Технология производства бесшовных труб

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

металл сварка плавление давление

Введение

1. Физическая сущность процесса сварки. Классификация

2. Сущность основных способов сварки плавлением и область их рационального применения

3. Сущность основных способов сварки давлением

4. Источники питания для сварки

5. Влияние сварочных процессов на свариваемый металл

Заключение

Литература

Введение

металл сварка

Сваркой называют технологический процесс получения механически неразъемных соединений, характеризующихся непрерывностью структур - непрерывной структурной связью.

Это технологический процесс, с помощью которого изготавливаются все основные конструкции гидротехнических сооружений, паровых и атомных электростанций, автодорожные, городские и железнодорожные мосты, вагоны, надводные и подводные корабли, строительные металлоконструкции, всевозможные подъемные краны, крупные узлы машиностроительных конструкций, автомобили, ракеты, искусственные спутники земли, электрическая и радиотехническая аппаратура и многие другие изделия.

Если некоторое время тому назад конструкции изготавливались в основном из относительно просто сваривающихся материалов, то в настоящее время, наряду с традиционными, для сварных конструкций применяются материалы с весьма различными физическими и сварочными характеристиками: коррозионностойкие и жаропрочные стали и сплавы, никелевые и медные сплавы с особыми свойствами, легкие сплавы на алюминиевой и магниевой основах, титановые сплавы, ниобий, тантал и другие металлы и сплавы.

Многообразие свариваемых конструкций и свойств материалов, используемых для их изготовления, заставляют применять различные способы сварки, разнообразные сварочные источники теплоты. Для сварочного нагрева и формирования сварного соединения используются: энергия, преобразованная в тепловую посредством дугового разряда, электронного луча, квантовых генераторов; джоулево тепло, выделяемое протекающим током по твердому или жидкому проводнику; химическая энергия горения, механическая энергия, энергия ультразвука и других источников.

Все эти способы требуют разработки, производства и правильной эксплуатации разнообразного оборудования, в ряде случаев с применением аппаратуры, точно дозирующей энергию, со сложными схемами, иногда с использованием технической электроники и кибернетики.

Производство сварных конструкций в СССР в настоящее время достигло многих десятков миллионов тонн в год.

Разнообразие способов сварки, отраслей промышленности, в которых ее используют, свариваемых материалов, видов конструкций и огромные объемы применения позволяют охарактеризовать технологический процесс сварки, как один из важнейших в металлообработке.

1. Физическая сущность процесса сварки. Классификация

Задачей сварочной операции является получение механически неразъемных соединений, подобных по свойствам свариваемому материалу. Это может быть достигнуто, когда по своей природе сварное соединение будет максимально приближаться к свариваемому металлу.

Свойства твердых тел, в том числе и механические (прочность, упругость, пластичность и др.), определяются их внутренними энергетическими связями, т. е. связями межмолекулярного, межатомного и ионного взаимодействия.

В металлах, которые относятся к кристаллическим твердым телам, внутренние связи определяются единым энергетическим полем ионизированных атомов (находящихся в узлах кристаллической решетки) и подвижных электронов.

Для получения в сварном соединении таких же энергетических связей, как и в свариваемом материале, необходимо пограничные слои одной свариваемой детали приблизить к пограничным слоям другой на такие расстояния, при которых между ними возникает единое энергетическое поле.

В ряде случаев такое состояние может быть получено с помощью промежуточного добавочного материала, который должен установить подобные связи с пограничными слоями обеих свариваемых частей.

Расстояния между узлами кристаллической решетки, при которых в металлах образуется достаточно сильное энергетическое поле, составляют около 4 • 108 см.

Подобной точности подгонки поверхностей твердых материалов современные методы обработки обеспечить не могут. Так, полировка и хонингование металла обеспечивают точность обработки поверхностей не выше 10-5 - 10-6 см, т. е. примерно в 400 раз менее точную, чем та, которая необходима при сближении поверхностей для установления общего энергетического поля, подобного полю в любом другом сечении твердого металла.

Облегчить возможность сближения поверхностей на расстояния около 4 • 108 см и установления энергетических связей между отдельными частями, подлежащими сварке, можно: 1) применением внешней силы достаточной величины и 2) повышением температуры.

Некоторые материалы, в частности, весьма пластичные металлы (алюминий, медь, свинец и др.) и сплавы способны образовывать сварные соединения без применения каких-либо внешних источников тепла в результате только совместного пластического деформирования частей, которые должны быть сварены.

Другие материалы и, в частности, многие металлы способны образовывать сварные соединения при пластическом деформировании, выполняемом только при определенных, повышенных температурах.

Многие материалы могут быть сварены с доведением некоторого объема их до расплавленного состояния.

Некоторые материалы способны в определенном диапазоне температур свариваться как при пластическом деформировании внешней силой (давлением), так и при доведении материала до расплавленного состояния (плавлением),

Так, для технически чистого железа на рис. 1.1 показаны области режимов сварки по давлению и температуре.

Выше кривой ABCD находится область, в которой при соответствующих соотношениях давления и температуры качество сварки получается хорошим, а ниже кривой - область, где сварка совсем не получается, либо получается, но низкого качества. Как видно из рис. 1.1, при температурах ниже температуры плавления железа для сварки требуется и давление, и нагрев (область левее точки 0), а при более высоких температурах давление для выполнения сварки не требуется (область правее точки D, сварка плавлением).

Рис. 1.1 Диаграмма условий выполнения сварки технического железа.

Для других материалов также существуют определенные области таких режимов. Исходя из этого, все, способы сварки можно классифицировать как способы сварки давлением и плавлением.

Некоторые материалы, которые даже при высоких температурах почти не имеют пластичного состояния (например, чугуны) практически могут свариваться только плавлением.

Рис 1.2. Схема основных способов сварки плавлением и давлением

На рис. 1.2 приведена схема, в которой перечислены способы сварки плавлением и давлением, получившие наиболее широкое распространение в различных отраслях промышленности.

2. Сущность основных способов сварки плавлением и область их рационального применения

1. Электрическая дуговая сварка наиболее широко используется при изготовлении всевозможных сварных конструкций. В зависимости от материала сварной конструкции, ее габаритов, толщины свариваемого металла и других особенностей свариваемого изделия предпочтительное применение находят определенные разновидности электрической дуговой сварки.

Так, при изготовлении конструкций из углеродистых и низколегированных конструкционных сталей наибольшее применение находят как ручная дуговая сварка качественными электродами с толстым покрытием, так и автоматическая и полуавтоматическая сварка под флюсом, а также сварка в углекислом газе; при сварке конструкции из высоколегированных сталей, цветных металлов и сплавов на их основе предпочтительное использование находит аргоно-дуговая сварка, хотя при определенных условиях применяются и некоторые другие разновидности электрической дуговой сварки.

Ручная дуговая сварка плавящимися толстопокрытыми электродами имеет наибольший объем применения из всех дуговых способов сварки. Схема процесса сварки приведена на рис. 2.1, а. Питание дуги осуществляется от сварочного генератора или выпрямителя постоянным током или от сварочного трансформатора - переменным током. Наиболее широкое применение находит постоянный ток. В настоящее время применяются только толстопокрытые электроды, т. е. такие, у которых на металлический пруток определенных размеров («стержень») наносится обмазка (электродное покрытие).

Состав покрытия при расплавлении вместе со стержнем обеспечивает защиту от окисления и азотирования металла шва и определенное легирование направленного металла для придания ему необходимых механических свойств, а также придает устойчивость горению дуги.



Рис. 2.1. Схема процессов при использовании различных разновидностей электрической дуговой сварки: а-в-ручная дуговая сварка; а-толстопокрытыми плавящимися электродами; б-угольным электродом дугой прямого действия; в-угольными электродами дугой косвенного действия; г-автоматическая и полуавтоматическая сварка под флюсом; д-аргоно-дуговая сварка вольфрамовым электродом; е-плазменная сварка; ж-сварка в углекислом газе; з-атомноводородная сварка; 1-электрод с покрытием, 2-сварочный генератор, 3-свариваемые детали, 4-электрическая дуга, 5-присадочный пруток, 6-угольный электрод, 7-сварочный трансформатор, 8-вольфрамовый электрод, 9-электродная проволока, 10-электрическая дуга.

При питании дуги постоянным током в зависимости от марки электрода (в соответствии с рекомендациями паспорта электродов) может применяться прямая или обратная полярность подключения.

Прямой полярностью называют такую, когда отрицательный полюс источника питания подключают к электроду, положительный - к изделию. Обратная полярность - плюс на электрод, минус на изделие. Для большинства марок качественных электродов рекомендуется обратная полярность.

Ручная дуговая сварка угольным электродом дугой прямого действия используется при сварке тонколистовой углеродистой конструкционной стали, а также при сварке некоторых цветных металлов и сплавов на их основе. Схема процесса сварки приведена на рис, 2.1, б. Сварка производится при питании дуги постоянным током прямой полярности, что обеспечивает наилучшую стабильность процесса. В настоящее время объем применения этого способа невелик.

Ручная дуговая сварка угольными электродами дугой косвенного действия применяется только при сварке тонкого металла (стали, некоторых цветных металлов и сплавов на их основе). Схема процесса сварки приведена на рис. 2.1, в. Сварной шов в этом случае, как правило, образуется за счет расплавления отбортованных кромок без участия присадочного (добавочного) металла. Так как расход электродов при питании дуги постоянным током оказывается неодинаковым (электрод, являющийся анодом, вследствие большого тепловыделения на нем, расходуется значительно быстрее), то питание дуги в этом случае осуществляется переменным током, что позволяет обеспечить равномерный расход электродов.

Автоматическая и полуавтоматическая сварка под флюсом (рис. 2.1, г). Областью рационального применения этого способа сварки является сварка углеродистых низколегированных и некоторых марок высоколегированных сталей. В небольшом объеме этот способ используется при сварке некоторых цветных металлов и сплавов на их основе.

При сварке дуга горит в пузыре из расплавленного флюса, который толстым слоем (40 - 60 мм) насыпается на стык свариваемых металлов.

Так как при сварке дуга закрыта расплавленным и нерасплавленным порошкообразным флюсом, то плотность тока по сравнению со сваркой открытой дугой без опасения разбрызгивания металла может быть увеличена в несколько раз, что пред- определяет существенное (в несколько раз) увеличение производительности процесса.

По сравнению с ручной дуговой сваркой существенно расширяется диапазон толщин, свариваемых встык без скоса кромок, что сокращает время на подготовку деталей к сварке.

Питание дуги может осуществляться как переменным, т и постоянным током.

Так как объем сварочной ванны (расплавленного метал а и флюса) достаточно велик, то во избежание стекания их сварка этим способом осуществляется только в нижнем положении, т.е. когда шов располагается в горизонтальной плоскости или при очень небольших наклонах свариваемых листов, как правило, не более 7? к горизонту. Это несколько ограничивает объем применения данного способа.

Аргоно-дуговая сварка вольфрамовым электродом (рис. 2.1, д). Вольфрамовый электрод закрепляется в токоподводящем устройстве специальной горелки, к которой по шлангам подводится токоведущий провод и инертный газ аргон. Истекающая из сопла горелки струя аргона оттесняет воздух и надежно защищает электрод, дугу и сварочную ванну от окисления и азотирования. Таким образом, процесс осуществляется при струйной защите зоны сварки от контакта с воздухом. Если возникает необходимость в добавочном (присадочном) металле для усиления шва (валика), то в дугу подается присадочная проволока, как правило, того же или близкого состава, что и свариваемый металл.

Так как при такой схеме процесса имеет место весьма надежная изоляция сварочной ванны (а если надо, то и остывающего шва) от кислорода и азота воздуха, то этот способ применяют главным образом при сварке изделий из металлов и сплавов, обладающих большим сродством к газам воздуха (например, из титана, циркония, алюминия, магния и других химически активных металлов), либо при изготовлении конструкций ответственного назначения из коррозионностойкой стали и некоторых других материалов.

В особых случаях, когда при сложной конфигурации изделий струйная защита не может обеспечить надежной изоляции зоны шва и прилегающих участков от контакта с воздухом, применяют аргоно-дуговую сварку в камерах с контролируемой атмосферой (как правило, аргоном).

Такие камеры могут быть необитаемыми, в которых располагается автомат с дистанционным управлением, либо при небольших габаритах изделия сварщик держит электрододержатель и манипулирует дугой руками, вводя их в камеру через специальные герметические «рукава», заканчивающиеся перчатками; при этом наблюдение за процессом осуществляется через смотровое стекло.

Если свариваемое изделие имеет большие размеры, то сварка может осуществляться в так называемых обитаемых камерах, заполненных аргоном. Детали, подлежащие сварке, подаются в камеру через грузовой люк, имеющий специальный шлюз, исключающий попадание наружного воздуха внутрь камеры. Через эти же люки сваренные изделия выгружаются.

Сварщики в специальных скафандрах входят в камеры через пассажирские шлюзы и промежуточные камеры небольшого размера, в которых производится «промывка» аргоном наружной поверхности костюма от адсорбированного воздуха. Свежий воздух для дыхания сварщика и выдыхаемый воздух подводится и отводится по специальным шлангам, сообщающимся с внешней атмосферой.

Плазменная сварка (рис. 2.1, е) является разновидностью аргоно-дуговой сварки. В отличие от аргоно-дуговой, где дуга между электродом и изделием горит в свободно истекающем из сопла горелки потока аргона (рис. 2.1, д), при плазменной сварке дуга обжимается потоком газа, проходящим через узкое отверстие в горелке, называемой плазматроном.

Обжатие дуги приводит к повышению температуры ее столба: при свободно горящей дуге эта температура составляет величину около 5730?С, при горении сжатой дуги температура повышается до 14 730 - 24 730? С. Вследствие этого возрастает и степень ионизации газа, что в свою очередь создает более высокую эффективность локального нагрева свариваемого металла.

Кроме плазмообразующего через горелку подается также защитный газ, обеспечивающий надежную изоляцию зоны сварки от контакта с воздухом. Плазменная сварка применяется для соединения тех же материалов, что и аргоно-дуговая.

Сварка в углекислом газе (рис. 2.1, ж) применяется преимущественно при изготовлении конструкций из углеродистых и низколегированных конструкционных сталей, как общего назначения, так и машиностроительных. Как правило, сварка производится электродной проволокой, в составе которой имеется достаточное количество раскислителей - кремния и марганца.

Это необходимо в связи с тем, что углекислый газ при высоких температурах диссоциирует на оксид углерода и кислород, причем содержание последнего в зоне сварки может достигать 20 % и более. Таким образом, углекислый газ в зоне сварки представляет собой сильный окислитель и фактически защищает сварочную ванну только от азотирования.

При наличии в сварочной ванне достаточного количества кремния и марганца эти элементы выступают как раскислители и тем самым позволяют получить наплавленный металл требуемого состава, а надежная защита потоком газа от контакта сварочной ванны с воздухом исключает возможность образования нитридов.

Поэтому для сварки в углекислом газе необходимо использовать только кремнемарганцевую проволоку, обычно марки Св-08Г2С, содержащую до 2 % марганца (обычно 1,8 - 2,1 %) и около 1 % кремния (0,70 - 0,95 %). Значительная часть кремния и марганца в процессе сварки окисляется и переходит в шлак, покрывающий шов тонким слоем, легко удаляемый стальной щеткой, а оставшееся неокисленным количество этих элементов обеспечивает оптимальные механические свойства шва.

В настоящее время этот способ получил широкое распространение при изготовлении сварных конструкций как общего назначения, так и специальных.

Атомно-водородная сварка (рис. 2.1, з). При этом способе сварки дуга горит между двумя вольфрамовыми электродами в потоке водорода, подаваемого через горелку от баллона. Проходя через дугу, водород нагревается до высоких температур (более 5730? С) и диссоциирует на атомы, поглощая большое количество тепловой энергии.

Поток диссоциированного водорода, попадая на свариваемые детали, охлаждается (до температуры плавления металла) и вновь образует молекулы, выделяя то количество тепловой энергии, которое было затрачено на диссоциацию (около 540 кДж/моль).

Этой тепловой энергии оказывается достаточно для локального расплавления кромок свариваемого металла и образования сварочной ванны. Примерно около 15 % тепловой энергии от общего тепловыделения образуется за счет горения водорода, окружающего дугу.

Одновременно с энергетическим воздействием водород, поступающий в зону сварки, изолирует сварочную ванну от контакта с воздухом, т. е. исключает возможность окисления и азотирования металла шва. Однако в настоящее время этот способ сварки используется крайне редко из-за ряда недостатков, присущих ему. Основным недостатком этого способа является то обстоятельство, что дуга в водороде горит при высоком напряжении (до 150 - 200 В), что требует использования источника питания (трансформатора) с напряжением холостого хода на вторичной обмотке 250 - 260 В.

В этом случае сварщик должен работать в специальных резиновых перчатках и специальной обуви, что создает определенные неудобства и не гарантирует полной безопасности.

2. Электрошлаковая сварка (рис. 2.2) имеет три основных разновидности: сварка проволочными электродами (рис. 2.2, а), пластинчатыми электродами (рис. 2.2, б) и плавящимся мундштуком (пластино-проволочными электродами, рис. 2.2, в. Как следует из рис. 2.2, электрошлаковая сварка во всех случаях выполняется при вертикальном расположении шва.

Рис. 2.2. Схема процесса электрошлаковой сварки: а-проволочными электродами;б-пластичными электродами;в-плавящимся мундштуком; 1-пластины,2-стальные трубки,3-электродные проволоки,4-шлаковая ванна,5-медные водоохлаждаемые пластины,6-свариваемые детали,7-металлическая ванна;?-зазор между пластинами; В и д-ширина и толщина пластинчатого электрода;S-толщина свариваемых деталей(Smax-максимальная;Smin-минимальная);хэл-скорость подачи электродов в шлаковую ванну; хсв-скорость сварки(скорость подъема металлической ванны);hш-глубина шлаковой ванны.

Электрошлаковая сварка проволочными электродами применяется для соединений встык толстого металла (толщиной около 40 мм и более) при относительно большой протяженности швов, например при сварке продольных швов барабанов котлов высокого давления и других изделий.

Сварка пластинчатыми электродами используется для соединения массивных деталей, имеющих прямоугольное сечение, если длина шва и толщина металла не намного отличаются друг от друга.

Сварка плавящимся мундштуком применяется для соединения массивных деталей, если сечение их отличается от прямоугольного, например имеет трапецеидальную форму или другую.

Сущность способа электрошлаковой сварки состоит в том, что расплавленный флюс образует так называемую шлаковую ванну, которая является проводником электрического тока. При прохождении тока через расплавленный флюс - шлак выделяется тепловая энергия, которая поддерживает температуру шлака около 1730?С, т. е. выше температуры плавления основного (свариваемого) и электродного металла. В результате электродная проволока, подаваемая с определенной скоростью в зону сварки, и кромки основного (свариваемого) металла расплавляются, вследствие чего создается металлическая ванна, после затвердевания которой образуется шов.

Расплавленный основной металл, шлаковая и металлическая ванна удерживаются от вытекания специальными формирующими устройствами - подвижными (медными водоохлаждаемыми ползунами) или неподвижными (медными водоохлаждаемыми шинами).

Как видно из схемы рис. 2.2, при любой толщине металла сварка выполняется за один проход, что при изготовлении конструкций из толстого металла во много раз повышает производительность по сравнению с любым другим способом сварки.

Поэтому областью рационального применения является получение сварных соединений на металле большой толщины.

Электроннолучевая сварка. Схема процесса электроннолучевой сварки показана на рис. 2.3.

Рис. 2.3. Схема процесса электроннолучевой сварки:

1-изделие, 2-электронный луч, 3-катод, 4-прикатодный управляющий электрод, 5-анод, 6-кроссовер, 7-магнитная линза, 8-система отключения луча, 9-сварочная ванна, 10-вакуумная камера; Uн-напряжения накала катода; Uу-ускоряющее напряжение; Uэм.ф-напряжение электромагнитной фокусировки; Uоткл-напряжение отклоняющей системы.

Катод 3 электронной пушки, нагретый проходящим током или электронной бомбардировкой до высокой температуры (вольфрамовый катод до 2130 - 2430?С, эмитирует электроны, которые, попадая в электрическое поле, создаваемое прикатодным электродом электростатической фокусировки 4, направляются в виде пучка к аноду 5. Электрическое поле высокой напряженности разгоняет электроны до больших скоростей. Пройдя через центральное отверстие в аноде, пучок имеет наименьшее сечение (кроссовер 6), но начинает расходиться и для его фокусировки на изделии 1 используют электромагнитные линзы 7, представляющие собой плоские катушки, создающие магнитное поле высокой напряженности. В результате взаимодействия электронов с магнитным полем осуществляется электромагнитная фокусировка пучка электронов, причем фокусное расстояние рассчитывается так, чтобы сфокусировать пучок на поверхности изделия, либо на некотором заглублении.

Корректировка положения луча относительно кромок свариваемого металла выполняется с помощью магнитной отклоняющей системы 8.

При электроннолучевой сварке используют электронные пучки мощностью от 2 кВт (например, A852.18) до 60 кВт (ПЛ-105, ЭЛА-60/60), позволяющие выполнять сварку различных металлов и сплавов толщиной до 80 - 100 мм и более.

Для достижения и поддержания необходимого рабочего вакуума в камерах используют соответствующие откачные (вакуумные) системы. Эти системы комплектуются механическими насосами, создающими предварительное разрежение 1,33-1,33•10-1 и высоковакуумными пароструйными насосами, обеспечивающими разрежение в камерах в пределах 1,33•10-1-1,33•10-4 Па.

4. Лазерная сварка. При лазерной сварке в основном применяют газовые СО2 - лазеры непрерывного действия, в которых рабочим телом служат смеси газов в соотношении 1 СО2; 20 N2; 20 Не.

На рис. 2.4 приведена принципиальная схема технологического СО2 - лазера с замкнутым циклом, в котором векторы скорости потока прокачиваемого газа, электрического поля и на- правления лазерного луча взаимно перпендикулярны. Такие лазеры возбуждаются электрическим разрядом.

Типичной конструкцией лазера, представленного на рис. 2.4, является камера, ограниченная с двух сторон строго параллельными зеркалами 6 - непрозрачным (слева) и полупрозрачным (справа), формирующими лазерный луч 7.

Поперек разряда с помощью компрессора или вентилятора 2 прокачивается и охлаждается в холодильнике 8 газовая смесь; газовый тракт условно изображен стрелками 1.

Рис. 2.4. Принципиальная схема технологического CO2-лазер с поперечной прокачкой газовой смеси:

1-газовый тракт, 2-вентилятор, 3-холодильник, 4,5-электроды, 6-непрозрачное и полупрозрачное зеркала, 7-лазерный луч, 8,9-линзы оптической системы, 10-свариваемое изделие, 11-пульт управления, 12,13-измерители мощности.

В результате электрического разряда между электродами 4 и 5, расположенными в камере, возникают быстрые электроны, переводящие газовые молекулы в возбужденное состояние. Возвращаясь в исходное состояние, эти молекулы образуют кванты света, который, проходя через оптическую систему 6, 8 и 9, фокусируется на свариваемом изделии 10, расположенном на сварочном манипуляторе с пультом управления 11 и при высокой концентрации энергии осуществляется локальное расплавление кромок свариваемого изделия. Измеритель мощности проходного 12 и калориметрического типа 18 позволяет контролировать параметры процесса.

Большим достоинством способа лазерной сварки является возможность ведения процесса как в вакууме, так и в защитных тазах, что позволяет получить высококачественные сварные соединения не только на обычных углеродистых и низколегированных сталях, но и на легированных сталях, а также цветных металлах и специальных сплавах.

5. Газовая (газокислородная) сварка. При газовой сварке кромки металла, подлежащие сварке, нагреваются до расплавления теплом экзотермической реакции, протекающей в пламени газовой горелки между горючим газом (как правило, ацетиленом) и кислородом (рис. 2.5).

Рис 2.5. Газовая сварка:

а-схема процесса, б-распределение температуры в пламени; 1-баллон с кислородом, 2-баллон с ацетиленом, 3-сварочная горелка, 4-присадочная проволока, 5-свариваемое изделие, 6-шланги для подвода газов к горелки

Ацетилен (С2Н2) получают из карбида кальция при взаимодействии его с водой:

СаС2 + 2Н2О = С2Н2 + Са(ОН)2.

Ацетилен сжигается в смеси с кислородом посредством специальной горелки.

Процесс подготовки ацетилено-кислородной смеси к горению и самого горения можно разделить на три стадии:

1-ая стадия: подготовка горючего к сгоранию (распад углеводорода)

С2Н2 > 2С + Н2 + 226 000 кДж/моль.

2-ая стадия: образование СО и Н2 (окисление углерода)

С2Н2 + О2 > 2С + Н2 + О2 = 2СО + Н2 + 2 472 200 кДж/моль.

3-ая стадия: окончательное окисление оксида углерода и водорода:

2СО + О2 > СО2 + 571 000 кДж/моль;

Н2 + 0,5О2 > Н2О + 242 000 кДж/моль.

Строение пламени при горении ацетилена в смеси с кислородом характеризуется наличием трех зон: ядра (I), средней зоны (II) и факела (III) (рис. 2.5, б). Наивысшая температура (2730 - 3230?С) имеет место в районе II зоны. Поэтому при сварке горелку располагают так, чтобы ядро пламени касалось поверхности: сварочной ванны.

Газовая сварка применяется как при изготовлении изделий из тонколистовой стали, так и при сварке чугуна (при ремонтных работах) и некоторых цветных металлов и сплавов на их основе.

6. Термитная сварка осуществляется за счет тепловой энергии, выделяемой при обменной реакции компонентов термита - смеси оксидов железа ( 80 %) и измельченного алюминия

( 20): 3Fe3О4 + 8А1 = 4А12О3 + 9Fe + Q1

Fe2O3 + 2А1 = А12О3 + 2Fe + Q2

где Q1 ? 3344 кДж/кг; Q2 ? 3553 кДж/кг.

Термит загружается в специальный тигель (рис. 2.6), сообщающийся с формой, облегающей свариваемый стык (рельсов, стальных приводов, гребных валов судов и других изделий), и поджигается за счет магниевого или электрического запала.

Рис. 2.6. Схема процесса термитной сварки

В результате горения перегретый металл затекает в стык (рис. 2.6, а и б), а образовавшийся шлак выпускают в специальный сосуд - приставку (рис. 2.6, в).

Кроме варианта термитной сварки плавлением, в некоторых случаях используют вариант сварки давлением, отличающийся тем, что разогретые и оплавленные шлаком кромки соединяемых деталей сдавливают специальным приспособлением.

3. Сущность основных способов сварки давлением

1. Холодная сварка пластичных металлов. Как указывалось выше, для получения в сварном соединении таких же энергетических связей, как и в свариваемом материале необходимо пограничные слои узлов кристаллической решетки одной свариваемой детали приблизить к пограничным слоям решетки другой детали на такие расстояния, при которых между ними возникает единое энергетическое поле.

Имея в виду, что даже на очищенных поверхностях металла всегда имеются оксиды, толщина слоя которых больше необходимого для сварки расстояния, и для сближения ювенильных поверхностей надо разрушить эти пленки. Это можно сделать, локализуя пластическую деформацию таким образом, чтобы выдавить из зоны контакта эти пленки. Практически такое локальное пластическое деформирование может быть осуществлено при соединении этим способом пластичных металлов: свинца, алюминия, меди.

В практике используют две разновидности холодной сварки: точечную и стыковую.

Листы металла с тщательно зачищенными поверхностями мест сварки помещают между пуансонами 2 с рабочей частью - выступами 3. Действием пресса, сжимающего пуансоны усилием Р, выступы 3 вдавливаются в металл на всю их высоту, пока опорные поверхности 4 не сдавят металл. Этим обеспечиваетется необходимая пластическая деформация и образуется сварная точка.

В местах вдавливания остаточная толщина должна составлять лишь часть суммарной толщины листов. Для получения качественного сварного соединения необходимо, чтобы остаточная толщина имела определенную величину: для алюминия, например, она должна составлять 30 - 40, для меди - около 14 %.

Стрелками показано направление течения металла при вдавливании выступов пуансонов.

На рис. 3.1 приведена схема процесса стыковой холодной сварки.



Рис. 3.1. Схема стыковой холодной сварки:

1-соединяемые детали, 2-зажимы (“губки” машины), 3-насечка на губках

Подлежащие сварке стержни 1 зажимают в «губках» машины 2. При осадке в результате сдавливания правый и левый зажимы сближают до соприкосновения и острый край зажима, как нож, срезает излишний выдавленный металл - грат. В процессе осадки сближающиеся зажимы затрудняют течение металла и позволяют увеличить давление осадки. Деформируемый и текущий металл стержней заполняет насечку 8, играющую роль уплотнителя и мешающую проскальзыванию металла в губках. Величина удельного давления для осуществления пластической деформации должна быть достаточно большой: для алюминия, например, 500 - 700 МПа, для меди еще больше.

Холодной сваркой можно получать соединения на разнородных металлах. Широко практикуется, например, облицовка алюминиевых шин в местах контакта в распределительных устройствах электростанций листовой медью для улучшения качества соединений.

2. Электрическая контактная сварка. По форме выполняемых соединений различают три основных вида контактной сварки: стыковую, точечную и шовную или роликовую (рис. 3.2).



Рис. 3.2. Виды контактной сварки:

а-стыковая, б-точечная, в-шовная; 1-соединяемые детали, 2-электроды, 3-сварочный трансформатор, Р-усилие сжатия

При стыковой сварке (рис. 3.2, а) через стык соединяемых деталей пропускают электрический ток. После разогрева зоны сварки производится осадка.

При точечной сварке (рис. 3.2, б) соединяемые детали, чаще всего листы, собирают внахлестку и зажимают между двумя медными, охлаждаемыми изнутри проточной водой электродами, подводящими ток к месту сварки и имеющими вид усеченного конуса. Ток проходит от одного электрода к другому через толщу соединяемых металлов и контакт между ними и производит местный нагрев их (вплоть до температуры расплавления). Давлением Р, приложенным к электродам, производят осадку. Полученное сварное соединение в плане имеет форму пятна диаметром в несколько миллиметров. Это пятно называют точкой.

При шовной сварке электроды, подводящие ток к изделию и осуществляющие осадку, имеют форму роликов, катящихся по изделию, в связи с чем эту разновидность контактной сварки называют также роликовой (рис. 3.3, в). При шовной сварке листы соединяются непрерывным плотным швом.

Тепловая энергия, выделяемая проходящим электрическим током через контакт соединенных деталей, может быть выражена следующей формулой:

где Rм - сопротивление металла свариваемой детали; Rк - сопротивление контакта между соединениями деталей; Rэ - сопротивление контакта между электродом и изделием.

Полезной для процесса сварки является энергия, выделяемая в контакте (I2Rкdt) и энергия, выделяемая в толще свариваемого металла (2RмI2dt). Энергия, выделяемая на контактах между электродами и основным металлом, расходуется на подогрев поверхности свариваемых деталей и ускоряет износ электродов, в связи с чем является вредной. Для уменьшения износа электродов обычно предусматривается водяное охлаждение их.

Все разновидности электрической контактной сварки широко используют в промышленности, а в ряде отраслей (например, в автомобилестроении и др.) находят наибольшее по сравнению с другими способами сварки применение.

3. Ультразвуковая сварка. Способ основан на использовании механических ультразвуковых колебаний, вводимых в металл, и имеет две разновидности: точечную и шовную (рис. 3.4) сварку. Свариваются этими способами металлы малых толщин (обычно от нескольких микрон до 1,5 мм), а также некоторые пластмассы.

Ультразвуковые колебания, т. е. механические зазвуковых частот (около 20 кГц), создаются преобразователем 1, сердечник которого изменяет свои размеры при намагничивании и размагничивании (т. е. обладает так называемым магнитострикционным эффектом). Обмотка сердечника питается от высокочастотного генератора. Эти колебания через волновод 2 и 3 передаются на электрод 6. Свариваемые детали 4 зажаты между опорой 5 и электродом 6. Поэтому все колебания передаются в свариваемые детали.



Рис. 3.3 Схема ультразвуковой сварки: а-точечной, б-шовной; 1-магнитострикционный преобразователь, сердечник и обмотка, 2 и 3-волновод, 4-свариваемые детали, 5-опора, 6-наконечник из твердого металла, передающий колебания свариваемому изделию, 7-направление сдавливающего усилия

Продольные механические колебания очищают поверхность металла, вследствие трения разогревают поверхностные слои под наконечником (электродом) и в зоне соприкосновения деталей.

В результате происходит очистка поверхности металлов, их сближение на расстояния при которых начинает действовать единое энергетическое поле и, как следствие возникает сварка (сращивание границ).

Усилие, сдавливающее детали, в разных случаях составляет 100 - 2000 Н, амплитуда колебаний детали составляет 10 - 20 мкм; время сварки одной точки 0,5 - 3 с. Потребляемая мощность из сети 4 - 6 кВ А. Свариваемая толщина верхнего листа не более 2 мм (как правило, до 1,5 мм); нижний лист может иметь большую толщину. Хорошо свариваются медь, титан, многие сплавы, пластмассы, Плохо свариваются стали.

4. Кузнечно-rорновая сварка - один из наиболее старых способов сварки. При использовании этого способа нагретые до температуры 1100 - 1300?С детали из стали складывают внахлестку, вразруб или врасщеп (рис.3.4) и подвергают сдавливанию путем проковки, прокатки, прессования, волочения и т. д.

Так как поверхности свариваемых деталей, даже тщательно зачищенные, в процессе нагрева обычно значительно окисляются, слой оксидов делает сварку невозможной. Для очистки сопрягаемых поверхностей от оксидов применяют флюсы, которые разжижают окалину и тем самым создают возможность прямого контакта металлических поверхностей при сжатии. В качестве флюсов чаще всего применяют буру, борную кислоту или их смеси с поваренной солью.

Рис. 3.4 Подготовка изделий под кузнечн-горновую сварку: 1-внахлестку, 2-вразруб, 3-врасщеп

В настоящее время объем применения кузнечно-горновой сварки весьма мал.

5. Разновидностью кузнечно-горновой сварки является газопрессовая сварка. Сущность ее заключается в том, что изделие для нагрева не помещается в печь, а место сварки нагревается специальными газосварочными горелками ацетилено-кислородным пламенем. Используются многопламенные горелки с десятками и сотнями пламен, охватывающие всю периферию стыка. На рис. 3.5, в качестве примера приведена горелка для газопрессовой сварки труб.

Устройство для газопрессовой сварки стыков трубопроводов представляет собой сложный механизированный агрегат, самостоятельно перемещающийся вдоль трубопровода. Все необходимое оборудование размещается на мощном гусеничном тракторе повышенной проходимости. Для выполнения грузоподъемных операций трактор снабжен боковой

Рис. 3.5. Горелка для газопрессовой сварки труб: 1-горелка, 2-труба, 3-пламя горелки стрелой.

В периоды остановок двигатель трактора приводит в действие все необходимые механизмы: подъемный кран, масляный насос, питающий механизм зажатия и осадки (сжатия труб после нагрева стыка до необходимой температуры кромок). На прицепе к трактору помещены мощный ацетиленовый генератор и батарея кислородных баллонов.

6. Диффузионная сварка в вакууме. Способ основан на использовании процесса диффузии, Соединяемые детали помещают в сварочную камеру, заполненную инертным газом или вакуумированную с поддержанием постоянного вакуума 133,3 (10-2 - 10-5) Па и сдавливают удельным давлением 0,5 - 2,0 кгс/см2. Вакуум поддерживается непрерывной работой вакуумных насосов, откачивающих газы, поступающие в камеру через неплотности, а также адсорбированные поверхностями аппаратуры и непрерывно выделяемые нагреваемым металлом. Температура нагрева соединяемых деталей (чаще всего с помощью индуктора) должна составлять (0,55 - 0,60) Тпл: для стали, например, около 800?С.

Процесс сваривания (очистки поверхностей и диффузии) идет довольно медленно: для завершения процесса сварки требуется 5 - 20 мин, а иногда и более, однако способ отличается большой универсальностью: возможна сварка многих сочетаний разнородных металлов, а также металлов с металлокерамическими сплавами, металлов с керамикой, с графитом и т. д.

7. Сварка трением основана на использовании для нагрева соединяемых деталей превращения механической энергии трения в тепловую.

Способ применяется для соединения стрежневых деталей, труб небольшого диаметра и других подобных изделий. Сварка выполняется на специальных машинах, в зажимах которых закрепляют свариваемые детали. Одна из деталей остается неподвижной, а другая приводится во вращение и торцом с определенным усилием прижимается к торцу неподвижной детали (рис. 3.6).

Рис. 3.6. Схема процесса сварки трением: а-схема процесса, б-спаренные стержни; 1-неподвижная деталь, 2-губки машины, 3-вращаемая деталь, P1-давление в процессе вращения, P2-давление осадки

Частота вращения детали составляет 500 - 1500 мин-1. Вследствие трения торцы деталей быстро разогреваются и через относительно короткое время происходит их оплавление, автоматически выключается фрикционная муфта, прекращая вращение шпинделя; затем производится осевая осадка деталей.

Способ весьма экономичен и обладает высоким к. п. д. Потребляемая мощность составляет 15 - 20 Вт/мм2, а затраты электроэнергии в 7 - 10 раз меньше, чем при контактной стыковой сварке.

Способ позволяет сваривать не только однородные, но и разнородные металлы (например, алюминий с медью; алюминий со сталью, медь со сталью и пр). Особенно эффективна сварка заготовок металлорежущего инструмента: сверл, метчиков, резцов и другого инструмента из углеродистой и быстрорежущей стали.

8. Сварка взрывом. Схема процесса представлена на рис. 3.8. На поверхность привариваемой (метаемой) детали 2 равномерным слоем распределяется взрывчатое вещество 4, (тол, гексаген и т. п.); масса взрывчатого вещества составляет 10 - 20 % от массы метаемой детали; на нижнем крае метаемой детали располагают детонатор 5. Неподвижная деталь 1 для увеличения массы укладывается на опорный фундамент 3. Метаемая (ударяющая) деталь располагается под углом 3 - 10? к поверхности плиты 1. Скорость движения ударяющей детали к моменту соударения достигает нескольких сотен метров в секунду. При таких скоростях в зоне соударения металл соединяемых деталей течет подобно жидкости и сливается в одно целое, образуя монолитное соединение. Таким образом взрыв распространяется в направлении стрелки (рис. 3.8) и происходит как бы выстрел листом 2 в плиту 1. Сначала ударяется и приваривается к плите 1 нижний край листа 2, затем зона соударения и сварки перемещается вправо и лист в конечном счете приваривается к плите 1. Процесс длится тысячные доли секунды.

Граница между соединяемыми деталями на макрошлифах имеет характерный вид волнистой линии. Таким способом могут быть соединены разнородные металлы, например к плите из углеродистой стали может быть присоединен лист коррозионностойкой стали, никеля, титана, меди, алюминия и др.

Полученную взрывом заготовку затем прокатывают в листовой биметалл. Сварка взрывом может применяться и при изготовлении других изделий. Например, могут свариваться стыки труб или ввариваться медные стержни в пазы роторов специальных быстроходных электродвигателей, работающих с частотой вращения десятки тысяч оборотов в минуту. При такой скорости вращения любой другой способ закрепления обмотки не может обеспечить необходимую прочность.

9. Индукционная высокочастотная старка. При этом способе кромки изделия, подлежащие сварке, нагреваются до необходимой температуры пропусканием токов высокой частоты и сдавливаются. Токи высокой частоты наиболее удобны для введения в металл индукционным {бесконтактным) способом. Наряду с этим использование токов высокой частоты обеспечивает концентрацию нагрева у поверхности свариваемых кромок вследствие резко выраженного поверхностного эффекта, эффекта близости и большого индуктивного сопротивления шунтирующих путей.

Схема сварки труб с индукционным подводом приведена на рис. 3.8

Рис. 3.9. Схема процесса индукционной сварки труб: 1-труба, 2-индуктор, 3-сердечник, 4-обжимные ролики.

Ток высокочастотного генератора подводится к индуктору 2, который индуктирует ток в заготовке трубы 1. Для уменьшения шунтирования сварочного тока внутрь заготовки вводится ферритный сердечник 3, вследствие чего сопротивление шунтирующих путей для токов высокой частоты становится очень большим и практически весь ток проходит через свариваемый стык. Нагрев до сварочного жара кромки обжимаются роликами 4, которые одновременно являются и ведущими.

Такие трубосварочные станы весьма производительны: трубы диаметром 12 - 60 мм свариваются со скоростью до 50 м/мин. Питание током осуществляется от высокочастотных ламповых генераторов мощностью 160 кВт при частоте 440 и 880 кГц.

Изготавливаются трубы и больших диаметров, например 325 и 426 мм с толщиной стыка 7 - 8 мм, со скоростью до 30 - 40 м/мин.

4. Источники питания для сварки

Устойчивость горения дуги зависит от характеристик электрической цепи, в которую включена сварочная дуга. Напряжение на дуге зависит от состава атмосферы, в которой горит дуга, характеристик электродов и длины дуги. На рис. 4.1 приведена зависимость напряжения на дуге от ее длины, которая описывается уравнением Uд = а + bl, где а - сумма анодного и катодного падения напряжений в приэлектродных областях, В; b - градиент напряжения в столбе дуги, В/мм; l - длина дуги, мм. Величина а зависит главным образом от материала электродов, b - от состава атмосферы столба дуги.

Рис. 4.1. Зависимость напряжения на дуге от ее длины

Для поддержания постоянства напряжения на дуге, а значит, и ее длины, необходимо, чтобы скорость подачи электрода в зону сварки была бы равна скорости его плавления. Однако некоторые колебания длины дуги без ухудшения формирования шва возможны.

Источники питания дуги могут быть подразделены на 2 группы: источники питания переменным током (сварочные трансформаторы) и источники питания постоянным током (выпрямители и сварочные генераторы).

1. Сварочные трансформаторы. Для сварки на переменном токе применяются специальные сварочные трансформаторы. Такие трансформаторы могут изготавливаться как с отдельным дросселем, обеспечивающим создание падающей внешней характеристики, так и объединенным с дросселем (рис. 4.2).

Рис. 4.2. Сварочные трансформаторы:

а-с отдельным дросселем, б-объединенный с дросселем; 1-первичная обмотка; 2-вторичная обмотка; 3-обмотка дросселя; 4-подвижный пакет, Фт-магнитный поток в трансформаторе, Фдр-магнитный поток в дросселе, Э-электрод, И-изделие.

Изменение сопротивления дросселя, а значит и силы сварочного тока осуществляется изменением величины воздушного зазора в цепи магнитопровода регулятора (дросселя).

Кроме сварочных трансформаторов с дросселями в настоящее время для сварки на переменном токе применяются трансформаторы с подвижной обмоткой и трансформаторы с магнитным шунтом; эти трансформаторы, как и вышеописанные, обеспечивают получение падающей внешней характеристики. Падающая внешняя характеристика источника питания необходима как для ограничения токов короткого замыкания, которыми всегда сопровождается процесс сварки до величины, обеспечивающей безопасность сварочного оборудования, так и для устойчивого горения дуги.

Устойчивый электрошлаковый процесс может быть получен при питании автомата от трансформатора с относительно небольшим сопротивлением короткого замыкания.

Для электрошлаковой сварки наибольшее распространение получили трехфазные трансформаторы, приспособленные для работы в однофазном режиме при удвоенном номинальном сварочном токе.

Основная особенность трансформаторов для электрошлаковой сварки - широкий диапазон ступенчатого регулирования вторичного напряжения, как правило, с использованием секционных обмоток.

Трансформаторы для электрошлаковой сварки производятся на сварочные токи до 3000 А включительно;

2. Выпрямители. Выпрямительные сварочные установки собираются из полупроводниковых элементов - вентилей. Полупроводниковый вентиль обладает свойством проводить ток только в одном направлении (прямом). В прямом направлении электропроводность вентиля очень высока, в обратном же направлении полупроводниковый вентиль практически не пропускает электрический ток, так как его проводимость крайне мала.

Сварочный выпрямитель состоит из двух основных узлов: трансформатора с соответствующим регулирующим устройством и блоком вентилей. В комплект могут также входить секционный дроссель, обеспечивающий улучшение динамических характеристик за счет замедления скорости нарастания тока короткого замыкания и тем самым улучшающий динамические характеристики для нормального переноса капель электродного металла в шов.

В сварочных выпрямителях используются преимущественно кремниевые и селеновые вентили, причем кремниевые нашли применение главным образом для выпрямителей с падающими внешними характеристиками,

Выпрямители могут быть однофазными (рис. 4.3, а) и трехфазными (рис. 4.3, б).

Рис. 4.3. Схемы выпрямителей: а-однофазного двухполупеиодного, б-трехфазного: i=f(t)-вид кривой выпрямленного тока

В однофазной мостовой схеме вентили включены в четыре плеча, образующие мост, сходный по схеме с измерительным мостом. В одну из диагоналей моста включаются нагрузка - сварочная дуга. Для улучшения формы кривой выпрямленного тока в схему включают, как минимум, две реактивные катушки L1 и L2.

В трехфазной мостовой схеме (рис. 4.3, б) вентили включены в шесть плечей моста; в трех плечах между собой соединены все катоды, образующие катодную группу, в остальных трех - все аноды (анодная группа). От общих точек этих соединений делаются выводы для подключения нагрузки.

В трехфазной мостовой схеме выпрямления в каждый момент времени проводят ток только два плеча, соединенные последовательно через нагрузку.

В мостовой трехфазной схеме выпрямляются обе полуволны во всех трех фазах, благодаря чему пульсация выпрямленного напряжения значительно уменьшается, а число их за период равно удвоенному числу фаз системы, т. е. шести пульсациям за период.

Как кремниевые, так и селеновые полупроводниковые вентили требуют интенсивного принудительного охлаждения, для чего их располагают на радиаторах, охлаждаемых потоком воздуха от вентилятора.

Наряду с однопостовыми сварочными выпрямителями изготавливают многопостовые (рис. 4.4).



Рис. 4.4. Схема питания сварочных постов ручной дуговой сварки от многопостового выпрямителя: СВ-сварочный выпрямитель, R-балластные раостаты, Э-электрод, И-изделие

3. Сварочные генераторы могут быть однопостовые (предназначенные для питания только одного сварочного поста) и многопостовые (для одновременного питания нескольких сварочных постов). Наибольшее распространение получили однопостовые сварочные генераторы.

Так как процесс сварки всегда сопровождается большим числом коротких замыканий (как при возбуждении дуги, так и в процессе переноса электродного металла в сварочную ванну), то сварочные генераторы должны иметь устройство, ограничивающее ток короткого замыкания безопасной для машины величиной. Наряду с этим сварочный генератор должен обладать такой динамической характеристикой, которая обеспечивала бы высокую стабильность горения дуги в этих условиях.

Для этого магнитный поток, создаваемый магнитной системой генератора, должен обеспечивать снижение напряжения при увеличении нагрузки, т. е. генератор должен иметь падающую внешнюю характеристику (рис. 4.5).

Рис. 4.6. Принципиальная схема сварочного генератора:

а-с независимым возбуждением и размагничивающей последовательной обмоткой, б-с намагничивающей параллельной и размагничивающей последовательной обмотками возбуждения; НО-немагничивающая обмотка; Фн-основной магнитный поток; Фр-размагничивающий магнитный поток; а,в-основные щетки; с-дополнительная щетка; ПР-размагничивающая последовательная обмотка;Iн-намагничивающий ток; Р-реостат для плавного регулирования режима; IД-сварочный ток.

Для создания падающей внешней характеристики в однопостовых сварочных генераторах используют различные способы.

Так, в генераторах с независимым возбуждением (рис. 4.6, а) сварочный ток пропускается через размагничивающую обмотку, так как магнитный поток, создаваемый этой обмоткой, направлен навстречу основному потоку. Поэтому, чем больше ток, тем меньше результирующий поток, а значит и напряжение на клеммах генератора.