Основные понятия о сварке металлов

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 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.

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.