Історія і розвиток зварювального виробництва

Мал. 2.4. Схема ручного дугового зварювання електродом, що плавиться металевим електродом з покриттям

На рис. 2.4 приведена схема ручного зварювання покритим електродом із зображенням поздовжнього перерізу зони зварювання.

При ручного дугового зварювання електрод затискається в спеціальний утримувач, що знаходиться в руці зварника, який за допомогою кабелю з'єднується до джерела живлення дуги.

Дуга може харчуватися як постійним, так і змінним струмом, одно- або багатофазним, низькою або високої частоти. При постійному струмі має значення полярність електрода. Найчастіше до електрода приєднують негативний полюс джерела струму, а до виробу - позитивний; тоді отримують пряму або нормальну полярність, Очевидно, що при харчуванні дуги змінним струмом полярність електрода буде постійно змінюватися з періодом, рівним частоті змінного струму.

Після порушення дуги зварник починає її переміщати в заданому напрямку. У міру плавлення електрода він подає його в зону зварювання для підтримки довжини дуги постійної величини. При розплавленні електрода одночасно плавиться і зварюваний метал, в результаті формується зварний шов.

Іноді замість плавиться електрода зварювальник використовує не плавиться (вугільний), тому для формування зварного шва в зону дуги вводиться спеціальний додатковий присадний пруток, який, розплавляючись, утворює зварний шов. При виконанні зварювальних робіт зварювальник користується спеціальним щитком, що захищає обличчя і очі від сильного світлового потоку і бризок металу. У щитку є вікно з темним захисним склом, що дозволяє спостерігати за зоною зварювання і впливати на поведінку рідкого металу в зварювальній ванні. Теплом дуги розплавляється не тільки металевий пруток 1 (див. Рис. 2.4), а й покриття 2, і у вигляді крапель 3 переноситься в зварювальну ванну 4, де перемішується з розплавленим металом виробу, що зварюється. Покриття плавиться повільніше прутка, тому на торці електрода утворюється своєрідна втулка, яка спрямовує потік виділяються газів і парів в дузі в сторону зварювальної ванни, що полегшує відрив крапель від торця електрода. Метал ванни покривається захисним шаром шлаку 5, що створює потім на затверділому металі шва 6 шлакову кірку 7, збиває з його поверхні після закінчення зварювання.

Глибина h (див. Рис. 2.4), на яку розплавляється зварюваний метал (глибинапроплавлення) залежить від режиму зварювання (сили зварювального струму, швидкості переміщення дуги вздовж зварювальних кромок та інших параметрів) і просторового положення зони зварювання.

Сварка покритим електродом може здійснюватися у всіх просторових положеннях свариваемого ділянки вироби: в найбільш зручному для зварника положенні -нижнє, на вертикально розташованому ділянці і, нарешті, в стельовому положенні, коли поворот вироби для зручності зварювання неможливий.

У процесі зварювання рука зварника зазвичай робить ряд складних рухів: крім подачі електрода до виробу і переміщення вздовж зварювальних кромок, зварювальник одночасно робить поперечні коливання тієї чи іншої форми. Від того, наскільки він при цьому володіє умінням підтримувати безперервність горіння дуги і забезпечувати сталість ведення процесу, залежить стабільність форми і якість зварного шва.

Важливою характеристикою якісних електродів є коефіцієнт наплавлення ан, який показує, скільки електродного металу під дією зварювального струму в 1 ампер наплавляється в одиницю часу. Знаючи коефіцієнт наплавлення електрода і величину використовуваного струму, можна легко визначити продуктивність зварювання цим електродом:

, (2.3)

де - продуктивність наплавлення, г / ч; - коефіцієнт наплавлення, г / Ач; - величина струму, А.

Коефіцієнт наплавлення у звичайних електродів з покриттям лежить в межах 8 - 10 г / Ач.

Зварювальні ж струми для електродів, що мають діаметр 3 - 6 мм і використовуваних при виконанні основного обсягу робіт, складають 120 - 350 А, при напрузі дуги 16 - 30 В. Коефіцієнт наплавлення можна збільшити, якщо до складу покриття ввести залізний порошок ( від 5 до 50% маси прутка}; тоді коефіцієнт наплавлення зростає до 12 - 20 г / Ач, а продуктивність зварювання зростає в 1,5 - 2 рази. Першою стала виготовляти подібні електроди голландська фірма ФІЛІПС (1946-1947 рр.) . Такі ж електроди, що містять в покритті 30 - 50% залізного порошку, випускається в США, Фра ції, Бельгії та інших країнах.

В СРСР електроди з залізним порошком в покритті набули широкого поширення в 60-ті роки XX ст. (Електроди ОЗС-3, АНО-1, ОЗС-5, ВН-48 і ін.).

Процес виготовлення покритих електродів включає наступні основні операції:

правку і рубку очищеної дроту на прутки необхідної довжини;

грубе і тонке дроблення (помел) входять до складу покриття речовин (компонентів), з їх подальшим просіюванням на спеціальних ситах;

виготовлення обмазувальної пасти;

нанесення обмазки на електродні прутки шляхом опресування;

сушку покритих електродів з метою видалення з покриття вологи і додання йому необхідної механічної міцності,

В даний час є великі спеціалізовані виробництва з виготовлення електродів потужністю до 60 тис. Т електродів в рік. У багатьох з них діють потокові лінії, з широкою механізацією і автоматизацією ряду виробничих операцій. У таких лініях успішно працюють високопродуктивні електродоізготавлівающіе агрегати, сушильно-прокалочную конвеєрні печі плавильно-відрізні автомати та інше сучасне і продуктивне обладнання.

Які переваги та недоліки ручного дугового зварювання покритими електродами?

Безсумнівним і головним достоїнством її є універсальність і велика маневреність; ручне зварювання покритим електродом може здійснюватися не тільки в будь-якому просторовому положенні, але і в будь-якому, недоступному для інших способів зварювання, місці вироби, при будь-якій товщині зварюваного металу, забезпечуючи виконання швів самої різної протяжності. Разом з тим велика різноманітність типів і марок покритих електродів дозволяє успішно зварювати і наплавляти найрізноманітніші стали і спеціальні сплави, чавуни, кольорові метали і сплави на їх основі, отримувати зварні з'єднання з них високої якості. До переваг ручного дугового зварювання слід віднести простоту процесу, застосування нескладного в пристрої і роботі обладнання для харчування дуги, що дозволяє використовувати цей спосіб не тільки в стінах великого підприємства, а й на будівельних, а також монтажних майданчиках, в невеликих майстерень як міського, так і сільського типу. Разом з тим ручного дугового зварювання притаманні значні недоліки, найважливішими з яких є: використання ручної праці робітників високої кваліфікації, низька продуктивність процесу внаслідок використання невеликих величин зварювального струму (щоб не перегрівався пруток електрода) і перерва процесу через необхідність заміни електродів в міру того , як вони розплавляються.

У практиці зварювального виробництва відомі численні спроби применшити названі недоліки ручного дугового зварювання. В результаті були розроблені такі способи зварювання, як зварювання електродами підвищеного діаметра (до 10 мм), зварювання пучком електродів, зварювання з глибоким проваром (або зварювання обпиранням електрода), зварювання лежачим і похилим електродами і т.д.

Слід, однак, відзначити, що всі ці та інші прийоми не можуть ліквідувати головного недоліку ручного дугового зварювання, а саме, застосування ручного, що не механізованої праці.

Незважаючи на певні недоліки ручного дугового зварювання необхідно, проте, кожному майбутньому інженеру-зварнику оволодіти технікою ручного зварювання покритим електродом. Це дозволить глибше зрозуміти і засвоїти багато теоретичні курси, такі, наприклад, як теорія зварювальних процесів, зварні конструкції, технологія дугового зварювання та ін. Жоден з інших способів дугового зварювання, крім ручної, не дозволяє реально і зримо відчути і відчути, як порушується дуга, як відбувається плавлення металу електрода і вироби, як веде себе зварювальний ванна в різних просторових положеннях, як підтримується стійке горіння дуги і т.д.

Ось чому оволодіння студентами навичками виконання ручного дугового зварювання є не тільки бажаним, а й необхідним елементом підготовки висококваліфікованого фахівця. Оволодіння технікою ручного дугового зварювання може здійснюватися як в рамках самостійної роботи студента в лабораторіях кафедри, так і в процесі проходження практик.

Тривалий час ручна дугова зварка була єдиним способом з'єднання (і роз'єднання) металів, хоча багато передових інженери прагнули ліквідувати ручну працю при зварюванні шляхом розробки різних пристроїв і пристосувань з метою механізації процесу.

Початок широкої механізації і автоматизації зварювальних процесів було пов'язано зі створенням у 1939--1940 рр. під керівництвом академіка Е.О. Патона способу «швидкісного автоматичного зварювання голим електродом під шаром флюсу». Цей спосіб і сьогодні залишається найбільш економічним і високопродуктивним процесом, що забезпечує отримання зварних швів високої якості.

У чому ж полягає корінна відмінність дугового зварювання під флюсом від ручної?

При зварюванні під флюсом (рис. 2.5) замість штучних електродів застосовується електродний дріт 1 великої довжини, згорнута у вигляді касети. Її подача в зону дуги по мірі плавлення, а також переміщення самої дуги вздовж зварювальних кромок механізовані і здійснюються зварювальним автоматом, які мають пристрій 2 для внесення в зону зварювання флюсу і відсмоктування нерасплавівшіеся його частини зі шва для повернення в бункер.

Порушення дуги передує засипка флюсу вздовж зварювальних кромок у вигляді валика завтовшки 50 - 60 мм. Виникла при включенні автомата дуга 3 між торцем електродного дроту / і зварюються виробом 4 виявляється закритою флюсом: вона горить в закритій порожнини, утвореної розплавленим флюсом, тобто шлаком 5, в своєрідному газовому міхурі 6. Закрита порожнину і виникає статичний тиск шару флюсу на рідкий метал зварювальної ванни 7 запобігають розбризкування рідкого металу і порушення в формуванні шва.

Розплавлений флюс-шлак, володіючи невеликою щільністю, спливає на поверхню рідкого металу зварювальної ванни, утворюючи в процесі затвердіння шлакову кірку 8, легко видаляється зі шва 9. нерозплавлений ж частина флюсу 10 відсмоктується пневмоустройства 11 автомата в бункер 2 для повторного використання.

Мал.2.5. Схема зварювання під флюсом:

А - зварювальний головка; Б - механізм переміщення; I, II, III - поперечні перерізи в різних зонах шва

Що ж являє собою флюс?

Флюс - це сипучий, зернистий, тобто гранульований матеріал, з величиною зерен (гранул) 1-2 мм.

Сучасні флюси різноманітні, різняться призначенням, складом і властивостями. Залежно же від способу виготовлення розрізняють флюси плавлені та неплавление,

Плавлені флюси отримують шляхом сплаву різних речовин (мінералів, рудних продуктів і ін.) В печах, тому готовий плавлений флюс відноситься до складних силікатів, близьким по властивості до скла. Шлаки, ними утворені, в зоні зварювання виконують в основному захисну роль, ізолюючи рідкий метал від контакту з повітрям, будучи в металургійному щодо малоактивними.

Неплавление флюси, до яких відносяться насамперед так звані керамічні, виготовляють без сплаву входять до їх складу порошкоподібних речовин, шляхом зв'язування такої суміші рідким склом (силікатним клеєм) з подальшою грануляцією в зерна розміром 1 - 3 мм. Для цього здійснюють протирання густої маси через відповідні сита, з певним розміром осередку, а потім просушують і прожарюють флюс. Подібні флюси містять в своєму складі (як і електродні покриття) неокислені, вільні елементи - метали або їх сплави (феросплави), що дозволяє при зварюванні під таким флюсом активно втручатися в хід хімічних реакцій в рідкій зварювальної ванні, здійснювати розкислення, легування металу шва , очищати його від шкідливих домішок, впливати на структуру шва, тобто отримувати в результаті зварні шви потрібного складу і властивостей.

Головним вузлом зварювального автомата є зварювальний головка А (див. Рис. 2.5), що виконує операції щодо порушення дуги, її підтримці і припинення горіння. Крім неї автомат має ходової механізм Б для переміщення головки вздовж зварювальних кромок по спеціальних напрямних рейках, пристрій для підйому і опускання головки, котушку з намотаною електродної дротом, а також флюсоапарат, що забезпечує подачу флюсу в зону зварювання і відсмоктування невикористаної його частини. Роль зварника, який працює із зварювальним автоматом, зводиться лише до управління процесом зварювання за допомогою пульта управління, коректора.

При включенні автомата провідні ролики зварювальної головки починають обертатися і штовхають електродний дріт, до якої вони щільно притиснуті, вниз - в токоподводящий мундштук. Токоподводящий мундштук приєднаний проводом до одного з полюсів джерела живлення зварювальної дуги (див. Рис. 2.5), Інший полюс ІП з'єднаний з виробом.

Оскільки підвід струму до дроту через мундштук виробляється лише в декількох сантиметрах від її кінця, виключається значне нагрівання цієї ділянки, званий вильотом електрода, джоулевим теплом, що дозволяє застосовувати для такої зварювання, на відміну від ручної, підвищений струм.

Так як дуга, яка перебуває під флюсом, невидима, це виключає можливість візуального спостереження за становищем кінця електрода. Контроль над процесом зварювання ведуть по приладах і вказівником положення електрода щодо крайок зварюється.

Для коригування кінця електродного дроту щодо крайок у автомата є коректори, керовані вручну або за допомогою автоматичних пристроїв.

За способом подачі електродного дроту розрізняють автомати з залежною від напруги дуги і її довжини швидкістю подачі електродного дроту і автомати з постійною швидкістю подачі електродного дроту. Автомати першого типу мають досить складну схему автоматичного регулювання дуги, в якій використана залежність швидкості подачі дроту від напруги дуги і її довжини. Поява другого типу автоматів пов'язано з відкриттям в 1942 р професором В.І. Дятловим явища саморегулювання дуги. Воно полягає в мимовільному відновленні довжини дуги, порушеною під дією випадкових факторів. Якщо, наприклад, в процесі зварювання довжина дуги раптово зменшилася (при проходженні ділянки з прихваткой), то мимоволі збільшиться швидкість плавлення дроту і швидко відновиться нормальна довжина дуги і т.д. Різноманітні по конструкції автомати цього типу відрізняються великою надійністю, простотою управління і обслуговування, не вимагають застосування складних автоматичних механізмів для регулювання процесу зварювання. Велика серія подібних автоматів розроблена і продовжує розроблятися Інститутом електрозварювання ім. Є.О. Патона.

Залежно від того, яким чином проводиться переміщення дуги вздовж зварювальних кромок вироби, зварювальні автомати поділяються на три групи: підвісні автомати, самохідні автомати та зварювальні трактори.

Підвісні автомати або підвісні зварювальні головки зазвичай використовуються в спеціалізованих установках (наприклад, трубозварювальних станах). Така головка закріплюється нерухомо, виріб ж від окремого приводу отримує рух зі швидкістю, що дорівнює швидкості зварювання.

Самохідні автомати, або самохідні зварювальні головки, мають механізм руху по рейковому шляху і при зварюванні переміщаються по цьому шляху.

Великого поширення в зварювальному виробництві отримали зварювальні трактори - легкі, компактні самохідні автомати, які можуть переміщатися безпосередньо по виробу, не вимагаючи стаціонарних пристроїв з рейковими шляхами.

Зварювальні автомати успішно використовуються в масовому і серійному виробництві виробів для виконання прямолінійних і кругових швів великої протяжності.

Мал. 2.6. Схеми різних видів зварювання під флюсом:

а - однієї дугою; б - здвоєним електродом; в - дводуговими від двох джерел живлення; г - стрічковим електродом

Основним видом автоматичного зварювання під флюсом є зварювання однієї дугою, коли подається в зону дуги одна електродний дріт (рис. 2.6, а).

Однак можлива зварювання двома і більше дугами, з подачею двох і більше дротів. При багатоелектродного зварюванні все електродні дроту під'єднані до одного полюса джерела живлення (рис. 2.6, б), а при многодуговой - кожна з дротів отримує харчування від окремого джерела (рис. 2.6, в). При цьому можливе зварювання з однією спільною зварювальної ванній, куди надходить рідкий метал від всіх плавящихся дротів, або зварювання так званими розсунутими дугами, коли кожна дуга створює свою зварювальну ванну, а наступна за нею дуга перекриває своєю ванною частина попередньої. Існують також види автоматичного зварювання з використанням декількох зварювальних головок, що діють одночасно на різних ділянках шва, і інші. Всі ці види автоматичного зварювання під флюсом переслідують одну головну мету: ще більш підвищити продуктивність зварювання. Так, якщо однодугові зварювання під флюсом производительней ручної в 4 - 6 разів, то багатодугового - вже в 15 - 20 разів.

Вельми перспективним є застосування стрічки замість електродного дроту (рис. 2.6, г). Електродна стрічка зазвичай має товщину до 2 м і ширину до 40 мм.

Палаюча дуга швидко переміщається поперек стрічки, рівномірно її оплавляючи. Змінюючи форму стрічки можна істотно впливати і на форму шва, тобто глибину проплавлення і ширину. Можна замість однієї стрічки застосовувати кілька стрічок (як і дротів), що особливо ефективно при виконанні наплавочних робіт для отримання широкошарову наплавлення на поверхню виробу. Менш відома і розроблена зварювання стрічковим електродом, хоча цей процес, безсумнівно, має велике майбутнє.

Неважко побачити переваги автоматичного зварювання під шаром флюсу. Вони зводяться до наступного:

висока продуктивність процесу, обумовлена ​​можливістю застосовувати значний за величиною струм (в порівнянні з відкритою дугою - в 10 разів і більше);

закрита і потужна дуга під флюсом забезпечує краще використання зварювального струму - значне проплавление зварюється, що дозволяє зменшувати оброблення крайок або взагалі її не робити. Наслідком цього є істотне скорочення витрати електродного металу і електроенергії. Разом з тим, зменшуються і втрати металу на чад, розбризкування, недогарки (неминучі при ручному зварюванні);

стабільне, гарна якість і формування зварних швів;

високий рівень механізації і можливість комплексної автоматизації зварювального процесу;

поліпшення умов праці, так як немає необхідності в захисті очей і обличчя зварника від шкідливого впливу дуги.

Однак у способу є і недоліки:

можливість зварювання тільки в нижньому положенні при нахилі вироби не більше, ніж на 10-15 ° від горизонталі, з метою попередження набрякання розплавленого металу і флюсу, що порушує правильне формування шва;

неможливість (чи недоцільність) зварювання тонколистового металу товщиною менше 3 мм, швів малого калібру;

складність і громіздкість зварювального устаткування, що зменшують маневреність способу;

необхідність більш ретельної (в порівнянні з ручним зварюванням) підготовки крайок і більш точного складання деталей під зварювання.

Ряд перерахованих недоліків і обмежувальних чинників, властивих зварюванні під флюсом, можуть бути повністю або частково усунені при використанні такого важливого виду дугового зварювання, як зварювання в захисних газах. В даний час дугова зварка в захисних газах займає одне з провідних місць в зварювальному виробництві і продовжує розвиватися й удосконалюватися.

При цьому виді зварювання замість флюсу використовується захисний газ, що подається в зону горіння дуги під невеликим надлишковим тиском, що захищає розплавлений метал від контакту з повітрям (рис. 2.7).

Для захисту зони зварювання застосовують три групи газів: інертні (аргон, гелій), активні (вуглекислий газ, водень, азот і ін.) І суміші газів (,,, та ін.).

Вибір захисного газу визначається особливостями зварюється, вимогами до властивостей зварних з'єднань, ефективністю процесу та іншими міркуваннями.

Першим, що висловили в кінці XIX в. ідею про зварювання в захисному газі, був М.М. Бенардос. Реалізацію ж цієї ідеї в 20-х роках XX ст, здійснили американські інженер Александер і фізик, теж інженер, Ленгмюра, використовуючи при зварюванні стрижневим електродом в якості захисту суміш газів. Значно пізніше, в 40-х роках XX ст. в СРСР і в США, майже одночасно, з'являється новий вид дугового зварювання - в середовищі інертних газів.

газ

Мал. 2.7. Схема дугового зварювання в захисних газах при використанні не плавиться (а] і плавиться (б) електрода:

1 - не плавиться (а) і плавиться (6) електроди; 2 - токоподводящий мундштук; 3 - ізолююча втулка; 4 ~ - сопло; 5 - виріб, що зварюється; 6 - присадний пруток

В СРСР цей процес розроблявся в НИИАТ (Науково-дослідний інститут авіаційної технології (м.Москва)), спочатку із застосуванням плавиться вольфрамового електрода, а в кінці 40-х років XX ст. - і плавиться. Протягом приблизно 10 років в ряді організацій (ІЕЗ ім. Є.О. Патона, МВТУ ім. Баумана, ЦНИИТМАШ, МАТИ (Московський авіаційно-технологічний інститут) і ін.) Робляться безуспішні спроби використовувати при зварюванні в СО2 плавиться електрод, але лише в 1952 р в ЦНИИТМАШ співробітниками К.В Любавський і Н.М. Новожилова отримані позитивні результати: вони застосували не звичайну зварювальну, а спеціальну дріт.

Використання в якості захисного середовища сумішей газів - інертних і активних - виявилося в ряді випадків більш ефективним, так як за рахунок активного впливу на хід реакцій, що протікають в металі, вдається отримати більш високоякісні зварні шви.Більш досконала захист зварюється створюється при використанні місцевих захисних пристроїв, спеціальних камер з атмосферою - для ручної і механізованої зварювання, і так званих населених камер, в яких зварювання здійснюється після створення відповідного середовища - зварювальником, одягненим в скафандр.

Результатом великої спільної роботи колективів МВТУ ім, Баумана і МЕІ (Московський енергетичний інститут), розпочатої в 1961 р, стало застосування для дугового зварювання вакуумної захисного середовища (мм рт. Ст.), Що створюється в спеціальних вакуумних камерах. В такому середовищі вміст азоту і кисню на один-два порядки нижче, ніж при зварюванні в аргоні вищої чистоти.

Для зварювання плавиться, стали застосовувати вугільні (графітові) і вольфрамові стрижні.

Вугілля, чи графіт, відноситься до нерасплавляемим крихким матеріалами; при високій температурі дуги такі електроди інтенсивно випаровуються, чи не розплавляючись, піддаються окисленню і тому досить швидко витрачаються.

Застосування електродів з вольфраму економічно вигідніше, незважаючи на високу вартість цього металу. Вольфрам є самим тугоплавким з металів (), тому такий електрод лише повільно оплавляется і випаровується, Для захисту від окислення і збільшення терміну служби такого електрода зварювання здійснюють в струмені захисного газу, яким може бути водень або інертні гази - аргон, гелій.

Сутність процесу зварювання плавиться, полягає в наступному. Дуга прямої дії (рис. 2.7, а) порушується і горить між вольфрамовим електродом 1 і зварюються виробом 5. Вся зона зварювання (кінець електрода, дуга і ванночка розплавленого металу) захищається від контакту з повітрям інертним газом, що подається у вигляді потоку, концентрично спрямованого щодо електрода.

Сопло 4 служить для формування і потрібного напрямку потоку захисного газу. Всі названі елементи утворюють так звану пальник - основний робочий інструмент зварника. Така пальник легка, компактна і зручна в роботі. Оскільки електрод є не плавиться, в більшості випадків для потрібного формування шва в зону зварювання вноситься присадний метал 6, що подається зварювальником. Однак можлива зварювання і без внесення присадки зварювальником, тоді потрібну освіту шва забезпечується за рахунок розплавлення спеціально підготовлених під зварювання відбортованих кромок стику, або за рахунок розплавлення попередньо укладеного на зварюваний стик присадочного металу.

Сварка в захисних газах неплавким електродом має багато різновидів, одна з яких, наприклад, називається зварюванням пульсуючою дугою або імпульсно-дугового зварювання.

При зварюванні пульсуючою дугою, розробленої в СРСР в 1961 року (автори А.В. Петров, Г.А. Славін), струм дуги пульсує від мінімуму під час паузи до максимуму під час імпульсу. Таке харчування дуги струмом дозволяє виконувати зварювання вельми тонких елементів зі швами, розташованими в різних просторових положеннях, а також керувати процесом кристалізації металу шва з метою отримання високої їх якості.

Найчастіше зварювання неплавким електродом в інертних газах застосовується при виготовленні виробів з алюмінію, магнію і їх сплавів, сплавів на основі нікелю, деяких спеціальних сталей. Для зварювання особливо активних і тугоплавких металів, таких як титан, молібден, ніобій, тантал, цирконій і інших, потрібен захист від контакту з повітрям не тільки самої зварювальної ванни, а й значної частини прилеглого до неї по обидва боки нерозплавленого металу, що нагрівається до високих температур, при яких ці ділянки можуть взаємодіяти з повітрям і купувати погані властивості. В цьому випадку, в залежності від ступеня відповідальності вироби, вдаються до використання спеціальних захисних кожухів - невеликих пересувних камер або більш досконалих камер з атмосферою, населених камер, в яких і здійснюється зварювання.

Сварка в захисних газах електродом, що плавиться набагато випереджає за обсягом застосування зварювання неплавким електродом (приблизно 90% обсягу - зварювання плавиться).

При зварюванні плавиться дуга збуджується між виробом і електродом, який у міру розплавлення подається в зону дуги спеціальними подаючими роликами (рис. 2.7, б). Область використання плавиться електрода в захисному інертному газі приблизно така ж, що і при зварюванні вольфрамовим електродом, - отримання швів різної протяжності та конфігурації на виробах з кольорових металів, високолегованих сталей, титанових сплавів і ін. І в цьому випадку успішно застосовується імпульсно-дугова зварювання, що дозволяє отримувати зварні з'єднання не тільки в нижньому, а й у вертикальному і стельовому положеннях. В Інституті електрозварювання ім. Є.О. Патона створено кілька різновидів цього процесу.

З активних захисних газів найбільш широко застосовують для дугового зварювання електродом, вуглекислий газ, використання якого спочатку було безуспішним. Б чому ж причини перших невдач по використанню вуглекислого газу в якості захисного середовища? Б зоні горіння дуги вуглекислий газ, відтісняючи повітря, разом з тим є активним окислювачем, так як під дією високої температури дуги легко розпадається на окис вуглецю (СО) по реакції:

Тому при зварюванні в такому середовищі вуглецевої сталі в рідкому металі зварювальної ванни протікає окислення ряду важливих елементів, що входять до складу стали і визначають її властивості, таких як кремній, марганець, вуглець. Окислення кремнію і марганцю створює плівку шлаку на поверхні металу; при окисленні ж вуглецю в металі утворюються бульбашки окису вуглецю СО, які частиною встигають покинути твердіє метал ванни, а частиною залишаються в ньому, будучи причиною пір в шві.

Виявилося, що якщо в зварювальну ванну внести додаткові порції кремнію і марганцю, вони, будучи сильними раскислителями, загальмовують взаємодія вуглецю з киснем, а значить і газоутворення, що викликає пористість швів.

Ось чому, встановивши це, К.В. Любавський і Н.М. Новожилов (ЦНИИТМАШ) запропонували замість звичайної бескремністой маломарганцовістой зварювального дроту застосовувати для зварювання в спеціальну кремніймарганцевистої дріт, що забезпечує внесення в рідкий метал достатніх кількостей кремнію і марганцю, необхідних для отримання якісних зварних швів.

Різновидами цього процесу, успішно застосовуються в промисловості, що підвищують економічну ефективність зварювання, слід назвати зварювання електрозаклепкамі (ЦНИИТМАШ), зварювання з примусовим формуванням вертикальних швів (Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона), зварювання з добавками до вуглекислого газу кисню (до 30 %), а також інертних газів, що підвищують стійкість горіння дуги, проплавляемость металу, поліпшують зовнішній вигляд швів та ін.

Для зварювання плавиться створена велика група напівавтоматів і автоматів. Напівавтомати шлангові мають механізм подачі дроту штовхає, тягне або змішаного типу. Напівавтомати відрізняються портативністю, легкістю - на відміну від призначених для зварювання під флюсом. Нові зразки напівавтоматів для дугового зварювання електродом, розробляються з метою забезпечення більшої стійкості процесу зварювання за рахунок кращої стабілізації швидкості подачі дроту, а також максимального підвищення надійності в роботі невеликих за розмірами і легких пальників.

В останнє десятиліття відзначається помітне розширення обсягу застосування зварювання в захисних газах, особливо плавиться, що пояснюється великою універсальністю і маневреністю процесу в поєднанні з високою продуктивністю, легкістю його механізації та автоматизації.

Сварка в захисних газах дозволяє:

успішно виконувати шви в будь-якому просторовому положенні, що дає можливість використовувати зварювальні роботи;

виконувати стикові шви «на вазі», тобто без будь-яких попередніх подварок або застосування підкладок;

безпосередньо спостерігати і контролювати рух дуги по зварювального ділянки, освіта шва, так як зона зварювання відкрита.

Крім того, відсутня шлаковая кірка на шві, а значить і витрати часу на її видалення.

До недоліків цього процесу слід віднести наступні:

при виконанні великих за розмірами швів продуктивність приблизно вдвічі менше, ніж при зварюванні під флюсом;

утруднена зварювання на відкритому повітрі при вітрі - через здування захисного газу;

при зварюванні у вуглекислому газі в загальному випадку спостерігається розбризкування металу, що вимагає після закінчення зварювання видалення бризок з поверхні металу;

необхідність застосування захисних засобів проти світлового і теплового випромінювання дуги.

Найбільш раціонально використовувати зварювання в захисних газах при виготовленні виробів з металу невеликої товщини (до 10 мм), коли застосування зварювання під флюсом виявляється невигідним або неможливим.

Сварка в вуглекислому газі зайняла провідне місце в суднобудуванні, транспортному і сільськогосподарському машинобудуванні, у виробництві трубопроводів, при виконанні різних монтажних робіт - в процесі виготовлення листових і ґратчастих конструкцій, встановлення перегородок в морських і річкових суднах, в поточному виробництві балонів, баків, бочок і інших посудин, різних машинобудівних деталей. У вуглекислому газі зварюють вироби з маловуглецевої, легованих, а в деяких випадках і високолегованих сталей, чавуну.

Інертні гази використовують при зварюванні судин і апаратів для хімічної промисловості, різних вакуумних камер, з'єднань трубопроводів для агресивних рідин та інших виробів, що виготовляються зі спеціальних сталей, легких і кольорових металів, активних і тугоплавких металів. Особливе місце серед способів дугового зварювання займає зварювання самозахисного дротом, розробленої практично одночасно в 1958 році в СРСР і США. При цьому способі захист металу шва від шкідливого впливу повітря і його легування досягаються тільки за рахунок процесів, які супроводжують плавлення спеціальної електродного дроту, без додаткового використання флюсу або будь-якого захисного газу.

Найпростіше це досягається при використанні так званих порошкових дротів, що представляють собою металеву оболонку / (рис. 2.8, а) і сердечник 2 у вигляді суміші порошків різних матеріалів. Потрапляючи в зону дуги 4, порошок частково розплавляється, частково прокидається в зварювальну ванну, що забезпечує надійний захист металу шва 6 від повітря (за рахунок утворення газового середовища) і шлакової кірки 5 і його легування. Через малу електропровідності сердечника дута збуджується між металевою оболонкою і виробом (рис. 2.8, а). Конструкція порошкового дроту може бути будь-якою (1, 2, 3, 4 на рис. 2.8, б) і залежить від конкретних вимог до зварювально-технологічними властивостями самозахисних дротів.

Мал. 2.8. Схема процесу зварювання порошковим дротом (а) і конструкція порошкового дроту (б).

Різноманіття способів і техніки дугового зварювання не вичерпується розглянутими способами в цьому розділі.

Надалі при вивченні спеціальних дисциплін студенти розглядають їх досить докладно, тут же ми зупинимося ще на одному варіанті використання дуги в зварювальному виробництві, а саме на плазмовому зварюванні й різанні. При плазмовому зварюванні й різанні джерелом нагрівання служить дуга, стовп якої примусово обжатий по діаметру, що призводить до різкої концентрації питомої теплової потужності і підвищення температури плазми дуги.

Основним інструментом при плазмовому зварюванні й різанні служить плазмотрон, що є генератором плазми, т.е. іонізованого газу з високою температурою.

Вперше стислу водяним вихором дугу спостерігали на початку 20-х років XX ст. Герда і Лотц (Німеччина). Однак лише в середині 50-х років стисла дуга знайшла практичне застосування: в США був розроблений спосіб різання такий дугою товстолистового алюмінію.

В СРСР роботи по використанню стислої дуги в зварювальної техніки почалися з 1956 р Дослідження і розробки в цій галузі були зосереджені в ряді науково-дослідних інститутів: ВНІІАВТОГЕНе, НІАТ, інституті металургії ім. А.А. Байкова, інституті електрозварювання ім. Є.О. Патона, ВНІІЕСО (Всесоюзний науково-дослідний інститут електрозварювального устаткування (м.Санкт-Петербург)).

На відміну від звичайної дуги, що горить вільно, коли для плавлення металу використовується головним чином тепло, що виділяється в активних плямах (анодна і катодного плями), в стислій дузі роль активних плям є несуттєвою основним джерелом тепла для зварювання (або різання) служить штучно подовжувати і стислий стовп дуги, перетворюваний в яскраво світиться струмінь плазми або потік плазми - з високою щільністю енергії.

Дугову плазмову струмінь для зварювання та різання отримують за двома основними схемами (рис. 2.9). При плазмовому струмені прямої дії (рис. 2.9, а) виріб включено в зварювальну ланцюг дуги, активні плями якої розташовуються на вольфрамовому електроді / і виробі 5. Плазмова струмінь непрямої дії (рис. 2.9, 6) утворюється при дуговому розряді, що відбувається між вольфрамовим електродом 1 і внутрішньої бічною поверхнею сопла 3.

Мал. 2.9. Принципові схеми плазмотронів прямої дії (а) і непрямого впливу (б):

1 - вольфрамовий електрод; 2 - електроізоляційна втулка; 3 - сопло; 4 - плазмовий струмінь; 5 - виріб, частково розрізане плазмою.

Як же працює плазмотрон? Усередині корпусу плазмотрона є камера, в якій розташований вольфрамовий електрод 1 і туди подається під деяким тиском плазмообразующий газ (аргон, гелій і ін.). Нижня частина корпусу, звана соплом (3), утворює вузький канал для виходу плазми. Сопло в процесі роботи охолоджується проточною водою. Так як при нагріванні дуговим розрядом плазмообразующего газу його обсяг збільшується в 50-100 і більше разів (при одночасній іонізації), створюються високі, близькі до надзвукових, швидкості витікання плазмового струменя з сопла. Дугова плазмова струмінь - інтенсивне джерело теплоти, що використовується в даний час для нагріву, зварювання і різання як електропровідних металів (будь-яких), так і неелектропровідних матеріалів, таких як скло, кераміка та ін. Надзвичайно перспективним є використання стислої дуги в наплавочних роботах і в процесах напилення (див. нижче розділ 4).

Особливою сферою застосування стислої дуги є нагрів деталей під пайку і термообробку. Стислу дугу успішно використовують у чорній металургії. Тут потужними плазмотронами здійснюють переплав металевих злитків для одержання особливо чистого, позбавленого шкідливих домішок металу.

На закінчення розділу відзначимо, що дугового розряд, відкритий В.Б. Петровим в 1802 р, не вичерпав ще всіх своїх можливостей і областей застосування, зокрема в галузі зварювального виробництва.

3.2 Електрошлакове зварювання

Розробка цього принципово нового процесу була здійснена на початку 50-х років минулого століття співробітниками ІЕЗ ім. Є.О. Патона АН УРСР на чолі з Г. З. Волошкевичем при творчій співдружності з заводами НКМЗ (Новокраматорський машинобудівний завод), Таганрозьким «Червоний казаняр».

Найважливішим наслідком всіх цих робіт стало вирішення проблеми якісного й високопродуктивного однопрохідної зварювання металу практично необмеженої товщини. Ефективність процесу виявилася величезною. За новою технологією стали зварюють великогабаритні деталі в суднобудуванні (корпусу, несучі конструкції), в хімічному та важкому машинобудуванні (судини, станини потужних пресів, вали великих гідротурбін, прокатне устаткування, реакторні колони і ін.), В котлобудуванні і мостобудуванні. Цей процес знайшов застосування в наплавочних роботах, в ремонтній справі, при зварюванні арматури, рейок. Виявилося, що досить ефективно різні литі і ковані великогабаритні деталі виготовляти шляхом з'єднання окремих частин за допомогою електрошлакового зварювання. Відомо, що при розплавленні флюсу утворюється шлак, який є провідником електричного струму. При пропущенні електричного струму через шлак в ньому буде виділятися, відповідно до закону Джоуля-- Ленца, теплота. Цей принцип і лежить в основі електрошлакового зварювання (рис. 2.10). Сварка зазвичай виконується при вертикальному розташуванні деталей, що збираються з зазором величиною b.

Мал. 2.10. Схема електрошлакового зварювання:

1 - зварювані пластини; 2 ~ токоподводящий мундштук; 3 -. Електрод; 4 - формують повзуни; 5 - шлаковая ванна; 6 - чавунна ванна; 7 - шов; 8 - подають ролики.

У простір, утворене зварюються крайками деталей / і формують повзунами 4, засипається спочатку невелика порція флюсу, потім порушується дуга між електродом, що плавиться 3 і виробом, що призводить до розплавлення флюсу і утворення шлакової ванни 5 необхідного обсягу і глибини, дуга при цьому гасне, але зварювальний струм внаслідок провідності шлаку буде продовжувати проходити між електродом 3, зануреним в шлак, і виробом 1, викликаючи сильний розігрів шлаковой ванни. За рахунок тепла шлаковой ванни відбувається оплавлення крайок, що зварюються деталей і розплавлення електрода. Розплавлений метал електрода у вигляді крапель і метал расславівшіхся кромок вироби стікають на дно ванни, утворюючи ванну розплавленого металу б (металеву ванну).

У міру розплавлення безперервно подається за допомогою роликів 8 через токоподводящий мундштук 2 електрода обсяг металевої ванни буде зростати. Одночасно, внаслідок інтенсивного тепловідведення в деталі, що зварюються і водоохолоджувані (мідні) повзуни, почнеться кристалізація рідкого металу в нижній частині металевої ванни, приводячи, таким чином, до формування монолітного зварного шва 7 одночасно по всій товщині деталей.

Безперервне плавлення електрода і кромок вироби, з одного боку, і кристалізація металу ванни, з іншого боку, призводять до безперервного переміщення металевої і шлакової ванни вгору, вздовж зварювальних кромок. Протягом усього циклу зварювання шлаковая ванна, перебуваючи над поверхнею розплавленого металу, перешкоджає його взаємодії з повітрям. З метою рівномірного розвариться кромок по товщині б і вирівнювання температури ванни по її обсягу застосовують коливання електрода шляхом надання йому зворотно-поступального руху в площині зазору (на рис. 2.10 напрямок коливання показано стрілками). Залежно від виду електрода і характеру його подачі в шлакову ванну, існує кілька різновидів електрошлакового зварювання (ЕШС): зварювання однієї електродної дротом (без коливань або з коливаннями), зварювання декількома електродними дротами (рис. 2,11, а), зварювання електродами великого перерізу - у вигляді пластин (рис. 2.11, б) і ін.

При зварюванні пластинчастими електродами вони подаються в шлакову ванну в міру оплавлення і заповнення рідким металом зазору. За рахунок збільшення числа пластин можна зварювати деталі будь-якої товщини. З практики відомо, що за допомогою ЕШС зварювалися заготовки товщиною більше 2600 мм, що мали в місці зварювання суцільний переріз до 10 м2, масою близько 300 т. Поряд із зазначеними різновидами ЕШС існують і інші, такі як ЕШС плавиться мундштуком, ЕШС із застосуванням порошкоподібного або кускового матеріалу, ЕШС з дозованою подачею потужності і т.д.

Мал. 2.11, Різновиди електрошлакового зварювання:

а - зварювання трьома електродними дротами; 6 - електродами великого перерізу.

Електрошлаковий процес успішно застосовують не тільки для зварювання, а й для наплавлення деталей різної конфігурації: плоскою, круглою, конічної і т.д. (Рис. 2.12).

До безперечних достоїнств електрошлакового зварювання можна віднести наступні:

можливість зварювання за один прохід виробів практично необмеженої товщини;

високу продуктивність зварювання товстостінних деталей (товщиною 60 мм і більше), що перевищує продуктивність багатошарового зварювання під флюсом тих же деталей в 5 - 6 разів, а річний - в 20 - 25 разів;

Мал. 2.12. Схеми використання електрошлакового процесу для наплавлення:

а - наплавка площинних виробів (листів); б - наплавлення циліндричних поверхонь при горизонтальному розташуванні циліндра; в - наплавка циліндричних поверхонь трубчастих електродом, 1 - виріб; 2 - наплавлений шар; 3 - охолоджуваний мідний повзун; 4 - електрод плавиться; 5 - шлаковая ванна; 6 - чавунна ванна.

незначний витрата флюсу, в 15 - 20 разів менший, ніж при автоматичному зварюванні;

менша (в 1,5 - 2 рази) енергоємність процесу в порівнянні з автоматичним зварюванням під флюсом;

невисока, в порівнянні з багатопрохідної автоматичним зварюванням під флюсом, вартість зварного з'єднання, обумовлена ​​малим витратою флюсу, електроенергії, спрощенням підготовки крайок під зварювання;

можливість виготовлення унікальних за розмірами і масою деталей і отримання таким шляхом сварнолітих, сварнокованих виробів (наприклад, сварнолітие станини важких пресів і прокатних станів, товстостінні сварнокование циліндри та ін.);

можливість отримання зварних з'єднань високої якості, позбавлених пір, шлакових включень, тріщин, підрізів.

Однак електрошлакове зварювання не позбавлена ​​і недоліків, до їх числа відносяться наступні:

застосування малій швидкості зварювання (менше 1 м / ч) при значному тепловкладенням призводить до тривалого теплового впливу на метал і повільного його охолодженню, наслідком чого є перегрів металу околошовной зони з формуванням в ній досить великого зерна, що володіє зниженими пластичними властивостями і крихкістю. Грубозерниста, лита структура утворюється і в металі шва. У зв'язку з цим виникає необхідність (особливо при виготовленні відповідальних конструкцій) після електрошлакового зварювання піддавати виріб спеціальній термообробці з метою зменшення розміру зерен;

необхідність встановлювати зварюваний з'єднання у вертикальному положенні або близькому до цього;

неприпустимість зупинки зварювального апарату в процесі виконання шва, так як тоді неминуча поява дефектів в місці зупинки після зварювання цієї ділянки;

необхідність виготовлення спеціальних технологічних деталей (планок, які формують пристроїв, «стартових кишень» для наведення шлакової ванни і ін.), необхідних при складанні виробу під зварювання.

Електрошлакове зварювання лягла в основу розробки ряду нових технологій, що виходять за рамки зварювального виробництва, які згодом отримали загальну назву - електрошлакове технологія, що включає сьогодні близько 20 технологічних процесів (див. Далі гол. 4).

3.3 Контактна і пресова зварювання

Контактна зварювання - найбільш старий і високопродуктивний процес отримання нероз'ємних з'єднань металів - була відкрита і вперше застосована для з'єднання металів в 1856 р англійським фізиком Вільямом Томсоном (Кельвіном). Пізніше, в 1877 р той же спосіб зварювання запропонував, незалежно від свого попередника, Е. Томсон з США. Якщо У. Томсон і Е. Томсон створили контактну стикове зварювання опором, то в 1877 р вже в Росії Н.Б. Бенардос став винахідником контактного точкового зварювання.

В СРСР контактне зварювання стали впроваджувати в довоєнні роки головним чином в автомобільну промисловість, використовуючи, в основному, зарубіжний досвід (США), Потім, в період перших п'ятирічок пішла організація виробництва потужних контактних машин поліпшеної конструкції.У цій роботі особливу роль зіграв зварювальний комбінат Оргаметалл, надалі перетворений в ЦНИИТМАШ, а після 1936 року - завод «Електрик», де створювалися контактні машини різного профілю, в тому числі для шовного-стикового зварювання труб, для стикового зварювання автомобільних коліс, для рельєфного зварювання і багато іншого. У ці ж роки для точкової і стикового контактного зварювання знайшов застосування в якості джерела енергії розряд конденсаторів, здійснена точкове зварювання вузлів авіаконструкцій з низьковуглецевої сталі і багатьох інших елементів конструкцій з різних матеріалів. Однак слабкість виробничої бази зварювального машинобудування в довоєнні роки не дозволила реалізувати багато цінні технологічні розробки в області контактного зварювання. В період Великої Вітчизняної війни рішенням однієї з серйозних завдань в області контактного зварювання було підвищення стабільності якості точкових з'єднань. У наступні роки багато зроблено по розробці, вдосконалення та впровадження у виробництво нового обладнання і технології по контактному зварюванні, наприклад, для зварювання стиків рейок, багатоточкового зварювання каркасних конструкцій у вагонобудуванні, автомобілебудуванні, с / г машинобудуванні, точкової і стикового зварювання деталей літальних апаратів, енергетичних установок, в масовому проізводствесварних труб різного призначення і т.д.

Розширилася і науково-дослідницька база по контактному зварюванні. Крім ЦНИИТМАШ, заводу «Електрик», Інституту електрозварювання ім. Є.О. Патона, такі роботи здійснювалися і тривають в МВТУ ім. Баумана, ВНІІЕСО, Інституті металургії ім. Байкова та багатьох інших науково-дослідних інститутах і в вищих навчальних закладах.

Освіта "нероз'ємного з'єднання при контактному зварюванні відбувається в результаті нагрівання металу проходять електричним струмом і пластичної деформації зони з'єднання під дією стискає зусилля.

Кількість тепла, що виділяється в металі при протіканні через нього електричного струму, визначається законом Джоуля - Ленца:

(2.4)

де - кількість тепла, кал; - струм, А; - опір на шляху струму, Ом; - час проходження струму, с.

Так як найбільший опір протікає току виникає в контакті між зварюються деталями (рис. 2.13), місце контакту і прилеглі до нього ділянки металу розігріваються найбільш інтенсивно і набувають підвищену пластичність, подальше механічне здавлювання (або осаду) деталей завершує процес зварювання.

Мал. 2.13. Схеми контактного стикового (а) і точкової (б) зварювання:

1, 2 - деталі, що зварюються (стрижні - а; листи - б); 3 - струмопідведення; 4 - трансформатор; 5 - ядро ​​зварної точки.

Таким чином, будь-яка машина для контактного зварювання повинна мати, крім електричної, і механічну частину. З огляду на, що всі метали мають великий електропровідністю, але малим питомим опором, для швидкого їх нагрівання і компенсації неминучих втрат тепла, в контактних машинах користуються великими зварювальними струмами (від тисячі до сотень тисяч ампер і більше), але дуже малим напругою, що становить всього кілька вольт. Такий принцип трансформування енергії здійснюється в знижувальному трансформаторі, що живить контактну машину і конструктивно складовим з нею єдине ціле.

Первинна обмотка понижуючого трансформатора (рис, 2.13, а) складається з великої кількості витків звичайного обмотувального дроту. Первинна обмотка при роботі трансформатора підключається до силової електромережі. Вторинна ж обмотка в більшості випадків складається з одного (максимум - двох) витків великого перерізу і тому має дуже малий опір, що дозволяє отримувати від неї значний за величиною зварювальний струм, що протікає через зварюються деталі. Включення і вимикання зварювального струму виробляється в первинному ланцюзі переривачем, мають досить складний пристрій. Якщо електрична частина контактної машини буває приблизно однаковою, то механічна її частина може бути різною по влаштуванню, і за цією ознакою в промисловості знаходять застосування десятки різних типів контактних машин.

За формою виконуваних зварних з'єднань існують три основних види контактного зварювання: стикове, точкове і шовна.

Стикова контактне зварювання має два різновиди: зварювання опором і зварювання оплавленням. При зварюванні опором (рис. 2.13, а) деталі міцно закріплюються в затискному пристрої машини і під невеликим тиском стискаються до зіткнення один з одним зварюються поверхнями. Потім включається струм, і деталі в місці контакту і зон, до нього прилягають, швидко розігріваються до високої температури (0,8 - 0,9). Тоді здійснюється їх здавлювання осадовим пристроєм машини, з одночасним виключенням струму. За рахунок пластичної деформації металу в стику відбувається утворення з'єднання в твердому стані.

Зварені деталі мають в місці зварювання значне посилення (збільшення перетину) за рахунок опади металу при стисненні.

До переваг стикового зварювання опором слід віднести:

простоту пристрою машини;

незначний витрата енергії на нагрів деталей, при високій продуктивності зварювання;

зменшений витрата металу (тільки на осадку).

Разом з тим, процес має і недоліки:

значний тиск опади, внаслідок чого машина повинна мати високі силові характеристики;

труднощі забезпечення високої якості зварних з'єднань (особливо при зварюванні великих перетинів) через нерівномірне прогрівання стику і можливої ​​присутності в ньому не видалених окисних плівок.

Стикова зварювання опором застосовується для з'єднання деталей невеликого перерізу, наприклад, дротів, а також стрижнів або смуг - з добре зварюється в пластичному стані стали (малоуглеродистая, низьколегована), за умови спеціальної підготовки торців елементів, що з'єднуються. Ефективне застосування цього виду зварювання при виготовленні зварних сіток і каркасів арматури залізобетону.

Сварка опалювальному може бути переривчастою і безперервного.

При переривчастому оплавленні ток включається в момент, коли деталі підведені один до одного, але ще роз'єднані. Під напругою проводиться подальше зближення деталей до короткого їх зіткнення в місцях виступів, нерівностей, а потім їх відводять один від одного. Таких зближень і відводів деталей з іскристим розбризкуванням частково розплавленого металу здійснюється кілька, поки не відбудеться оплавлення по всьому зварювального перетину. Лише після цього під підвищеним тиском проводиться швидка осаду деталей, в процесі якої і вимикається струм. При такому процесі відбувається видавлювання розплавленого, в основному окисленого металу та інших продуктів забруднення із зони зварювання, з утворенням так званого грата, після видалення якого залишається невелике посилення в зоні зварювання.

При безперервному оплавленні відбувається повільне і рівномірне зближення деталей, поки не здійсниться їх зіткнення в окремих точках - місцях виступів;

висока щільність струму, тут створювана, призводить до швидкого розплавлення і часткового випаровування металу на цих ділянках, з викидом його з площини стику у вигляді бризок, При подальшому зближенні в зіткнення приходять нові точки, процес повторюється і т.д. Зближення деталей продовжується до тих пір, поки обидві поверхні, що стикуються деталей рівномірно НЕ оплавятся. Тоді проводиться швидка осаду з додатком значного тиску. Сварка опалювальному має ряд переваг:

можливість отримання сполук з різних сталей кольорових металів та їх сплавів досить розвинутого перетину (вуглецевих сталей - більше 100 000 мм ^2, алюмінієвих сплавів - до 30 000 мм ² і ін.);

висока продуктивність машин (більше ніж при електродугової і електрошлакового зварювання встик таких же перетинів);

не вимагається особлива підготовка і очищення поверхонь, що з'єднуються деталей, якість зварних з'єднань високе.

Однак у цього виду зварювання є і недоліки: значні витрати металу на оплавлення і осідання; необхідність видалення після зварювання грата, а іноді і самого посилення;

ускладнена схема приводу машин і вузлів автоматичного управління.

Стикова зварювання оплавленням застосовується для з'єднання трубних стиків, фасонних профілів (наприклад, стиків рейок), стрижнів масивного перетину, різних деталей машин і т.д.

Одним з найбільш поширених способів контактного зварювання є точкове зварювання. При цьому процесі з'єднуються деталі затискають між електродами машини, що мають форму усічених конусів (рис. 2.13, 6), і через них пропускають струм.

Протікає через деталі струм найбільше розігріває метал в місці їхнього зіткнення, так як тут опір току найбільш значне.

Тиск, який чиниться на електроди, має бути таким, щоб не тільки подолати жорсткість деталей, але і здійснити потрібну пластичну деформацію розігрітого ділянки металу. У підсумку, в зоні зварювання створюється своєрідне ядро ​​зварної точки, що має чечевицеобразную форму (Рис. 2.13, б).

Для точкового зварювання характерна висока продуктивність, набагато перевищує продуктивність автоматичного дугового зварювання. Разом з тим цей процес високоекономічен, так як відсутній витрата зварювальних матеріалів, а витрата електроенергії невеликою. Крім того, деформації зварених деталей дуже незначні. До переваг точкового зварювання слід віднести простоту конструкції машини в порівнянні зі стиковими і шовними, можливість повної автоматизації процесу, комплексної автоматизації виробництва в цілому. Але і точкова контактне зварювання має недоліки:

можливість виконання з'єднання тільки внахлестку;

відсутність герметичності зварних швів;

залежність якості зварної точки від чистоти поверхні металу і ступеня пов'язаності їх один з одним і ін.

Найбільш ефективним є застосування точкового зварювання в серійному і масовому виробництві однотипних деталей - в автомобілебудуванні, с / г машинобудуванні, вагонобудуванні, вугільному машинобудуванні, електротехнічній та радіотехнічної промисловості, літакобудуванні та ін.

Машини для точкового зварювання найбільш універсальні, виконують до декількох сотень зварних точок в хвилину. Загальна їх кількість у декілька разів перевищує число контактних машин для стикового та шовного зварювання. Особливо доцільне застосування автоматизованих багатоточкових машин і комплексних автоматичних ліній.

Шовне зварювання близька точкової, але на відміну від неї, машина, що виконує цей процес, має замість конічних електродів ролики, що котяться по лінії зварювання і дає суцільний, безперервний плотнопрочний шов (рис. 2.14).

Зазвичай при шовного зварювання застосовується переривчастий режим роботи, тоді зварений шов складається з окремих зварних точок, взаємно перекривають один одного. Такий режим роботи здійснюється або за рахунок подачі струму у вигляді окремих імпульсів при безперервному переміщенні роликів, або за рахунок «крокової», тобто переривчастого руху роликів, коли струм дається в момент короткої зупинки роликів. Більш поширені машини, що працюють на режимі безперервного обертання роликів, які мають не таку складну конструкцію механічної частини. Шовна зварювання має ряд істотних переваг. До їх числа відносяться:

герметичність зварного з'єднання;

економічність процесу, внаслідок відсутності витрати зварювальних матеріалів і невеликої витрати електроенергії;

можливість повної автоматизації технологічного процесу.

Мал. 2.14. Схема шовного зварювання:

1, 2 - зварюються листи; 3 - електроди-ролики; 4 - трансформатор; 5 --сварной шов

Найбільш же істотні недоліки - необхідність очищення поверхонь, що зварюються від окалини, іржі, окислів і різних забруднень, порівняно невисока швидкість зварювання та ін.

Шовна зварювання використовується для з'єднання листів малої товщини (до 2 - 3 мм) у виробництві автомобілів, суцільнозварних тонкостінних труб, тонкостінних виробів електротехнічної та радіотехнічної промисловості, різних металевих виробів і т.д.

Для зварювання металу малої товщини (2 - 0,1 мм і менше), різних дрібних деталей велике застосування знайшла так звана конденсаторная зварювання, що здійснюється за рахунок запасеної або акумульованої енергії конденсатора машини, безперервно заряджаючого від мережі живлення і періодично розряджаються в ході зварювання. Для конденсаторного зварювання характерна мала споживана потужність з мережі при зарядці конденсатора, стабільну якість зварних з'єднань, як з однорідних, так і різнорідних металів, з дуже малою зоною термічного впливу. Разом з тим, зварюються деталі обмежені в розмірах, як по товщині, так і по перетину.

Конденсаторне зварювання знайшла застосування у виробництві дрібних і найдрібніших деталей з кольорових і чорних металів, головним чином, з отриманням точкових з'єднань. Вона використовується в приладобудуванні, радіотехнічної та електронної промисловості, у виробництві лічильних машин, фотоапаратів, годин, різних пристроїв оборонної техніки і ін.

Раніше було показано (див. Гл. 1, рис. 1.8), що для здійснення процесу зварювання металів без їх розплавлення (зварювання в твердій фазі) необхідно здійснити їх здавлювання таким зусиллям, щоб зім'яти поверхневі виступи (нерівності), тобто здійснити місцеву пластичну деформацію. Такий вид зварювання отримав назву зварювання, тиском або пресової. Необхідний тиск для зварювання буде тим менше, чим вище температура, що зварюється (див. Рис, 1.7). Пресова зварювання за останні роки набула широкого поширення в різних областях. Про це можна судити навіть за різноманітністю способів зварювання в твердій фазі: термокомпрессіонной, дифузійна, тертям, холодна, вибухом, ультразвукова та ін. Розглянемо коротко принципи і особливості деяких способів зварювання в твердій фазі.

Одним з найбільш древніх способів зварювання в твердій фазі є холодна. Це підтверджують, наприклад, золоті коробочки, що зберігаються в Національному музеї в Дубліні (Ірландія), які за висновком експертів, виготовлені в епоху пізньої бронзи із застосуванням холодної зварювання [1, с. 388]. Перші систематичні дослідження процесу холодної зварювання були розпочаті в 1948 р в Англії. Пізніше цей спосіб зварювання швидко поширився в багатьох промислово розвинених країнах і в даний час вона успішно застосовується для зварювання виробів з пластичних металів, таких як мідь, алюміній, свинець, олово, нікель і ін.

Оскільки холодне зварювання проводиться при кімнатній температурі на повітрі, то для здійснення міцних металевих зв'язків між атомами зварюваних деталей потрібно їх спільна пластична деформація досить значної величини з метою руйнування і видалення оксидних плівок із зони контакту, що забезпечує безпосередній контакт ювенільних поверхонь, що з'єднуються.

Існують численні способи холодної зварювання, але найбільш широко використовуються точкова і шовна для з'єднань внапуск і стикова для отримання сполук встик (рис. 2.15).

Мал. 2.15. Схеми холодної зварювання:

а, б - точкової; в, г - стикового; 1, 2 - деталі, що зварюються (листи - а, стрижні - б); 3 - пуансони; а, в - вихідне положення перед зварюванням; б, г - після зварювання.

Точкове зварювання (рис. 2.15, а, 6) здійснюється одночасним втискуванням з двох сторін пуансонів 3 в деталі I, 2, зібрані внахлестку і попередньо очищені по поверхнях дотику. У місцях вдавлення пуансонів деталі щільно стискаються, метал пластично деформується і видавлюється із зони впровадження пуансонів, що і забезпечує схоплювання (зварювання) металу деталей, що з'єднуються у вигляді точки. Стикова зварювання (рис. 2.15, в, г) виконується безпосереднім здавленням деталей, що з'єднуються 1, 2 в осьовому напрямку, що призводить до значного пластичного розтіканню металу деталей, що з'єднуються з утворенням так званого грата (посилення) в зоні зварювання, який згодом видаляється (рис. 2.15, г).

Найбільш широке застосування холодне зварювання знаходить в виробництві виробів домашнього побуту із алюмінію і його сплавів (чайники, каструлі і т.п.), в електротехнічній промисловості і транспорті для з'єднання алюмінієвих і мідних проводів, а також при приварке мідних наконечників до алюмінієвих проводів і т . Д.

Безперечні переваги холодної зварювання, такі як простота процесу, висока продуктивність, можливість використання стандартного пресового і прокатного обладнання та інші, ставлять цей вид зварювання в ряд важливих процесів. Слід, однак, мати на увазі і обмеження по використанню холодної зварювання, які пов'язані, в основному, з неможливістю здійснення великої пластичної деформації багатьох металів і сплавів (наприклад, вуглецевої сталі, алюмінієво-магнієвих сплавів і інших матеріалів).

До холодної зварюванні тісно примикає порівняно новий спосіб - зварювання вибухом, при якій з'єднання металів у твердому стані відбувається в процесі високошвидкісного зіткнення деталей, що з'єднуються, здійснюваного за допомогою енергії вибухових речовин (ВВ).

Перші випадки зварювання металів вибухом були зафіксовані в 1944--1946 рр. М.А. Лаврентьєвим з співробітниками в Інституті математики АН УРСР в Києві під час проведення експериментів з кумулятивними вибухами.

У 50-ті роки XX ст. в зв'язку з бурхливим розвитком нової техніки і застосуванням енергії вибуху для штампування, пресування і зміцнення металів з'явилася можливість виконувати пробні експерименти по здійсненню зварювання вибухом. Було встановлено, що при здійсненні нормального зіткнення твердих тіл якісне з'єднання не забезпечується. У 1964 р американські вчені Г. Кован, А. Хольцман і Дж. Дуглас запатентували спосіб зварювання пластин при косому їх зіткненні, що здійснюється плоским зарядом ВВ.

Розпочаті в 1961 р дослідження співробітниками Інституту гідродинаміки Сибірського відділення АН СРСР В.С. Сєдих, А.А. Дерибас, Є.І. Бігенковим і Ю.А. Гришина закономірностей зварювання вибухом привели до створення так званої «кутовий схеми», сутність якої ілюструється на рис. 2.16.

Зварювані пластини 1, 2 встановлюють один по відношенню до одного на деякій відстані з початковим кутом. Нерухома пластина 2 розташовується на спеціальній масивної опорі 3, а заряд вибухової речовини (ВВ) на поверхні метану пластини 1. Детонатор 4 ініціює вибухову хвилю, яка поширюється з великою швидкістю уздовж площини пластини 1. Утворені газоподібні продукти вибуху розвивають величезну місцеве тиск на метан пластину 1, що призводить до зіткненню її зі зварюваної пластиною 2 в точці контакту.

У міру поширення вибухової хвилі точка контакту пересувається уздовж поверхні нерухомої пластини з великою швидкістю.

Дослідження показали, що в процесі зварювання вибухом спостерігається інтенсивне самоочищення контактних поверхонь від різних поверхневих забруднень і окисних плівок, які під дією кумулятивного ефекту виносяться із зони контакту (точка К) за межі поверхонь, що з'єднуються. Створюються сприятливі умови для утворення

Мал. 2.16. Схема зварювання вибухом:

а - вихідний стан перед зварюванням; б - протікання процесу.

міцних металевих зв'язків в твердій фазі при взаємній пластичної деформації поверхневих шарів деталей, що з'єднуються.

В даний час зварюванням вибухом з'єднуються деталі досить великих розмірів (з площею з'єднання 15 - 20 м2) як з однорідних, так і різнорідних металів і сплавів (нержавіюча сталь - малоуглеродистая сталь, мідь - сталь, мідь - ніобій і т.д .).

Область застосування зварювання вибухом постійно розширюється і в недалекому майбутньому вона займе гідне місце в зварювальному виробництві.

Важливою різновидом зварювання тиском є ​​зварювання тертям, при якій освіту з'єднання здійснюється в твердій фазі, без розплавлення зварювальних деталей.

Від інших видів зварювання тиском зварювання тертям відрізняється способом введення тепла в деталі, що з'єднуються: нагрів деталей здійснюється шляхом безпосереднього перетворення механічної енергії в теплоту завдяки роботі сил тертя.

Про можливість нагріву тіл при терті відомо з найдавніших часів. Використання ж виділяється в цьому випадку тепла для цілей зварювання металів було вперше практично здійснено токарем-новатором А.І. Чудикова, зварити встик два стержня з низьковуглецевої сталі на токарному верстаті. Роботи по вивченню цього процесу, промислового його застосування також вперше в світі почалися в 1956 р під ВНІІЕСО, чому зварювання тертям в зарубіжній пресі називали «російської зварюванням».

Пізніше роботи зі зварювання тертям стали виконуватися в Чехословаччині, Японії, Англії, США, Польщі, Німеччини, Франції, Угорщини та в інших країнах.

Розробкою спеціалізованого обладнання для зварювання тертям, її теоретичних основ і технологічних прийомів крім ВНІІЕСО займалися ЦНИИТМАШ, ІМЕТ (Інститут металургії (м.Москва)) ім. А.А. Байкова, Мінський і Челябінський тракторні заводи, завод «фрезер», ВНІІІнструментов, НІІТракторосельмаш і інші організації. Координація їх діяльності в цьому напрямку сприяла швидкому впровадженню цього способу в різні галузі промисловості. За відносно невеликий відрізок часу зварювання тертям посіла чільне місце серед інших способів,

При зварюванні тертям тепло, необхідне для нагрівання металу, виділяється в результаті взаємного тертя торців деталей, що з'єднуються. Таке тертя здійснюється в результаті обертання однієї, рідше - обох деталей, стисливих зусиллям (рис. 2.17).

Осьовий тиск, який чиниться на деталі, в залежності від властивостей зварювальних металів може бути знято одночасно з припиненням обертання, або залишено на деякий час таким, яким воно було під час обертання, або навіть збільшено.

У процесі тертя не тільки виділяється необхідна для зварювання тепло, але і відбувається звільнення поверхонь, що з'єднуються від оксидів, шару адсорбованих газів і інших забруднень. В результаті рівномірного нагріву ювенільних поверхонь, що з'єднуються торців деталей і під дією сил здавлювання протікає пластична деформація металу в зоні зварювання і встановлюються необхідні міжатомні зв'язку. Структура металу формується тут дрібнозернистий, позбавлена ​​будь-яких включень і дефектів. Тому зварене з'єднання, отримане зварюванням тертям, має високу міцність і пластичністю.

Основними параметрами процесу є: швидкість обертання деталей -, осьове зусилля і величина пластичної деформації (величина опади).

Мал. 2.17. Схема процесу зварювання тертям:

1 - нерухомий стрижень; 2 - обертовий стрижень

Для зварювання тертям застосовується спеціалізоване обладнання, в якому механізми обертання деталей і приводу здавлювання їх (або опади) повинні володіти великою потужністю, особливо для з'єднання деталей великого перерізу.

До переваг зварювання тертям можна віднести:

малий час нагрівання деталей і невелика витрата електроенергії, так як тепло виділяється тільки в тонкому поверхневому шарі деталей. Тому питома споживана потужність, співвіднесення до одиниці перетину при зварюванні тертям, становить 8 - 20 Вт / мм ^2, а при контактному зварюванні того ж перетину 100-250 Вт / мм ^2;

продуктивність процесу висока, яка не поступається контактному зварюванні, одержувані зварні з'єднання мають необхідну міцність і пластичністю;

можливість якісного зварювання різнорідних металів і сплавів, наприклад, алюмінію зі сталлю, титану з алюмінієм, міді зі сталлю та інших сполучень;

можливість зварювання деталей, звільнених від окалини, але з необробленими і забрудненими кінцями;

відсутність різних шкідливих виділень в процесі зварювання (газів, бризок металу, випромінювань, флюсового пилу та ін.), що дозволяє встановлювати машини для зварювання тертям в механообробних цехах;

простота механізації і автоматизації процесу зварювання.

Разом з тим зварювання тертям не позбавлена ​​і недоліків. це:

обмеженість типу деталей, що зварюються стиковими з'єднаннями стрижнів, деталями, що мають форму тіл обертання (суцільного або трубчастого перетину);

значна потужність зварювальних машин з силових характеристик, висока їх вартість, обмеження по перетину деталей, що зварюються (до 30 000 мм ^2);

необхідність зачищення звареного стику від грата.

Зварювання тертям відноситься до числа прогресивних способів, що відрізняються великою економічністю і високим ККД машин. Вона застосовується на автомобільних, тракторних, авіаційних, верстатобудівних заводах, на підприємствах сільгоспмашинобудування, в інструментальній промисловості та інших підприємствах, особливо з серійним або масовим виробництвом однотипних деталей, що дає максимальний економічний ефект.

Вельми ефективним є застосування цього процесу для виготовлення заготовок різальних інструментів; зварюванням тертям вирішена проблема якості кінцевого різального інструменту, гладких і різьбових калібрів для токарних верстатів та інших деталей.

СРСР є батьківщиною ще одного, порівняно молодого способу зварювання тиском - дифузійної в вакуумі.

Спосіб дифузійного зварювання у вакуумі був розроблений в 1953 р Н.Ф. Козаковим.

Значну роль у подальшому розвитку цього способу зіграли роботи ряду науково-дослідних інститутів - Інституту металургії ім. А.А. Байкова (М.Х. Шоршоров), ЦНИИТМАШ (А.С. Гельман), Інституту електрозварювання ім. Є.О. Патона (Б.С. Касаткін, А.І. Макара) та інших організацій. Дифузійне зварювання відкрила нові можливості з'єднання металевих і неметалевих матеріалів, які іншими способами зварювання важко або взагалі неможливо було здійснити.

Цей процес успішно застосовують при виготовленні різних машин, приладів та іншої нової техніки. Цим способом освоєна зварювання близько 400 композицій металів, сплавів і неметалічних матеріалів.

Дифузійне зварювання у вакуумі отримала широке визнання і за кордоном в промислово розвинених країнах: вона використовується в США, Англії, Японії, Німеччини, Швеції, Франції, Бельгії при виготовленні виробів нової техніки.

У 1982 р цикл робіт по дифузійному зварюванні був удостоєний Ленінської премії.

Дифузійне зварювання заснована на нагріванні деталей до підвищеної температури з одночасним здавленням їх. Протікають при цьому явища можна умовно розділити на дві основні стадії. Для першої характерно (як і при холодному зварюванні) встановлення міжатомних зв'язків по всій площі поверхонь, що з'єднуються, внаслідок протікає під дією стиснення пластичної деформації металу, видалення поверхневих плівок окислів, газів і інших забруднень, що заважають формуванню таких зв'язків. Вакуумна ж середовище, в якій протікає процес зварювання, попереджає нове утворення оксидів та адсорбованих газів на з'єднуються поверхнях. Явища, що протікають в зоні з'єднання деталей на другій стадії дифузійної зварювання, обумовлені нагріванням і зводяться до взаємної дифузії атомів металів, що зварюються, посилюваної тиском, що чиниться на деталі. Цей процес, який закінчується формуванням структури в зоні з'єднання, в більшості випадків впливає зміцнюючих чином на зварене з'єднання. Схема процесу дифузійної зварювання показана на рис. 2.18.

Мал. 2.18. Схема дифузійної зварювання в вакуумі

Зварюються деталі 1, 2 поміщають у вакуумну камеру 3 і злегка підтискають один до одного. Після відкачування повітря з камери і створення необхідного вакууму (мм рт. Ст.) Деталі нагрівають зазвичай струмами високої частоти до відповідної температури (0,7 - 0,8), після чого до них механізмом навантаження 5 установки прикладають зусилля стиснення і в такому стані деталі витримують протягом деякого часу, що залежить від властивостей матеріалів, що зварюються, величини тиску та інших факторів.

Після зварювання деталі охолоджують або в камері, або на повітрі.

До переваг дифузійної зварювання в вакуумі слід віднести наступні:

отримання сполук високої якості за будь-яких поєднаннях матеріалів - металів, сплавів і неметалів (керамічні і металокерамічні сплави);

відсутність розплавлення, а значить і різкі відмінності в структурах в зоні з'єднання і прилеглих до неї ділянках;

незначна або нульова деформація зварених деталей, що дозволяє зварювати їх після остаточної обробки;

безпеку, простота обслуговування установок, відсутність шкідливих викидів в навколишнє середовище (променевої енергії, газів, пилу та ін.).

До недоліків процесу відноситься:

необхідність попередньої механічної обробки заготовок, щоб зменшити нерівності і мікровиступів на з'єднуються поверхнях;

підвищена трудомісткість процесу через збірки, нагріву і зварювання деталей в герметичній вакуумній камері, що ускладнює завдання комплексної автоматизації процесу;

велика тривалість формування зварного з'єднання.

Цей спосіб зварювання знайшов промислове використання у виробництві електровакуумних приладів, інструменту, різних деталей з біметалевих матеріалів і ін. Дифузійна зварювання в вакуумі відноситься до вельми перспективним процесам і знайде подальше значне застосування в електронній, космічній, авіаційній та інших найважливіших галузях техніки.

На закінчення відзначимо, що в даний час набули широкого поширення і інші різноманітні способи зварювання тиском, такі, наприклад, як ультразвукова, індукційна, магнітно-імпульсна і т.д.

Багато з них є єдино можливими способами з'єднання спеціальних деталей. Через обмеженість обсягу книги тут не розглядаються специфічні особливості названих та інших способів зварювання тиском, однак студенти досить докладно знайомляться з ними при вивченні спеціальних дисциплін.

3 4 Газове зварювання і різання

Газове зварювання заснована на використанні для розплавлення металу полум'я спалюваних в спеціальних пальниках горючих газів.

Батьківщиною цього способу є Франція. В кінці XIX століття була створена газовий пальник, що працює на суміші водню і кисню. Однак експлуатувати такі пальники було небезпечно через можливість проникнення полум'я в резервуар з воднево-кисневої сумішшю і її вибуху.

В подальшому, такий пальник була вдосконалена французьким хіміком Сент-Клер Девіль, що розмістили водень і кисень в різні резервуари зі змішанням цих газів вже в самій пальнику. Однак отримується при цьому полум'я мало недостатню температуру (-2200 ° С) для зварювання.

Розвиток промислового способу газового зварювання стало можливим завдяки двом обставинам: по-перше, відкриття методу отримання горючого газу ацетилену з карбіду кальцію, по-друге, - отримання в 1895 р французьким хіміком Анрі Луї Ле Шательє високотемпературного полум'я при спалюванні суміші ацетилену і кисню .

Пізніше, в 1901 р, французькими інженерами Едмоном Фуше і Шарлем Пікаром була сконструйована газосварочная пальник, що працює на ацетилено-кисневої суміші. Запропонована ними конструкція газозварювальної пальника практично не змінилася до теперішнього часу.

Винахідники газового зварювання назвали її автогенної, тобто «Самопроізводящейся». Це не настільки вдала назва вживається іноді і в даний час.

У початковий період розвитку газового зварювання на підприємствах Москви, Санкт-Петербурга, Києва та інших міст діяло невелике число газозварювальних постів, в основному в ремонтних залізничних майстерень і на деяких машинобудівних заводах. Після створення в 1931 р Московського автогенного заводу, що випускав апаратуру для газового зварювання і різання металів, застосування цього способу з'єднання деталей значно розширилося.

Велику роль у розвитку газового зварювання, а точніше сказати, газополум'яноїобробки, зіграв Всесоюзний науково-дослідний інститут автогенної обробки - ВНІІавтоген (згодом ВНІІавтогенмаш), який поряд з удосконаленням технології та обладнання для цього процесу досяг значних успіхів у розвитку кисневого різання, нанесенні газополуменевих покриттів, поверхневого гарту і ін.

Для успішної газового зварювання переважної більшості матеріалів і сплавів температура зварювального полум'я повинна бути не менше 3000 ° С. З численних горючих газів цій умові задовольняє тільки ацетилен, одержуваний в спеціальних ацетиленових генераторах, в яких протікає взаємодія карбіду кальцію з водою по реакції

(2.5)

Карбід кальцію - тверда і тугоплавкое кристалічна речовина, утворюється при сплаву вапна (СаО) з вугіллям (С) в дугових електричних печах:

(2.6)

Для досягнення найвищої температури при згорянні ацетилену використовується майже чистий кисень (97 - 98% кисню), який отримують з атмосферного повітря на спеціальних установках і поставляють споживачеві в сталевих балонах під тиском 15 МПа (150 кг / см ^2).

У практиці газового зварювання знайшли широке промислове застосування зварювальні пальники інжекторні або низького тиску. Схема такого пальника показана на рис. 2.19.

За шлангу через ніпель 1 і регулювальний вентиль 2 в інжектор 3 пальника надходить кисень під тиском 0,3 - 0,4 МПа (3 - 4 кг / см ^2). Струмінь кисню, виходячи з великою швидкістю з вузького каналу інжектора, інжектується (підсмоктує) ацетилен, що підводиться до пальника по шлангу через ніпель 10 під невеликим тиском - менше 0,05 МПа. У камері змішувача 4 кисень змішується з ацетиленом, звідки суміш по змішувальної трубці 5 рухається до наконечника 6 пальника.

При виході з каналу наконечника суміш підпалюється, Зуя зварювальне полум'я складної структури. Нормальне чное полум'я має три характерних зони; перша зона 7 Із середньою температурою 1500 ° С, де відбувається розпад ацетилену (С2Н2 = 2С + Н?}, друга зона 8, де ацетилен взаємодіє з киснем, що надходять з пальника (по реакції С2Н2 + О2 = 2СО + Н2). В результаті температура полум'я зростає до 3100 ° С, причому продукти згоряння мають відновні властивості. Нарешті, в третій зоні - факел полум'я 9 - йде процес згоряння водню і окислення СО (по реакції СО + Н2 + 3/2 О2 = = 2СО2 + Нао ) за рахунок кисню атмосферного повітря. Температура факела - близько 1200 ° С. Зазвичай газозварник працює на другий зоні полум'я (відновлювальної), маючи можливість стежити за характером полум'я, коригувати склад суміші ацетиленовим вентилем пальника.

Мал.2.19. Конструктивна схема инжекторной пальника і будова зварювального полум'я.

Газове зварювання можна виконувати в будь-якому просторовому положенні, проте, на відміну від дугового зварювання, нагрівання металу полум'ям уповільнений, «м'який». Для формування шва використовується присадний пруток.

До безперечних достоїнств газового зварювання відносяться:

простота освіти високотемпературного полум'я і легкість його регулювання;

універсальність способу, що дозволяє використовувати його всюди, в тому числі і в польових умовах.

До числа істотних недоліків газового зварювання можна віднести наступні:

низька продуктивність процесу;

значний розігрів металу поблизу шва, що створює велику зону термічного впливу з великим зерном, що знижує міцнісні властивості зварних з'єднань.

Одночасно з розвитком газового зварювання удосконалювалися і способи кисневого різання металу. При кисневому різанні метал нагрівається в початковій точці газокисневого полум'я до температури займання, а потім згорає в струмені кисню, в результаті утворюється наскрізний розріз.

Таким чином, різка здійснюється за рахунок згоряння металу в струмені кисню. Утворені при цьому продукти згоряння - оксиди, видаляються кінетичним дією - струменя ріжучого кисню.

Процес кисневого різання схематично показаний на рис. 2.20.

Для успішного здійснення кисневого різання необхідно, щоб температура займання металу в кисні була нижча за температуру його плавлення. Цій умові задовольняють багато марки сталей. Так, наприклад, температура займання низьковуглецевої сталі дорівнює 1150 ° С, а температура плавлення - 1540 ° С. Друга важлива умова кисневого різання - температура плавлення металу повинна бути вище температури плавлення утворених в процесі різання окислів, інакше тугоплавкі окисли перешкоджають контакту металу з киснем. Ця умова не задовольняється при різанні алюмінію, магнію і їх сплавів, а також в сталях з великим вмістом хрому і нікелю (нержавіючі сталі), Так, наприклад, температура плавлення алюмінію складає всього 660 ° С, а його окислів () - 2050 ° С.

Всі матеріали з обмеженою разрезаемостью або нерозрізаного доводиться розрізати з використанням порошково-кисневої (флюсокіслородной) різання, що полягає в тому, що разом з кисневої струменем в зону різу подаються порошки, хімічно взаємодіють з оксидами відповідних металів або механічно впливають на окисну плівку.

Мал. 2.20. Схема процесу кисневого різання:

1 - дозволяються метал; 2 - струмінь кисню: 3 - підігрівають полум'я; 4 - мундштук горючої суміші; 5 - мундштук кисню; К - горюча суміш для полум'я, що підігріває; 7 - поверхня різу з оксидами; 8 - шлаки, що виносяться струменем кисню; 9 - ізотерма підігрітого металу; V - вектор різання.

Однак більш ефективно для різання таких металів використовувати високотемпературну дугову плазму, температура факела якої може досягати 15 - 25 тис. ° С, або газолазерной різання.

У зв'язку з великим обсягом розділового різання металів важливого значення набуває механізація і автоматизація процесу різання. Останнім часом в промисловості використовуються високопродуктивні координатні машини для кисневого різання консольного або портального типу, керовані за спеціальними програмами за допомогою ЕОМ. Вони дозволяють робити вирізку деталей будь-якої конфігурації з високою точністю і продуктивністю.

3.5 Променеві види зварювання

Вчені й інженери різних країн, що займаються зварювальними проблемами, не могли не звернути уваги на нові види джерел нагріву - променеві. Завдання використання їх для цілей зварювання полегшувалась фундаментальними дослідженнями фізиків в області оптики, квантової механіки, прискорювальної техніки для електронних і іонних пучків.

В результаті інтенсивних пошуків і досліджень фахівці-зварювальники розробили нові види зварювання, засновані на енергії інтенсивних електронних, іонних і фотонних променів. Вже перші дослідження показали, що променеві джерела нагріву мають унікальні властивості, що відкривають велику перспективу їх використання в галузі зварювання.

Електронно-променеве зварювання

Спосіб електронно-променевого зварювання (еЛС) виник у Франції і СРСР майже одночасно в 1957--1958 рр. і пов'язаний з іменами французького вченого Д.А. Стора (Французька комісія з атомної енергії) і російського вченого Н.А. Ольшанського (Московський енергетичний інститут). Біля витоків появи ЕЛС стояли також К.Г. Штайгервальд (ФРН) і Б.А. Мовчан (ІЕЗ ім, Є. О. Патона).

Для здійснення нагріву і розплавлення металів при ЕЛС використовується енергія, що швидко в глибокому вакуумі спрямованих електронів. Процес зварювання реалізується в спеціальній установці, принципова схема якої зображена на рис. 2.21.

Удосконалення ЕЛС диктувалося зростаючим виробництвом великої групи виробів з важкозварювальних тугоплавких і хімічно активних металів, що володіють цінними властивостями (- молібден, - цирконій, - вольфрам, - ніобій, - тантал, - берилій, - титан і ін. ).

Ці метали, як і сплави на їх основі, широко використовуються в хімічному машинобудуванні, реакторобудуванні, електронному приладобудуванні, корпусних вузлах літальних і космічних апаратів та інших областях.

Мал. 2.21. Схема установки електронно-променевого зварювання:

1 - електронна гармата; 2 - герметична камера; 3 - високовольтний джерело харчування; 4 - виріб, що зварюється; 5 - маніпулятор; 6 - вакуумна система; 7 - оглядове скло.

Сварка виробів з таких металів пов'язана з великими труднощами, через їх здатності навіть при невеликому нагріванні жадібно поглинати з навколишнього середовища кисень, азот, водень, що призводить до крихкості і втрати пластичності зварними з'єднаннями.

До появи ЕЛС такі вироби зварювалися за допомогою дуги в середовищі інертних газів, переважно в аргоні, до якого пред'являлися жорсткі вимоги по вмісту домішок (<0,01%, <0,003%). Однак в технічному відношенні процес відрізняється складністю, малоефективний і малопродуктивний. При обліку вартості витрачених при цьому електроенергії, інертного газу, транспортних витрат, контролю газового середовища створення вакууму, в якому протікає зварювання електронним променем, за даними французьких фахівців виявляється в 35 разів дешевше.

За порівняно короткий термін, що минув з моменту виникнення ЕЛС, вона отримала широке практичне використання, хоча ще багато теоретичні та фізичні її боку до теперішнього часу залишаються не з'ясовані. Це пов'язано зі складністю процесів, що протікають при взаємодії електронного променя з зварюваних металом, високою концентрацією енергії в плямі нагріву (Вт / см ²⁾ і іншими явищами.

Потік електронів створюється найважливішою частиною такої установки - електронної, гарматою, в якій випромінювачем електронів є нагрівається до високої температури (~ 2500 ° С) вольфрамовий або металокерамічний катод (рис. 2.22).

Для прискорення руху електронів до прискорює електроду і виробу підводиться позитивний полюс (анод) високовольтного джерела живлення. Залежно від призначення установки ЕЛС і типу електронної гармати величина прискорює напруги змінюється в широкому діапазоні - від 10 до 200 кВ.

Для формування інтенсивного електронного пучка з високою щільністю енергії і малим кутом збіжності (див. Рис. 2.22, радий) використовується спеціальна фокусуються система, так звані магнітні «лінзи», Напрям пучка в задану точку зварюється здійснюється спеціальною магнітоотклоняющей системою (подібно відхилення електронного променя в кінескопа телевізора).

При зіткненні електронів, зібраних в пучок малого діаметра (- діаметр плями електронного пучка в фокусі), з виробом відбувається їх гальмування з перетворенням кінетичної енергії в теплову, що викликає нагрівання металу в місці зварювання до високої температури аж до температури кипіння (випаровування).

Мал. 2.22. Схема електронної гармати з комбінованою системою формування та управління електронним пучком.

1 - катод; 2 - прікатодном електрод; 3 - прискорює електрод (анод); 4 - електронний пучок; 5 - фокусуються магнітна лінза; 6 - система відхилення пучка; 7 - виріб, що зварюється.

У міру переміщення променя по напрямку зварювання або, що частіше, вироби щодо променя, розплавлений метал твердне, і утворюється зварний шов.

Для забезпечення вільного руху електронів від катода до виробу (анода) необхідний вакуум не нижче мм рт. ст., який створюється за допомогою вакуумного обладнання.

Гостра фокусування електронного променя на малу площу вироби (пляма нагріву може мати величину до см ²⁾ призводить до отримання дуже високої щільності енергії (до Вт / см ^2, в той час як електрична дуга має щільність енергії Вт / см ^2), що призводить до значного підвищення температури поверхні рідкого металу в зоні зварювання і до утворення характерної форми проплавлення металу - вузькому і глибокому, який отримав назву кинджальний проплавление.

Електронний промінь з високою щільністю енергії зазвичай використовується для зварювання тугоплавких і теплопровідних металів і деталей великої товщини (до 200 мм). При зварюванні ж легкоплавких і легкоиспаряющихся металів (наприклад, алюмінію, магнію) і деталей невеликої товщини доцільніше застосовувати промінь з малою щільністю енергії, а іноді з імпульсним нагріванням, коли дія променя на виріб чергується з паузами.

Основні параметри режиму ЕЛС складаються з вибору сили струму зварювання (мА), що прискорює напруги (кВ), швидкості зварювання (см / сек).

переваги ЕЛС

До безперечних переваг ЕЛС відносяться наступні:

отримання найбільш досконалого, дуже вузького з глибоким проплавлением шва, що забезпечує значну економію металу;

велика зосередженість вводиться у виріб тепла, мала його кількість (в 4 --5 разів менше, ніж при дугового зварювання) дозволяють отримати невелику зону термічного впливу і мінімальна зміна форми вироби (викривлення);

завдяки вакууму, в якому відбувається сварка, відсутня насичення металу шва газами, що були леї в ньому гази встигають виділитися (спливти), в результаті досягається дуже висока якість зварних з'єднань;

для зварювання характерний знижений витрата електроенергії, застосування ж вакууму не вимагає використання дорогих інертних газів.

недоліки ЕЛС

До числа недоліків ЕЛС можна віднести наступні:

створення вакууму в робочій камері, завантаження і вивантаження виробів з неї вимагають значного часу, що не тільки знижує продуктивність процесу, а й ускладнює здійснення комплексної автоматизації всього процесу виготовлення зварних виробів;

внаслідок гальмування швидкісних електронів в зварюваної металі, особливо при великому ускоряющем напрузі (> 100 кВ), виникає жорстке рентгенівське випромінювання, що вимагає додаткової біологічного захисту обслуговуючого персоналу і, крім того, ускладнює і без того досить складне обладнання для ЕЛС.

Лазерне зварювання

В історії розвитку науки і техніки бувають випадки, коли окремі відкриття та винаходи дають потужні засоби для вирішення ряду практичних, в тому числі і важливих завдань.

До числа подібних робіт в галузі квантової електроніки відноситься відкриття в 1952 р фізиками Н.Г. Басовим, А.М. Прохоровим (СРСР) і Ч. Таунсоном (США) нового принципу генерації і посилення світла, які отримали за це відкриття Нобелівську премію.

На основі цих робіт на початку 60-х років XX ст, в США був створений для зварювання перший оптичний квантовий генератор - лазер * на рубін. Лазер отримав свою назву за першими літерами англійської фрази - «Light-Amplification by Stimulated Emission of Radiation» ( «Посилення світла Шляхом стимульованого випромінювання»).

Активні розробки лазерних пристроїв в багатьох країнах привели до появи в сімдесятих роках як твердотільних (рубін, неодимові скла та ін.). так і газових лазерів, які використовують в якості випромінювачів гази і газові суміші (інертні гази, вуглекислий газ, суміш СО ₂ - N ₂ - Хіба ж то й ін.).

В даний час лазерне технологічне обладнання успішно застосовується для цілей зварювання, різання і пробивання отворів у металах і неметалевих матеріалах (кераміка, скло та ін.), Поверхневої термічної обробки ряду виробів і т.д.

Лазерний промінь знайшов застосування в медицині (діагностика, хірургія, терапія і ін.), В засобах зв'язку і телебаченні, в військово-космічної галузі і т.д.

Основними елементами лазерної зварювальної установки на твердотільному лазері є стрижень активного середовища 1 (рис. 2,23), потужна імпульсна спиралевидная лампа накачування 2, перетворює електричну енергію, що заряджаються конденсаторів 3 в світлову, два дзеркала-резонатора 4, 5, система фокусування випромінювання 7, 8 на деталі, що зварюються 9.

Яким же чином формується світловий промінь в твердотільному лазері? Розглянемо це на прикладі рубінового лазера. Рубін - це штучний кристал корунду (), в якому частина атомів алюмінію (до 0,5%) замінена атомами хрому.

При імпульсної спалаху лампи накачування атоми хрому в рубіні переходять в збуджений стан, тобто їх електрони переходять на більш високі енергетичні рівні. Якщо кількість порушуваних атомів за одну спалах лапи досягає деякого критичного рівня, то під впливом фотонів стимулюється лавинний процес переходу збуджених атомів в звичайний стан з випусканням при цьому фотонів, відповідних червоного світла.

Мал. 2.23. Схема лазерної зварювальної установки

Лавинний потік фотонів, що рухаються в осьовому напрямку, миттєво множиться за рахунок багаторазового відбиття від дзеркал резонатора, поки не виявиться достатнім, щоб прорватися через напівпрозоре дзеркало 5 (див. Рис. 2.23) назовні у вигляді когерентного імпульсного пучка червоного світла 6 з дуже малим кутом розбіжність.

Направляючи світловий пучок дзеркалом 7 через довгофокусну лінзу 8, можна досягти дуже великій мірі його фокусування, з діаметром світлового плями аж до декількох мікрон, що дозволяє отримати найвищу щільність теплової потужності на поверхні виробу, що зварюється - більше 10 ⁹ Вт / см ^2.

В таких умовах всі відомі матеріали не тільки плавляться, а й випаровуються, що і використовується реально для цілей свердління найтонших отворів в матеріалі будь-якої твердості та температури плавлення.

Однак для зварювання використовується лазерний промінь з меншою щільністю енергії (~ 10 ⁵ -10 ⁷ Вт / см ²⁾ через можливість інтенсивного випаровування і виплеску металу в зоні зварювання, що призведе до суттєвих дефектів зварних швів.

Перші лазерні зварювальні установки з твердотілим активним стрижнем працювали в імпульсному режимі (тривалість імпульсу 0,5 - 5 мс) і мали максимальну енергію випромінювання не вище 2 Дж. Тому вони використовувалися для зварювання і свердління металів товщиною 0,1-0,2 мм.

Заміна рубінових кристалів ітрій-алюмінієвим гранатом, легованих неодимом, дозволила значно збільшити енергію випромінювання лазерів і, в кінцевому рахунку, розробити і створити серію промислових лазерних установок типу «Квант», які здійснюють точкову або шовную зварювання.

Надалі були розроблені газові лазери, які дали змогу значно підняти потужність випромінювання і коефіцієнт корисної дії (до 20%). Активний газ або газова суміш полягає в трубці, обмеженою з двох сторін строго паралельними дзеркалами, як в твердотільних лазерах. Порушення газових молекул здійснюється за допомогою електричного розряду. Такі лазери можуть працювати в безперервному режимі і дозволяють зварювати вироби значної товщини. Є відомості про зварювання сталей товщиною 50 мм і більше при потужності безперервного випромінювання в кілька десятків кіловат.

Переваги лазерного зварювання

До основних переваг лазерного зварювання в порівнянні з іншими зварювальними процесами можна віднести наступні:

висока локальність нагрівання дозволяє здійснювати зварювання поблизу тендітних матеріалів (наприклад, стеклоспаев напівпровідникових елементів) без їх руйнування і змін форми деталей;

мінімальний час впливу лазерного променя на зварюваний метал забезпечує малі розміри зони термічного впливу і хороші її властивості, що особливо важливо для тугоплавких металів і їх сплавів;

можливість зварювання світловим променем в будь-якому середовищі, пропускає світло, - в вакуумі, в інертних газах, на повітрі, а також деталей, укладених в герметичні скляні оболонки.

Недоліки лазерного зварювання

Найважливішими недоліками лазерного зварювання є наступні:

низький ККД лазерів (~ 10%);

через нездатність лазерного променя проникати в метал, теплопередача відбувається тільки з поверхні. Тому спроби досягти глибокого проплавлення за рахунок підвищення теплової енергії в плямі нагріву призводить до порушення нормальної роботи зварного шва (рихлість, горбистість, пори) внаслідок витіснення рідкого металу світловим тиском і тиском парів випаровується металу.

Найбільше застосування лазерне зварювання знайшла у виробництві виробів електронної, радіотехнічної промисловості, в точному приладобудуванні, при отриманні мікромініатюрних елементів (приварка висновків до тонкоплівкових схем, мікромодулів, напівпровідникових пристроїв і ін.).

Сварка променистим нагріванням

В кінці 60-х років XX ст. ряд співробітників Московського авіаційно-технологічного інституту ім. К.Е. Ціолковського, керованих проф. Г.Д. Никифоровим, розробили процес зварювання і пайки сфокусованої променистою енергією від потужних джерел світла. Принципова схема процесу вельми проста (рис. 2.24) і зводиться до наступного.

Потужна дугова ксенонова лампа надвисокого тиску / поміщається в фокусі еліпсоїдного відбивача 2. Для більш повного використання променистого потоку лампи служить контротражатель 3. Відображені промені світла від еліпсоїдного відбивача, фокусуються на нагреваемом (зварюваної) виробі 4, утворюючи так зване фокальна пляма. Оптичну схему можна дещо ускладнити, якщо на шляху руху відбитих променів поставити лінзовий об'єктив, що дозволяє зменшити діаметр фокального плями.

Мал. 2.24. Оптична схема установки для зварювання променистою енергією

Ефективність введення тепла в виріб буде залежати від щільності променистого потоку в фокальному плямі, яке може досить просто регулюватися від 0 до E _max. Так, при використанні лампи потужністю 10 кВт вдалося отримати E _max = Потужність 2200 Вт / см ^2, що цілком достатньо для здійснення зварювання сталей, титанових і алюмінієвих сплавів товщиною до 2 мм.

Основною особливістю процесу променистого нагріву при зварюванні є відсутність механічного тиску променистого потоку на зварювальну ванну, Тому можна проводити зварювання без формують підкладок (на вагу), формування ж зварного з'єднання відбувається, в основному, під дією поверхневого натягу рідкого металу. Крім того, завдяки високій відбивної здатності поверхні рідкого металу відсутній перегрів металу зварювальної ванни і його кипіння.

Оптичний джерело тепла дозволяє зварювати не тільки метали, а й скло, кераміку, пластмаси. Переваги цього способу зварювання проявилися особливо наочно на прикладі зварювання шлакосіталлових скла (склокераміка), яке до цього вважалося несваріваемим.

Широкі межі регулювання енергетичних параметрів променистого потоку і розмірів фокальної плями нагріву дають можливість застосовувати променистий нагрів для пайки. Локальність нагрівання, високі градієнти температури в спаюється деталях, можливість застосування практично будь-яких з існуючих припоев, починаючи від легкоплавких олов'яно-свинцових і закінчуючи тугоплавкими на основі нікелю і титану - ось ті характерні риси, властиві променистому нагрівання.

Переваги зварювання променистим нагріванням

Нагрівання для цілей зварювання і пайки сфокусованої променистою енергією має низку істотних переваг перед іншими видами нагріву, а саме:

безконтактним підведенням енергії до виробу за рахунок віддаленості джерела випромінювання від вироби, що важливо при зварюванні у важкодоступних місцях і при необхідності нагріву через оптично прозорі оболонки в будь-який контрольованій атмосфері і в вакуумі;

можливістю нагріву різних матеріалів незалежно від їх електричних і магнітних властивостей;

легкістю регулювання енергетичних параметрів променистого нагріву і простотою візуального контролю за поведінкою матеріалу при нагріванні.

До основних недоліків зварювання променистим нагріванням слід віднести:

низький ККД процесу, що коливається від 5 до 15% в залежності від схеми установки і типу лампи;

ускладненість виконання зварювання в будь-яких просторових положеннях зварного шва, крім нижнього, що пояснюється неможливістю вільного маніпулювання положенням фокального плями нагріву в просторі.

Звичайно, зварювальники не могли випустити з поля зору таке джерело променевої енергії, як сонце. Досвідчені установки геліосваркі показали їх принципову застосовність, проте їх громіздкість, залежність від погодних умов, необхідність постійного коригування положення відображають дзеркал на сонці і інші труднощі не дозволили поки довести цей спосіб до реального використання.

бібліографічний список

1. Зварювання в СРСР. Том 1. Розвиток зварювальної технології і науки про зварювання. Технологічні процеси, зварювальні матеріали та обладнання. - М .: Наука, 1981. - 536 с.

2. Зварювання в СРСР. Том 2. Теоретичні основи зварювання, міцності і проектування. Зварювальне виробництво. - М .: Наука, 1981. - 494 с.

3. Чеканов О.О. Микола Миколайович Бенардос (1842-1905). - М .: Наука, 1983. - 142 с.

4. Славянов Н.Г. Праці та винаходи. - Перм: Книжкове видавництво, 1988. - 296 с.

5. Патон Б.Є., Корнієнко О.М. Вогонь зшиває метал. - М .: Педагогіка, 1988. - 144 с.

6. Зорін Е.Е., Худолій Н.Г. Зварювання. Введення у спеціальність. - М .: ТОВ «Надра-Бизнесцентр», 2004. - 232 с .: іл.