Сварка является одним из наиболее распространенных технологических процессов соединения материалов, благодаря которому создано много новых изделий, машин и механизмов. Сварное исполнение многих видов металлоконструкций позволило эффективно использовать заготовки, полученные прокаткой, гибкой, штамповкой, литьем и ковкой, а также металлы с различными физико-химическими свойствами. Сварные конструкции по сравнению с литыми, коваными и клепаными обладают большей прочностью, меньшей массой и менее трудоемки в изготовлении. С помощью сварки получают неразъемные соединения почти всех металлов и сплавов различной толщины. Нет такой отрасли промышленности, где бы ни применялись сварка, резка металлов или их наплавка на поверхность деталей. Мысль о возможности практического применения «электрических искр» для плавления металлов впервые высказал в 1753 г. Академик Российской Академии наук Г.Р. Рихман при исследованиях атмосферного электричества. В 1802 г. профессор Читаской военно-хирургической академии В.В. Петров открыл явление электрической дуги и указал возможные области ее использования. Для практического осуществления электрической сварки металлов потребовались многие годы совместных усилий физиков и инженеров, направленных на создание мощных источников питания для сварочной дуги. Российские изобретатели первыми в мире разработали и во многих странах запатентовали способ дуговой сварки.
В 1882 г. Н.Н. Бенардос предложил способ электрической дуговой сварки угольным электродом, а в 1888 г. Н.Т. Славянов – металлическим электродом. Они же изобрели и ряд других процессов и вариантов сварки, в частности предложили устройство механизированной подачи сварочной проволоки в дугу, использовали дробленое стекло в качестве флюса для защиты сварочной ванны от воздуха и др. Изобретения Н.Н. Бенардоса и Н.Г. Славянова нашли заметное по тем временам применение, и в первую очередь на железных дорогах, а затем на нескольких крупных машиностроительных и металлургических заводах России. Однако несмотря на первоначальные успехи русских изобретателей, инженеров и промышленников в деле разработки и внедрения другой сварки, к началу xx в. промышленно развитые страны Европы и США определили Россию по объему применения сварки. Широкое развитие сварки и ее использование в промышленности началось в 30-е гг. В Советском Союзе впервые в мире были изобретены и разработаны многие новые виды и высокопроизводительные способы сварки: подводная, в космосе, электрошлаковая, в углекислом газе, диффузионная, трением, живых биологических тканей и др. Фундаментальные исследования по разработке новых процессов сварки, сварочных материалов и оборудования проводят многие научно-исследовательские организации, высшие учебные заведения и крупные промышленные предприятия. В последние годы ученые-сварщики работают над созданием ресурсосберегающих технологий, которые позволяют снизить потребление электроэнергии, уменьшить расход материалов, рационально использовать труд сварщиков при изготовлении различных конструкций, машин и изделий. В процессе сварки появилась возможность создавать конструкции с высокими эксплуатационными характеристиками. При этом достоинства сварных соединений позволяют широко использовать их в конструкциях общего назначения. Использование сварки позволяет экономить материалы и время при производстве конструкций. При этом открываются большие возможности механизации и автоматизации производства, создаются предпосылки для повышения производительности, улучшаются условия труда рабочих.
Развитие научно-технического прогресса происходит постоянно, вместе с ним происходит расширение возможностей сварки деталей различных толщин материалов, а в связи с этим изменяется и набор применяемых видов и способов варки. В настоящее время сваривают детали толщиной от нескольких микрометров (применяется в микроэлектронике) до десятков сантиметров и даже метров (применяется в тяжёлом машиностроении). Наряду с конструкционными углеродистыми и низколегированными сталями все чаще приходится сваривать специальные стали, легкие сплавы и сплавы на основе титана, молибдена, циркония и других металлов, а также разнородные материалы. От прогрессивности применяемых сварочных процессов и качества выполнения этих работ во многом зависят качество и надежность готовых конструкций, и эффективность производства в целом. Одним из наиболее развивающихся направлений в сварочном производстве является широкое использование механизированной и автоматической дуговой сварки. Эти вопросы решаются механизаций и автоматизацией как самих сварочных процессов, иначе говоря переходом от ручного труда сварщика к механизированному, так и комплексной механизацией и автоматизаций, охватывающими все виды работ, связанные с изготовлением сварных конструкций и созданием поточных и автоматических производственных линий. Важное значение при этом отводится созданию специального сварочного оборудования и средств оснащения технологических процессов. Существенно расширились условия проведения сварочных работ, сварку осуществляют в условиях высоких температур, радиаций, под водой, в космосе. Сварные швы выполняют в любых пространственных положениях. За счет совершенствования аппаратуры на производстве начинают внедряться новые виды сварки: лазерная, электронно-лучевая, ионная, световая, диффузионная, ультразвуковая, трением, взрывом и др. Значительно расширяются возможности дуговой и контактной сварки.
Современная техника позволяет пользоваться разнообразными способами сварки, непрерывно создаются новые методы. В настоящее время широко применяется плазменная сварка и резка металлов. Очень перспективна воздушно-плазменная резка, при которой рабочим газом служит обычный атмосферный воздух. Для малых толщин металла ценной оказалась микроплазменная сварка на малых токах, когда плазменная струя имеет размеры и форму швейной иглы. При производстве сварных изделий важную роль играет контроль качества сварных соединений. Для контроля качества сварки применяют различные разрушающие и неразрушающие испытания. Методы неразрушающего контроля позволяют выявлять дефекты без повреждения объектов контроля. Повышение производительности труда в области сварочного производства достигается механизацией и автоматизацией самих процессов, т.е. переходом от ручного труда сварщика к механизированному, и комплексной механизацией, включающей механизацию изготовленных, сборочных, сварочных, отделочных, вспомогательных и контрольных операций. В нынешних условиях, когда происходит непрерывное усложнение конструкций, неуклонно растет объем сварочных работ, большую роль играет правильное проведение технологической подготовки производства, в значительной степени определяющей его трудоемкость и сроки освоения, экономические показатели, использование средств механизации и автоматизации. При этом наибольший эффект технологической подготовки достигается при комплексном решении вопросов, заключающихся в технологической обработке самих конструкций, разработке технологических процессов и оснащения на всех этапах производства. Рост технологического уровня производства, введение в эксплуатацию сложного сварочного оборудования неразрывно связаны с повышение требований к уровню подготовки кадров, в первую очередь рабочих-сварщиков.
Общие сведения о сварке, сварных соединениях и швах. Виды сварки и наплавки.
Сварочные процессы широко используются при изготовлении различных металлических конструкций. Сварка также находит применение при ремонте различных изделий. Сваркой называется прогрессивный технологический процесс получения неразъемных соединений деталей посредством установления межатомных связей между соединяемыми частями при их нагревании и расплавлении или пластическом деформировании. В процессе сварки для установления межатомных связей атомы необходимо приблизить на расстояние, равное параметру кристаллической решетки металла соединяемых деталей. Чтобы устранить препятствия, требуются дополнительные затраты энергии, которую называют энергией активации. При сварке она вводится путем нагрева (термическая активация) либо пластического деформирования (механическая активация). В зависимости от применяемого вида активации в момент образования межатомных связей различают два вида сварки - плавлением и давлением. Сварка плавлением состоит в нагреве источником теплоты кромок деталей, которые оплавляются, создавая общий объем жидкого металла, называемый сварочной ванной. После охлаждения металла сварочной ванны получается сварной шов. Он может образовываться за счет переправления металла по кромкам, а также дополнительного присадочного материала, введенного в сварочную ванну. Зона вблизи границы оплавленной кромки свариваемой детали и шва называется зоной сплавления. Сварка давлением состоит в пластическом деформировании металла по кромкам свариваемых деталей. Для ускорения этого процесса сварку давлением обычно выполняют с местным нагревом. Благодаря пластической деформации металла происходит трение поверхностей деталей между собой, что ускоряет процесс установления межатомных связей. Зону, где образовались межатомные связи соединяемых деталей при сварке давлением, называют зоной соединения. Металл, выдавленный за счет осадки при сварке, называется гратом.
Основными условиями для сваривания разнородных металлов являются взаимная растворимость и образование сварного шва. Это достигается при расплавлении однородных металлов, к примеру стали, меди, алюминия и др. Более сложным оказывается соединение разнородных металлов. Это объясняется большой разницей их физико-химических свойств: температуры плавления, теплопроводности и других, а также несходством атомного строения. Так, одни металлы, например железо и свинец, не смешиваются при расплавлении и не образуют сварного соединения, другие - железо и медь, железо и никель, никель и медь-хорошо смешиваются при сварке и образуют твердые растворы. Сварка металлов классифицируется по физическим, техническим и технологическим признакам. На данный момент различают более 150 видов сварочных процессов. Для сварки используют три формы энергии: термическую, термомеханическую и механическую. Соответственно называют и классы сварки.
Термический класс сварки
К термическому классу относятся все виды сварки, которые осуществляют плавлением за счет местного расплавления соединяемых частей с использованием тепловой энергии. Источниками теплоты при сварке плавлением являются: сварочная дуга, газовое пламя, лучевые источники энергии и теплота, выделяемая при электрошлаковом процессе. Источники теплоты характеризуются температурой и концентрацией, определяемой наименьшей площадью нагрева (пятно нагрева) в месте сварки и наибольшей плотностью тепловой энергии в месте нагрева. Все эти характеристики определяют технологические свойства источников нагрева металла при сварке и наплавке. Степень концентрации теплоты в электрической дуге в десятки раз, в плазме-в тысячи, а в фотонном луче (лазерная обработка) - в десятки тысяч раз выше, чем в газовом пламени. Основными видами сварки термического класса являются, дуговая, газовая, электрошлаковая, электронно-лучевая, плазменная. Лазерная, термитная и др. Дуговой сваркой называют сварку плавлением, при которой нагрев осуществляют электрической дугой. Разновидность дуговой сварки является плазменная сварка, при которой нагрев осуществляют сжатой дугой. Электрошлаковая сварка – это сварка плавлением, при которой для нагрева металла используют теплоту, выделяющую при прохождении электрического тока через расплавленный электропроводный шлак. Электронно-лучевая сварка-сварка, в которой для нагрева используют энергию электронного луча. Теплота в процессе такой сварки выделяется за счет бомбардировки зоны сварки направленным электронным потоком. Лазерная сварка осуществляется энергией светового луча, полученного от оптического квантового генератора-лазера. При термитной сварке используют теплоту, образующуюся в результате сжигания термит-порошка, состоящего из смеси алюминия и оксида железа.
Термомеханический класс сварки:
К термомеханическому классу относят все виды сварки, при которых одновременно используются тепловая энергия и давление. Это контактная, диффузионная, газопрессовая, дугопресовая и другие виды сварки. Контактная сварка является основным видом термомеханического класса. В процессе контактной сварки нагрев осуществляется теплотой, выделяемой при прохождении электрического тока через находящиеся в контакте соединяемые части. Диффузионной сваркой называется сварка давлением, осуществляемая взаимной диффузией атомов контактирующих частей при относительно длительном воздействии повышенной температуры и при незначительной пластической деформации. В процессе прессового вида сварки соединяемые части могут нагреваться пламенем газов, сжигаемых на выходе сварочной горелки (газопрессовая сварка), дугой (дугопресовая сварка), электрошлаковым процессом (шлакопрессовая сварка), индукционным нагревом (индукционнопресовая сварка), термитом (термитнопрессовая сварка).
Механический класс сварки:
К механическому классу относят виды сварки, осуществляемые с использованием механической энергии и давления: холодная, взрывом, ультразвуковая, трением. Холодная сварка-это сварка давлением при значительной пластической деформации без внешнего нагрева соединяемых деталей. Сваркой взрывом называют такую сварку, при которой соединение осуществляется в результате вызванного взрывом соударения быстро движущихся частей. Ультразвуковой сваркой называют сварку давлением, осуществляемую при воздействии ультразвуковых колебаний. Сварка трением-это сварка давлением, при которой нагрев осуществляется трением при вращении свариваемых деталей относительно друг друга.
Классификация видов сварки металлов по техническим признакам:
К ним относятся, способ защиты металла в зоне сварки, непрерывность процесса и степень механизации сварки. По способу защиты металла различают сварку в воздухе, вакууме, защитных газах, под флюсом, по флюсу, в пене и с комбинированной защитой. В качестве защитного газа могут быть применяться активные газы (углекислый, азот, водород, водяной пар и смеси активных газов), инертные газы (аргон, гелий и их смеси), а также смеси инертных и активных газов (например, углекислого газа и аргона). Защита расплавленного металла в зоне сварки может быть струйной или в контролируемой атмосфере. В зависимости от непрерывности процесса сварка бывает непрерывная и прерывистая; по степени механизации виды сварки подразделяются на ручные, механизированные и автоматические. Ручная сварка производится сварщиком с помощью инструмента, получающего энергию от специального источника. Механизированная сварка выполняется с применением машин и механизмов, управляемых сварщиком. Автоматическая сварка осуществляется без непосредственного участия человека, с помощью машин, действующих по заданной программе. Степень механизации того или иного вида дуговой сварки определяет комплект необходимого технологически связанного оборудования.
Классификация видов сварки металлов по технологическим признакам:
Подразделение дуговой сварки по технологическим признакам производится в зависимости от формы сварного соединения, рода и полярности тока, вида плавящегося или неплавящегося электрода и т.д. По указанным признакам разделяют газовую, электрошлаковую, электронно-лучевую, контактную, диффузионную, холодную, ультразвуковую и другие виды сварки.
Наплавка. Виды наплавки.
Наплавкой называют процесс нанесения с помощью сварки слоя металла на поверхность изделия. Наплавку применяют для восстановления изношенных деталей и получения изделий с заданными свойствами поверхности. Для наплавки применяют преимущественно дуговые виды сварки: ручную плавящимися и неплавящимися электродами, механизированную и автоматическую под флюсом и в защитных газах, вибродуговую, плазменную. Наряду с дуговой применяют газовую, электрошлаковую, индукционную, печную наплавку.
Способы получения наплавленного легированного металла:
- при использовании легированного электродного стержня, электродной проволоки или ленты сплошного сечения и нелегирующих покрытий, флюса или защитного газа
- при использовании проволок и лент с легирующими наполнителями в сочетании с нелегирующими покрытиями, флюсом или защитным газом
- при использовании нелегированного электродного стержня, проволоки или ленты и легирующего покрытия или флюса
- при нанесении легирующих примесей в виде порошков, паст и т.д. на поверхность, подлежащую наплавке.
Наплавка бывает, ручная дуговая, автоматическая, наплавка вольфрамовым электродом, плазменная наплавка, электрошлаковая наплавка, вибродуговая наплавка. Ручная дуговая наплавка используется при восстановлении изношенных поверхностей, устранении брака литья и для наплавки поверхностей со специальными свойствами. Выполняется плавящимся и неплавящимся электродами, расплавлением слоя сыпучего наплавочного материала. Автоматическая наплавка под флюсом выполняется проволоками сплошного сечения и порошковыми, одним электродом, отдельными валиками, одновременно несколькими электродами и электродной лентой. Наплавка вольфрамовым электродом проводится в среде аргона. Необходимые свойства наплавленного металла обеспечиваются применением присадочных проволок специального состава или вдуванием легирующих порошков в зону дуги. Можно наплавлять в инертных газах и плавящимся электродом, однако применение той же технологии, что и для сварки, ведет к повышенному содержанию основного металла в наплавке, поэтому используют дополнительную присадочную проволоку.
Плазменная наплавка осуществляется несколькими способами:
- с подачей присадочной наплавочной проволоки
- с подачей присадочного порошка в плазменную струю
- по слою легирующего материала, нанесенного на поверхность изделия
- с токоведущей присадочной проволокой
- с двумя плавящимися электродами.
Электрошлаковая наплавка производится на плоские и цилиндрические поверхности для создания поверхностных слоев с особыми свойствами и для создания промежуточных слоев на кромках заготовок для последующей сварки. Техника электрошлаковой наплавки принципиально не отличается от техники сварки. Вибродуговая наплавка применяется в основном как средство восстановления быстроизнашивающихся деталей станочного, металлургического, сельскохозяйственного оборудования. Этому виду наплавки могут подвергаться детали диаметром 8-10 мм и выше. Сущность вибродуговой наплавки заключается в том, что наплавку осуществляют с помощью специальной головки, обеспечивающей подачу и вибрацию электродной проволоки. Вибрация электрода облегчает возбуждение дуги и повышает стабильность процесса. При наплавке электрические разряды чередуются с короткими замыканиями. В зону наплавки и дуги подается щелочная эмульсия, защищающая металл от воздействия воздуха в процессе наплавки и охлаждающая детали, в связи с чем уменьшаются зона термического влияния и сварочные деформации и повышается твердость наплавленного слоя. Газокислородное пламя используют преимущественно для наплавки литыми твердыми сплавами.
