Физические основы получения сварного соединения

Рассмотрите физическую сущность процесса сварки, используя знания о строении металлов и связи между атомами вещества.

При сварке плавлением происходит только тепловое воздействие нагрев до расплавления кромок заготовок с образованием единой жидкой металлической ванны. В результате кристаллизации металла в зоне сварки образуются зерна, принадлежащие одновременно основному металлу и металлу шва. В зоне сварки устанавливается такое же атомно-кристаллическое строение металла, как в основном металле, что обеспечивает равнопрочное соединение.

При сварке давлением образования неразъемного соединения достигают в твердом состоянии силовым воздействием, если оно вызывает совместную пластическую деформацию заготовок в зоне сварки. При этом сминаются неровности, а оксиды и другие поверхностные пленки разрушаются и вытесняются из зоны сварки при пластическом течении металла.

Свариваемость металлов. Применяемость сварки определяется свариваемостью металлов заготовок. Под свариваемостью металла понимают его способность образовывать при сварке качественное сварное соединение, эксплуатационные свойства которого близки к свойствам свариваемого металла.

Важно понять, что свариваемость металлов и сплавов зависит от химического состава сплава и способа сварки. К ограниченно сваривающимся металлам относят те, которые дают качественные соединения лишь при усложнении технологии сварки (подогрев, специальные сварочные материалы).

Литература:

[1], с. 505-507;

[2], с. 221-222;

[3], с. 452-457;

[4], разд. 5, гл. I;

[5], с. 24-33.

 

Термические методы сварки

Изучите классификацию способов сварки плавлением по виду источника теплоты.

1. Дуговая сварка – это один из видов сварки плавлением, в котором источником тепла служит сварочная дуга электрический разряд в газовой среде. Дуга способна практически мгновенно расплавлять и перегревать до 2000–2500˚С небольшие участки металла заготовки. Уясните условия возбуждения дуги и ее тепловые свойства.

Усвойте основные требования к источникам сварочного тока для дуговой сварки: легкое зажигание дуги и безопасность работы, что достигается напряжением холостого хода не более 60–70 В; стабильное горение дуги и ограничение тока при коротком замыкании сварочной цепи. Для выполнения этих требований применяют источник с падающей вольт-амперной характеристикой.

Дуговая сварка различается по степени механизации и способам защиты шва от взаимодействия с атмосферой.

Литература:

[1], с. 507-514; с. 524-532;

[2], с. 222-229;

[3], с. 457-472;

[4], разд. 5, гл. II, п. 13;

[5], с. 24-33.

 

2. Ручная дуговая сварка. В этом процессе сварщик управляет электродом, поддерживая заданную длину дуги, производя подачу электрода по мере его плавления.

При ручной дуговой сварке плавящимся электродом наносят на электрод защитно-легирующие покрытия, которые при расплавлении образуют легкие шлаки, покрывающие металл шва и ванну вязкой пленкой, препятствующей окислению металла. В составе покрытий содержатся раскислители и легирующие добавки, которые восстанавливают оксиды в металле шва в период его контакта с жидким шлаком и легируют шов с целью повышения эксплуатационных свойств.

При ручной сварке объем жидкого металла сварочной ванны незначителен, и он может удерживаться на вертикальной стене или в потолочном положении за счет сил поверхностного натяжения.

Недостатки способа – тяжелый ручной труд и низкая производительность.

Литература:

[1], с. 514-524;

[2], с. 229-231;

[3], с. 472-474;

[4], разд. 5, гл. II, п. 4;

[5], с. 415-417, с. 436-439.

 

3. Автоматическая сварка под флюсом. Уясните схему автоматической сварки под флюсом.

Рассмотрите особенности технологии сварки. Высокая производительность процесса обеспечивается возможностью применения электродов диаметром 4–5 мм и тока до 1600 А.

Автоматическая сварка под флюсом применятся для сварки однотипных узлов, имеющих протяженные прямолинейные и кольцевые швы.

Литература:

[1], с. 532-543;

[2], с. 231-234;

[4], разд. 5, гл. II, п. 5;

[5], с. 417, 439-440.

 

4. Дуговая сварка в защитных газах. Изучите роль защиты зоны дуги газом, заключающуюся в оттеснении атмосферы воздуха из зоны горения дуги защитными газами с одновременным исключением их взаимодействия с металлом сварочной ванны шва.

Защитные газы могут быть инертными (аргон, гелий) и активными (углекислый газ, азот, водород). Инертные газы не вступают в реакцию с металлом электрода и сварочной ванны и не растворяются в нем, поэтому химический состав шва идентичен составу свариваемого металла, что обеспечивает наиболее высокое качество сварных соединений.

Для ряда сплавов качественные соединения получают при сварке в среде активных газов, которые могут вступать в химическую реакцию с металлом сварочной ванны. Так, большинство конструкционных сталей свариваются в среде углекислого газа.

Для защиты от окисления применяют сварочную проволоку с повышенным содержанием кремния и марганца, которые способны восстановить оксид железа. При этом продукты реакции всплывают на поверхность шва в виде шлака.

Сварку в среде защитных газов осуществляют плавящимся или неплавящимся электродом. В последнем случае электрод изготавливают из вольфрама, а для защиты используют инертные газы.

Сварку выполняют вручную, на полуавтоматах и автоматах.

При сварке в защитных газах сварочная ванна охлаждается быстрее, так как объем ее мал. Это позволяет в отличие от сварки под давлением производить сварку в защитных газах в потолочном и вертикальном положениях.

Литература:

[1], разд. 5, гл. IV, с. 569-574;

[2], разд. 5, гл. 2, с. 234-239;

[3], разд. 5, гл. XXXII, с. 474-478;

[4], разд. 5, гл. 2, п. 6;

[5], разд. V, гл. 1, с. 418-420.

 

5. Сварка металлов плазменной струей. При этом методе сварки источником теплоты служит струя газа, ионизированного в дуге.

Для ионизации используют столб сжатой дуги, т.е. дуги, горящей в узком канале, через который под давлением продувают газ (аргон, азот, водород), дополнительно увеличивающий степень ее сжатия.

В этих условиях температура газа в столбе дуги достигает 20 000–30 000˚С, что по сравнению со свободно горящей дугой резко увеличивает степень ионизации и температуру газа, выходящего из канала с большой скоростью в виде струи. Этот источник теплоты имеет высокую концентрацию тепловой энергии.

Литература:

[1], разд. 5, гл. IV, с. 574-576;

[2], разд. 5, гл. 2, с. 239-240;

[4], разд. 5, гл. 2, п. 7;

[5], разд. V, гл. 1, с. 418.

 

Термомеханическая сварка

Изучите классификацию способов сварки по характеру термомеханического воздействия на заготовки и видам энергии.

Контактная сварка наиболее распространенный способ сварки давлением, где нагрев металла производят теплотой, выделяемой при контакте 2 заготовок при протекании через них электрического тока.

Теплота интенсивнее выделяется в зоне сварки, т.е. в месте контакта между заготовками, так как эта зона имеет наибольшее электросопротивление. Главное требование к нагреву обеспечение совместной пластической деформации свариваемых заготовок.

Уясните, почему стыковую, точечную и роликовую сварки называют контактными и в чем различие этих процессов.

При стыковой сварке заготовки свариваются по всему сечению стыка. Торцы заготовок нагревают, а затем сжимают для обеспечения совместной пластической деформации. Сварку ведут 2 способами: сопротивлением и оплавлением.

Сварку сопротивлением применяют при соединении небольших заготовок из однородных сплавов с обработанными и очищенными торцами и подгонкой их по площади поперечного сечения в месте сварки.

Сварку оплавлением применяют при соединении крупных заготовок различных поперечных сечений без предварительной обработки торцов. Нагрев ведут до полного оплавления торцов. При последующем сжатии жидкий металл с оксидами и загрязнениями выдавливается из зоны сварки, а в совместной пластической деформации участвуют нагретые слои свариваемых металлов.

Точечная и роликовая сварки предназначены для соединения листовых заготовок. Края заготовок, собранные внахлестку, сжимают электродами и нагревают проходящим электрическим током.

Максимальный нагрев достигается в местах контакта между листами заготовок. Это приводит к частичному расплавлению заготовок по толщине и образованию литого ядра сварной точки.

Оборудование для роликовой сварки отличается от оборудования для точечной сварки формой электродов. Роликовая сварка обеспечивает получение герметичного непрерывного шва за счет последовательного образования перекрещивающихся точечных соединений.

Литература:

[1], разд. 5, гл. III, с. 556-568;

[2], разд. 5, гл. 6, с. 256-262;

[3], разд. 5, гл. XXXIII, с. 479-483;

[4], разд. 5, гл. 3, п. 16;

[5], разд. V, гл. 1, с. 427-430.