Дуговая сварка в защитных газах

Сварка в защитных газах состоит в том, что для защиты расплавленного металла от контакта с воздухом в зону дуги, горящей между свариваемым изделием и плавящимся или неплавящимся электродом, через сопло горелки непрерывно подается струя защитного газа, оттесняющего воздух от места сварки.

В качестве защитных газов используют одноатомные, или инертные, газы (аргон и гелий), которые не взаимодействуют с расплавленным металлом, и активные газы (углекислый газ, водород, азот, пары воды),
а также их смеси (аргон с кислородом, аргон с азотом или с углекислым газом, углекислый газ с кислородом и др.), взаимодействующие в некоторой степени с расплавленным металлом. Наибольшее применение получили аргон и углекислый газ.

Аргонодуговую сварку осуществляют неплавящимся (преимущественно вольфрамовым) и плавящимся электродами. Неплавящиеся электроды предназначены только для возбуждения и поддержания горения дуги. Между кромками свариваемых изделий в зону сварки подается присадочный металл в виде прутков или проволоки, которая по химическому составу близка к составу основного металла.

Сварку неплавящимся электродом осуществляют на постоянном и переменном токах ручным, полуавтоматическим и автоматическим способами. Постоянным током, обычно прямой полярности, получаемым от источников с падающей внешней характеристикой, сваривают нержавеющие и жаропрочные стали, никель и его сплавы, титан, цирконий, молибден и другие металлы толщиной 0,1…6 мм.

Переменным током сваривают алюминий, магний и их сплавы
без применения флюсов.

Сварку плавящимся электродом осуществляют только автоматическим и полуавтоматическим механизированным методами. Плавящимся электродом сваривают алюминий, магний и их сплавы, а также нержавеющие стали. Для этого наиболее часто применяют постоянный ток обратной полярности, получаемый от источников с жесткой или возрастающей внешней характеристикой.

Сварка в углекислом газе характеризуется высокой производительностью и низкой стоимостью, этот способ применяют для сварки малоуглеродистых, низколегированных и некоторых высоколегированных сталей.

Углекислый газ при высокой температуре дуги диссоциирует на оксид углерода и атомарный кислород, который интенсивно окисляет металл. Для нейтрализации окислительного действия углекислого газа при сварке углеродистых и низколегированных сталей используют сварочную проволоку с повышенным содержанием марганца и кремния (Св-08ГСА, Св-08Г2СА).

Сварку в углекислом газе производят плавящимся электродом автоматическим или полуавтоматическим способом. Питание сварочной дуги осуществляется от источников постоянного тока с жесткой или возрастающей внешней характеристикой при обратной полярности.

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 механизированы. Автоматизированы процессы зажигания дуги и заварки кратера в конце шва. В процессе автоматической сварки под флюсом (рис. 60) дуга 10 горит между проволокой 3 и основным металлом 8. Столб дуги и металлическая ванна жидкого металла 9 со всех сторон плотно закрыты слоем флюса 5 толщиной 30…50 мм. Часть флюса расплавляется, в результате чего вокруг дуги образуется газовая полость, а на поверхности расплавленного металла - ванна жидкого шлака 4. Для сварки под флюсом характерно глубокое проплавление основного металла.

Рис. 60. Схема процесса автоматической дуговой сварки под флюсом

Механизи- рованная подача

Механизированное перемещение

Vсв

Vп

2

3

4

1

10 9

5 6 7 8

По мере поступательного движения электрода металлическая и шлаковая ванны затвердевают с образованием сварного шва 7, покрытого твердой шлаковой коркой 6. Проволоку подают в дугу и перемещают ее вдоль шва с помощью механизмов 2 подачи
и перемещения. Ток к электроду поступает через токопровод 1.

Автоматическая сварка обеспечивает хорошее качество сварных соединений, повышает производительность сварки в 5…20 раз и уменьшает себестоимость одного метра сварного шва. Повышение производительности достигается за счет использования больших сварочных токов (до 2000 А) и непрерывности процесса сварки. Плотная флюсовая защита сварочной ванны предотвращает разбрызгивание и угар расплавленного металла. Увеличение тока позволяет сваривать металл большой толщины (до 20 мм) за один проход без разделки кромок.

Повышенное качество сварных швов достигается за счет более высоких механических свойств наплавленного металла, защищенного флюсом, интенсивного раскисления и легирования вследствие увеличения объема жидкого шлака, сравнительно медленного охлаждения шва под флюсом
и твердой шлаковой коркой, улучшения формы и поверхности сварного шва и постоянства его размеров по всей длине вследствие регулирования режима сварки.

Для сварки низкоуглеродистых и низколегированных сталей применяют плавленые высококремнистые марганцевые флюсы. Их шлаки имеют высокое содержание SiO₂ и MnO.

Флюсы для сварки легированных и высоколегированных сталей должны обеспечивать минимальное окисление легирующих элементов
в шве. Для этого применяют плавленые и керамические низкокремнистые, бескремнистые и фторидные флюсы. Их шлаки имеют высокое содержание CaO, CaF₂ и Al₂O₃.

Основу керамических флюсов составляют мрамор, плавиковый шпат и хлориды щелочно-земельных металлов. В них также входят ферросплавы сильных раскислителей (кремния, титана, алюминия), легирующие элементы и чистые металлы. Шлаки керамических флюсов имеют основной или пассивный характер.

Газовая сварка

При газовой сварке в качестве горючих газов используют ацетилен, пропан, бутан, пары бензина, водород и другие газы. Чаще применяют ацетилен (С₂Н₂), дающий наибольшую (до 3200 °С) температуру пламени. Газовую сварку применяют, главным образом, для соединения тонкостенных стальных заготовок, а также заготовок из чугуна, цветных металлов и сплавов. Газовым пламенем пользуются также для резки металлов, наплавки твердых сплавов и при ремонтных работах.

Газопрессовая сварка применяется для стыковых соединений труб. Стыки нагревают кольцевой многопламенной горелкой и сдавливают свариваемые части. Этим способом пользуются также для сварки рельсов, бурильного оборудования и инструментов.

Электрошлаковая сварка

Рис. 61. Схема электрошлаковой сварки

9

10

4

4

5

8 7 6

3 2

7

1

7

В пространство между кромками вертикально установленных деталей 7 (рис. 61), приставной стальной или медной планкой 1 и шлакоудерживающими медными ползунами 4 подается флюс 10 и одна или несколько сварочных проволок 6 диаметром 2…3 мм. Сварка начинается
с возбуждения дуги под слоем флюса между электродными проволоками и приставной планкой. При расплавлении флюса и образовании шлаковой ванны сварочные проволоки погружаются в расплавленный шлак, и горение дуги прекращается. Ток, проходя через расплавленный шлак, сильно разогревает его, и за счет этого тепла продолжают расплавляться кромки свариваемых деталей и проволока.

По токоподводящим мундштукам 8 с помощью роликов 9 проволока подается непрерывно. Ползуны, охлаждаемые водой, перемещаются снизу вверх, формируя сварной шов 2 из металла 3. Непрерывно в зону сварки подается флюс. За один проход автомата одной проволокой при силе тока 750…1000 А сваривают металл толщиной до 60 мм.

Электрошлаковая сварка обеспечивает хорошую макроструктуру шва за счет отсутствия многослойности и получения более однородного по строению шва. Снижаются затраты вследствие упрощения подготовки кромок заготовок, уменьшения сечения шва, а также расхода проволоки, флюса и электроэнергии.

В качестве источников сварочного тока при электрошлаковой сварке применяют сварочные трансформаторы с жесткой внешней характеристикой.

Электрошлаковую сварку широко применяют в тяжелом машиностроении для изготовления ковано-сварных и литейно-сварных конструкций, таких как станины и детали мощных прессов и станков, коленчатые валы судовых дизелей, роторы и валы гидротурбин, котлы высокого давления и т.п. Толщина свариваемого металла составляет 50…2000 мм.

Электронно-лучевая сварка

Рис. 62. Схема установки для электронно-лучевой сварки

1

2 3

4 5

6

Сварку производят в вакууме фокусированным электронным лучом, который формируется в приборе, называемом электронной пушкой. Электронный пучок 2 (рис. 62) образуется за счет эмиссии электронов с термокатода 1, выполненного из W, Ta, гексаборида лантана, нагреваемого до температуры 1600…2000 °С. Пучок формируется, фокусируется и направляется на заготовку 6 ускоряющим электродом (анодом) 3 и магнитными линзами 4 и 5. Питание пушки производится от высоковольтного (10…50 кВ) источника постоянного тока, при этом свободные электроны под действием электрического поля в глубоком вакууме (10^-5…10^-7 Па) развивают огромную скорость (до 100 000 км/с) и, сфокусированные на заготовку в пятно диаметром от нескольких микрометров до нескольких миллиметров, бомбардируют ее, в результате чего кинетическая энергия превращается в тепловую.

Шов характеризуется узкой и глубокой зоной проплавления, имеющей характерную кинжальную форму. Область термического влияния невелика, вакуум и отсутствие флюсов исключает загрязнение металла. Кроме того, мощность потока электронов легко регулируется, что позволяет подогревать заготовку перед сваркой и производить после сварки термическую обработку. Все это определяет высокое качество сварных соединений. Этим способом свариваются все металлы и сплавы. Толщина свариваемых заготовок - от нескольких десятых до сотен миллиметров.

Электронно-лучевую сварку применяют как для малогабаритных изделий электроники, так и для различных изделий машиностроения, в том числе крупногабаритных изделий энергетического и атомного машиностроения.

Лазерная сварка

Сварку лазером можно производить в любой среде, проводящей свет, - на воздухе, в других газах, вакууме. Источником теплоты для сварки является концентрированный монохроматический световой луч, получаемый в установке, называемой лазером (оптический квантовый генератор). По возможности концентрации тепловой энергии лазерная сварка превосходит все другие способы.

Сварка лазером применяется для малогабаритных изделий в приборостроении (например, при производстве микропечатных схем в радиоэлектронной промышленности). Лазером можно прошивать отверстия весьма малого диаметра в любых материалах, в том числе в алмазах, рубинах, твердых сплавах.

Способы сварки давлением

Контактная сварка

При контактной сварке для нагрева свариваемых частей используют тепло, выделяемое при прохождении тока через место сварки. В месте контакта частей наблюдается увеличенное электрическое сопротивление по сравнению с другими участками цепи. После достижения в зоне сварки необходимой температуры свариваемые части для их соединения сдавливают. Контактная сварка легко автоматизируется и применяется в массовом производстве. Существуют три вида контактной сварки: стыковая, точечная, шовная.

Рис. 63. Схема стыковой сварки

Для стыковой сварки соединяемые части 1 (рис. 63) зажимают в контактных колодках (губках) 2 и 6 сварочной машины и пропускают через них ток большой силы, индуктирующийся во вторичной обмотке 3 трансформатора. Первичную обмотку включают в сеть через устройство 5. Силу тока изменяют переключателем 4. При этом в зоне сварки выделяется большое количество тепла, и части по стыку разогреваются до пластического состояния. Нагретые части сдавливают и они свариваются.

Рис. 64. Схема контактной точечной сварки

Р

Р

1

2

3

Рис. 65. Схема шовной сварки

1

Р

2

2

3

Стыковая сварка возможна при сечениях до 50 000 мм и более, причем форма на стыке может быть самой разнообразной: круглой, квадратной, фасонной (рельсы, уголки, трубы). Стыковую сварку применяют также для соединения штампованных листов. Прочность шва стыковой сварки не уступает прочности основного металла, поэтому стыковую сварку можно применять для ответственных соединений.

При точечной сварке свариваемые части 1 (рис. 64) зажимают между электродами 2, по которым пропускается ток большой силы от вторичной обмотки трансформатора. Вследствие большого сопротивления место контакта 3 свариваемых частей нагревается до термопластического состояния и под давлением электрода происходит сварка. Внутри полых электродов циркулирует вода для их охлаждения.

Шовной сваркой соединяют листы толщиной 0,3…3 мм из низкоуглеродистой стали и листы толщиной до 1,5 мм из коррозионно-стойкой хромоникелевой стали, латуни, бронзы, алюминиевых сплавов. Свариваемые части 1 (рис. 65) пропускают между вращающимися роликами-электродами 2 шовной машины, через которые проходит ток, выделяющий тепло в месте соприкосновения свариваемых частей, в результате чего образуется сплошной шов 3.

Шовной сваркой получают всевозможные баки (например, в авто-тракторостроении), тару, трубы, сосуды, работающие под давлением, а также другие герметичные изделия из тонких металлических листов. Мощность машин для различных работ по контактной сварке колеблется от 0,1 до 600 кВА.