7.2. Методы соединения сборочных элементов. Сущность процессов сварки и их сравнительная оценка

Все соединения деталей и узлов в изделиях в зависимости от их конструкции могут быть подразделены на две группы: подвижные и неподвижные. Неподвижные соединения с точки зрения возможности разборки делят на разъемные (разбираемые) и неразъемные (неразбираемые).

Разъемные соединения могут быть разобраны без повреждений сопряженных и крепежных деталей. Эти соеди­нения выполняются глухой, тугой, напряженной или плотной посадками, винтовыми соединениями (винтами, болтами, шпильками и т.п.), штифтовыми соединениями и др.

К неразъемным соединениям относятся такие, разборка которых при эксплуатации не предусмотрена и сопровождается повреждением сопряженных элементов. Эти соединения получают методами сварки, пайки, клепки, склеиванием, посадкой с натягом. Сварка является одним из прогрессивных способов по­лучения неразъемных соединения, обеспечивающим значи­тельную экономию металла, снижение массы изделия и трудоемкости по сравнению с пайкой, клепкой и т.п.

Сваркой называется технологический, процесс получения неразъемных соединений металлов; сплавов и других материалов, осущест­вляемый на основе сил межатомного сцепления свариваемых материалов. Сварка широко применяется в машиностроении, приборостроении, судостроении, мостостроении, авиации, при создании трубопроводов в строительстве и других отраслях на­родного хозяйства. Сваркой соединяют как однородные, так и неоднородные металлы и сплавы, металлы с неметаллами (ке­рамикой, стеклом, графитом и др.), а также пластмассы.

Сварку можно производить в холодном состоянии и с нагре­вом свариваемых деталей. При сварке в холодном состоянии необходимым условием получения качественного сварного со­единения является давление, превышавшее предел текучести материала свариваемых деталей. При сварке в горячем состо­янии давление не является обязательным условием.

Все методы сварки можно классифицировать по многим признакам: физическим, по виду используемой энергии, спо­собу образования сварного соединения, степени автоматизации.

По виду энергии, используемой для нагрева материала в зоне сварки, все методы сварки можно разделить на шесть групп: 1) электрическая, 2) химическая, 3} механическая, 4) лучевая, 5) электромеханическая, 6) химико-механическая сварка.

В зависимости от степени автоматизации процесса разли­чают ручную полуавтоматическую и автоматическую сварку. По способу образования сварного соединения все виды свар­ки делятся на две группы: плавления и давления.

Сварке плавлением можно подвергать все металлы и сплавы, в том числе и такие, которые обладают низкой пластичностью (чугун, литейные алюминиевые сплавы, сплавы магния и др.). Сварной шов (неразъемное соединение) образуется в результа­те взаимного растворения расплавленного металла сваривае­мых деталей в зоне сварки без приложения внешних сил.

Сварка давлением подразделяется на холодную и горя­чую. Холодной сварке подвергают только очень пластичные металлы (алюминий, медь, свинец и сплавы на их основе); горячей сварке давлением — металлы и сплавы, обладающие хорошей пластичностью при повышенных температурах. Об­разование неразъемного соединения в данном случае основа­но на процессах диффузии и обмена атомами кристалличес­ких решеток свариваемых металлов.

Способность материала образовывать надёжное и прочное сварное соединение называется свариваемостью. Хорошей свариваемостью обладают низкоуглеродистые и низколегиро­ванные стали, технически чистый алюминий. Низкую свари­ваемость имеют чугуны, высокохромистые стали алюмини­евые сплавы, латуни, тугоплавкие металлы.

Наибольшее применение среди различных методов сварки плавлением имеет электродуговая сварка, при которой для расплавления кромок свариваемых деталей используется электрическая дуга. Электрическая дуга облада­ет мощным световым и тепловым излучением (температура в зоне сварки составляет 5000—6004 °С). Дуга горит между двумя электродами, одним из которых, как правило, являет­ся свариваемая деталь, другим — металлический пруток или графитовый стержень (угольный).

При использовании неплавящегося электрода в дугу для заполнения шва вводят присадочную проволоку.

Плавящиеся электроды в зависимости от назначения могут быть наготовлены из алюминия, стали, титана, меди и других металлов и сплавов. Для обеспечения устойчивого го­рения дуги, защиты сварного шва и повышения его прочност­ных свойств на стержень электрода наносят покрытие (обмазку). Улучшение качества сварного шва достигается также созданием защитной атмосферы, которая исключает взаимодействие расплавленного металла при сварке с окру­жающей средой. Защита обеспечивается путем применения флюса, расплавленного шлака, инертных газов (аргона, гелия), активных газов (азота, углекислого газа).

Электродуговая сварка подразделяется на ручную и авто­матическую. При автоматической электроду-г о вой сварке под слоем флюса основные операции — подача электрода в дугу и перемещение дуги по направлению сварки — механизированы. Сварка осуществляется на свароч­ном автомате. Одновременно в зону сварки подается флюс, который обладает не только защитными, но и легирующими свойствами. Кроме того, флюс устраняет разбрызгивание ме­талла и позволяет повысить сварочный ток, получить боль­шую глубину проплавления материала.

К преимуществам автоматической электродуговой сварки под слоем флюса отно­сятся: высокое качество сварного шва,- более плавная и высо­кая скорость сварки (автоматическая сварка в 20 раз про­изводительнее ручной); меньше слой наплавленного металла; возможность сваривать швы большого сечения за один про­ход, а следовательно, экономить электроэнергию; сварку можно вести непокрытой электродной проволокой.

Разновидностью автоматической сварки под слоем флюса является электрошлаковая сварка. Процесс сварки начинается е возбуждения дуги под слоем флюса. После расплавления флюса и образования достаточного количества жидкого шлака дуговой процесс прекращается и начи­нается электрошлаковый.

Металл электродов, опущенных в жидкий шлак, плавится и каплями стекает в сварной шов. Проходя через шлак, металл очищается от вредных приме­сей, т.е. рафинируется. Таким образом, полученный сварной шов обладает высокими механическими свойствами и почти не отличается по прочности и пластичности, от основного ме­талла. Сварной шов формируется между двумя медными пол­зунами. Этот метод позволяет сваривать заготовки практи­чески неограниченной толщины и применяется для изготов­ления крупногабаритных конструкций, таких как станины прессов, детали прокатных станов и др. Электрошлаковая сварка обеспечивает высокое качество сварного соединения, высокую производительность процесса и является одним из прогрессивных методов сварки.

Для получения плотных и прочных сварных соединений деталей, изготовленных из меди, нержавеющих сталей, алю­миниевых сплавов, обладающих плохой свариваемостью, применяется атомноводородная сварка.

Эту сварку, как правило, осуществляют дугой независимого дей­ствия, горящей между двумя вольфрамовыми электродами. В зону сварки по специальным каналам электродержателей по­дается водород, оказывающий защитное действие и перенося­щий теплоту от горящей дуги к свариваемому металлу. Благодаря этому дуга независимого действия обеспечивает высокие температуры (до 4000 °С). Для устранения возмож­ности взрыва при атомно-водородной сварке применяют не чистый водород, а азотоводородную смесь.

К сварке плавлением относится также и газовая сварка, основанная на использовании энергии газового пламени, которое получают при сгорании газа (ацетилена во­дорода, пропана, природного газа и др.). В кислороде, чаще всего при газовой сварке, используют ацетилен, обладающий вы­сокой теплотой сгорания и обеспечивающий наибольшую темпе­ратуру пламени (3150 °С). Для смешивания кислорода и ацети­лена в заданном соотношении и получения устойчивого газового пламени применяют газовые горелки.

Различные соотношения го­рючего газа и кислорода в смеси изменяют и условия сварки. Так, нормальным, или восстановительным, пламеней (соотношение объемов кислорода и ацетилена 1,1:1,2) сваривают большинство сталей, окислительным пламенем (с избытком кислорода) — ла­туни.

При сварке алюминиевых сплавов применяют защитные флюсы. Газовую сварку применяют, как правило, для стыковых соединений деталей толщиной до 5 мм. Для заполнения сварного шва используют присадочную проволоку.

К специальным методам сварки плавлением относятся: электронно-лучевая, лазерная и плазменная. Электронно-лучевую сварку применяют для соединений тугоплавких металлов и сплавов. Она ведет­ся в вакууме узким электронным лучом, который получают в установке, называемой электронной пушкой.

Электронный луч обладает высокой проникающей способностью, является, управляем источником теплоты, что позволяет точно и в довольно широких пределах регулировать температуру в зоне сварки. Электронно-лучевой сваркой можно сваривать как однородные, так и разнородные металлы и сплавы, а также металлы с неметаллами.

Для сварки деталей, изготовленных из разнородных метал­лов и сплавов и значительно различающихся по толщине или диаметру, а также по температуре плавления применяют лазер­ную сварку. Источником тепла при лазерной сварке слу­жит лазерный луч. Лазерный луч — это световой луч высокой плотности и концентрации энергии. Он может быть сфокуси­рован до пятна диаметром 1 мКм.

Такая концентрация энергии позволяет достигать на поверхности материала температуры в несколько тысяч градусов. Преломляя световой луч лазера с помощью оптических систем (линз), можно производить свар­ку в труднодоступных местах деталей, получать сварные со­единения в виде микроточек. Лазерная сварка нашла широкое применение в радиоэлектронной промышленности.

Плазме иная сварка применяется для соединения тугоплавких металлов и сплавов, нержавеющих сталей и мно­гих неметаллических материалов. Источником тепла для рас­плавления кромок свариваемых деталей служит плазменная струя, получаемая в специальных устройствах — плазмотронах.

К сварке давлением относится электрическая контактная сварка, газопрессовая сварка, диффузионная сварка в вакуу­ме, холодная сварка и др. Электрическая контактная сварка подразделяется на три вида: точечную, шовную и стыковую. Суть сварки состоит в том, что свариваемые детали доводят до контакта друг с другом, затем пропускают через них электри­ческий ток, теплота которого нагревает место контакта до пластического состояния. Затем на свариваемые детали пода­ется давление, формирующее сварной шов, после чего ток от­ключается и давление снимается.

Надежность и высокое качество сварного соединения, высокий уровень механизации и автоматизации процесса, высокая производительность труда позволяют широко использовать электроконтактную сварку в промышленности; Этим методом получают более 30% сварных соединений, он уступает лишь электродуговой сварке.

При газопрессовой сварке заготовки соеди­няются встык. Этот метод сварки аналогичен электроконтакт­ной стыковой сварке, но отличается источником тепла: заготонки нагреваются многопламенными газовыми горелками. Газопрессовая сварка уступает электроконтактной по произ­водительности и качеству сварного соединения, однако неза­менима в полевых условиях, когда отсутствует источник элек­трического тока. Этот способ широко применяется для сварки трубопроводов, рельсов, арматуры железобетона, труб.

Диффузионную сварку применяют для тех ма­териалов, которые другими методами сварить трудно иди не­возможно (сталь с чугуном, титаном, ниобием, вольфрамом, стеклом, графитом, керамикой), для жаропрочных, тугоплавких и химически активных металлов, а также для получения много­слойных (биметаллических, три металлических) изделии.

Сварка осуществляется в вакуумной камере под небольшим давлением при повышенной температуре. При этом методе метала нахо­дится в твердом состоянии, но температура нагрева близка к температуре плавления свариваемых металлов. Сварное соеди­нение образуется в результате взаимной диффузии атомов в поверхностные слои контактируемых материалов.

При холодной сварке неразъемное соединение образуется в результате пластической деформации и возник­новения межатомных связей между свариваемыми поверхнос­тями при сжатий свариваемых деталей. Удельное давление выбирается в зависимости от химического состава и толщины свариваемых заготовок.

Процесс сварки сопровождается уп­рочнением поверхностей в месте приложения силы. Этим ме­тодом сваривают внахлестку листовой материал толщиной 0,2 —15 мм, а также встык тонкую проволоку и по контуру — полые заготовки. Преимуществами этого вида сварки яв­ляются высокая производительность, малый расход энергии, высокое качество сварного соединения, широкие возможнос­ти автоматизации. Однако холодную сварку можно приме­нять только для пластичных материалов.