2. Технология сварки плавлением

Изучите классификацию способов сварки плавлением по виду источника теп­лоты.

Дуговая сварка. Это один из видов сварки плавлением, в котором источником тепла служит сварочная дуга - стабильный и управляемый электрический разряд в газовой среде. Дуга способна практически мгновенно расплавлять и перегревать до 2000. .. 2500°С небольшие участки металла заготовки. Уясните условия возбуж­дения и стабилизации дуги, ее электрические и тепловые свойства, способы управления мощностью.

При сварке стремятся к минимальному напряжению на дуге, поэтому регулирование мощности дуги производят изменением тока сварочного источника, управ­ляя его вольт-амперной характеристикой.

Усвойте основные требования к источникам тока: легкое зажигание дуги и безопасность работы, что достигается напряжением холостого хода не более 60-70 В; стабильное горение дуги на заданном режиме; варьирование током; ограничение тока при коротком замыкании сварочной цепи. Для выполнения этих требований применяют источник переменного или постоянного тока с напряжением холостого хода 60... 70 В и падающей вольт-амперной характеристикой регули­руемой кривизны.

Дуговая сварка классифицируется по степени автоматизации и способам заши­ты шва от взаимодействия с атмосферой.

Ручная дуговая сварка. В этом процессе сварщик управляет электродом, поддерживая заданную длину дуги, производя подачу электрода по мере его плавления и перемещения по заготовке. Уясните способы защиты металла шва от атмосферы, обеспечивающие качественное сваренное соединение.

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

При дуговой сварке неизбежные колебания длины дуги не вызывают больших изменений сварочного тока из-за применения источников с крутопадающей вольт-амперной характеристикой.

Обратите внимание на принцип выбора типа, марки и диаметра электрода для сварки, а также допустимый режим сварки. Ток при ручной дуговой сварке подводят к одному концу электрода, а дуга горит у противоположного на расстоянии около 300...400мм. При чрезмерном токе возможен перегрев верхней части электрода джоулевым теплом. что вызывает отслаивание защитного покрытия и брак при сварке. Чтобы не допустить перегрева электрода, его диаметр выбирают зависимости от толщины свариваемого металла, а сварочного тока - по диаметру электрода. Изучите области применения этого способа сварки (материалы, толщи­ны, типы конструкций). Способ эффективен при сварке коротких, прерывистых швов сложных траекторий, в труднодоступных местах, в различных пространствен­ных положениях в условиях ремонта, в опытном производстве, монтаже и строи­тельстве. При ручной сварке объем жидкого металла сварочной ванны незначителен и он может удерживаться на вертикальной стене или в потолочном положении за счет сил поверхностного натяжения. Недостатки способа: тяжелый ручной труд и низкая производительность.

Автоматическая сварка под флюсом. Уясните, как обеспечивается начало процесса сварки, поддержание его на заданном режиме, зашита от атмосферы и роль сварщика. Наладку автомата при заданной толщине свариваемого металла произво­дят наладчик, определяя ток, скорость сварки, напряжение на дуге, а также ско­рость подачи электродной проволока равную скорости ее плавления на данном режиме. Возможные случайные отклонения режима в процессе сварки устраняются автоматически по двум вариантам. В автомате с регулируемой скоростью подачи электродной проволоки, зависящей от напряжения на дуге, копируются действия сварщика. Автомат непрерывно сравнивает заданное напряжение (v₃) на дуге с действительным (v _д). Если v _д < v₃, скорость подачи электрода снижается, а если v_д > v₃ - увеличивается, что устраняет обрывы дуги или короткие замыкания. Автоматы с постоянной скоростью подачи электродной проволоки основаны на са­морегулировании дуги, за счет чего при случайном увеличении длины дуги снижает­ся сварочный ток и скорость плавления электрода восстанавливается до заданного режима. Саморегулирование дуги эффективно для большой плотности тока (боль­шой ток или малый диаметр электрода). Качество процесса автоматической сварки обеспечивается правильным выбором марок проволоки для сварки (они имеют пониженное содержание примесей и обозначаются индексом "Св"), а также флюса. Общие требования к флюсу: при взаимодействии с металлом он должен давать шлак с меньшей, чем у металла, плотностью; не образовывать с ним промежуточ­ных соединений; иметь большую усадку. Этим исключаются шлаковые включения в шве и достигается самопроизвольное отделение шлаковой корки от шва при остывании.

Рассмотрите особенности технологии сварки, уяснив, что при автоматической сварке токопровод близко расположен к дуге и можно использовать, не опасаясь перегрева, электроды диаметром 4 ... 5 мм и ток до 1600 А и достичь наибольшей производительности процесса сварки. Большая масса жидкой ванны не позволяет выполнять сварку в потолочном положении, а при сварке корневого шва требуются мероприятия по удержанию жидкой ванны (подладки, флюсовые подушки). Автоматическую сварку под флюсом целесообразно применять для однотипных узлов, имеющих протяженные прямолинейные и кольцевые швы - для листовых заготовок повышенной толщины (более 3 мм) из различных сталей, меди, титана, алюминия и их сплавов.

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

Следует иметь в виду, что защитные газы могут быть инертными (аргон, гелий) и активными (углекислый газ, азот, водород). Инертные газы не вступа­ют и реакцию с металлом электрода и сварочной ванны и не растворяются в нем. Поэтому химический состав шва идентичен составу свариваемого металла, что обеспечивает наиболее высокое качество сварных соединении. Важно усвоить, что инертные газы применяют при сварке легированных сталей и сплавов на основе титана, циркония, ниобия, алюминия, магния.

Для ряда сплавов качественные соединения получают при сварке в среде активных газов, которые могут вступать в химические реакции с металлом свароч­ной ванны. Так, большинство марок конструкционных сталей сваривают в среде углекислого газа. Попади в зону высоких температур дуги, он диссонирует с выделением атомарного кислорода. Для зашиты от окисления применяют сварочную проволоку с повышенным содержанием кремния и марганца (1-2%), которые способны восстановить оксид железа; при этом продукты реакции всплывают на поверхность шва в виде шлака.

Сварку в среде защитных газов осуществляют плавящимся или неплавящимся электродом. В последнем случае электрод изготавливают из вольфрама, а для за­шиты используют инертные газы. Сварку выполняют вручную, на полуавтоматах и автоматах.

Стабилизация процесса сварки плавящимся электродом в защитных газах обеспечивается саморегулированием дуги при постоянной скорости подачи элект­рода. При этом применяют электродную проволоку малых диаметров (1 ... 3 мм), повышенные значения тока и источники с жесткой или возрастающей характеристи­кой. В этих условиях короткие замыкания между электродом и заготовкой не опасны для источника тока, так как электродная проволока малого диаметра играет роль плавкого предохранителя.

При сварке в защитных газах сварочная ванна охлаждается быстрее, так как объем ее мал. Это позволяет, в отличие от сварки под флюсом, производить сварку в защитных газах в потолочном и вертикальном положении. Например, возможна сварка встык невращающихся труб за счет движения автоматической сварочной головки вокруг стыка трубы.

Сварка и обработка материалов плазменной струей. При этом методе сварки источником теплоты служит струя газа, ионизированного в дуге, которая, соуда­ряясь о менее нагретое тело, деионизируется с выделением большого количества теплоты, позволяющим считать ее вторичным источником. Температура плазмен­ной струи зависит от степени ионизации газа. Для ионизации используют столб сжатой дуги, т.е. дуги, горящей в узком канале, через который под давлением про­дувают газ (аргон, азот, водород), дополнительно увеличивающий степень ее вжатия, В этих условиях температура газа в столбе дуги достигает 30000°С, что по сравнению со свободно горящей дугой резко увеличивает степень ионизации и температуру газа, выходящего из канала с большой скоростью в виде струи. Этот источник теплоты имеет высокую концентрацию тепловой энергии и обладает защитными свойствами. Струя плазмы используется в двух вариантах: в совмеще­нии с дугой (при термической резке) и обособленно от дуги (при сварке, наплавке, напылении). Последний вариант пригоден для обработки токонепроводящих ма­териалов.

Электрошлаковая сварка. Рассмотрите сущность процесса и его отличия от сварки под флюсом. Для начала процесса необходима шлаковая ванна, которую получают с помощью сварочной дуги. Подавая флюс в дугу, создают значительный слой электропроводного жидкого шлака. После создания слоя жидкого шлака дуга погружается в него, удлиняется и становится неустойчивой. Это приводит к прекращению дугового разряда и замыканию сварочной пени через жидкий шлак, подогреваемый джоулевым теплом при прохождении через него электрического тока. Плавление электронной проволоки, подаваемой и сварочную ванну, обеспечи­вается теплотой перегреваемого шлака. Теплота расходуется и на оплавление кро­мок спариваемых заготовок по всей толщине. Следовательно, в электрошлаковом процессе источником теплоты является шлаковая ванна. Источник теплоты являет­ся распределенным в отличие от сосредоточенного источника - дуги. За счет приме­нения такого источника обеспечивается возможность сварки за один проход загото­вок большой толщины и достижение высокой производительности. Процесс свар­ки возможем при вертикальном расположении шва; скорость процесса сварки 1...5м/ч а производительность тем выше, чем больше толщина свариваемых заготовок.

Электрошлаковую сварку применяют для соединения толстолистовых (бо­лее 20 мм) заготовок, отливок поковок и слитков из чугуна, стали, медных, никелевых, титановых и алюминиевых сплавов. Возможно выполнение стыковых (прямолинейных и кольцевых) швов, наплавов, а также тавровых швов при изго­товлении крутых гидроцилиндров, станин прессов и крупных узлов оборудования тяжелого машиностроения.

Сварка электронным лучом. Процесс относится к сварке плавлением. В от­личие от дуговых методов сварки выполняется в глубоком вакууме, где ма­ло ионов, переносящих электрические разряды. Поэтому в вакууме дуговой электрический заряд неустойчив. Для сварки в вакууме с давлением 1,33 • 10^-8 ... 1,33 • 10^-10 МПа в качестве источника теплоты используют поток ускоренных электронов. Скорость электронов равна примерно половине скоро­сти света, что достигается высоким напряжением (40. .. 150 кВ) между катодом и заготовкой (анодом). Электроны, излучаемые с катода, разгоняются, концентри­руются в луч и бомбардируют металл, выделяя при торможении теплоту за счет перехода кинетической энергии в тепловую. Важно отметить, что энергию луча можно концентрировать на весьма малой плошали в глубине металла, где происхо­дит торможение основного потоки электронов. Это обеспечивает весьма высокую проплавляющую способность луча, позволяющую сваривать заготовки толщиной до 50 мм за сами проход без разделки кромок и получать швы минимальной ши­рины, что исключает искажение формы заготовок при сварке. Сварка электронным лучом применима для заготовок, размещаемых в камере, и обеспечивает наиболее високос качество соединений любых металлов, в том числе тугоплавких, легко окисляемых при повышенных температурах.

Лазерная сварка. При лазерной сварке источником теплоты для расплавления свариваемых кромок служит узконаправленный монохроматичный световой луч, который способен нагревать металл и другие непрозрачные материалы. Основные достоинства лазерной сварки: высокая локальность пятна нагрева, равного диамет­ру электронного луча, но не требующая вакуумной среды. Лазерную сварку ведут в воздушной среде, а для зашиты металла от окисления используют струйные спо­собы газовой защиты. Лазерную сварку применяют в промышленности для свар­ки тонколистовых конструкций из разных конструкционных сплавов, в том числе и ограниченно свариваемых другими методами.

Термическая резка. Под термической резкой понимают местное удаление материала заготовки по траектории реза. По механизму удаления различают хими­ческий процесс окисления нагретого металла кислородом и перевода его в легкоплавкие оксиды, удаляемые из зоны реза, а также электромеханический процесс нагрева до расплавления и выдувания жидкого металла из зоны реза. К первому относят газокислородную резку, а ко второму - дуговую, плазменную, электрон­но-лучевую и лазерную.