Лекция 1.1. Общая классификация специальных способов сварки

Лекция 1.1. Общая классификация специальных способов сварки

ВВЕДЕНИЕ

Сварка – один из ведущих технологических процессов современной промышленности, от степени развития и от совершенствования которого зависит уровень технологии в машиностроении, строительстве и ряде других отраслей народного хозяйства. Современная сварочная наука и техника позволяют надежно соединять детали любой толщины и конфигурации – от деталей мельчайших электронных приборов до гигантских частей машин и сооружений.

е Современный уровень развития сварочной техники в нашей стране – прочная база для широкого и эффективного использования сварки как мощного средства значительного повышения производительности труда, экономии металлов в промышленности, строительстве, сельском хозяйстве и транспорте, повышения качества и удешевления продукции. При этом достигнуты значительные успехи в разработке прогрессивных методов сварки, создании высокоэкономичных сварных конструкций и освоении сварки многих специальных сталей, цветных металлов, сплавов и неметаллических материалов. Создана подлинная наука о сварке металлов.

Дальнейшее развитие современной техники в существенной степени определяется разработкой новых материалов с особыми свойствами. Это вызвано тем, что атомной энергетике, электронике, большой химии, ракетостроению и другим отраслям производства присущи чрезвычайно высокие скорости процессов, большие давления, высокая температура и некоторые особые эффекты.

Важно, чтобы конструкционный материал был устойчив в этих условиях работы при быстрых сменах температуры и напряжения, незначительно испарялся в вакууме, не меняя свойств при облучении продуктами ядерного распада, противостоял действию агрессивных сред и т.д.

В перспективных конструкциях новой техники находят широкое применение такие тугоплавкие и редкие металлы, как вольфрам, молибден, тантал, ниобий, цирконий и т.п., обладающие высокими жаростойкостью, жаропрочностью, сопротивлением коррозии и другими специфическими свойствами.

В ряде случаев эксплуатации при экстремальных температурных условиях, в чрезвычайно агрессивных средах и под воздействием других особых факторов даже эти металлы не могут удовлетворить требованиям, предъявляемым к изделиям условиями их работы. Вследствие этого создаются материалы, имеющие особые свойства. Кроме того, к широко применяемым материалам в ряде случаев начинают предъявлять повышенные требования в связи с использованием их в новых видах ответственных конструкций.

В связи с этим возникают задачи разработки более совершенной технологии сварки широко применяемых и новых материалов, что требует или модернизации существующего оборудования и технологии, или разработки новых более совершенных методов сварки.

Использование в различных отраслях новой техники в качестве конструкционных материалов редких и тугоплавких металлов выдвинуло проблему разработки методов их сварки. Эти металлы составляют группу трудносваривающихся вследствие того, что помимо высокой температуры плавления они характеризуются высокой химической активностью при повышенных температурах. Большинство из них реагируют со всеми известными флюсами, а некоторые являются геттерами, поэтому применительно к этим металлам оказались неприемлемыми такие методы сварки, как ручная дуговая плавящимся электродом, под флюсом и газовая.

Качественная сварка этих металлов в принципе может быть осуществлена при условии отсутствия продолжительного нагрева металла до высоких температур и обеспечения идеальной защиты металла от атмосферы с применением в ряде случаев больших скоростей процесса сварки.

В связи с тем, что активные металлы насыщаются газами не только в области сварочной ванны, но и в зонах, нагретых до значительно более низких температур, возникла необходимость защиты больших поверхностей свариваемого металла. При этом использовались подвижные кожухи, закрывающие горелку, место сварки и значительную зону нагреваемого металла, однако этот способ также не гарантировал от ухудшения физико-химических свойств металла сварных соединений.

Улучшение условий изоляции от атмосферы достигается путем использования герметичных камер с атмосферой из инертного газа, состав которого в очень малой степени может отличаться от состава газа в баллоне. Наличие герметичной камеры исключает попадание в нее воздуха.

Дальнейшее улучшение качества металла шва при сварке в инертном газе могло быть получено лишь путем использования химически чистых инертных газов. Однако получение таких газов представляет значительные трудности.

Эти газы практически в промышленном масштабе не производятся. Таким образом, совершенствование существующих методов сварки не решает проблемы сварки конструкций из тугоплавких и активных металлов и неметаллических материалов.

Основным недостатком дуговых методов сварки является относительно небольшая концентрация энергии в источнике теплоты и несовершенство защиты металла от действия кислорода и азота воздуха. Вследствие этого время действия высоких температур на металл сварного соединения оказывается чрезвычайно длительным.

В последнее время в сварочной технике находят применение источники теплоты, концентрация энергии в которых на 2–3 порядка выше, чем у старых источников. К высококонцентрированным источникам относятся: электронный луч, когерентный световой луч, токи высокой частоты (табл. 1).

Разработаны методы сварки с использованием в качестве защиты вакуума: электроннолучевая, диффузионная, дуговая и др. Применение вакуума в качестве защиты при сварке дает возможность надежно защитить расплавленный металл при сварке активных и тугоплавких металлов и получить высокое качество металла шва.

Электроннолучевая сварка позволяет благодаря большой концентрации энергии проплавлять толстый металл очень узким «кинжальным» швом. При небольшом расходе электроэнергии, в десятки раз меньше, чем при дуговых методах сварки, удается сваривать стали и сплавы толщиной более 100 мм.

Этот метод дает возможность осуществлять сварку и неметаллических материалов.

Таблица 1

Энергетические характеристики методов сварки

Источник теплоты	Smin,мм2	q
Вт/м2	qi//ql
Ацетиленово-кислородное пламя		5×108
Сварочная дуга	0,10	109
Электронный луч	105	5×1012	104
Луч лазера (ОКГ)	105	5×1012	104

 

 

В промышленности используются квантовые генераторы – лазеры, дающие сверхмощные пучки световой энергии, открывающие новые возможности соединения материалов.

Диффузионная сварка в вакууме позволяет сваривать материалы с образованием ряда новых видов соединений, недоступных для обычных способов сварки.

В последние годы появилось несколько методов сварки металлов без их расплавления, основанных на эффекте образования металлических связей на ювенильных поверхностях с использованием пластических деформаций металла (холодная, ультразвуковая, трением, взрывом и диффузионная). Перечисленные методы сварки объединяет общность физических процессов возникновения металлических связей между соединяемыми поверхностями. В этих процессах образование металлических связей происходит в твердом состоянии металла в результате совместной пластической деформации. Методы сварки в твердом состоянии различаются способами, которыми осуществляется пластическая деформация, величиной пластической деформации и температурным режимом.

Сварка в твердом состоянии значительно расширяет область ее применения, позволяя соединять между собой разнородные металлы, сварка плавлением которых была невозможна, соединять неметаллические материалы с металлами и т.п.

 

Свариваемость

Под свариваемость понимают способность материалов образовывать сварное соединение. Многие сплавы (как черные, так и цветные) обладают пониженной свариваемостью, которая проявляется в ухудшении механических свойств зоны термического влияния и образовании сварочных дефектов (трещины, закалочные структуры, пористость и так далее). Физическая свариваемость определяется свойствами соединяемых металлов, что в свою очередь, определяет протекание соответствующих физико-химических процессов в зоне сварного шва. Отношение сплава к конкретному способу сварки называют технологической свариваемостью.

Все однородные металлы обладают физической свариваемостью. Различие в свойствах разнородных металлов приводит к тому, что не всегда возможно протекание необходимых для сварки физико-химических процессов. Поэтому разнородные металлы не всегда обладают физической свариваемостью.

Пористость сварного шва ведет к уменьшению его герметичности и ухудшению механических свойств соединения. Поры в шве образуются в результате насыщения расплава газами и выделения газовых пузырьков при кристаллизации шва. Практически все газы хорошо растворимы в жидкой фазе и плохо растворимы (или не растворимы) в твердой фазе. При кристаллизации сварного шва газы выделяются в виде пузырьков, частично не успевают выделиться в атмосферу и остаются в металле в виде пор. Поры образуются вследствие: наличия влаги в электродных покрытиях, флюсах, защитных газах (насыщение шва водородом); окислительных процессах в шве (насыщение шва оксидом углерода); нарушении защиты шва (насыщение шва азотом и оксидом углерода); большой скорости охлаждения шва при кристаллизации (пузырьки газов не успевают перейти в атмосферу).

Основным признаком, характеризующим свариваемость сталей, является, склонность к образованию трещин. В процессе кристаллизации появляются горячие трещины. В послесварочный период появляются холодные трещины.

Горячие трещины (рис. 1.8, а) образуются во время кристаллизации шва. В это время металл находится в двухфазном (твердожидком) состоянии. В этом состоянии металл имеет малую пластичность и прочность. При развитии внутренних сварочных деформаций растяжения возможно разрушение металла по границам жидкой и твердой фаз. Обычно горячие трещины образуются вдоль оси сварочного шва, в зоне стыка столбчатых кристаллов. Склонностью к горячим трещинам обладают сплавы с широким интервалом кристаллизации, а также сплавы с повышенным содержанием вредных примесей.

Холодные трещины (рис. 1.8, б) обычно возникают в зоне термического влияния после завершения кристаллизации. При наличии в сплаве фосфора возможно образование холодных трещин в период от двух до семи суток после сварки. Появление холодных трещин характерно для углеродистых и легированных сталей (если при сварке появляются закалочные структуры, при усиленном росте зерен, при повышенном насыщении металла газами).

Потенциальную склонность низкоуглеродистых сталей к образованию холодных трещин можно оценить по так называемому эквиваленту углерода (С экв):

Cэкв=Kс+K_Si/24 + K_Mn/6 + K_Cr/5 + K_Ni/10 + K_Mo/4 + K_V/14 + 5K_B,

где: K_C, K_Si, K_Mn, K_Cr, K_Ni, K_Mo, K_V, K_B – процентное содержание соответствующего элемента в стали. При С _экв ³ 0,4%, сталь считается склонной к образованию холодных трещин.

По свариваемости (ГОСТ 29273-92), стали разделяют на четыре группы: хорошо свариваемые, удовлетворительно свариваемые, ограниченно свариваемые, плохо свариваемые.

Углерод в сталях может находиться в виде цементита (Fe₃C), а в чугунах в виде цементита и в свободном состоянии (графит). В сталях количество цементита пропорционально количеству углерода. Цементит повышает сопротивление движению дислокаций, уменьшает пластичность и вязкость сплавов. С увеличением содержания углерода возрастают твердость, пределы прочности и текучести; уменьшаются относительное удлинение, ударная вязкость и трещиностойкость. Вследствие этого углерод при содержании в стали до 0,25% не ухудшает свариваемости. При более высоком содержании свариваемость резко ухудшается, так как в зоне термического влияния образуются закалочные структуры, приводящие к трещинам. Применение средне- и высокоуглеродистых присадочных материалов приводит к пористости шва.

Легирующие элементы по-разному влияют на свариваемость стали.

Карбидообразующие элементы (элементы, обладающие химическим сродством к углероду и образующим с ним карбиды) способствуют появлению закалочных структур и повышенному риску трещинообразования в сварном шве и в околошовной зоне. К карбидообразующим элементам относятся титан, марганец, хром, молибден, ванадий, ниобий.

При содержании хрома до 2% образуется легированный цементит (FeCr)₃C. При содержании хрома в пределах 2…10% образуется специальный карбид (CrFe)₇C₃. При повышении содержания хрома до 10…12% образуются сложные карбиды (Cr, Fe)₂₃C₆. Эти карбиды ухудшают коррозионную стойкость стали, резко повышают твердость в зоне термического влияния, интенсифицируют образование тугоплавких окислов, затрудняющих процесс сварки.

Молибден и вольфрам образуют в сталях сложные карбиды: Fe₃Mo₃C(Fe₂Mo₂C) и Fe₃W₃C (Fe₂W₂C). Молибден измельчает зерно, способствует образованию трещин в зоне термического влияния. При сварке, молибден активно окисляется и выгорает. Вольфрам способствует появлению закалочных структур и активно окисляется, чем препятствует сварке.

Марганец повышает прочность стали, не снижая ее пластичности. Марганец при содержании в стали 1,8…2,5% способствует появлению закалочных структур, что повышает опасность появления холодных трещин при сварке. При содержании в стали 11…16%, марганца, он интенсивно выгорает.

Титан и ниобий способствуют образованию горячих трещин.

Ванадий способствует появлению закалочных структур, чем затрудняет сварку. Ванадий при сварке активно окисляется и выгорает.

Элементы, не образующие карбидов, находятся в стали в твердом растворе (в аустените или в феррите). Обычно эти элементы снижают устойчивость карбида железа (цементита), способствуя его распаду на феррит и свободный углерод (графит). Поэтому эти элементы называют графитизирующими. К графитизирующим элементам относятся кремний и никель.

Кремний дегазирует сталь, повышает ее плотность и предел текучести. Кремний при содержании в стали от 0,02 до 0,3% не вызывает ухудшения свариваемости. При содержании и в стали кремния от 0,8 до 1,5% условия сварки ухудшаются из-за высокой жидкотекучести кремнистой стали и образования тугоплавких окислов кремния.

Никель увеличивает пластические и прочностные свойства стали, измельчает зерна, не ухудшает свариваемость.

 

ВИДЫ СВАРКИ

Для получения неразъёмного соединения при сварке плавлением кромки металла свариваемых элементов (основной металл) и дополнительный металл (сварочная проволока и др.) в месте соединения расплавляются, самопроизвольно или принудительно сливаются в общую сварочную ванну, в которой происходят многие физико-химические процессы и устанавливаются металлические связи.

При удалении источника нагрева металл сварочной ванны кристаллизуется, образуя сварной шов, который и соединяет свариваемые элементы в одно целое. Металл сварного шва обычно значительно отличается от основного свариваемого металла по химическому составу и структуре, так как металл шва всегда имеет структуру литого металла. Рядом со швом в основном металле под действием термического цикла сварки образуется зона термического влияния различной протяженности. ЗТВ это участок основного металла, который нагревался в интервале температур плавления — температура критических точек и подвергся действию напряжений во время сварки, в результате чего в металле происходят структурные изменения.

Металл шва и основной металл зоны термического влияния, в котором произошли какие-либо структурные изменения, называются сварным соединением. Механические, коррозионные и другие свойства сварного соединения могут существенно отличаться от свойств основного металла. При равенстве показателей механических свойств сварного соединения и исходного металла, сварное соединение должно быть равнопрочно основному металлу.

В качестве источника теплоты при сварке плавлением можно использовать различные источники нагрева: электрическую дугу (электродуговая сварка), теплоту шлаковой ванны (электрошлаковая сварка); энергию струи ионизированных газов «холодной» плазмы (плазменная сварка); теплоту, выделяемую в изделии в результате преобразования кинетической энергии электронов (электронно-лучевая сварка); когерентный световой луч лазера (лазерная сварка); энергию при сжигании горючего газа в кислороде (газовая сварка) и другие.

Основной способ сварки плавлением — электродуговая сварка — имеет много разновидностей, связанных со степенью механизации: ручная, механизированная, автоматическая, с применением различных защитных веществ — толстого покрытия на электродах (при ручной сварке), флюсов, защитных газов или порошковой проволоки при механизированной сварке, контролируемой атмосферы (защитных газов или вакуума) при некоторых способах дуговой и электронно-лучевой сварки. Сварка плавлением применяется для весьма широкого спектра материалов: углеродистые, высокоуглеродистые, высоколегированные стали, цветные металлы и сплавы, а также неметаллы — стекло, керамика, графит.

Все указанные особенности значительно усложняют задачи, которые стоят перед инженерами-технологами, разрабатывающими технологический процесс сварки плавлением.

Разработанный технологический процесс сварки не только должен обеспечивать получение надёжных сварных соединений и конструкций, отвечающих всем эксплуатационным требованиям, но должен также допускать максимальную степень комплексной механизации и автоматизации всего производственного процесса изготовления изделия, должен также быть экономически обоснованным по расходу энергии, сварочных материалов, затрат человеческого труда.

Такие оптимизационные технологические задачи решаются на основе использования расчётных, аналитических методов проектирования технологического процесса сварки. При разработке технологического процесса изготовления сложной сварной конструкции целесообразен расчёт нескольких вариантов технологии на ЭВМ с последующим отбором оптимального варианта технологом-сварщиком.

Большое внимание к сварке обусловлено универсальностью этого технологического процесса получения неразъёмных соединений, возможностью экономии до 20% металла, повышением прочности и непроницаемости соединений, возможностью создания уникальных конструкций, которые при других способах изготовления конструкций создать не представляется возможным или экономически не выгодно.

Сварка классифицируется по: техническим, технологическим, физическим признакам, ГОСТ 19521–74. Классификация по физическим признакам представлена на рис. 1.1.

Термический класс сварки включает виды сварки, осуществляемые плавлением с использованием тепловой энергии.

Термомеханический класс включает в себя виды сварки, осуществляемые с использованием тепловой энергии и давления на свариваемые детали.

Механический класс включает виды сварки, осуществляемые с использованием механической энергии и давления.

Дуговая сварка классифицируется по следующим технологическим признакам.

1. По виду электрода:

● штучным,

● ленточным (сплошного сечения и порошковая),

● проволочным (сплошного сечения и порошковая),

● плавящимся,

● неплавящимся (с применением и без применения присадочной сварочной проволоки).

 

Рис. 1.1 Классификация по физическим признакам и видам сварки

 

2. По виду дуги:

● свободной,

● сжатой.

3. По роду и полярности тока:

● переменный ток (промышленной и повышенной частоты),

● постоянный ток прямой полярности,

● постоянный ток обратной полярности,

● пульсирующим током.

4. По характеру воздействия дуги на основной металл:

● прямого действия,

● косвенного действия,

● трехфазной дугой.

5. По степени погружения дуги:

● нормальной дугой,

● погружённой дугой.

6. По числу дуг с раздельным питанием:

● однодуговая,

● двухдуговая,

● многодуговая.

7. По числу электродов с общим подводом сварочного тока:

● одноэлектродная,

● двухэлектродная,

● многоэлектродная.

8. По наличию и направлению колебаний электрода относительно

шва:

● без колебаний,

● с продольными колебаниями,

● со сложными колебаниями,

● с поперечными колебаниями.

9. По наличию внешнего воздействия при формировании шва:

● со свободным формированием,

● с принудительным формированием.

 

Классификация сварки по техническим признакам представлена на рис. 1.2. В зависимости от условий проведения сварки её классифицируют по способу защиты сварочной ванны от окружающей среды.

Комбинированная защита представляет использование нескольких способов, например — газошлаковая.

Процесс сварки может быть непрерывным, подразумевается, что параметры режима постоянны во времени. Использование прерывистых (импульсных) процессов позволяет значительно расширить технологические возможности сварки. При использовании импульсных технологий можно уменьшить толщины свариваемых материалов, получить более благоприятную структуру сварного шва вследствие изменения термического цикла сварки, обеспечить управляемый перенос электродного металла при сварке и т. д.

При ручных способах сварки, как правило, подача электродной или присадочной проволоки, и перемещение источника нагрева производятся сварщиком. Поэтому ручная сварка остаётся самым сложным по технике исполнения способом. Изменение степени механизации с ручной на механизированную сварку подразумевает при ручных способах сварки, как правило, подача электродной или присадочной проволоки, и перемещение источника нагрева производятся сварщиком. Поэтому ручная сварка остаётся самым сложным по технике исполнения способом.

 

Рис. 1.2 Классификация сварки по техническим признакам

Изменение степени механизации с ручной на механизированную сварку подразумевает подачу электродного материала сварочным оборудованием (механизм подачи электродной проволоки), а перемещение сварочной горелки или головки осуществляется вручную. При автоматической сварке механизируются все операции процесса, включая подачу проволоки и перемещение автомата. При автоматизированной сварке дополнительно производят подачу, перемещение, отвод изделий или оборудования в автоматическом режиме, например автомобильный конвейер по сборке кузова. При этом роль человека сводится к наблюдению за протекающим технологическим процессом и контролю необходимых параметров и показателей.

 

Лекция 1.1. Общая классификация специальных способов сварки

ВВЕДЕНИЕ

Сварка – один из ведущих технологических процессов современной промышленности, от степени развития и от совершенствования которого зависит уровень технологии в машиностроении, строительстве и ряде других отраслей народного хозяйства. Современная сварочная наука и техника позволяют надежно соединять детали любой толщины и конфигурации – от деталей мельчайших электронных приборов до гигантских частей машин и сооружений.

е Современный уровень развития сварочной техники в нашей стране – прочная база для широкого и эффективного использования сварки как мощного средства значительного повышения производительности труда, экономии металлов в промышленности, строительстве, сельском хозяйстве и транспорте, повышения качества и удешевления продукции. При этом достигнуты значительные успехи в разработке прогрессивных методов сварки, создании высокоэкономичных сварных конструкций и освоении сварки многих специальных сталей, цветных металлов, сплавов и неметаллических материалов. Создана подлинная наука о сварке металлов.

Дальнейшее развитие современной техники в существенной степени определяется разработкой новых материалов с особыми свойствами. Это вызвано тем, что атомной энергетике, электронике, большой химии, ракетостроению и другим отраслям производства присущи чрезвычайно высокие скорости процессов, большие давления, высокая температура и некоторые особые эффекты.

Важно, чтобы конструкционный материал был устойчив в этих условиях работы при быстрых сменах температуры и напряжения, незначительно испарялся в вакууме, не меняя свойств при облучении продуктами ядерного распада, противостоял действию агрессивных сред и т.д.

В перспективных конструкциях новой техники находят широкое применение такие тугоплавкие и редкие металлы, как вольфрам, молибден, тантал, ниобий, цирконий и т.п., обладающие высокими жаростойкостью, жаропрочностью, сопротивлением коррозии и другими специфическими свойствами.

В ряде случаев эксплуатации при экстремальных температурных условиях, в чрезвычайно агрессивных средах и под воздействием других особых факторов даже эти металлы не могут удовлетворить требованиям, предъявляемым к изделиям условиями их работы. Вследствие этого создаются материалы, имеющие особые свойства. Кроме того, к широко применяемым материалам в ряде случаев начинают предъявлять повышенные требования в связи с использованием их в новых видах ответственных конструкций.

В связи с этим возникают задачи разработки более совершенной технологии сварки широко применяемых и новых материалов, что требует или модернизации существующего оборудования и технологии, или разработки новых более совершенных методов сварки.

Использование в различных отраслях новой техники в качестве конструкционных материалов редких и тугоплавких металлов выдвинуло проблему разработки методов их сварки. Эти металлы составляют группу трудносваривающихся вследствие того, что помимо высокой температуры плавления они характеризуются высокой химической активностью при повышенных температурах. Большинство из них реагируют со всеми известными флюсами, а некоторые являются геттерами, поэтому применительно к этим металлам оказались неприемлемыми такие методы сварки, как ручная дуговая плавящимся электродом, под флюсом и газовая.

Качественная сварка этих металлов в принципе может быть осуществлена при условии отсутствия продолжительного нагрева металла до высоких температур и обеспечения идеальной защиты металла от атмосферы с применением в ряде случаев больших скоростей процесса сварки.

В связи с тем, что активные металлы насыщаются газами не только в области сварочной ванны, но и в зонах, нагретых до значительно более низких температур, возникла необходимость защиты больших поверхностей свариваемого металла. При этом использовались подвижные кожухи, закрывающие горелку, место сварки и значительную зону нагреваемого металла, однако этот способ также не гарантировал от ухудшения физико-химических свойств металла сварных соединений.

Улучшение условий изоляции от атмосферы достигается путем использования герметичных камер с атмосферой из инертного газа, состав которого в очень малой степени может отличаться от состава газа в баллоне. Наличие герметичной камеры исключает попадание в нее воздуха.

Дальнейшее улучшение качества металла шва при сварке в инертном газе могло быть получено лишь путем использования химически чистых инертных газов. Однако получение таких газов представляет значительные трудности.

Эти газы практически в промышленном масштабе не производятся. Таким образом, совершенствование существующих методов сварки не решает проблемы сварки конструкций из тугоплавких и активных металлов и неметаллических материалов.

Основным недостатком дуговых методов сварки является относительно небольшая концентрация энергии в источнике теплоты и несовершенство защиты металла от действия кислорода и азота воздуха. Вследствие этого время действия высоких температур на металл сварного соединения оказывается чрезвычайно длительным.

В последнее время в сварочной технике находят применение источники теплоты, концентрация энергии в которых на 2–3 порядка выше, чем у старых источников. К высококонцентрированным источникам относятся: электронный луч, когерентный световой луч, токи высокой частоты (табл. 1).

Разработаны методы сварки с использованием в качестве защиты вакуума: электроннолучевая, диффузионная, дуговая и др. Применение вакуума в качестве защиты при сварке дает возможность надежно защитить расплавленный металл при сварке активных и тугоплавких металлов и получить высокое качество металла шва.

Электроннолучевая сварка позволяет благодаря большой концентрации энергии проплавлять толстый металл очень узким «кинжальным» швом. При небольшом расходе электроэнергии, в десятки раз меньше, чем при дуговых методах сварки, удается сваривать стали и сплавы толщиной более 100 мм.

Этот метод дает возможность осуществлять сварку и неметаллических материалов.

Таблица 1

Энергетические характеристики методов сварки

Источник теплоты	Smin,мм2	q
Вт/м2	qi//ql
Ацетиленово-кислородное пламя		5×108
Сварочная дуга	0,10	109
Электронный луч	105	5×1012	104
Луч лазера (ОКГ)	105	5×1012	104

 

 

В промышленности используются квантовые генераторы – лазеры, дающие сверхмощные пучки световой энергии, открывающие новые возможности соединения материалов.

Диффузионная сварка в вакууме позволяет сваривать материалы с образованием ряда новых видов соединений, недоступных для обычных способов сварки.

В последние годы появилось несколько методов сварки металлов без их расплавления, основанных на эффекте образования металлических связей на ювенильных поверхностях с использованием пластических деформаций металла (холодная, ультразвуковая, трением, взрывом и диффузионная). Перечисленные методы сварки объединяет общность физических процессов возникновения металлических связей между соединяемыми поверхностями. В этих процессах образование металлических связей происходит в твердом состоянии металла в результате совместной пластической деформации. Методы сварки в твердом состоянии различаются способами, которыми осуществляется пластическая деформация, величиной пластической деформации и температурным режимом.

Сварка в твердом состоянии значительно расширяет область ее применения, позволяя соединять между собой разнородные металлы, сварка плавлением которых была невозможна, соединять неметаллические материалы с металлами и т.п.

 

Свариваемость

Под свариваемость понимают способность материалов образовывать сварное соединение. Многие сплавы (как черные, так и цветные) обладают пониженной свариваемостью, которая проявляется в ухудшении механических свойств зоны термического влияния и образовании сварочных дефектов (трещины, закалочные структуры, пористость и так далее). Физическая свариваемость определяется свойствами соединяемых металлов, что в свою очередь, определяет протекание соответствующих физико-химических процессов в зоне сварного шва. Отношение сплава к конкретному способу сварки называют технологической свариваемостью.

Все однородные металлы обладают физической свариваемостью. Различие в свойствах разнородных металлов приводит к тому, что не всегда возможно протекание необходимых для сварки физико-химических процессов. Поэтому разнородные металлы не всегда обладают физической свариваемостью.

Пористость сварного шва ведет к уменьшению его герметичности и ухудшению механических свойств соединения. Поры в шве образуются в результате насыщения расплава газами и выделения газовых пузырьков при кристаллизации шва. Практически все газы хорошо растворимы в жидкой фазе и плохо растворимы (или не растворимы) в твердой фазе. При кристаллизации сварного шва газы выделяются в виде пузырьков, частично не успевают выделиться в атмосферу и остаются в металле в виде пор. Поры образуются вследствие: наличия влаги в электродных покрытиях, флюсах, защитных газах (насыщение шва водородом); окислительных процессах в шве (насыщение шва оксидом углерода); нарушении защиты шва (насыщение шва азотом и оксидом углерода); большой скорости охлаждения шва при кристаллизации (пузырьки газов не успевают перейти в атмосферу).

Основным признаком, характеризующим свариваемость сталей, является, склонность к образованию трещин. В процессе кристаллизации появляются горячие трещины. В послесварочный период появляются холодные трещины.

Горячие трещины (рис. 1.8, а) образуются во время кристаллизации шва. В это время металл находится в двухфазном (твердожидком) состоянии. В этом состоянии металл имеет малую пластичность и прочность. При развитии внутренних сварочных деформаций растяжения возможно разрушение металла по границам жидкой и твердой фаз. Обычно горячие трещины образуются вдоль оси сварочного шва, в зоне стыка столбчатых кристаллов. Склонностью к горячим трещинам обладают сплавы с широким интервалом кристаллизации, а также сплавы с повышенным содержанием вредных примесей.

Холодные трещины (рис. 1.8, б) обычно возникают в зоне термического влияния после завершения кристаллизации. При наличии в сплаве фосфора возможно образование холодных трещин в период от двух до семи суток после сварки. Появление <