История и развитиесварочного производства
(конспект лекций)
СодержаниеПредисловие
Глава 1. Из историисварки
Глава 2. Развитие электрическойсварки
Глава 3. Основные видысовременной сварки
3.1 Электрическая дуговаясварка
3.2 Электрошлаковаясварка
3.3 Контактная ипрессовая сварка
3.4 Газовая сварка ирезка
3.5 Лучевые виды сварки
Предисловие
Развитиечеловечества на последнем этапе (с окончанием последнего ледникового периода)насчитывает почти 12000- летнюю историю.
Еслиуглубится в историю, то можно заметить, что с древних времен успехичеловеческого общества в целом и отдельных племен и народов в отдельности в большойстепени зависели от возможностей существовавших в это время технологическихпроцессов. Важное место из множества технологий занимают способы соединения.Человек стал разумным существом (Homo sapiens) лишь тогда, когда стал создаватьорудия труда и оружие.
Пользоватьсяпалками и камнями могут и обезьяны, но догадаться привязать камень к палкеможет только существо, обладающее сознанием. Поэтому первым технологическимпроцессом была разновидность соединения – связывание.
Первобытныйчеловек имел достаточно камней и много времени для совершенствования методовизготовления каменных орудий. Американские индейцы, например, использоваливулканическое стекло (обсидиан), которое легко раскалывается на пластины иобрабатывается. У первобытных людей камень постепенно стал уступать место меди– сначала самородной, которой в природе было не мало, а потом и выплавленной измедной руды.
По сравнениюс раскалыванием, обтесыванием, шлифовкой, сверлением, привязыванием камней,литье и ковка меди оказались более сложными технологическими процессами.Возросло количество и значимость факторов или параметров процесса, которыенужно было контролировать, чтобы добиться хороших результатов при изготовленииизделий высокого качества. Одним из таких параметров было — поддержаниенеобходимой для технологии температуры на костре.
Еще болеесложным стал технологический процесс получения искусственного сплава, например,бронзы (Cu + Sn), требующий контроля количественного соотношения (1:0,83)компонентов меди и олова. Но так как она обладает высокими потребительскимисвойствами по сравнению с исходными материалами, то трудности получения ее неостанавливала людей. И все же, лучшими материалами для изготовления изделийбыли железо и его сплавы.
Все большематериалов входило в сферу жизнедеятельности населения, совершенствовалась итехнология их обработки. Но историкам еще долго не удавалось установитьзависимость между созданием новых технологий и изменением быта людей.
Свой вклад визучение этих закономерностей внес в начале 19 века датский исследователь К.Томсен.
Историческиефакты
Впредставлении античного общества наиболее прославленнымидостопримечательностями являются, так называемые — «Семь чудес света»:
1. Древние египетскиепирамиды.
2. Храм Артемиды в Эфесеоколо 550 до н.э. (в греч. Мифологии дочь Зевса – богиня охоты, покровительницарожениц. Изображалась с луком и стрелами. Ей соответствовала римская Диана).
3. Мавзолей в Галикарнасесередина 4 в. до н.э. (гробница правителя Кари Мавсола в г. Галикарнасе –монументальное погребальное сооружение. Отсюда и произошло название — Мавзолей).
4. Террасные (висячие) садыСемирамиды в Вавилоне 7 в. до н.э.
5. Статуя Зевса в Олимпии430 лет до н.э.
6. Статуя Гелиоса в Родосе292 – 280 лет до н.э. (Колосс Родосский)
7. Александрийский маяк — 280 лет до н.э.
Какпоказывают археологические исследования и исторические хроники – «КолоссРодосский» был снаружи покрыт тонкими медными листами, которые были соединенымежду собой с использованием холодной сварки. То есть технология сварки была примененаи при создании шедевров античного периода.
Латунь (от нем. Latun) – сплавмеди с цинком (до 50%), часто с добавками Al, Fe, Mn, Ni, Pb и др. элементов всумме до 10%. Хорошо обрабатывается давлением, обладает хорошей пластичностью,достаточной прочностью, коррозионностойкая.
Мельхиор (исходит от имен изобр.Француз. Майо (Maillot) и Шарье (Charier)) – сплав меди с никелем (5 — 30%)иногда с добавлением железа (до 0,8%) и марганца до 1%. Обладает хорошейкоррозионностойкостью, обрабатывается в горячем и холодном состоянии.
Нейзильбер(с нем.новое серебро) – сплав меди с никелем (5 — 35%) и цинка (13 –43%)
Сварка – процесс получениянеразъемного соединения посредством установления межатомных (металлических)связей между соединяемыми частями при их нагреве и расплавлении илипластическом деформировании, или того и другого вместе.
Пайка – процесс образованиясоединения с межатомными связями путем нагрева соединяемых материалов нижетемпературы их плавления, смачивания их припоем, затекания припоя в зазор ипоследующей его кристаллизацией.
Сын датского купца исудовладельца Кристиан Томсен (в нач. 19 века), занимаясь бухгалтерским делом,он, одновременно, начал изучение археологических сокровищ национального музея вКопенгагене, в котором хранится богатейший материал собранных со всего светаразличных, том числе, и уникальных находок. Он установил следующее соответствие- чем примитивнее обработка изделия, тем «старше» оно по возрасту, то естьболее древнее по времени его изготовления.
Он предложилразделить историю материальной культуры на три периода:
1. каменный– энеолит до 4 век до н.э.;
2. бронзовый– 4 век до н.э. – 1 век до н.э.;
3. железныйвек с 1 века до н.э. до настоящего времени.
Только в 60 годах 19 векаидея К. Томсена, которому к тому времени было уже за 70лет, получиламеждународное признание. Классификация эта связана с тем, что в качествекритерия была принята технология обработки материалов.
В тоже время, если заоснову принять технологию изготовления составного изделия, то по распространеннымв то время способам соединения историю материальной культуры можно разделить навек связывания, век античной сварки, век клепки и современный период сварки.Однако эта классификация не совсем точна, т.к. кроме неразъемных соединенийбыли и разъемные, такие как привязывание, а также шарнирные, клиновые,резьбовые и др. соединения.
Глава 1.Из истории сварки
Сваркавозникла на первом этапе развития человеческой цивилизации. Еще в каменном векекамнем подходящей формы древний человек мог отковать изделия из самородковблагородных металлов – золота, серебра, меди. Таким же технологическим приемом,когда необходимо было увеличить размеры изделия, соединяли эти пластины междусобой, т.е. применяли один из видов сварки – холодную сварку,- сварка металловв холодном состоянии путем приложения деформирующих усилий. Этот первыйвышедший из древнего периода способ сварки получил развитие в настоящее времядля соединения медных, алюминиевых проводов, оболочек кабелей связи,морозильных камер холодильников и т.д. В древние времена этот способ былиспользован при сварке благородных металлов, которые практически не окисляются.Ударяя по сложенным вместе кускам металла, удавалось добиться прочногосоединения. В Дублинском Национальном музее хранится золотая коробка, изготовленнаяв эпоху поздней бронзы, стенки и днище ее скованы плотным швом. Как считаютэксперты, изготовлена она с помощью холодной сварки.
За несколькотысячелетий до н.э. некоторые племена (например, на территории Бесарабии,Украины) добывали из руды медь, свинец. Но техникой литья они еще не овладели,поэтому они подогревали и сковывали отдельные куски, получая более крупныекуски и изделия из них.
Появлениебронзы – сплава меди и олова – заставило древних умельцев приняться заразработку новых методов соединения отдельных элементов вместе (сварку). Бронзаобладает высокой твердостью, прочностью, сопротивлению истиранию. Однакодостаточно низкая пластичность не позволяла применять кузнечную сварку длясоединения отдельных заготовок. Вдобавок возросли и габариты изделия, и трудноравномерно разогреть их. В III-II тыс. лет до н.э. умельцы трипольских племенприменяли скручивание, фальцовку, склепывание, паяние.
Привестипример о находках на землях бывшей Римской Империи бронзовые сосудыцилиндрической формы h=310 мм d=0,5-0,7 мм были сварены по образующей литейнойсваркой!
В началежелезного века начали получать кричное железо. Куски железной руды (оксиды идр. соединения железа) нагревали вместе с углем и получали комки, в которыхперемешаны частицы железа, шлака и остатков угля. А затем эти комки (крицы)многократно нагревали и проковывали в горячем состоянии. Частицы шлака и углявыдавливались, а отдельные частицы железа соединялись между собой –связывались, образуя плотный металл. Многократный нагрев и ковка – сваркаделали металл чище и плотнее. Для раскисления добавляли природные сланцы.
Присыродутном или кричном способе получения железа, который господствовал напротяжении тысячелетий крицы получили относительно небольших размеров и дляполучения изделий действительно больших размеров их (куски) необходимо былосоединять между собой. Для увеличения длины изделий сварку вели внахлестку.
Клинки и мечивыковывали из нескольких полос среднеуглеродистой стали (0,3-0,4%).
Большоезначение для развития техники обработки черных металлов имела сварка железа сразным содержанием углерода с целью улучшения качества лезвия режущих и рубящихорудий. Это требовало большого мастерства кузнецов, т.к. температура сваркижелеза с различным содержанием углерода неодинакова. При изготовлении мечей,дротиков, ножей выполняли сварку полос железа и стали с выходом последней нарежущую часть лезвия. Это давало хорошее сочетание мягкого и вязкого железа илинизкоуглеродистой стали с твердой, но хрупкой сталью, содержащей большоеколичество углерода.
Часто приизготовлении ножей, серпов, топоров кузнецы – сварщики наваривали небольшуюстальную пластину на режущую часть лезвия.
В скифскийпериод в некоторых случаях делались попытки произвести сварку бронзы с бронзойпутем прилива. Однако не всегда получалось прочное соединение. Литейщикираннего железного века при починке изделий (например, котлов) пробивали встенках отверстие, таким образом, получалась соединяющая отливка, напоминающаяформу заклепки.
Приизготовлении ювелирных изделий из золота, серебра, бронзы в раннем железномпериоде широко использовали пайку. Между частями, которые нужно соединить вединое целое изделие, закладывались кусочки сплава – припоя и собранное такимобразом изделие нагревали до температуры, достаточной для расплавления припоя,но ниже основного металла. Припой растекается по зазору, смачивая кромки,диффундировал в металл и после остывания схватывал кромки.
Рано илипоздно ювелиры должны были обнаружить, что для соединения металлов и сплавовметодом заливки можно применять также сплавы, которые плавятся при значительноменьших температурах, чем материал соединяемых деталей изделий. Например,стоило только в золото добавить медь или серебро, как образовался сплав созначительно меньшей температурой (например, сплав 20% золота и 80% медиплавится при температуре 886°С (золото — 1064°С, медь — 1083°С), сплав 70%серебра и 30% меди — 780°С(Ag — 961°С)).
Это свойствосплавов и было использовано для пайки. Искусство пайки совершенствовалось,появлялись новые припои, начали применять флюсы, растворяющие и связывающиеоксиды, мешающие припою диффундировать. В VIII-X в.в. появляются легкоплавкиеприпои – свинцовисто-оловянистые.
Металлургия иметаллообработка больших успехов достигли в Древней Руси в X-XIII в.в. в связис высоким развитием древнерусского ремесла. Технический уровень на Руси былвыше, чем в Западной Европе. С помощью кузнечной сварки изготавливалось более70% металлических изделий. С успехом применяли сварку железа свысокоуглеродистой сталью (до 0,9%).
С помощьюсварки изготавливали огнестрельное оружие. До появления в конце XV века пушекотлитых из бронзы, артиллерийские орудия выковывали из железа. Их изготавливалиследующим образом:
1) Выковывалииз крицы железный лист;
2) Скручивалиего на железной оправке в трубу;
3) Сваривалипродольным швом внахлестку;
4) Затем нанее наваривали одну или две трубы, так чтобы продольные швы располагались вразных местах.
Полученныезаготовки были короткие, поэтому для получения достаточно длинного ствола орудиянесколько таких заготовок соединяли между собой также при помощи сварки. Дляэтого соответствующие концы труб выковывались в виде внутреннего и наружногоконуса, соединяли и сваривали их внахлестку. В казенную часть ствола ввариваликоническую железную заглушку, а рядом прорубалось запальное отверстие.
Древнерусскиемастера успешно применяли сварку бронзы и стали (например, топорики, найденныев районе Старой Ладоги – обух бронзовый, а лезвия стальные).
Приизготовлении пушек применяли и литейную сварку – заливали расплавленной бронзойсоединяемые детали.
В то же времясварка металлов – кузнечная, литейная, пайка развивались медленно. В 19 веке впромышленности была механизирована кузнечная сварка. Ручной труд молотобойцабыл механизирован (заменен работой машин), т.е. стали применяться механическиемолоты с весом бойка до 1 т., производящим от 100 до 400 ударов в минуту.
Значительноулучшилась конструкция печей для нагрева свариваемых деталей, заменившихпримитивные кузнечные горны. Печи переводятся на твердое, жидкое и газообразноетопливо. Совершенствуется и технология сварки. Способом кузнечной сваркиготовили биметалл. Листы разнородных металлов собирали в пакет, нагревали впечах и пропускали через валки прокатного стана.
Значительноеприменение кузнечная сварка находила в производстве стальных труб спрямолинейным продольным нахлесточным швом, а также спирально – шовные трубы.
Применяласьсварка и при ремонте клепаных конструкций (рамы паровозов, корпуса судов) когдадоступ по крайней мере с одной стороны после их сборки был возможен. Крометого, применялась она при производстве инструментов, орудий труда и т.д.
Однако вомногих отраслях производства кузнечная и литейная сварка ввиду ограниченныхвозможностей пламени, уже не удовлетворяла возросшим требованиям техники.Крупногабаритные конструкции и сложные по форме изделия невозможно былоравномерно нагреть пламенем и успеть проковать или полностью залить стык до егоостывания.
Следуетзаметить, что кроме сварочных методов соединения древние умельцы применялискручивание, фальцовку, склепывание, а в более поздние времена – резьбовыесоединения.
Глава 2. Развитиеэлектрической сварки
В начале 19века на основе достижений в области физики и электротехники в развитии сваркипроизошел качественный скачек, результатом которого было появление новыхспособов сварки, являющихся основой современной сварочной техники.
Просмотрим вхронологическом порядке некоторые открытия и события предшествующие появлениюэлектрической сварки.
О природеэлектрических явлений люди знали издавна. Древние мудрецы установили связьмежду свойствами натертого шерстяной тканью янтаря и атмосфернымэлектричеством.
За 2000 летдо нашей эры в Китае использовали компас
В 1600 гангличанин Уильям Гильберт опубликовал книгу «Про магнит, магнитные тела ибольшой магнит-Землю”, занимаясь вопросами электрических и магнитных явлений,открыл магнитную индукцию.
В 1672гнемецкий физик Отто фон Герике создал машину, в которой при трении получалсязаряд статического электричества.
В 1745гнидерландский физик Питер фон Мушенбрук изобрел электрический конденсатор длянакапливания электричества.
Исследованиепо выяснению природы грозового электричества производили Ломоносов и Рихман.
В 1799гитальянский ученый Вольта построил первый в мире источник электрического тока –«вольтов столб», состоящий из разнородных металлических прутков (медь+цинк),проложенных бумажными кружками, смоченными водным раствором нашатыря.
Одним изважных в этом ряду было открытие сделанное русским академиком
ПетровымВ.В… В 1802г на построенной им мощной гальванической батарее он впервые в миренаблюдал явление электрической дуги.
/>
Проводя опыты ониспользовал электрометр изобретенный Георгом Рихманом по изучениюэлектропроводности различных материалов, он подсоединял к источнику эл. токаразличные предметы из цинка, серебра, олова, железа и даже льда и по отклонениюльняной нити на определенный угол определял, какое количество тока проходитчерез тот или иной проводник.
Когда онприсоединял угольный стерженек обожженный из древесной палочки, она случайноразломилась пополам и между разломанными частями вспыхнуло ярчайшее маленькоепламя — электрическая дуга.
Он повторилопыт несколько раз и каждый раз горение дуги повторялось
Частьоткрытия дуги начали присваивать Г. Дэви- крупному английскому физику и химику,который в 1808 году также обнаружил электрическую дугу. Доклад, сделанный им поэтому поводу не привлек внимания научного мира, т.е. отнеслись к этому открытиюкак к научному курьезу.
В 1815г английский физикЧилдрен расплавил и наварил в электрической дуге иридий, оксид церия и другиетугоплавкие материалы.
Петрова невспоминали до тех пор, пока электрическая дуга не стал служить человечеству иодин петербуржский студент не обнаружил книгу Петрова, изданную в 1803 году«Известие о гальвани-вольтовых опытах » о световом явлении посредствомгальвани-вольтовой жидкости. «Пламя» горящее между двумя горизонтальнорасположенными углями – электродами принимало форму направленной вверх дуги ипозже получило это название.
В 1900 годуна Всемирной Парижской выставки в числе выдающихся электриков была названафамилия русского ученого Петрова.
В 1820 годудатский физик Эрстед открыл магнитное поле, окружающее проводник с током.
В 1821 годуДеви продолжал исследования с дугой, описал действие магнитного поля на дугу.
Примерно вэто же время французский ученый Араго Д.Ф. изобрел электромагнит, а французскийже физик Ампер установил, что протекающие по параллельным проводникам токипритягивают или отталкивают друг друга.
В 1831 годуанглийский физик Фарадей открывает явление электромагнитной индукции, заложивтем самым основы электротехники.
Максвеллвывел уравнение характеризующее электромагнитные поля и происходящие в нихпроцессы.
Большой вкладв развитие основ электротехники внесли русские ученные – Якоби, Ленц, Лачинов идругие.
В середине 19века разрабатываются конструкции ламп для бытового освещения и прожекторов.
В 1876 годурусский изобретатель Яблочков создал так называемую «свечу Яблочкова»- дуговыелампы освещения улицы Петербурга, Парижа, Лондона. Они были снабженыавтоматическими регуляторами, содержащие настоящую длину дуги.
Большой вкладв совершенствование конструкций ламп внес Чиколев.
Эти работыпозволили глубже изучить свойства дугового разряда и были
При созданиии совершенствовании дуговой сварки.
И вот в 1881году Бенардос создал первый в мире реальный способ дуговой сварки.
То что способродился в России не было случайным – основой ему были исследования итехнические разработки в области электротехники, металлургии, металловедения.
Избиографии Бенардоса 1842года.
Он былразносторонним изобретателем – источники питания дуги – аккумуляторы,сельсхозустройства, устройства для точечной сварки.Свой способ дуговой онназвал «электрогефест».
В октябре1888 года на заводе в Перьми другой русский изобретатель Славяновдемонстрировал свой способ сварки. Способ заключался в том, что вместоугольного электрода была использована сварочная проволока при этом дуга гореламежду изделием и проволокой и грела а роль присадочной меры накладывалиотдельными участками и чтобы расплавленный металл не растекался, зону сваркиограничивали барьером из земли.
В 1891 годуон получил русскую привилегию на изобретенный им метод электрической отливкиметаллов.
За небольшойсрок (3.5 года) на Метовилихинском заводе было выполнено более 1600 работ посварке и наплавке ответственных изделий.
Заплавлялидефекты отливок, трещины и т.д.
В 1889 году вСША Коффин, будущий основатель фирмы «Днерал электрик» предложилдвухэлектродный держатель для сварки тонколистового металла дугой косвенногодействия. Он также как и Бенардос, создавал под свариваемыми листами магнитноеполе влияющее на дугу и сварочную ванну.
В это жевремя в Германии Церенер разрабатывает такой же способ и держатель.
В 1884 годуамериканский изобретатель Томсон сконструировал мощный трансформатор и клещидля зажима металлических брусков, которые были сварены в стык.
(Следуетзаметить что и у Бенардоса тоже имеется патент на точечную сварку).
Вообще конец19 начало 20 века не были годами широкого распространения электротехнологии и в,частности, электрической сварки. Электрическая энергия оставалась дефицитной.Известные способы сварки были достаточно сложны, а удовлетворительное качествопереплавленного металла обеспечивалось ценой высокой трудоемкости.
Некоторыесварщики конца 19века на исходной ступени — применяя электрический ток длянагрева и размягчения отдаленных участков кромок изделия, а затем просовывая их,применяя метод сварки.
В тоже времядля дуговой сварки по способу Славянова нужны были плавящиеся стальныеэлектроды.
В 1907 годушведский инженер Оскар Кельберг предложил наносить на металлический стерженьслой покрытия из различных веществ повышающих устойчивость горения дуги.
Несмотря навсе трудности возникающие в процессе сварки без нее уже нельзя было обойтись
В конце 19начало 20 века (на рубеже веков) появился новый способ не только соединения нои разделения металлов, основанный на использовании теплоты химических реакций.
Исследованияпроведенные французским ученым Ле Шателье способствовали созданию способагазовой сварки и резки. В 1895 году он доложил французской академии наук ополучении высокотемпературного пламени (3150-32000С) при сжиганиисмеси ацетилена и кислорода.
В начале 19века французские инженеры Фуше и Пикар разработали конструкциюацетилено-кислородной горелки, которые практически не изменились до настоящеговремени.
В 1904 годубыли разработаны резаки.
В 1908-09годах во Франции и Германии были выполнены основные работы по подводной резкиметаллов. Вскоре подводная газовая резка применялась на флотах Америки и Англии.
В 1915 годуза границей разрабатывается и используется технология дуговой резки.
В Россиигазовая сварка и резка применялась прежде всего для исправления браков литья, времонтных работах и очень ограниченно для неответственных изделий сиспользованием оборудования и материалов.
В 1910-11годах на заводах Урала и Украины в эксплуатации буквально единицы газовых постов,а с 1911года в Петербурге на заводе «Перун» начинается изготовление аппаратурыдля газовой и резки металлов.
В этом жегоду газовая сварка была допущена при изготовлении паровых котлов, разрешив сваркунеответственных частей котлов, но с условием проковки после сварки и по меревозможности – отжига.
В периодпервой мировой войны газовая сварка развивалась более интенсивно и до начала30-х годов она занимала ведущее положение в сварочном производстве.
С ее помощьювыполнялись ответственные работы. Например, в 1926-35 годах с ее применением ибыли настроены магистральные трубопроводы Гурьев-Орск, Баку-Батуми,Грозный-Туапсе.
И до 1948года газовая и особенно газопрессовая сварка использовалась при сооружениитрубопроводов.
А дуговуюэлектрическую сварку по способам Бенардоса и Славянова продолжали применять вРоссии и странах западной Европы главным образом на железных дорогах, а такжена машиностроительных и металлургических заводах.
Например, вВоронежских народных мастерских исправляли дефекты колесных пар, паровозных рам,при ремонте паровозных котлов и т.д.
На Каменскоммашиностроительном заводе – для сварки труб, резервуаров пневматическихтормозов, ремонта чугунных изделий и т.д.
Несмотря наотдельные положительные моменты дуговая сварка отставала от газовой. Длярешения вопросов создания конкурентоспособного способа необходимо было решитьряд проблем, особенно для способа сварки плавящимся электродом.
Дело в том,что дуга на угольном электроде зажигается легко и устойчиво горит. Электродпочти не обгорает, длина дуги поддерживается в широком диапазоне (3-15мм).Выполнять сварку в таких условиях вручную практически легко и просто.
При сварке жеплавящимся электродом дуга на металлическом электроде имеет малую длину. Приудлинении дуги имеет место значительное разбрызгивание металла, дуга горитнеустойчиво, наблюдается «блуждание» ее. Кроме того электрод плавится с большойскоростью (200мм/мин) при этом сварщик должен поддерживать дуговой промежуток(длину дуги) в пределах 1-3 мм. Поэтому необходимо было найти не только способызащиты металла зоны сварки и легирование сварочной ванны, но и обеспечитьпроцессы возбуждения и поддерживания дуги.
То естьнеобходимо было совершенствовать источники питания сварочной дуги.
Продолжалисьисследования и проводились работы по созданию электродов, обеспечивающихвысокое качество сварки. Электроды предложенные Къельбергом не обеспечивалидостаточную защиту расплавленного металла от воздуха, ванна насыщалась азотом иокислялась кислородом окружающего воздуха. В тоже время идея Къельберга легла воснову целого направления в сварочном производстве – метода ручной дуговойсварки штучными электродами.
В 1911годуангличанин Строменгер предложил обматывать металлический стержень асбестовымшнуром и приматывать жидким стеклом (силикатом натрия Na2O*SiO2)(поташ – K2CO3, мел – CaCO3)
Тонкая Alпроволока наматывалась поверх покрытия. Покрытие электрода было толще, шлакахватало для защиты, а с помощью Al – активного раскислителя, часть железавосстанавливалось и попадало в металл шва. Под названием «Квази-арк»онираспространялись в Европе и Америке. Вскоре одна из американских фирм наладилавыпуск специализированных электродов, при этом стержень электрода выбирали взависимости от сорта стали, которую нужно было сварить.
В 1914 годуангличанину Джонсу был выдан британский патент на электрод, покрытие которогонаносилось методом опресовки. Покрытие состояло из шлака, жидкого стекла.
В 1917 годуамериканские инженеры Андрус и Стресау предложили электроды, стальной стерженькоторого был обернут бумагой приклеенной силикатом натрия (жидким стеклом). Дымпри сгорании улучшал защиту зоны сварки, а присутствие в дуговом разряде натрия,имеющего низкий потенциал ионизации, облегчало технику выполнения ручнойдуговой сварки.
Благодаряэтим и другим техническим решениям были разработаны электроды с покрытиямиобеспечивающими высокое качество сварных соединений из стали и других металлов.
Разработкатехнологии «электрогефеста» развивалось одновременно с разработкой источниковпитания. Сварочный аккумулятор Бенардоса нашел применение во всех странах мира.
Однакоэксплуатация большого числа аккумуляторов представляла серьезные трудностивызванные вредными условиями труда, необходимостью систематической зарядки,невозможностью транспортировки.
В 1925 годуангличанин Смит А.О. предложил конструкцию электрода – обмотал мастерскибумажной лентой и обмазал ее жидким стеклом с порошкообразными добавкамивеществ улучшающих защиту и даже легирующих Ме шва.
В том же годуфранцузские изобретатели О. Монейрон и О. Саразен разработали еще один рецептпокрытия металлических стержней толстым слоем обмазки. Компонентами в рецептестали соединения щелочных и щелочноземельных металлов (калия, натрия, кальция)полевой шпат, мел, мрамор, сода. Эти элементы обладаю низким потенциаломионизации те для отрыва электрона от атома требуется меньше энергии, чем приионизации железа, марганца, кремния.
Легчевозбуждать и поддерживать горение дуги.
Дело в том,что ионизирующие вещества вводили в состав электрода для ламп дуговогоосвещения.
Сварочныйгенератор предложенный и построенный Славяновым, несколько упростил уход заисточником питания. Однако для сглаживания пиков тока в цепи оставаласьаккумуляторная батарея, т.е. конструкция генераторов была еще не совершена.
В 1907 годуна заводе «Линкольн электрик» в Америке был выпущен первый генератор срегулируемым напряжением.
В 1909 годусвой генератор постоянного тока создал американский промышленник и изобретательВестингауз.
В это жевремя начинает выпускать мотор-генераторы фирма «Дженерал электрик»возглавляемая Коффином.
Электрическая промышленность разных стран ужеосваивала переменный ток. Его применение сулило большие преимущества, и впервую очередь, упрощение источников энергии — сварочных трансформаторов, таккак в них не было сложных вращающих деталей, работали они бесшумно, были простыв обслуживании.
Глава 3. Основныевиды современной сварки
3.1Электрическая дуговая сварка
В настоящее время электрическая дуговая сварка занимаетпервое место среди многочисленных способов сварки материалов.
Дуговаясварка основана на явлении электрической дуги.
.Электрическая дуга представляет собой один из видовустойчивого электрического разряда через газовый или парогазовый промежуток,характеризующийся высокой плотностью тока и температурой.
Для сваркиважно, чтобы дуга легко возбуждалась, устойчиво существовала и легкорегулировалась по своим энергетическим параметрам.
Известнонесколько способов возбуждения дугового разряда. По способу В.В. Петрова дваэлектрода, соединенные с источником тока, сближают до соприкосновения и сразуже разводят на небольшое расстояние. В этот момент между ними вспыхивает дуга.
Что жепроисходит при этом? Упрощенно это можно представить себе так: присоприкосновении электродов электрическая цепь замыкается и по ней идет ток. Всоответствии с законом Джоуля-Ленца при протекании тока в проводникахвыделяется теплота. Поскольку соприкосновение электродов вследствие неровностейих поверхностей осуществляется лишь в отдельных физических точках, сопротивлениепротеканию тока в них будет значительным, поэтому материал в точках контактанагревается сильнее и быстрее, чем в остальных участках цепи. При высокойтемпературе электрода возникает явление так называемой термоэлектронной эмиссии- испускание электронов под действием теплового возбуждения. Если в этот моментразорвать контакт между электродами, то под действием электрического поляэлектроны, образовавшиеся вследствие термоэмиссии, начнут перемещаться кположительному электроду (аноду). Сталкиваясь с нейтральными молекулами газаили атомами в межэлектродном промежутке, электроны «раскалывают» их на ионы иновые электроны (рис. 2.1).
В результатеэтих и других более сложных и тонких процессов в межэлектродном промежуткеобразуется плазма ~ достаточно ионизированный и квазинейтральный газ,обладающий хорошей проводимостью тока. Следует отметить, что наряду собразованием ионов в межэлектродном промежутке наблюдается и обратная картина,т.е. образование нейтральных атомов и молекул за счет присоединения (поглощения)электронов. При этом происходит выделение энергии в виде фотонов, т.е.возникает излучение в виде света (рис. 2.1).
/>
Рис. 2.1.Схема ионизации молекул в дуговом промежутке:
М — молекула;А — атом; Ф — фотон; «-» электрон; « + » — ион
Каково жестроение дуги? На рис. 2.2 показан схема дуги постоянного тока, горящей междуэлектродом 1 (катод) и изделием 3 (анод). В межэлектродном (дуговом промежутке)находится электропроводный канал 2, называемый столбом дуги.
Газы столбадостаточно ионизированы, ослепительно ярко светятся, имеют по его оси высокуютемпературу — порядка 10 000 °С. Наиболее ионизирована центральная частьстолба.
Столб окруженпламенем, или ореолом, с меньшей температурой, образуемым парами и газами,поступающими из столба дуги и взаимодействующими химически с окружающейатмосферой.
Основаниямистолба дуги являются расположенные на электродах ярко светящиеся катодное ианодное пятна (их называют активными), плотность тока в которых можетсоставлять десятки тысяч ампер на квадратный сантиметр. На них происходитпреобразование электрической энергии газового разряда в тепловую, нагревающую ирасплавляющую металл и способную доводить его до кипения, превращать в пары.
/>
Рис. 2.2.Схема строения сварочной дуги и распределение напряжения по ее длине
Расстояние отанодного до катодного пятна называется длиной дуги (/д). Длина дуги редкопревышает 1—2 см, а диаметр столба дуги — и того меньше. Плазма дуги занимаетнебольшой объем — около 1 см3, который можно разделить на три области: две изних непосредственно прилегают к катодному и анодному пятну и имеют небольшуюпротяженность (/а, /к), сопоставимую с длиной свободного пробега. Третьяобласть — собственно межэлектродный промежуток, заполненный ионизированнымгазом, Длина его /с близка к длине дуги /д. В каждой из областей происходятсложные явления.
В столбедуги, являющемся основной ее частью, присутствуют наряду с заряженнымичастицами (ионами и электронами) и нейтральные частицы — атомы и молекулы пароввеществ, из которых сделаны электроды, и газов, окружающих дугу. Наличие встолбе дуги заряженных частиц, а также фотонов и квантов электромагнитной энергиипридает ему необычные свойства, которые характерны только для четвертого илиплазменного состояния вещества, — наряду с твердым, жидким и газообразнымсостояниями. В земных условиях мы редко сталкиваемся со свободно существующейплазмой (по некоторым представлениям это может быть, например, шаровая молния).Однако в целом во всей Вселенной примерно 99,9 % вещества находится вплазменном состоянии (звезды, туманности и т.д.).
Под действиемэлектрических и магнитных полей, конвективных потоков, местных флуктуациидавления, кулоновского взаимодействия между электронами и ионами частицы встолбе дуги перемещаются по сложным траекториям. Наиболее подвижны отрицательнозаряженные частицы — электроны. Они могут приобретать высокие скоростиперемещения и вступать во взаимодействие с ионами, молекулами и атомами,передавая им свою энергию. При каждом так называемом неупругом взаимодействиипроисходит возбуждение атома или молекулы, т.е. переход их в состояние с болеевысоким, энергетически неустойчивым уровнем. Самопроизвольно возвращаясь кнормальному состоянию, частицы излучают энергию в виде фотонов, что наряду сизлучением фотонов в процессе объединения положительного иона с электроном(т.е. при образовании нейтральных атомов) и вызывает ослепительное свечение плазмы.
При сильномвзаимодействии электрона с атомом последний получает такую большую энергию,которая достаточна для отрыва собственных электронов от ядра. Атом становитсяположительным ионом: однозарядным, если выбит один электрон, двухзарядным —если два, и т.д. Уровень энергии электрона, необходимой для ионизациикакого-либо атома, выражают в электрон-вольтах (ЭВ) и называют потенциаломионизации.
Различныеэлементы имеют различный потенциал ионизации. Чем меньше номер группы и большеномер периода в таблице элементов Менделеева, тем меньше потенциал ионизации.Так, цезий, самый тяжелый элемент из всех щелочных металлов, имеет наименьшийпотенциал ионизации 3,9 ЭВ, а самый легкий из инертных газов — гелий обладаетнаивысшим потенциалом ионизации — 24,5 ЭВ. Регулируя состав атмосферы столбадуги, можно, по-видимому, регулировать устойчивость и энергетическиевозможности дугового разряда, чем на практике и пользуются сварщики.
Длядиссоциации различных молекул необходима также различная энергия. Так, например,молекула фтора диссоциирует при затрате энергии в 1,6 ЭБ, а углекислого газа —9,7 ЭБ. Для сварщиков не безразличны эти цифры. Ведь от того, какие атомы имолекулы будут преобладать в атмосфере дуги, будут зависеть легкостьвозбуждения дуги, ее стабильность и другие характеристики.
/>
Рис. 2.3.Зависимость напряжения на дуге от силы тока при различных длинах дуги (1, 2) инапряжениях на зажимах источника питания (3, 4)
Столб дуги,достаточно однородный по строению и свойствам, примыкает своими концами кэлектродам — аноду и катоду, через которые питается током от источника питания4 (см. рис. 2.2). Приэлектродные области (анодная и катодная), т.е. зоныперехода от твердых или жидких проводников — электродов к газовому проводнику —столбу дуги, являются наиболее сложными областями дугового разряда. Протеканиетока в пограничных областях носит необычный характер. Здесь наблюдаются оченьвысокие плотности тока и совершенно необычные напряженности электрического поля— в десятки тысяч вольт на сантиметр по сравнению с 20 — 30 В/см в столбе дуги.Именно в этих областях горячая плазма граничит со сравнительно холоднойповерхностью электродов, нагретых до 2 — 3 тыс. °С. Весьма неопределенна исреда в переходных областях — неизвестно сколько в ней газа и какого онсостава, сколько паров материала электродов и т.п. Несмотря на многочисленныеработы, посвященные изучению приэлектродных областей, многое остается ещеневыясненным, что объясняется трудностями исследований: высокими температурами,малой протяженностью приэлектродных областей (тысячные доли сантиметра),сложностью характера протекающих явлений. Упрощенно можно представить себеосновные процессы, происходящие в приэлектродных областях.
В катоднойобласти наблюдается интенсивное эмиссирование (выбрасывание) потока электроновс поверхности катода за счет нагрева его до высокой температуры(термоэлектронная эмиссия) и за счет локального действия электрического полявысокой напряженности (автоэлектронная эмиссия). Кроме этого, поверхностькатода бомбардируется положительными ионами и фотонами, способными такжевыбивать электроны из атомов катода. В результате интенсивной эмиссииэлектронов с катода и соответствующей ионизации дугового промежутка иустанавливается устойчивый разряд — электрическая дуга.
В аноднойобласти идут более простые процессы: за счет притяжения положительнозаряженного анода электроны разгоняются и непрерывно бомбардируют егоповерхность. В результате энергия электронов передается аноду, что приводит кинтенсивному разогреву его поверхности до температуры, близкой к температурекипения материала анода.
Известно, чтопадение напряжения на участке металлического проводника подчиняется закону Омаи может быть представлено в виде прямой.
Падениенапряжения в дуге на различных ее участках, отнесенное к единице длины,неодинаково.
На рис, 2.2представлено распределение падения напряжения в дуге. В прикатодной области надлине около 10-5 см сосредоточена значительная часть напряжениядуги, называемая катодным падением напряжения (/>). В при-анодной областисосредоточено анодное падение напряжения (/>).
Таким образом, напряжениедуги может быть представлено суммой трех составляющих:
/>, (2.1)
где (/>,/>,/>,/>— соответственно общеенапряжение на дуге и падение напряжений: катодное, в столбе дуги и анодное.Количество тепла, выделяемое дугой в единицу времени (/>) может быть определено позависимости
/>, (2.2)
где 0,24 —коэффициент перевода электротехнических единиц в тепловые; /> — ток дуги.
При сварке невсе тепло, выделенное дугой, вводится в изделие. Часть тепла теряется в видеизлучения в окружающую среду.
Количествотепла, введенное в изделие, учитывается эффективным коэффициентом полезногодействия сварочной дуги п… Величина эффективного КПД дуги зависит от многихфакторов и колеблется в пределах от 0,5 до 0,9.
Дляпрактического применения чрезвычайно важна так называемая статическаявольт-амперная характеристика дуги (ВАХ), показывающая, как изменяетсянапряжение на дуге в зависимости от силы тока при заданной длине дуги.
На рис. 2.3приведена такая зависимость для разных длин дуги (кривые 1 и 2). Удлинение дугиприводит к увеличению напряжения на ней (/>).
Вольт-ампернаяхарактеристика показывает, что дуга как вид газового разряда являетсянелинейным сопротивлением и не подчиняется закону Ома. Вольт-ампернуюхарактеристику можно разделить на три области. В первой области (до 100 А) снарастанием тока резко падает напряжение на дуге (падающая характеристика). Вовторой области (~ до 1000 А) наблюдается постоянство напряжения на дуге призначительном изменении тока. В третьей области (> 1000 А) вместе снарастанием тока увеличивается и напряжение на дуге (возрастающая ВАХ). Причинатакой сложной связи тока и напряжения дуги объясняется поведением заряженныхчастиц в столбе дуги, закономерности которого рассматриваются в теории дуговогоразряда.
Исходя изконкретных условий сварки назначаются определенные величины тока (/>) и напряжения(/>) надуге. Для того, чтобы понять, как это делается, необходимо еще, кромерассмотренной зависимости ВАХ, рассмотреть так называемую внешнююхарактеристику (ВХ) источника питания Дуги.
В современнойсварочной технике используют следующие источники питания (ИП) сварочной дуги:источники питания дуги переменным током — сварочные трансформаторы, источникипитания дуги постоянным током — сварочные выпрямители и сварочные генераторы.
Графикзависимости между напряжением на зажимах ИП и током, отдаваемым ИП в цепь иназывают внешней характеристикой источника питания. Различают крутопадающие(см. кривые 3 и 4 на рис. 2.3), пологопадающие, жесткие и возрастающие ВА.
Наиболеешироко используются ИП с крутопадающими ВХ, чаще называемыми просто падающимиВХ. Если сварочная цепь будет разомкнута, то напряжение на зажимах ИП будетсоответствовать так называемому напряжению холостого хода (/>на рис. 2.3).
Точкапересечения внешней характеристики источника питания с вольт-ампернойхарактеристикой дуги (например, точка А, см. рис. 2.3) обусловливает заданныйуровень тока и напряжения дуги />, />, (см. рис. 2.3) и отвечаетустойчивому состоянию системы источник питания — сварочная дуга. Изменение илинастройку режима дуги по току и напряжению можно осуществлять различнымипутями, например, изменяя крутизну ВХ источника питания (см. кривые 3 и 4 нарис. 2.3), изменяя напряжение холостого хода ИП или скорость подачи электродапо мере его плавления. В каждом конкретном случае режим дуги по току инапряжению назначается инженером-сварщиком исходя из соображений обеспечениявысокого качества и производительности сварки.
Послекраткого знакомства с особенностями дугового разряда и условиями егосуществования перейдем к рассмотрению наиболее распространенных видов дуговойсварки. Анализ объема использования различных способов дуговой сварки вразличных отраслях показывает, что в настоящее время основным способом являетсяручная дуговая сварка покрытым электродом, что объясняется простотой иуниверсальностью этого способа сварки. Хотя доля ручной дуговой сваркинепрерывно снижается [10], она еще длительное время будет использоваться какманевренный и доступный способ сварки, особенно при выполнении работ втруднодоступных местах и в условиях монтажа.
Как уже ранееупоминалось, открытие Н.Н. Бенардоса усовершенствовал Н.Г. Славянов, заменивугольный электрод металлическим, плавящимся. Однако использование непокрытого,голого (или покрытого тонким слоем мела для стабилизации дугового разряда)прутка-электрода не обеспечивало получения сварных швов высокого качества из-занасыщения металла кислородом и азотом из атмосферы воздуха.
В 1907 г.шведский инженер О. Кьельберг предложил первые качественные или толстопокрытыеэлектроды, применение которых значительно повысило качество сварных швов(механические свойства, внешний вид). Поэтому ручная дуговая сварка покрытымэлектродом нашла быстрое применение за рубежом — на заводах США, Англии,Австро-Венгрии и других стран. В СССР первые электроды с толстым покрытием былиразработаны почти одновременно (1930—1935) в ряде организаций. Большинствомарок электродов (ЛИМ, ВЭТ-26, ОММ-1, ОММ-2, ОММ-5, АН-4 и др.) предназначалисьдля сварки малоуглеродистых сталей. Несколько позднее были созданы в ЦНИИТМАШеэлектроды ЦМ-7, нашедшие большое применение при изготовлении сварных конструкцийиз тех же сталей. В 1940—1941 гг. группой Ленинградских инженеров подруководством К.В. Петраня была разработана серия покрытий типа УОНИ-13, которыепо праву и сегодня можно отнести к лучшим электродам. С их появлением сталовозможным сваривать не только малоуглеродистые и низколегированные, но исреднеуглеродистые, различные легированные конструкционные стали, сваркакоторых ранее была весьма затруднена.
В 60-е годы вСССР была разработана серия малотоксичных электродов (АНО, ОЗС, МР), при сваркекоторыми, в отличие от применявшихся, например ЦМ-7, ОММ-5 и др., выделяетсявесьма мало вредных для здоровья веществ — силикатной пыли, окислов марганца;эти электроды предпочтительны и по другим показателям.
В созданиинизкотоксичных электродов, их внедрении в промышленность принимали участиемногие организации и в первую очередь такие как Институт электросварки им. Е.О.Патона АН УССР, Московский опытно-сварочный завод, Институт металлургии им.А.А. Байкова АН СССР, Промстальконструкция и другие, а коллективу специалистовво главе с академиком АН УССР И.К. Походней, осуществлявших эту работу, былаприсуждена Государственная премия СССР в 1971 г,
В настоящеевремя в странах СНГ выпускается более 500 типов электродов с самыми различнымикачественными покрытиями, которыми успешно свариваются стали, чугуны, цветныеметаллы, их сплавы и другие различные материалы. Толщина покрытия современныхкачественных электродов составляет 1—3 мм (рис. 2.4). Оно представляет собойтонкоизмельченную смесь, состоящую из различных минералов, рудных продуктов,горных пород, ферросплавов, органических и других веществ, скрепленных междусобой и с поверхностью металлического прутка водным раствором жидкого стекла.Такое сложное по составу покрытие выполняет ряд функций помимо защитной отвредного воздействия воздуха (кислорода и азота) на жидкий металл, облегчениязажигания дуги и устойчивости ее горения. Составляющие покрытия осуществляюточень важную металлургическую обработку расплавленного металла — егораскисление, т.е. освобождение в той или иной мере от кислорода, внесение вметалл специальных добавок, улучшающих его свойства (легирование), очищениеметалла от вредных примесей — серы и фосфора (рафинирование), измельчениеразмеров кристаллов в процессе затвердевания металла. В зависимости от того,для сварки каких металлов предназначаются электроды, прутки, на которыенаносится покрытие, могут быть из различных металлов или сплавов. В электродахобщего назначения, широко применяемых для сварки разнообразных стальных конструкций,прутки изготавливаются из стальной малоуглеродистой, почти бескремнистой,холоднотянутой проволоки, для которой характерна повышенная чистота металла,ограничение содержания вредных примесей — серы и фосфора.
/>
Рис. 2.4.Схема ручной дуговой сварки плавящимся металлическим электродом с покрытием
На рис. 2.4приведена схема ручной сварки покрытым электродом с изображением продольногосечения зоны сварки.
При ручнойдуговой сварке электрод зажимается в специальный держатель, находящийся в рукесварщика, который с помощью кабеля соединяется к источнику питания дуги.
Дуга можетпитаться как постоянным, так и переменным током, одно- или многофазным, низкойили высокой частоты. При постоянном токе имеет значение полярность электрода.Чаще к электроду присоединяют отрицательный полюс источника тока, а к изделию —положительный; тогда получают прямую или нормальную полярность, Очевидно, чтопри питании дуги переменным током полярность электрода будет постоянно менятьсяс периодом, равным частоте переменного тока.
Послевозбуждения дуги сварщик начинает ее перемещать в заданном направлении. По мереплавления электрода он подает его в зону сварки для поддержания длины дугипостоянной величины. При расплавлении электрода одновременно плавится исвариваемый металл, в результате формируется сварной шов.
Иногда вместоплавящегося электрода сварщик использует неплавящийся (угольный), поэтому дляформирования сварного шва в зону дуги вводится специальный дополнительныйприсадочный пруток, который, расплавляясь, образует сварной шов. При выполнениисварочных работ сварщик пользуется специальным щитком, защищающим лицо и глазаот сильного светового потока и брызг металла. В щитке имеется окно с темным защитнымстеклом, позволяющим наблюдать за зоной сварки и влиять на поведение жидкогометалла в сварочной ванне. Теплом дуги расплавляется не только металлическийпруток 1 (см. рис. 2.4), но и покрытие 2, и в виде капель 3 переносится всварочную ванну 4, где перемешивается с расплавленным металлом свариваемогоизделия. Покрытие плавится медленнее прутка, поэтому на торце электродаобразуется своеобразная втулочка, направляющая поток выделяемых газов и паров вдуге в сторону сварочной ванны, что облегчает отрыв капель от торца электрода.Металл ванны покрывается защитным слоем шлака 5, образующим затем назатвердевшем металле шва 6 шлаковую корку 7, сбиваемую с его поверхности поокончании сварки.
Глубина h(см. рис. 2.4), на которую расплавляется свариваемый металл (глубинапроплавления) зависит от режима сварки (силы сварочного тока, скоростиперемещения дуги вдоль свариваемых кромок и других параметров) ипространственного положения зоны сварки.
Сваркапокрытым электродом может осуществляться во всех пространственных положенияхсвариваемого участка изделия: в наиболее удобном для сварщика положении-нижнем, на вертикально расположенном участке и, наконец, в потолочномположении, когда поворот изделия для удобства сварки невозможен.
В процессесварки рука сварщика обычно совершает ряд сложных движений: кроме подачиэлектрода к изделию и перемещения вдоль свариваемых кромок, сварщикодновременно делает поперечные колебания той или иной формы. От того, насколькоон при этом владеет умением поддерживать непрерывность горения дуги иобеспечивать постоянство ведения процесса, зависит стабильность формы икачество сварного шва.
Важнойхарактеристикой качественных электродов являются коэффициент наплавки ан,который показывает, сколько электродного металла под действием сварочного токав 1 ампер наплавляется в единицу времени. Зная коэффициент наплавки электрода ивеличину используемого тока, можно легко определить производительность сваркиэтим электродом:
/>, (2.3)
где /> —производительность наплавки, г/ч; /> — коэффициент наплавки, г/Ач; /> — величинатока, А.
Коэффициентнаплавки у обычных электродов с покрытием лежит в пределах 8 — 10 г/Ач.
Сварочные жетоки для электродов, имеющих диаметр 3 — 6 мм и используемых при выполнении основногообъема работ, составляют 120 — 350 А, при напряжении дуги 16 — 30 В.Коэффициент наплавки можно увеличить, если в состав покрытия ввести железныйпорошок (от 5 до 50 % массы прутка}; тогда коэффициент наплавки возрастает до12 — 20 г/Ач, а производительность сварки возрастает в 1,5 — 2 раза. Первойстала изготавливать подобные электроды голландская фирма ФИЛИПС (1946-1947гг.). Такие же электроды, содержащие в покрытии 30 — 50 % железного порошка,выпускается в США, Франции, Бельгии и других странах.
В СССРэлектроды с железным порошком в покрытии получили широкое распространение в60-е годы XX в. (электроды ОЗС-3, АНО-1, ОЗС-5, ВН-48 и др.).
Процессизготовления покрытых электродов включает следующие основные операции:
правку ирубку очищенной проволоки на прутки необходимой длины;
грубое итонкое дробление (размол) входящих в состав покрытия веществ (компонентов), сих последующим просеиванием на специальных ситах;
изготовлениеобмазочной пасты;
нанесениеобмазки на электродные прутки путем опрессовки;
сушкупокрытых электродов с целью удаления из покрытия влаги и придания емунеобходимой механической прочности,
В настоящеевремя имеются крупные специализированные производства по изготовлениюэлектродов мощностью до 60 тыс. т электродов в год. Во многих из них действуютпоточные линии, с широкой механизацией и автоматизацией ряда производственныхопераций. В таких линиях успешно работают высокопроизводительныеэлектродоизготавливающие агрегаты, сушильно-прокалочные конвейерные печиплавильно-отрезные автоматы и другое современное и производительноеоборудование.
Каковыдостоинства и недостатки ручной дуговой сварки покрытыми электродами?
Несомненным иглавным достоинством ее является универсальность и большая маневренность;ручная сварка покрытым электродом может осуществляться не только в любомпространственном положении, но и в любом, недоступном для других способовсварки, месте изделия, при любой толщине свариваемого металла, обеспечиваявыполнение швов самой различной протяженности. Вместе с тем большоеразнообразие типов и марок покрытых электродов позволяет успешно сваривать инаплавлять самые различные стали и специальные сплавы, чугуны, цветные металлыи сплавы на их основе, получать сварные соединения из них высокого качества. Кдостоинствам ручной дуговой сварки следует отнести простоту процесса,применение несложного в устройстве и работе оборудования для питания дуги,позволяющего использовать этот способ не только в стенах крупного предприятия,но и на строительных, а также монтажных площадках, в небольших мастерских какгородского, так и сельского типа. Вместе с тем ручной дуговой сварке присущизначительные недостатки, важнейшими из которых являются: использование ручноготруда рабочих высокой квалификации, низкая производительность процессавследствие использования небольших величин сварочного тока (чтобы неперегревался пруток электрода) и перерыв процесса из-за необходимости заменыэлектродов по мере того, как они расплавляются.
В практикесварочного производства известны многочисленные попытки приуменьшить названныенедостатки ручной дуговой сварки. В результате были разработаны такие способысварки, как сварка электродами повышенного диаметра (до 10 мм), сварка пучкомэлектродов, сварка с глубоким проваром (или сварка опиранием электрода), сваркалежачим и наклонным электродами и т.д.
Следует,однако, отметить, что все эти и другие приемы не могут ликвидировать главногонедостатка ручной дуговой сварки, а именно, применение ручного, немеханизированного труда.
Несмотря наизвестные недостатки ручной дуговой сварки необходимо, тем не менее, каждомубудущему инженеру-сварщику овладеть техникой ручной сварки покрытым электродом.Это позволит глубже понять и усвоить многие теоретические курсы, такие,например, как теория сварочных процессов, сварные конструкции, технологиядуговой сварки и др. Ни один из других способов дуговой сварки, кроме ручной,не позволяет реально и зримо ощутить и почувствовать, как возбуждается дуга,как происходит плавление металла электрода и изделия, как ведет себя сварочнаяванна в различных пространственных положениях, как поддерживается устойчивоегорение дуги и т.д.
Вот почемуовладение студентами навыками выполнения ручной дуговой сварки является нетолько желательным, но и необходимым элементом подготовки высококвалифицированногоспециалиста. Овладение техникой ручной дуговой сварки может осуществляться какв рамках самостоятельной работы студента в лабораториях кафедры, так и впроцессе прохождения практик.
Длительноевремя ручная дуговая сварка была единственным способом соединения (иразъединения) металлов, хотя многие передовые инженеры стремились ликвидироватьручной труд при сварке путем разработки различных устройств и приспособлений сцелью механизации процесса.
Началоширокой механизации и автоматизации сварочных процессов было связано ссозданием в 1939—1940 гг. под руководством академика Е.О. Патона способа«скоростной автоматической сварки голым электродом под слоем флюса». Этотспособ и сегодня остается самым экономичным и высокопроизводительным процессом,обеспечивающим получение сварных швов высокого качества.
В чем жезаключается коренное отличие дуговой сварки под флюсом от ручной?
При сваркепод флюсом (рис. 2.5) вместо штучных электродов применяется электроднаяпроволока 1 большой длины, свернутая в виде кассеты. Ее подача в зону дуги помере плавления, а также перемещение самой дуги вдоль свариваемых кромокмеханизированы и осуществляются сварочным автоматом, имеющим устройство 2 длявнесения в зону сварки флюса и отсоса нерасплавившейся его части со шва длявозврата в бункер.
Возбуждениюдуги предшествует засыпка флюса вдоль свариваемых кромок в виде валика толщиной50 — 60 мм. Возникшая при включении автомата дуга 3 между торцом электроднойпроволоки / и свариваемым изделием 4 оказывается закрытой флюсом: она горит взакрытой полости, образованной расплавленным флюсом, т.е. шлаком 5, всвоеобразном газовом пузыре 6. Закрытая полость и возникающее статическоедавление слоя флюса на жидкий металл сварочной ванны 7 предотвращаютразбрызгивание жидкого металла и нарушения в формировании шва./> />
Расплавленныйфлюс-шлак, обладая небольшой плотностью, всплывает на поверхность жидкогометалла сварочной ванны, образуя в процессе затвердевания шлаковую корку 8,легко удаляемую со шва 9. Нерасплавленная же часть флюса 10 отсасываетсяпневмоустройством 11 автомата в бункер 2 для повторного использования.
Рис. 2.5.Схема сварки под флюсом:
А — сварочнаяголовка; Б — механизм перемещения; I, II, III — поперечные сечения в различныхзонах шва
Что жепредставляет собой флюс?
Флюс — этосыпучий, зернистый, т.е. гранулированный материал, с величиной зерен (гранул)1—2 мм.
Современныефлюсы разнообразны, различаются назначением, составом и свойствами. Взависимости же от способа изготовления различают флюсы плавленые и неплавленые,
Плавленыефлюсы получают путем сплавления различных веществ (минералов, рудных продуктови др.) в печах, поэтому готовый плавленый флюс относится к сложным силикатам,близким по свойству к стеклу. Шлаки, ими образуемые, в зоне сварки выполняют восновном защитную роль, изолируя жидкий металл от контакта с воздухом, будучи вметаллургическом отношении малоактивными.
Неплавленыефлюсы, к которым относятся прежде всего так называемые керамические,изготовляют без сплавления входящих в их состав порошкообразных веществ, путемсвязывания такой смеси жидким стеклом (силикатным клеем) с последующейгрануляцией в зерна размером 1 — 3 мм. Для этого осуществляют протирку густоймассы через соответствующие сита, с определенным размером ячейки, а затемпросушивают и прокаливают флюс. Подобные флюсы содержат в своем составе (как иэлектродные покрытия) неокисленные, свободные элементы — металлы или их сплавы(ферросплавы), что позволяет при сварке под таким флюсом активно вмешиваться вход химических реакций в жидкой сварочной ванне, осуществлять раскисление,легирование металла шва, очищать его от вредных примесей, воздействовать наструктуру шва, т.е. получать в итоге сварные швы нужного состава и свойств.
Главным узломсварочного автомата является сварочная головка А (см. рис. 2.5), выполняющаяоперации по возбуждению дуги, ее поддержанию и прекращению горения. Кроме нееавтомат имеет ходовой механизм Б для перемещения головки вдоль свариваемыхкромок по специальным направляющим рельсам, устройство для подъема и опусканияголовки, катушку с намотанной электродной проволокой, а также флюсоаппарат,обеспечивающий подачу флюса в зону сварки и отсос неиспользованной его части.Роль сварщика, работающего со сварочным автоматом, сводится лишь к управлениюпроцессом сварки при помощи пульта управления, корректора.
При включенииавтомата ведущие ролики сварочной головки начинают вращаться и толкаютэлектродную проволоку, к которой они плотно прижаты, вниз — в токоподводящиймундштук. Токоподводящий мундштук подсоединен проводом к одному из полюсовисточника питания сварочной дуги (см. рис. 2.5), Другой полюс ИП соединен сизделием.
Посколькуподвод тока к проволоке через мундштук производится всего лишь в несколькихсантиметрах от ее конца, исключается значительный нагрев этого участка,называемый вылетом электрода, джоулевым теплом, что позволяет применять длятакой сварки, в отличие от ручной, повышенный ток.
Так как дуга,находящаяся под флюсом, невидима, это исключает возможность визуальногонаблюдения за положением конца электрода. Контроль над процессом сварки ведутпо приборам и указателю положения электрода относительно кромок свариваемогоизделия.
Длякорректировки конца электродной проволоки относительно кромок у автомата имеютсякорректоры, управляемые вручную или с помощью автоматических устройств.
По способуподачи электродной проволоки различают автоматы с зависимой от напряжения дугии ее длины скоростью подачи электродной проволоки и автоматы с постояннойскоростью подачи электродной проволоки. Автоматы первого типа имеют довольносложную схему автоматического регулирования дуги, в которой использованазависимость скорости подачи проволоки от напряжения дуги и ее длины. Появлениевторого типа автоматов связано с открытием в 1942 г. профессором В.И. Дятловымявления саморегулирования дуги. Оно заключается в самопроизвольномвосстановлении длины дуги, нарушенной под действием случайных факторов. Если,например, в процессе сварки длина дуги внезапно уменьшилась (при прохождении участкас прихваткой), то самопроизвольно увеличится скорость плавления проволоки ибыстро восстановится нормальная длина дуги и т.д. Разнообразные по конструкцииавтоматы этого типа отличаются большой надежностью, простотой управления иобслуживания, не требуют применения сложных автоматических механизмов длярегулирования процесса сварки. Большая серия подобных автоматов разработана ипродолжает разрабатываться Институтом электросварки им. Е.О. Патона.
В зависимостиот того, каким образом производится перемещение дуги вдоль свариваемых кромокизделия, сварочные автоматы разделяются на три группы: подвесные автоматы,самоходные автоматы и сварочные тракторы.
Подвесныеавтоматы или подвесные сварочные головки обычно используются вспециализированных установках (например, трубосварочных станах). Такая головказакрепляется неподвижно, изделие же от отдельного привода получает движение соскоростью, равной скорости сварки.
Самоходныеавтоматы, или самоходные сварочные головки, имеют механизм движения по рельсовомупути и при сварке перемещаются по этому пути.
Большоераспространение в сварочном производстве получили сварочные тракторы — легкие,компактные самоходные автоматы, которые могут перемещаться непосредственно поизделию, не требуя стационарных устройств с рельсовыми путями.
Сварочныеавтоматы успешно используются в массовом и серийном производстве изделий длявыполнения прямолинейных и круговых швов большой протяженности.
/>
/>
Рис. 2.6.Схемы различных видов сварки под флюсом:
а — однойдугой; б — сдвоенным электродом; в — двухдуговой от двух источников питания; г— ленточным электродом
Основнымвидом автоматической сварки под флюсом является сварка одной дугой, когдаподается в зону дуги одна электродная проволока (рис. 2.6, а).
Однаковозможна сварка двумя и более дугами, с подачей двух и более проволок. Примногоэлектродной сварке все электродные проволоки подсоединены к одному полюсуисточника питания (рис. 2.6, б), а при многодуговой — каждая из проволокполучает питание от отдельного источника (рис. 2.6, в). При этом возможнасварка с одной общей сварочной ванной, куда поступает жидкий металл от всехплавящихся проволок, или сварка так называемыми раздвинутыми дугами, когдакаждая дуга создает свою сварочную ванну, а следующая за ней дуга перекрываетсвоей ванной часть предыдущей. Существуют также виды автоматической сварки сиспользованием нескольких сварочных головок, действующих одновременно на разныхучастках шва, и другие. Все эти виды автоматической сварки под флюсомпреследуют одну главную цель: еще более повысить производительность сварки.Так, если однодуговая сварка под флюсом производительней ручной в 4 — 6 раз, томногодуговая — уже в 15 — 20 раз.
Весьмаперспективным является применение ленты вместо электродной проволоки (рис. 2.6,г). Электродная лента обычно имеет толщину до 2 м и ширину до 40 мм.
Горящая дугабыстро перемещается поперек ленты, равномерно ее оплавляя. Меняя форму лентыможно существенно влиять и на форму шва, т.е. глубину проплавления и ширину.Можно вместо одной ленты применять несколько лент (как и проволок), чтоособенно эффективно при выполнении наплавочных работ для получения широкослойнойнаплавки на поверхность изделия. Менее известна и разработана сварка ленточнымэлектродом, хотя этот процесс, несомненно, имеет большое будущее.
Нетрудноувидеть преимущества автоматической сварки под слоем флюса. Они сводятся кследующему:
высокая производительностьпроцесса, обусловленная возможностью применять значительный по величине ток (всравнении с открытой дугой — в 10 раз и более);
закрытая имощная дуга под флюсом обеспечивает лучшее использование сварочного тока —значительное проплавление свариваемого металла, позволяющее уменьшать разделкукромок или вообще ее не делать. Следствием этого является существенноесокращение расхода электродного металла и электроэнергии. Вместе с тем,уменьшаются и потери металла на угар, разбрызгивание, огарки (неизбежные приручной сварке);
стабильное,хорошее качество и формирование сварных швов;
высокийуровень механизации и возможность комплексной автоматизации сварочногопроцесса;
улучшениеусловий труда, так как нет необходимости в защите глаз и лица сварщика отвредного действия дуги.
Однако успособа имеются и недостатки:
возможностьсварки только в нижнем положении при наклоне изделия не более, чем на 10-15° отгоризонтали, с целью предупреждения отекания расплавленного металла и флюса,нарушающего правильное формирование шва;
невозможность(или нецелесообразность) сварки тонколистового металла толщиной менее 3 мм,швов малого калибра;
сложность игромоздкость сварочного оборудования, уменьшающих маневренность способа;
необходимостьболее тщательной (в сравнении с ручной сваркой) подготовки кромок и болееточной сборки деталей под сварку.
Рядперечисленных недостатков и ограничительных факторов, присущих сварке подфлюсом, могут быть полностью или частично устранены при использовании такоговажного вида дуговой сварки, как сварка в защитных газах. В настоящее времядуговая сварка в защитных газах занимает одно из ведущих мест в сварочномпроизводстве и продолжает развиваться и совершенствоваться.
При этом видесварки вместо флюса используется защитный газ, подаваемый в зону горения дугипод небольшим избыточным давлением, защищающим расплавленный металл от контактас воздухом (рис. 2.7).
Для защитызоны сварки применяют три группы газов: инертные (аргон, гелий), активные(углекислый газ, водород, азот и др.) и смеси газов (/>, />, />, /> и др.).
Выборзащитного газа определяется особенностями свариваемого металла, требованиями ксвойствам сварных соединений, эффективностью процесса и другими соображениями.
Первым,высказавшим в конце XIX в. идею о сварке в защитном газе, был Н.Н. Бенардос.Реализацию же этой идеи в 20-х годах XX в, осуществили американские инженерАлександер и физик, тоже инженер, Лэнгмюр, используя при сварке стержневымэлектродом в качестве защиты смесь газов. Значительно позднее, в 40-х годах XXв. в СССР и в США, почти одновременно, появляется новый вид дуговой сварки — всреде инертных газов.
/>
Газ
Рис. 2.7.Схема дуговой сварки в защитных газах при использовании неплавящегося (а] иплавящегося (б) электрода:
1 — неплавящийся (а) и плавящийся (6) электроды; 2 — токоподводящий мундштук; 3 —изолирующая втулка; 4 ~- сопло; 5 — свариваемое изделие; 6 — присадочный пруток
В СССР этотпроцесс разрабатывался в НИИАТ (Научно-исследовательский институт авиационнойтехнологии (г. Москва)), сначала с применением неплавящегося вольфрамовогоэлектрода, а в конце 40-х годов XX в. — и плавящегося. На протяжении примерно10 лет в ряде организаций (ИЭС им. Е.О. Патона, МВТУ им. Баумана, ЦНИИТМАШе,МАТИ (Московский авиационно-технологический институт) и др.) делаютсябезуспешные попытки использовать при сварке в СО2 плавящийся электрод, но лишьв 1952 г. в ЦНИИТМАШе сотрудниками К.В Любавским и Н.М. Новожиловым полученыположительные результаты: они применили не обычную сварочную, а специальнуюпроволоку.
Использованиев качестве защитной среды смесей газов — инертных и активных — оказалось в рядеслучаев более эффективным, так как за счет активного воздействия на ход реакций,протекающих в металле, удается получить более высококачественные сварные швы.Более совершенная защита свариваемого металла создается при использованииместных защитных устройств, специальных камер с контролируемой атмосферой — дляручной и механизированной сварки, и так называемых обитаемых камер, в которыхсварка осуществляется после создания соответствующей среды — сварщиком, одетымв скафандр.
Результатомбольшой совместной работы коллективов МВТУ им, Баумана и МЭИ (Московскийэнергетический институт), начатой в 1961 г., явилось применение для дуговойсварки вакуумной защитной среды (/>мм рт. ст.), создаваемой вспециальных вакуумных камерах. В такой среде содержание азота и кислорода наодин-два порядка ниже, чем при сварке в аргоне высшей чистоты.
Для сваркинеплавящимся электродом стали применять угольные (графитовые) и вольфрамовыестержни.
Уголь, илиграфит, относится к нерасплавляемым хрупким материалам; при высокой температуредуги такие электроды интенсивно испаряются, не расплавляясь, подвергаютсяокислению и поэтому довольно быстро расходуются.
Применениеэлектродов из вольфрама экономически выгоднее, несмотря на высокую стоимостьэтого металла. Вольфрам является самым тугоплавким из металлов (/>), поэтому такойэлектрод лишь медленно оплавляется и испаряется, Для защиты от окисления иувеличения срока службы такого электрода сварку осуществляют в струе защитногогаза, которым может быть водород или инертные газы — аргон, гелий.
Сущностьпроцесса сварки неплавящимся электродом заключается в следующем. Дуга прямогодействия (рис. 2.7, а) возбуждается и горит между вольфрамовым электродом 1 исвариваемым изделием 5. Вся зона сварки (конец электрода, дуга и ванночкарасплавленного металла) защищается от контакта с воздухом инертным газом,подаваемым в виде потока, концентрически направленного относительно электрода.
Сопло 4служит для формирования и нужного направления потока защитного газа. Всеназванные элементы образуют так называемую горелку — основной рабочийинструмент сварщика. Такая горелка легка, компактна и удобна в работе.Поскольку электрод является неплавящимся, в большинстве случаев для нужногоформирования шва в зону сварки вносится присадочный металл 6, подаваемыйсварщиком. Однако возможна сварка и без внесения присадки сварщиком, тогданужное образование шва обеспечивается за счет расплавления специальноподготовленных под сварку отбортованных кромок стыка, либо за счет расплавленияпредварительно уложенного на свариваемый стык присадочного металла.
Сварка взащитных газах неплавящимся электродом имеет много разновидностей, одна изкоторых, например, называется сваркой пульсирующей дугой или импульсно-дуговойсваркой.
При сваркепульсирующей дугой, разработанной в СССР в 1961 г. (авторы А.В. Петров, Г.А.Славин), ток дуги пульсирует от минимума во время паузы до максимума во времяимпульса. Такое питание дуги током позволяет выполнять сварку весьма тонкихэлементов со швами, расположенными в различных пространственных положениях, атакже управлять процессом кристаллизации металла шва с целью получения высокогоих качества.
Чаще всегосварка неплавящимся электродом в инертных газах применяется при изготовленииизделий из алюминия, магния и их сплавов, сплавов на основе никеля, некоторыхспециальных сталей. Для сварки особо активных и тугоплавких металлов, таких кактитан, молибден, ниобий, тантал, цирконий и других, требуется защита отконтакта с воздухом не только самой сварочной ванны, но и значительной частиприлегающего к ней по обе стороны нерасплавленного металла, нагреваемого довысоких температур, при которых эти участки могут взаимодействовать с воздухоми приобретать плохие свойства. В этом случае, в зависимости от степениответственности изделия, прибегают к использованию специальных защитных кожухов— небольших передвижных камер или более совершенных камер с контролируемойатмосферой, обитаемых камер, в которых и осуществляется сварка.
Сварка взащитных газах плавящимся электродом намного опережает по объему применениясварку неплавящимся электродом (примерно 90 % объема — сварка плавящимсяэлектродом).
При сваркеплавящимся электродом дуга возбуждается между изделием и электродом, который помере расплавления подается в зону дуги специальными подающими роликами (рис.2.7, б). Область использования плавящегося электрода в защитном инертном газепримерно такая же, что и при сварке вольфрамовым электродом, — получение швовразличной протяженности и конфигурации на изделиях из цветных металлов,высоколегированных сталей, титановых сплавов и др. И в этом случае успешноприменяется импульсно-дуговая сварка, позволяющая получать сварные соединенияне только в нижнем, но и в вертикальном и потолочном положениях. В Институтеэлектросварки им. Е.О. Патона создано несколько разновидностей этого процесса.
Из активныхзащитных газов наиболее широко применяют для сварки плавящимся электродомуглекислый газ, использование которого вначале было безуспешным. Б чем жепричины первых неудач по использованию углекислого газа в качестве защитнойсреды? Б зоне горения дуги углекислый газ, оттесняя воздух, вместе с темявляется активным окислителем, так как под действием высокой температуры дугилегко распадается на окись углерода (СО) по реакции:
/>
Поэтому присварке в такой среде углеродистой стали в жидком металле сварочной ванныпротекает окисление ряда важных элементов, входящих в состав стали иопределяющих ее свойства, таких как кремний, марганец, углерод. Окислениекремния и марганца создает пленку шлака на поверхности металла; при окисленииже углерода в металле образуются пузырьки окиси углерода СО, которые частьюуспевают покинуть затвердевающий металл ванны, а частью остаются в нем, являясьпричиной пор в шве.
Оказалось,что если в сварочную ванну внести дополнительные порции кремния и марганца,они, будучи сильными раскислителями, затормаживают взаимодействие углерода скислородом, а значит и газообразование, вызывающее пористость швов.
Вот почему,установив это, К.В. Любавский и Н.М. Новожилов (ЦНИИТМАШ) предложили вместообычной бескремнистой маломарганцовистой сварочной проволоки применять длясварки в /> специальнуюкремнемарганцовистую проволоку, обеспечивающую внесение в жидкий металлдостаточных количеств кремния и марганца, необходимых для получениякачественных сварных швов.
Разновидностямиэтого процесса, успешно применяемыми в промышленности, повышающимиэкономическую эффективность сварки, следует назвать сварку электрозаклепками(ЦНИИТМАШ), сварку с принудительным формированием вертикальных швов (Институтэлектросварки им. Е.О. Патона), сварку с добавками к углекислому газу кислорода(до 30 %), а также инертных газов, повышающих устойчивость горения дуги,проплавляемость металла, улучшающих внешний вид швов и пр.
Для сваркиплавящимся электродом создана большая группа полуавтоматов и автоматов.Полуавтоматы шланговые имеют механизм подачи проволоки толкающего, тянущего илисмешанного типа. Полуавтоматы отличаются портативностью, легкостью — в отличиеот предназначенных для сварки под флюсом. Новые образцы полуавтоматов длясварки плавящимся электродом разрабатываются с целью обеспечения большейустойчивости процесса сварки за счет лучшей стабилизации скорости подачипроволоки, а также максимального повышения надежности в работе небольших поразмерам и легких горелок.
В последнеедесятилетие отмечается заметное расширение объема применения сварки в защитныхгазах, особенно плавящимся электродом, что объясняется большой универсальностьюи маневренностью процесса в сочетании с высокой производительностью, легкостьюего механизации и автоматизации.
Сварка взащитных газах позволяет:
успешновыполнять швы в любом пространственном положении, что дает возможностьиспользовать сварочные работы;
выполнятьстыковые швы «на весу», т.е. без каких-либо предварительных подварок илиприменения подкладок;
непосредственнонаблюдать и контролировать движение дуги по свариваемому участку, образованиешва, так как зона сварки открыта.
Кроме того,отсутствует шлаковая корка на шве, а значит и затраты времени на ее удаление.
К недостаткамэтого процесса следует отнести следующие:
привыполнении больших по размерам швов производительность примерно вдвое меньше,чем при сварке под флюсом;
затрудненасварка на открытом воздухе при ветре — из-за сдувания защитного газа;
при сварке вуглекислом газе в общем случае наблюдается разбрызгивание металла, требующее поокончании сварки удаления брызг с поверхности металла;
необходимостьприменения защитных средств против светового и теплового излучения дуги.
Наиболеерационально использовать сварку в защитных газах при изготовлении изделий изметалла небольшой толщины (до 10 мм), когда применение сварки под флюсомоказывается невыгодным или невозможным.
Сварка вуглекислом газе заняла ведущее место в судостроении, транспортном исельскохозяйственном машиностроении, в производстве трубопроводов, привыполнении различных монтажных работ — в процессе изготовления листовых ирешетчатых конструкций, установке переборок в морских и речных судах, в поточномпроизводстве баллонов, баков, бочек и прочих сосудов, различныхмашиностроительных деталей. В углекислом газе сваривают изделия измалоуглеродистой, легированных, а в некоторых случаях и высоколегированныхсталей, чугуна.
Инертные газыиспользуют при сварке сосудов и аппаратов для химической промышленности,различных вакуумных камер, соединений трубопроводов для агрессивных жидкостей идругих изделий, изготавливаемых из специальных сталей, легких и цветныхметаллов, активных и тугоплавких металлов. Особое место среди способов дуговойсварки занимает сварка самозащитной проволокой, разработанной практическиодновременно в 1958 г. в СССР и США. При этом способе защита металла шва отвредного воздействия воздуха и его легирование достигаются только за счетпроцессов, сопровождающих плавление специальной электродной проволоки, бездополнительного использования флюса или какого-либо защитного газа.
Наиболеепросто это достигается при использовании так называемых порошковых проволок,представляющих собой металлическую оболочку / (рис. 2.8, а) и сердечник 2 ввиде смеси порошков различных материалов. Попадая в зону дуги 4, порошокчастично расплавляется, частично просыпается в сварочную ванну, чтообеспечивает надежную защиту металла шва 6 от воздуха (за счет образованиягазовой среды) и шлаковой корки 5 и его легирование. Из-за малойэлектропроводности сердечника дута возбуждается между металлической оболочкой иизделием (рис. 2.8, а). Конструкция порошковой проволоки может быть самойразличной (1, 2, 3, 4 на рис. 2.8, б) и зависит от конкретных требований ксварочно-технологическим свойствам самозащитных проволок.
/>
Рис. 2.8.Схема процесса сварки порошковой проволокой (а) и конструкция порошковойпроволоки (б).
Многообразиеспособов и техники дуговой сварки не исчерпывается рассмотренными способами вэтой главе.
В дальнейшемпри изучении специальных дисциплин студенты рассматривают их достаточноподробно, здесь же мы остановимся еще на одном варианте использования дуги всварочном производстве, а именно на плазменной сварке и резке. При плазменнойсварке и резке источником нагрева служит дуга, столб которой принудительнообжат по диаметру, что приводит к резкой концентрации удельной тепловой мощностии повышению температуры плазмы дуги.
Основныминструментом при плазменной сварке и резке служит плазмотрон, являющийсягенератором плазмы, т.е. ионизированного газа с высокой температурой.
Впервыесжатую водяным вихрем дугу наблюдали в начале 20-х годов XX в. Гердиен и Лотц(Германия). Однако лишь в середине 50-х годов сжатая дуга нашла практическоеприменение: в США был разработан способ резки такой дугой толстолистовогоалюминия.
В СССР работыпо использованию сжатой дуги в сварочной технике начались с 1956 г.Исследования и разработки в этой области были сосредоточены в ряденаучно-исследовательских институтов: ВНИИАВТОГЕНе, НИАТе, институте металлургииим. А.А. Байкова, институте Электросварки им. Е.О. Патона, ВНИИЭСО (Всесоюзныйнаучно-исследовательский институт электросварочного оборудования (г.Санкт-Петербург)).
В отличие отобычной дуги, горящей свободно, когда для плавления металла используетсяглавным образом тепло, выделяемое в активных пятнах (анодное и катодное пятна),в сжатой дуге роль активных пятен несущественна; основным источником тепла длясварки (или резки) служит искусственно удлиняемый и сжатый столб дуги,превращаемый в ярко светящуюся струю плазмы или поток плазмы — с высокойплотностью энергии.
Дуговуюплазменную струю для сварки и резки получают по двум основным схемам (рис.2.9). При плазменной струе прямого действия (рис. 2.9, а) изделие включено всварочную цепь дуги, активные пятна которой располагаются на вольфрамовомэлектроде / и изделии 5. Плазменная струя косвенного действия (рис. 2.9, 6)образуется при дуговом разряде, происходящем между вольфрамовым электродом 1 ивнутренней боковой поверхностью сопла 3.
/>
Рис. 2.9.Принципиальные схемы плазмотронов прямого действия (а) и косвенного действия(б):
1 —вольфрамовый электрод; 2 — электроизоляционная втулка; 3 — сопло; 4 —плазменная струя; 5 — изделие, частично разрезанное плазмой.
Как жеработает плазмотрон? Внутри корпуса плазмотрона имеется камера, в которойрасположен вольфрамовый электрод 1 и туда подается под некоторым давлениемплазмообразующий газ (аргон, гелий и др.). Нижняя часть корпуса, называемаясоплом (3), образует узкий канал для выхода плазмы. Сопло в процессе работыохлаждается проточной водой. Так как при нагреве дуговым разрядомплазмообразующего газа его объем увеличивается в 50—100 и более раз (приодновременной ионизации), создаются высокие, близкие к сверхзвуковым, скоростиистечения плазменной струи из сопла. Дуговая плазменная струя — интенсивныйисточник теплоты, используемый в настоящее время для нагрева, сварки и резкикак электропроводных металлов (любых), так и неэлектропроводных материалов,таких как стекло, керамика и др. Чрезвычайно перспективно применение сжатойдуги в наплавочных работах и в процессах напыления (см. ниже главу 4).
Особойобластью применения сжатой дуги является нагрев деталей под пайку итермообработку. Сжатую дугу успешно используют в черной металлургии. Здесьмощными плазмотронами осуществляют переплав металлических слитков для полученияособо чистого, лишенного вредных примесей металла.
В заключениераздела отметим, что дуговой разряд, открытый В.Б. Петровым в 1802 г., неисчерпал еще всех своих возможностей и областей применения, включая и областьсварочного производства.
3.2Электрошлаковая сварка
Разработкаэтого принципиально нового процесса была осуществлена в начале 50-х годовпрошлого века сотрудниками ИЭС им. Е.О. Патона АН УССР во главе с Г.З.Волошкевичем при творческом содружестве с заводами НКМЗ (Новокраматорскиймашиностроительный завод), Таганрогским «Красный котельщик».
Важнейшимследствием всех этих работ стало решение проблемы качественной ивысокопроизводительной однопроходной сварки металла практически неограниченнойтолщины. Эффективность процесса оказалась огромной. По новой технологии сталисваривают крупногабаритные детали в судостроении (корпуса, несущиеконструкции), в химическом и тяжелом машиностроении (сосуды, станины мощныхпрессов, валы крупных гидротурбин, прокатное оборудование, реакторные колонны идр.), в котлостроении и мостостроении. Этот процесс нашел применение внаплавочных работах, в ремонтном деле, при сварке арматуры, рельсов. Оказалось,что весьма эффективно различные литые и кованые крупногабаритные детали изготовлятьпутем соединения отдельных частей с помощью электрошлаковой сварки. Известно,что при расплавлении флюса образуется шлак, который является проводникомэлектрического тока. При пропускании электрического тока через шлак в нем будетвыделяться, в соответствии с законом Джоуля— Ленца, теплота. Этот принцип илежит в основе электрошлаковой сварки (рис. 2.10). Сварка обычно выполняетсяпри вертикальном расположении деталей, собираемых с зазором величиной b.
/>
Рис. 2.10.Схема электрошлаковой сварки:
1 —свариваемые пластины; 2 ~ токоподводящий мундштук; 3 —.электрод; 4 — формирующие ползуны; 5 — шлаковая ванна; 6 — металлическая ванна; 7 — шов; 8 —подающие ролики.
Впространство, образованное свариваемыми кромками деталей / и формирующимиползунами 4, засыпается вначале небольшая порция флюса, затем возбуждается дугамежду плавящимся электродом 3 и изделием, что приводит к расплавлению флюса иобразованию шлаковой ванны 5 требуемого объема и глубины, дуга при этом гаснет,но сварочный ток вследствие проводимости шлака будет продолжать проходить междуэлектродом 3, погруженным в шлак, и изделием 1, вызывая сильный разогревшлаковой ванны. За счет тепла шлаковой ванны происходит оплавление свариваемыхкромок деталей и расплавление электрода. Расплавленный металл электрода в видекапель и металл расславившихся кромок изделия стекают на дно ванны, образуяванну расплавленного металла б (металлическую ванну).
По мерерасплавления непрерывно подаваемого с помощью роликов 8 через токоподводящиймундштук 2 электрода объем металлической ванны будет возрастать. Одновременно,вследствие интенсивного теплоотвода в свариваемые детали и водоохлаждаемые(медные) ползуны, начнется кристаллизация жидкого металла в нижней частиметаллической ванны, приводя, таким образом, к формированию монолитногосварного шва 7 одновременно по всей толщине деталей.
Непрерывноеплавление электрода и кромок изделия, с одной стороны, и кристаллизация металлаванны, с другой стороны, приводят к непрерывному перемещению металлической ишлаковой ванны вверх, вдоль свариваемых кромок. На протяжении всего цикласварки шлаковая ванна, находясь над поверхностью расплавленного металла,препятствует его взаимодействию с воздухом. С целью равномерного развара кромокпо толщине б и выравнивания температуры ванны по ее объему применяют колебаниеэлектрода путем придания ему возвратно-поступательного движения в плоскостизазора (на рис. 2.10 направление колебания показано стрелками). В зависимостиот вида электрода и характера его подачи в шлаковую ванну, существует несколькоразновидностей электрошлаковой сварки (ЭШС): сварка одной электроднойпроволокой (без колебаний или с колебаниями), сварка несколькими электроднымипроволоками (рис. 2,11, а), сварка электродами большого сечения — в видепластин (рис. 2.11, б) и др.
При сваркепластинчатыми электродами они подаются в шлаковую ванну по мере оплавления изаполнения жидким металлом зазора. За счет увеличения числа пластин можносваривать детали любой толщины. Из практики известно, что с помощью ЭШСсваривались заготовки толщиной более 2600 мм, имевшие в месте сварки сплошноесечение до 10 м2, массой около 300 т. Наряду с указанными разновидностями ЭШСсуществуют и другие, такие как ЭШС плавящимся мундштуком, ЭШС с применениемпорошкообразного или кускового материала, ЭШС с дозированной подачей мощности ит.д.
/>
Рис. 2.11,Разновидности электрошлаковой сварки:
а — сваркатремя электродными проволоками; 6 — электродами большого сечения.
Электрошлаковыйпроцесс успешно применяют не только для сварки, но и для наплавки деталейразличной конфигурации: плоской, круглой, конической и т.д. (рис. 2.12).
К несомненнымдостоинствам электрошлаковой сварки можно отнести следующие:
возможностьсварки за один проход изделий практически неограниченной толщины;
высокуюпроизводительность сварки толстостенных деталей (толщиной 60 мм и более),превышающую производительность многослойной сварки под флюсом тех же деталей в5 — 6 раз, а ручной — в 20 — 25 раз;
/>
Рис. 2.12.Схемы использования электрошлакового процесса для наплавки:
а — наплавкаплоскостных изделий (листов); б — наплавка цилиндрических поверхностей пригоризонтальном расположении цилиндра; в — наплавка цилиндрических поверхностейтрубчатым электродом, 1 — изделие; 2 — наплавляемый слой; 3 — охлаждаемыймедный ползун; 4 — электрод плавящийся; 5 — шлаковая ванна; 6 — металлическаяванна.
незначительныйрасход флюса, в 15 — 20 раз меньший, чем при автоматической сварке;
меньшая (в1,5 — 2 раза) энергоемкость процесса по сравнению с автоматической сваркой подфлюсом;
невысокая, всравнении с многопроходной автоматической сваркой под флюсом, стоимостьсварного соединения, обусловленная малым расходом флюса, электроэнергии,упрощением подготовки кромок под сварку;
возможностьизготовления уникальных по размерам и массе деталей и получения таким путемсварнолитых, сварнокованых изделий (например, сварнолитые станины тяжелыхпрессов и прокатных станов, толстостенные сварнокованые цилиндры и др.);
возможностьполучения сварных соединений высокого качества, лишенных пор, шлаковыхвключений, трещин, подрезов.
Однакоэлектрошлаковая сварка не лишена и недостатков, к их числу относятся следующие:
применениемалой скорости сварки (менее 1 м/ч) при значительном тепловложении приводит кдлительному тепловому воздействию на металл и медленному его охлаждению,следствием чего является перегрев металла околошовной зоны с формированием вней весьма крупного зерна, обладающего сниженными пластическими свойствами ихрупкостью. Крупнозернистая, литая структура образуется и в металле шва. Всвязи с этим возникает необходимость (особенно при изготовлении ответственныхконструкций) после электрошлаковой сварки подвергать изделие специальнойтермообработке с целью уменьшения размера зерен;
необходимостьустанавливать свариваемое соединение в вертикальном положении или близком кэтому;
недопустимостьостановки сварочного аппарата в процессе выполнения шва, так как тогданеизбежно появление дефектов в месте остановки после сварки этого участка;
необходимостьизготовления специальных технологических деталей (планок, формирующихустройств, «стартовых карманов» для наведения шлаковой ванны и др.), требуемыхпри сборке изделия под сварку.
Электрошлаковаясварка легла в основу разработки ряда новых технологий, выходящих за рамкисварочного производства, которые впоследствии получили общее название —электрошлаковая технология, включающая сегодня около 20 технологическихпроцессов (см. далее гл. 4).
3.3Контактная и прессовая сварка
Контактнаясварка — наиболее старый и высокопроизводительный процесс получения неразъемныхсоединений металлов — была открыта и впервые применена для соединения металловв 1856 г. английским физиком Уильямом Томсоном (Кельвином). Позднее, в 1877 г.тот же способ сварки предложил, независимо от своего предшественника, Э. Томсониз США. Если У. Томсон и Э. Томсон создали контактную стыковую сваркусопротивлением, то в 1877 г. уже в России Н.Б. Бенардос стал изобретателемконтактной точечной сварки.
В СССРконтактную сварку стали внедрять в довоенные годы главным образом вавтомобильную промышленность, используя, в основном, зарубежный опыт (США),Затем, в период первых пятилеток последовала организация производства мощныхконтактных машин улучшенной конструкции. В этой работе особую роль сыгралсварочный комбинат Оргаметалл, в последствии преобразованный в ЦНИИТМАШ, апосле 1936 г. — завод «Электрик», где создавались контактные машины разногопрофиля, в том числе для шовно-стыковой сварки труб, для стыковой сваркиавтомобильных колес, для рельефной сварки и многое другое. В эти же годы дляточечной и стыковой контактной сварки нашел применение в качестве источникаэнергии разряд конденсаторов, осуществлена точечная сварка узловавиаконструкций из низкоуглеродистой стали и многих других элементовконструкций из различных материалов. Однако слабость производственной базысварочного машиностроения в довоенные годы не позволила реализовать многиеценные технологические разработки в области контактной сварки. В период ВеликойОтечественной войны решением одной из серьезных задач в области контактнойсварки было повышение стабильности качества точечных соединений. В последующиегоды многое сделано по разработке, усовершенствованию и внедрению впроизводство нового оборудования и технологии по контактной сварке, например,для сварки стыков рельсов, многоточечной сварки каркасных конструкций в вагоностроении,автомобилестроении, с/х машиностроении, точечной и стыковой сварки деталейлетательных аппаратов, энергетических установок, в массовом производствесварных труб различного назначения и т.д.
Расширилась инаучно-исследовательская база по контактной сварке. Кроме ЦНИИТМАШа, завода«Электрик», Института электросварки им. Е.О. Патона, такие работыосуществлялись и продолжаются в МВТУ им. Баумана, ВНИИЭСО, Институтеметаллургии им. Байкова и многих других научно-исследовательских институтах и ввысших учебных заведениях.
Образование«неразъемного соединения при контактной сварке происходит в результатенагрева металла проходящим электрическим током и пластической деформации зонысоединения под действием сжимающего усилия.
Количествотепла, выделяемое в металле при протекании через него электрического тока,определяется законом Джоуля – Ленца:
/> (2.4)
где /> — количествотепла, кал; /> —ток, А; /> —сопротивление на пути тока, Ом; /> — время прохождения тока, с.
Так какнаибольшее сопротивление протекающему току возникает в контакте междусвариваемыми деталями (рис. 2.13), место контакта и прилегающие к нему участкиметалла разогреваются наиболее интенсивно и приобретают повышеннуюпластичность, последующее механическое сдавливание (или осадка) деталей завершаетпроцесс сварки.
/>
Рис. 2.13.Схемы контактной стыковой (а) и точечной (б) сварки:
1, 2 —свариваемые детали (стержни — а; листы — б); 3 — токоподводы; 4 —трансформатор; 5 — ядро сварной точки.
Такимобразом, любая машина для контактной сварки должна иметь, кроме электрической,и механическую часть. Учитывая, что все металлы обладают большойэлектропроводностью, но малым удельным сопротивлением, для быстрого их нагреваи компенсации неизбежных потерь тепла, в контактных машинах пользуются большимисварочными токами (от тысячи до сотен тысяч ампер и более), но очень малымнапряжением, составляющим всего несколько вольт. Такой принциптрансформирования энергии осуществляется в понижающем трансформаторе, питающемконтактную машину и конструктивно составляющим с ней единое целое.
Первичнаяобмотка понижающего трансформатора (рис, 2.13, а) состоит из большого числавитков обычного обмоточного провода. Первичная обмотка при работе трансформатораподключается к силовой электросети. Вторичная же обмотка в большинстве случаевсостоит из одного (максимум — двух) витков большого сечения и поэтому имееточень малое сопротивление, что позволяет получать от нее значительный повеличине сварочный ток, протекающий через свариваемые детали. Включение ивыключение сварочного тока производится в первичной цепи прерывателем, имеющимдовольно сложное устройство. Если электрическая часть контактной машины бываетпримерно одинаковой, то механическая ее часть может быть различной поустройству, и по этому признаку в промышленности находят применение десяткиразличных типов контактных машин.
По формевыполняемых сварных соединений существуют три основных вида контактной сварки:стыковая, точечная и шовная.
Стыковаяконтактная сварка имеет две разновидности: сварка сопротивлением и сваркаоплавлением. При сварке сопротивлением (рис. 2.13, а) детали прочнозакрепляются в зажимном устройстве машины и под небольшим давлением сжимаютсядо соприкосновения друг с другом свариваемыми поверхностями. Затем включаетсяток, и детали в месте контакта и зон, к нему прилегающих, быстро разогреваютсядо высокой температуры (0,8 — 0,9 />). Тогда осуществляется ихсдавливание осадочным устройством машины, с одновременным выключением тока. Засчет пластической деформации металла в стыке происходит образование соединенияв твердом состоянии.
Сваренныедетали имеют в месте сварки значительное усиление (увеличение сечения) за счетосадки металла при обжатии.
Кдостоинствам стыковой сварки сопротивлением следует отнести:
простотуустройства машины;
незначительныйрасход энергии на нагрев деталей, при высокой производительности сварки;
уменьшенныйрасход металла (только на осадку).
Вместе с тем,процесс имеет и недостатки:
значительноедавление осадки, вследствие чего машина должна иметь высокие силовыехарактеристики;
трудностьобеспечения высокого качества сварных соединений (особенно при сварке большихсечений) из-за неравномерного прогрева стыка и возможного присутствия в нем неудаленных окисных пленок.
Стыковаясварка сопротивлением применяется для соединения деталей небольшого сечения,например, проволок, а также стержней или полос — из хорошо сваривающейся впластическом состоянии стали (малоуглеродистая, низколегированная), при условииспециальной подготовки торцов соединяемых элементов. Эффективно применениеэтого вида сварки при изготовлении сварных сеток и каркасов арматуры железобетона.
Сваркаоплавлением может быть прерывистой и непрерывной.
Припрерывистом оплавлении ток включается в момент, когда детали подведены друг кдругу, но еще разъединены. Под напряжением производится дальнейшее сближениедеталей до краткого их соприкосновения в местах выступов, неровностей, а затемих отводят друг от друга. Таких сближений и отводов деталей с искристымразбрызгиванием частично расплавленного металла осуществляется несколько, покане произойдет оплавление по всему свариваемому сечению. Лишь после этого подповышенным давлением производится быстрая осадка деталей, в процессе которой ивыключается ток. При таком процессе происходит выдавливание расплавленного, восновном окисленного металла и прочих продуктов загрязнения из зоны сварки, собразованием так называемого грата, после удаления которого остается небольшоеусиление в зоне сварки.
Принепрерывном оплавлении происходит медленное и равномерное сближение деталей,пока не осуществится их соприкосновение в отдельных точках — местах выступов;
высокаяплотность тока, здесь создаваемая, приводит к быстрому расплавлению ичастичному испарению металла на этих участках, с выбросом его из плоскостистыка в виде брызг, При дальнейшем сближении в соприкосновение приходят новыеточки, процесс повторяется и т.д. Сближение деталей продолжается до тех пор,пока обе поверхности стыкуемых деталей равномерно не оплавятся. Тогдапроизводится быстрая осадка с приложением значительного давления. Сваркаоплавлением имеет ряд преимуществ:
возможностьполучения соединений из различных сталей цветных металлов и их сплавов весьмаразвитого сечения (углеродистых сталей — более 100 000 мм2,алюминиевых сплавов — до 30 000 мм2 и др.);
высокаяпроизводительность машин (больше чем при электродуговой и электрошлаковой сваркевстык таких же сечений);
не требуетсяособая подготовка и очистка соединяемых поверхностей деталей, качество сварныхсоединений высокое.
Однако уэтого вида сварки есть и недостатки: значительный расход металла на оплавлениеи осадку; необходимость удаления после сварки грата, а иногда и самогоусиления;
усложненнаясхема привода машин и узлов автоматического управления.
Стыковаясварка оплавлением применяется для соединения трубных стыков, фасонных профилей(например, стыков рельс), стержней массивного сечения, различных деталей машини т.д.
Одним изнаиболее распространенных способов контактной сварки является точечная сварка.При этом процессе соединяемые детали зажимают между электродами машины,имеющими форму усеченных конусов (рис. 2.13, 6), и через них пропускают ток.
Протекающийчерез детали ток более всего разогревает металл в месте их соприкосновения, таккак здесь сопротивление току наиболее значительное.
Давление,оказываемое на электроды, должно быть таким, чтобы не только преодолетьжесткость деталей, но и осуществить нужную пластическую деформацию разогретогоучастка металла. В итоге, в зоне сварки создается своеобразное ядро сварнойточки, имеющей чечевицеобразную форму (Рис. 2.13, б).
Для точечнойсварки характерна высокая производительность, намного превышающаяпроизводительность автоматической дуговой сварки. Вместе с тем этот процессвысокоэкономичен, так как отсутствует расход сварочных материалов, а расходэлектроэнергии небольшой. Кроме того, деформации сваренных деталей оченьнезначительны. К достоинствам точечной сварки следует отнести простотуконструкции машины в сравнении со стыковыми и шовными, возможность полнойавтоматизации процесса, комплексной автоматизации производства в целом. Но иточечная контактная сварка имеет недостатки:
возможностьвыполнения соединения только внахлестку;
отсутствиегерметичности сварных швов;
зависимостькачества сварной точки от чистоты поверхности металла и степени сопряженностиих друг с другом и др.
Наиболееэффективно применение точечной сварки в серийном и массовом производствеоднотипных деталей — в автомобилестроении, с/х машиностроении, вагоностроении,угольном машиностроении, электротехнической и радиотехнической промышленности,самолетостроении и др.
Машины дляточечной сварки наиболее универсальны, выполняют до нескольких сотен сварныхточек в минуту. Общее их количество в несколько раз превышает число контактныхмашин для стыковой и шовной сварки. Особенно целесообразно применениеавтоматизированных многоточечных машин и комплексных автоматических линий.
Шовнаяконтактная сварка близка точечной, но в отличие от нее, машина, выполняющаяэтот процесс, имеет вместо конических электродов ролики, катящиеся по линиисварки и дающее сплошной, непрерывный плотнопрочный шов (рис. 2.14).
Обычно пришовной сварке применяется прерывистый режим работы, тогда сварной шов состоитиз отдельных сварных точек, взаимно перекрывающих друг друга. Такой режимработы осуществляется либо за счет подачи тока в виде отдельных импульсов принепрерывном перемещении роликов, либо за счет «шагового», т.е. прерывистогодвижения роликов, когда ток дается в момент краткой остановки роликов. Болеераспространены машины, работающие на режиме непрерывного вращения роликов,имеющие не столь сложную конструкцию механической части. Шовная сварка обладаетрядом существенных достоинств. К их числу относятся:
герметичностьсварного соединения;
экономичностьпроцесса, вследствие отсутствия расхода сварочных материалов и небольшогорасхода электроэнергии;
возможностьполной автоматизации технологического процесса.
/>
Рис. 2.14.Схема шовной сварки:
1, 2 —свариваемые листы; 3 — электроды-ролики; 4 — трансформатор; 5 —сварной шов
Наиболее жесущественные недостатки — необходимость очистки свариваемых поверхностей отокалины, ржавчины, окислов и различных загрязнений, сравнительно невысокаяскорость сварки и др.
Шовная сваркаиспользуется для соединения листов малой толщины (до 2 — 3 мм) в производствеавтомобилей, цельносварных тонкостенных труб, тонкостенных изделийэлектротехнической и радиотехнической промышленности, различных металлическихизделий и т.д.
Для сваркиметалла малых толщин (2 — 0,1 мм и менее), различных мелких деталей большоеприменение нашла так называемая конденсаторная сварка, осуществляемая за счетзапасенной или аккумулированной энергии конденсатора машины, непрерывнозаряжающегося от питающей сети и периодически разряжающегося в ходе сварки. Дляконденсаторной сварки характерна малая потребляемая мощность из сети призарядке конденсатора, стабильное качество сварных соединений, как изоднородных, так и разнородных металлов, с весьма малой зоной термическоговлияния. Вместе с тем, свариваемые детали ограничены в размерах, как потолщине, так и по сечению.
Конденсаторнаясварка нашла применение в производстве мелких и мельчайших деталей из цветных ичерных металлов, главным образом, с получением точечных соединений. Онаиспользуется в приборостроении, радиотехнической и электронной промышленности,в производстве счетных машин, фотоаппаратов, часов, различных устройствоборонной техники и др.
Ранее былопоказано (см. гл. 1, рис. 1.8), что для осуществления процесса сварки металловбез их расплавления (сварка в твердой фазе) необходимо осуществить их сдавливаниетаким усилием, чтобы смять поверхностные выступы (неровности), т.е. осуществитьместную пластическую деформацию. Такой вид сварки получил название сварки,давлением или прессовой. Требуемое давление для сварки будет тем меньшее, чемвыше температура свариваемого металла (см. рис, 1.7). Прессовая сварка запоследние годы получила широкое распространение в различных областях. Об этомможно судить даже по разнообразию способов сварки в твердой фазе:термокомпрессионная, диффузионная, трением, холодная, взрывом, ультразвуковая идр. Рассмотрим кратко принципы и особенности некоторых способов сварки втвердой фазе.
Одним изнаиболее древних способов сварки в твердой фазе является холодная. Этоподтверждают, например, золотые коробочки, хранящиеся в Национальном музее вДублине (Ирландия), которые по заключению экспертов, изготовлены в эпохупоздней бронзы с применением холодной сварки [1, с. 388]. Первыесистематические исследования процесса холодной сварки были начаты в 1948 г. вАнглии. Позднее этот способ сварки быстро распространился во многих промышленноразвитых странах и в настоящее время она успешно применяется для сварки изделийиз пластичных металлов, таких как медь, алюминий, свинец, олово, никель и др.
Посколькухолодная сварка производится при комнатной температуре на воздухе, то дляосуществления прочных металлических связей между атомами свариваемых деталейтребуется их совместная пластическая деформация довольно значительной величиныс целью разрушения и удаления оксидных пленок из зоны контакта, чтообеспечивает непосредственный контакт ювенильных поверхностей соединяемыхчастей.
Существуютмногочисленные способы холодной сварки, но наиболее широко используютсяточечная и шовная для нахлесточных соединений и стыковая для получениясоединений встык (рис. 2.15).
/>
Рис. 2.15.Схемы холодной сварки:
а, б — точечной; в, г — стыковой; 1, 2 — свариваемые детали (листы — а, стержни — б);3 — пуансоны; а, в — исходное положения перед сваркой; б, г — после сварки.
Точечнаясварка (рис. 2.15, а, 6) осуществляется одновременным вдавливанием с двухсторон пуансонов 3 в детали I, 2, собранные внахлестку и предварительноочищенные по поверхностям соприкосновения. В местах вдавливания пуансонов деталиплотно сжимаются, металл пластически деформируется и выдавливается из зонывнедрения пуансонов, что и обеспечивает схватывание (сварку) металласоединяемых деталей в виде точки. Стыковая сварка (рис. 2.15, в, г) выполняетсянепосредственным сдавливанием соединяемых деталей 1, 2 в осевом направлении,что приводит к значительному пластическому растеканию металла соединяемыхдеталей с образованием так называемого грата (усиления) в зоне сварки, которыйвпоследствии удаляется (рис. 2.15, г).
Наиболееширокое применение холодная сварка находит в производстве изделий домашнегообихода из алюминия и его сплавов (чайники, кастрюли и т.п.), вэлектротехнической промышленности и транспорте для соединения алюминиевых имедных проводов, а также при приварке медных наконечников к алюминиевымпроводам и т.д.
Несомненныедостоинства холодной сварки, такие как простота процесса, высокаяпроизводительность, возможность использования стандартного прессового ипрокатного оборудования и другие, ставят этот вид сварки в ряд важныхпроцессов. Следует, однако, иметь в виду и ограничения по использованиюхолодной сварки, которые связаны, в основном, с невозможностью осуществлениябольшой пластической деформации многих металлов и сплавов (например,углеродистой стали, алюминиево-магниевых сплавов и других материалов).
К холоднойсварке тесно примыкает сравнительно новый способ — сварка взрывом, при которойсоединение металлов в твердом состоянии происходит в процессе высокоскоростногосоударения соединяемых деталей, осуществляемого с помощью энергии взрывчатыхвеществ (ВВ).
Первые случаисварки металлов взрывом были зафиксированы в 1944—1946 гг. М.А. Лаврентьевым ссотрудниками в Институте математики АН УССР в Киеве при проведенииэкспериментов с кумулятивными взрывами.
В 50-е годыXX в. в связи с бурным развитием новой техники и применением энергии взрыва дляштамповки, прессования и упрочнения металлов появилась возможность выполнятьпробные эксперименты по осуществлению сварки взрывом. Было установлено, что приосуществлении нормального соударения твердых тел качественное соединение необеспечивается. В 1964 г. американские ученые Г. Кован, А. Хольцман и Дж.Дуглас запатентовали способ сварки пластин при косом их соударении,осуществляемом плоским зарядом ВВ.
Начатые в1961 г. исследования сотрудниками Института гидродинамики Сибирского отделенияАН СССР В.С. Седых, А.А. Дерибасом, Е.И. Бигенковым и Ю.А. Гришинымзакономерностей сварки взрывом привели к созданию так называемой «угловойсхемы», сущность которой иллюстрируется на рис. 2.16.
Свариваемыепластины 1, 2 устанавливают друг по отношению к другу на некотором расстоянии /> с начальнымуглом />.Неподвижная пластина 2 располагается на специальной массивной опоре 3, а зарядвзрывчатого вещества (ВВ) на поверхности метаемой пластины 1. Детонатор 4инициирует взрывную волну, которая распространяется с большой скоростью вдольплоскости пластины 1. Образующиеся газообразные продукты взрыва развиваютогромное местное давление на метаемую пластину 1, что приводит к соударению еесо свариваемой пластиной 2 в точке контакта />.
По мерераспространения взрывной волны точка контакта /> передвигается вдоль поверхностинеподвижной пластины с большой скоростью.
Исследованияпоказали, что в процессе сварки взрывом наблюдается интенсивное самоочищениеконтактных поверхностей от различных поверхностных загрязнений и окисныхпленок, которые под действием кумулятивного эффекта выносятся из зоны контакта(точка К) за пределы соединяемых поверхностей. Создаются благоприятные условиядля образования
/>
Рис. 2.16.Схема сварки взрывом:
а — исходноесостояние перед сваркой; б — протекание процесса.
прочныхметаллических связей в твердой фазе при взаимной пластической деформацииповерхностных слоев соединяемых деталей.
В настоящеевремя сваркой взрывом соединяются детали весьма крупных размеров (с площадьюсоединения 15 — 20 м2) как из однородных, так и разнородных металлов и сплавов(нержавеющая сталь — малоуглеродистая сталь, медь — сталь, медь — ниобий ит.д.).
Областьприменения сварки взрывом постоянно расширяется и в недалеком будущем оназаймет достойное место в сварочном производстве.
Важнойразновидностью сварки давлением является сварка трением, при которойобразование соединения осуществляется в твердой фазе, без расплавлениясвариваемых деталей.
От другихвидов сварки давлением сварка трением отличается способом ввода тепла всоединяемые детали: нагрев деталей осуществляется путем непосредственногопреобразования механической энергии в теплоту благодаря работе сил трения.
О возможностинагрева тел при трении известно с древнейших времен. Использование жевыделяемого в этом случае тепла для целей сварки металлов было впервыепрактически осуществлено токарем-новатором А.И. Чудиковым, сварившим встык двастержня из низкоуглеродистой стали на токарном станке. Работы по изучению этогопроцесса, промышленному его применению также впервые в мире начались в 1956 г.во ВНИИЭСО, почему сварку трением в иностранной печати называли «русскойсваркой».
Позднееработы по сварке трением стали выполняться в Чехословакии, Японии, Англии, США,Польше, Германии, Франции, Венгрии и в других странах.
Разработкойспециализированного оборудования для сварки трением, ее теоретических основ итехнологических приемов кроме ВНИИЭСО занимались ЦНИИТМАШ, ИМЕТ (Институтметаллургии (г. Москва)) им. А.А. Байкова, Минский и Челябинский тракторныезаводы, завод «фрезер», ВНИИИнструментов, НИИТракторосельмаш и другиеорганизации. Координация их деятельности в этом направлении способствовалабыстрому внедрению этого способа в различные отрасли промышленности. За относительнонебольшой отрезок времени сварка трением заняла видное место среди другихспособов,
При сваркетрением тепло, необходимое для нагрева металла, выделяется в результатевзаимного трения торцов соединяемых деталей. Такое трение осуществляется в результатевращения одной, реже — обоих деталей, сжимаемых усилием /> (рис. 2.17).
Осевоедавление, оказываемое на детали, в зависимости от свойств свариваемых металловможет быть снято одновременно с прекращением вращения, либо оставлено нанекоторое время таким, каким оно было во время вращения, или даже увеличено.
В процессетрения не только выделяется необходимое для сварки тепло, но и происходитосвобождение соединяемых поверхностей от окислов, слоя адсорбированных газов идругих загрязнений. В результате равномерного нагрева ювенильных поверхностейсоединяемых торцов деталей и под действием сил сдавливания протекаетпластическая деформация металла в зоне сварки и устанавливаются необходимыемежатомные связи. Структура металла формируется здесь мелкозернистая, лишеннаякаких-либо включений и дефектов. Поэтому сварное соединение, полученное сваркойтрением, обладает высокой прочностью и пластичностью.
Основнымипараметрами процесса являются: скорость вращения деталей – />, осевое усилие /> и величинапластической деформации /> (величина осадки).
/>
рис. 2.17.Схема процесса сварки трением:
1 —неподвижный стержень; 2 – вращающийся стержень
Для сваркитрением применяется специализированное оборудование, в котором механизмывращения деталей и привода сдавливания их (или осадки) должны обладать большоймощностью, особенно для соединения деталей крупного сечения.
Кдостоинствам сварки трением можно отнести:
малое времянагрева деталей и небольшой расход электроэнергии, так как тепло выделяетсятолько в тонком поверхностном слое деталей. Поэтому удельная потребляемая мощность,соотнесенная к единице сечения при сварке трением, составляет 8 — 20 Вт/мм2,а при контактной сварке того же сечения 100-250 Вт/мм2;
производительностьпроцесса высокая, не уступающая контактной сварке, получаемые сварныесоединения обладают необходимой прочностью и пластичностью;
возможностькачественной сварки разнородных металлов и сплавов, например, алюминия состалью, титана с алюминием, меди со сталью и других сочетаний;
возможность сварки деталей,освобожденных от окалины, но с необработанными и загрязненными концами;
отсутствиеразличных вредных выделений в процессе сварки (газов, брызг металла, излучений,флюсовой пыли и др.), что позволяет устанавливать машины для сварки трением вмеханообрабатывающих цехах;
простота механизации иавтоматизации процесса сварки.
Вместе с темсварка трением не лишена и недостатков. Это:
ограниченностьтипа свариваемых деталей стыковыми соединениями стержней, деталями, имеющимиформу тел вращения (сплошного или трубчатого сечения);
значительнаямощность сварочных машин по силовым характеристикам, высокая их стоимость,ограничение по сечению свариваемых деталей (до 30 000 мм2);
необходимостьзачистки сварного стыка от грата.
Сварка трением относится кчислу прогрессивных способов, отличающихся большой экономичностью и высоким КПДмашин. Она применяется на автомобильных, тракторных, авиационных,станкостроительных заводах, на предприятиях сельхозмашиностроения, винструментальной промышленности и других предприятиях, особенно с серийным илимассовым производством однотипных деталей, дающим максимальный экономическийэффект.
Весьмаэффективно применение этого процесса для изготовления заготовок режущегоинструмента; сваркой трением решена проблема качества концевого режущегоинструмента, гладких и резьбовых калибров для токарных станков и другихдеталей.
СССР являетсяродиной еще одного, сравнительно молодого способа сварки давлением —диффузионной в вакууме.
Способдиффузионной сварки в вакууме был разработан в 1953 г. Н.Ф. Казаковым.
Значительнуюроль в дальнейшем развитии этого способа сыграли работы ряданаучно-исследовательских институтов — Института металлургии им. А.А. Байкова(М.Х. Шоршоров), ЦНИИТМАШа (А.С. Гельман), Института электросварки им. Е.О.Патона (Б.С. Касаткин, А.И. Макара) и других организаций. Диффузионная сваркаоткрыла новые возможности соединения металлических и неметаллическихматериалов, которые другими способами сварки трудно или вообще невозможно былоосуществить.
Этот процессуспешно применяют при изготовлении различных машин, приборов и другой новойтехники. Этим способом освоена сварка около 400 композиций металлов, сплавов инеметаллических материалов.
Диффузионнаясварка в вакууме получила широкое признание и за рубежом в промышленно развитыхстранах: она используется в США, Англии, Японии, Германии, Швеции, Франции,Бельгии при изготовлении изделий новой техники.
В 1982 г.цикл работ по диффузионной сварке был удостоен Ленинской премии.
Диффузионнаясварка основана на нагреве деталей до повышенной температуры с одновременнымсдавливанием их. Протекающие при этом явления можно условно разделить на двеосновные стадии. Для первой характерно (как и при холодной сварке) установлениемежатомных связей по всей площади соединяемых поверхностей, вследствиепротекающей под действием сжатия пластической деформации металла, удаленияповерхностных пленок окислов, газов и других загрязнений, мешающих формированиютаких связей. Вакуумная же среда, в которой протекает процесс сварки,предупреждает новое образование окислов и адсорбированных газов на соединяемыхповерхностях. Явления, протекающие в зоне соединения деталей на второй стадиидиффузионной сварки, обусловлены нагревом и сводятся к взаимной диффузии атомовсвариваемых металлов, усиливаемой давлением, оказываемым на детали. Этотпроцесс, заканчивающийся формированием структуры в зоне соединения, вбольшинстве случаев влияет упрочняющим образом на сварное соединение. Схемапроцесса диффузионной сварки показана на рис. 2.18.
/>
Рис. 2.18.Схема диффузионной сварки в вакууме
Свариваемыедетали 1, 2 помещают в вакуумную камеру 3 и слегка поджимают друг к другу.После откачки воздуха из камеры и создания необходимого вакуума (/>мм рт. ст.) деталинагревают обычно токами высокой частоты до соответствующей температуры (0,7 —0,8 />),после чего к ним механизмом нагружения 5 установки прикладывают усилие сжатия /> и в такомсостоянии детали выдерживают в течение некоторого времени, зависящего отсвойств свариваемых материалов, величины давления и других факторов.
После сваркидетали охлаждают либо в камере, либо на воздухе.
Кдостоинствам диффузионной сварки в вакууме следует отнести следующие:
получениесоединений высокого качества при любых сочетаниях материалов — металлов,сплавов и неметаллов (керамические и металлокерамические сплавы);
отсутствиерасплавления, а значит и резкого различия в структурах в зоне соединения иприлегающих к ней участках;
незначительнаяили нулевая деформация сваренных деталей, позволяющая сваривать их послеокончательной обработки;
безопасность,простота обслуживания установок, отсутствие вредных выделений в окружающуюсреду (лучистой энергии, газов, пыли и пр.).
К недостаткампроцесса относится:
необходимостьпредварительной механической обработки заготовок, чтобы уменьшить неровности имикровыступы на соединяемых поверхностях;
повышеннаятрудоемкость процесса из-за сборки, нагрева и сварки деталей в герметичнойвакуумной камере, что усложняет задачу комплексной автоматизации процесса;
большаяпродолжительность формирования сварного соединения.
Этот способсварки нашел промышленное использование в производстве электровакуумныхприборов, инструмента, различных деталей из биметаллических материалов и др.Диффузионная сварка в вакууме относится к весьма перспективным процессам инайдет дальнейшее значительное применение в электронной, космической,авиационной и других важнейших отраслях техники.
В заключениеотметим, что в настоящее время получили широкое распространение и другие разнообразныеспособы сварки давлением, такие, например, как ультразвуковая, индукционная,магнитно-импульсная и т.д.
Многие из нихявляются единственно возможными способами соединения специальных деталей. Из-заограниченности объема книги здесь не рассматриваются специфические особенностиназванных и других способов сварки давлением, однако студенты достаточноподробно знакомятся с ними при изучении специальных дисциплин.
3 4Газовая сварка и резка
Газоваясварка основана на использовании для расплавления металла пламени сжигаемых вспециальных горелках горючих газов.
Родиной этогоспособа является Франция. В конце XIX века была создана газовая горелка,работающая на смеси водорода и кислорода. Однако эксплуатировать такие горелкибыло опасно из-за возможности проникновения пламени в резервуар сводородно-кислородной смесью и ее взрыва.
Впоследующем, такая горелка была усовершенствована французским химиком Сент-КлерДевилем, разместившим водород и кислород в разные резервуары со смешением этихгазов уже в самой горелке. Однако получаемое при этом пламя имело недостаточнуютемпературу (-2200 °С) для сварки.
Развитиепромышленного способа газовой сварки стало возможным благодаря двумобстоятельствам: во-первых, открытию метода получения горючего газа ацетиленаиз карбида кальция, во-вторых, — получению в 1895 г. французским химиком АнриЛуи Ле Шателье высокотемпературного пламени при сжигании смеси ацетилена икислорода.
Позже, в 1901г., французскими инженерами Эдмоном Фуше и Шарлем Пикаром была сконструированагазосварочная горелка, работающая на ацетилено-кислородной смеси. Предложеннаяими конструкция газосварочной горелки практически не изменилась до настоящеговремени.
Изобретателигазовой сварки назвали ее автогенной, т.е. «самопроизводящейся». Это не столь удачноеназвание употребляется иногда и в настоящее время.
В начальныйпериод развития газовой сварки на предприятиях Москвы, Санкт-Петербурга, Киеваи других городов действовало небольшое число газосварочных постов, в основном времонтных железнодорожных мастерских и на некоторых машиностроительных заводах.После создания в 1931 г. Московского автогенного завода, выпускавшегоаппаратуру для газовой сварки и резки металлов, применение этого способасоединения деталей значительно расширилось.
Большую рольв развитии газовой сварки, а точнее сказать, газопламенной обработки, сыгралВсесоюзный научно-исследовательский институт автогенной обработки — ВНИИавтоген(впоследствии ВНИИавтогенмаш), который наряду с совершенствованием технологии иоборудования для этого процесса достиг значительных успехов в развитиикислородной резки, нанесении газопламенных покрытий, поверхностной закалки ипр.
Для успешнойгазовой сварки подавляющего большинства материалов и сплавов температура сварочногопламя должна быть не менее 3000 °С. Из многочисленных горючих газов этомуусловию удовлетворяет только ацетилен />, получаемый в специальныхацетиленовых генераторах, в которых протекает взаимодействие карбида кальция /> с водой пореакции
/> (2.5)
Карбидкальция — твердое и тугоплавкое кристаллическое вещество, образуется присплавлении извести (СаО) с углем (С) в дуговых электрических печах:
/> (2.6)
Длядостижения наивысшей температуры при сгорании ацетилена используется почтичистый кислород (97 — 98 % кислорода), который получают из атмосферного воздухана специальных установках и поставляют потребителю в стальных баллонах поддавлением 15 МПа (150 кг/см2).
В практикегазовой сварки нашли широкое промышленное применение сварочные горелкиинжекторные или низкого давления. Схема такой горелки показана на рис. 2.19.
По шлангу через ниппель 1 ирегулировочный вентиль 2 в инжектор 3 горелки поступает кислород под давлением0,3 — 0,4 МПа (3 — 4 кг/см2). Струя кислорода, выходя с большойскоростью из узкого канала инжектора, инжектирует (подсасывает) ацетилен,подводимый к горелке по шлангу через ниппель 10 под небольшим давлением — менее0,05 МПа. В смесительной камере 4 кислород смешивается с ацетиленом, откудасмесь по смесительной трубке 5 движется к наконечнику 6 горелки.
При выходе из каналанаконечника смесь поджигается, Зуя сварочное пламя сложной структуры.Нормальное чное пламя имеет три характерных зоны; первая зона 7 Со среднейтемпературой 1500 °С, где происходит распад ацетилена (С2Н2 = 2С + Н?}, втораязона 8, где ацетилен взаимодействует с кислородом, поступающим из горелки (пореакции С2Н2 + О2 = 2СО + Н2). В результате температура пламени возрастает до3100 °С, причем продукты сгорания обладают восстановительными свойствами.Наконец, в третьей зоне — факел пламени 9 — идет процесс сгорания водорода иокисления СО (по реакции СО + Н2 + 3/2 О2 = = 2СО2 + НаО) за счет кислородаатмосферного воздуха. Температура факела — около 1200 °С. Обычно газосварщикработает на второй зоне пламени (восстановительной), имея возможность следитьза характером пламени, корректировать состав смеси ацетиленовым вентилемгорелки.
/>
Рис. 2.19.Конструктивная схема инжекторной горелки и строение сварочного пламени.
Газовуюсварку можно выполнять в любом пространственном положении, однако, в отличие отдуговой сварки, нагрев металла пламенем замедленный, «мягкий». Для формированияшва используется присадочный пруток.
К несомненнымдостоинствам газовой сварки относятся:
простотаобразования высокотемпературного пламени и легкость его регулирования;
универсальностьспособа, позволяющая использовать его везде, в том числе и в полевых условиях.
К числусущественных недостатков газовой сварки можно отнести следующие:
низкаяпроизводительность процесса;
значительныйразогрев металла вблизи шва, создающий большую зону термического влияния скрупным зерном, что снижает прочностные свойства сварных соединений.
Одновременнос развитием газовой сварки совершенствовались и способы кислородной резкиметалла. При кислородной резке металл нагревается в начальной точкегазокислородным пламенем до температуры воспламенения, а затем сгорает в струекислорода, в результате образуется сквозной разрез.
Такимобразом, резка осуществляется за счет сгорания металла в струе кислорода.Образующиеся при этом продукты сгорания – окислы, удаляются кинетическимдействием – струи режущего кислорода.
Процесскислородной резки схематически показан на рис. 2.20.
Для успешногоосуществления кислородной резки необходимо, чтобы температура воспламененияметалла в кислороде была ниже температуры его плавления. Этому условиюудовлетворяют многие марки сталей. Так, например, температура воспламенениянизкоуглеродистой стали равна 1150 °С, а температура плавления — 1540 °С.Второе важное условие кислородной резки — температура плавления металла должнабыть выше температуры плавления образуемых в процессе резки окислов, иначетугоплавкие окислы препятствуют контакту металла с кислородом. Это условие неудовлетворяется при резке алюминия, магния и их сплавов, а также в сталях сбольшим содержанием хрома и никеля (нержавеющие стали), Так, например,температура плавления алюминия составляет всего 660 °С, а его окислов (/>) — 2050 °С.
Все материалыс ограниченной разрезаемостью или неразрезаемые приходится разрезать сиспользованием порошково-кислородной (флюсокислородной) резки, заключающейся втом, что вместе с кислородной струей в зону реза подаются порошки, химическивзаимодействующие с окислами соответствующих металлов или механическивоздействующие на окисную пленку.
/>
Рис. 2.20.Схема процесса кислородной резки:
1 — разрешаемый металл; 2 — струя кислорода: 3 — подогревающие пламя; 4 — мундштукгорючей смеси; 5 — мундштук кислорода; К — горючая смесь для подогревающегопламени; 7 — поверхность реза с окислами; 8 – шлаки, выносимые струейкислорода; 9 — изотерма подогретого металла; V — вектор резки.
Однако болееэффективно для резки таких металлов использовать высокотемпературную дуговуюплазму, температура факела которой может достигать 15 — 25 тыс. °С, илигазолазерную резку.
В связи сбольшим объемом разделительной резки металлов важное значение приобретаетмеханизация и автоматизация процесса резки. В последнее время в промышленностииспользуются высокопроизводительные координатные машины для кислородной резкиконсольного или портального типа, управляемые по специальным программам спомощью ЭВМ. Они позволяют производить вырезку деталей любой конфигурации свысокой точностью и производительностью.
3.5Лучевые виды сварки
Ученые иинженеры разных стран, занимающиеся сварочными проблемами, не могли не обратитьвнимания на новые виды источников нагрева — лучевые. Задача использования ихдля целей сварки облегчалась фундаментальными исследованиями физиков в областиоптики, квантовой механики, ускорительной техники для электронных и ионныхпучков.
В результатеинтенсивных поисков и исследований специалисты-сварщики разработали новые видысварки, основанные на энергии интенсивных электронных, ионных и фотонных лучей.Уже первые исследования показали, что лучевые источники нагрева обладаютуникальными свойствами, открывающими большую перспективу их использования вобласти сварки.
Электронно-лучеваясварка
Способэлектронно-лучевой сварки (ЭЛС) возник во Франции и СССР почти одновременно в1957—1958 гг. и связан с именами французского ученого Д.А. Стора (Французскаякомиссия по атомной энергии) и русского ученого Н.А. Ольшанского (Московскийэнергетический институт). У истоков появления ЭЛС стояли также К.Г.Штайгервальд (ФРГ) и Б.А. Мовчан (ИЭС им, Е.О. Патона).
Дляосуществления нагрева и расплавления металлов при ЭЛС используется энергиябыстродвижущихся в глубоком вакууме направленных электронов. Процесс сваркиреализуется в специальной установке, принципиальная схема которой изображена нарис. 2.21.
СовершенствованиеЭЛС диктовалось растущим производством большой группы изделий изтрудносваривающихся тугоплавких и химически активных металлов, обладающихценными свойствами (/>— молибден, /> — цирконий, /> — вольфрам, /> — ниобий, /> — тантал, /> — бериллий, /> — титан идр.).
Эти металлы,как и сплавы на их основе, широко используются в химическом машиностроении,реакторостроении, электронном приборостроении, корпусных узлах летательных икосмических аппаратов и других областях.
/>
Рис. 2.21.Схема установки электронно-лучевой сварки:
1 —электронная пушка; 2 — герметичная камера; 3 — высоковольтный источник питания;4 — свариваемое изделие; 5 — манипулятор; 6 — вакуумная система; 7 — смотровоестекло.
Сваркаизделий из таких металлов связана с большими трудностями, из-за их способностидаже при небольшом нагреве жадно поглощать из окружающей среды кислород, азот,водород, что приводит к хрупкости и потери пластичности сварными соединениями.
До появленияЭЛС такие изделия сваривались с помощью дуги в среде инертных газов,преимущественно в аргоне, к которому предъявлялись жесткие требования посодержанию примесей (/>
Засравнительно короткий срок, прошедший с момента возникновения ЭЛС, она получилаширокое практическое использование, хотя еще многие теоретические и физическиеее стороны до настоящего времени остаются не выяснены. Это связано сосложностью протекающих процессов при взаимодействии электронного луча сосвариваемым металлом, высокой концентрацией энергии в пятне нагрева (/>Вт/см2)и другими явлениями.
Потокэлектронов создается важнейшей частью такой установки — электронной, пушкой, вкоторой излучателем электронов является нагреваемый до высокой температуры(~2500 °С) вольфрамовый или металлокерамический катод (рис. 2.22).
Для ускорения движенияэлектронов к ускоряющему электроду и изделию подводится положительный полюс(анод) высоковольтного источника питания. В зависимости от назначения установкиЭЛС и типа электронной пушки величина ускоряющего напряжения меняется в широкомдиапазоне — от 10 до 200 кВ.
Дляформирования интенсивного электронного пучка с высокой плотностью энергии ималым углом сходимости /> (см. рис. 2.22, />рад) используетсяспециальная фокусирующая система, так называемые магнитные «линзы», Направлениепучка в заданную точку свариваемого изделия осуществляется специальноймагнитоотклоняющей системой (подобно отклонению электронного луча в кинескопетелевизора).
Присоударении электронов, собранных в пучок малого диаметра /> (/>— диаметр пятнаэлектронного пучка в фокусе), с изделием происходит их торможение спреобразованием кинетической энергии в тепловую, что вызывает нагрев металла вместе сварки до высокой температуры вплоть до температуры кипения (испарения).
/>
Рис. 2.22.Схема электронной пушки с комбинированной системой формирования и управленияэлектронным пучком.
1 — катод; 2- прикатодный электрод; 3 — ускоряющий электрод (анод); 4 — электронный пучок;5 — фокусирующая магнитная линза; 6 — система отклонения пучка; 7 — свариваемоеизделие.
По мереперемещения луча по направлению сварки или, что чаще, изделия относительнолуча, расплавленный металл затвердевает, и образуется сварной шов.
Дляобеспечения свободного движения электронов от катода к изделию (аноду)необходим вакуум не ниже /> мм рт. ст., создаваемый с помощьювакуумного оборудования.
Остраяфокусировка электронного луча на малую площадь изделия (пятно нагрева можетиметь величину до /> см2) приводит кполучению очень высокой плотности энергии (до /> Вт/см2, в то время какэлектрическая дуга имеет плотность энергии /> Вт/см2), что приводитк значительному повышению температуры поверхности жидкого металла в зоне сваркии к образованию характерной формы проплавления металла — узкому и глубокому,получившему название кинжальное проплавление.
Электронный луч с высокойплотностью энергии обычно используется для сварки тугоплавких и теплопроводныхметаллов и деталей больших толщин (до 200 мм). При сварке же легкоплавких илегкоиспаряющихся металлов (например, алюминия, магния) и деталей небольшойтолщины целесообразнее применять луч с малой плотностью энергии, а иногда симпульсным нагревом, когда действие луча на изделие чередуется с паузами.
Основныепараметры режима ЭЛС складываются из выбора силы тока сварки (мА), ускоряющегонапряжения (кВ), скорости сварки (см/сек).
ПреимуществаЭЛС
К несомненнымпреимуществам ЭЛС относятся следующие:
получениенаиболее совершенного, очень узкого с глубоким проплавлением шва, чтообеспечивает значительную экономию металла;
большаясосредоточенность вводимого в изделие тепла, малое его количество (в 4 —5 разменьше, чем при дуговой сварке) позволяют получить небольшую зону термическоговлияния и минимальное изменение формы изделия (коробление);
благодарявакууму, в котором происходит сварка, отсутствует насыщение металла шва газами,имевшиеся лее в нем газы успевают выделиться (всплыть), в результатедостигается весьма высокое качество сварных соединений;
для сваркихарактерен пониженный расход электроэнергии, применение же вакуума не требуетиспользования дорогостоящих инертных газов.
Недостатки ЭЛС
К числунедостатков ЭЛС можно отнести следующие:
созданиевакуума в рабочей камере, загрузка и выгрузка изделий из нее требуютзначительного времени, что не только снижает производительность процесса, но изатрудняет осуществление комплексной автоматизации всего процесса изготовлениясварных изделий;
вследствиеторможения скоростных электронов в свариваемом металле, особенно при большомускоряющем напряжении (>100 кВ), возникает жесткое рентгеновское излучение,что требует дополнительной биологической защиты обслуживающего персонала и,кроме того, усложняет и без того достаточно сложное оборудование для ЭЛС.
Лазернаясварка
В историиразвития науки и техники бывают случаи, когда отдельные открытия и изобретениядают мощные средства для решения ряда практических, в том числе и важных задач.
К числуподобных работ в области квантовой электроники относится открытие в 1952 г.физиками Н.Г. Басовым, А.М. Прохоровым (СССР) и Ч. Таунсоном (США) новогопринципа генерации и усиления света, получивших за это открытие Нобелевскуюпремию.
На основеэтих работ в начале 60-х годов XX в, в США был создан для сварки первыйоптический квантовый генератор — лазер* на рубине. Лазер получил свое названиепо первым буквам английской фразы — «Light-Amplification by Stimulated Emissionof Radiation» («Усиление света Путем стимулированного излучения»).
Активныеразработки лазерных устройств во многих странах привели к появлению всемидесятых годах как твердотельных (рубин, неодимовые стекла и др.). так игазовых лазеров, использующих в качестве излучателей газы и газовые смеси(инертные газы, углекислый газ, смесь СО2 — N2 — Не идр.).
В настоящеевремя лазерное технологическое оборудование успешно применяется для целейсварки, резки и пробивки отверстий в металлах и неметаллических материалах(керамика, стекло и др.), поверхностной термической обработки ряда изделий ит.д.
Лазерный лучнашел применение в медицине (диагностика, хирургия, терапия и др.), в средствахсвязи и телевидении, в военно-космической области и т.д.
Основными элементамилазерной сварочной установки на твердотельном лазере являются стержень активнойсреды 1 (рис. 2,23), мощная импульсная спиралевидная лампа накачки 2,преобразующая электрическую энергию заряжаемых конденсаторов 3 в световую, двазеркала-резонатора 4, 5, система фокусирования излучения 7, 8 на свариваемыедетали 9.
Каким жеобразом формируется световой луч в твердотельном лазере? Рассмотрим это напримере рубинового лазера. Рубин — это искусственный кристалл корунда (/>), в которомчасть атомов алюминия (до 0,5 %) заменена атомами хрома.
Приимпульсной вспышке лампы накачки атомы хрома в рубине переходят в возбужденноесостояние, т.е. их электроны переходят на более высокие энергетические уровни.Если количество возбуждаемых атомов за одну вспышку лапы достигает некоторогокритического уровня, то под воздействием фотонов стимулируется лавинный процессперехода возбужденных атомов в обычное состояние с испусканием при этомфотонов, соответствующих красному свету.
/>
Рис. 2.23.Схема лазерной сварочной установки
Лавинныйпоток фотонов, движущихся в осевом направлении, мгновенно умножается за счетмногократного отражения от зеркал резонатора, пока не окажется достаточным,чтобы прорваться через полупрозрачное зеркало 5 (см. рис. 2.23) наружу в видекогерентного импульсного пучка красного света 6 с очень малым углом расходимости.
Направляясветовой пучок зеркалом 7 через длиннофокусную линзу 8, можно достичь оченьбольшой степени его фокусировки, с диаметром светового пятна вплоть донескольких микрон, что позволяет получить наивысшую плотность тепловой мощностина поверхности свариваемого изделия — более 109 Вт/см2.
В такихусловиях все известные материалы не только плавятся, но и испаряются, что ииспользуется реально для целей сверления тончайших отверстий в материале любойтвердости и температуры плавления.
Однако длясварки используется лазерный луч с меньшей плотностью энергии (~105-107Вт/см2) из-за возможности интенсивного испарения и выплеска металлав зоне сварки, что приведет к существенным дефектам сварных швов.
Первые лазерные сварочныеустановки с твердотельным активным стержнем работали в импульсном режиме(длительность импульса 0,5 — 5 мс) и имели максимальную энергию излучения невыше 2 Дж. Поэтому они использовались для сварки и сверления металлов толщиной0,1—0,2 мм.
Заменарубиновых кристаллов итрий-алюминиевым гранатом, легированным неодимом,позволила значительно увеличить энергию излучения лазеров и, в конечном счете,разработать и создать серию промышленных лазерных установок типа «Квант»,осуществляющих точечную или шовную сварку.
В дальнейшембыли разработаны газовые лазеры, позволившие значительно поднять мощностьизлучения и коэффициент полезного действия (до 20 %). Активный газ или газоваясмесь заключается в трубке, ограниченной с двух сторон строго параллельнымизеркалами, как в твердотельных лазерах. Возбуждение газовых молекулосуществляется с помощью электрического разряда. Такие лазеры могут работать внепрерывном режиме и позволяют сваривать изделия значительной толщины. Имеютсясведения о сварке сталей толщиной 50 мм и более при мощности непрерывногоизлучения в несколько десятков киловатт.
Преимуществалазерной сварки
К основнымпреимуществам лазерной сварки в сравнении с другими сварочными процессами можноотнести следующие:
высокаялокальность нагрева позволяет осуществлять сварку вблизи хрупких материалов(например, стеклоспаев полупроводниковых элементов) без их разрушения иизменений формы деталей;
минимальноевремя воздействия лазерного луча на свариваемый металл обеспечивает малыеразмеры зоны термического влияния и хорошие ее свойства, что особенно важно длятугоплавких металлов и их сплавов;
возможностьсварки световым лучом в любой среде, пропускающей свет, — в вакууме, в инертныхгазах, на воздухе, а также деталей, заключенных в герметические стеклянныеоболочки.
Недостаткилазерной сварки
Важнейшиминедостатками лазерной сварки являются следующие:
низкий КПДлазеров (~10 %);
из-занеспособности лазерного луча проникать в металл, теплопередача происходиттолько с поверхности. Поэтому попытки достичь глубокого проплавления за счетповышения тепловой энергии в пятне нагрева приводит к появлению дефектовсварного шва (рыхлость, бугристость, поры) вследствие вытеснения жидкогометалла световым давлением и давлением паров испаряемого металла.
Наибольшееприменение лазерная сварка нашла в производстве изделий электронной,радиотехнической промышленности, в точном приборостроении, при получениимикроминиатюрных элементов (приварка выводов к тонкопленочным схемам,микромодулям, полупроводниковым устройствам и др.).
Сваркалучистым нагревом
В конце 60-хгодов XX в. ряд сотрудников Московского авиационно-технологического институтаим. К.Э. Циолковского, руководимых проф. Г.Д. Никифоровым, разработали процесссварки и пайки сфокусированной лучистой энергией от мощных источников света.Принципиальная схема процесса весьма проста (рис. 2.24) и сводится кследующему.
Мощнаядуговая ксеноновая лампа сверхвысокого давления / помещается в фокусеэллипсоидного отражателя 2. Для более полного использования лучистого потокалампы служит контротражатель 3. Отраженные лучи света от эллипсоидногоотражателя, фокусируются на нагреваемом (свариваемом) изделии 4, образуя такназываемое фокальное пятно. Оптическую схему можно несколько усложнить, если напути движения отраженных лучей поставить линзовый объектив, позволяющийуменьшить диаметр фокального пятна.
/> />
Рис. 2.24. Оптическаясхема установки для сварки лучистой энергией
Эффективностьввода тепла в изделие будет зависеть от плотности лучистого потока в фокальномпятне, которое может довольно просто регулироваться от 0 до Emax.Так, при использовании лампы мощностью 10 кВт удалось получить Emax =2200 Вт/см2, что вполне достаточно для осуществления сварки сталей,титановых и алюминиевых сплавов толщиной до 2 мм.
Основнойособенностью процесса лучистого нагрева при сварке является отсутствиемеханического давления лучистого потока на сварочную ванну, Поэтому можнопроводить сварку без формирующих подкладок (на весу), формирование же сварногосоединения происходит, в основном, под действием поверхностного натяженияжидкого металла. Кроме того, благодаря высокой отражающей способностиповерхности Жидкого металла отсутствует перегрев металла сварочной ванны и егокипение.
Оптическийисточник тепла позволяет сваривать не только металлы, но и стекло, керамику,пластмассы. Преимущества этого способа сварки проявились особенно наглядно напримере сварки шлакоситаллового стекла (стеклокерамика), которое до этогосчиталось несвариваемым.
Широкиепределы регулирования энергетических параметров лучистого потока и размеровфокального пятна нагрева дают возможность применять лучистый нагрев для пайки.Локальность нагрева, высокие градиенты температуры в спаиваемых деталях,возможность применения практически любых из существующих припоев, начиная от легкоплавкихоловянно-свинцовистых и кончая тугоплавкими на основе никеля и титана — вот техарактерные особенности, присущие лучистому нагреву.
Преимуществасварки лучистым нагревом
Нагрев дляцелей сварки и пайки сфокусированной лучистой энергией обладает рядомсущественных преимуществ перед другими видами нагрева, а именно:
бесконтактнымподводом энергии к изделию за счет удаленности источника излучения от изделия,что важно при сварке в труднодоступных местах и при необходимости нагрева черезоптически прозрачные оболочки в любой контролируемой атмосфере и в вакууме;
возможностьюнагрева различных материалов независимо от их электрических и магнитныхсвойств;
легкостьюрегулирования энергетических параметров лучистого нагрева и простотойвизуального контроля за поведением материала при нагреве.
К основнымнедостаткам сварки лучистым нагревом следует отнести:
низкий КПДпроцесса, колеблющийся от 5 до 15 % в зависимости от схемы установки и типалампы;
затрудненностьвыполнения сварки в любых пространственных положениях сварного шва, кроменижнего, что объясняется невозможностью свободного манипулирования положениемфокального пятна нагрева в пространстве.
Конечно,сварщики не могли выпустить из поля зрения такой источник лучистой энергии, каксолнце. Опытные установки гелиосварки показали их принципиальную применяемость,однако их громоздкость, зависимость от погодных условий, необходимостьпостоянной корректировки положения отражающих зеркал на солнце и другиетрудности не позволили пока довести этот способ до реального использования.
Библиографическийсписок
1. Сварка в СССР. Том 1. Развитиесварочной технологии и науки о сварке. Технологические процессы, сварочныематериалы и оборудование. – М.: Наука, 1981. – 536 с.
2. Сварка в СССР. Том 2.Теоретические основы сварки, прочности и проектирования. Сварочноепроизводство. – М.: Наука, 1981. – 494 с.
3. Чеканов А.А. НиколайНиколаевич Бенардос (1842-1905). – М.: Наука, 1983. – 142 с.
4. Славянов Н.Г. Труды иизобретения. – Пермь: Книжное издательство, 1988. – 296 с.
5. Патон Б.Е., КорниенкоА.Н. Огонь сшивает металл. – М.: Педагогика, 1988. – 144 с.
6. Зорин Е.Е., Худолий Н.Г.Сварка. Введение в специальность. – М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2004. – 232с.: ил.