При дуговой сварке в защитном газе электрод, зона дуги и сварочная ванна защищены струей защитного газа. Сварка может быть автоматической, механизированной и ручной, выполняться в любом пространственном положении плавящимся или неплавящимся электродом. В качестве защитных газов применяют инертные газы (аргон и гелий), активные газы (углекислый газ, азот, водород и др.) или смеси двух газов. В промышленных условиях наиболее распространено применение аргона Ar и углекислого газа СО2..
Аргонодуговую сварку выполняют как неплавящимся (стержень диаметром 1…10 мм из вольфрама с добавками оксидов тория, лантана и иттрия), так и плавящимся электродом (сварочная проволока диаметром 0,6…3 мм). Применяют для сварки углеродистых и легированных сталей, сплавов с особыми химическими и физическими свойствами, цветных металлов (титана, алюминия, магния, меди и т.д.) и их сплавов при толщине металла 0,8…6 мм.
Сварку неплавящимся электродом ведут на постоянном (рис. 45, а), переменном или импульсном токе. Зажигание дуги (ионизацию газовой среды) производят с помощью высокочастотного электрического разряда через дуговой промежуток. Для этого в сварочную цепь подключают осциллятор – источник высокочастотного переменного тока высокого напряжения. Для получения выпуклости (усиления) шва или заполнения разделки кромок (при толщине металла более 3 мм) в зону сварки (в
дугу) подают присадочный материал в виде прутка или проволоки, диаметр которых составляет 0,5…1,5 диаметра вольфрамового электрода.
При сварке на постоянном токе прямой полярности дуга горит устойчиво при напряжении 10...15 В и минимальном токе 10 А. При обратной полярности тока возрастает напряжение дуги, уменьшается устойчивость дуги и снижается стойкость вольфрамового электрода, что делает ее непригодной для широкого применения в сварочном производстве. Однако при применении дуги обратной полярности на поверхности свариваемого металла происходит механическое разрушение тугоплавкой оксидной пленки потоком тяжелых положительных ионов аргона. Это свойство дуги обратной полярности используют при сварке алюминиевых и магниевых сплавов, применяя для питания дуги источники переменного тока, оснащенных стабилизаторами горения дуги. Сварка металла толщиной 0,2…1,5 мм производится в импульсном режиме путем наложения на маломощную постоянную (дежурную) дугу более мощной кратковременной дуги через определенный интервал времени. В этом случае применяют источники импульсного тока, разработанные на основе универсальных и инверторных выпрямителей.
Сварку плавящимся электродом (рис. 45, б) выполняют с помощью сварочных полуавтоматов, укомплектованных механизмами подачи сварочной проволоки диаметром 0,6…3 мм, на постоянном токе обратной полярности. Нормальное протекание процесса сварки и формирование качественного шва обеспечиваются высокой плотностью тока (100 А/мм2 и выше), применением проволоки малого диаметра (0,6…3 мм) и большой скоростью ее подачи (до 15 м/мин).
Сварку в углекислом газе выполняют только плавящимся электродом при высокой плотности (не менее 80…100 А/мм2) постоянного тока обратной полярности. При механизированной (полуавтоматической) сварке (рис. 45, б) используют сварочный полуавтомат, состоящий из источника питания, блока управления, механизма подачи проволоки в зону сварки и системы подачи защитного газа к сварочной горелке, которую сварщик вручную перемещает вдоль свариваемых заготовок. При автоматической сварке перемещение электрической дуги вдоль сварного шва механизировано. Основной недостаток сварки в углекислом газе сильное разбрызгивание металла, для уменьшения которого применяют смеси газов: СО2 + (5…15) % О2 или Ar + (10…20) % СО2.
В углекислом газе сваривают конструкции из углеродистой и низколегированной стали с применением сварочной проволоки диаметром 0,5…2 мм. Повышенное содержание в проволоке (Св-08ГС, Св-10Г2С и т.д.) раскислителей (марганца и кремния) нейтрализует окислительные действия углекислого газа СО2, который при высоких температурах диссоциирует на оксид углерода СО и кислород О. При сварке в СО2 для повышения защиты расплавленного металла используют порошковую проволоку – металлическую трубчатую оболочку, заполненную шлакообразующими и газообразующими компонентами, раскислителями или легирующими элементами. Разновидностью порошковых проволок являются самозащитные проволоки, оболочка которых изготовлена из легированной стали, а в наполнитель введены соединения редкоземельных металлов. Эти проволоки применяют для обеспечения устойчивого горения дуги и раскисления расплавленного металла при отсутствии или недостаточно надежной газовой защите (сварка неповоротных стыков труб газо- и нефтепроводов, наплавке зубьев и ковшей экскаваторов, подводной сварке и т.д.).
Лучевые способы сварка
Электронно-лучевая сварка основана на использовании в качестве источника теплоты кинетической энергии электронного луча, который представляет собой сжатый поток электронов, перемещающийся с большой скоростью от катода к аноду в электрическом поле. При встрече потока с твердым телом кинетическая энергия электронов практически полностью переходит в тепловую энергию, что приводит к нагреву материала в зоне соударения до температуры 5000…6000 оС.
В установках для электронно-лучевой сварки (рис. 46) поток электронов образуется за счет их эмиссии с нагретого в вакууме (10–3…10–4 Па) катода 1 электронной пушки, формируется в пучок электродом 2 и ускоряется под действием разности потенциалов (20…150 кВ) между катодом и анодом 3. Затем пучок электронов фокусируется в виде луча магнитной системой 4 (электромагнитная линза) и направляется магнитной отклоняющей системой 5 на свариваемое изделие 6. При перемещении заготовок под электронным лучом формируется сварной шов. Иногда при выполнении сварки перемещают сам луч вдоль неподвижных кромок заготовок с помощью магнитной системы 5, которую можно использовать также для отклонения луча поперек шва с целью регулировки теплового воздействия на свариваемый материал.
В современных электронно-лучевых установках для сварки, сверления, резки и других операций электронный луч фокусируется в зоне обработки материала на площади диаметром менее 0,1 мм, что позволяет получать высокую удельную мощность (выше 5·105 кВт/м2) и интенсивный точечный нагрев. Высокая концентрация теплоты в пятне нагрева приводит к очень быстрому плавлению и затвердеванию металла, в результате чего шов получается мелкозернистым с высокими механическими свойствами, а ширина зоны термического влияния сводится до минимума (менее 1 мм). Форма шва имеет вид длинного узкого клина ("кинжальный проплав"), соотношение глубины проплавления к ширине может достигать 20:1. Уменьшение протяженности зоны термического влияния (примерно в 25 раз меньше, чем при дуговой сварке) снижает вероятность рекристаллизации основного металла в этой зоне. Сокращение затрат энергии на единицу длины шва (в 4...5 раз меньше, чем при дуговой сварке) существенно уменьшает коробление изделия.
Регулирование мощности и фокусировки нагрева электронным лучом позволяет за один проход сваривать металлы толщиной от десятых долей миллиметра до 100 мм и более. Электронно-лучевой сваркой изготавливают детали из тугоплавких металлов (вольфрама, тантала, молибдена, ниобия и др.), керамики и разнородных сплавов со значительной разностью толщин. Из-за отсутствия насыщения расплавленного и нагретого металла газами достигается высокое качество сварных соединений химически активных металлов, таких как цирконий, титан и др. Хорошее качество электронно-лучевой сварки достигается также на низкоуглеродистых, коррозионно-стойких сталях; медных, никелевых и алюминиевых сплавах.
Недостатки электронно-лучевой сварки: сложность процесса и высокая стоимость оборудования, наличие рентгеновского и электромагнитного излучений, низкая производительность из-за необходимости создания вакуума в рабочей камере после загрузки изделий.
Лазерная сварка – это сварка плавлением, которая использует энергию лазерного луча – сфокусированного монохроматического когерентного излучения (потока фотонов) с определенной длиной волны (от 0,1 до 1000 мкм), которое возникает в результате вынужденных скачкообразных переходов возбужденных атомов рабочих тел (рубин, стекло с неодимом и др.) или рабочего вещества (СО2 в смеси с аргоном и гелием и др.) на более низкие энергетические уровни. Получение и формирование потока фотонов достигается при помощи оптического квантового генератора (лазера). Системы управления и фокусировки встраивают в конструкцию лазера или выполняют в виде отдельных блоков. Лазерный луч может быть сфокусирован в пятно от десятых долей миллиметра до десятков микрометров, что позволяет получать удельную мощность в фокусе свыше 109 Вт/см2.
Лазерный луч при встрече с препятствием (свариваемым материалом) частично отражается от его поверхности, частично поглощается ею, переходя в теплоту. В результате расплавления примыкающих поверхностей заготовок и последующей кристаллизации этого расплава образуется узкий ("ниточный", "кинжальный") шов. Особенностью лазерной сварки является малая зона нагрева (0,1…0,2 мм), практически отсутствие деформации изделия после сварки, которую можно проводить в различных пространственных положениях, и в отличие от электронно-лучевой сварки не требуется специальных вакуумных камер.
Различают сварку малых толщин (глубина проплавления до 1 мм, плотность мощности в зоне воздействия 105…106 Вт/см2) и сварку с глубоким проплавлением (плотность мощности излучения около 107 Вт/см2), которую проводят только в автоматическом режиме. Сварку малых толщин осуществляют с применением твердотельных или газовых лазеров мощностью до 1 кВт для работы в непрерывном режиме (шовная сварка) и мощностью до 300 Вт – в импульсном режиме (энергия в импульсе 100 Дж и более). Для сварки с глубоким проплавлением (до 10 мм и выше) применяют лазеры с выходной мощностью в несколько киловатт: импульсно-периодические твердотельные или непрерывные СО2-лазеры. Эффективность сварки с глубоким проплавлением существенно повышается при совместном действии лазерного излучения и недорогих источников нагрева, например электрической дуги или магнитного поля. Сварка с глубоким проплавлением требует высокой точности и стабильности направления воздействия лазерного излучения (допуск на отклонение оси лазерного луча не более 0,2 мм при длине шва в несколько метров), тщательной подготовки кромок свариваемых деталей и их сборке (зазор между деталями менее 0,3 мм).
Лазерную сварку малых толщин применяют в различных отраслях промышленности (электронной, радиотехнической, приборостроительной, машиностроительной, пищевой и т.д.) в производстве элементов микросхем, кинескопов, вакуумных приборов, для заваривания аэрозольных баллонов и консервных банок, для герметизации капсул для лекарств и корпусов различных изделий. Лазерную сварку с глубоким проплавлением используют в производстве двигателей и обшивки самолетов, автомобилей и судов, для сварки труб и арматурных конструкций, при изготовлении деталей из углеродистых и легированных сталей, алюминиевых, магниевых, титановых, никелевых сплавов и разнородных материалов. Сравнение лазерной сварки с электронно-лучевой сваркой по технологическим и экономическим параметрам показывает, что лазерная сварка предпочтительнее при сварке различных металлов толщиной до 5 мм.
Контактная сварка
Контактная сварка относится к видам сварки давлением с кратковременным нагревом зоны соединения без оплавления или с оплавлением металла и с последующим пластическим деформированием разогретых заготовок в зоне контакта.
При контактной сварке металл нагревается за счет выделения тепла при прохождении электрического тока большой плотности (100…300 А/мм2) при напряжении 0,3...10 В через свариваемые заготовки. Наибольшее количество теплоты выделяется в зоне сварочного контакта, где электрическое сопротивление больше из-за шероховатости поверхности и наличия органических и оксидных пленок с малой электропроводимостью. Количество выделяемой теплоты Q определяется по формуле:
, (33)
где J – сварочный ток, А; R – сопротивление участка цепи в зоне контакта, Ом; t – продолжительность протекания тока, с.
При выделении большого количества теплоты в зоне контакта происходит быстрый нагрев металла до термопластичного состояния или оплавления. При непрерывном сдавливании нагретых заготовок металл деформируется, поверхностные оксидные пленки разрушаются и удаляются к периферии стыка. В соприкосновение приходят чистые (без оксидных пленок) слои металла, образующие сварное соединение. По типу получаемого соединения контактную сварку (рис. 47) разделяют на стыковую, точечную и шовную (роликовую).
Стыковая сварка – вид контактной сварки, при которой соединение происходит по всей поверхности соприкосновения стыкуемых частей заготовок (рис. 47, а). Свариваемые заготовки 1 закрепляют в неподвижном 2 и подвижном 3 зажимах – электродах, подключенных к вторичной обмотке сварочного трансформатора 4. Для обеспечения электрического контакта на стыкуемых поверхностях заготовки сжимаются осевой силой P. При включении тока металл в зоне контакта разогревается и под действием сжимающего усилия P деформируется (осаживается). При определенной величине осадки (установочной длине) происходит отключение электрического тока. Установочная длина зависит от площади поперечного сечения заготовок и теплофизических свойств металла свариваемых заготовок.
Стыковую сварку с разогревом металла стыка до состояния высокой пластичности и последующей осадкой называют сваркой сопротивлением, а при разогреве торцов до оплавления и последующей осадкой – сваркой оплавлением. Стыковая сварка сопротивлением применяется для сварки заготовок небольших сечений (до 100 мм2), так как с увеличением сечения нагрев металла будет неравномерным из-за неровности контактируемых поверхностей и 10наличия оксидных пленок.
Сварка оплавлением не требует предварительной тщательной обработки торцов. Контакт заготовок по одиночным выступам из-за высокой плотности тока приводит к их оплавлению, а затем и оплавлению всей поверхности стыка. При сварке оплавлением выравниваются все неровности стыка, расплавленный металл вместе с оксидами удаляется (выбрасывается) из зоны сварки под действием магнитного поля, образующегося при протекании тока высокой плотности. После равномерного оплавления всей поверхности стыка ток отключают и заготовки осаживаются. Сжимающее усилие Р во время оплавления металла обеспечивает только перемещение заготовки. Перед отключением тока усилие возрастает и действует до момента заданной осадки всей поверхности стыка. Сваркой оплавлением можно сваривать заготовки с сечением 300…500 мм2.
Контактную стыковую сварку применяют для углеродистых и легированных сталей, сплавов из цветных металлов и разнородных металлов (углеродистая и инструментальная сталь, медь и алюминий и т.д.). Этот способ сварки используют для изготовления элементов трубчатых конструкций, рельсов, арматуры, ленточных пил, деталей сложной формы с различной площадью сечения заготовок, режущего инструмента (сверла, развертки, метчики) и других изделий.
Точечная сварка – разновидность контактной сварки, при которой соединение заготовок происходит в отдельных точках (рис. 47, б). При точечной сварке заготовки 1 очищают от загрязнений, накладывают друг на друга и сжимают с усилием P медными электродами 2, подсоединенными к обмотке трансформатора 4. Диаметр электрода выбирают на 3...4 мм больше суммарной толщины свариваемых листов. При прохождении электрического тока наибольшее количество теплоты выделяется на участке наибольшего сопротивления цепи, т.е. в зоне соединения свариваемых поверхностей. Соприкасающиеся с медными электродами поверхности свариваемых заготовок нагреваются медленнее их внутренних слоев. Нагрев продолжают до перехода в пластичное состояние наружных и расплавления внутренних слоев металла (образования литого ядра точки 5), после чего выключают ток и увеличивают усилие P (режим проковки) для формирования и улучшения структуры сварной точки.
В зависимости от расположения электродов по отношению к свариваемым заготовкам точечная сварка может быть двусторонней (рис. 47, б) и односторонней, когда оба электрода сверху сжимают заготовки. Для обеспечения нужного нагрева в этом случае под нижнюю заготовку устанавливают медную подкладку. Односторонней сваркой можно соединять заготовки одновременно двумя точками. Принцип односторонней точечной сварки используют в машинах для многоточечной сварки, которые позволяют за одну установку изделия получить от 2 до 200 сварочных точек.
Диаметр сварной точки зависит от толщины свариваемых листов и параметров режима сварки: силы тока или плотности тока, времени его протекания, силы и продолжительности сжатия. Различают два режима сварки: жесткий и мягкий. Жесткий режим характеризуется большой плотностью тока и малым временем процесса сварки (плотность тока 160 360 А/мм2, длительность цикла 0,2...1,5 с) и применяется для сварки сталей, чувствительных к нагреву и склонных к образованию сварочных структур, а также легкоплавких цветных сплавов. Мягкий режим характеризуется большей продолжительностью процесса и более плавным нагревом свариваемого металла (плотность тока 70...160 А/мм2, длительность цикла 2...3 с) и используется для сварки малоуглеродистых сталей.
Точечная сварка широко применяется при производстве изделий из листовых материалов толщиной 0,5…5 мм из углеродистых, легированных сталей и сплавов, алюминиевых сплавов в автомобилестроении, приборостроении и других отраслях промышленности.
Шовная сварка – разновидность контактной сварки, при которой соединение заготовок, собранных внахлестку, выполняется в виде непрерывного или прерывистого шва (рис. 47, в) вращающимися дисковыми электродами (медными роликами). При шовной сварке листовые заготовки 1 накладывают друг на друга, сжимают электродами 2 с постоянным усилием P и включают источник питания 4 (понижающий трансформатор). При непрерывном движении роликов по заготовкам образуются перекрывающие друг друга сварные точки 6, в результате чего образуется сплошной герметичный шов. Шовную сварку, как и точечную, можно выполнять при двустороннем и одностороннем расположении электродов.
В зависимости от периодичности включения тока различают два способа шовной сварки: непрерывную (ток включен постоянно) и прерывистую (периодическое включение тока). Непрерывную сварку применяют для коротких швов и сварки низкоуглеродистых и низколегированных сталей, не претерпевающих заметных структурных превращений металла при перегреве околошовной зоны. Прерывистая шовная сварка обеспечивает стабильность процесса и высокое качество сварного соединения при небольшой зоне термического влияния. Её используют при сварке длинных швов на заготовках из высоколегированных сталей и сплавов цветных металлов (алюминиевых, никелевых и других).
Шовную контактную сварку применяют для получения герметичных швов при производстве различных резервуаров, емкостей, труб, конструкций из листового металла толщиной 0,3…3 мм.
Содержание работы
Работа включает: изучение сущности различных способов сварки и последовательности получения сварных конструкций; понимание технологических особенностей различных способов сварочного производства, подготовку отчета.
ЛИТЕРАТУРА
1. Технология конструкционных материалов: Учебник / под общей ред. А.М. Дальского. – М.:Машиностроение, 2005. - 592 с.
2. Технология конструкционных материалов: Учебнибное пособие для вузов / под ред. М.А. Шатерина. – СПб.:Политехника, 2005. - 597 с.
3. Технология конструкционных материалов: Практикум по технологическим методам обработки закотовок / под ред. В.И. Никифорова. – СПб.: Издательство Политехнического университета, 2008. - 305 с.