Зварювання, поняття, види і класи

Зварювання – технологічний процес отримання нероз'ємних з'єднань матеріалів за допомогою встановлення міжатомних зв'язків між зварюються частинами при їх місцевому або пластичній деформації, або спільною дією того й іншого. Зварюванням з'єднують однорідні та різнорідні метали і їх сплави, метали з деякими неметалевими матеріалами (керамікою, графітом, склом та ін.), А також пластмаси.

Зварювання – економічно вигідний, високопродуктивний і в значній мірі механізований технологічний процес, широко застосовуваний практично у всіх галузях машинобудування.

Фізична сутність процесу зварювання полягає в утворенні міцних зв'язків між атомами і молекулами на з'єднуються поверхнях заготовок. Для утворення сполук необхідно виконання наступних умов: звільнення зварювальних поверхонь від забруднень, оксидів та адсорбованих на них чужорідних атомів; енергетична активація поверхневих атомів, що полегшує їх взаємодію один з одним; зближення зварювальних поверхонь на відстані, порівнянним з міжатомних відстанню в зварюваних заготовках.

Залежно від форми енергії, використовуваної для утворення зварного з'єднання, всі види зварювання поділяють на три класи: термічний, термомеханічної і механічний.

До термічного класу належать види зварювання, які здійснюються плавленням з використанням теплової енергії (дугова, плазмова, електрошлакове, електронно-променева, лазерна, газова та ін.).

До термомеханічної класу належать види зварювання, здійснювані з використанням теплової енергії і тиску (контактна, дифузійна та ін.).

До механічному класу належать види зварювання, здійснювані з використанням механічної енергії і тиску (ультразвукова, вибухом, тертям, холодна та ін.).

7. Електродугове зварювання.

7.1. Принцип дії.

Дуга – потужний стабільний розряд електрики в іонізованої атмосфері газів і парів металу. Іонізація дугового проміжку відбувається під час запалювання дуги і безперервно підтримується в процесі її горіння. Процес запалювання дуги в більшості випадків включає в себе три етапи: коротке замикання електрода на заготівлю, відвід електрода на відстань 3-6 мм і виникнення стійкого дугового розряду.

Коротке замикання виконується для розігріву торця електрода і заготовки в зоні контакту з електродом. Після відведення електрода з його розігрітого торця (катода) під дією електричного поля починається термоелектронна емісія електронів. Зіткнення що швидко у напрямку до анода електронів з молекулами газів і парів металу призводить до їх іонізації. У міру розігріву стовпця дуги і підвищення кінетичної енергії атомів і молекул відбувається додаткова іонізація за рахунок їх зіткнення. Окремі атоми також іонізуються в результаті поглинання енергії, що виділяється при зіткненні інших частинок. В результаті дугового проміжок стає електропровідним і через нього починається розряд електрики. Процес запалювання дуги закінчується виникненням стійкого дугового розряду.

Джерелом теплоти при дугового зварювання є електрична дуга, яка горить між електродом і заготівлею. Залежно від матеріалу і числа електродів, а також способу включення електродів і заготівлі в ланцюг електричного струму розрізняють наступні способи дугового зварювання:

а) Зварювання неплавким (графітним або вольфрамовим) електродом, дугою прямої дії, при якій з'єднання виконується шляхом розплавлення лише основного металу, або з застосуванням присадочного металу.

б) Зварювання плавиться (металевим) електродом, дугою прямої дії, з одночасним розплавленням основного металу і електрода, який поповнює зварювальну ванну рідким металом.

в) Зварювання непрямої дугою, що горить між двома, як правило, не плавляться електродами. При цьому основний метал нагрівається і розплавляється теплотою стовпа дуги.

г) Зварювання трифазної дугою, при якій дуга горить між електродами, а також між кожним електродом і основним металом.

Харчування дуги здійснюється постійним або змінним струмом. При застосування постійного струму розрізняють зварювання на прямий і зворотній полярностях. У першому випадку електрод підключають до негативного полюса (катод), у другому – до позитивного (анод).

7.2. Ручна дугова зварка.

Ручне дугове зварювання виконують зварювальними електродами, які вручну подають у дугу і переміщають уздовж заготовки. У процесі зварювання металевим покритим електродом - дуга горить між стрижнем електрода і основним металом. Стрижень електрода плавиться, і розплавлений метал краплями стікає в металеву ванну. Разом зі стрижнем плавиться покриття електрода, утворюючи газову захисну атмосферу навколо дуги і рідку шлакову ванну на поверхні розплавленого металу. Металева і шлакові ванни разом утворюють зварювальну ванну. У міру руху дуги зварювальний ванна твердне і утворюється зварювальний шов. Рідкий шлак після охолодження утворює тверду шлакову кірку.

Електроди для ручного зварювання являють собою стрижні з нанесеними на них покриттями. Стрижень виготовляють з зварювального дроту підвищеної якості. Зварювальний дріт всіх марок залежно від складу поділяють на три групи: низьковуглецевий, легована і високолегована.

Ручне зварювання зручна при виконанні коротких і криволінійних швів в будь-яких просторових положеннях - нижньому, вертикальному, горизонтальному, стельовому, при накладенні швів в важкодоступних місцях, а також при монтажних роботах і складання конструкцій складної форми. Ручне зварювання забезпечує гарну якість зварних швів, але має більш низькою продуктивністю, наприклад, у порівнянні з автоматичного дугового зварювання під флюсом.

Продуктивність процесу в основному визначається зварювальним струмом. Однак струм при ручному зварюванні покритими електродами обмежений, тому що підвищення струму понад рекомендованого значення призводить до розігрівання стрижня електрода, відшаровування покриття, сильному розбризкування і чаду розплавленого металу. Ручну зварювання поступово замінюють напівавтоматичного в атмосфері захисних газів.

7.3. Автоматичне дугове зварювання під флюсом.

Для автоматичного дугового зварювання під флюсом використовують непокриту електродний дріт і флюс для захисту дуги і зварювальної ванни від повітря.

Подача і переміщення електродного дроту механізовані. Автоматизовані процеси запалювання дуги і заварки кратера наприкінці шва.

У процесі автоматичного зварювання під флюсом дуга горить між дротом і основним металом. Стовп дуги і металева ванна рідкого металу з усіх боків щільно закриті шаром флюсу товщиною 30 – 35 мм. Частина флюсу розплавляється, у результаті чого навколо дуги утвориться газова порожнина, а на поверхні розплавленого металу - рідкий шлак. Для зварювання під флюсом характерно глибоке проплавлення основного металу. Дія потужної дуги і дуже швидкий рух електрода уздовж заготівки обумовлюють відтискування розплавленого металу убік, протилежну напрямку зварювання. У міру поступального руху електрода відбувається затвердіння металевої і шлакової ванн з утворенням звареного шва, покритого твердою шлаковой кіркою. Дріт подають в дугу і переміщають її уздовж шва за допомогою механізмів подачі і переміщення. Струм до електроду надходить через кабель.

Дугове зварювання під флюсом виконують зварювальними автоматами, зварювальними головками чи самохідними тракторами, переміщаються безпосередньо на виробі. Призначення зварювальних автоматів - подача електродного дроту в дугу і підтримку постійного режиму зварювання протягом усього процесу. Автоматичне зварювання під флюсом застосовують у серійному і масовому виробництвах, для виконання довгих прямолінійних і кільцевих швів в нижньому положенні на металі товщиною 2 – 100 мм. Під флюсом зварюють метали різних класів. Автоматичне зварювання широко застосовують при виготовленні котлів, резервуарів для зберігання рідин і газів, корпусів судів, мостових балок та інших виробів. Вона є одним з основних ланок автоматичної ліній для виготовлення зварних автомобільних коліс і станів для виробництва зварних прямошовних і спіральних труб.

7.4. Електрошлакове зварювання і приплав.

При електрошлакового зварювання основний і електродний метали розплавляються теплотою, що виділяється при проходженні електричного струму через шлакову ванну. Процес електрошлакового зварювання починається з освіти шлакової ванни в просторі між крайками основного металу і формують пристроями (повзунами), що охолоджуються водою, яка подається по трубах, шляхом розплавлення флюсу електричної дугою, порушуємо між зварювальним дротом і вступної планкою. Після накопичення певної кількості рідкого шлаку дуга шунтується шлаком і гасне, а подача дроту і підведення струму тривають. При проходженні струму через розплавлений шлак, який є електропровідним електролітом, в ньому виділяється теплота, достатня для підтримки високої температури шлаку (до 2000 градусів за Цельсієм) і розплавлення кромок основного металу і електродного дроту. Дріт вводиться в зазор і подається в шлакову ванну з допомогою мундштука. Дріт служить для підведення струму і поповнення зварювальної ванни розплавленим металом. Як правило, електрошлакового зварювання виконують при вертикальному положенні зварюваних заготовок. У міру заповнення зазору між ними мундштук для подачі дроту і формують повзуни пересуваються у вертикальному напрямку, залишаючи після себе затверділий зварний шов.

У початковій і кінцевій ділянках шва утворюються дефекти. На початку шва – непровар, крайок, в кінці шва - усадочная раковина і неметалеві включення. Тому зварювання починають на вступної, а закінчують на вихідний планках, які потім видаляють газової різкою.

Шлакова ванна – більш розподілений джерело теплоти, ніж електрична дуга. Основний метал розплавляється одночасно по всьому периметру шлакової ванни, що дозволяє вести зварювання металу великої товщини за один прохід.

Заготовки товщиною до 150 мм можна зварювати одним електродом, що чинять поперечні коливання в зазорі для забезпечення рівномірного розігріву шлакової ванни по всій товщині. Метал товщиною більше 150 мм зварюють трьома дротами, а іноді і великим числом дротів, виходячи з використання одного електрода на 45 - 60 мм товщини металу. Спеціальні автомати забезпечують подачу електродних дротів і їх поперчной переміщення в зазорі.

Електрошлакове зварювання має ряд переваг в порівнянні з автоматичним зварюванням під флюсом: підвищену продуктивність, кращу макроструктуру шва і менші витрати на виконання 1 м зварного шва.

До недоліків електрошлакового зварювання слід віднести освіту великого зерна в шві і в околошовной зоні внаслідок уповільненої нагрівання та охолодження. Після зварювання необхідна термічна обробка (відпал або нормалізація) для подрібнення зерна в металі зварного з'єднання.

Електрошлакове зварювання широко застосовують у важкому машинобудуванні для виготовлення ковано - зварних і літо - зварних конструкцій, таких, як станини і деталі потужних пресів і верстатів, колінчаті вали суднових дизелів, ротори і вали гідротурбін, котли високого тиску і т. П. Товщина зварюваного металу становить 50 - 2000 мм.

7.5. Зварювання в середовищі захисних газів.

При зварюванні в захисному газі електрод, зона дуги і зварювальна ванна захищені струменем захисного газу.

Як захисні газів застосовують інертні гази (аргон і гелій) і активні гази (вуглекислий газ, азот, водень і ін.), А іноді - суміші двох газів і більше.

Зварювання в середовищі захисних газів в залежності від ступеня механізації процесів подачі присадочной або зварювального дроту і переміщення зварювального пальника може бути ручний, напівавтоматичного і автоматичної.

У порівнянні з ручним зварюванням покритими електродами і автоматичної під флюсом зварювання в захисних газах має такі переваги: ​​високий ступінь захисту розплавленого металу від впливу повітря; відсутність на поверхні шва при застосуванні аргону, оксидів і шлакових включень; можливість ведення процесу у всіх просторових положеннях; можливість візуального спостереження за процесом формування шва і його регулювання; більш високу продуктивність процесу, ніж при ручного дугового зварювання; відносно низьку вартість зварювання в вуглекислому газі.

Області застосування зварювання в захисних газах охоплюють широке коло матеріалів і виробів (вузли літальних апаратів, елементи атомних установок, корпуси і трубопроводи хімічних апаратів і т. П.).  Аргонодуговую зварювання застосовують для кольорових (алюмінію, магнію, міді) і тугоплавких (титану, ніобію, ванадію, цирконію) металів і їх сплавів, а також легованих і високолегованих сталей.

8. Контактна зварювання.

Контактна зварювання відноситься до видів зварювання з короткочасним нагріванням місця з'єднання без оплавлення або з оплавленням і осадкою розігрітих заготовок. Характерна особливість цих процесів - пластична деформація, в ході якої формується зварне з'єднання.

Місце з'єднання розігрівається що проходить по металу електричним струмом, причому максимальна кількість теплоти виділяється в місці зварювального контакту.

На поверхні зварюваного металу є плівки оксидів і забруднення з малою електропровідністю, які також збільшують Електроопір контакту. В результаті в точках контакту метал нагрівається до термопластичного стану або до оплавлення. При безперервному стисненні нагрітих заготовок утворюються нові точки дотику, поки не відбудеться повне зближення до міжатомних відстаней, т. Е. Зварювання поверхонь.

Контактну зварювання класифікують за типом зварного з'єднання, що визначає вид зварювальної машини, і за родом струму, що живить зварювальний трансформатор. За типом зварного з'єднання розрізняють зварювання стикового, точкову, шовний.

8.1. Стикова зварювання.

Стикова зварювання – різновид контактного зварювання, при якій заготовки зварюються по всій поверхні зіткнення. Зварювані заготовки закріплюють в затискачах стикового машини. Затиск 1 встановлений на рухомий плиті, що переміщається в направляючих, затискач 2 укріплений на нерухомої плиті. Зварювальний трансформатор з'єднаний з плитами, гнучкими шинами і живиться від мережі через що включає пристрій. Плити переміщаються, і заготовки стискаються під дією зусилля, що розвиває механізмом опади.

Стикового зварювання з розігрівом стику до пластичного стану і подальшої осадкою називають – зварюванням оплавленням.

Зварювання оплавленням має переваги перед зварюванням опором. В процесі оплавлення вирівнюються всі нерівності стику, а оксиди і забруднення видаляються, тому не потрібні особливої ​​підготовки місця з'єднання. Можна зварювати заготовки з перетином, різнорідні метали (швидкорізальної і вуглецеву сталі, мідь і алюміній і т.д.).

Найбільш поширеними виробами, що виготовляються стикового зварюванням, служать елементи трубчастих конструкцій, колеса і кільця, інструмент, рейки, залізобетонна арматура.

8.2. Точкова зварка.

Точкове зварювання – різновид контактного зварювання, при якій заготовки з'єднуються в окремих точках. При точковому зварюванні заготовки збирають внахлестку і затискають між електродами, що підводять струм до місця зварювання. Стикаються з мідними електродами поверхні зварювальних заготовок нагріваються повільніше їхніх внутрішніх шарів. Нагрівання триває до пластичного стану зовнішніх шарів і до розплавлення внутрішніх шарів. Потім вимикають струм і знімають тиск. В результаті утворюється лита зварна точка.

Точкове зварювання в залежності від розташування електродів по відношенню до зварюваних заготівлях може бути двосторонній і односторонній.

Многоточечная контактне зварювання – різновид контактного зварювання, коли за один цикл зварюються кілька точок. Багатоточкового зварювання виконують за принципом однобічної точкового зварювання. Багатоточкові машини можуть мати від однієї пари до 100 пар електродів, відповідно зварювати 2 -200 точок одночасно. Багатоточкової зварюванням зварюють одночасно і послідовно. У першому випадку все електроди відразу притискають до виробу, що забезпечує менше викривлення і велику точність складання. Струм розподіляється між притиснутими електродами спеціальним токораспределітелем, що включає електроди попарно. У другому випадку пари електродів опускають по черзі або одночасно, а струм підключають по черзі до кожної пари електродів від зварювального трансформатора. Багатоточкового зварювання застосовують в основному в масовому виробництві, де потрібна велика кількість зварних точок на заготівлі.

8.3. Шовна зварювання.

Шовна зварювання – різновид контактного зварювання, при якій між зварюються заготовками утворюється міцне і щільне з'єднання. Електроди виконують у вигляді плоских роликів, між якими пропускають зварювані заготовки.

В процесі шовного зварювання листові заготовки з'єднують внахлестку, затискають між електродами і пропускають струм. При русі роликів із заготівель утворюються перекривають один одного зварні точки, в результаті чого виходить суцільний геометрично шов. Шовну точку, так само як і точкову, можна виконати при двосторонньому і односторонньому розташуваннях електродів.

Шовну зварювання застосовують в масовому виробництві при виготовленні різних судин. Товщина зварювальних листів складає 0,3 – 3 мм. Шовного зварюванням виконують ті ж типи зварних з'єднань, що і точкового, але використовують для отримання герметичного шва.

9. Газове зварювання та різання металів.

При зварюванні місце з'єднання нагрівають до розплавлення високотемпературним газовим полум'ям. При нагріванні газозварювальних полум'ям кромки зварювальних заготовок розплавляються, а зазор між ними заповнюється присадним металом, який вводять в полум'я пальника ззовні. Газове полум'я отримують при згорянні пального газу в атмосфері технічно чистого кисню.

Кисневий балон являє собою сталевий циліндр з сферичним днищем і горловиною для кріплення запірного вентиля. На нижню частину балона насаджується башмак, що дозволяє ставити балон вертикально. На горловині є кільце з різьбленням для накручення захисного ковпака. Середня рідинна місткість балона 40 дм3. При тиску 15 МПа він вміщує ~ 6000дм3 кисню.

Ацетиленові балони фарбують у білий колір і роблять на них напис червоною фарбою «Ацетилен». Їх конструкція аналогічна конструкції кисневих балонів. Тиск ацетилену в балоні 1,5 МПа. У балоні знаходиться пориста маса (активізований вугілля) і ацетон. Розчинення ацетилену в ацетоні дозволяє помістити в малому обсязі велика кількість ацетилену. Розчинений в ацетоні ацетилен просочує пористу масу і стає безпечним.

При газовому зварюванні, заготовки нагріваються більш плавно, ніж при дугового; це і визначає основні сфери її застосування: для зварювання металів малої товщини (0,2 – 3 мм); легкоплавких кольорових металів і сплавів, що вимагають поступового нагрівання та охолодження, наприклад інструментальних сталей, чавуну, латуні; для пайки і наплавочних робіт; для подварки дефектів в чавунних і бронзових виливках. При збільшенні товщини металу продуктивність газового зварювання різко знижується. При цьому за рахунок повільного нагрівання зварюються вироби значно деформуються. Це обмежує застосування газового зварювання.

Газокисневого різання полягає в спалюванні металу в струмені кисню і видалення цієї струменем утворюються оксидів. При горінні заліза в кисні виділяється значна кількість теплоти.

Для забезпечення нормального процесу різання повинен відповідати наступним вимогам: температура його плавлення повинна бути вище температури горіння в кисні; температура плавлення оксидів металу повинна бути нижче температури його плавлення; кількість теплоти, що виділяється при згорянні металу в кисневої струмені, має бути достатнім для підтримки безперервного процесу різання; теплопровідність металу не повинна бути занадто високою, в іншому випадку теплота занадто інтенсивно відводиться і процес різання припиняється; утворюються оксиди повинні бути досить жидкотекучими і легко видувати вниз струменем ріжучого кисню.

Практично зазначеним вимоги відповідають залізо, низьковуглецевих і низько-леговані стали.

За характером і спрямованості кисневої струменя розрізняють наступні способи різання.

Розділова різання – ріжуча струмінь спрямована нормально до поверхні металу і прорізає його на всю товщину. Розділової різкою розкроюють листову сталь, розрізають профільної матеріал, вирізують косинки, кола, фланці і т. П. Поверхнева різання – ріжуча струмінь спрямована під дуже малим кутом до поверхні металу (майже паралельно їй) і забезпечують грубу її строжки або обдирання. Нею видаляють поверхневі дефекти виливків.

Різка кисневим списом – спис утворюється тонкостінної сталевою трубкою, приєднаної до рукоятки і вільним кінцем притиснутою до пропалює металу. Кисневим списом відрізають прибутку великих виливків, пропалюють льотки в металургійних печах, отвори в бетоні і т. п.

Різка може бути ручної та машинної.