РАЗДЕЛ 5 СВАРОЧНОЕ ПРОИЗВОДСТВО Сваркой называют процесс соединения металлических и неметаллических материалов, при котором устанавливаются межатомные и межмолекулярные связи по контактируемым поверхностям соединяемых деталей. 5.1. Физические основы сварки Для того чтобы межатомные и межмолекулярные силы притяжения начали взаимодействовать, необходимо сближение соединяемых поверхностей металлических деталей на расстояние, сопоставимое с параметром кристаллической решетки. При этом соединяемые поверхности должны быть чистыми и гладкими, а кристаллические решетки контактируемых зерен обладать одинаковой ориентацией. В этом случае для образования сварного соединения потребуется лишь небольшая часть той энергии, которая обычно затрачивает при сварке. Однако в реальных условиях сближение свариваемых поверхностей до межатомного взаимодействия затруднено. Энергетические затраты при сварке должны обеспечить: - выравнивание неровностей (шероховатости) на контактирующих поверхностях; - разрушение окисных пленок и адсорбированных слоев; - переориентацию кристаллических решеток зерен, выходящих на свариваемые поверхности; - активацию поверхностных атомов и преодоление сил взаимного отталкивания поверхностей, имеющих одинаковый потенциал. Атомы, выходящие на поверхность, менее активны, чем любой из атомов находящихся внутри объема металла. Они как бы с удвоенной силой взаимодействуют с подповерхностными слоями и для их активации требуются затраты тепловой или механической энергии (энергия деформации). Все это приводит к тому, что энергоемкость процесса сварки в реальных условиях превышают требуемую энергию идеального случая в несколько раз. В производстве сварных конструкций используют различные способы сварки, и каждый из них имеет свои средства для устранения указанных препятствий на пути образования сварного соединения. В зависимости от состояния металла в момент образования сварного соединения все многообразие способов сварки можно разделить на три группы: - на сварку плавлением, сопровождающуюся образованием значительного объема жидкого металла; - на сварку давлением, использующую только механическое усилие; 179 - на термомеханическую сварку, использующую и нагрев и механическое усилие.. 5.2. Сварка плавлением Процесс образования сварного соединения плавлением протекает в несколько стадий (рисунок 5.1). Рисунок 5.1 - Этапы образования сварного соединения при сварке плавлением: а – исходное состояние, б – плавление сварочных кромок, в – образование сварочной ванны, г – начало процесса кристаллизации, д – формирование сварочной ванны Для реализации процесса сварки на первом этапе свариваемые поверхности, называемые сварочными кромками, стыкуются друг с другом. Стыковка может осуществляться с зазором, величина которого колеблется от 1 до 3 мм либо без него. Затем зона стыка нагревается с применением какого-либо источника теплоты. В процессе нагрева происходит плавление свариваемых поверхностей и прилегающего к ним объема металла. Происходит образование сварочной ванны. Формирование сварочной ванны обеспечивает расплавление неровностей поверхностей, растворение в объеме жидкого металла окисных пленок и загрязнений. Следствием образования объема жидкого металла является возникновение межфазной границы жидкость — твердый металл. Расплавленные объемы металла кромок в месте соединения свариваемых деталей самопроизвольно образуют общий объем металла. При этом связи между атомами в объеме сварочной ванны и на ее границе с твердой фазой не нарушаются. По мере удаления источника нагрева в сварочной ванне начинается процесс кристаллизации металла. На границе между твердой и жидкой фазами зарождаются и начинают расти новые кристаллы. Рост этих кристаллов направлен от стенок сварочной ванны к ее середине, где происходит их смыкание. При этом металл шва приобретает литую структуру. Использование нагрева для формирования сварного шва существенным образом влияет на строение и свойства полученного неразъемного соединения. В сварном соединении, выполненном сваркой плавлением можно выделить три зоны: 180 - зону сварного шва, имеющую литую направленную (дендритную) структуру; - зону термического влияния, нагретую в процессе сварки в интервале температур от температуры плавления до 2000С; - основной металл, нагрев которого был ниже 2000С, что позволило сохранить его исходные структуру и свойства. Из всех перечисленных зон наиболее разнородное строение имеет зона термического влияния (рисунок 5.2). Рисунок 5.2 - Строение сварного соединения, выполненного сваркой плавлением. Зона термического влияния начинается непосредственно около шва и отделена от него границей сплавления, хорошо видимой на микрошлифах. Участок 1-2 имеет небольшую ширину и состоит из частично оплавленных зерен основного металла (рис. ). По химическому составу он отличается от соседних участков основного металла содержанием углерода, серы и фосфора, переходящих вследствие диффузии из расплавленного металла шва. Направление диффузии зависит от коэффициента распределения элементов между твердой и жидкой фазами в равновесном состоянии. При наличии в металле сварочной ванны карбидообразующих элементов (марганца, хрома, титана и др.) процесс диффузии углерода из основного металла в шов протекает более интенсивно. Пограничный участок зоны термического влияния и металла шва, отличающийся по химическому составу от основного металла и металла шва, называется переходной зоной или зоной сплавления. В некоторых случаях свойства этой зоны оказывают решающее влияние на работоспособность сварной конструкции (образование кристаллизационных и холодных трещин, 181 ножевая коррозия, усталостные разрушения и др.). Ширина переходной зоны 0,1 — 0,4 мм. Участок 2-3, называемый участком перегрева, состоит из металла, нагретого на 50 — 100 0С ниже температуры плавления. Так как металл этого участка нагревается до температуры перегрева, то в нем происходит рост аустенитного зерна. В тех случаях, когда перегрев сочетается с последующей закалкой, металл на этом участке обладает пониженной пластичностью и прочностью по сравнению с основным металлом. Ширина участка 1 — 3 мм. Участок 3-4 называют участком перекристаллизации (нормализации); он включает металл, нагретый от температуры, немного превышающей температуру аллотропических превращений Ас3 до 1100 — 1150 0С. На этом участке создаются благоприятные условия образования мелкозернистой вторичной структуры. Ширина этого участка, зависящая от вида и режима сварки, составляет 1,2 — 4 мм. Участок 4-5 — участок неполной перекристаллизации. Он включает металл, нагретый от температуры аллотропических превращений Ас1, до температуры, соответствующей температуре точки Ас3. Здесь наряду с зернами металла изделия, не изменившимися при нагреве, присутствуют зерна, образовавшиеся при перекристаллизации. Участок 5-6 — участок рекристаллизации или старения, включает металл, нагретый от 500 0С до температуры несколько ниже температуры точки Ас1. Здесь происходит рост зерен феррита за счет сращивания мелких раздробленных зерен металла, поступившего на сварку после обработки его давлением (прокатка, штамповка и др.). При сварке литых изделий рекристаллизация не наблюдается. Для металлов и .сплавов, склонных к старению, на этом участке необходимо учитывать снижение пластичности и работоспособности конструкции. Последний участок 6 с нагревом до 100 — 500 0С не претерпевает видимых структурных изменений и по своим свойствам практический не отличается от металла изделия. При сварке плавление следует иметь в виду, что переход металла в жидкое состояние приводит к повышению его химической активности. Наличие контакта жидкого металла с окружающим воздухом приводит к значительному ухудшению его механических свойств. В связи с этим зону сварочной ванны при сварке плавлением необходимо защищать от взаимодействия с воздухом. Различают несколько видов защиты жидкого металла: - шлаковый, обеспечивающий формирование на поверхности сварочной ванны слоя жидких минеральных фаз, имеющих малую плотность и непропускающих газы - газовый, обеспечивающий формирование в зоне сварки защитной атмосферы, состоящей из инертных или химически менее активных чем воздух газов; - смешанный, использующий как первый, так и второй тип защиты. 182 5.3. Сварка давлением Для сварки давлением характерны две стадии: 1) сближение соединяемых поверхностей заготовок до образования физического контакта и 2) появление на контактной поверхности активных центров взаимодействия, в которых устанавливаются межатомные металлические связи (рисунок 5.3). в Рисунок 5.3 - Этапы образования сварного соединения при сварке плавлением: а – исходное состояние б – стадия физического контакта, в – деформация неровностей и формирование мостиков схватывания, г – образование сварного соединения С ростом пластической деформации в месте контакта количество и размеры активных центров увеличиваются и происходит качественное обновление поверхностей, что повышает прочность связей соединяемых заготовок. Главным фактором в процессе сварки считают пластическое деформирование, протекающее в контактных поверхностных слоях соединяемых элементов под действием силы Р (рисунок 5.3). Действительно, пластическое деформирование, возникающее сначала в поверхностных слоях как результат действия локальных (местных) напряжений сжатия, нарушает целостность адсорбированного слоя. По мере повышения давления, создаваемого силой, контактные поверхности выравниваются, увеличивается число активных центров взаимодействия, измельчаются участки адсорбированного слоя и увеличиваются пластические деформации, вследствие которых растут площади активных центров схватывания. Металл 183 контактных поверхностей свариваемых деталей подобно вязкой жидкости перемещается в радиальном направлении, (в направлении наименьшего сопротивления) вместе с частицами адсорбированного слоя,. В деформированном контактном слое происходит изменение формы зерен и пространственной ориентации кристаллических решеток. Одновременно этот процесс сопровождается выходом дислокаций и вакансий (физические микродефекты кристаллической решетки) на соединяемые поверхности, что приводит их в энергетически возбужденное состояние. В результате атомы обновленных (чистых) и активизированных поверхностей вступают во взаимодействие и образуют надежную межатомную металлическую связь. 5.4. Основные виды сварных соединений и сварных швов При изготовлении сварных конструкций применяют соединения стыковые, тавровые, угловые и соединения внахлестку (рисунок 5.4). Рисунок 5.4 - Виды сварных соединений Стыковые соединения имеют преимущества перед другими типами соединений по прочности и технико-экономическим показателям. Шов, соединяющий элементы стыкового соединения, называют стыковым, а в тавровом и нахлесточном соединениях — угловым (рисунок 5.5). 184 а б Рисунок 5.5 - Виды сварных швов В зависимости от числа проходов (слоев), необходимых для получения расчетного сечения шва, различают однопроходный (однослойный) и многопроходный (многослойный) стыковой и угловой швы. Шов, соединяющий заготовки по всей их ширине, называют сплошным; шов, где сваренные участки чередуются с несваренными, называют прерывистым. Перед сваркой элементы конструкций подвергают соответствующей подготовке. Виды подготовки зависят от состояния металла, его толщины, способа сварки, а также технологических особенностей свариваемого изделия. Обязательными подготовительными операциями при сварке являются: - очистка сварочных кромок от ржавчины и загрязнений до металлического блеска на расстояние 50-100 мм от зоны сварки. Эта операция позволяет избежать попадания в сварной шов неметаллических включений в виде частиц окисных пленок и окалины; - сушка свариваемых поверхностей для удаления с них влаги, что позволяет избежать попадания в сварной шов водорода и кислорода, резко снижающих свойства металла шва. Для деталей большой толщины необходимо проводить подготокуу кромок (разделку кромок) под сварку, чтобы обеспечить сквозной провар зоны сварки по всей ее толщине. Основные элементы подготовки кромок — угол разделки кромок, величины притупления и зазора. Разделка кромок и зазор необходимы для обеспечения провара всего сечения, а притупление предотвращает сквозное проплавление — прожог (рисунок 5.6). Рисунок 5.6 – Схема разделки кромок: S – толщина детали, В – высота скоса, с – высота притупления 185 В зависимости от вида свариваемой конструкции и ее габаритов выполнение сварных швов может проводиться в разных пространственных положениях (рисунок 5.7). Рисунок 5.7 - Виды пространственных положений при сварке: а – нижнее, б – вертикальное, в – горизонтальное, г - потолочное Наиболее простым пространственным положением для выполнения сварочных работ является нижнее положение. Производство сварочных работ во всех остальных положениях вызывает необходимость в подборе специальных сварочных материалов и соблюдении ряда ограничений тепловой мощности источника нагрева. Эти мероприятия позволяют минимизировать объем сварочной ванны и предотвратить вытекание жидкого металла из зоны сварки. 5.5. Электродуговая сварка Электрическая дуга – это электрический разряд в ионизированном газовом промежутке. При нормальных условиях газовая среда не проводит электрический ток. Для протекания тока по газовому промежутку в нем долны присутствовать заряженные частицы — ионы и электроны. Поэтому дуговой промежуток, в котором происходит дуговой разряд, должен быть ионизирован. Ионизация дугового промежутка происходит во время зажигания дуги и непрерывно поддерживается в процессе ее горения Наиболее распространенным способом ионизации дугового промежутка является зажигание дуги методом короткого замыкания.. Процесс зажигания дуги в большинстве случаев включает три этапа: короткое замыкание электрода на заготовку„отвод электрода на расстояние 3 — 6 мм и возникновение устойчивого дугового разряда. Зажигание дуги производится мгновенным соприкосновением электрода с изделием. В момент короткого замыкания сварочной цепи происходит быстрый разогрев места контакта электрода с изделием. Нагрев конца электрода и металла изделия вызывает явление термоэлектронной эмиссии, сопровождающееся испусканием свободных электронов. Движущиеся под действием электрического поля электроны взаимодействуют с нейтральными молекулами паров и газов 186 разрушая их, в результате чего образуются положительные и отрицательные ионы и электроны. При этом дуговой промежуток из диэлектрика превращается в проводник (рисунок 5.8). Рисунок 5.8 - Процесс зажигания электрической дуги: а – этап короткого замыкания, б – этап термоэлектронной эмиссии, в – этап лавинной ионизации Возможно зажигание дуги без короткого замыкания и отвода электрода с помощью высокочастотного электрического разряда через дуговой промежуток, обеспечивающего его первоначальную ионизацию. Для этого в сварочную цепь на короткое время подключается источник высокочастотного переменного тока высокого напряжения (осциллятор). Этот способ применяют для зажигания дуги при сварке неплавящимся электродом. Дуга и источник питания образуют взаимосвязанную энергетическую систему (рисунок 5.9). Рисунок 5.9 - Виды электрических дуг. Дуга горит между двумя токоведущими элементами сварочной цепи, подключенными к источнику питания. В зависимости от способа подключения одним из токоведущих элементов может выступать деталь, а 187 другим - стержневой материала, называемый электродом (рисунок 5.9, а). Дуга, горящая между электродом и изделием называется прямой дугой. Другим способом подключения является косвенная дуга (рисунок 5.9, б). В этом случае изделие остается не токоведущим, а дуга горит между двумя стержневыми электродами при таком способе подключения металл изделия нагревается и расплавляется теплотой только столба дуги. Выполнение сварки трехфазной дугой возможно в том случае, когда косвенная дуга горит между двумя электродами, а две прямых дуги - между каждым электродом и основным металлом (рисунок 5.9, в). В зависимости от материала электрода различают сварку плавящимся электродом, выполненным из материала, температура плавления которого близка к температуре плавления основного металла (рисунок 5.9, а), и сварку неплавящимся электродом (угольным или вольфрамовым). При этом соединение деталей выполняется путем расплавления только основного металла либо с применением дополнительного нетоковедущего присадочного материала, подаваемого в дугу (рисунок 5.9, г). По роду используемого тока электрические дуги бывают постоянного и переменного тока. Дуга постоянного тока может быть прямой полярности (минус на электроде) и обратной полярности (плюс на электроде). Электрическая дуга — концентрированный источник теплоты с очень высокой температурой. Температура столба дуги достигает 6000 — 70000С, а температура катодного и анодного пятен стальных электродов — соответственно 2400 и 26000С (рисунок 5.10). Рисунок 5.10 - Три зоны электрической дуги: 1 – катодное пятно, 2 столб дуги, 3 – анодное пятно. Дуга является основным потребителем и преобразователем электрической энергии в тепловую. Ее тепловую мощность (в Дж/с) можно рассчитать по формуле: q = 0,24*4,18*I*U, где: 0,24 — тепловой эквивалент электрической мощности; 4,18—коэффициент перевода калорий в джоули; U — падение напряжения на дуге, В; I — сила тока, А. 188 На плавление металла изделия и электродного металла расходуется не вся выделяющаяся на дуге тепловая мощность. На нагрев изделия при прямой полярности расходуется 50 % тепловой мощности дуги, на нагрев электрода — 30 % и потери в окружающую среду составляют — 20 %. Таким образом, 75 — 85 % всей мощности дуги расходуется на нагрев и расплавление металла. Различие тепловыделения на катоде и аноде используют при решении технологических задач. Сварку изделий, требующих большего подвода теплоты для нагрева кромок, выполняют на прямой полярности, а сварку тонколистовых конструкций и конструкций из коррозионностойких и жаропрочных сталей осуществляют при обратной полярности. Для обеспечения устойчивого горения сварочной дуги необходимо, чтобы ее основные параметры (ток и напряжение) находились в определенной зависимости друг от друга. Графическое изображение этой зависимости при работе в статическом режиме (состояние установившегося равновесия) называется статической, или вольт-амперной характеристикой дуги (рисунок 5.11). Рисунок 5.11 - Статическая характеристика электрической дуги. На статической характеристике дуги различают падающую область (рисунок 5.11, область I), жесткую область (рисунок 5.11, область II) и возрастающую область (рисунок 5.11, область III). Падающая область соответствует процессу зажигания электрической дуги. Дугу с жесткой статической характеристикой применяют в сварочной технике для ручного и автоматического процессов. Дугу с возрастающей статической характеристикой используют в автоматических и полуавтоматических процессах при сварке под флюсом и в защитных газах. Ручная дуговая сварка Ручная дуговая сварка выполняется прямой дугой горящей между свариваемым изделием и плавящимся электродом (рисунок 5.12). 189 Рисунок 5.12 - Схема ручной дуговой сварки: 1 – основной металл, 2шлаковая корка, 3 – наплавленный слой, 4 – жидкий шлак, 5 – защитная атмосфера, 6 – электродное покрытие, 7 - электродный стержень, 8 – электрическая дуга, 9 – ванна жидкого металла. Дуга 8 горит между стержнем электрода 7 и основным металлом 1. Стержень электрода плавится, и расплавленный металл каплями стекает в металлическую ванну 9. Вместе со стержнем плавится покрытие электрода 6, образуя газовую защитную атмосферу 5 вокруг дуги и жидкую шлаковую ванну 4 на поверхности расплавленного металла. Металлическая и шлаковая ванны вместе образуют сварочную ванну. По мере движения дуги сварочная ванна затвердевает, и образуется сварной шов 8. Жидкий шлак по мере остывания образует на поверхности шва твердую шлаковую корку 2. Основным видом сварочного материала, используемого при ручной дуговой сварке, является штучный покрытый электрод. Покрытый электрод для ручной дуговой сварки представляет собой металлический стержень фиксированной длины и диаметра, на поверхность которого нанесено специальное покрытие - обмазка. Электродный стержень выполняет роль токоподвода в зону сварки, для чего на одном из его концов обмазка отсутствует. Именно этой стороной электрод крепится в электрододержателе. Помимо этого электродный стержень при своем плавлении обеспечивает переход присадочного материала в сварочную ванну. Электродное покрытие наносится на поверхность металлического стержня методом опрессовки или окунания. Представляет собой многокомпонентный набор различных руд и минералов, которые в порошкообразном виде замешиваются на связующих веществах. Состав электродного покрытия должен обеспечивать выполнение таких функций как защитная, стабилизирующая и легирующая. Защитная функция обмазки электрода для ручной дуговой сварки призвана обеспечить защиту жидкого металла как сварочной ванны, так и 190 капель присадочного материала от контакта с воздушной средой. Варианты реализации защитной функции электродного покрытия включают в себя шлаковый, газовый и газошлаковый типы защиты. Формирование шлаковой фазы в зоне сварки достигается за счет плавления, входящих в обмазку электрода шлакообразующих компонентов – разнообразных оксидов металлов, галогенных и сложносоставных соединений. В зависимости от преобладающего количества тех или иных компонентов получающиеся шлаки классифицируют на: рудно-кислые (на основе оксидов FeO, MnO, Si2О), рутиловые (со значительным содержанием TiO2), фтористо-кальциевые (содержащие в шлаках наряду с СаО, СаF2 и другие фториды). Газовый тип защиты обеспечивается путем активного выделения в процессе сварки защитной газовой среды, состоящей преимущественно из углекислого газа. Достигается это за счет введения в электродное покрытие органических составляющих и классифицировать его как целлюлозный. Помимо этого широко используются смешенные типы покрытия, содержащие два и более компонентов, а также покрытия, содержащие железный порошок. Стабилизирующая функция электродного покрытия призвана обеспечить стабильность существования электрической дуги, что достигается вводом в зону сварки элементов с низким потенциалом ионизации. Для этих целей в покрытие добавляют соединения содержащие калий, натрий и кальций. Эти элементы присутствуют в К2О, Na2О и в некоторой степени в СаО. Такие соединения вносятся связующими компонентами электродного покрытия, чаще всего жидким стеклом и их суммарное количество должно составлять не менее 3-4,5% в зависимости от рода используемого тока. Покрытия, выполняющие только стабилизирующую функцию, наносятся на электродный стержень тонким слоем. Масса такого покрытия составляет обычно 1 — 2% массы стержня. Легирующая функция электродного покрытия обеспечивает создание в наплавленном металле требуемого химического состава. Обеспечение нужной степени легирования только за счет стержня затруднительно. Электродная проволока, используемая для изготовления стержней, как правило, изготавливается из легко деформируемых сталей с небольшой величиной удельного электросопротивления. Перечень марок таких проволок весьма ограничен и не позволяет охватить все многообразие сталей, подвергаемых сварке. Для расширения диапазона систем легирования требуемые элементы вводят в виде ферросплавов или порошков чистых металлов обмазку электрода и при ее последующем плавлении обеспечивают переход этих легирующих элементов в сварочную ванну. Основным параметром режима ручной дуговой сварки является сила сварочного тока. Ток (в А) выбирают в зависимости от диаметра и типа металла электрода: I = k*d, 191 где: k — опытный коэффициент, равный 40 — 60 для электродов со стержнем из низкоуглеродистой стали и 35 — 40 для электродов со стержнем из высоколегированной стали, А/мм; d, — диаметр электрода, мм. Диапазон силы тока используемой при ручной дуговой сварке находится в пределах от 80 А до 350 А при напряжении от 15 до 40 В. Более высокие силы тока не используют, так как повышение тока сверх рекомендованной величины приводит к разогреву стержня электрода, отслаиванию покрытия, сильному разбрызгиванию и угару расплавленного металла сварочной ванны. Диаметр электродов выбирают исходя из толщины стали (таблица 5.1). Таблица 5.1 – Выбор диаметра электрода для ручной дуговой сварки Толщина 1-2 3-5 4 - 10 12 – 24 и изделия, мм более Диаметр 2-3 3-4 4-5 5–6 электрода, мм При толщине стали до 6 мм сваривают по зазору без разделки кромок заготовок. При больших толщинах делают одностороннюю или двустороннюю разделки кромок под углом 600. Разделка необходима для обеспечения полного провара по толщине. При толщине свыше 10 мм сваривают многослойным швом. Ручную дуговую сварку довольно широко применяют в производстве металлоконструкций для самых различных металлов и сплавов малых и средних толщин (2 — 30 мм). Важной особенностью ручной дуговой сварки является возможность ее выполнения в различных пространственных положениях. Она все еще остается незаменимой при монтажных работах и сборке конструкций сложной формы. Ручная сварка обеспечивает хорошее качество сварных швов, но обладает более низкой производительностью по сравнению с автоматической дуговой сваркой под флюсом и в атмосфере защитных газов. Автоматическая и полуавтоматическая дуговая сварка под флюсом Автоматическую дуговую сварку под флюсом. ведут голой ( не имеющей покрытия) электродной проволокой, дугу и сварочную ванну защищают флюсом, а подача и перемещение электродной проволоки механизированы. Автоматизированы процессы зажигания дуги и заварка кратера в конце шва. Указанные особенности автоматической сварки обеспечивают значительное повышение ее производительности и более высокое качество сварных соединении по сравнению с ручной сваркой. Схема процесса автоматической сварки под флюсом показана на рисунке 5.13. 192 Рисунок 5.13 - Схема процесса автоматической дуговой сварки под флюсом: 1 – токоподвод, 2 – подающие ролики, 3 – электродная проволока, 4 – слой жидкого шлака, 5 – слой флюса, 6 – шлаковая корка, 7 – наплавленный слой, 8 – деталь, 9 – жидкая сварочная ванна, 10 – дуга Согласно представленной схема дуга 10 горит между электродной проволокой 3 и основным металлом 8. Столб дуги и металлическая ванна жидкого металла 9 со всех сторон плотно закрыты слоем флюса толщиной 30 - 50 мм. Часть флюса, окружающего дугу, расплавляется, образуя на поверхности расплавленного металла ванну жидкого шлака 4. Для сварки под флюсом характерно глубокое проплавление основного металла. Действие мощной дуги и весьма быстрое движение электрода вдоль заготовки обусловливают оттеснение расплавленного металла в сторону, противоположную направлению сварки. По мере поступательного движения электрода происходит затвердевание металлической и шлаковой ванн с образованием сварного шва 7, покрытого твердой шлаковой коркой б. Электродную проволоку подают в дугу и перемещают ее вдоль шва механизированным способом с помощью механизмов подачи 2 и перемещения. Ток к электроду поступает через токоподвод 1. Основные преимущества автоматической сварки под флюсом по сравнению с ручной дуговой сваркой состоят в повышении до 15 — 20 раз производительности процесса сварки, качества сварных соединений и уменьшении себестоимости 1 м сварного шва. Повышение производительности достигается за счет использования больших сварочных токов (от 200 А до 1000 - 1500 А) и непрерывности процесса сварки. Применение голой проволоки позволяет приблизить токоподвод на 193 минимально возможное расстояние от дуги и тем самым устранить опасный разогрев электрода при большой силе тока. Плотная флюсовая защита сварочной ванны предотвращает разбрызгивание и угар расплавленного металла в условиях действия мощной дуги. Увеличение тока сопровождается увеличением глубины проплавления, что позволяет сваривать металл большой толщины (до 20 мм) за один проход без разделки кромок. Качество сварных швов обеспечивается повышением механических свойств наплавленного металла благодаря надежной защите сварочной ванны флюсом, интенсивного раскисления и легирования вследствие увеличения объема жидкого шлака и сравнительного медленного охлаждения шва под флюсом и твердой шлаковой коркой; улучшением формы и поверхности сварного шва и постоянством его размеров по всей длине вследствие регулирования режима сварки, механизированной подачи и перемещения электродной проволоки. Основным недостатком дуговой сварки в защитных газах является невозможность проведения сварочных работ в пространственных положениях значительно отличающихся от нижнего. Сварочные материалы, используемые при автоматической дуговой сварке под флюсом, включают в себя электродную проволоку сплошного сечения и флюс. Сварочные электродные проволоки сплошного сечения являются основным сварочным и присадочным материалом для механизированной дуговой сварки. Они служат и для подвода тока в зону сварки, и являются основным источником присадочного материала при формировании сварного шва. В отличии от электродов для ручной дуговой сварки они не имеют покрытия (обмазки) и при сварке требуют дополнительного применения специальных защитных сред: флюса или защитного газа. Низкоуглеродистые проволоки изготавливаются из кипящей и полуспокойной стали и отличаются друг от друга содержанием марганца, серы и фосфора. Эти проволоки широко применяют для изготовления электродных стержней и как самостоятельный сварочный материал. В легированных сварочных проволоках может содержаться до шести легирующих элементов и их общее содержание не должно превышать 6%. Эти проволоки применяются для сварки углеродистых и легированных сталей. Высоколегированные проволоки содержат более 6% суммарного содержания легирующих элементов и применяются для сварки сталей с особыми свойствами. Помимо химического состава проволоки важной характеристикой ее применения является состояние поверхности. По виду поверхности проволоки выпускают омедненные, то есть покрытые тонким слоем гальванической меди и не омедненные. Наличие медного покрытия значительно улучшает электрический контакт между проволокой и токоподводом сварочной головки, что способствует более устойчивому протеканию процесса сварки. Кроме того поверхность сварочной проволоки должна быть гладкой, без ржавчины, масла и других загрязнений. Большое значение в механизированной сварке принадлежит флюсам. Флюсы – это сыпучие дробленный или гранулированные материалы с 194 определенным размером зерна, механически подаваемые в зону сварки. таким образом, дуга при сварке горит под слоем флюса. Назначение флюса разноплановое. Во-первых флюс и шлак, образующийся при его плавлении, создают защиту зоны сварки от кислорода воздуха и тем самым защищают расплавленный металл сварочной ванны от окисления. Во вторых флюс обеспечивает формирование сварного шва и в-третьих флюс определяет протекание на границе шлак – расплавленный металл окислительновосстановительных процессов и тем самым влияет на химический состав металла шва. По своему составу флюс является смесью кислотных, основных и амфотерных оксидов, количественное соотношение между которыми и определяет окислительную способность флюса. В сварочной технике применяется два вида флюсов, отличающихся по способу производства и, как следствие этого, физико-механическим и химическим свойствам. Это флюсы плавленные и керамические. Плавленные флюсы изготавливаются расплавлением в электропечах смеси компонентов, составляющих флюс, с последующей грануляцией при разливу или дроблении. Полученные зерна флюса разделяют по размеру (диаметру) частиц. Достоинством этих флюсов является однородность состава и физико-механических свойств, высокая прочность зерен и, как правило, низкая гигроскопичность, что не требует особенных предосторожностей при хранении и транспортировке, а также позволяет повторно использовать не расплавившуюся при сварке часть флюса. Недостатком плавленных флюсов является то обстоятельство, что поскольку элементом технологии производства таких флюсов является процесс плавления и наличие в составе различных оксидов. в них оксидов нельзя вводить легкоокисляемые компоненты. Таким образом, плавленные флюсы не являются легирующими. В стандартах разных стран на плавленные флюсы основной характеристикой является их окислительная способность и, соответственно этому, назначение. Флюсы с большой окислительной способностью не предназначаются для сварки легированных сталей, так как при этом наблюдается значительное окисление легирующих элементов в сварочной ванне. С понижением окислительной способности возрастает возможность применения флюса для средне и высоколегированных сталей. Керамические флюсы изготавливаются путем замешивания компонентов на связующем веществе, главным образом жидком стекле, с последующим спеканием компонентов при температуре около 2000С и дроблением полученной спеченной массы на зерна требуемого размера. В отличии от плавленных флюсов процесс расплавления компонентов отсутствует, что позволяет снять определенные ограничения на использование ряда составляющих, например газообразующих компонентов, способных обеспечить газовую защиту сварочной ванны. Кроме того, технология производства флюса, связанная с расплавлением шихты в плавильных печах является более сложной и дорогостоящей. Эта технология не позволяет также вводить в состав флюсов легирующие элементы, кроме 195 Мn и Si, тем самым ограничивая возможности флюса с точки зрения регулировки химического состава металла шва. Использование керамических (агломерированных) флюсов для создания не только шлакового, но и газового типа защиты, возможность с его помощью легировать наплавленный металл приводит к широкому использованию этого класса флюсов в промышленности, особенно за рубежом. Автоматическая сварка металла за один проход с проплавлением на всю толщину имеет ряд технологических особенностей. При расплавлении кромок металла на всю толщину, необходимом для полного провара„возможно вытекание сварочной ванны из стыка или прожог сварного шва. Для удержания сварочной ванны и формирования корня шва применяют специальные приспособления. Наиболее распространенной является флюсовая подушка (рисунок 5.14, а) и остающаяся подкладка (рисунок 5.14, б) (особенно, когда отсутствует доступ к корню шва после сварки изделия). Возможно применение также медной, флюсомедной подкладки (рисунок 5.14, в) и ручной подварки корня шва (рисунок 5.14, г). Рисунок 5.14 - Приспособления для однопроходной автоматической сварки: 1 — заготовка; 2 — флюс; 8 — резиновый шланг со сжатым воздухом; 4 — остающаяся подкладка; $ — медная подкладка; 6 — ручная подварка корня шва Для получения малого усиления шва, а также при сварке металла толщиной свыше 20 мм свариваемые кромки разделывают под углом 300 . 196 Автоматическая дуговая сварка в защитных газах Дуговая сварка в среде защитных газов (газоэлектрическая сварка) является одним из самых распространенных механизированных способов сварки. Схема процесса показана на рисунке 5.15. Рисунок 5.15 Схема сварки в защитных газах: 1 – электрическая дуга, 2 – электрод, 3 – токоподвод, 4 – сопло для подачи защитного газа, 5 – защитный газ, 6 – ванна жидкого металла Согласно представленной схеме электрическая дуга 1 горит между токоведущим электродом 2 и ванной жидкого металла 6. Зона сварки защищена от контакта с атмосферой потоком защитного газа 5, который подается через специальное сопло 4, выполненное из жаростойкой керамики или меди. Охлаждение медного сопла производится с помощью внутренних каналов, по которым циркулирует вода. Сопло изолировано от токоподвода 3 и других частей горелки. Дуговая сварка в защитных газах обеспечивает минимальную длину электрода (вылет электрода) от места крепления токоподвода до зоны горения дуги, что снижает разогрев электрода проходящим по нему током. Это расширяет диапазон применяемых токов до 2000 А. Защитные газы, как правило, обладают хорошей ионизирующей способностью и обеспечивают стабильное горение дуги. В сочетании с использованием проволок малого диаметра или неплавящихся электродов это позволяет вести сварку на сверхмалых токах от 10 А. Технологии электродуговой сварки в защитных газа подразделяются по нескольким признакам: - по виду электрода: сварка плавящимся и неплавящимся электродом. - по химическому составу газовой смеси: в среде инертных газов (Ar, He) и сварку в среде активных газов (СO2, N2, H2, O2); - по степени автоматизации: на ручную сварку, механизированную и автоматическую; На рисунке 5.16 представлены технологические схемы выполнения различных видов дуговой сварки в среде защитных газов. 197 а б в г Рисунок 5.16 - Разновидности сварки в защитных газах: а – ручная неплавящимся электродом с присадкой в инертных газах, б – механизированная или автоматизированная неплавящимся электродом с присадкой в инертных газах, в – механизированная или автоматизированная плавящимся электродом, г - ручная плавящимся электродом: 1 — присадочный пруток или проволока; 2 — сопло; 3 — токоподводящий мундштук; 4 — корпус горелки; 5 — направляющийся вольфрамовый электрод; 6 — рукоять горелки; 7 — атмосфера защитного газа; 8 — сварочная дуга; 9 — ванна расплавленного металла; 10 - кассета с проволокой; 11 — механизм подачи; 13 — плавящийся металлический электрод (сварочная проволока 198 К сварочным материалам при сварке в защитных газах относятся: проволоки сплошного сечения, порошковые проволоки, неплавящиеся электроды и защитные газы. Проволоки сплошного сечения при выполнении сварки в защитных газах могут выступать в виде токоподводящего плавящегося электрода или в виде не токопроводящей присадки. По своим характеристикам эти проволоки аналогичны тем, что были рассмотрены в разделе дуговой сварки под флюсом. Несмотря на широкое использование в промышленности проволоки сплошного сечения имеют некоторое ограничение по разнообразию химических составов наплавленного металла. Диапазон систем легирования этих сварочных материалов значительно уже, чем электродов для ручной дуговой сварки. Это не позволяет сваривать целый ряд сложнолегированных сталей. Для расширения области применения дуговой сварки в защитных газах был разработан новый тип непрерывного электрода - порошковая проволока. Порошковая проволока является сравнительно новым сварочным материалом, нашедшим широкое применение при сварке в защитных газах. Этот вид проволоки представляет собой свальцованный в трубу непрерывный электрод, внутренняя полость которого заполнена порошкообразным наполнителем или шихтой (рисунок 5.17). Рисунок 5.17 - Виды порошковых проволок В зависимости от назначения шихта содержит шлакообразующие (оксиды металлов), газообразующие (мрамор, органические вещества) и в ряде случаев легирующие (ферросплавы, металлические порошки) компоненты. Иногда в шихте порошковой проволоки присутствует железный порошок для увеличения скорости плавления сердечника, которая часто значительно ниже, чем скорость плавления металлической ленты. Соотношение массы шихты к массе проволоки определяется коэффициентом заполнения и характеризует ее сварочно-технологические свойства. 199 В зависимости от характера компонентов, заполняющих сердечник порошковой проволоки различают самозащитные проволоки, то есть обеспечивающие протекание нормального процесса сварки без использования дополнительной защитной газовой среды (углекислый газ, аргон) и проволоки, требующие дополнительную защиту дуги и зоны сварки защитными газами. Чаще всего самозащитные порошковые проволоки используются для сварки нелегированных и низколегированных сталей. Там же, где в сердечник проволоки вводятся легирующие компоненты и объем шлакообразующих компонентов резко уменьшается, при сварке используется газовая защита сварочной ванны: углекислый газ для низколегированных сталей, аргон и смесь аргона с углекислым газом для легированных и высоколегированных сталей. В России большее применение нашли самозащитные порошковые проволоки. За рубежом – проволоки требующие дополнительную газовую защиту. По составу сердечника порошковые проволоки делятся на пять типов: рутил-органические, карбинатно-флюоритные, флюоритные, рутиловые и рутил-флюоритные. Первые три типа можно использовать без дополнительной защиты, остальные, как правило, сваривают в среде углекислого газа. В качестве защитных газов используются как химически неактивные газы – аргон и гелий – так и газы способные вступать в химическое взаимодействие с жидким металлов в зоне сварки. Применение инертных газов не ставит дополнительных требований к выбору присадочной (сварочной) проволоки. Использование химически активных газов, в частности углекислого газа, требует повышенного содержание в сварочной проволоке раскислителей, чаще всего кремния и марганца. Для улучшения стабильного горения дуги и экономии дорогостоящих инертных газов при сварке в аргоне к нему иногда добавляют небольшое количество кислорода (2-5%) или углекислого газа (до 25%). Используются инертные газы для сварки высоколегированных сталей плавящимся и неплавящимся (вольфрамовым) электродом. Для сварки в углекислоте используется газ с ограниченным содержанием паров воды (не более 0,5% в 1м3 СО2 ). С защитой в углекислом газе производится в основном сварка плавящимся электродом углеродистых и низколегированных сталей. При сварке неплавящимся электродом используются угольные и графитовые электроды. Поставляются и хранятся защитные газы в стальных баллонах, аргон и гелий при 150 атм., углекислый газ при 12 атм. Неплавящиеся вольфрамовые электроды используются для сварки в среде инертных газов: аргона, гелия или их смесей. Дуга при этом горит между вольфрамовым электродом и изделием. Присадочный материал подается в дуговой промежуток. Использование вольфрама в качестве материала для неплавящегося электрода обусловлено тем, что он является наиболее тугоплавким из металлов. Однако в дуге вольфрам может частично испаряться и переходить 200 в металл сварного шва. Для уменьшения процента перехода прибегают к использованию не чистого вольфрама, а вольфрама с введенными в него окислами ряда редкоземельных металлов – иттрия, тория, лантана, тантала и других. Эти окислы играют двоякую роль: во-первых они уменьшают испарение вольфрама, а во-вторых – снижают работу выхода электронов и, тем самым, позволяют повысить сварочный ток. Рекомендуемые режимы сварки неплавящимся электродом во многом определяются степенью разогрева вольфрамового электрода, особенно на постоянном токе. Анод при сварке на постоянном токе разогревается значительно сильнее, чем катод, за счет бомбардировки его поверхности электронами. Поэтому при сварке с неплавящимися вольфрамовыми электродами малых диаметров процесс ведут, как правило, на постоянном токе прямой полярности. Аргонодуговая сварка. Этим способом можно сваривать по двум схемам: неплавящимся и плавящимся электродами. Сварку неплавящимся электродом применяют, как правило, при соединении металла толщиной 0,1 — 6 мм; плавящимся электродом — от 2 мм и более. Разграничение по толщинам является условным. Нередко, когда производительность не является главным показателем сварочного процесса, металл значительной толщины также сваривают неплавящимся электродом многослойным швом. В атмосфере аргона неплавящимся вольфрамовым электродом можно сваривать с расплавлением только основного металла (толщиной до 3 мм), а при необходимости усиления шва или заполнения разделки кромок (толщина более 3 мм) — и присадочного материала (прутка или проволоки). Последний вручную (рис. , а) или механизмом подачи (рис. , б) подают со стороны в дугу. Сварку неплавящимся электродом ведут на постоянном токе прямой полярности. В этом случае дуга легко зажигается и горит устойчиво при напряжении 10 — 15 В. Возможно применение сравнительно высоких плотностей тока без значительного нагрева и расхода электрода. В то же время дуга остается устойчивой при весьма малых токах (~ 1 А), что обусловливает возможность сварки очень тонкого металла (0,1 мм). При обратной полярности возрастает напряжение дуги, уменьшается устойчивость ее горения, а также повышаются нагрев и расход электрода. Эти особенности дуги обратной полярности делают ее непригодной для непосредственного применения в сварочном процессе. Однако дуга обратной полярности обладает одним важным технологическим свойством: при ее действии с поверхности свариваемого металла удаляются окислы и загрязнения. Одно из объяснений этого явления заключается в том, что поверхность металла бомбардируется тяжелыми положительными ионами аргона, которые механически разрушают окисные пленки. Процесс удаления окислов также известен как катодное распыление. Указанные свойства дуги 201 обратной полярности используют при сварке таких сильно окисляющихся металлов, как алюминий, магний и их сплавы, применяя для питания дуги переменный ток. При сварке неплавящимся электродом на переменном токе в определенной степени сочетаются преимущества дуги на прямой и обратной полярностях. Однако для питания дуги в аргоне переменным током применяют специальные источники тока. В их схему включается стабилизатор горения дуги — электронное устройство, подающее импульс дополнительного напряжения на дугу. Сварку в атмосфере аргона плавящимся электродом выполняют по схеме, приведенной на рис. в, г. Сварку выполняют на постоянном токе обратной полярности. Сварку в аргоне применяют для производства конструкций из легких (Al, Mg) и тугоплавких (W, Nb, V) металлов, а также легированных сталей. В последнем случае используют смесь аргона с 3-5% кислорода или углекислого газа. Сварка в среде углекислого газа Этот вид сварки выполняют только плавящимся электродом ручным, механизированным и автоматическим методом (рис. в, г). Сварку ведут на повышенных плотностях постоянного тока обратной полярности. При применении СО2 в качестве защитного газа необходимо учитывать его окислительное действие на жидкий металл сварочной ванны. Поэтому сварочная проволока при сварке в углекислом газе должна содержать повышенную концентрацию элементов - раскислителей (Si, Mn). Нормальное протекание процесса сварки и хорошее качество шва обеспечиваются при высокой плотности тока (100 А/мм2 и более). При невысоких плотностях тока имеет место крупнокапельный перенос расплавленного металла с электрода в сварочную ванну, приводящий в условиях газовой защиты к пористости шва, малому проплавлению основного металла и к сильному его разбрызгиванию. При высоких плотностях тока перенос расплавленного металла с электрода становится мелкокапельпым или струйным. В условиях действия значительных электромагнитных сил быстродвижущиеся мелкие капли сливаются в сплошную струю жидкого металла. Такой перенос электродного металла обеспечивает глубокое проплавление основного металла„ формирование плотного шва с ровной и чистой поверхностью. В соответствии с необходимостью применения высоких плотностей тока при сварке плавящимся электродом используют проволоки малого диаметра от 0,6 до 3 мм. Проволоку с большой скоростью подают в дугу, что возможно при наличии механизма подачи. В углекислом газе в основном сваривают конструкции из низкоуглеродистых низколегированных сталей. При этом для создания мелкокапельного или струйного переноса часто применяют смесь 90% СО2 и 10% О2. Значительным преимуществом этого вида сварки является 202 возможность его проведения в разных пространственных положениях. В сочетании с возможностью визуального контроля за ходом формирования сварного соединения и низкой стоимостью дуговая сварка в СО2 становится одной из наиболее распространенных видов сварки плавлением. 5.6. Плазменно-дуговая сварка Плазменная струя представляет собой направленный поток ионизированных частиц газа, имеющих температуру 10000 – 20000 0К. плазму получают, пропуская поток газа через столб электрической дуги. Для создания плазменной струи электрическую дугу помещают в узкий канал с интенсивно охлаждаемыми стенками и через него продувают плазмообразующий газ. При этом столб дуги, сжатый стенками канала приводит к повышению концентрации заряженных частиц. Частые столкновения частиц между собой при высокой температуре, характерной для столба дуги приводит к потере атомами внешних электронов, т.е. повышению степени ионизации. При этом различают: - сварку плазменной дугой, выделенной из столба электрической дуги (рисунок 5.18, а); - сварку плазменной струей совмещенной с электрической дугой (рисунок 5.19, б). Рисунок 5.18 - Схемы сварки плазменной струей, выделенной из электрической дуги (а) и совмещенной с электрической дугой (б). 203 В первом случае (рисунок 5.18, а) электрическая дуга 1 горит между неплавящимся вольфрамовым электродом 2 и соплом 5, к которому подключен положительный полюс источника питания. Электрод закрепляется в верхней части плазмотрона и отделяется от нижней его части керамической прокладкой 3. Столб дуги располагается в канале сопла 4, по которому пропускают плазмообразующий газ. Канал и сопло интенсивно охлаждаются циркулирующей по внутренней полости водой. Из сопла выходит ярко светящаяся плазменная струя 6. Плазменная струя имеет высокую скорость истечения из канала и на выходе повторяет его форму и размеры. Можно получить струю цилиндрической или конической формы. Плазмотрон питается от постоянного тока прямой полярности, получаемого от источника питания с падающей внешней характеристикой. Дугу зажигают с помощью осциллятора. Использование выделенной плазменной струи позволяет обрабатывать не эле6ктропроводные материалы, например керамику, а также позволяет регулировать тепловое воздействие на обрабатываемый и присадочный материалы. При создании плазменной струи совмещенной с электрической дугой конструкция плазмотрона не имеет принципиальных отличий. Основная особенность заключается в том, что в этом случае используют две электрические дуги. Первая маломощная (вспомогательная) дуга зажигается и горит внутри плазматрона между неплавящимся электродом и соплом и служит для первичной ионизации плазмообразующего газа. Вторая основная дуга возбуждается между электродом и изделием, совпадая с потоком плазмы, истекающим из сопла. Это обуславливает повышенную тепловую мощность совмещенной дуги, но может использоваться только для электропроводящих материалов. В качестве плазмообразующего газа, как правило, используют аргон, который обеспечивает устойчивость процесса образования плазмы, предохраняет сопло и электрод от окисления, а также служит защитной газовой средой для свариваемого материала. Отметим, что плазменная струя в связи с небольшим расходом газа и большой скоростью истечения, способствующей подсосу воздуха, не обеспечивает достаточной защиты материала. Поэтому горелки снабжают вторым соплом, расположенным концентрически вокруг первого, для дополнительной подачи защитного газа. Недостаток аргона как одноатомного плазмообразующего газа заключается в его низкой теплоемкости, что обусловливает сравнительно малую эффективную тепловую мощность плазменной струи, особенно выделенной из столба дуги. Для получения мощной плазменной струи последнего типа, используемой для резки, применяют двухатомные газы (водород или азот). Способность этих газов к диссоциации молекул в дуге и их рекомбинации на поверхности материала обеспечивают перенос большого количества энергии из столба дуги на поверхность материала. Однако их применение приводит к быстрому износу электрода и сопла горелки. Поэтому эти газы используют в смеси с аргоном. 204 Режимы плазменно-дуговой сварки определяют преимущественно силой тока, которая для основной дуги изменяется в диапазоне от 70 А до 300 А, а для вспомогательной – от 10 А до 20 А. Напряжение определяется выбором плазмообразующего газа и для аргона составляет порядка 40 В. Плазменная струя обладает большими технологическими возможностями. Во-первых, эффективную тепловую мощность струи можно регулировать в широких пределах. Возможно получение мощной струи, обладающей высокой проплавляющей способностью и повышенной производительностью. Такой струей сваривают материалы толщиной до 15 мм без разделки кромок. Повышенная устойчивость процесса образования плазмы позволяет получать микроплазменную струю при токах до 0,5 А, которой можно сваривать металл толщиной в несколько десятков микрон. Повышая ток и расход плазмообразующего газа, получают плазменный источник с большой скоростью истечения струи, способной давать сквозное проплавление и выдувать расплавленный материал. Такую плазменную струю используют для резки. Указанные технологические возможности плазменной струи обусловливают ее применение для многих операций: сварки, в том числе неметаллов (стекла, керамики, металлокерамики и др.) и металлов с неметаллами; резки всех материалов, особенно тугоплавких (молибдена, вольфрама, металлокерамики, стеклопластиков и др.) и материалов с высокой теплопроводностью (меди, алюминия и др.); наплавки, напыления, пайки и термической обработки. 5.7. Электрошлаковая сварка Электрошлаковая сварка является процессом соединения металлов, при котором основной и электродный металлы расплавляются теплотой, выделяющейся при прохождении электрического тока через шлаковую ванну. Схема процесса электрошлковой сварки показана на рисунок 5.19 . Процесс начинается с образования шлаковой ванны 8 в пространстве между кромками основного металла 6 и приспособлениями (ползунами) 7, охлаждаемыми водой, подаваемой по трубам 1, путем расплавления флюса электрической дугой, возбуждаемой между сварочной проволокой и вводной планкой 9. После накопления определенного количества жидкого шлака дуга шунтируется шлаком и гаснет, а подача проволоки 4 и подвод тока продолжаются. При прохождении тока через расплавленный шлак, являющийся электропроводящим электролитом, в нем выделяется определенное количество теплоты„ достаточной для поддержания высокой температуры шлака и расплавления кромок основного металла и электродной проволоки. Проволока вводится в зазор, подается в шлаковую ванну с помощью мундштука 5 и служит для подвода тока и пополнения сварочной ванны 2 расплавленным металлом. 205 Рисунок 5.19 - Схема электрошлаковой сварки Как правило, электрошлаковую сварку выполняют при вертикальном положении свариваемых деталей. По мере заполнения зазора между ними мундштук для подачи проволоки и формирующие ползуны передвигаются в вертикальном направлении, оставляя после себя затвердевший сварной шов 8. В начальном и конечном участках шва образуются дефекты. В начале шва — непровар кромок, в конце шва — усадочная раковина и неметаллические включения. Поэтому сварку начинают на вводной 9, а заканчивают на выходной 10 планках, которые затем удаляют газовой резкой. Шлаковая ванна является более распределенным источником теплоты, чем электрическая дуга. Основной металл расплавляется одновременно по всему периметру шлаковой ванны, что позволяет вести сварку металла большой толщины за один проход. По типу применяемого электрода различают сварку электродной проволокой, пластинчатым электродом и плавящимся мундштуком. Сварка электродной проволокой является основным методом электрошлаковой сварки прямолинейных и круговых швов на металле толщиной до 600 мм. 206 Заготовки толщиной до 150 мм можно сваривать одним электродом, совершающим поперечные колебания в зазоре для обеспечения равномерного разогрева шлаковой ванны по всей толщине. Металл толщиной более 150 мм сваривают тремя, а иногда и большим числом проволок, исходя из использования одного электрода на 45 — 60 мм толщины металла. Сварку проволокой ведут специальными автоматами, обеспечивающими подачу электродных проволок и их поперечное перемещение в зазоре. Автоматы перемещаются непосредственно по свариваемому изделию (безрельсовые) или по рельсовой колонне, устанавливаемой параллельно свариваемым кромкам. Скорость движения регулируется автоматически в зависимости от скорости заполнения зазора расплавленным металлом. Для сварки применяют проволоку диаметром 2 — 3 мм. Сварочный ток составляет 750 — 1000 А. В качестве источников питания применяют специальные трансформаторы для электрошлаковой сварки с жесткой внешней характеристикой. Сваркой пластинчатым электродом сваривают прямолинейные швы длиной не более 1,5 м. Толщина пластинчатого электрода составляет примерно 1/3 ширины зазора, а длина соответственно в 3,5 раза больше длины шва. Во время сварки электрод опускается в шлаковую ванну специальным механизмом. Преимуществом этого метода является простота применяемой аппаратуры и повышенная устойчивость процесса сварки. К недостаткам следует отнести необходимость мощных источников питания: на каждый пластинчатый электрод требуется ток 1500—2000 А. Сваркой плавящимся мундштуком сваривают прямолинейные швы на заготовках большой толщины (более 500 мм) и соединяют детали сложной формы. Плавящийся мундштук представляет собой пластину толщиной 5 — 6 мм с формой и размерами свариваемого сечения. Пластина имеет каналы для направления электродных проволок в зону сварки. Плавящийся мундштук закрепляют в свариваемом зазоре и изолируют от заготовок специальными прокладками. Мундштук расплавляется в процессе сварки, а непрерывно подающаяся проволока служит присадочным металлом для заполнения зазора. Особенно целесообразен плавящийся мундштук для сварки криволинейных швов переменного сечения, так как он обеспечивает равномерное распределение присадочного металла по сечению. Электрошлаковая сварка имеет ряд преимуществ по сравнению с электродуговой сваркой. Это повышение производительности процесса сварки, возможность сварки за один проход металла любой толщины, , уменьшение расхода флюса, электроэнергии, упрощение подготовки кромок свариваемых деталей. К недостаткам электрошлаковой сварки следует отнести образование крупнозернистой структуры шва и околошовной зоны вследствие замедленного нагрева и охлаждения. После сварки необходима термическая обработка для получения мелкозернистой структуры металла сварного соединения. Электрошлаковую сварку широко применяют в тяжелом машиностроении для изготовления таких сварно-кованых и сварнолитых конструкций, как 207 станины и детали мощных прессов и станков, коленчатые валы судовых дизелей, роторы и валы гидротурбин, котлы высокого давления и т. п. Толщина свариваемого металла составляет 50 — 2000 мм. 5.8. Сварка электронным лучом в вакууме Электронный луч представляет собой сфокусированный поток электронов, перемещающихся с большой скоростью от катода к аноду в сильном электрическом поле. При соударении электронного потока с твердым телом более 99% кинетической энергии электронов переходит в тепловую, расходуемую на нагрев этого тела. Температура в месте соударения может достигать 5000 — 6000 0С. Электронный пучок образуется за счет эмиссии электронов с нагретого в вакууме (133*10-4 — 133*10-5 Н/м2) катода и с помощью электростатических и электромагнитных линз 4 формируется на поверхности свариваемых материалов (рисунок 5.20). Рисунок 5.20 - Схема установки для электронно-лучевой сварки В установках для электронно-лучевой сварки и обработки электроны эмиттируются на катоде 1 электронной пушки; формируются в пучок электродом 2, расположенным непосредственно за катодом; ускоряются под действием разности потенциалов между катодом и анодом 3, составляющей от 20-30 кВ до 100-150 кВ и выше, а затем фокусируются и в виде луча направляются специальной отклоняющей магнитной системой 5 на обрабатываемое изделие 6. Наиболее распространены вольфрамовые, танталовые и молибденовые катоды. При работе в высоком вакууме используют оксидные катоды, у которых на стержень из тугоплавкого металла нанесено тонкое покрытие из редкоземельных элементов, а также катоды из гексаборида лантана. 208 Пушки бывают длиннофокусные, у которых электроны разгоняются на участке между катодом и анодом, расположенными эа электродом Венельта, с фокусным расстоянием 300 — 500 мм. Преимущество их заключается в том, что деталь не является элементом электрической цепи, благодаря чему возможна обработка неэлектропроводных материалов. Существуют также короткофокусные пушки с фокусным расстоянием 30 — 40 мм, в которых анодом является сама деталь. Эти пушки имеют меньшие размеры„ их можно помещать внутри вакуумной камеры и управлять движением луча, перемещая его. Сваривать этими пушками можно только электропроводные материалы. Работают они при низких ускоряющих напряжениях. Фокусировкой достигается высокая удельная мощность (до 15 — 50 КВт/см2 и выше). Ток электронного луча невелик (от нескольких миллиампер до единиц ампер). При перемещении заготовки под неподвижным или подвижным лучом образуется сварной шов. Иногда сваривают путем перемещения самого луча вдоль неподвижных кромок с помощью отклоняющих систем. Отклоняющие системы используют также и для колебаний электронного луча поперек или вдоль шва, что позволяет сваривать с присадочным металлом и регулировать тепловое воздействие на металл. В современных установках для сварки, сверления, резки или фрезерования электронный луч фокусируется на площади диаметром менее 0,001 см, что позволяет получить большую удельную мощность. При использовании обычных сварочных источников теплоты (дуги, газового пламени) металл нагревают и плавят за счет распространения теплоты от поверхности в глубину, при этом форма зоны расплавления в сечении приближается к полукругу. При сварке электронным лучом теплота выделяется непосредственно в самом металле, причем наиболее интенсивно на некоторой глубине под его поверхностью. Отношение глубины проплавления к ширине может достигать 20:1; такое проплавление называется кинжальным (рисунок 5.21). Рисунок 5.21 - Кинжальное проплавление при электронно-лучевой сварке F1 (по сравнению с ручной дуговой сваркой F2) 209 Высокая концентрация теплоты в пятне нагрева позволяет сверлить такие материалы, как сапфир, рубин, алмаз, твердое стекло. Незначительная ширина зоны теплового воздействия дает возможность резко уменьшить деформацию заготовок. Кроме того, при электронно-лучевой сварке обеспечивается зеркальная поверхность соединения. Электронно-лучевой сваркой изготовляют детали из тугоплавких химически активных металлов и их сплавов (вольфрамовых, танталовых, ниобиевых, циркониевых, молибденовых и т. п.), а также из высоколегированных сталей. Металлы и сплавы можно сваривать в однородных и разнородных сочетаниях, со значительной разницей толщин, температур плавления и других теплофизических свойств. Минимальная толщина свариваемых заготовок составляет 0,02 мм, максимальная — до 100 мм. 5.9. Газовая сварка Газовая сварка — это процесс сварки плавлением, при котором место соединения нагревают до расплавления высокотемпературным газовым пламенем (рисунок 5.22). Рисунок 5.22 Схема газопламенной сварки При нагревании газосварочным пламенем 4 кромки свариваемых заготовок 1 расплавляются, а зазор между ними заполняется присадочным металлом 2, который вводят в пламя горелки 8 извне. Газовое пламя получается при сгорании горючего газа в атмосфере технически чистого кислорода. 210 Основным видом горючего вещества, используемого при газопламенной сварке является ацетилен В зависимости от протекания химических реакций газовое пламя можно разделить на три зоны: - ядро пламени – характеризуется распадом ацетилена на составные части – атомарный углерод и молекулярный водород: С2Н2=2С+Н2; - серединная зона пламени – характеризуется частичным окислением атомарного углерода пламени с образованием угарного газа: 2С+О2=2СО; - факел пламени – характеризуется протеканием реакций доокисления угарного газа и водорода пламени: 2СО+О2=2СО2 2Н2+О2=2Н2О. Все эти реакции сопровождаются выделением теплоты, что обеспечивает получение максимальной температуры газового пламени около 32000С. На рисунке 5.23 представлено строение кислородyо-ацетиленого пламени и распределение температур вдоль его оси. Рисунок 5.23 - Распределение температур по оси газового ацетиленокислородного пламени Максимальное значение (около 3200-35000С) температура газового пламени имеет серединной части пламени. Ядро пламени и его факел характеризуются существенно более низкими температурами нагрева. В связи с этим, режим нагрева при газопламенной сварке требует фиксации строго определенного расстояния между соплом горелки и обрабатываемой 211 деталью. Наибольший эффект получается при расположении ядра пламени на расстоянии 1 — 3 мм от поверхности объекта. Существенное влияние на температуру газового пламени оказывает соотношение (С) между объемами кислорода и ацетилена, подаваемыми в горелку: кислород С 0,5 1,5 . ацетилен При избытке ацетилена над кислородом температура пламени резко падает. Минимальное соотношение их объемов равное 0,5 формирует газовое пламя с температурой порядка 28000С. Такое пламя содержит в своем составе активный углерод, в атомарном виде или в виде угарного газа, что способствует восстановлению металла сварочной ванны из окислов. При С равном 1, что соответствует одинаковым объемам кислорода и ацетилена, подаваемым в горелку, температура пламени достигает 32000С, причем изменение С в пределах от 0,95 до 1,05 вызывает изменение температуры пламени почти на 2000С и составляет 33700С. Характер пламени нейтральный, не оказывающий на металл сварочной ванны значительного химического воздействия. При избытке кислорода и дальнейшем увеличении величины С до1,5 рост температуры пламени незначителен и температура находится в пределах 3400-34200С. Это пламя оказывает на жидкий металл окислительное воздействие. К режимам газопламенной сварки относятся: расход горючего газа и кислорода и скорость перемещения газовой горелки. Полную тепловую мощность газового пламени в единицу времени можно определить исходя из расхода горючего газа (Vг.г.) и его низшей теплотворной способности (Q). q V г .г . Q , [Дж/с], Однако, на нагрев металла при сварке затрачивается далеко не вся мощность. Значительная часть ее (более 50%) теряется в окружающей среде. Поэтому эффективность нагрева при газопламеной сварке невелика, что значительным образом ограничивает толщину металла, свариваемого этим методом. Обычно этот вид нагрева применяют для сварки тонколистового металла, толщина которого не превышает 3 мм. Для сварочных работ используют газообразный кислород, который получают из воздуха методом глубокого охлаждения и поставляют к месту потребления в стальных баллонах под давлением 15 МПа. Баллоны окрашивают в голубой цвет с черной надписью «Кислород». Ацетиленовые баллоны окрашивают в белый цвет и делают на них красной краской надпись «Ацетилен». Хранение таких баллонов безопасно. Давление ацетилена и кислорода с баллонного 1,5 МПа до рабочего снижают с помощью редукторов. Кислородные редукторы понижают давление от 15 до 1,5 МПа, а ацетиленовые — от 1,6 до 0,02 — 0,05 МПа. Редукторы, применяемые в сварочной технике, обычно имеют два манометра, один из которых измеряет давление газа до входа в редуктор, второй на выходе из него. 212 Газосварочные горелки являются основным рабочим инструментом. Эти горелки используют для образования газосварочного пламени. Горелки по принципу подачи горючего газа в смесительную камеру подразделяют на безинжекторные и инжекторные. В промышленности наиболее распространена инжекторная горелка, так как она более безопасна и работает на низком и среднем давлениях. Рисунок 5.24 - Схема инжекторной газосварочной горелки Кислород под давлением 0,1 — 0,4 МПа поступает в горелку и через регулировочный вентиль и трубку 6 подается к инжектору 5. Выходя с большой скоростью из узкого канала инжекторного конуса, кислород создает значительное разрежение в камере 4 и засасывает горючий газ, поступающий через ниппель и вентиль 7 в ацетиленовые каналы горелки и в камеру смешения 8, где и образуется горючая смесь. Затем горючая смесь поступает по наконечнику 3 к мундштуку 1, на выходе из которого при сгорании образует сварочное пламя. Горелки этого типа имеют сменные наконечники с различными диаметрами выходных отверстий инжектора и мундштука, что позволяет регулировать мощность ацетилено-кислородного пламени. Обычно горелки имеют семь сменных номеров наконечников. 5.10. Электрическая контактная сварка Всем способам сварки давлением присуще пластическое деформирование в зоне соединения. Пластически деформировать можно с нагревом и без нагрева. Место соединения нагревают до расплавления или без расплавления. Сваривать можно на воздухе или в контролируемой среде. В некоторых случаях это сопровождается взаимным перемещением свариваемых деталей (трением). Параметрами технологического процесса сварки давлением являются: давление (деформация), температура, время, среда (состав газовой фазы), скорость взаимного перемещения (трение). Иногда отдельные параметры настолько взаимосвязаны, что их нельзя самостоятельно регулировать (например, при сварке взрывом, когда в результате быстрой пластической 213 деформации металл в зоне сварки нагревается, но температура в ней не задается и не контролируется). Контактная сварка относится к способам сварки давлением с кратковременным нагревом места соединения без оплавления или с оплавлением и с осадкой разогретых заготовок. Характерная особенность этих процессов — быстрота пластической деформации, в ходе которой формируется сварное соединение. Способы контактной сварки получили наибольшее промышленное применение благодаря простоте выполнения и высокой производительности. Место соединения разогревается проходящим по металлу электрическим током, причем максимальное количество теплоты выделяется в месте сварочного контакта (рисунок 5.25). Рисунок 5.25 - Принципиальная схема контактной сварки Количество выделяемой теплоты определяется законом Джоуля — Ленца: Q = 0,24 * I * R * t, где: Q — количество теплоты, выделяемое в сварочном контуре, Дж; R — полное сопротивление сварочного контура, Ом; I — сварочный ток, А; t — время протекания тока, с. Полное сопротивление сварочного контура R состоит из сопротивления выступающих концов свариваемых заготовок RЗАГ и сопротивления сварочного контакта RК и сопротивления между электродами и заготовками RЭЛ. Сопротивление сварочного контакта RК является наибольшим, так как поверхности стыка заготовок даже после тщательной обработки имеют неровности и соприкасаются только в отдельных точках (рисунок 5.26). 214 Рисунок 5.26 - Зона контакта двух свариваемых деталей Благодаря этому происходит резкое уменьшение действительного сечения металла, через которое проходит ток, и в зоне контакта возникают большие плотности тока. Кроме того, на поверхности свариваемого металла имеются пленки окислов и загрязнения с малой злектропроводностью, которые также увеличивают сопротивление. В результате высокой плотности тока в точках контакта металл нагревается до термопластического состояния или до оплавления. При непрерывном сдавливании нагретых заготовок образуются новые точки соприкосновения, и так до тех пор, пока не произойдет полное сближение до межатомных расстояний, т. е. сварка поверхностей. Контактную сварку классифицируют по типу свариваемого соединения, определяющего вид сварочной машины, и по характеру тока, питающего сварочный трансформатор. По типу сварного соединения различают сварку стыковую, точечную, рельефную, шовную (роликовую). По способу питания сварочного трансформатора различают сварку переменным током, главным образом однофазным частотой 50 Гц или импульсом постоянного тока. Стыковая сварка Стыковая сварка является видом контактной сварки, при которой заготовки свариваются по всей поверхности соприкосновения. При стыковой сварке свариваемые заготовки закрепляют в зажимах стыковой машины (рисунок 5.27). 215 Рисунок 5.27 - Схема стыковой контактной сварки: 1 – опорная плита, 2 – токоподво-дящий зажим, 3 – детали, 4 - трансформатор Согласно представленной схеме, на опорных плитах 1 устанавливаются два токоподводящих зажима, один из которых неподвижен, а другой имеет возможность перемещаться в направляющих.вместе с плитой. Сварочный трансформатор 4 соединен с плитами гибкими шинами и питается от сети переменного тока через включающее устройство. В зажимах закрепляются свариваемые детали. Плиты перемещаются, и свариваемые детали сжимаются под действием усилия Р, развиваемого механизмом осадки. Стыковую сварку с разогревом стыка до пластического состояния и последующей осадкой называют сваркой сопротивлением. Если разогрев металла сварочных кромок близок к температуре плавления, то это сварка оплавлением. Место сварки имеет усиление (высадку) металла. Этим способом сварки изготавливают изделия небольшого поперечного сечения до 100 мм2. Точечная сварка Точечная сварка — вид контактной сварки, при которой заготовки соединяются в отдельных точках, причем одновременно можно сваривать одну, две или несколько точек; их положение определяется расположением электродов точечной машины (рисунок 5.28). 216 Рисунок 5.28 - Принципиальная схема контактной точечной сварки: а — двусторонняя одноточечная; б - односторонняя двухточечная. При точечной сварке заготовки 1 и 2 на рисунке 5.28 а и 3 и 4 на рисунке 5.28 б собирают внахлестку и зажимают с некоторым усилием Р между двумя медными электродами, подводящими ток к месту сварки. При односторонней сварке роль нижнего опорного электрода выполняет массивная плита. Металл в зоны контакта двух заготовок нагревается до пластического состояния и расплавляется, образуя сварочную ванну небольшого объема. Ток выключается и расплавленный металл кристаллизуется, образуя сварную точку. Для предотвращения приваривания электродов к поверхности детали их выполняют полыми внутри. В процессе сварки по внутренней полости электродов циркулирует вода и обеспечивает их охлаждение. Точечная сварка — универсальный способ, применяемый при изготовлении изделий из листовых низкоуглеродистых, углеродистых, низколегированных, конструкционных и коррозионно-стойких сталей, алюминиевых и медных сплавов. Толщина свариваемых металлов составляет от 0,5 мм до 5 мм. При точечной сварке различают мягкие и жесткие режимы. Мягкие режимы характеризуются большей продолжительностью протекания тока и плавным нагревом. Плотность тока на мягких режимах составляет 80 – 160 А/мм2, а усилие 15 – 40 Н/мм2. При жестких режимах повышается производительность процесса в связи с сокращением времени нагрева и увеличением усилия сжатия. Плотность тока составляет 120-360 А/мм2, усилие на электродах 4-150 Н/мм2 при времени протекания тока от 0,001 до 0,01 с. 217 Рельефная сварка Рельефная сварка – это способ контактной сварки, при котором сваривание двух деталей происходит по выступам рельефа их поверхностей (рисунок 5.29). Рисунок 5.29 - Схема рельефной сварки При рельефной сварке прижимной электрод 1, выполненный в ниже медной пластины сдавливает детали 2 и 3 с силой Р. Контакт этих деталей происходит во наиболее выступающим участкам их поверхностей. Нижний электрод 5 выполняет роль опоры, воспринимающей приложенную нагрузку. При включении тока верхний электрод сжимает заготовки и спрессовывает их. Таким образом, за один ход машины выполняют столько сварных точек, сколько было отштамповано выступов. Этот способ высокопроизводителен. Электроды изнашиваются мало. Недостатком его является значительная потребляемая злектрическая мощность. Разновидностью рельефной сварки является Т-образная сварка, когда стержни торцами приваривают к листам. Для этого концу стержня придают сферическую форму. Шовная (роликовая) сварка Шовная, или роликовая сварка — вид контактной сварки, при которой между свариваемыми заготовками образуется прочное и плотное соединение. Один или оба электрода выполняют в виде плоского ролика. Роликам придают вращение и между ними пропускают свариваемые заготовки (рисунок 5.30). 218 Рисунок 5.30 - Схема шовной сварки: 1 — заготовки; 2 — электроды. В процессе шовной сварки листовые заготовки 1 соединяют внахлестку и зажимают между электродами 2. При пропускании тока образуются сварные точки в форме отпечатка ролика (вытянутой формы). Постоянное перемещение свариваемых заготовок позволяет обеспечить перекрытие между уже сформированной и образующейся сварными точками, в результате чего получается сплошной герметичный шов. Шовную сварку, также как и точечную, можно выполнять при одностороннем и двустороннем положениях электродов (роликов) (рисунок 5.31). Рисунок 5.31 - Схема односторонней шовной сварки: 1 – заготовки, 2 – ролики, 3 – медная пластина Существует два типа режимов процесса шовной сварки: с непрерывной подачей тока и с прерывистой. Непрерывную подачу тока применяют для сварки коротких швов и металлов и сплавов, не склонных к росту зерна и не претерпевающих заметных структурных превращений при перегреве околошовной зоны (низкоуглеродистые и низколегированные стали). 219 Режимы с прерывистым включением тока обеспечивают стабильность процесса и высокое качество сварного соединения при малой зоне термического влияния и применяется при сварке длинных швов на заготовках из коррозионно-стойких сталей и алюминиевых сплавов. Шовную сварку применяют в массовом производстве при изготовлении различных сосудов. Толщина свариваемых листов от 0,3 до 3 мм. 220