Основные понятия о сварке металлов

рис. 1

Зависимость между давлением и температурой сваривания для чистого технического железа

На рис. 1 показан график, характеризующий условия, необходимые для сваривания чистого технического железа. По вертикальной оси отложены значения давления сжатия, а по горизонтальной — температуры нагрева. При давлениях и температурах в области, расположенной ниже кривой АБВГ, сварка железа не происходит или получается очень низкого качества. Качественная сварка железа может осуществляться только при давлениях и температурах, расположенных выше кривой АБВГ.

 

Точка Г соответствует температуре плавления железа. Вправо от этой точки железо сваривается в расплавленном состоянии без давления, влево — при нагревании до пластического состояния, но с применением соответствующего давления, которое будет тем выше, чем ниже температура нагрева.


В ненагреом (холодном) состоянии сваривают только очень пластичные металлы, например алюминий, и при условии применения очень высоких удельных давлений сжатия.


Сварным соединением называют неразъёмное соединение металлических частей, полученное сваркой.


Сварным швом называется та часть сварного соединения, которая образуется расплавленным в процессе сварки и затем затвердевшим металлом.


Основным металлом называется металл, из которого изготовляются свариваемые детали. Электрическая дуга или пламя горелки расплавляет одновременно с основным металлом также металлический электрод или присадочный пруток, образуя жидкий металл, заполняющий шов. Металл присадочного прутка или электрода, смешиваясь с расплавленной частью основного металла, образует металл шва. Металл шва по своему составу и строению отличается от основного и присадочного металла.


В месте нагрева основного металла сварочной дугой или пламенем горелки образуется заполненное жидким металлом углубление, называемое сварочной ванной.


2. Развитие сварки и её значение


Сварка металлов является одним из выдающихся русских изобретений и впервые была освоена в нашей стране, которая является родиной многих важных открытий в области науки и техники.


В 1802 г. русский академик Василий Владимирович Петров обратил внимание на то, что при пропускании электрического тока через два стержня из угля или металла между их концами возникает ослепительно горящая дуга (электрический разряд), имеющая очень высокую температуру. Он изучил я описал это явление, а также указал на возможность использования тепла электрической Дуги для расплавления металлов и тем заложил основы дуговой сварки металлов.


Результаты опытов В. В. Петрова тогда не были известны за границей, а в России не использовались. Только спустя 80 лет русские инженеры — Николай Николаевич Бенардос и Николай Гаврилович Славянов применили открытие В. В, Петрова на практике и разработали различные промышленные способы сварки металлов электрической «дугой Петрова».

Общие сведения


Процесс соединения металлических частей путём местного нагрева их до пластичного или расплавленного состояния называется сваркой. Сварку можно осуществлять без применения или с применением давления для сжатия свариваемых деталей.


Все свариваемые металлы и сплавы относятся к твёрдым кристаллическим телам и .состоят из множества отдельных зёрен — кристаллитов, связанных между собой межатомными и межмолекулярными силами взаимодействия. Для соединения двух частиц металла в одно целое нужно сблизить их атомы настолько, чтобы между ними начали действовать силы взаимного притяжения. Это возможно при расстоянии между атомами около 4 • 10~8 см (четыре стомиллионные доли сантиметра), что осуществимо только при следующих условиях:


1) применении очень больших усилий сжатия деталей без их нагрева;
2) нагревании и одновременном сжатии деталей умеренными усилиями;
3) нагревании металла в месте соединения до расплавления без применения сжатия.

Н. Н. Бенардос
Н. Г. Славянов

Н. Н. Бенардос

Н. Г. Славянов

Н. Н. Бенардос в 1882 г. изобрёл способ дуговой сварки с применением угольного электрода. В последующие годы им были разработаны способы сварки дугой, горящей между двумя или несколькими электродами; сварки в атмосфере защитного газа; контактной точечной электросварки с помощью клещей; создан ряд конструкций сварочных автоматов. Н. Н. Бенардосом запатентовано в России и за границей большое количество различных изобретений в области сварочного оборудования и процессов сварки.


Автором метода дуговой сварки плавящимся металлическим электродом, наиболее распространённого в настоящее время, является Н. Г. Славянов, разработавший его в 1888 г.


Н. Г. Славянов не только изобрёл дуговую сварку металлическим электродом, описал её в своих статьях, книгах и запатентовал в различных странах мира, но и сам широко внедрял её в практику. С помощью обученного им коллектива рабочих-сварщиков Н. Г. Славянов дуговой сваркой исправлял брак литья и восстанавливал детали паровых машин и различного крупного оборудования. Н. Г. Славянов создал первый сварочный генератор и автоматический регулятор длины сварочной дуги, разработал флюсы для повышения качества наплавленного металла при сварке. Созданные Н. Н„ Бенардосом и Н. Г. Славяновым способы сварки явились основой современных методов электрической сварки металлов.


Однако наибольшее развитие наука о сварке и техника применяемых в настоящее время передовых методов сварки получили в нашей стране благодаря трудам многих советских учёных, инженеров и рабочих-новаторов сварочного производства. Ими создано большое количество типов сварочного оборудования, марок электродов, разработаны новые прогрессивные сварочные процессы, в том числе высокомеханизированные и автоматизированные, освоена техника сварки многих металлов и сплавов, глубоко и всесторонне разработана теория сварочных процессов.


В последние годы сварка повсеместно вытеснила способ неразъёмного соединения деталей с помощью заклёпок.


Сейчас сварка является основным способом соединения деталей при изготовлении металлоконструкций. Широко применяется сварка в комплексе с литьём, штамповкой и специальным прокатом отдельных элементов заготовок изделий, почти полностью вытеснив сложные и дорогие цельнолитые и цельноштампованные заготовки.


Сварка обеспечивает ряд преимуществ, основные из которых приводятся ниже:


1. Экономия металла вследствие наиболее полного использования рабочих сечений элементов сварных конструкций, придания им наиболее целесообразной формы в соответствии с действующими нагрузками и уменьшения веса соединительных элементов. В сварных конструкциях вес металла сварных швов обычно составляет от 1 до 2°/0, в то время как в клёпаных вес заклёпок и косынок—не менее 4% от веса изделия. Сварка даёт до 25°/0 экономии металла по сравнению с клёпкой, а по сравнению с литьём в отдельных случаях — до 50°/0.


Использование сварки на строительстве зданий позволяет уменьшить вес стальных конструкций на 15%, облегчает изготовление и увеличивает жёсткость всей конструкции. При сооружении доменных печей применение сварки вместо клёпки позволяет экономить от 12 до 15% металла, в конструкциях стропильных ферм— Ю—20%, в конструкциях подъёмных кранов—15—20%.


2. Сокращение сроков работ и уменьшение стоимости изготовления конструкций за счёт снижения расхода металла и уменьшения трудоёмкости работ. Так, например, при постройке крупных доменных печей на металлургических заводах изготовление кожуха печи из стальных листов с помощью сварки осуществляется менее чем за два месяца. Выполнение такого кожуха с помощью клёпки требует не менее полугода.

 

3. Возможность изготовления сварных изделий сложной формы из штампованных элементов взамен ковки или литья. Такие конструкции называются штампосварными и широко применяются в автомобилестроении, самолёта строении, вагоностроении. С помощью сварки можно изготовлять детали из металла, прошедшего различную предварительную об-работку, например сваривать прокатанные профили со штампованными, литыми или коваными заготовками. Можно сваривать и разнородные металлы: нержавеющие стали с углеродистыми, медь со сталью и др.


4. Возможность широкого использования сварки и резки при ремонте, где эти способы обработки металла позволяют быстро и с наименьшими затратами восстанавливать изношенное или вышедшее из строя оборудование и разрушенные сооружения.


5. Удешевление технологического оборудования, так как отпадает необходимость в использовании дорогих сверлильных, дыропробивных станков и клепальных машин.


6. Герметичность получаемых сварных соединений.


7. Уменьшение производственного шума и улучшение условий труда рабочих.

 

Сваркой можно получить сварное соединение прочностью выше основного металла. Поэтому сварку широко применяют при изготовлении весьма ответственных конструкций, работающих при высоких давлениях и температурах, а также при динамических (ударных) нагрузках — паровых котлов высокого давления, мостов, самолётов, гидросооружений, арматуры железобетонных конструкций и др.


3. Классификация способов сварки


Все способы сварки можно разделить на две основные группы. Если в месте соединения металлические части нагреваются до пластичного или оплавленного состояния и затем сдавливаются внешним усилием, в результате чего свариваются, то такой способ относится к сварке с применением давления.


Если сварка происходит без приложения давления, только нагреванием металла в месте сварки сосредоточенным источником тепла (дугой, пламенем горелки) до расплавленного состояния с образованием сварочной ванны, то такой способ относится к сварке плавлением.


Разработаны также механические способы сварки, которые не требуют затраты химической или электрической энергии для нагревания металла. К ним относятся холодная сварка, осуществляемая за счёт приложения очень высоких удельных давлений в месте контакта и сварки деталей, а также сварка трением, когда нагревание свариваемых стержней осуществляется в результате взаимного трения торцов свариваемых деталей. Эти способы используются, например, при сварке инструмента (сварка трением), алюминиевых проводов (холодная сварка) и в других случаях.


Из новых способов, разработанных и внедряемых в производство за последние годы, следует указать на сварку ультразвуком, сварку давлением в вакууме, сварку электронным лучом в вакууме, вибродуговую наплавку, сварку с высокочастотным нагревом, сварку вращающейся дугой, сварку плазменной струёй и др. Однако эти способы сварки имеют специализированное назначение и область их применения более ограничена, чем дуговой или контактной электрической сварки; они используются, например, в приборостроении, при сварке пластмасс, сварке твёрдых сплавов, наплавке тонких слоёв металла, сварке тугоплавких металлов и других подобных процессах. Данные об этих способах сварки можно найти в специальной литературе*.


Наибольшее применение в промышленности имеют способы сварки плавлением, использующие тепло электрической сварочной дуги.

Дуговая сварка
рис. 2
Дуговая сварка:
а - маталлическим електродом,
б - угольным електродом

Два основных метода этого вида дуговой сварки показаны схематически на рис. 2. При сварке листов 1 металлическим электродом по способу Н. Г. Славянова (рис. 2, а) электрод 4 и кромки 7 свариваемого металла одновременно расплавляются сварочной дугой 2У образуя жидкий металл, заполняющий промежуток между свариваемыми частями. Для повышения качества наплавляемого металла электрод покрывается специальной обмазкой, которая расплавляется и покрывает жидкий металл слоем шлака. В шлак частично удаляются из расплавленного металла вредные примеси, кислород и др., а также шлак защищает металл от вредного влияния кислорода и азота окружающего воздуха. Ток к электроду подводится через электрода держатель 5 по гибкому проводу 6, а к свариваемому металлу — по второму проводу через зажим 3. Этот способ наиболее широко применяется при дуговой сварке на постоянном и переменном токе.


При сварке листов 1 угольным электродом по способу Н. Н. Бенардоса (рис. 2, б) электрод 3 не плавится. Заполнение шва производится расплавлением металлического прутка 2, вводимого в сварочную дугу 7. Ток к электроду подводится по проводу 5 через электродо держатель 4. Второй провод 6 с помощью зажима присоединён к свариваемому металлу. Способ этот используют реже, так какой менее удобен, требует применения постоянного тока и не всегда даёт нужное качество металла шва при сварке стали. Данный способ используется преимущественно при сварке меди, алюминия, наплавке твёрдых сплавов, а иногда при сварке тонколистовой стали.

 

а

б

1

2

3

4

5

6

7

1

2

3

4

5

6

7