Термические способы сварки. Классификация и направления развития. Особенности сварки различных материалов

3              Автоматическая дуговая сварка под флюсом

Для автоматической дуговой сварки под флюсом используют непокрытую электродную проволоку и флюс для защиты дуги и сварочной ванны от воздуха. Подача и перемещение электродной проволоки, а также процессы зажигания дуги и заварки кратера в конце шва  автоматизированы.               В процессе автоматической сварки под флюсом дуга горит между проволокой и основным металлом. Столб дуги и металлическая ванна жидкого металла со всех сторон плотно закрыты слоем флюса толщиной 30 – 35 мм. Часть флюса расплавляется, в результате чего вокруг дуги образуется газовая полость, а на поверхности расплавленного металла – ванна жидкого шлака. Для сварки под флюсом характерно глубокое проплавление основного металла.  Действие мощной дуги и весьма быстрое движение электрода вдоль заготовки обусловливают оттеснение расплавленного металла в сторону, противоположную направлению сварки. По мере поступательного движения электрода происходит затвердевание металлической и шлаковой ванн с образованием сварного шва, покрытого твердой шлаковой коркой. Проволоку подают в дугу и перемещают ее вдоль шва с помощью механизмов подачи и перемещения. Ток к электроду поступает через токопровод.

Дуговую сварку под флюсом выполняют сварочными автоматами, сварочными головками или самоходными тракторами, перемещающимися непосредственно по изделию. Назначение сварочных автоматов – подача электродной проволоки в дугу и поддержание постоянного режима сварки в течение всего процесса. Автоматическую сварку под флюсом применяют в серийном и массовом производствах для выполнения длинных прямолинейных и кольцевых швов в нижнем положении на металле толщиной 2 – 100 мм. Под флюсом сваривают металлы различных классов.

Автоматическую сварку широко применяют при изготовлении котлов, резервуаров для хранения жидкостей и газов, корпусов судов, мостовых балок и других изделий. Она является одним из основных звеньев автоматической линий для изготовления сварных автомобильных колес и станов для производства сварных прямошовных и спиральных труб. На рисунке 3 представлена схема сварки под флюсом.

4              Лазерная сварка

При облучении поверхности тела светом энергия квантов (порций) света поглощается этой поверхностью. Образуется теплота, температура поверхности повышается. Если световую энергию сконцентрировать на малом участке поверхности, можно получить высокую температуру. На этом основана сварка световым лучом оптического квантового генератора - лазера. Термин "лазер" происходит от первых букв английской фразы: "Light amplification by the stimulated emission of radiation", что означает в переводе: "Усиление света посредством индуцирования эмиссии излучения". Академик Н.Г. Басов, удостоенный в 1964 г. совместно с академиком А.М.Прохоровым и американским ученым Ч.Таунсом Нобелевской премии за теоретическое обоснование и разработку лазеров, так характеризует лазер: "Это устройство, в котором энергия, например тепловая, химическая, электрическая, преобразуется в энергию электромагнитного поля - лазерный луч. При таком преобразовании часть энергии неизбежно теряется, но важно то, что полученная в результате лазерная энергия обладает несравненно более высоким качеством. Качество лазерной энергии определяется ее высокой концентрацией и возможностью передачи на значительное расстояние".

Основные элементы лазера - это генератор накачки и активная среда. По активным средам различают твердотельные, газовые и полупроводниковые лазеры. В твердотельных лазерах (рис. 1) в качестве активной среды чаще всего применяют стержни из розового рубина - окиси алюминия А12О3 с примесью ионов хрома Сг3+ (до 0,05 %). При облучении ионы хрома переходят в другое энергетическое состояние -возбуждаются и затем отдают запасенную энергию в виде света. На торцах рубинового стержня нанесен слой отражающего вещества (например, серебра) так, что с одного конца образовано непрозрачное, а с другого - полупрозрачное зеркало. Излучение ионов хрома, отражаясь от этих зеркал, циркулирует параллельно оптической оси стержня, возбуждая новые ионы, - идет лавинообразный процесс. Происходит бурное выделение лучистой энергии, которая излучается параллельным пучком через полупрозрачное зеркало и фокусируется линзой в месте сварки. Выходная мощность твердотельных лазеров достигает 107 Вт при сечении луча менее 1 см². В фокусе достигается громадная концентрация энергии, позволяющая получать температуру до миллиона градусов. Лазерный луч обеспечивает высокую концентрацию энергии (до 10^8 Вт/см²), благодаря возможности его фокусировки в точку диаметром в несколько микрометров. Такая концентрация значительно выше чем, к примеру, у дуги. Сравнимой концентрацией энергии обладает электронный луч (до 10^б Вт/см²). Однако электронно-лучевая сварка осуществляется лишь в вакуумных камерах - это необходимо для устойчивого проведения процесса, лазерная же сварка не требует вакуума, что упрощает и убыстряет тех. процессы. Процесс лазерной сварки осуществляется либо на воздухе, либо в среде защитных газов: Аr, Не, СО2 и др. Лазерный луч, так же как и электронный легко отклоняется, транспортируется с помощью оптической системы. Для сварки металлов используются твердотельные и газовые лазеры как периодического, так и непрерывного действия.

Благодаря высокой концентрации энергии лазерного излучения в процессе сварки обеспечивается малый объем расплавленного металла, незначительные размеры пятна нагрева, высокие скорости нагрева и охлаждения металла шва и околошовной зоны.

Эти особенности теплового воздействия предопределяют минимальные деформации сварных конструкций, специфику физико-химических и металлургических процессов в металле шва, высокую технологическую и конструкционную прочность сварных соединений. Лазерная сварка осуществляется в широком диапазоне режимов, обеспечивающих высокопроизводительный процесс соединения различных материалов толщиной от нескольких микрометров до десятков миллиметров. Разнообразие методов и приемов лазерной сварки затрудняет разработку конкретного технологического процесса.

Достоинства лазерной сварки:

1) В отличие от сварки электронным лучом, не требует вакуумной камеры, отсутствует рентгеновское излучение, на луч не влияют магнитные поля, возможна сварка магнитных материалов, так же, сварка лазером дешевле, чем сварка электронным лучом.

2) Пятно нагрева очень мало, при большой глубине проплавления, как следствие малы деформации свариваемых деталей, высокая точность, высокое качество сварного шва.

3) Процесс бесконтактен - возможна сварка в труднодоступных местах, проведение сварки через прозрачные материалы, в жидких прозрачных средах.

4) Гибкая, широкая настройка процесса, без необходимости смены оснастки, легкое перемещение луча по поверхности детали по любой траектории

Что же мешает повсеместному внедрению лазерной сварки? Прежде всего, это высокая стоимость приобретения и эксплуатации оборудования, потребность в специалистах для его обслуживания, невозможность применения при полевых работах, подводных работах, и других.

Однако эти проблемы решаемы, поэтому именно лазерная сварка и является наиболее перспективной, поскольку обладает значительным потенциалом для совершенствования.

5              Особенности сварки различных материалов

5.1              Сварка меди и ее сплавов

Медь обладает высокой теплопроводностью, большой текучестью, способностью окисляться в нагретом и особенно в расплавленном состоянии;

Сварка меди в значительной степени зависит от наличия в металле различных примесей: висмута, мышьяка, свинца, сурьмы. Они практически не растворяются в меди, но образуют с ней легкоплавкие химические соединения, которые располагаются по границам зерен, ослабляя межатомные связи. Чистая медь обладает наилучшей свариваемостью;

Водород в присутствии кислорода оказывает отрицательное действие на свойства меди. Расплавленная медь легко окисляется, образуя оксид меди Cu20, который легко поглощает водород и оксид углерода (Cu2О+2Н –> H2О + 2Сu). При охлаждении в объеме металла выделяются пузырьки паров воды и углекислого газа, которые не растворяются в меди. Эти газы, расширяясь, создают большое внутреннее давление и приводят к образованию местных трещин. Это явление получило название водородной болезни меди. С целью ее предупреждения следует снижать количество водорода в зоне сварки, прокаливать электроды, флюсы, использовать защитные газы;

При сварке покрытыми медными электродами без подогрева возможно возникновение горячих трещин;

При сварке с подогревом, создающим условие медленного охлаждения, водяной пар в большинстве случаев до затвердевания металла выходит наружу, но небольшая его часть остается между слоем сварочного шлака и поверхностью металла шва. В результате этого поверхность металла шва после удаления шлака становится неровной. Этого можно избежать при очень медленном охлаждении шва.

Виды сварки меди:

-              дуговая сварка угольным электродом (неплавящимся);

-              дуговая сварка плавящимся электродом;

-              автоматическая сварка под слоем флюса;

-              ручная аргонодуговая сварка вольфрамовым электродом (сварка в защитных газах);

-              газовая сварка

5.2              Сварка алюминия и его сплавов

Сварка как алюминия, так и его сплавов осложнена тем, что в процессе на поверхности расплавленного слоя моментально образуется тугоплавкая пленка оксида алюминия. Эта пленка препятствует процессу сплавления отдельных частиц металла. Дело в том, что оксид алюминия плавится при температуре 2050° C, а сам алюминий – 658° C. Чтобы преодолеть эту технологическую трудность, применяют ряд специальных способов.

Первое и важное условие – подготовка к сварке. Соединяемые детали должны быть обязательно обезжирены, при этом уже имеющаяся на поверхности пленка оксида алюминия удаляется. Присадочная проволока обрабатывается таким же способом. Электродные стержни также очищаются перед нанесением на них покрытия. Электроды непосредственно перед сваркой надо просушить в течение двух часов при температуре 200° C.

Сварку рекомендуется выполнять непрерывно в пределах одного электрода, так как пленка шлака на кратере и конце электрода препятствует повторному зажиганию дуги. Для обеспечения устойчивого процесса при минимальных потерях на разбрызгивание рекомендуется принимать сварочный ток из расчета не более 60А на 1мм диаметра электрода.

В настоящее время из всех известных способов для сварки алюминия чаще всего применяются три следующих:

-              ручная;

-              аргонодуговая;

-              полуавтоматическая.

Ручная дуговая сварка осуществляется штучными электродами (ОЗА и ОЗАНА) на постоянном токе обратной полярности.

Способ аргонодуговой сварки вольфрамовым электродом в России применяется наиболее широко. Процесс сварки алюминия и его сплавов осуществляется на переменном токе (для разрушения оксидной пленки). В последнее время наиболее популярны инверторные источники питания, с возможностью изменения частоты напряжения. Сварку тонкостенных алюминиевых деталей рекомендуется проводить на повышенной частоте, а заварку дефектов отливок – на пониженной.

Полуавтоматическая сварка алюминия и его сплавов более производительна по сравнению с аргонодуговой. Она выполняется на постоянном токе с положительной полярностью на электроде либо капельным переносом, либо в импульсном режиме. Сварка в импульсном режиме выполняется обычно инверторными источниками питания. При этом источник постоянно выдает базовый ток (достаточный для поддерживания дуги, но слишком низкий для обеспечения отрыва капель расплавленного металла от электрода и переноса их к сварочной ванне) и кратковременно выдает в виде импульсов ток больших значений, обеспечивающий контролируемый перенос капель металла от расходуемого электрода к изделию. Импульсный режим имеет преимущества перед капельным переносом, так как позволяет вести сварку во всех пространственных положениях, облегчает сварку тонкостенных изделий и уменьшает разбрызгивание.

Особенностью полуавтоматической сварки алюминия и его сплавов является то, что алюминиевая проволока мягче стальной, поэтому подача ее более затруднительна. В связи с этим подача проволоки производится специальными устройствами.

5.3              Сварка титана и его сплавов

Для того, чтобы надежно осуществить сварку титана, надо защитить как зону сварки, так и обратную сторону шва от воздействия атмосферного воздуха. Для этого делаются удлиненные насадки с отверстиями и козырьки, защищающие зону сварки. Обратную сторону шва защитит медная или стальная подкладка, которая плотно прижимается к шву.

Качество сварных соединений напрямую зависит от проведенной подготовки кромок деталей и самой титановой проволоки. Оксидная пленка, образующаяся после горячей обработки, удаляется механическим путем.  Угол между электродом и присадочным материалом поддерживают в пределах 90°, подачу присадочной проволоки осуществляют непрерывно. После окончания сварки или обрыва дуги аргон должен подаваться до тех пор пока металл не остынет примерно до 400°.

При ручной дуговой сварке титана вольфрамовым электродом диаметром 1,5-2 мм и присадочной проволокой диаметром 2 мм сварочный ток составляет 90-100 А для металла толщиной 2 мм. Если толщина металла доходит до 4 мм – величина сварочного тока будет равняться 120-140 А.

5.4              Сварка чугуна

В настоящее время применение газовой сварки чугуна ограничивается главным образом ремонтными работами.

Ее применяют для исправления сломавшихся литых чугунных деталей, заполнения раковин, образовавшихся во время литья, наплавки изношенных частей и устранения различных внешних дефектов.

Исправление дефектов в чугунных деталях может производиться без предварительного подогрева или с подогревом (местным и общим). Способ сварки чугуна без предварительного подогрева называется холодным способом, а с предварительным подогревом всего изделия  горячим. Если перед сваркой производится подогрев не всей детали, а только ее части, то такой способ сварки называется полугорячим.

Для правильного ведения процесса сварки надо иметь в виду следующие свойства чугуна:

Возникающие при быстром нагреве и охлаждении чугуна внутренние напряжения могут вызвать появление трещин и даже разрывов.

-              при быстром охлаждении нагретого чугуна он отбеливается, шов после этого не поддается механической обработке режущим инструментом;

-              в расплавленном состоянии чугун быстро окисляется и покрывается окислами, температура плавления которых может быть выше температуры плавления чугуна;