Виды сварки и способы их применения

Министерство образования и науки Украины

РЕФЕРАТ

2006

Содержание

1. Виды сварки

1.1 Электрическая дуговая сварка

1.2 Газоэлектрическая сварка

1.3 Атомноводородная сварка

1.4 Электрошлаковая сварка

1.5 Электроннолучевая сварка

2. Способы применения сварки:

2.1 Ручная дуговая сварка с металлическим электродом с покрытием

2.2 Сварка и резка плазменной струей

2.3 Сварка электронно-лучевая и лазерная

2.4 Сварка электрошлаковая

1. Виды сварки

1.1 Электрическая дуговая сварка

При электрической дуговой сварке нагрев метала осуществляется дугой. При устойчивом длительном протеканий тока через ионизированный газовый промежуток между двумя электродами, подсоединенными к соответствующему источнику питания, выделяется тепловая и световая энергия. Температура, развиваемая в дуге, может быть очень высокой, значительно превышающей температуру плавления различных конструкционных металлов. Дуговой разряд для сварки металлов плавлением применяется при различных формах его использования.

Рис. 1.1. Схемы дуговой сварки:

а) независимой дугой; б) неплавящимся электродом; в) плавящимся электродом

Сварка независимой дугой (рис. 1.1, а) осуществляется нагревом металла дугой, горящей между двумя, обычно неплавящимися (например, графитовыми) электродами 2 и 3, подключенными к различным полюсам источника электрической энергии 4, Свариваемое (нагреваемое) изделие 5 в электрическую цепь не включено. Дуга, горит независимо от свариваемого изделия. Когда нагретые газы стержня (столба) дуги контактируют с поверхностью металла, они его нагревают и при достаточной мощности дуги расплавляют. В этом случае дуга воздействует на свариваемый металл подобно газосварочному пламени, а сама операция сварки выполняется так же, как при газовой сварке плавлением. Сварка может выполняться как без добавочного присадочного металла, так и с применением присадки 6, подаваемой в дугу в виде прутка. Сварка независимой дугой практически применяется редко, за исключением одного из способов газоэлектрической сварки -- атомноводородной.

Сварка неплавящимся электродом (рис. 1.1, б) выполняется, когда - свариваемое изделие 5 включено в цепь дуги / и является одним из ее полюсов 2. Второй полюс дуги. За счет тепла дуги изделие, а в ряде случаев и присадочный металл 6, расплавляются. Эффективность сварки при этом способе значительно выше, чем при-сварке независимой дугой при одинаковой электрической мощности дуги, потребляемой ею от источника 4.

Способ сварки неплавящимся электродом находит в настоящее время довольно широкое применение.

Сварка плавящимся электродом, (рис. 1.1, в) выполняется по такой же схеме, как и при неплавящемся электроде (изделие 5 включено в цепь и является одним из полюсов 2 дуги). Металлический электрод 3, интенсивно расплавляемый дугой, обеспечивает введение в сварочную ванну дополнительного (наплавленного) металла (вместо присадочного металла при газовой сварке и дуговой сварке независимой дугой и неплавящимся электродом).

Этот способ сварки является наиболее эффективным из рассмотренных способов сварки плавлением и в связи с этим имеет наибольшее распространение в промышленности при изготовлении и ремонте разнообразных металлических конструкций.

Сварка плавящимся электродом может выполняться:

а) открытой дугой, когда металл в области действия дуги не защищается от воздействия воздуха или защищается, от его воздействия специальными веществами (газообразующими, шлакообразующими), вносимыми с электродом, обычно в виде покрытия;

б) закрытой дугой, когда место горения дуги закрыто порошкообразным флюсом, расплавляющимся от тепла дуги и образующим шлак; в этом случае дуга не видна -- она горит в пространстве, изолированном от окружающей атмосферы слоем шлака и нерасплавившегося порошкообразного флюса. Этот метод защиты дуги характерен для механизированной сварки -- автоматической и полуавтоматической под слоем флюса;

в) дугой, защищенной от воздуха специальной газовой защитой, например углекислым газом, или инертными газами -- аргоном, гелием. Этот способ обычно относят к газоэлектрическим способам сварки.

1.2 Газоэлектрическая сварка

представляет собой либо "комбинацию газовой и дуговой сварки, либо дуговую сварку с дополнительным использованием различных газов.

Одним из процессов газоэлектрической сварки является простое совмещение действия газосварочного пламени и дуги плавящегося металлического электрода в одной сварочной зоне. Этот способ в настоящее время практического применения не имеет.

1.3 Атомноводородная сварка

Если в независимую дугу между неплавящимися графитовыми или чаще вольфрамовыми электродами (рис. 1.1, а) вдувать струю водорода, то он не только защищает электроды и расплавленный металл присадки и ванны от действия воздуха, но и является переносчиком тепла из дуги на изделие.

При высокой температуре дуги молекулярный водород распадается на атомы (диссоциирует) и забирает большое количество тепла (Н₂ -» 2Н -- 103800 кал/моль или 540,8 кДж/моль). Попадая в область более низких температур (включая и температуру поверхности расплавленной сварочной ванны), атомы водорода снова объединяются в молекулы, выделяя забранное при разложении тепло.

Атомноводородная сварка в настоящее время используется относительно мало.

Если в дугу неплавящегося (рис. 1.1, б) или плавящегося (рис. 1.1, в) электрода вдувать какой-либо специальный газ, то можно получить разнообразные варианты газоэлектрической сварки. При этом могут применяться различные газы: активные, взаимодействующие с металлом при сварке (водород, углекислый газ и пр.) или инертные, практически не реагирующие с металлом при сварке (аргон, гелий, для меди -- азот).

Некоторые из этих способов широко распространены и используются в промышленности. Так аргоно и гелиедуговая сварка широко применяется как по схеме неплавящегося, так и плавящегося электродов при выполнении сварных соединений из ряда металлов и сплавов (например, алюминия, титана и их различных сплавов, специальных сталей и никелевых сплавов и др.).

Сварка плавящимся электродом в углекислом газе широко применяется при изготовлении сварных соединений из углеродистых сталей и некоторых легированных сталей.

Разновидностью газоэлектрических методов сварки является сварка в контролируемой атмосфере. В этом случае вместо струйной защиты места сварки свариваемое изделие помещают внутрь специальных герметизированных камер, наполненных газом заданного состава. Сварка выполняется дугой.

1.4 Электрошлаковая сварка (рис. 1.2)

Если над дугой определенной мощности расплавить достаточно большое количество токопроводящего шлака-, то совместным действием шунтирования тока дуги и механическим воздействием веса столба шлака газовый пузырь у дуги может быть исключен. Тогда дуга погаснет и весь ток от электрода 5 будет поступать на свариваемое изделие 1 (второй электрод) вследствие электропроводности расплавленного шлака 4. В результате тепловыделения в шлаке, обусловленного протеканием тока, расплавляются как электрод 5, так и кромки свариваемого изделия 7, образуя металлическую ванну 3. При вертикальном расположении выполняемого шва (наиболее обычная схема применения электрошлаковой сварки) для предотвращения вытекания расплавленного металла и шлака применяют специальные медные водоохлаждаемые формирующие устройства 2. Эти устройства обычно механическим путем перемещают по поверхности свариваемых деталей с такой же средней скоростью с какой выполняется шов.

В результате кристаллизации (по мере удаления источника тепла вверх) снизу образуетсясварной шов

Рис. 1.2. Схема электрошлаковой сварки

Рис. 1.3. Схема сварки электронным лучом

Этот способ применяется главным образом для сварки металла достаточно большой толщины, причем шов выполняется на всю толщину свариваемого металла за один проход.

Комбинируя количество проволочных и пластинчатых электродов (электродов в виде пластин различного сечения, подаваемых в шлак номере их сплавления) или плавящихся мундштуков (специальная конструкция электродов в виде неподвижных пластин и подаваемых в зону плавления проволок), толщина свариваемого в один проход металла может быть практически неограниченной. В промышленности освоена сварка стальных изделий с толщиной металла в месте выполненного шва около 1 м (1000 мм).

1.5 Электроннолучевая сварка (рис. 1.3)

Сварка при этом способе осуществляется в вакууме при давлении 10-⁴-МО-⁵ мм рт ст. (0,013'ч- 0,0013 я/ж²). Свариваемое изделие 8 помещается в герметичную камеру 5, в которой создан вакуум. Источником тепла для сварки является электронный луч 2, представляющий собой пучок электронов, которые излучаются нитью накала /, нагреваемой от тока трансформатора 9, и устремляются к свариваемому изделию из электронной пушки 3 под действием источника высокого напряжения 4. Фокусировка пучка электронов обеспечивается воздействием электромагнитных полей электронной пушки.

Относительное перемещение свариваемого изделия по отношению к электронному лучу (для выполнения швов заданной длины и направления) обеспечивается движением сварочного стола при помощи привода 6 или магнитным управлением лучом.

Этот способ сварки применяется при изготовлении изделий из легкоокисляющихся или тугоплавких металлов при относительно небольших габаритных размерах свариваемых конструкций.

Способ электроннолучевой сварки в настоящее время находит все большее применение при изготовлении различных специальных изделий.

2. Способы применения сварки

2.1 Ручная дуговая сварка металлическими электродами с покрытием

Качество швов зависит не только от техники сварки, но и от других факторов, таких как состав и качество применяемых сварочных материалов, состояние свариваемой поверхности, качество подготовки и сборки кромок под сварку.

В зависимости от формы и размеров изделия швы "ложно сваривать в различных пространственных положениях. Условно их разделяют на нижние, вертикальные, потолочные и горизонтальные. Горизонтальные швы -- швы, выполняемые на вертикальной плоскости в горизонтальном направлении. В практике сварочного производства существуют еще понятия «сварка в полувертикальном положении» (когда угол между горизонтом и плоскостью листов равен 30--60°), «сварка в полупотолочном положении» (угол между горизонтом и плоскостью листов равен 120--150°).

Дуговая сварка металлическими электродами с покрытием в настоящее время остается одним из самых распространенных методов, используемых при изготовлении сварных конструкций. Это объясняется простотой и мобильностью применяемого оборудования, возможностью выполнения сварки в различных пространственных положениях и в местах, труднодоступных для механизированных способов сварки.

Существенный недостаток ручной дуговой сварки металлическим электродом, так же как и других способов ручной сварки, -- малая производительность процесса и зависимость качества сварного шва от практических навыков сварщика. В первые годы применения дуговой сварки использовались металлические электроды с тонким ионизирующим покрытием, повышающим стабильность дуги. Однако свойства металла шва при этом были низкими. Поэтому в настоящее время подобные электроды для сварки практически не применяют.

Сущность способа. К электроду и свариваемому изделию для образования и поддержания сварочной дуги от источников сварочного тока подводится постоянный или переменный сварочный ток (рис. 2.2). Дуга расплавляет металлический стержень электрода, его покрытие и основной металл. Расплавляющийся металлический стержень электрода в виде отдельных капель, покрытых шлаком, переходит в сварочную ванну. В сварочной ванне электродный металл смешивается с расплавленным металлом изделия (основным металлом), а расплавленный шлак всплывает на поверхность.

Глубина, на которую расплавляется основной металл, называется глубиной проплавления. Она зависит от режима сварки (силы сварочного тока и диаметра электрода), пространственного положения сварки, скорости перемещения дуги по поверхности изделия (торцу электрода и дуге сообщают поступательное движение вдоль направления сварки и поперечные колебания), от конструкции сварного соединения, формы и размеров разделки свариваемых кромок и т. п. Размеры сварочной ванны зависят от режима сварки и обычно находятся в пределах: глубина до 7 мм, ширина 8--15 мм, длина 10--30 мм. Доля участия основного металла в формировании металла шва (см. гл. III) обычно составляет 15--35%.

Расстояние от активного пятна на расплавленной поверхности электрода до другого активного пятна дуги на поверхности сварочной ванны называется длиной дуги. Расплавляющееся покрытие электрода образует вокруг дуги и над поверхностью сварочной ванны газовую атмосферу, которая, оттесняя воздух из зоны сварки, препятствует взаимодействиям его с расплавленным металлом. В газовой атмосфере присутствуют также пары основного и электродного металлов и легирующих элементов. Шлак, покрывая капли электродного металла и поверхность расплавленного металла сварочной ванны, способствует предохранению их от контакта с воздухом и участвует в металлургических взаимодействиях с расплавленным металлом.

Кристаллизация металла сварочной ванны по мере удаления дуги приводит к образованию шва, соединяющего свариваемые детали. При случайных обрывах дуги или при смене электродов кристаллизация металла сварочной ванны приводит к образованию сварочного кратера (углублению в шве, по форме напоминающему наружную поверхность сварочной ванны). Затвердевающий шлак образует на поверхности шва шлаковую корку.

Ввиду того что от токоподвода в электрододержателе сварочный ток протекает по металлическому стержню электрода, стержень разогревается. Этот разогрев тем больше, чем дольше протекание по стержню сварочного тока и чем больше величина последнего. Перед началом сварки металлический" стержень имеет температуру окружающего воздуха, а к концу расплавления электрода температура повышается до 500--600° С (при содержании в покрытии органических веществ -- не выше 250° С). Это приводит к тому, что скорость расплавления электрода (количество расплавленного электродного металла) в начале и конце различна. Изменяется и глубина проплавления основного металла ввиду изменения условий теплопередачи от дуги к основному металлу через прослойку жидкого металла в сварочной ванне. В результате изменяется соотношение долей электродного и основного металлов, участвующих в образовании металла шва, а значит, и состав и свойства металла шва, выполненного одним электродом. Это -- один из недостатков ручной дуговой сварки покрытыми электродами.

Зажигание и поддержание дуги. Перед зажиганием (возбуждением) дуги следует установить необходимую силу сварочного тока, которая зависит от марки электрода, пространственного положения сварки, типа сварного соединения и др. (см. гл. V). Зажигать дугу можно двумя способами. При одном способе электрод приближают вертикально к поверхности изделия до касания металла и быстро отводят вверх на необходимую длину дуги. При другом -- электродом вскользь «чиркают» по поверхности металла. Применение того или иного способа зажигания дуги зависит от условий сварки и от навыка сварщика.

Длина дуги зависит от марки и диаметра электрода, пространственного положения сварки, разделки свариваемых кромок и т. п. Нормальная длина дуги считается в пределах 1д -- (0,5 -f-~1Д) эл №ш -- диаметр электрода). Увеличение длины дуги снижает качество наплавленного металла шва ввиду его интенсивного окисления и азотирования, увеличивает потери металла на угар и разбрызгивание, уменьшает глубину проплавления основного металла. Также ухудшается внешний вид шва. Во время ведения процесса сварщик обычно перемещает электрод не менее чем в двух направлениях. Во-первых, он подает электрод вдоль его оси в дугу, поддерживая необходимую в зависимости от скорости плавления электрода длину дуги. Во-вторых, перемещает электрод в направлении наплавки или сварки для образования шва. В этом случае образуется узкий валик, ширина которого при наплавке равна примерно (0,8 -г- 1,5) d_dn и зависит от силы сварочного тока и скорости перемещения дуги по поверхности изделия. Узкие валики обычно накладывают при проваре корня шва, сварке тонких листов и тому подобных случаях.

При правильно выбранном диаметре электрода и силе сварочного тока скорость перемещения дуги имеет большое значение для качества шва. При повышенной скорости дуга расплавляет основной металл на малую глубину и возможно образование непроваров. При малой скорости вследствие чрезмерно большого ввода теплоты дуги в основной металл часто образуется прожог, и расплавленный металл вытекает из сварочной ванны. В некоторых случаях, например при сварке на спуск, образование под дугой жидкой прослойки из расплавленного электродного металла повышенной толщины, наоборот, может привести к образованию непроваров.

Иногда сварщику приходится перемещать электрод поперек шва, регулируя тем самым распределение теплоты дуги поперек шва для получения требуемых глубины проплавления основного металла и ширины шва. Глубина проплавления основного металла и формирование шва главным образом зависят от вида поперечных колебаний электрода, которые обычно совершают с постоянными частотой и амплитудой относительно оси шва. Траектория движения конца электрода зависит от пространственного положения сварки, разделки кромок и навыков сварщика. При сварке с поперечными колебаниями получают уширенный валик, ширина которого обычно составляет (2 -г- 4) с/_эл, ^а форма проплавления зависит от траектории поперечных колебаний конца электрода, т. е. от условий ввода теплоты дуги в основной металл.

При окончании сварки -- обрыве дуги следует правильно заварить кратер. Кратер является зоной с наибольшим количеством вредных примесей ввиду повышенной скорости кристаллизации металла, поэтому в нем наиболее вероятно образование трещин. По окончании сварки не следует обрывать дугу, резко отводя электрод от изделия. Необходимо прекратить все перемещения электрода и медленно удлинять дугу до обрыва; расплавляющийся при этом электродный металл заполнит кратер. При сварке низкоуглеродистой стали кратер иногда выводят в сторону от шва -- на основной металл. При случайных обрывах дуги или при смене электродов дугу возбуждают на еще не расплавленном основном металле перед кратером и затем проплавляют металл в кратере.

Положение электрода относительно поверхности изделия и пространственное положение сварки оказывают большое влияние на форму шва и проплавление основного металла. При сварке углом назад улучшаются условия оттеснения из-под дуги жидкого металла, толщина прослойки которого уменьшается. При этом улучшаются условия теплопередачи от дуги к основному металлу и растет глубина его проплавления. То же наблюдается при сварке шва на подъем на наклонной или вертикальной плоскости. При сварке углом вперед или на спуск расплавленный металл сварочной ванны, подтекая под дугу, ухудшает теплопередачу от нее к основному металлу -- глубина проплавления уменьшается, а ширина шва возрастает.

При прочих равных условиях количество расплавляемого электродного металла, приходящегося на единицу длины шва, остается постоянным, но распределяется на большую ширину шва я поэтому высота его усиления уменьшается. При наплавке или варке тонколистового металла (толщина до 3 мм) для уменьшения дубины провара и предупреждения прожогов рекомендуется сварку выполнять на спуск (наклон до 15°) или углом вперед без поперечных колебаний электрода. Для сборки изделия под сварку (обеспечения заданного зазора в стыке, положения изделий и др.) можно применять специальные приспособления или короткие швы -- прихватки. Длина прихваток обычно составляет 20--120 мм (больше при более толстом металле) и расстояние между ними 200--1200 мм (меньше при большей толщине металла для увеличения жесткости). Сечение прихваток не должно превышать ¹/₃ сечения швов. При сварке прихватки необходимо полностью переплавлять.

Техника сварки в нижнем положении. Это пространственное положение позволяет получать сварные швы наиболее высокого качества, так как облегчает условия выделения неметаллических включений, газов из расплавленного металла сварочной ванны. При этом также наиболее благоприятны условия формирования металла шва, так как расплавленный металл сварочной ванны от вытекания удерживается нерасплавившейся частью кромок.

Стыковые швы сваривают без скоса кромок или с V-, Х- и U-образным скосом. Положение электрода относительно поверхности изделия и готового шва показано на рис. 2.3. Стыковые швы без скоса кромок в зависимости от толщины сваривают с одной или двух сторон. При этом концом электрода совершают поперечные колебания с амплитудой, определяемой требуемой шириной шва. Следует тщательно следить за равномерным расплавлением обеих свариваемых кромок по всей их толщине и особенно стыка между ними в нижней части (корня шва).

Однопроходную сварку с V-образным скосом кромок обычно выполняют с поперечными колебаниями электрода на всю ширину разделки для ее заполнения так, чтобы дуга выходила со скоса кромок на необработанную поверхность металла. Однако в этом случае очень трудно обеспечить равномерный провар корня шва по всей его длине, особенно при изменении величины притупления кромок и зазора между ними.

Техника автоматической сварки. Перед началом автоматической сварки следует проверить чистоту кромок и правильность их сборки и направления электрода по оси шва. Металл повышенной толщины сваривают многопроходными швами с необходимым смещением электрода с оси шва. Перед наложением последующего шва поверхность предыдущего тщательно зачищают от шлака и осматривают с целью выявления наличия в нем наружных дефектов. В начале сварки, когда основной металл еще не прогрелся, глубина его проплавления уменьшена, в связи с чем эту часть шва обычно выводят на входную планку. По окончании сварки в месте кратера образуется ослабленный шов, поэтому процесс сварки заканчивают на выводной планке. Входную и выводную планки шириной до 150 мм и длиной (в зависимости от режима и толщины металла) до 250 мм закрепляют на прихватках до начала сварки. После сварки планки удаляют.

При автоматической сварке стыковых соединений на весу практически сложно получить шов с проваром по всей длине стыка из-за вытекания в зазор между кромками расплавленного металла и флюса и, как результат, -- образования прожогов. Для предупреждения этого применяют различные приемы, способствующие формированию корня шва. Сварку односторонних швов можно выполнять по предварительной ручной подварке, если невозможна автоматическая. Односторонняя сварка на остающейся стальной подкладке возможна в тех случаях, когда допустимо ее применение с эксплуатационной точки зрения.

Толщина подкладки при однослойных швах составляет 30-- 40% толщины основного металла или равна толщине первого Слоя в многослойных швах. При использовании для сварки односторонних швов съемных медных подкладок качество шва зависит от надежности поджатия к ним кромок. При зазорах свыше 0,5 мм расплавленный металл может вытекать в него, что приводит к образованию дефектов в шве. Недостаток этого способа -- трудность точной укладки кромок длинного стыка вдоль формирующей канавки неподвижной медной подкладки.

Разновидность этого способа -- сварка на медной скользящей подкладке (ползуне) по повышенному зазору. В этот зазор проходит нож, верхней частью прикрепленный к сварочному трактору специальной конструкции. На нижнем конце ножа закреплен скользящий ползун. Недостаток этого варианта-- необходимость поддержания постоянного по величине зазора по всей длине шва. Возможен способ, когда медная подкладка в виде отдельных звеньев не соединена со сварочным трактором и перемещается синхронно с ним от отдельного привода. Но это очень усложняет Конструкцию стенда и процесс сварки.

Для улучшения формирования корня шва в увеличенную но глубине формирующую канавку в медной подкладке можно засыпать флюс -- так выполняют сварку на флюсомедной подкладке. Односторонняя сварка на флюсовой подушке при плотном поджатии флюса обеспечивает полный провар кромок и хорошее формирование корня шва при меньшей точности сборки кромок толщиной 2 мм и выше. Флюс под стыком поджимается воздухом, подаваемым в шланг, а при сварке кольцевых швов -- специальной гибкой лентой. Свариваемые листы от перекоса при поджатии флюса должны удерживаться специальными грузами или силами магнитного поля на специальных магнитных стендах.

Формирование корня шва на флюсовой подушке позволяет выполнять автоматическую сварку однопроходных швов без разделки или с V-образной разделкой кромок на металле толщиной до 15 мм, корневого шва в многопроходных швах с V- или X-образной разделкой кромок, а также сварку по заданному повышенному зазору без разделки кромок металла толщиной до 50 мм. Применение этого способа в последние годы сокращается из-за трудности плотного поджатия флюса под стык по всей его длине. В местах его неплотного поджатия образуются прожоги.

В заграничной практике для сварки односторонних швов находят применение переносные подкладки. По существу они представляют собой легкий лоток, изготовленный из стали или другого металла, в котором находится формирующая подкладка из твердого флюса. Подкладка может быть двухслойной: верхний слой флюса обеспечивает формирование поверхности обратной стороны шва, а нижний, тугоплавкий, предупреждает получение шва с чрезмерной высотой обратного валика.

Подкладки устанавливают на прихватках, липких лентах, с помощью клиньев, струбцин, магнитов и т. д. Возможно также использование подкладок из синтетических термостойких лент, плотно поджимаемых под стыком свариваемых кромок. Установка подобных подкладок достаточно трудоемка и требует доступа к сварному соединению с обратной стороны или последующей кантовки изделия. Обычно они одноразового пользования ввиду разрушения под действием теплоты расплавленного металла. В односторонних швах не всегда обеспечивается хорошее формирование корня шва. Поэтому в ответственных конструкциях применяют сварку с двух сторон. При этом первые валики в корне швов должны перекрывать друг друга на толщину 2--5 мм. При повышенных зазорах для предупреждения протекания расплавленного металла в зазор между кромками также используются флюсовые подушки и медные съемные подкладки. Однако лучшие результаты достигаются при предварительной ручной подварке корня шва и последующей сварке с обратной стороны швов. После кантовки изделия при первом основном проходе подварочный шов следует полностью переваривать. Подварочный шов часто служит сборочным вместо прихваток.

В зависимости от площади поперечного сечения шва и положения сварки угловые соединения можно выполнять без скоса или со скосом одной из кромок одно- и многослойными швами. Полный провар стыка без скоса кромок можно получить при толщине стенки в тавровом соединении не более 14 мм. Сварку угловых швов выполняют в положении «в лодочку» или наклонным электродом (рис. 2.4).

При положении «в лодочку» в один проход можно сваривать швы с катетом до 14 мм, наклонным электродом -- до 6 мм. Соединение под сварку следует собирать с минимальным зазором для предупреждения вытекания в него расплавленного металла. При зазоре свыше 1,5 мм с обратной стороны первого шва необходима ручная или механизированная подварка. Подварочный шов должен быть полностью переварен при наложении основных швов. В практике применяют также заделку зазора с обратной стороны, асбестовым шнуром, который впоследствии удаляют. В некоторых типах сварных соединений возможно применение медны.

2.2 Сварка и резка плазменной струей

Сущность способа. Плазма -- ионизированный газ, содержащий электрически заряженные частицы и способный проводить ток.

Ионизация газа происходит при его нагреве.

Дуговую плазменную струю для сварки и резки получают по двум основным схемам. При плазменной струе прямого действия изделие включено в сварочную цепь дуги, активные пятна которой располагаются на вольфрамовом электроде и изделии. При плазменной струе косвенного действия активные пятна дуги находятся на вольфрамовом электроде и внутренней или боковой поверхности сопла. Плазмообразующий газ может служить также и защитой расплавленного металла от воздуха. В некоторых случаях для защиты расплавленного металла используют подачу отдельной струи специального, более дешевого защитного газа. Газ, перемещающийся вдоль стенок сопла, менее ионизирован и имеет пониженную температуру. Благодаря этому предупреждается расплавление сопла. Однако большинство плазменных горелок имеет дополнительное водяное охлаждение.

Дуговая плазменная струя -- интенсивный источник теплоты с широким диапазоном технологических свойств. Ее можно использовать для нагрева, сварки или резки, как электропроводных металлов, так и неэлектропроводных материалов, таких как стекло, керамика и др. Тепловая эффективность дуговой плазменной струи зависит от величины сварочного тока и напряжения, состава, расхода и скорости истечения плазмообразую-щего газа, расстояния от сопла до поверхности изделия, скорости перемещения горелки (скорости сварки или резки) и т. д. Геометрическая форма струи может быть также различной (квадратной, круглой и т. д.) и определяться формой выходного отверстия сопла.

2.3 Сварка электронно-лучевая и лазерная

В промышленности все более широкое применение находят тугоплавкие и химически активные металлы и сплавы. Поэтому для их сварки необходимо применять источники с высокой концентрацией теплоты, а для защиты расплавленного и нагретого металла использовать среды, содержащие минимальное количество водорода, кислорода и азота. Этим условиям отвечает сварка электронным лучом.

Сущность и техника сварки электронным лучом. Сущность процесса состоит в использовании кинетической энергии потока электронов, движущихся с высокими скоростями в вакууме. Для уменьшения потери кинетической энергии электронов за счет соударения с молекулами газов воздуха, а также для химической и тепловой защиты катода в электронной пушке создают вакуум порядка 10~⁴--10~⁵ мм рт. ст.

Сварка электронным лучом имеет значительные преимущества

1. Высокая концентрация ввода теплоты в изделие, которая выделяется не только на поверхности изделия, но и на некоторой глубине в объеме основного металла. Фокусировкой электронного луча можно получить пятно нагрева диаметром 0,0002--5 мм, что позволяет за один проход сваривать металлы толщиной от десятых долей миллиметра до 200 мм. В результате можно получить швы, в которых соотношение глубины провара к ширине до 20: 1 и более. Появляется возможность сварки тугоплавких металлов (вольфрама, тантала и др.), керамики и т. д. Уменьшение протяженности зоны термического влияния снижает вероятность рекристаллизации основного металла в этой зоне.

2. Малое количество вводимой теплоты. Как правило, для получения равной глубины проплавления при электронно-лучевой сварке требуется вводить теплоты в 4--5 раз меньше, чем при дуговой. В результате резко снижаются коробления изделия.

3. Отсутствие насыщения расплавленного и нагретого металла газами. Наоборот, в целом ряде случаев наблюдается дегазация металла шва и повышение его пластических свойств. В результате достигается высокое качество сварных соединений на химически активных металлах и сплавах, таких как ниобий, цирконий, титан, молибден и др. Хорошее качество электроннолучевой сварки достигается также на низкоуглеродистых, коррозионно-стойких сталях, меди и медных, никелевых, алюминиевых сплавах.

Проплавление при электронно-лучевой сварке обусловлено в основном давлением потока электронов, характером выделения теплоты в объеме твердого металла и реактивным давлением испаряющегося металла, вторичных и тепловых электронов и излучением. Возможна сварка непрерывным электронным лучом. Однако при сварке легкоиспаряющихся металлов (алюминия, магния и др.) эффективность электронного потока и количество выделяющейся в изделии теплоты уменьшаются вследствие потери энергии на ионизацию паров металлов.

В этом случае целесообразно сварку вести импульсным электронным лучом с большой плотностью энергии и частотой импульсов 100--500 Гц. В результате повышается глубина проплавления. При правильной установке соотношения времени паузы и импульса можно сваривать очень тонкие листы. Благодаря теплоотводу во время пауз уменьшается протяженность зоны термического влияния. Однако при этом возможно образование подрезов, которые могут быть устранены сваркой колеблющимся или расфокусированным лучом.

Основные параметры режима электронно-лучевой сварки -- сила тока в луче, ускоряющее напряжение, скорость перемещения луча по поверхности изделия, продолжительность импульсов и пауз, точность фокусировки луча, величина вакуума (табл. 5). Для перемещения луча по поверхности изделия используют перемещение изделия или самого луча с помощью отклоняющей системы. Отклоняющая система позволяет осуществлять колебания луча вдоль и поперек шва или по более сложной траектории. Низковольтные установки используют при сварке металла толщиной свыше 0,5 мм для получения швов с отношением глубины к ширине до 8:1. Высоковольтные установки применяют при сварке более толстого металла с отношением глубины к ширине шва до 25: 1.

Основные типы сварных соединений, рекомендуемые для электронно-лучевой сварки, приведены на рис. 54. Перед сваркой требуется точная сборка деталей (при толщине металла до 5 мм зазор не более 0,07 мм, при толщине до 20 мм зазор до 0,1 мм) и точное направление луча по оси стыка (отклонение не больше 0,2--0,3 мм). При увеличенных зазорах (для предупреждения подрезов) требуется дополнительный металл в виде технологических буртиков или присадочной проволоки. В последнем случае появляется возможность металлургического воздействия на металл шва. Изменяя величину зазора и количество дополнительного металла, можно довести долю присадочного металла в шве до 50%.

Недостатки электронно-лучевой сварки: возможность образования несплавлений и полостей в корне шва на металлах с большой теплопроводностью и швах с большим отношением глубины к ширине; для создания вакуума в рабочей камере после загрузки изделий требуется длительное время.

Сущность и техника сварки лучом лазера. В настоящее время сварка лучом лазера имеет еще незначительное применение в промышленности. Излучение лазера с помощью оптических систем может быть сфокусировано в пятно диаметром в несколько микрометров или линию и т. д. Световой луч может быть непрерывным или импульсным. При импульсном луче сварка происходит отдельными или перекрывающимися точками.

Основными параметрами луча лазера являются его мощность, длительность импульса и диаметр светового пятна на свариваемой поверхности. Расфокусировка луча также влияет на глубину проплавления основного металла. При положительных расфокусировках глубина проплавления изменяется более резко. Поглощение световой энергии основным металлом зависит от состояния его поверхности, поглощательной способности (часть светового потока, отражаясь, теряется).

Высокая концентрация теплоты в световом пятне лазера позволяет практически все металлы довести не только до расплавления, но и до кипения. Поэтому его можно использовать для сварки тугоплавких металлов. Однако мощность квантовых генераторов до последнего времени была невелика и позволяла сваривать металл толщиной до 1 мм. Поэтому луч лазера в основном использовали для сварки однородных и разнородных металлов в радиоэлектронике. Однако в последнее время появились лазеры с большой энергией луча. Они позволяют сваривать и резать различные металлы и неметаллы толщиной до десятков миллиметров. Большим преимуществом способа сварки лучом является возможность ведения процесса в вакууме, защитных газах или на воздухе. Однако следует помнить, что при сварке на воздухе расплавленный металл контактирует с окружающей его атмосферой, что может привести к развитию нежелательных металлургических взаимодействий, снижению свойств металла шва и образованию в нем дефектов.

2.4 Электрошлаковая сварка

Этот способ широко используют в промышленности для соединения металлов повышенной толщины: стали и чугуна различного состава, меди, алюминия, титана и их сплавов. К преимуществам способа относится возможность сварки за один проход металла практически любой толщины, что не требует удаления шлака и соответствующей настройки сварочной установки перед сваркой последующего прохода, как при других способах сварки. При этом сварку выполняют без снятия фасок на кромках. Для сварки можно использовать один или несколько проволочных электродов или электродов другого увеличенного сечения. В результате этого достигается высокая производительность и экономичность процесса, повышающиеся с ростом толщины свариваемого металла.

К недостаткам способа следует отнести то, что электрошлаковая сварка технически возможна при толщине металла более 16 мм и за редкими исключениями экономически выгодна при сварке металла толщиной более 40 мм. Способ позволяет сваривать только вертикальные швы. При сварке некоторых металлов образование в металле шва и околошовной зоны неблагоприятных структур требует последующей термообработки для получения необходимых свойств сварного соединения.

Сущность способа. Известно, что расплавленные флюсы образуют шлаки, которые являются проводниками электрического тока. При этом в объеме расплавленного шлака при протекании сварочного тока выделяется теплота. Этот принцип и лежит в основе электрошлаковой сварки. Электрод и основной металл связаны электрически через расплавленный шлак. Выделяющаяся в шлаковой ванне теплота перегревает его выше температуры плавления основного и электродного металлов. В результате металл электрода и кромики основного металла оплавляются и ввиду большей плотности металла, чем шлака, стекают на дно расплава, образуя ванну расплавленного метала.

Электродный металл в виде отдельных капель, проходя через жидкий шлак, взаимодействует с ним, изменяя при этом свой состав. Шлаковая ванна, находясь над поверхностью расплавленного металла, препятствует его взаимодействию с воздухом. При правильно подобранной скорости подачи электрода зазор между торцом электрода и поверхностью металлической ванны остается постоянным.

Свариваемый металл, шлаковая и металлическая ванны удерживаются от вытекания обычно специальными формирующими устройствами -- подвижными или неподвижными медными ползунами 5, охлаждаемыми водой, или остающимися пластинами. Верхняя кромка ползуна располагается несколько выше зеркала шлаковой ванны. Кристаллизующийся в нижней части металлической ванны расплавленный металл образует шов 7. Шлаковая ванна, находясь над поверхностью металлической ванны, соприкасаясь с охлаждаемыми ползунами, образует на них тонкую шлаковую корку, исключая тем самым непосредственный контакт расплавленного металла с поверхностью охлаждаемого ползуна и предупреждая образование в металле шва кристаллизационных трещин.

Расход флюса при этом способе сварки невелик и обычно не превышает 5% массы наплавленного металла. Ввиду малого количества шлака легирование наплавленного металла происходит в основном за счет электродной проволоки. Доля основного металла в шве может быть снижена до 10--20%. Вертикальное положение металлической ванны, повышенная температура ее верхней части и значительное время пребывания металла в расплавленном состоянии способствуют улучшению условий удаления газов и неметаллических включений из металла шва. По сравнению со сварочной дугой шлаковая ванна -- менее концентрированный источник теплоты. Поэтому термический цикл электрошлаковой сварки характеризуется медленным нагревом и охлаждением основного металла. Отклонение положения оси свариваемого шва от вертикали возможно не более чем на 15° в плоскости листов и на 30--45° от горизонтами.

Так как выделение теплоты в шлаковой ванне происходит главным образом в области электрода, максимальная толщина основного металла, свариваемого с использованием одной электродной проволоки, обычно ограничена 60 мм. При сварке металла большей толщины электроду в зазоре между кромками сообщают возвратно-поступательное движение (до 150 мм) или используют несколько неподвижных или перемещающихся (рис. 56) электродов. В этом случае появляется возможность сварки металла сколь угодно большой толщины.

Техника сварки. Электрошлаковый процесс устойчиво протекает при плотностях тока около 0,1 А/мм² (при дуговой сварке порядка 20--30 А/мм²). Поэтому возможна замена проволочных электродов на пластинчатые (рис. 57) или ленточные электроды. Однако, если невозможно использование механизма подачи пластинчатых электродов (недостаток места над изделием и др.) и при сварке изделий сложного сечения (пластинчатый электрод должен быть неподвижен) для компенсации недостатка металла для заполнения пространства между электродами и электродами и кромками основного металла используют способ сварки плавящимся мундштуком. В этом случае пластинчатый электрод по форме может повторять форму свариваемых кромок и быть составным.

Токоподвод к электродной проволоке осуществляется через скользящий контакт с пластинчатым расплавляющимся электродом (мундштуком). Один из приемов наплавки плоских поверхностей. При контактно-шлаковой сварке стержней различного поперечного сечения после образования металлической ванны требуемого объема происходят выключение сварочного тока и осадка верхнего стержня. Этим способом можно приваривать стержни к плоской поверхности. Устойчивость электрошлакового процесса, форма шва и глубина проплавления основного металла зависят от параметров режима сварки. К основным параметрам относятся: скорость сварки, сварочный ток, скорость подачи электродов напряжение сварки, толщина металла, приходящаяся на один электрод, расстояние между электродами z. Вспомогательные составляющие режима: зазор между кромками, состав флюса, глубина шлаковой ванны, скорость возвратно-поступательных движений электрода.

Список литературы:

1. Ерохин А.А. Основы сварки плавлением. М., «Машиностроение», 2003.

2. Патон Б.Е., Лебедев В.К. Электрооборудование для дуговой и шлаковой сварки. М., «Машиностроение», 2002.

3. Потапьевский А.Г. Сварка в защитных газах плавящимся электродом. М., «Машиностроение», 2005.

4. Петров Г.Л. Сварочные материалы. Л., «Машиностроение», 2002