Лекция № 12 Сварка

соединяемыми частями при их нагревании и (или) пластическом деформировании

Сварное

соединение – неразъемное соединение, выполненное сваркой.


УСЛОВИЯ ПОЛУЧЕНИЯ СВАРНОГО СОЕДИНЕНИЯ:

Зачистка соединяемых поверхностей (освободить связи поверхностных атомов от атомов кислорода, водорода и азота, находящихся в атмосфере).

Активация поверхностных атомов, т.е. сообщить им дополнительную энергию (энергию активации).

Сближение соединяемых поверхностей на расстояния, при которых между ними возможно атомно-молекулярное взаимодействие (для металлов – сопоставимы с размером крист. решетки ~ 4·10-10м).


Сближению поверхностей препятствуют их неровности, а так же загрязнения и оксидные пленки. Для преодоления их влияния необходимо затратить энергию, которая передается свариваемым поверхностям нагревом и (или) давлением.

ПО ФИЗИЧЕСКИМ ПРИЗНАКАМ
В зависимости от агрегатного состояния вещества в зоне

сварки:
Сварка плавлением
Сварка давлением

2. В зависимости от энергоносителя определяется вид сварки.
электрическая дуга – дуговая сварка: РДС, дуговая сварка под флюсом, дуговая сварка в защитном газе, плазменная сварка.

газ – газовая сварка : ацетиленокислородная сварка.

- излучение: лазерная сварка, электронно-лучевая сварка.

электрический ток - электрошлаковая сварка,

контактная сварка - сварка давлением (стыковая и шовная контактная сварка, конденсаторная сварка, высокочастотная контактная сварка, индукционная сварка).

движение массы: сварка трением, холодная сварка, ударная сварка (сварка взрывом), ультразвуковая сварка.

- прочие источники энергии: диффузионная сварка, сварка прокаткой

сварки от влияния атмосферы:
1.1. Без защиты (лазерная сварка в воздухе)

1.2. С газошлаковой защитой (РДС, дуговая сварка под флюсом)
1.3. Со шлаковой защитой (электрошлаковая сварка)
1.4. С газовой защитой (сварка в защитных газах)
1.5. С вакуумной защитой (электронно-лучевая сварка)


2. По непрерывности процесса сварки:
2.1. Сварка в непрерывном режиме
2.2. Сварка в импульсном режиме
2.3. Сварка в импульсно-периодическом режиме


3. По степени механизации:
3.1. Ручная сварка - сварка, при которой электрододержатель, ручной сварочный пистолет или горелка управляются вручную.
3.2. Частично механизированная сварка - ручная сварка, при которой подача проволоки механизирована
3.3. Полностью механизированная сварка - все главные операции механизированы (исключая погрузку-разгрузку деталей)
3.4. Автоматическая сварка - все операции механизированы

вида сварки отдельно.
Например, для дуговой сварки: род тока; полярность

св. тока; вид св. дуги; вид электрода)

Технические и технологические признаки определяют способ сварки.

при которой обычно, но не обязательно, добавляется расплавленный присадочный металл.

Выполняется при Т равных, или выше Тпл свариваемого металла.

Дуговая сварка

Источником теплоты является электрическая дуга, которая горит между электродом и заготовкой.

Сварочная дуга – мощный электрический разряд между
электродами, находящимися в среде ионизированных газов
и паров.

Виды сварки: 4

сварка неплавящимся электродом (графитовым или вольфрамовым) 1 дугой прямого действия 2 с расплавлением основного 3, либо присадочного металла 4;

сварка плавящимся электродом (металлическим) 1 дугой прямого действия 2 с расплавлением осн. металла 3 и электрода;

электродами (в);








сварка трехфазной дугой, при которой дуга горит между

каждым электродом и основным металлом (г).

Разновидности дуговой сварки различают по способу защиты дуги и расплавленного металла и степени механизации процесса.

вручную в дугу и перемещают вдоль заготовки.

(позволяет выполнять швы

в любых положениях (нижнем, вертикальном, горизонтальном, потолочном), в труднодоступных местах при сборке конструкций сложной формы)

Оборудование:
источник питания, электрододержатель, гибкие провода, защитная маска или щиток.

Покрытие – порошкообразная смесь различных компонентов.

Назначение покрытия - повысить устойчивость горения дуги, провести металлургическую обработку сварочной ванны, обеспечить защиту расплавленного металла от атмосферных газов и улучшить качество сварки.

Электроды с защитно-легирующим покрытием называются качественными электродами.

для защиты дуги и св. ванны от воздуха.
Подача и перемещение

электродной проволоки механизированы.
Автоматизированы процессы зажигания дуги и заварки кратера в конце шва.
Характерно глубокое проплавление осн. металла.

Преимущества по сравнению с РДС:
повышение производительности процесса в 5…20 раз;
повышение качества сварных соединений;
уменьшение себестоимости 1 м сварного шва.

1 – токопровод;
2 – механизм подачи проволоки; 3 – проволока;
4 - жидкий шлак;
5 – слой флюса (30…50 мм);
6 – шлаковая корка;
7 – сварной шов;
8 – основной металл;
9 – жидкая ванна металла;
10 – дуга.

(раскисляют шов и легируют Mn и Si).

Получают сплавлением марганцевой

руды, кремнезема и плавикового шпата в электропечах.


Керамические - флюсы для сварки Л и ВЛ сталей – обеспечивают минимальное окисление легирующих элементов в шве.

Основа – мрамор, плавиковый шпат и хлориды щелочно-земельных металлов.

Применяют керамические низкокремнистые, безкремнистые и фторидные флюсы
Их изготавливают из порошкообразных компонентов замесом их на жидком стекле, гранулированием и последующим прокаливанием.

сварочная ванна защищены струей защитного газа:
инертного – аргон, гелий;
активного

– углекислый газ, азот, водород.


Сварка в инертных газах:
неплавящимся электродом (пруток вольфрама);
плавящимся электродом (проволока из осн. металла или близкого ему по составу).

Аргонодуговую сварку применяют для Л и ВЛ сталей, цветных (Al, Mg, Cu) и тугоплавких (титана, ниобия, ванадия, циркония) металлов и их сплавов
(узлы летательных аппаратов, атомных установок, трубопроводы хим. аппаратов).

– без присадки (только осн. металл);
б –с присадочной проволокой
Vсв

– скорость сварки; Vпп – скорость подачи присадочной проволоки.

1 – св. дуга; 2 – неплавящийся электрод; 3 – изделие; 4 – сопло; 5 – защитный газ (ЗГ);
6 – св. ванна; 7 – св. шов; 8 – слой шлака; 9 – токопровод;

ЗГ при сварке вольфрамовым электродом - только инертные газы - Ar, He или их смесь.
(СО2 применять нельзя, т.к. образующийся О2 окисляет вольфрамовый электрод).

осуществляется СО2, который активен к жидкому металлу (2СО2 → нагрев

→2СО + О2), окисляет Fe и легирующие элементы.

Окисляющее действие О2 нейтрализуется введением раскислителей (Si и Mn).

Хорошее качество сварного шва получается при использовании специальной порошковой проволоки.

Обычно свариваются конструкции из углеродистых и низколегированных сталей (газо- и нефтепроводы, корпуса судов и т.п.).

При сварке меди, алюминия, титана и редких металлов невозможно связать свободный кислород введением раскислителей.

Преимущества – низкая стоимость СО2 и высокая производительность

Недостаток –разбрызгивание металла (на зачистку – 30…40% времени сварки)

- дуга, столб которой сжат с помощью сопла плазменной горелки,

потока газа или внешнего электромагнитного поля.
Плазменная сварка дугой косвенного действия - источник питания подключен к электроду и соплу (рис. а).
Плазменная сварка дугой прямого действия - источник питания подключен к электроду и заготовке (рис. б)
Плазменная сварка может быть автоматической, механизированной и ручной

1 – дуга, 2 – вольфрамовый неплавящийся электрод,
3 – керамический изолятор,
4 –основное сопло плазмотрона,
5 – плазма,
6 –сменная насадка плазмотрона,
7 – свариваемое изделие,
8 – устройство для зажигания маломощной вспомогательной дуги,
ПГ – плазмообразующий газ;

газа с Т = 20000–30000С.
Плазму получают в плазменных горелках (плазмотронах),

пропуская плазмообразующий газ (ПГ) через столб горящей дуги 1, сжатой в узком канале сопла горелки 4.
Сжатие столба дуги приводит к повышению плотности энергии и Т.
ПГ, проходящий через столб дуги, ионизируется и выходит из сопла в виде высокотемпературной плазменной струи.
В качестве ПГ применяют азот, аргон, водород, гелий, воздух или их смеси.

При сварке плазменной струёй (дугой косвенного действия) (а) дуга 1 горит между вольфрамовым электродом 2 (-) и охлаждаемым соплом 4 (+).
Внутрь горелки подаётся ПГ, который ионизируется, нагревается и выходит из сопла в виде ярко светящейся плазменной струи 5. Через сменную насадку 6, охватывающую основное сопло 4, в зону сварки дополнительно подаётся защитный газ (ЗГ).

При сварке плазменной дугой (дугой прямого действия) (б) устройство горелки не отличается от рассмотренного. Дуга горит между электродом (-) и заготовкой (+).
Сварка – на постоянном токе прямой полярности.

при прохождении через нее тока.
1 – заготовки; 2 и 3

– специальные планки;
4 – водоохлаждаемые медные ползуны;
5 – электропроводный шлак; 6 – механизм подачи проволоки;
7 – электродная проволока; 8 – сварочная ванна.

В начале возбуждают дугу, флюс плавится - образуется шлак, шунтирует дугу, она гаснет, эл. цепь замыкается через шлак,
что приводит к раславлению осн. металла и электрода.

В начальном участке шва образуется непровар кромок, а конечном – усадочная раковина и неметаллические включения. Поэтому сварку начинают и заканчивают на специальных планках 2 и 3, которые затем удаляют газовой резкой.

Преимущества – сварка металла толщиной от 16 мм до 2 м.

Недостаток – образование крупного зерна в шве и околошовной зоне вследствие замедленного нагрева и охлаждения. Необходимо проведение нормализации или отжига.

Применяют в тяжелом машиностроении для изготовления ковано-сварных и лито-сварных конструкций; станины и детали мощных прессов и станков, коленчатые валы судовых дизелей, роторы и валы гидротурбин.

– анод (разность потенциалов между 1 и 3 – 20…150

кВ);
4 и 5 - отклоняющая магнитная система; 6 – обрабатываемое изделие.

На электрод 2 подается отрицательный или нулевой по
отношению к катоду потенциал. Ток электронного луча
невелик – от нескольких миллиампер до единиц ампер.
Т = 5000…6000 0С.

Сварка протекает в вакууме, обеспечивается получение зеркально чистой поверхности и дегазация металла;
Шов получается мелкозернистый с высокими
механическими свойствами, с минимальной шириной.

Изготовляют детали из тугоплавких, химически
активных материалов (вольфрам, тантал, молибден),
алюминиевых и титановых сплавов,
высоколегированных сталей.

Толщина заготовок – 0,02…100 мм.

лазера.

Преимущества:
- быстрый точечный нагрев и большая Vохл металла после

прекращения действия луча;
- минимальные ширина околошовной зоны, сварочные напряжения и деформации.

Механизм процессов при лазерной сварке схож с электронно-лучевой сваркой, но не обязательно вакуумировать изделие.

Плотность энергии в фокусе линзы составляет до 108 Вт/см2,
толщина свариваемых заготовок – до 1 мм.

При облучении рабочего вещества 2 световым потоком от лампы накачки 4, атомы активного элемента переходят на более высокий энергетический уровень. Спонтанно возвращаясь на исходный уровень атом излучает порцию энергии в виде кванта света (фотона).

Рисунок - Сварка твердотельным лазером

1.Непрозрачное (глухое) зеркало
2. Рабочее вещество (активный элемент)
3. Полупрозрачное зеркало;
4. Лампа накачки; 5. Отражатель корпуса;
6. Высоковольтный источник питания
7. Отражающее зеркало; 8. Фокусирующая линза
9. Обрабатываемый материал

О2.

Газовая сварка может выполнятся как без присадки, так и

с присадкой.

1 – заготовка;
2 – присадочный материал;
3 – газовая горелка;
4 - высокотемпературное пламя

Мощность пламени регулируют сменой наконечников горелки, нагрев более плавный.

Применяют для сварки:
металла малой толщины (0,2…3 мм);
легкоплавких цветных металлов и сплавов;
материалов, требующих постепенного нагрева и охлаждения (инструментальные стали, латуни);
для подварки дефектов в чугунных и бронзовых отливках.


Увеличение толщины заготовки снижает производительность и увеличивает деформацию