Сварка

Введение 

Сваркой называют технологический процесс получения  механически неразъемных

соединений, характеризующихся  непрерывностью структур – непрерывной

структурной связью.

Это технологический  процесс, с помощью которого изготавливаются  все основные

конструкции гидротехнических сооружений, паровых и атомных  электростанций,

автодорожные, городские  и железнодорожные мосты, вагоны, наводные и подводные

корабли, строительные металлоконструкции, всевозможные подъемные  краны и

многие другие изделия.

Если некоторое  время тому назад конструкции  изготавливались в основном из

относительно просто сваривающихся материалов, то в настоящее  время, наряду с

традиционными, для сварных конструкций применяются материалы с весьма

различными физическими  характеристиками: коррозионно-стойкие и жаропрочные

стали и сплавы, никелевые и медные сплавы с особыми  свойствами, лёгкие сплавы

на алюминиевой о магниевой основах, титановые сплавы, ниобий, тантал и другие

металлы и сплавы.

Многообразие свариваемых  конструкций и свойств материалов, используемых для

изготовления, заставляют применять различные способы  сварки, разнообразные

сварочные источники  теплоты.

Для сварочного нагрева  и формирования сварного соединения используются:

энергия, преобразованная  в тепловую посредством дугового разряда,

электронного луча, квантовых генераторов ;

джоулево тепло, выделяемое протекающим током по твёрдому или жидкому

проводнику; химическая энергия горения, механическая энергия, энергия

ультразвука и  других источников.

Все эти способы  требуют разработки, производства и  правильной эксплуатации

разнообразного  оборудования, в ряде случаев с  применением аппаратуры, точно

дозирующей энергию, со сложными схемами, иногда с использованием технической

электроники и  кибернетики.

Разнообразие способов сварки, отраслей промышленности, в  которых её

используют, свариваемых  материалов, видов конструкций и  огромные объёмы

применения позволяют  охарактеризовать технологический  процесс сварки, как

один из важнейших  в металлообработке

    

Газовая (газокислородная) сварка 

При газовой сварке кроме металла, подлежащие сварке, подлежащие сварке,

нагреваются до расплавления теплом экзотермической реакции, протекающей  в

пламени газовой  горелки между горючим газом (как  правило, ацетиленом) и

кислородом (рисунок  прилагается). Ацетилен (C₂H₂)

получают из карбида  кальция при взаимодействии его  с водой:

CaC₂ + 2H₂O = C₂H₂ + Ca (OH) ₂

Ацетилен сжигается  в смеси с кислородом посредством  специальной горелки.

Процесс подготовки ацителено-кислородной смеси к горению и самого горения

можно разделить  на три стадии :

1-ая стадия : подготовка горючего к сгоранию (распад углерода)

     C₂H₂               2C + H₂ +226 000 кДж/моль

2-ая стадия : образование CO и H₂ (окисление углерода)

     C₂H₂ + O2               2C + H₂ + O₂ = 2CO + H₂ + 2472 200 кДж/моль.

3-я стадия : окончательное окисление оксида углерода и водорода :

     2CO + O₂             CO₂ +571 000 кДж/моль ;

     H₂ + 0,5O₂              H₂O + 142 000 кДж/моль.

Строение пламени  при горении ацетилена в смеси  с кислородом характеризуется

наличием трёх зон : ядра (1), средней зоны (2) и факела (3). Наивысшая

температура (2730-2230 ⁰С) имеет место в районе второй зоны.

Поэтому при сварке горелку располагют так, чтобы ядро пламени касалось

поверхности сварочной  ванны.

Газовая горелка  применяется как при изготовлении изделий из тонколистовой

стали, так и  при сварке чугуна (при ремонтных  работах) и некоторых цветных

металлов и сплавов  на их основе.

                             Термитная сварка                            

Осуществляется  за счёт тепловой энергии, выделяемой при обменной реакции

компонентов термита  – смеси оксидов железа    (~ 80 %) и измельчённого

алюминия (~ 20 %) :

                  Схема процесса термитной сварки                 

3Fe₃O₄ + 8AI = 4AL₂O₃ + 9Fe +Q₁

Fe₂O₃ + 2AI + AI₂O₃ + 2Fe +Q₂

Где Q₁  ~= 3344 кДж/кг. Термит загружается в специальный тигель,

сообщающийся с  формой, облегающей свариваемый стык (рельсов, стальных приводов,

гребных валов  судов и других изделий ), и поджигается за счёт магниевого или

электрического  запала. В результате горения подогретый металл затекает в стык

(рисунок а) и   б). ), а образовавшийся шлак выпускают в специальный сосуд –

приставку.

Кроме варианта термитной  сварки плавлением, в некоторых случаях  используют

вариант сварки давлением, отличающийся тем, что разогретые и  оплавленные

шлаком кромки соединяемых деталей сдавливают специальным приспособлением.

                  Механическая сварка (сварка трением).                 

Основана на использовании для нагрева соединяемых деталей превращения

механической энергии  трения в кинетическую.

Способ применяется  для соединения стержневых деталей, труб небольшого

диаметра и других подобных изделий. Сварка выполняется  на специальных

машинах, в зажимах которых закрепляют свариваемые детали. Одна из деталей

остаётся неподвижной, а другая приводится во вращение и торцом с определённым

усилием прижимается  к торцу неподвижной детали(см. рисунок)

Частота вращения детали составляет 500-1500 мин^-1 . Вследствие трения

торцы деталей  быстро разогреваются и через  относительно короткое времч

происходит их оплавление, автоматически выключается  фрикционная муфта,

прекращая вращение шпинделя; затем производится осевая осадка деталей.

Способ весьма экономичен и обладает высоким К.П.Д. Потребляемая мощность

составляет 15-20 Вт/мм², а затраты электроэнергии в 7-10 раз меньше,

чем при контактной стыковой сварке.

Способ позволяет  сваривать не только однородные, но и разнородные

металлы(например, алюминий с медью, алюминий со сталью, медь со сталью и

т.д.). Особенно эффективна сварка заготовок металорежущего инструмента:

свёрл, метчиков, резцов и другого инструмента из углеродистой и быстрорежущей

стали.

                     Электрическая контактная сварка.                    

По форме выполняемых  соединений различают три основных вида контактной сварки

: стыковую, точечную  и шовную или роликовую.

При стыковой сварке  через стык соединяемых деталей  пропускают электрический

ток. После разогрева  зоны сварки производится осадка.

При точечной сварке  соединяемые детали, чаще всего листы, собирают

внахлёстку и  зажимают между двумя медными, охлаждаемыми изнутри проточной

водой электродами, подводящими ток к месту сварки и имеющими вид усечённого

конуса. Ток проходит от одного электрода к другому  через толщу соединяемых

металлов и контакт  между ними и производит местный  нагрев их(вплоть до

температуры расплавления). Давлением Р, приложеныым к электрода, производят

осадку. Полученное сваренное соединение в плане  имеет форму пятна диаметром  в

несколько миллиметров. Это пятно называют точкой.

При шовной сварке электроды, подводящие ток к изделию  и осуществляющие

сварку, имеют форму  роликов, катящихся по изделию, в  связи с чем эту

разновидность контактной сварки называют также роликовой. При  шовной сварке

листы соединяются  непрерывным плотным швом.

Энергия, выделяемая на контактах между электродами  и основным металлом,

расходуется на подогрев поверхности свариваемых деталей  и ускоряет износ

электродов, в связи с чем является вредной. Для уменьшения износа электродов

обычно предусматривается  водяное охлаждение их.

Все разновидности  электрической контактной сварки широко используют в

промышленности, а  в ряде отраслей (например в автомобилестроении и др.)

находят наибольшее по сравнению с другими способами  сварки применение.

     Электрическая дуговая сварка.

     Наиболее широко  используется  при  изготовлении всевозможных сварных

конструкций. В зависимости  от материала сварной  конструкции, её габаритов,

толщины свариваемого металла  и других особенностей свариваемого изделия

предпочтительное  применение находят  определённые разновидности  электрической

дуговой сварки.     Так, при изготовлении конструкций из углеродистых

и низколегированных  конструкционных  сталей наибольшее примение находят как

ручная  дуговая сварка качественными  электродами с  толстым покрытием, так и

автоматическая  и полуавтоматическая сварка под флюсом, а так же сварка в

углекислом  газе; при сварке конструкции из высоколегированных сталей, цветных

металлов  и сплавов на их основе предпочтительное использование находит

аргонно-дуговая  сварка, хотя при  определённых условиях применяются и  некоторые

другие  разновидности электрической  дуговой сварки

                   Аргонно-дуговая  сварка вольфрамовым                  

                                электродом                               

Вольфрамовый электрод закрепляется в токопроводящем устройстве специальной

горелки, к которой  по шлангам подводится токоведущий  провод и инертный газ

аргон. Истекающая из сопла горелки струя аргона оттесняет воздух и надёжно

защищает электрод, дугу и сварочную ванну от окисления  и азотирования. Таким

образом, процесс  осуществляется при струйной защите зоны сварки от контакта с

воздухом. Если возникает  необходимость в добавочном (присадочном) металле для

усиления шва(валика), то в дугу подаётся присадочная проволока, как правило,

того же или  близкого состава, что и свариваемый  металл.

Так как при  такой схеме процесса имеет место  весьма надёжная изоляция

сварочной ванны (а  если надо, то и остывающего шва) от кислорода и азота