Сваркой и пайкой называется процесс получения неразъемного соединения материалов путем местного нагрева свариваемых участков, кромок деталей до пластического или расплавленного состояния. На процесс соединения в большой степени влияют загрязнения, окислы и жировые пленки на поверхности металла, поэтому чистую поверхность можно сохранить лишь в высоком вакууме.
При сварке применяют следующие виды соединений:
стыковое угловое тавровое нахлесточное
6.1. Электрическая дуговая сварка (была впервые предложена русскими учеными Бенáрдосом и Славяновым в 1882г.). При дуговой сварке используется тепло, выделяемое при горении электрической дуги, питаемой постоянным или переменным током.
Электрическая дуга – это длительный и мощный электрический разряд, образующийся в воздушной, газовой, вакуумной или иной среде промежутка между электродом и свариваемой поверхностью. Сварочная дуга характеризуется низким напряжением (12-40В), но большим током (800-3000 А/см2). При этом температура столба дуги может достигать 8000°С.
Для обеспечения устойчивого горения необходим источник с регулируемым напряжением. Т.е. при зажигании дуги напряжение должно быть высоким, а затем уменьшаться по мере ее горения. Постоянный или импульсный ток дает более устойчивое горение дуги и благоприятно сказывается на качестве и производительности процесса. При применении переменного тока аппаратура отличается простотой и дешевизной – достаточно одного трансформатора.
Электродом служит плавящийся металлический (стальной) стержень с оболочкой из присадочных материалов или неплавящийся вольфрамовый стержень. Диаметр электрода подбирается по толщине свариваемой конструкции, виду соединения и условиям отвода тепла от шва. Оболочка (обмазка) электрода служит для получения высоких механических свойств и качества поверхности.
| Редуктор |
| Массовый зажим |
| Баллон с аргоном |
| Блок питания |
| Горелка |
| Электрод |
| Защитная среда |
| Свариваемые детали |
| Сварочная проволока |
| 220V / 380V ̴50Hz |
Ручная сварка применяется для прихватки деталей и сварки швов незначительной длины. Автоматическая сварка, как более высококачественная, предполагает автоматизацию процессов перемещения горелки, сварочной присадочной проволоки, являющейся одновременно плавящимся электродом, и регулирование сварочной дуги.
В самолетостроении широко применяется сварка в герметичной камере. После установки изделия и загрузки расходных материалов камеру герметизируют и создают вакуум (133·10-4Па), затем заполняют инертным газом с минимальным содержанием кислорода и азота.
6.2. Контактная электросварка относится к методам сварки с применением внешнего давления. Свариваемые участки металла нагреваются переменным или импульсным током до пластичного состояния и сжимаются. Явление нагрева связано с электропроводностью в металле – перемещением и колебаниями свободных электронов. Разновидностью контактной сварки являются точечная, роликовая (шовная) и стыковая. Во всех случаях к электродам, роликам или непосредственно к свариваемым деталям подводят от трансформатора ток величиной до 400 А/мм2 и сжимают детали силой Р=15…70МПа. Продолжительность цикла составляет обычно от 0,5 до 1,5 секунд.
Р
| 220V / 380V ̴50Hz |
Диаметр сварной точки зависит от диаметра электрода, величины сварочного тока и продолжительности разогрева. Контактную сварку используют для соединения заготовок одинаковой и различной толщины от 0,01 до 5мм.
6.3. Газовая сварка. При газовой сварке происходит нагрев кромок соединяемых деталей до расплавления в среде сгорания газов (ацетилена, водорода, бензола и др.) с кислородом. Наиболее широко применяется кислородно-ацетиленовая сварка. Газовая сварка применяется при изготовлении тонкостенных изделий из сталей и других сплавов. Кислород получают из воздуха методом глубокого охлаждения (до -183°С) до жидкого состояния при атмосферном давлении, а к месту потребления он поступает в газообразном состоянии под давлением (150 атм.) в стальных баллонах синего цвета. Ацетилен получают в ацетиленовых генераторах из карбида кальция путем его разложения водой: CaC2+2H2O=Ca(OH2)+C2H2. Т.к. ацетилен взрывоопасен, ацетиленовый стальной баллон заполняется активированным углем, пористая масса пропитывается ацетоном, который способен растворить в одном объеме до 24 объемов ацетилена, что позволяет снизить давление в баллоне до 19 атм. Ацетиленовые баллоны окрашивают в белый цвет. Все баллоны перед отгрузкой проходят проверку на герметичность. Вентиль кислородного баллона изготавливают из латуни, ацетиленового – из стали. Перед применением на них устанавливают газовые редукторы, поддерживающие давление выходящего газа постоянным. Редукторы для кислорода рассчитаны на давление от 0,5 до 15 атм., а для ацетилена – в 10 раз меньше: от 0,01 до 1,5 атм. Сварочные горелки – основной инструмент, обеспечивающий смешивание кислорода с горючими материалами. Наиболее распространены инжекторные горелки (т.е. низкого давления), которые снабжаются комплектом наконечников для сварки металла различной толщины (от 0,5 до 15 мм). Для регулирования состава смеси в корпусе горелки расположены два вентиля. Оптимальное соотношение кислорода к ацетилену =1,1…1,2. Высокий температурный режим сварки может привести к значительным деформациям. Для получения сварочного соединения с высокими механическими свойствами необходимо: - выбрать необходимый для толщины металла наконечник, - выбрать присадочную проволоку, соответствующую составу металла, - отрегулировать пламя горелки, - выбрать способ сварки.
6.4. Газовая резка заключается в сквозном прожигании металла струей кислорода, перемещаемой по контуру, образованному горелкой. Горелка в данном случае – это ацетиленокислородный резак, который отличается от газовой горелки наличием второй кислородной трубки с третьим подающим вентилем. Перед началом резки металл прогревают до температуры его плавления, а затем, открывая третий вентиль, подают режущий кислород. Большое влияние на производительность резки оказывает степень чистоты кислорода. Автоматическая резка с помощью переносных и стационарных машин позволяет получить более качественную поверхность среза и точность размеров детали.
6.5. Специальные виды сварки. Электронно-лучевая сварка в вакууме применяется в основном для соединения малогабаритных изделий электроники и приборостроения, т.к. отличается небольшой зоной разогрева. Разогрев вызывается резким торможением электронного потока, создаваемого электронной пушкой, в магнитном поле, т.е. аналогичен рассмотренному выше в электронно-лучевых печах. Ультразвуковая сварка заключается в одновременном воздействии на детали механического колебания высокой частоты при относительно небольшом сдавливании. Под действием ультразвука разрушаются окисные пленки, происходит местный нагрев с микродеформацией и усиленная диффузия свариваемых материалов. Одно из преимуществ ультразвуковой сварки – возможность соединения разнородных материалов. Плазменно-дуговая сварка – аналогична по принципу работы плазменным печам, рассмотренным выше. Лазерная сварка – основана на применении оптического квантового генератора, обеспечивающего световую мощность, достаточную для расплавления и доведения до кипения любых металлов. Активным материалом служит стержень из синтетического рубина – окиси алюминия Al2O3 с небольшой добавкой окиси хрома Cr2O3. Излучение с целью достижения его максимальной мощности импульсное и фокусируется в пятно очень малых размеров (в несколько микрон). Поэтому импульсы лазерного излучения можно применить для сварки материалов с малой толщиной (до 1,5 мм). Достоинства лазерной сварки – незначительные размеры зоны теплового влияния и отсутствие сложных устройств для создания вакуума.
6.6. Особенности сварки некоторых металлов и сплавов. Стали хорошо свариваются любыми методами, если содержание в сплаве углерода не превышает 0,27%. Стали с более высоким содержанием углерода при сварке склонны к образованию закалочных трещин и пористых швов из-за выгорания углерода. Высоколегированные стали (содержащие более 4% легирующих элементов) отличаются меньшей теплопроводностью и повышенными значениями коэффициентов теплового расширения, поэтому при сварке возможен их перегрев и значительные деформации. Хромистые стали свариваются с трудом только при пониженной силе тока и специальными электродами. При сварке алюминия и его сплавов основным затруднением является присутствие на поверхности расплавленного металла прочной и тугоплавкой пленки окиси алюминия Al2O3. Помимо этого в жидком состоянии сплавы алюминия растворяют водород, который при затвердевании выделяется в виде мельчайших пузырьков в сварном соединении, нарушая его прочность и герметичность. С предварительным обезжириванием и травлением сварка алюминия в защитной среде аргона дает качественное соединение, но требует высокой квалификации сварщика. Сварка титана (в среде чистого аргона или гелия), обладающего способностью в расплавленном состоянии интенсивно поглощать газы, требует предварительной дегазации в вакууме и самого материала, и сварочной проволоки. Сварка латуни затруднена из-за интенсивного испарения и окисления цинка, имеющего низкую температуру плавления, а сварка оловянистых бронз не вызывает трудностей, если выполняется бронзовым электродом.
Для предупреждения деформации сварочных швов рекомендованы следующие мероприятия: 1). Расположение швов должно быть по возможности симметричным относительно главных (несущих) отдельных элементов конструкции. 2). Не следует допускать пересечения в одной точке более трех швов. 3). Применять предварительную деформацию узла изделия перед сваркой в сторону, противоположную действию усадки. 4). Следует уменьшать зону чрезмерного разогрева с помощью теплоотводящих подкладок. 5). Предварительно прогревать свариваемые элементы перед сваркой. 6). Желательно производить термическую обработку сварных соединений, а в отдельных случаях для легированных сталей – закалку и отпуск.
6.7. Контроль качества сварки. Дефекты сварных соединений делятся на внешние и внутренние. К внешним дефектам относятся: - неравномерность поперечного сечения шва, - подрез основного металла (уменьшение сечения), - наружные трещины и поры, - незаваренные кратеры и др. К внутренним дефектам относятся: - непровары, - загрязнения шва шлаковыми включениями, - внутренние кольцевые и радиальные трещины, поры, раковины, - перегрев и структурные изменения.
Контроль свариваемых изделий рассмотрен в пп. 2.4 – 2.10. Разрушающие механические испытания проводятся выборочно.
6.8. Техника безопасности при сварочных работах. Для предупреждения несчастных случаев при выполнении сварочных работ необходимо соблюдать следующие правила: 1). Корпуса сварочных агрегатов, а также свариваемые изделия должны быть надежно заземлены. 2). При работе с дугой необходимо пользоваться защитной маской. 3). Сварочные работы выполнять на расстоянии не менее 5м от легковоспламеняющихся и огнеопасных материалов. 4). Запрещается выполнять сварочные работы на изделиях, находящихся под давлением. 5). Сварочное помещение должно иметь приточно-вытяжную вентиляцию. 6). Не подвергать баллоны сильным толчкам и вибрациям, не оставлять на солнце. 7). Кислородные вентили и редукторы предохранять от загрязнений маслом (масло имеет свойство накапливать статическое электричество). В случае замерзания редукторы отогревать только горячей водой.
6.9. Пайка. При пайке мягкими припоями (на основе свинца и олова с присадками сурьмы, серебра, висмута, кадмия и т.д.) с температурой плавления менее 350°С применяют флюсы, в состав которых входят хлористый цинк (для пайки стали и алюминия), ортофосфорная кислота (для пайки тугоплавких металлов), глицерин, канифоль (для пайки меди). Нагрев изделий при пайке мягкими припоями осуществляется паяльниками, газовыми горелками и погружением в расплавленный припой. При ручной пайке нагретый до 450-500°С паяльник облуживают в припое, затем соединяют детали, предварительно покрытые флюсом. При пайке твердыми припоями с температурой плавления до 900°С в качестве флюса применяют буру (борную кислоту) и ее смеси с различными добавками. При твердой пайке применяют нагрев погружением и в электропечах с температурой до 1100°С.
В самолетостроении пайка применяется при сборке узлов и панелей (в особенности панелей с заполнителем) планера самолета, соединении трубопроводов и электропроводов. В качестве материала для обшивок применяют коррозионно-стойкие стали или титановые стали с толщиной листа от 0,15 до 0,5 мм. Заполнителем является гофра или соты из тех же материалов, изготовленных в виде фольги толщиной 0,05…0,1 мм. Нагрев заготовок ведут в электрических печах кварцевыми лампами с подачей в зону пайки аргона.
Видеоуроки: Мосты (испытание на прочность); укрощение алмаза (про алюминий); броня – как защищает сталь; термитная сварка; открытие Дмитрия Николаевича Гаркунова (безызносное трение). Длительность 1,5ч.