производства»

ТЕОРИЯ СВАРОЧНЫХ ПРОЦЕССОВ

Конспект лекций

Для студентов специальности 12.05.00

Санкт-Петербург

2006

Теория сварочных процессов. Конспект лекций для студентов специальности 12.05.00 – «Оборудование и технология сварочного производства».- СПб.: ПИМаш, 2006. с.

Конспект составлен на основе курса лекций, читаемых студентам специальности 12.05.00 в ПИМаше. В конспекте освещены вопросы физической сущности процесса сварки, даны классификация и описание основных способов сварки, рассмотрены сварочные источники тепла, процессы нагрева и распространения тепла в условиях сварки, металлургические процессы при сварке, вопросы кристаллизации и технологической прочности, основные закономерности формирования структуры и свойств сварных соединений, а также вопросы технологической свариваемости металлов и принципы выбора способа и режимов сварки для изготовления различных сварных конструкций.

Составитель – к.т.н. Н.Г.Кобецкой

Научный редактор – к.т.н. К.А.Синяков

Рецензент

Редактор

ВВЕДЕНИЕ

Родоначальником всех современных способов сварки является древний способ кузнечно-горновой сварки.

Сварог – так назывался славянский бог – кузнец, бог металлургии. Сварожичем называли огонь, считая его сыном Сварога.

Найденные в раскопках инструменты, оружие и др. 1 – 2 вв. до нашей эры, так и позднейших времен – Киевской Руси, показывают, что кузнечно-горновая сварка в древности была единственной технологией изготовления всех изделий из железа. При этом все инструменты и оружие из железа делались только сварными.

В 1802 г. русский физик и электротехник В.В. Петров открыл явление электрической дуги.

В 1882 г. русским изобретателем Н.Н. Бенардосом электрическая дуга была применена для целей сварки с использованием угольного электрода.

В 1888 г. русский инженер Н.Г. Славянов предложил выполнять электродуговую сварку металлическим электродом.

Начиная с 1935 г. широкое применение получили электроды качественными покрытиями, позволившие применять сварку в производстве ответственных конструкций.

С 1940 началось интенсивное развитие и внедрение в производство автоматической сварки под флюсом. Заслуга в создании этого процесса принадлежит акад. Е.О. Патону и созданному им Институту Электросварки (ИЭС). В том направлении работали также ЦНИИТМАШ, МВТУ, з-д «Электрик» и др.

Большой вклад в развитие мировой сварочной науки внесли наши ученые и инженеры. Выполнены фундаментальные работы в области сварочных напряжений и деформаций, теории источников теплоты и источников тока, металлургических процессов. В нашей стране было открыто явление саморегулирования дуги, электрошлаковой сварки (Г.В. Волошкевич, Б.Е. Патон, и др.) автоматической сварки плавящимся электродом в углекислом газе (К.В. Любавский, Н.М. Новожилов и др.).

Лазер также был изобретен также в нашей стране (Басов, Прохоров).

    1. Физические основы процесса сварки металлов

Монолитность сварных соединений твердых тел обеспечивается появлением атомно-молекулярных связей между элементарными частицами соединяемых веществ. Твердое тело представляет собой комплекс атомов, находящихся во взаимодействии. Тип связи атомов и характер их взаимного расположения определяют физико-химические и прочностные свойства твердого тела.

Связь атомов возникает в результате движения электронов внешних (валентных) оболочек атома в поле между ядрами. Каждый из этих электронов, проникая, например, в поле двух ядер, принадлежит уже обоим атомам. Силы по своей природе являются электромагнитными и действуют на расстоянии порядка 10-8 см = 1 А.

Различают четыре вида элементарных связей: ковалентную, ионную, межмолекулярную (Ван-дер-Ваальса) и металлическую.

Ковалентную химическую связь называют еще валентной, атомной, обменной связью. Она образовывается взаимодействием или «спариванием» валентных электронов. Сильная ковалентная связь с энергией порядка 105 Дж/моль определяет высокую температуру плавления и прочность кристаллов. Этой связью обусловлены структуры так называемых атомных кристаллов – алмаза, кремния, германия и др.

Ионная или гетерополярная связь типична для молекул и кристаллов, образованных из разных ионов (анионов и катионов). Образование положительного катиона – результат ионизации атома. Мерой прочности связи электрона в атоме может служить потенциал ионизации атома. Типичный представитель ионных кристаллов – соль NaCl.

Силы Ван-дер-Ваальса действуют между любыми атомами и молекулами, но они очень малы (порядка 103 Дж/моль). Поэтому молекулярные кристаллы, обусловленные этими силами (твердые инертные газы, молекулы кислорода, азота и др.), отличаются весьма низкой температурой плавления (He – 1,8; Ar – 400K).

Металлические связи образуют структуры путем взаимодействия положительных ионов решетки и делокализованных, обобществленных электронов. Они по существу не относятся к химическим. Металлы обычно не имеют молекулярного строения, а их атомы соединяются в кристаллические образования. Этот вид связи и обуславливает высокую прочность, пластичность и электропроводность металлов. Энергия связи – около 105 Дж/моль.

Металлическая связь по своей природе имеет значительное сходство с ковалентной связью. В обоих случаях электронные орбиты сливаются, но в металле происходит обобщение не отдельных, а всех электронных орбит.

Кристаллическая структура металла характеризуется решетками объемно — или гранецентрированного куба, или гексагональной плотноупакованной.

Реальные металлы являются поликристаллическими, состоящими из множества отдельных кристаллов, взаимосвязанных в общее монолитное целое. Периферийные части отдельных кристаллов зерен металла сопрягаются с соседними, образуя межзеренные, межкристаллические границы. Несовершенства кристаллического строения межкристаллических границ больше, чем внутри кристаллов, в связи с нарушениями порядка расположения узлов решеток и большим количеством атомов инородных веществ – примесей и пр.

Физические свойства поликристаллического тела (металла), в частности и его прочность, зависят от соотношений свойств зерен и межзеренных границ; они зависят также от крупно — или мелкозернистости металла, что определяет преобладающее действие внутрикристаллических или межкристаллических свойств.

Для всех частиц тела, кроме находящихся на поверхности, силы сцепления использованы и взаимоуравновешены. Атомы или молекулы вещества, расположенные на поверхности, имеют свободные связи и могут присоединять к себе другие молекулы и атомы, в частности адсорбировать на поверхности различные газы или вступать в связь с поверхностными атомами другого твердого или жидкого тела.

Для соединения двух твердых тел с получением общего монолитного тела необходимо установить между их поверхностными атомами непосредственную связь или каждую из них соединить с промежуточной связкой. Для того чтобы установить связь между поверхностными атомами двух тел без промежуточной связки, необходимо их сблизить на расстояния, сопоставимые с параметром кристаллической решетки, т.е. (3 – 5)*10-8 см.

Однако одного сближения недостаточно. Для соединения поверхностей требуется затрата энергии. Внутри кристалла каждый атом удерживается симметрично направленными силами связи. На свободной поверхности кристалла атом неуравновешен вследствие отсутствия связи с одной стороны (вакуум). Это вызывает повышение энергии поверхностного слоя кристалла. Если для перемещения внутри тела атому необходима энергия Е0, то для выхода в окружающую среду – Еп, причем ЕпЕ0. Поэтому для соединения двух монокристаллов в один требуется извне деформационная или тепловая энергия.

Внешняя энергия деформации будет затрачиваться на преодоление сил отталкивания, возникающими между сближаемыми поверхностными атомами. Когда расстояния между ними будут равны межатомным расстояниям в решетке кристаллов, возникают квантовые процессы взаимодействия электронных оболочек атомов

Тепловая энергия, сообщенная поверхностным атомам при повышении температуры, увеличивает вероятность развития квантовых процессов электронного взаимодействия в соединении.

Опытный материал и теоретический анализ показывают, что сварку и пайку можно отнести к классу так называемых топохимических реакций, которые отличаются двухстадийностью процесса образования прочных связей между атомами соединяемых веществ: а) развитие физического контакта (сближение на расстояние, требуемое для установления взаимодействия); б) энергетическое взаимодействие, заканчивающееся образованием соединения.

Практически получение монолитных соединений осложняется двумя факторами:

Свариваемые поверхности имеют микронеровности (даже при самой тщательной обработке), измеряемые тысячами ангстрем.

Свариваемые поверхности имеют загрязнения.

Для качественного соединения материалов необходимо обеспечить контакт по большей части стыкуемой поверхности и активировать ее.

Активация поверхности заключается в том, что поверхностным атомам твердого тела сообщается некоторая энергия, необходимая:

Для обрыва связей между атомами тела и атомами внешней среды, насыщающими их свободные связи;

Для повышения энергии поверхностных атомов до уровня энергетического барьера схватывания, т.е. для перевода их в активное состояние.

Такая энергия активации может в лучшем случае сообщаться в виде теплоты (термическая активация), упруго-пластической деформации (механическая активация), электронного, ионного и других видов облучения (радиационная активация).

Сварка в жидкой и твердой фазах. При сварке в жидкой фазе (сварка плавлением) сближение атомов твердых тел осуществляется за счет смачивания поверхностей тел жидким материалом (расплавом), а активация поверхности твердого материала – путем сообщения ее частицам тепловой энергии. Жидкий материал растекается по поверхности твердого тела и обеспечивает соприкосновение и прилипание (или адгезию) его молекул и поверхностного слоя твердых тел.

При затвердевании расплавленного материала слабые адгезионные связи заменяются прочными химическими связями, соответствующими природе соединяемых материалов и их типу кристаллической решетки. При сварке в жидкой фазе вводимая тепловая энергия должна обеспечить расплавление основного и присадочного материалов, оплавление стыка, нагрев кромок и т.д. При этом происходит усиленная диффузия компонентов в расплавленном и твердом материалах, их взаимное растворение.

При сварке плавлением обе стадии процесса соединения – физический адгезионный контакт и химическое взаимодействие, сопровождаемое диффузией, протекают достаточно быстро.

При сварке в твердом состоянии сближение атомов и активация поверхностей достигаются за счет совместной упруго-пластической деформации соединяемых материалов в контакте, часто с дополнительным нагревом.

Длительность стадий образования физического контакта а) и химического взаимодействия б) здесь существенно больше чем при сварке плавлением.

Сварка – это технологический процесс получения монолитных неразъемных соединений посредством установления внутренних межчастичных (межатомных, межмолекулярных) связей, при их местном или общем нагреве или пластическом деформировании или совместном действии того и другого. Сварные соединения металлов характеризуются непрерывной структурной связью.

Пайка и склеивание. Пайкой называют процесс соединения материалов без их расплавления, с помощью припоя. Температуру плавления припоя ниже, чем у соединяемых материалах. Образование межатомной связи при пайке происходит в процессе смачивания припоем поверхности соединяемых деталей. Смачивание и связь твердого тела с жидкостью может определяться электростатическими силами Ван-дер-Ваальса и силами химического взаимодействия.

Для осуществления химического смачивания при пайке необходим нагрев деталей, расплавление припоя, а также активация поверхностей. Последняя достигается нагревом в вакууме, в специальных средах или обработкой поверхности флюсом.

Склеивание может происходить практически без введения энергии в место соединения благодаря силам адгезии (прилипания) между жидким клеем и молекулами поверхностных слоев твердого тела и химическим реакциям. Способность клея соединять изделия объясняется также силами остаточного химического сродства между находящимися на поверхности молекулами клея и склеиваемого материала. Эти силы примерно в 10 – 100 раз меньше основных сил химической связи в простых молекулах.

studfiles.net

Физические основы сваривания металлов 11. Физические основы процесса сварки металлов

РАЗДЕЛ ПЯТЫЙ

Физические основы сваривания металлов

11. Физические основы процесса сварки металлов

11.1. Теоретические основы сварки

В настоящее время сварка находит применение не только для соединения металлов, но и некоторых неметаллов (стекол, пластмасс и пр.), а также разнородных материалов (металлы с неметаллами). Наибольшее же применение при изготовлении и ремонте разнообразного промышленного оборудования и трубопроводных систем транспортирования энергоносителя имеет сварка металлов. В связи с этим в дальнейшем рассматривается только сварка металлов.

Конечной задачей технологической операции сварки является обеспечение между соединяемыми металлическими деталями (по определенной части их поверхностей) таких связей, которые позволили бы получить требуемые для эксплуатации свойства сварных соединений. Всякое твердое или жидкое тело представляет собой систему атомов, ионов, или молекул, связанных между собой внутренними силами. Связи элементарных частиц могут быть как ковалентными, ионными, так и молекулярными, металлическими. Первые два типа связей являются химическими, связанными с образованием общих электронов для двух атомов при ковалентной связи или ионизацией с получением противоположных зарядов при переходе электрона от одного атома к другому. Применительно к сварке и пайке ковалентные связи устанавливаются при соединении металлов с неметаллами. Нехарактерные для металлов наиболее слабые межмолекулярные силы используются при сварке, например, пластмасс. Металлические связи образуют кристаллические структуры путем взаимодействия положительных ионов узлов кристаллической решетки (атомов, потерявших электроны) и поля обобществленных во всем объеме металла наружных орбит ранее нейтральных атомов. Силы межатомной связи состоят из гравитационных, магнитных и электрических, причем последние являются в металлах наиболее сильными. Расстояние между узлами и их взаимное расположение в виде той или иной решетки определяются энергетическим взаимодействием. В виде простейшей схемы на рис.11.1 показан характер энергетического взаимодействия двух положительно заряженных частиц.

находящихся в поле подвижных электронов, в зависимости от рас­стояния между этими частицами. Силы притяжения (в частности, гравитационные) при сближении частиц возрастают медленнее, чем силы отталкивания (в частности, для двух одинаково заряженных частиц), и при некотором расстоянии между частицами они уравновешиваются. Потенциальная энергия имеет минимум при некотором расстоянии . На рисунке разность между Unp и Uот получена графически в виде заштрихованной площади между зеркальным переносом в верхний квадрант значений .

Рис.11.1 – Схема энергетического взаимодействия двух положительно заряженных частиц

Если рассмотреть не отдельно взятые две частицы, а значитель­ное их число с определенной си­стемой геометрического взаиморас­положения, то расстояние, подоб­ное , будет определять параметр кристаллической решетки веще­ства (металла) при определенной температуре. Обычно для боль­шинства металлов параметр кристаллической решетки составляет Ǻ).

При увеличении расстояния между такими частицами силы их взаимодействия (связи) резко уменьшаются.

Однако расстояние — параметр решетки не остается постоян­ным. Это только некоторое среднее расстояние между частицами, которые колеблются около своего среднего положения. Обычно амплитуда колебаний при нормальных температурах составляет 5—10 % среднего межатомного расстояния и имеет значительные флуктуации. С повышением температуры эти тепловые колебания увеличиваются так же, как увеличивается параметр решетки, при­водя в целом к ослаблению взаимосвязей.

У большинства металлов и сплавов, представляющих практи­ческий интерес для сварки, кристаллическая структура характери­зуется решетками объемно- или гранецентрированного куба, или гексагональной плотно упакованной.

Наличие строгого порядка расположения узлов кристаллической решетки и их взаимодействия с полем подвижных обобществленных электронов определяет свойства твердого тела (кристалла, металла), в частности, прочность — сопротивляемость полному или частичному отрыву или смещению одной группы частиц от другой под дейст­вием сил отрыва или сдвига.

Реальные кристаллы в связи с технологией их получения, в основном с условиями кристаллизации, имеют ряд несовершенств в своем строении: незаполненные узлы («дырки», вакансий в кристал­лической решетке); искажения, вызванные наличием посторонних частиц (в частности, различных примесей); единичные или систематизированные отклонения отдельных частиц от оптимальных взаиморасположений (дислокации, блочные разориентировки). Все это изменяет свойства такого кристалла, в частности его внутрикристаллическую прочность в сравнении с идеально построенным кри­сталлом. Реальные металлы, применяемые для изготовления различных металлических изделий (исключая отдельные редкие случаи приме­нения специально приготовленных монокристаллов), являются поли­кристаллическими, состоящими из множества отдельных кристаллов, взаимосвязанных в общее монолитное целое. В этом случае пери­ферийные части отдельных кристаллов зерен металла сопрягаются с соседними, образуя межзеренные, межкристаллические границы. Несовершенства кристаллического строения межкристаллических границ больше, чем внутри кристаллов, в связи с нарушениями порядка расположения узлов решеток и, как правило, большим ко­личеством атомов инородных веществ — примесей и пр. Физические свойства поликристаллического тела (металла), в част­ности и его прочность, зависят от соотношений свойств зерен и межзеренных границ; они зависят также от крупно- или мелкозер­нистости металла, что определяет преобладающее действие внутрикристаллических или межкристаллических свойств. Для всех частиц тела, кроме находящихся на поверхности, силы сцепления использованы и взаимоуравновешены. Атомы или моле­кулы вещества, расположенные на поверхности, имеют свободные связи и в определенных условиях могут присоединять к себе другие молекулы и атомы, в частности адсорбировать на поверхности различные газы или вступать в связь с поверхностными атомами другого твердого или жидкого тела.

Для соединения двух твердых тел с получением общего моно­литного тела необходимо установить между их поверхностными атомами непосредственную связь или каждую из них соединить с промежуточной связкой. Для того чтобы установить связь между поверхностными атомами двух тел без промежуточной связки, необходимо их сблизить на расстояния, сопоставимые с параметром кристаллической решетки, т.е.

Рассмотрим возможность установления связи между двумя по­верхностями одинаковых по составу металлов, когда они находятся в твердом состоянии.

Современные методы обработки поверхностей, включая полирование и хонингование, не могут обеспечить получение поверхности такой точности, которая необходима для подведения всех точек одной поверхности к другой на расстояние . Наивысшая точность обработки обеспечивает отклонение в рельефе поверхностей в пределах . Поэтому при сближении такие поверх­ности могут быть подведены на расстояния, позволяющие установить заметные межчастичные связи только в отдельных точках, составляющих по площади лишь ничтожную часть всей поверхности. Если даже в этих участках, где поверхности могут быть подведены достаточно близко, не будет никаких мешающих установлению связи дополнительных веществ (адсорбированных газов, пленок окислов, жиров или других загрязнений), то прочность таких связей ничтожна по сравнению с прочностью монолитного куска металла.

Для простоты исключим мешающее действие поверхностных загрязнений. Для того, чтобы поверхности двух кусков (монокристаллов или поликристаллитов) из исходного состояния, показанного на рис.11.2, а, перевести в состояние установления взаимосвязи гранич­ных кристаллов по всей поверхности, отвечающее применительно к поликристаллическому телу (рис.11.2, б), нужно приложить по стрелкам давление р, достаточное для сминания выступов, т.е. осуществить местную пластическую деформацию.

Казалось бы, что в рассматриваемых условиях нет поверхностных загрязнений, неровности поверхностей исчезли, следовало бы ожидать самопроизвольного установления связи между поверхностями, так как при этом пропадает поверхностная энергия раздела двух тел. Однако практически для осуществления соединения и в этом случае требуется затрата энергии и самопроизвольного сва­ривания не произойдет. При сближении таких поверхностей, даже двух монокристаллов с одинаковым расположением главных осей решеток, необходимо преодоление энергетического барьера потенциальной энергии системы атомов поверхностных слоев. Только когда сближение произойдет на расстояния, равные параметру кристаллической решетки, возникнут условия для взаимодействия электронных полей со снижением уровня энергии до характерного для решетки каждого из монокристаллов. Поэтому возможность осуществления сваривания металлов посредством сопряжения их твердых поверхностей можно рассматривать как топохимическую реакцию, которая характеризуется двумя стадиями образования прочных межчастичных связей: а) развитие физического контакта (сближение на расстояние, требуемое для установления взаимодействия); б) энергетическое взаимодействие, заканчивающееся образованием соединения.

В случае поликристаллического тела, даже после установления такой связи между большим количеством кристаллов, в одном се­чении (сечение сваривания) окажутся собранными все границы между зернами одного и другого свариваемых кусков металла. Такое сечение должно по свойствам отличаться, чаще в худшую сторону от любого другого сечения, например АА (рис.11.2, б), взятого внутри из любого исходного куска до их соединения и проходящего как по границам зерен, так и пересекающим зерна.

Рис.11.2 - Состояние установления взаимосвязи гранич­ных кристаллов

Если этот процесс соединения сопровождается диффузионным перемещением частиц через образовавшуюся поверхность, перестройкой и прорастанием зерен через границу раздела (рис.11.2, в), то свойства соединения сближаются со свойствами исходных кусков металла в любом другом сечении.

Таким образом, рассмотренная физическая модель сваривания даже однородных монокристаллов требует активации поверхностей, особенно при практически всегда находящихся на них тех или иных загрязнений. Такая энергия активации в общем случае может сообщаться в виде теплоты (повышения температуры — термическая активация), упруго-пластической деформации, вызывающей выход большего коли­чества несовершенств, дислокаций на соединяемые поверхности (механическая активация), электронного или ионного облучения (радиационная активация). Наиболее обычными при сварке является использование нагрева и деформирования. При этом применение нагрева до определенных температур уменьшает сопротивляемость металла деформированию, ускоряет диффузионные процессы и способствует перекристаллизации, в част­ности собирательной рекристаллизации. В связи с этим повышение температуры способствует всем тем процессам, которые могут обе­спечить получение надежного сварного соединения как для моно­кристаллов, так и для поликристаллических тел.

Для разных металлов взаимосвязь между рассмотренными тех­нологическими параметрами (давлением и температурой) процесса сварки является различной. Количественно эта связь для техни­чески чистого железа в условиях, исключающих загрязненность соединяемых поверхностей, показана на рис.11.3. Кривая АБВГД разделяет поле технологических параметров р и Т на области по­лучения сварного соединения со свойствами, близкими к свойствам основного свариваемого металла (выше этой кривой), и соединений с низкими свойствами или полным отсутствием сваривания (ниже кривой АБВГД), условно названной областью отсутствия сварива­ния.

Рис.11.3 – Взаимосвязь между давлением и температурой процесса сварки

Штриховыми вертикальными линиями разделены температурные области. Так, при температуре металла Тм ниже Т1 для получения качественных сварных соединений требуются очень большие, прак­тически не применимые, давления. Поэтому область I называется областью ограниченного сваривания. В пределах температур для осуществления сварки необходимо прикладывать внешнюю сдавливающую силу (область II), причем давление р по мере увеличения температуры может снижаться. Это область практически приме­няемых режимов сварки дав­лением. Выше температуры кривая совпадает с осью абсцисс — никакого внешнего давления для выполнения сварки прикладывать не надо (р=0). При этих услови­ях металл переходит в расплав­ленное состояние (). Сварка при таких параметрах носит название сварки плавлением (область III).

Схематически сварку плавле­нием представим следу­ющим образом. Торцы или часть сопрягаемых поверхностей (штриховые линии на рис.11.4, а) и прилегающие к ним объемы двух кусков однородного металла расплавлены каким-то источником тепла. Тогда жидкий металл (заштрихованная зона) находится между нерасплав­ленными частями кромок металла, как в сосуде. При этом частицы жидкости приближаются к частицам стенок сосуда максимально близко вследствие смачивания в соответствии с условиями устанав­ливающегося энергетического поля их взаимодействия. Жидкий ме­талл растекается по активированной нагревом поверхности твердых стенок и обеспечивает установление соприкосновения и связи (адгезия).

Рис.11.4 – Схема сварки плавлением

Если после этого источник тепла убрать (удалить), то в резуль­тате охлаждения жидкий металл затвердевает, кристаллизуется, причем в первую очередь вблизи стенок, отводящих тепло. При этом процессе затвердевания между твердым металлом и закристаллизовывающимся слоем жидкого металла устанавливаются обычные металлические связи. Такая кристаллизация жидкого металла, одно­родного с подплавленными стенками сосуда, приводит к образова­нию общих кристаллитов, пересекающих начальную границу нера­сплавлявшегося и расплавлявшегося металлов (рис.11.4, б). Кроме того, взаимодействие твердого и жидкого металлов, а также взаимодействие твердого и затвердевшего металлов при высоких темпера­турах характеризуются протеканием процессов взаимодиффузии.

После окончания затвердевания жидкого металла образуется моно­литный, соединенный из первоначальных кусков металла, элемент. Такое сварное соединение получается без какого-либо внешнего приложения давления. Аналогичные соединения могут быть полу­чены, если торцы имеют зазор той или иной формы, который в процессе сварки заполняется жидким металлом, подобным сваривае­мому. При этом обязательно расплавление (оплавление) свариваемых торцов, чтобы получить общую сварочную ванну расплавленного металла.

Температурные области сварки различных металлов и сплавов отличаются друг от друга. Например, для технически чистого железа (рис.11.3) нижним пределом практически применяемых режимов сварки давлением является температура . Алюминий, сви­нец, медь и некоторые другие металлы для осуществления сварки при большой пластической деформации никакого предварительного нагрева не требуют. Исходной температурой металла перед дефор­мацией, приводящей к свариванию, мо­жет являться комнатная температура. Углеродистые стали, в зависимости от их состава имеют различные интер­валы температуры сварки давлением (рис.11.5):

одинарная штриховка - область возможного выполнения сварки давлением; двойная штриховка - область режимов, обеспечивающих хорошее качество сварки. По мере увеличения содержания углерода в стали температурный интер­вал сварки давлением, при котором свойства сварных соединений сопостави­мы со свойствами свариваемой стали, уменьшается. Сварку чугуна практиче­ски можно осуществить только при на­личии жидкой фазы, т.е. плавлением или давлением с частичным расплавле­нием. Свариваются не только одинаковые металлы. Возможны соедине­ния металлов и сплавов, отличающихся друг от друга по составу как в отношении концентрации входящих в них одинаковых или разных элементов, так и по принципу композиции самих сплавов. При этом возможны три различных варианта: 1) соединяемые металлы могут образовывать непрерывные твердые растворы (например, Fe — Ni; Fe —Сг; Ni — Сu; Ni — Мn и др.); 2) соединяемые металлы или составляющие соединяемых сплавов имеют ограниченную растворимость друг в друге (Fe — Сu; Сu — Zn и др.); 3) соединяемые металлы практически не растворяются друг в друге (Fe — Pb; Fe —Mg; Fe —Ag и др.).

В первом случае при кристаллизации металлы могут образовы­вать такое же строение, как для рассмотренного случая соединения однородных металлов (рис.11.4, б). Совместная кристаллизация обе­спечивает установление связей как внутри кристаллов, так и по границам зерен. Во втором случае возрастает роль связей между отдельными кристаллитами — межкристаллитных связей. В третьем случае связь может устанавливаться только по границам кристаллов.

Рис.11.5 - Интер­валы температуры сварки давлением для углеродистых сталей различного состава

Если при сварке одинаковых металлов развитие диффузии в целом является фактором, способствующим получению соединений с достаточно хорошими свойствами, то при сварке разнородных металлов усиление диффузии из одного металла в другой может привести к ухудшению соединения вследствие образования проме­жуточных слоев хрупких химических соединений или прослоек с нежелательными свойствами.

Обобщая изложенное, дадим общее определение: сварка — это технологический процесс получения монолитных неразъемных соединений посредством установления внутренних межчастичных (межатомных, межионных, межмолекулярных) связей при их местном или общем нагреве или пластическом деформировании или совместном действии того и другого; сварные соединения металлов характеризуются непрерывной структурной связью.

Близким по существу к сварке является процесс пайки, который в ряде случаев рассматривается как частный случай сварки.

При пайке зазор между соединяемыми поверхностями, которые нагреты до температуры ниже их температуры плавления, запол­няется жидким металлом — сплавом-припоем, имеющим температуру плавления ниже соединяемых металлов. В результате взаимо­действия припоя с поверхностными слоями нагретых соединяемых деталей может происходить образование либо твердых растворов, либо химических соединений, или устанавливается бездиффузионное сцепление (адгезия). Последний случай сближает пайку со склеиванием, которое в последние годы начинает находить применение для осуществления соединений металлов и сплавов.

Таким образом, процесс сварки состоит из трех условий: формирование физического контакта; образование химических или металлических связей и создание прочного сварочного соединения.

^

В основу классификации существующих видов сварки могут быть положены различные признаки. Наиболее распространенными и по существу важнейшими из них являются вид энергии, используемой при выполнении сварки, и состояние металла в сварочной зоне в момент сварки. В зависимости от формы энергии, используемой для образования сварного соединения, все виды сварки разделяют на три класса: термиче­ский, термомеханический и механический. В соответствии с термодинамическим определением процессов сварки основными признаками для их классификации должны служить: форма вводимой энергии, наличия давления и вид инструмента - носителя энергии. Это учитывается ГОСТ 19521-74, на основании которого классифицируются виды сварки (табл.11.1).

^ - Классификация видов сварки

Виды сварки Класс
механический термомеханический термический
холодная контактная дуговая
взрывом диффузионная электрошлаковая
ультразвуковая индукционно-прессовая электронно-лучевая
трением газопрессовая плазменная
магнитно-импульсная дугопрессовая ионно-лучевая
шлакопрессовая тлеющим разрядом
термокомпрессорная световая
печная индукционная
газовая
термитная
литейная

zavantag.com

Конспект лекций по дисциплине «Основные способы сварки, наплавки и пайки» для подготовки бакалавров по специальности

МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО И СРЕДНЕГО СПЕЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ УЗБЕКИСТАН

ТАШКЕНТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИМЕНИ АБУ РАЙХАНА БЕРУНИ

Абралов М.А., Дуняшин Н.С.

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

по дисциплине «Основные способы сварки, наплавки и пайки»

для подготовки бакалавров по специальности

5522700-«Машины и технология сварочного производства»

ТАШКЕНТ 2002

УДК 621.791.1Конспект лекций по дисциплине «Основные способы сварки, наплавки и пайки» для подготовки бакалавров по специальности «Машины и технология сварочного производства»/ ТашГТУ; Абралов М.А., Дуняшин Н.С. Ташкент, 2002. 123 с.Курс «Основные способы сварки, пайки, наплавки, напыления и склеивания» по учебному плану читается в 6 семестре бакалавриата. В этом конспекте изложены основные вопросы теории и элементов технологии современных процессов сварки, пайки, напыления, наплавки и склеивания в объеме, необходимом для изучения студентами высшего специального заведения по специальности бакалавриата «Машины и технология сварочного производства»Кафедра «Машины и технология сварочного производства»Печатается по решению редакционно-издательского совета Ташкентского государственного технического университета Рецензент: главный сварщик ГАО ТАПОиЧ Сорокин Г.В.

© Ташкентский государственный технический университет, 2002

Введение

Резкий перелом в этой области техники наступает лишь в конце ХIХ - начале ХХ века. В 1802 г. русский ученый - академик В.В. Петров открыл явление электрической дуги и впервые указал на возможность при помощи ее нагревать и расплавлять металлы. В 1882 г. русский инженер Н.Н. Бенардос изобрел способ электродуговой сварки неплавящимся угольным электродом, а в 1888 -1890 гг. другой русский инженер Н.Г. Славянов предложил выполнять дуговую сварку плавящимся металлическим электродом. Способы Н.Н. Бенардоса и Н.Г. Славянова являются основой современных видов электросварки металлов. Особенные заслуги в области электродуговой сварки механизации и автоматизации ее процесса принадлежат русскому ученому академику Е.О. Патону. Во время Второй Мировой войны автоматическая сварка под слоем флюса была широко освоена на наших оборонных заводах и сыграла большую роль в увеличении производства танков и артиллерийского вооружения. Быстрое развитие промышленности и всех отраслей техники вызвало появление новых средств нагрева, пригодных для сварки металлов, таких, например, как электрический ток, дуговой разряд, ацетилено-кислородное пламя, термитные смеси, электронный луч, лазер, высокотемпературная плазма, ультразвук и др. и соответственно новых эффективных способов сварки.

Лекция № 1. Классификация и характеристика способов

сварки.

1.1. Сущность процесса сварки

Сварка - это технологический процесс получения неразъемных соединений металлов, сплавов и различных материалов посредством установления межатомных связей между соединяемыми частями при их нагревании и (или) пластическом деформировании. Она широко применяется в машиностроении, металлообработке и строительной промышленности для соединения металлов и сплавов между собой и с неметаллическими материалами (керамикой, стеклом, графитом, керметами, кварцами и т.п.), а также для соединения пластических масс. В настоящее время насчитывается несколько десятков способов сварки и их разновидностей. Все сварочные процессы можно разделить на два основных способа: 1) сварка плавлением и 2) сварка давлением. При сварке плавлением производится расплавление кромок свариваемых заготовок и присадочного материала для заполнения зазора между ними. Подвижность атомов материала в жидком состоянии приводит к объединению частей деталей в результате образования общей сварочной ванны. В результате кристаллизации металла сварочной ванны совместно с оплавленными кромками изделия и возникновения сварного шва образуется прочное соединение. При сварке давлением соединение заготовок достигается путем совместной пластической деформации соединяемых поверхностей, осуществляемой за счет приложения внешнего усилия; при этом материал в зоне соединения, как правило, нагревают с целью повышения его пластичности. В процессе деформации происходит смятие неровностей, разрушение окисных пленок, в результате чего увеличивается площадь соприкосновения чистых поверхностей. Возникновение межатомных связей приводит к прочному соединению деталей.

1.2. Физические основы сварки

Сваркой материалов называется процесс их соединения за счет сил взаимодействия атомов. Как известно, поверхностные атомы куска металлов имеют свободные, ненасыщенные связи, которые захватывают всякие атомы или молекулу, приблизившиеся на расстояние действия межатомных сил. Если сблизить поверхности двух кусков металла на расстояние действия межатомных сил, на каком они находятся внутри металла, то получим по поверхности соприкосновения сращивание их в одно целое, равное прочности цельного металла. Процесс соединения протекает самопроизвольно без затрат энергии и весьма быстро, практически мгновенно. Обычные металлы при комнатной температуре не соединяются не только при простом контакте, но и при сжатии значительными усилиями. Соединению твердых металлов мешает, прежде всего, их твердость, при их сближении действительный контакт происходит лишь в немногих точках, как бы тщательно она не была обработана.

На процесс соединения сильно влияют загрязнения поверхности металлов - окислы, жировые пленки и пр., а также адсорбирующие слои молекул газов, и сколько-нибудь длительно сохранить ее можно лишь в высоком вакууме (не менее 1-10-8 мм рт.ст.).

Для преодоления приведенных затруднений при сварке применяют нагрев и давление. При нагреве с повышением температуры металл становится пластичным. Дальнейшим повышением температуры металл можно довести до расплавления; в этом случае объемы жидкого металла самопроизвольно сливаются в общую сварочную ванну. Давление, прилагаемое к соединяемым частям, создает значительную пластическую деформацию металла, и он начинает течь подобно жидкости. Металл перемещается вдоль поверхности раздела, унося с собой поверхностный слой с загрязнениями и пленками адсорбированных газов; в тесное соприкосновение вступают выходящие на поверхность свежие слои и образуют одно целое. В зависимости от способа сварки в металле происходят процессы пластической деформации или расплавления, сопровождающиеся образованием растворов, химических соединений, процессов кристаллизации из жидкого состояния и др. Особенностью металлургических процессов при сварке плавлением являются весьма высокие температуры и кратковременность всех процессов, что и приводит к изменению структуры металлов в зоне термического влияния. На рис. 1.1. показана структура зоны влияния (строение сварного шва) после затвердевания и распределения температуры малоуглеродистой стали в зоне термического влияния. Наплавленный металл имеет столбчатое (дендритное) строение, характерное для литой стали при ее медленном затвердевании. Если наплавленный металл или соседний с ним участок неполного расплавления был сильно перегрет, то при сильном охлаждении на участке перегрева, зерна основного металла имеют игольчатую форму, образуя грубоигольчатую структуру. Этот участок имеет крупнозернистую структуру и обладает наибольшей хрупкостью и весьма низкими механическими свойствами. На участке нормализации температура металла не превышает 1000°С, здесь имеет место нормализация или измельчение зерна. За время нагрева не успевает произойти срастание зерен аустенита, а при последующем охлаждении происходит выпадение мелких зерен перлита и феррита. Структура получается мелкозернистой с повышенными механическими свойствами по сравнению с основным металлом.

Рис. 1.1. Строение сварного шва после затвердевания и распределения температуры малоуглеродистой стали в зоне термического влияния.

На участке неполной перекристаллизации происходит неполная перекристаллизация стали, т.к. температура нагрева находится между критическими точками АС1 и АС3. На этом участке, наряду с крупными зернами феррита, образуются и мелкие зерна феррита и перлита. На участке рекристаллизации температура нагрева не достигала точки АС1, поэтому не происходило образование - железа, растворения перлита и измельчения зерна, но здесь шел процесс рекристаллизации, т.е. восстановления приблизительно равноостных зерен из деформированных зерен и их осколков, образованных в процессе прокатки металла. На участке 6 структура стали не отличается от структуры основного металла.

1.3. Классификация способов сварки

Способы сварки можно классифицировать, например, по виду энергии, используемой при сварке, по степени механизации процесса сварки, по виду свариваемого металла и т.п. Вполне совершенной системы классификации, охватывающей все способы сварки, не существует. Принято все существующие способы сварки делить на две большие группы: 1) сварка плавлением; 2) сварка давлением. В классификации (ГОСТ 2601-74 и 10521-74), показанной на рис. 1.2., каждый из методов сварки разделен на несколько способов.

Рис. 1.2. Классификация способов сварки. По виду энергии, применяемой при сварке, все способы сварки можно разделить на четыре группы (рис. 1.3.).

Рис. 1.3. Энергетическая классификация процессов сварки. В зависимости от способа подачи присадочного металла и флюсов к месту сварки (соединения деталей), осадки деталей и управления источником тепла различают ручной, полуавтоматический и автоматический способ.

1.4. Понятие о свариваемости металлов и сплавов

В современном машиностроении, наряду с обычной малоуглеродистой сталью широко применяют металлы и сплавы, обладающие высокими механическими или специальными физическими свойствами, как жаропрочность, коррозионная стойкость и т.д. Несмотря на высокие эксплутационные свойства этих материалов, сварка их в большинстве случаев связана с определенными трудностями. Под свариваемостью понимают свойство металла или сочетания металлов образовывать при установленной технологии сварки соединение, отвечающее требованиям, обусловленным конструкцией и эксплуатацией изделия. Следствием плохой свариваемости металлов являются трещины в сварных соединениях, которые разделяются на горячие и холодные. Трещины образуются в результате действия сварочных напряжений в период времени, когда отдельные зоны сварного соединения находятся в разупрочненном и хрупком состоянии.

Горячие трещины образуются главным образом в сварных швах различных сплавов в процессе их кристаллизации в некотором интервале температур (Тликвид-Тсолид). Во время пребывания шва в температурном интервале кристаллизации он находится в твердожидком состоянии, т.е. состоит из твердых кристаллов, окруженных жидкими прослойками. В ряде случаев сварочные деформации и напряжения оказываются достаточными, чтобы вызвать разрушение по жидким межкристаллическим прослойкам, т.е. привести к образованию горячих трещин. Горячие трещины наблюдаются в высоколегированных сталях, алюминиевых и медных сплавах.

Холодные трещины чаще всего возникают в зоне термического влияния после полного затвердевания сварного шва в период завершения охлаждения или последующего вылеживания сварной конструкции. Холодные трещины возникают под действием остаточных сварочных напряжений. Холодные трещины образуются в сталях перлитного и мартенситного классов, если в процессе сварки происходит частичная или полная закалка металлов в зоне термического влияния.Контрольные вопросы: 1. Дайте определение процессу сварки. 2. В чем состоит принципиальное отличие сварки плавлением от сварки давлением? 3. Что мешает соединению твердых металлов при приложении к ним давления без нагрева? 4. Какой участок в зоне термического влияния сварного соединения обладает пониженными механическими свойствами по сравнению с основным металлом? 5. По каким параметрам можно классифицировать существующие способы сварки? 6. Какие факторы влияют на свариваемость металлов?

Лекция № 2. Дуговая сварка.

2.1 Ручная дуговая сварка.

Ручная дуговая сварка – дуговая сварка, при которой возбуждение дуги, подача электрода и его перемещение проводятся вручную. При РДС зажигание дуги, поддержание ее длины во время сварки, перемещение вдоль свариваемых кромок и подача электрода в зону горения дуги по мере его расплавления осуществляется сварщиком вручную. Качество сварки соединения во многом зависит от квалификации сварщика: умения быстро зажигать дугу, поддерживать необходимую ее длину, равномерно перемещать дугу вдоль свариваемых кромок, выполнять требуемые колебательные движения электрода при сварке, сваривать шов в разных пространственных положениях. По количеству электродов РДС подразделяется на одно-, двух- и многоэлектродную (пучком электродов). По роду применяемого тока: на сварку при постоянном и переменном токе. Сваривать можно однофазной и трехфазной дугой. Наиболее широкое применение получила сварка металлическим плавящимся электродом на переменном или постоянном токе. Другие методы РДС применяются или для повышения производительности труда (например, сварка пучком электродов), или для получения определенных типов швов сварных соединений (например, при сварке с отбортовкой кромок), или при сварке легированных сталей, цветных металлов и их сплавов (например, сварка вольфрамовым электродом). 2.1.1. Свариваемые материалы. С помощью РДС сваривают стали: углеродистые обыкновенного качества (ГОСТ 380-88), углеродистые качественные конструкционные стали (ГОСТ 1050-74), низколегированные (ГОСТ 19282-73; ГОСТ 19281-73); легированные конструкционные (ГОСТ 4543-71); высоколегированные (ГОСТ 5632-72). Кроме того, с помощью РДС возможна сварка чугуна и цветных металлов (Al, Cu и их сплавов). 2.1.2. Электроды для РДС. Для РДС плавящимся электродом применяют электроды, представляющие собой стержни из сварочной проволоки (длиной 0,225-0,450 м) с электродным покрытием. Покрытие наносят с целью:

1) защиты зоны сварочной дуги от воздействия О2 и N2 воздуха;

2) поддержания устойчивого горения дуги; 3) образование на поверхности сварочной ванны и металла шва слоя шлака, защищающего ванну от доступа воздуха и замедляющего охлаждение шлак; 4) раскисления металла шва и его легирования. 2.1.3. Режимы РДС.

При РДС режим сварки включает: dэ, Iсв, Uсв, vсв, род и полярность тока и др.

Величину Iсв выбирают в зависимости от типа сварочного соединения, марки и толщины металла, положения шва в пространстве и т.д. (25-300А)

Напряжение дуги при РДС изменяется в сравнительно узких пределах и выбирается на основании рекомендаций технической документации для данной марки электрода. Скорость сварки выбирают с учетом необходимости получения слоя наплавленного металла, имеющего определенную площадь поперечного сечения. Род и полярность тока зависят от толщины металла и марки электрода. Прямая полярность – полярность, при которой электрод присоединяется к отрицательному полюсу источника питания дуги, а объект сварки – к положительному. Обратная полярность – полярность, при которой электрод присоединяется к положительному полюсу источника питания дуги, а объект сварки – к отрицательному.

2.2. Дуговая сварка в защитных газах.

Дуговая сварка в защитном газе – дуговая сварка, при которой дуга и расплавленный металл, а в некоторых случаях, и остывающий шов, находятся в защитном газе, подаваемом в зону сварки с помощью специальных устройств. 2.2.1. Классификация процессов дуговой сварки в защитных газах. Разновидности дуговой сварки в защитных газах можно классифицировать по следующим признакам, как: 1) по типу защитных газов: а) в инертных газах: - аргоне (Ar); - гелии (He); - смеси Аr +He; б) в активных газах:

- СО2;

- N2 – используют для сварки меди, по отношение к которой азот является инертным газом;

- h3 – используют для атомно-водородной сварки;

- h3O;

- CO2+O2;

в) в смеси инертного и активного газов:

- Ar + (10 – 30 % N2) – добавка N2 к аргону способствует повышению проплавляющей способности дуги при сварке меди и некоторых марок аустенитной нержавеющей стали;

- Ar + до 12 % h3;

- Ar + (1 – 5 % O2) – при сварке малоуглеродистой и легированной стали понижает критический ток, при котором капельный перенос металла переходит в струйный, что позволяет увеличить производительность сварки и уменьшить разбрызгивание металла;

- Ar + (10 – 20 % CO2) – при сварке малоуглеродистой и низколегированной стали способствует устранению пористости в сварных швах;

- Ar + 5 % O2 + 20 % CO2 – обеспечивает высокую стабильность дуги с плавящимся электродом при сварке стали, минимальное разбрызгивание металла, хорошее формирование шва, отсутствие пористости;

2) по характеру защиты зоны сварки: а) струйная защита; б) комбинированная струйная защита; в) камера с контролируемой атмосферой; 3) по роду тока: а) постоянным током; б) переменным током; в) трехфазным током; 4) по типу электрода: а) неплавящимся электродом; б) плавящимся электродом; 5) по степени автоматизации процесса сварки: а) ручная; б) полуавтоматическая; в) автоматическая. 2.2.2. Преимущества сварки в защитных газах: 1) возможность металлургического воздействия на металл шва за счет регулирования состава проволоки и защитного газа; 2) широкие возможности механизации и автоматизации сварочного процесса; 3) высокая производительность сварочного процесса. 2.2.3. Способы сварки в среде защитных газов. а) Сварка в защитных газах неплавящимся электродом– это процесс, в котором в качестве источника тепла применяют дуговой разряд, возбуждаемый между вольфрамовым или угольным (графитовым электродом и изделием. Для сварки в среде инертных газов применяются электроды Ø 0,5-10 мм из чистого вольфрама (ЭВЧ), вольфрама с присадками: диоксида тория (ЭВТ), оксида лантана (ЭВЛ) и иттрия (ЭВИ). Диаметр вольфрамового выбирают в зависимости от величины сварочного тока. Электроды марок ЭВЛ и ЭВИ выдерживают большую токовую нагрузку и имеют повышенную эрозионную стойкость при сварке по сравнению с электродами марки ЭВЧ.

Рис. 1.Схема процесса сварки в среде защитных газов неплавящимся электродом: 1 – вольфрамовый электрод; 2 –сопло; 3 – дуга; 4 – металл шва; 5 – изделие. б) Сварка в защитных газах плавящимся электродом – дуговая сварка, выполняемая электродом, который, расплавляясь при сварке, служит присадочным металлом. При сварке плавящимся электродом в защитных газах дуговой разряд существует между концом непрерывно расплавляемой проволоки и изделием. Проволока подается в зону сварки с помощью механизма со скоростью равной средней скорости ее плавления; этим поддерживается постоянство длины дугового промежутка. Расплавленный металл электродной проволоки переходит в сварочную ванну и таким образом участвует в формировании шва.

Рис 2. Схема процесса сварки в среде защитных газов плавящимся электродом: 1 – электрод; 2 – цанга; 3- сопло; 4 – дуга; 5 – металл. К основным параметрам режима сварки плавящимся электродом относятся:
    1. сварочный ток, зависящий от диаметра электрода и состава проволоки;
2) напряжение на дуге; 3) скорость сварки (обычно 15-80 м/ч) выбирают в зависимости от производительности и качества формирования шва; 4) скорость подачи сварочной проволоки; 5) расход и состав защитного газа. Контрольные вопросы: 1. От каких факторов зависит качество сварного соединения при ручной дуговой сварке? 2. По каким параметрам можно классифицировать процессы ручной дуговой сварки? 3. Какие группы конструкционных материалов можно сваривать ручной дуговой сваркой? 4. С какой целью наносится покрытие на электроды для ручной дуговой сварки? 5. По каким признакам можно классифицировать процессы дуговой сварки в защитных газах? 6. Какие параметры входят в режим дуговой сварки в среде защитного газа?

Лекция № 3.Дуговая сварка под флюсом. Электрошлаковая

сварка.

Дуговая сварка под флюсом – дуговая сварка, при которой дуга горит под слоем сварочного флюса.

Рис. 3.1. Схема сварки под флюсом: 1 – свариваемые детали; 2 – слой флюса; 3 – сварочная проволока; 4 - сварочная дуга; 5 – расплавленный флюс; 6 – шлаковая корка; 7 – остаток флюса; 8 – сварочный шов; 9 – сварочная ванна. Сварочная дуга 4 горит между изделием 1 и концом сварочной проволоки 3. Под воздействием дуги проволока плавится и по мере расплавления подается в зону сварки. Дуга закрыта слоем флюса 2. Сварочная проволока (а вместе с ней и дуга) перемещается в направлении сварки с помощью специального механизма (автоматическая сварка) или вручную (полуавтоматическая сварка). Под влиянием теплоты дуги плавится также основной металл и флюс. Расплавленные проволока, флюс и основной металл образуют сварочную ванну. Флюс в виде жидкой пленки 5 покрывает зону сварки, изолируя ее от воздуха. Расплавленный дугой металл сварочной проволоки каплями переносится в сварочную ванну, где смешивается с расплавленным основным металлом 9. По мере удаления дуги металл сварочной ванны начинает охлаждаться, так как поступление теплоты к нему уменьшается, а затем затвердевает, образуя шов 8. Расплавленный флюс (шлак) затвердевает, образуя на поверхности шва шлаковую корку 6. Избыточная нерасплавленная часть флюса 7 отсасывается и используется повторно. 3.1.1. Классификация процессов дуговой сварки под слоем флюса. Разновидности дуговой сварки под слоем флюса можно классифицировать по следующим признакам: 1) по роду тока: - постоянным током; - переменным током; - трехфазным током; 2) по числу электродов: - одноэлектродная, ведется проволокой Ø 1,6-6мм, при толщине металла до 20 мм возможна односторонняя сварка, но предпочтительней сварка с двух сторон; - двухэлектродная сварка возможна двух вариантов: с поперечным и последовательным расположением электродов; 3) по степени автоматизации процесса сварки: - полуавтоматическая; - автоматическая. 3.1.2. Преимущества сварки под слоем флюса: - возможность металлургического воздействия на металл шва за счет регулирования состава проволоки; - широкие возможности механизации и автоматизации сварочного процесса; - высокая производительность сварочного процесса. 3.1.3. Режим дуговой сварки под слоем флюса. К основным параметрам режима сварки под слоем флюса относятся:
    1. сварочный ток, зависящий от диаметра электрода;
    2. напряжение на дуге;
    3. скорость сварки (обычно 15-80 м/ч) выбирают в зависимости от производительности и качества формирования шва;
    4. скорость подачи сварочной проволоки;

3.2. Электрошлаковая сварка.

Электрошлаковая сварка – сварка плавлением, при которой для нагрева используется тепло, выделяющееся при прохождении электрического тока через расплавленный шлак. При ЭШС электрический ток, проходя через шлаковую ванну, расплавляет основной и присадочный металл и поддерживает высокую температуру расплава. Электрошлаковый процесс устойчив при глубине шлаковой ванны 35 – 60 мм, которую легче создать при вертикальном положении оси шва и принудительном формировании его поверхности (рис.2). Для принудительного охлаждения и формирования поверхности шва используются, как правило, медные водоохлаждаемые устройства.

Рис. 3.2. Схема электрошлаковой сварки:

1-свариваемые детали толщиной s; 2 – мундштук для подачи электрода; 3-электрод; 4 –шлаковая ванна глубиной hs; 5 –металлическая ванна глубиной hм; 6 –формирующий ползун. Детали выбраны с зазором bс; lc – вылет электрода.

При ЭШС почти вся электрическая мощность передается шлаковой ванне, а от нее – электроду и свариваемым кромкам. Устойчивый процесс возможен только при постоянной температуре шлаковой ванны 1900-2000°С. Большая часть тепла, выделяющегося в шлаковой ванне, переносится в металлическую ванну, а от нее – к кромкам соединяемых деталей через капли перегретого металла. Общее количество генерируемого в шлаковой ванне тепла, Дж/с, расходуется так: 20-25% на плавление электродной проволоки; 55-60% на плавление и нагрев основного металла, 4-6% на плавление флюса и поддержание шлаковой ванны в жидком состоянии; 12-16% - потери тепла через ползуны и теплоотвод в массу металла. 3.2.1. Технологические возможности. В настоящее время ЭШС применяется в тяжелом и энергетическом машиностроении, в химическом машиностроении, в судо- и авиастроении. ЭШС соединяют стали разных классов и марок, жаропрочные и никелевые сплавы, титан, алюминий, медь и сплавы на их основе. Диапазон толщин свариваемых металлов 2 – 300 см. Показано, что ЭШС наиболее экономична при толщине металла h > 40мм. 3.2.2. Преимущества и недостатки электрошлаковой сварки. Преимущества: - высокая производительность процесса, возрастающая в геометрической прогрессии в зависимости от толщины свариваемого металла. - уменьшение расхода флюса, по сравнению с ЭДС под флюсом в 10 - 20 раз. Составляет 5% расхода электродной проволоки. - уменьшение расхода электроэнергии, по сравнению с ЭДС под флюсом в 1,5 - 2 раза, с РДС в 4 раза. - во много раз ниже склонность к образованию пор и других неплотностей, чем при дуговой многопроходной сварке. Недостатки: - необходимость последующей термической обработки сварного соединения для восстановления высоких служебных характеристик сварной конструкции из-за значительного перегрева металла шва и околошовной зоны в процессе ЭШС. 3.2.3.Режим электрошлаковой сварки. Правильный выбор параметров электрошлаковой сварки и поддержание их на заданном уровне обеспечивает получение качественного сварного соединения. Величину сварочного тока, А, можно ориентировочно определить по формуле:

Iсв = (0,022ve + 90)n +1,2(vсв + 0,48 vп)пbп,

где vп – скорость подачи пластины, см/с; bп и п – ширина и толщина, см. Формула пригодна для сварки проволочным электродом (второе слагаемое превращается в нуль, т.к. нет пластин) и пластинчатыми электродами (в этом случае первое слагаемое равно нулю, т.к. нет проволоки.

Скорость подачи электродной проволоки:

ve = vсвFн/Fe,

где Fн = bпs,см2; Fe=0,071n,см2.

Опыт электрошлаковой сварки показал, что такие элементы режима, как глубина шлаковой ванны hs и сухой вылет электродной проволоки lс не зависят от толщины металла и имеют значения: hs=40 - 50 мм, lс=80 - 90 мм.

Контрольные вопросы: 1. В чем состоит сущность дуговой сварки под слоем флюса? 2. По каким признакам можно классифицировать процессы дуговой сварки под слоем флюса? 3. Какие параметры входят в режим дуговой сварки под слоем флюса? 4. При толщине свариваемых деталей применение процесса электрошлаковой сварки становится экономически выгодным? 5. На какие процессы расходуется теплота, генерируемая в шлаковой ванне? 6. Назовите основные преимущества и недостатки электрошлаковой сварки.

Лекция № 4. Электронно-лучевая сварка.

4.1. Сущность электронно-лучевой сварки

Электронно-лучевая сварка – сварка плавлением, при которой нагрев металла производится потоком - лучом быстродвижущихся электронов, ускоряемых электрическим полем. Попадая на поверхность изделия, электроны отдают свою кинетическую энергию, превращающуюся в тепловую и нагревают металл.

Процесс обычно ведется в герметически закрытой камере, в которой поддерживается вакуум 10-1-10-3 Па. Вакуум необходим для свободного движения электронов, уменьшения числа их столкновения с газовыми молекулами в процессе ионизации. Вакуум также необходим для обеспечения чистоты наплавляемого металла, предупреждения его окисления и азотирования, уменьшения количества растворенных в нем газов. Вакуум поддерживается непрерывно работающими вакуумными насосами. Источником электронов служит накаливаемый катод, питаемый от низковольтного трансформатора. Электроны ускоряются от низковольтного трансформатора высоким напряжением 10-100 кВ; обычно применяют напряжения не более 30 кВ, т.к. при более высоком напряжении возникает значительное рентгеновское излучение и требуется дополнительная защита обслуживающего персонала.

Высокое напряжение создается специальным трансформатором с выпрямительным устройством: минус подается на катод, анодом служит свариваемое изделие. Поток электронов на пути от катода к аноду фокусируется электростатическими линзами в виде металлических колец и электромагнитными в форме катушек с железным каркасом. За счет фокусировки и изменения силы тока можно получить нагреваемую поверхность на изделии площадью 0,120 мм2. Катод и фокусирующие линзы конструктивно объединены в одно устройство, называемое электронной пушкой и создающее электронный луч. Электронный луч можно смещать отклоняющими устройствами и смещением электронной пушки; ему можно придать колебания вдоль и поперек сварного шва.

Перемещение по линии сварки осуществляется передвижением или поворотом изделия. При интенсивной бомбардировке металла или какого-либо др. материала ускоренными электронами в высоком вакууме около 99% их кинетической энергии переходит в тепловую, расходуемую на нагрев.

Температура в месте бомбардировки достигает 5000-60000С, что достаточно для плавления металла при сварке и для тепловой обработки материалов.

4.1.1.Преимущество электронно-лучевой сварки: 1) Для сварки электронным лучом характерна примерно такая же концентрация энергии в пятне нагрева, что и при сварке лазером. Благодаря столь высокой концентрации количество теплоты, расходуемое на расплавление металла, при электронно-лучевой сварке в десятки раз меньше, чем при других способах. Например, для однопроходной стыковой аргоно-дуговой сварки стальных листов толщиной 4 мм необходима погонная энергия около 1260 кДж/м. 2) Другим положительным свойством электронного луча, выгодно отличающим его от остальных сварочных источников теплоты, является возможность глубокого проплавления металла благодаря тому, что электронный луч высокой интенсивности может проникать в металл на глубину в несколько миллиметров. При этом образуется узкий канал с достаточно высокой проницаемостью для электронов, заполненный металлическими парами. Давлением паров жидкий металл оттесняется к стенкам канала, а при включении или перемещении луча стекает в него, образуя после кристаллизации шов. Зона расплавления имеет форму вытянутого клина, а отношение глубины проплавления к ширине может достигать 26:1. Этот эффект называется кинжальным проплавлением. При дуговой сварке форма зоны расплавления приближается к полусфере. Толщина заготовок, свариваемых электронным лучом, может достигать от 0,01 до 100 мм и более. Для ограничения размеров зоны проплавления и нагрева материала в зонах, прилегающих к месту сварки, а также при сварке легкоиспаряющихся металлов осуществляют подачу тока короткими мощными импульсами с частотой от 1 до 3000 Гц и продолжительностью от 0,01 до 0,00005 с. 3) Преимущество электронно-лучевой сварки и обработки заключается также в отсутствии загрязнений, попадающих в шов из окружающей среды. 4) Электронным лучом можно сваривать металлы без существенного изменения свойств литой структуры шва и рекристаллизированной зоны. 5) Обеспечивается возможность сварки разнородных металлов со значительной разницей толщин, температур плавления и др. теплофизических свойств. Например, при сварке алюминия и меди пятно луча на 2/3 располагается на медной детали и на 1/3 на алюминиевой. Соединение получается типа паяного, практически без расплавления меди. При сварке меди со сталью с небольшой нахлесткой необходимо сначала подогреть медную деталь, а затем производить сварку.

4.2. Устройство сварочной электронно-лучевой установки

Устройство для эмиссии электронов 1 состоит из вольфрамового катода, заключенного в кольцеобразный формирующий электрод (цилиндр Венельта), и расположенного под ним дискового анода 2 с центральным отверстием. При нагреве катода с его поверхности излучаются электроны, формирующиеся в пучок электродом, расположенным непосредственно за катодом, и под воздействием электрического поля, создаваемого высокой разностью потенциалов между катодом и анодом, ускоряются в определенном направлении. Магнитное поле юстировочных катушек 3, питаемых постоянным регулируемым током, направляет луч по оси катушки. Диафрагма 4 отсекает энергетически малоэффективные краевые зоны луча, а магнитная линза 5 фокусирует его в круглое пятно на поверхности заготовки. В современных установках для сварки и термической обработки электронный луч фокусируется на площади диаметром менее 0,001 см. (рис 1) С помощью отклоняющих катушек 6 луч можно перемещать по поверхности заготовки, помещенной в вакуумную камеру. Оптическая система 7, состоящая из зеркала, объектива с осевым отверстием и микроскопа, позволяет вести наблюдение за процессом сварки при многократном увеличении. Обрабатываемая заготовка 8 устанавливается на столе 9 и перемещается с равномерной скоростью.

Рис. 4.1. Схема электронно-лучевой установкиВажным узлом электронно-лучевой установки является камера, в которой производится сварка. Ее конструкция и размеры определяются назначением установки. Универсальные сварочные камеры имеют относительно небольшой объем и снабжаются приводными устройствами для сварки листового металла и труб. Эти устройства должны обеспечивать плавное регулирование, стабильность скорости перемещения рабочего стола, на котором крепятся свариваемые детали, и возможность вращения трубных заготовок в горизонтальной и вертикальной плоскостях. В некоторых камерах предусмотрена возможность перемещения пушки внутри камеры по горизонтали или по вертикали. При сварке крупногабаритных заготовок, например, длинных труб, в камере с целью сокращения ее размеров предусматривают специальные вводы с вакуумными уплотнениями. Это позволяет перемещать в камере только участок стыка, в то время как обе свариваемые трубы находятся вне рабочего пространства камеры. Загрузку камеры свариваемыми заготовками можно производить с нарушением вакуума или непрерывно через шлюзовые камеры. В зависимости от величины напряжения между катодом и анодом (ускоряющее напряжение) различают 2 типа электронно-лучевых пушек: низковольтные с ускоряющим напряжением 1030 кВ и высоковольтные с ускоряющим напряжением до 150 кВ. Ток электронного луча в установках для электронно-лучевой сварки невелик и составляет от нескольких миллиампер до единиц ампер.Контрольные вопросы: 1. В чем состоит сущность электронно-лучевой сварки? 2. В чем состоит необходимость проведения электронно-лучевой сварки в вакуумной камере? 3. Почему напряжение, ускоряющее электроны, ограничивается 30кВ? 4. Назовите основные преимущества и недостатки электроннолучевой сварки.

Лекция № 5. Лазерная сварка.

5.1. Сущность процесса лазерной сварки.

Лазерная сварка – сварка плавлением, при которой для нагрева используется энергия излучения лазера.

Лазерное излучение обеспечивает высокую концентрацию энергии (107-108Вт/см2), существенно превосходящую другие источники энергии, используемые для сварки, на несколько порядков. Лазерное излучение когерентно, монохроматично, обеспечивает малую расходимость. Вследствие этого возникает возможность высокой степени фокусировки для достижения больших значений концентрации энергии излучения, и на поверхности свариваемого материала происходит локальный нагрев, обеспечивающий высокие скорости нагрева и охлаждения, малый объем расплавляемого металла, малые размеры околошовной зоны термического влияния. Процесс лазерной сварки осуществляется в атмосфере воздуха либо в среде защитных нейтральных газов (Ar, He), в среде углекислого газа и др. Поэтому создается возможность использования лазерной сварки для соединения элементов конструкций любых габаритов.

Преимущества лазерной сварки: 1) возможность легкой транспортировки лазерного излучения к месту сварки. С помощью зеркальных оптических систем лазерный луч можно направлять в труднодоступные места, подавать на значительные расстояния без потерь энергии, одновременно или последовательно использовать на нескольких участках; 2) простота управления энергетическими характеристиками лазерного излучения; 3) устойчивое качественное формирование сварного шва по всей длине из-за отсутствия влияния на лазерный луч магнитного поля свариваемых деталей и технологической оснастки.

5.2. Классификация технологических лазеров.

При лазерной сварке в качестве источника теплоты используют мощный концентрированный световой луч, получаемый в специальной установке, называемой технологическим лазером. Технологические лазеры классифицируют по следующим признакам: 1) по длине волны эмитированного излучения: а) от 740 нм (красный свет) до 400 нм (фиолетовый свет) – область видимой части электромагнитного спектра; б) менее 740 нм – область инфракрасного излучения или радиочастот; 2) по непрерывности действия: а) импульсно – периодического; б) непрерывного; 3) по агрегатному состоянию: а) твердотельные:

– с активным элементом в виде стержня из искусственного рубина, генерирующие импульсно – периодическое излучение на длине волны =0,69 мкм, с частотой импульсов Fи= 10Гц и электрооптическим КПД около 3%;

– с активным элементом в виде стержня из стекла с примесью неодима, генерирующие импульсно – периодическое излучение на длине волны =1,06 мкм, с частотой импульсов Fи= 0,05 – 50 кГц;

– с активным элементом в виде стержня из иттрий - алюминиевого граната с добавкой неодима, генерирующие импульсно – периодическое и непрерывное излучение на длине волны =1,06 мкм;

б) газовые

- с рабочим телом из углекислого газа, с добавками азота и гелия при давлении 2,66 – 13,3 кПа, генерирующие импульсно – периодическое и непрерывное излучение на длине волны =10,6 мкм с электрооптическим КПД 5 - 15%. Возбуждение рабочего тела осуществляется электрическим разрядом. Азот и гелий обеспечивают передачу энергии возбуждения молекуле углекислого газа и благоприятные условия горения разряда.

5.3. Принцип работы рубинового твердотельного технологического лазера.

Рубиновый кристалл имеет форму цилиндрического стержня; полированные и посеребренные поверхности которого являются оптическими отражателями. Выходной конец стержня частично прозрачен для световых лучей. Розовый рубин состоит из Al2O3 с атомами хрома, каждый из которых имеет три энергетических уровня. При вспышке ксеноновой лампы облучающей трубки, атомы хрома возбуждаются и переходят в состояние, характеризующееся повышенным энергетическим уровнем. Примерно через 0,05 мкс часть возбужденных атомов возвращается в первоначальное энергетическое состояние, беспорядочно излучая фотоны красного света. Некоторая часть этих фотонов, излучаемых вдоль оси кристалла, вызывает излучение новых фотонов. Фотоны, испускаемые в других направлениях, покидают кристалл через боковые плоскости. Поток красных фотонов вдоль оси кристаллов нарастает, отражаясь попеременно от зеркальных торцов граней, пока его интенсивность не станет достаточной, чтобы он смог пройти через полупрозрачную торцовую грань кристалла наружу. В результате через выходной конец кристалла излучается поток красного света в виде когерентного монохроматичного излучения.

5.4. Оборудование для лазерной сварки.

Оборудование для лазерной сварки состоит из технологического лазера, системы транспортировки и фокусировки излучения, системы газовой защиты изделия, системы относительного перемещения луча и изделия. Технологический лазер состоит из «рабочего тела», системы «накачки», включающей электрической лампы, отражателя, концентрирующего световую энергию на рабочем теле и системы охлаждения. Система транспортировки и фокусировки излучения состоит из защитных лучепроводов, отклоняющего зеркала и фокусирующего устройства. Отклоняющее зеркало изменяет ход луча и направляет его в зону обработки. Для твердотельных лазеров с этой целью используют призмы полного внутреннего отражения и интерференционные зеркала с многослойным диэлектрическим покрытием, для газовых лазеров применяют медные зеркала с водяным охлаждением.

Фокусирующее устройство – тубус, установленный с возможностью перемещения относительно поверхности обрабатываемого изделия, в котором закреплена линза из оптического стекла – для твердотельных лазеров, из хлорида калия или селенида цинка с интерференционным просветляющим покрытием – для СО2 – лазеров. Защита линз от продуктов выделяющихся при обработке изделия, осуществляется шторкой, образуемой продуванием очищенным и осушенным воздухом.

Система газовой защиты предназначена для предотвращения окисления металла сварного шва, в том числе его корня, и включает сопла разнообразной конструкции, обеспечивающей сдув паров и брызг, образующихся при сварке, в сторону от лазерного луча. Система относительного перемещения луча и изделия реализуется за счет движения детали, осуществляемого манипулятором с ЧПУ с разным числом степеней свободы в зависимости от требующейся сложности обработки. Скорость перемещения 40 – 400 м/ч. В случае обработки массивных и крупногабаритных изделий, рационально перемещать луч с помощью подвижных зеркал.Контрольные вопросы: 1. В чем состоит сущность лазерной сварки? 2. Назовите основные преимущества и недостатки лазерной сварки. 3. По каким признакам можно классифицировать технологические лазеры? 4. Объясните принцип работы рубинового твердотельного лазера. 5. Что входит в комплект оборудования для лазерной сварки?

6.1. Контактная сварка.

Контактная сварка - это технологический процесс получения неразъемных металлических соединений деталей в результате их кратковременного нагрева электрическим током, протекающим через эти детали, и пластического деформирования усилием сжатия. Известные способы контактной сварки классифицируют по ряду признаков (ГОСТ 19521-74): 1) по технологическому способу получения соединения: - точечная; - рельефная; - шовная; - стыковая;
  1. по конструкции соединения:
- нахлесточное; - стыковое; 3) по способу подвода тока: - одностороняя; - двустороняя; 4) по роду сварочного тока: - переменным; - постоянным; - униполярным – ток одной полярности с переменной силой в течение импульса; 5) по числу одновременно выполняемых соединений: - одноточечная; - многоточечная; 6) по характеру перемещения роликов при шовной сварке: - непрерывная (с постоянным вращением роликов); - шаговая (с остановкой роликов на время сварки). Преимущества контактной сварки: 1) высокая производительность процесса; 2) возможность легкой механизации и автоматизации процесса сварки; 3) благоприятный термодеформационный цикл, обеспечивающий высокое качество соединений большинства конструкционных материалов.

6.2. Точечная контактная сварка.

Точечная сварка – способ контактной сварки, при котором детали свариваются по отдельным ограниченным участкам касания (по ряду точек).

При точечной сварке детали собирают внахлестку, сжимают усилием F электродами, к которым подключен источник электрической энергии (например, сварочный трансформатор). Детали нагреваются при кратковременном прохождении сварочного тока Iсв до образования зоны взаимного расплавления деталей, называемой ядром. Нагрев зоны сварки сопровождается пластической деформацией металла в зоне контакта деталей (вокруг ядра), где образуется уплотняющий поясок, надежно предохраняющий жидкий металл от выплеска и от окружающего воздуха. Поэтому специальной защиты зоны сварки не требуется. После выключения тока расплавленный металл ядра быстро кристаллизуется и образуются металлические связи между соединяемыми деталями. Таким образом, соединения при точечной сварке происходит с расплавлением металла.

Рис. 6.1. Схема точечной контактной сварки. Нагрев при точечной сварке проводят импульсами переменного тока промышленной частоты 50 Гц, а также импульсами постоянного или униполярного тока. 6.1.1.Область применения точечной сварки. Точечная сварка широко применяется в штампо-сварных конструкциях, в которых две или более деталей, штампованные из листа, свариваются в жесткий узел (например, пол и кузов легкового автомобиля, кабины грузового автомобиля и т.д.). Точками обычно свариваются каркасные конструкции (например, боковины и крыша пассажирского вагона, бункер комбайна, узлы самолета и др.). Широко применяется точечная сварка пересекающихся стержней диаметром до 25 мм, в отдельных случаях до 40 мм при изготовлении арматуры железобетона в виде сеток и каркасов. Точечная сварка дает лучшие результаты при изготовлении узлов из относительно тонкого металла. Важная область применения точечной сварки - соединение очень тонких деталей в электровакуумной технике, приборостроении и др.

6.3. Шовная контактная сварка.

Шовная сварка – способ получения герметичного соединения (шва) путем образования ряда перекрывающихся точек. Подвод тока и перемещение деталей осуществляют с помощью вращающихся дисковых электродов – роликов. Как и при точечной сварке, детали собирают внахлестку и нагревают кратковременными импульсами сварочного тока. Перекрытие точек достигается соответствующим выбором паузы между импульсами тока и скорости вращения роликов.

Рис. 6.2. Схема шовной контактной сварки. Шовная сварка бывает: непрерывной, прерывистой и шаговой. - При непрерывной роликовой сварке свариваемые детали непрерывно перемещаются с постоянной скоростью при непрерывно включенном сварочном токе.

- При прерывистой роликовой сварке кратковременные импульсы тока (tи) чередуются с паузами (tп) при непрерывном движении деталей.

- При шаговой роликовой сварке в момент включения сварочного тока ролики временно останавливаются - детали не перемещаются, что дает возможность уменьшить износ роликов, остаточные напряжения и склонность к образованию трещин и раковин. Наиболее часто при шовной сварке детали собирают и сваривают внахлестку. Однако используют в некоторых случаях и шовную сварку в стык, которая обеспечивает большую циклическую прочность соединений. При этом часто используют накладки из фольги для получения полного проплавления свариваемых деталей. Контрольные вопросы: 1. В чем состоит сущность контактной сварки? 2. По каким признакам можно классифицировать процессы контактной сварки? 3. Какой величиной ограничивается толщина соединяемых деталей при контактной точечной сварке? 4. По каким параметрам можно классифицировать процессы контактной шовной сварки?

Лекция № 7. Рельефная и стыковая контактная сварка.

7.1. Рельефная сварка.

Рельефную сварку можно определить как разновидность контактной сварки, при которой необходимая плотность тока в месте будущего сварного соединения создается не рабочей поверхностью электрода, а соответствующей формой свариваемых изделий. Эта форма изделия создается искусственно, путем получения местных выступов (рельефов) различной формы или является естественной в связи с конструктивными особенностями соединения. При рельефной сварке соединяемые детали свариваются одновременно в одной или нескольких точках или по всей площади соприкосновения, определяемых специальными выступами (рельефами), предварительно изготовленными в одной из детали, или конфигураций свариваемых деталей в месте сварки. После включения сварочного тока в месте сварки создается высокая концентрация тока, и металл быстро нагревается. Это способствует интенсивному развитию пластических деформаций. При рельефной сварке сварное соединение формируется с образованием литого ядра или в твердой фазе. Высокое качество последнего определяется значительными пластическими деформациями. При этом способе сварки, как правило, увеличивается производительность процесса, если за один ход машины образуется несколько сварных соединений или одно соединение большой площади. В некоторых случаях применение этого способа позволяет улучшать внешний вид сварного соединения, расширить область применения сварки, заменить менее экономичные способы сварки плавлением и увеличить стойкость электродов. Наиболее эффективна рельефная сварка при постановке сразу группы точек (до 10-15). Сжатые по всем рельефам с помощью массивных электродов детали нагреваются. Выступы под действием усилия сжатия одновременно оседают. Во внутреннем контакте образуется литое ядро нормальных размеров. Таким образом, за один цикл получается многоточечный сварной шов без дополнительной разметки и с заданным расположением точек. 7.1.1.Преимущества рельефной сварки - одновременная сварка нескольких точек за один ход машины, что увеличивает производительность труда. Число точек, свариваемых одновременно, определяется возможностью оборудования создать необходимый сварочный ток и усилие на электродах (на тонколистовых сталях одновременно сваривает до 20 рельефов); - более компактное расположение сварных соединений, чем при точечной сварке на многоэлектродных машинах при сварке деталей небольших размеров из листовых металлов; - размещение рельефов с меньшим шагом и ближе к кромке свариваемых деталей, чем при точечной сварке. Это позволяет использовать рельефную сварку для приварки различных крепежных деталей к деталям из листовой стали при их малой опорной поверхности; - расположение точек на заранее определенных рельефами местах. Меньшие следы от сварки улучшают внешний вид соединения; - возможность сварки листовых металлов с отношением толщин 1:6 и более; - лучшая свариваемость листовых сталей с окисленной поверхностью, т.к. штамповка рельефа и большое давление частично разрушают пленку окислов, снижают и стабилизируют контактное сопротивление; - оборудование для рельефной сварки менее сложное по сравнению с многоэлектродными машинами для точечной сварки. 7.1.2. Область применения рельефной сварки Наиболее широкое применение рельефная сварка находит для соединения различных мелких деталей крепежа, втулок, скоб, осей и др. с более крупными изделиями из листовой стали. Рельефы обычно получают на мелких деталях холодной высадкой одновременно в процессе их изготовления. В зависимости от назначения и требуемой прочности эти детали имеют разную форму и число рельефов. С увеличением общей их площади увеличивается соответственно и прочность сварного соединения. В изделиях с кольцевыми рельефами возможно получение герметичных соединений.

7.2. Стыковая сварка.

Стыковой сваркой называется вид контактной сварки, при которой сваривание происходит по всей совмещаемой поверхности деталей, по всему стыку. Для осуществления сварки детали с помощью зажимного устройства прижимаются к нижним токоведущим электродам, являющимся разноименными полюсами вторичной обмотки трансформатора контактной машины. Замыкая с помощью переключателя “К” тока цепь первичной обмотки трансформатора, пропускают через приведенные в сопротивление детали ток большой силы. Сопутствующее этому весьма интенсивное выделение тепла за счет контактного сопротивления двух деталей обеспечивает быстрый разогрев свариваемых поверхностей до температур, близких к температуре плавления металла. По достижении требуемого нагрева детали с помощью осадочного устройства сдавливаются. Совместное действие высокой температуры и давления обеспечивает сварку деталей благодаря образованию общей кристаллической решетки из материала свариваемых частей. По способу выполнения стыковая сварка подразделяется на 2 основные разновидности: 1) стыковая сварка сопротивлением; 2) стыковая сварка оплавлением.

При стыковой сварке сопротивлением детали предварительно сжимают усилием F и включают в сеть сварочный трансформатор. По деталям протекает сварочный ток Iсв, и происходит постепенный нагрев стыка деталей до температуры близкой к температуре плавления. Затем сварочный ток выключают и резко увеличивают усилие осадки деталей, которые деформируются в стыке. При этом из зоны сварки частично выдавливаются поверхностные пленки, формируется физический контакт и образуется соединение.

При стыковой сварке оплавлением вначале на детали подают напряжение от сварочного трансформатора, а затем их сближают. При соприкосновении деталей в отдельных местах контакта вследствие большой плотности тока металл контактов быстро нагревается и взрывообразно разрушается. Нагрев торцов деталей происходит за счет непрерывного образования и разрушения контактов – перемычек, т.е. оплавление торцов. К концу процесса на торцах образуется сплошной слой жидкого металла. В этот момент резко увеличивают скорость сближения и усилие осадки; торцы смыкаются, большая часть жидкого металла вместе с поверхностными пленками выдавливается из зоны сварки, образуя утолщение – грат. Сварочный ток выключается автоматически во время осадки. 7.2.2.Области применения стыковой сварки Контактная стыковая сварка широко применяется: - для получения из проката длинномерных изделий (трубчатых змеевиков поверхностей нагрева котлов, железнодорожных рельсов, арматуры железобетона, заготовок в условиях непрерывной прокатки); - для изготовления сложных деталей из простых заготовок (элементов шасси летательных аппаратов, тяг, валов, кожухов корданных валов автомобилей и др.); - для изготовления сложных деталей замкнутой формы (ободьев автомобильных колес, колес жесткости реактивных двигателей, шпангоутов, звеньев цепей и др.); - с целью экономии легированных сталей (рабочую часть инструмента изготавливают из быстрорежущей стали, а хвостовую - из углеродистой или низколегированной стали). Способ стыковой сварки выбирают в зависимости от материала, величины и формы поперечного сечения свариваемых деталей, а также с учетом имеющегося оборудования и требований к качеству соединений.

- сваркой сопротивлением соединяют в основном детали небольшого сечения (не более 250 мм2);

- непрерывным оплавлением сваривают детали сечением до 1000 мм2 (большее сечение невозможно из-за плохого саморегулирования процесса оплавления).

- сварка оплавлением с подогревом сопротивлением ограничивается сечениями 5000-10000 мм2. Детали с площадью сечения более 10000 мм сваривают непрерывным оплавлением на машинах с программным управлением напряжением сварочного трансформатора и скоростью подачи подвижного зажима.

Контрольные вопросы: 1. Для чего формируются выступы на поверхности соединяемых деталей при рельефной сварке? 2. Какие факторы влияют на эффективность рельефной сварки? 3. Назовите основные преимущества рельефной сварки. 4. В чем состоит сущность стыковой контактной сварки? 5. По каким признакам можно классифицировать процессы стыковой контактной сварки?

uz.denemetr.com


Смотрите также