— Сварные соединения —
Общие сведения
Сваркой называется процесс получения неразъемных соединений посредством местного нагрева и расплавления кромок, соединяемых поверхностей металлических деталей. Сваркой можно соединять также термопластичные пластмассы (такая сварка осуществляется горячим воздухом или разогретым инструментом).
Классификация основных видов сварки показана на рис.1. Все способы делятся на две группы: сварка плавления и сварка давлением.
Рис.1
Сварка плавлением — это процесс соединения двух деталей, или заготовок в результате кристаллизации общей сварочной ванны, полученной расплавлением соединяемых кромок. Источник энергии при сварке плавлением должен быть большой мощности, высокой сосредоточенности, то есть концентрировать выделяющуюся энергию на малой площади сварочной ванны и успевать расплавлять все новые и новые участки металла, обеспечивая этим определенную скорость процесса.
Процесс сварки (2 — сварочный шов) плавлением осуществляется источником энергии 1, движущимся по свариваемым кромкам 3 с заданной скоростью (рис.2). Размеры и форма сварочной ванны зависят от мощности источника и от скорости его перемещения, а также от теплофизических свойств металла.
Рис.2
В сварном соединении принято различать три области (рис.3): основной металл — соединяемые части будущего изделия, предназначенного для эксплуатации; зона термического влияния (околошовная зона) — участки металла, в которых он находится некоторое время при высокой температуре, доходящей на линии сплавления до температуры плавления металла; сварной шов — металл шва, представляющий литую структуру с характерными особенностями.
Рис.3
Каждый вид сварочного процесса имеет свои особенности и находит применение в той или иной сфере производства, где он дает необходимое качество изделия и экономически целесообразен. Наиболее широкое применение для сварки металлов плавлением нашли газовая и дуговая виды сварки.
При газовой (или автогенной) сварке в качестве источника энергии используют пламя ацетиленокислородной горелки (рис.4), имеющей высокую температуру (около 3000°С) и значительную мощность, зависящую от количества ацетилена (8 — редуктор для регулирования величины подачи газа), сгорающего в секунду. Кислород 1 из кислородного баллона 10 и ацетилен 2 из ацетиленового баллона 9 подаются по шлангам 7 в газовую горелку, где образуется горючая смесь 3. На выходе из сопла горелки возникает пламя. Когда нагреваемое место свариваемых деталей доводится до расплавленного состояния, к пламени подводят присадочный материал 4, который, расплавляясь вместе с кромками детали 5, образует сварочный шов 6.
Рис.4
Дуговая сварка. При дуговой сварке (рис.5) в качестве источника энергии 2 используется электрический дуговой разряд 3, возникающий при присоединении свариваемых деталей 1 к одному, а электрода 4 — к другому полюсу источника тока. Движение электрода с дуговым разрядом и подведенным в его зону присадочным материалом (в виде прутка) 5 относительно кромок изделия заставляет перемещаться сварочную ванну, образующую сварной шов 6.
Рис.5
Электрошлаковая сварка применяется для автоматической сварки вертикальных швов из металла большой толщины.
Электрошлаковая сварка. При электрошлаковой сварке (рис.6) свариваемые детали устанавливают вертикально и собирают под сварку с зазором между кромками. Электродные проволоки 5 (их может быть несколько и притом разного состава) подаются силовыми роликами 4 через изогнутые токопроводящие мундштуки 6 в зазор между свариваемыми деталями 1. В процессе сварки автомат движется вверх по направляющим, а мундштуки совершают колебательные движения, подавая проволоки в жидкую шлаковую ванну 2, в которой они расплавляются при температуре Т равной 1539°С вместе с металлом сплавляющихся кромок и образуют сварной шов 8. Жидкая шлаковая и металлическая ванны удерживаются поднимающимися вместе с автоматом медными ползунами 7, охлаждаемыми изнутри водой. Шлак 3, отделяясь от металла, всплывает.
Рис.6
Плазменная сварка. При плазменной сварке используют дуговой разряд в плазмотроне, который дает плазменную струю 1 с очень высокой температурой (рис.7).
Рис.7
Плазмотрон представляет собой прибор 2, в котором дуговой разряд 3 возбуждается в канале 4, и давлением газа (аргона, азота, воздуха) столб дуги растягивается и вырывается из сопла, охлаждаемого проточной водой 5, за пределы плазмотрона. Может быть два типа плазмотронов: с собственным анодом, на который замыкается разряд за счет дрейфа электронов, или дугой косвенного действия — дуговой разряд возникает между двумя электродами, но не замыкается на изделие 6. В сварочной технике чаще используют плазмотрон второго типа. Плазменная сварка и обработка материалов нашла широкое применение в промышленности.
При сварке алюминиевых сплавов качество сварных соединений зависит от надежности защиты зоны сварки инертным газом и от подготовки кромок изделия.
Аргонодуговая сварка. Так для аргонодуговой сварки (3 сопло) алюминия применяют плавящийся электрод-проволоку 7, совпадающую по составу с основным металлом свариваемых изделий 2 или непла- вящийся вольфрамовый электрод (рис.8). Для ответственных конструкций чаще применяют последний метод, при этом присадочный металл подают сбоку непосредственно в дуговой разряд 4, 5, 6 или в сварочную ванну 1 рядом с дуговым разрядом.
Рис.8
Аргонодуговую сварку применяют также для соединения деталей и з титана и его сплавов. Титан — металл, напоминающий по внешнему виду сталь, обладает также весьма высокой химической активностью, несколько уступая в этом отношении алюминия. Титан имеет температуру плавления — 1668° С.
При обычной температуре титан очень устойчив к воздействию окружающей среды, так как закрыт окисной пленкой. В таком пассивном состоянии он даже устойчивее, чем коррозионно-стойкая сталь. При высоких температурах окисный слой перестает защищать титан. При температуре выше 500° С он начинает активно реагировать с окружающей средой. Поэтому титан и его сплавы можно сваривать (рис.9) только в защитной атмосфере аргона, с которым он реагировать не может.
Рис.9
Сварка давлением — это процесс соединения поверхностных слоев деталей. При соединении происходит активная диффузия частиц, ведущая к полному исчезновению границы раздела и к прорастанию через нее кристаллов.
В современном машиностроении и приборостроении сварку давлением осуществляют несколькими путями в зависимости от типа изделий и требований, которые к ним предъявляются.
Контактная сварка широко применяется в машиностроении для изготовления изделий и конструкций, главным образом из сталей. Она относится к сварке с применением нагрева и давления. Нагрев осуществляется электрическим током, который проходит через место контакта двух свариваемых деталей. Давление, необходимое для сварки, создается или электродами, подводящими электрический ток, или специальными приспособлениями.
Различают три разновидности контактной сварки: точечную — отдельными точками (рис.10), применяемую для тонколистовых конструкций из стали (например, кузова автомашин). Свариваемые заготовки 1 зажимаются между электродами 2, через которые проходит электрический ток большой силы от вторичной обмотки понижающего трансформатора 3, Место контакта свариваемых частей разогревается до высокой температуры, и под давлением усилия F происходит сварка; стыковую — оплавлением или давлением (рис.11), применяемую для изготовления металлорежущего инструмента и др. В этом случае свариваемые детали 1 с силой стыкуются и удерживаются зажимами 2, к которым подводится электрический ток; роликовую (рис.12, где 1 — свариваемые детали; 2 — ролики; 3 — электроды; 4 — источник энергии) — обеспечивающую непрерывный (герметичный) или прерывистый шов.
Рис.10
Рис.11
Рис.12
В строительных конструкциях и в машиностроении сварка — основной способ получения неразъемных соединений деталей из сталей всех марок, чугуна, меди, латуни, бронзы, алюминиевых сплавов и пр.
Различают следующие виды конструктивных соединений деталей сваркой (рис.15): стыковое (СЗ); внахлестку (H1); тавровое (Т1); угловое (У4).
Рис.15
Рис.16
По форме получаемого при этом поперечного сечения шва (рис.16) принято различать: усиленные (выпуклые); нормальные; ослабленные (вогнутые).
Кромки соединяемых деталей в зависимости от технологии сварки (ручная или автоматическая) и расположения шва (свободный доступ к нему с одной или двух сторон) могут быть ровными или специально подготовленными (срезанными) для дальнейшего соединения сваркой.
В зависимости от толщины свариваемых деталей (рис.17) производят различную подготовку кромок: при толщине металла до 8 мм сварку производят без разделок кромок; при толщине до 26 мм производят F-образную разделку кромок; при толщине более 20 мм сваривают с криволинейным скосом кромок; при толщине металла более 12 мм рекомендуется двусторонняя Х-образная разделка кромок.
Рис.17
Широкое распространение получили швы с нормальным очертанием. Длина катета углового шва нормального очертания называется его толщиной и обозначается буквой К (рис.18). Длина перпендикуляра, опущенного из вершины прямого угла на гипотенузу (сечение А—А), носит название расчетной толщины шва. В швах с формой равнобедренного треугольника расчетная толщина k0 = k sin 45° = 0,7k.
Рис.18
В большинстве случаев катет шва k равен толщине детали s, но может быть и меньше.
Наименьшая толщина рабочих швов в машиностроительных конструкциях равна 3 мм. Исключение составляют конструкции, у которых толщина самого металла меньше 3 мм.
Верхний предел толщины соединяемой сваркой конструкции не ограничен, но применение швов, у которых к > 20 мм, встречается редко.