Виды сварки и резки металлов

Тема Виды сварки и резки металлов

Содержание темы по рабочей программе. Виды сварки и резки металлов, оборудование для сварки, виды пайки, характеристики припоев.

Сварка металлов – процесс получения неразъёмных соединений посредством установления межатомных связей между свариваемыми частями при их местном или общем нагреве, пластическом деформировании или совместном действии того и другого.

Чаще всего с помощью сварки соединяют детали из металлов. Однако сварку можно применять и для неметаллов — пластмасс, керамики или их сочетания.

Сварка осуществима при следующих условиях:

1. применении очень больших удельных давлений сжатия деталей, без нагрева;

2. нагревании и одновременном сжатии деталей умеренным давлением;

3. нагревании металла в месте соединения до расплавления, без применения давления для сжатия.

Основным физическим признаком сварки является форма и вид энергии, используемой для получения сварного соединения. Форма энергии определяет класс сварки, а её вид — вид сварки. Имеются три класса сварки.

• Термический класс: виды сварки, осуществляемые плавлением с использованием тепловой энергии — газовая, дуговая, электронно-лучевая, лазерная и др.

• Термомеханический класс: виды сварки, осуществляемые с использованием тепловой энергии и давления — контактная, диффузионная, дугопрессовая, кузнечная и др.

• Механический класс: виды сварки, осуществляемые с использованием механической энергии — холодная, трением, ультразвуковая, взрывом и др.

Термический класс сварки

Электродуговая сварка и резка металлов

Источником тепла является электрическая дуга, возникающая между торцом электрода и свариваемым изделием при протекании сварочного тока в результате замыкания внешней цепи электросварочного аппарата. Сопротивление электрической дуги больше, чем сопротивление сварочного электрода и проводов, поэтому большая часть тепловой энергии электрического тока выделяется в плазму электрической дуги. Постоянный приток тепловой энергии поддерживает электрическую дугу от распада.

Выделяющееся тепло нагревает торец электрода и оплавляет свариваемые поверхности, что приводит к образованию сварочной ванны — объёма жидкого металла (рис 36). В процессе остывания и кристаллизации сварочной ванны образуется сварное соединение. Основными разновидностями электродуговой сварки являются:

• ручная дуговая сварка

• сварка неплавящимся электродом

• сварка плавящимся электродом

• сварка под флюсом

• электрошлаковая сварка

Ручная дуговая сварка плавящимся покрытым электродом производится с использованием сварочного источника питания и сварочных электродов. При ручной сварке используются электроды с обмазкой, которые делятся на 3 класса:

1. для сварки углеродистых и низколегированных сталей (Э38, Э50, Э60);

2. для сварки легированных и высокопрочных конструкционных сталей (Э70, Э85, Э150);

3. для сварки легированных теплостойких сплавов (Э09М, Э-0,5Х2М и др.).

Вещества, входящие в состав покрытия, либо сгорают — образуя газовую защиту зоны сварки от окружающего воздуха, либо расплавляются и попадают в сварочную ванну. Одни расплавленные вещества покрытия взаимодействуют с металлом сварочной ванны раскисляя и/или легируя его, другие — образуют шлак, защищающий сварочную ванну от воздуха, способствующий удалению неметаллических включений из металла шва, формированию шва и т. д. В обозначении электродов после буквы приведена прочность в кг/мм², в буквенно-цифровых обозначениях приведено содержание легирующих элементов аналогично обозначению легированных сталей.

Сварка неплавящимся электродом проводиться с помощью стержня из графита или вольфрама в среде защитного газа (аргон, гелий, азот и их смеси) для защиты шва и электрода от влияния атмосферы, а также для устойчивого горения дуги. Сварку можно проводить как без, так и с присадочным материалом (прутки, проволока, полосы). Сварка под флюсом обеспечивает горение дуги в газовом пузыре, находящемся между металлом и слоем флюса, благодаря чему улучшается защита металла от вредного воздействия атмосферы и увеличивается глубина проплавления металла. Электрошлаковая сварка. Источником теплоты служит флюс, находящийся между свариваемыми изделиями, разогревающийся проходящим через него электрическим током. При этом теплота, выделяемая флюсом, расплавляет кромки свариваемых деталей и присадочную проволоку. Способ находит своё применение при сварке вертикальных швов толстостенных изделий.

.

Газовая сварка

Газовая сварка широко применяется при соединении изделий из чугунных сплавов, ремонте материалов, состоящих из тонкой углеродистой стали, заварке дефектов литья в цветных или черных металлах. Источником теплоты является газовое пламя, образующееся при сгорании смеси кислорода и горючего газа. В качестве горючего газа могут быть использованы ацетилен, пропан, бутан, водород, керосин, бензин, их смеси и др. Тепло, выделяющееся при горении смеси кислорода и горючего газа, расплавляет свариваемые поверхности и присадочный материал с образованием сварочной ванны. Кислород и горючий газ подаются в устройство через патрубки, происходит воспламенение через сопло, вентилями производится регулировка мощности пламени. Пламя состоит из нескольких основных частей, факела, процесса восстановления и ядра. Наиболее высокие температурные параметры наблюдаются в ядре.

Схема газового поста с питанием от баллонов показана на рис.37:

• два баллона вместимостью 40 литров для кислорода и ацетилена;

• редукторы (кислородный и ацетиленовый) для контроля давления, необходимого для смешивания газов;

• газовая горелка с разного вида насадками;

• комплект шлангов, которые предназначены для соединения всех элементов комплекта оборудования.

 Кислород, используемый для сварочных работ, получают из воздуха методом глубокого охлаждения и поставляют к месту потребления в стальных баллонах голубого цвета с черной надписью "Кислород". Объем баллона 40 литров и при давлении 15 МПа он вмещает 6 м³ газообразного кислорода.

К месту сварки ацетилен поставляется в стальных баллонах объемом 40 литров, в которых при максимальном давлении 1,9 МПа содержится примерно 5,5 м³ газа. Для обеспечения безопасного хранения и транспортировки ацетилена, баллон заполнен пористым активированным углем, который пропитан ацетоном. В одном объеме ацетона растворяется 23 объема ацетилена. Баллон окрашен в белый цвет с надписью "Ацетилен" красного цвета.

Баллоны для сжатых газов

Баллоны для кислорода и других сжатых газов высоких давлений изготавливают из бесшовных труб углеродистой и легированной стали. Они оснащенные головкой с вентилями для подачи газов в газовую горелку. Вентили имею конусную резьбу. Баллоны окрашивают в условные цвета, в зависимости от рода газа (таблица 19). Баллон на сварочном посту устанавливают вертикально и закрепляют хомутом.

Таблица 19 Таблица цветов окраски газовых баллонов.

Газ	Цвет баллона	Цвет надписи
Аргон чистый	Серый	Зеленый
Углекислый газ	Черный	Желтый
Гелий	Коричневы	Белый
Кислород	Голубой	Черный
Ацетилен	Белый	Красный
Пропан	Красный	Белый

Вентили для баллонов

Вентили кислородных баллонов изготавливают из латуни, из-за её высокой коррозионной стойкости. Ацетиленовые вентили изготавливают из стали. Запрещается применять медь и сплавы, содержащие свыше 70% меди, так как с медью ацетилен может образовывать взрывчатое соединение – ацетиленовую медь. К вентилям баллонов крепятся газовые редукторы, которые предназначаются для снижения давления газа, поступающего из баллона к горелке, и поддержания постоянства установленного давления во время работы. Газовые редукторы имеют обычно два манометра, один из которых измеряет давление газа на входе в редуктор, второй – на выходе из него. Редукторы для различных газов отличаются лишь устройством присоединительной части, которая соответствует устройству вентиля соответствующего баллона и исключает ошибочную установку, например, ацетиленового редуктора на кислородный баллон. Корпус редуктора окрашивают в цвет баллона с газом.

Рукава (шланги) применяют для подвода газа к горелкам или резакам. Их, изготавливают из вулканизированной резины с одной или двумя тканевыми прокладками. Шланги выпускают с внутренними диаметрами 6, 9, 12 и 16 мм. По всей длине шланги имеют сплошную полосу, нанесенную несмываемой краской. На шлангах для горючих газов полоса имеет красный цвет, на шлангах для жидких горючих — желтый цвет и на шлангах для кислорода — голубой цвет. Шланги рассчитаны для работы, при температуре окружающего воздуха от —35до +50 °С. Для работы при более низких температурах применяют специальные шланги из морозостойкой резины, выдерживающей температуру до —65°С. Согласно ГОСТу, в зависимости от назначения и условий работы, шланги выпускают трех типов:

• для подачи ацетилена и других горючих газов при давлении не более 0,6МПа;

• для подачи жидких горючих (керосина, бензина) при давлении не более 0,6 МПа;

• для подачи кислорода при давлении не более 1,5 МПа.

Газосварочные горелки служат для смешивания в требуемой пропорции кислорода и ацетилена, подачи горючей смеси к месту сварки и создания концентрированного пламени требуемой мощности. По принципу действия горелки подразделяются на инжекторные и безинжекторные. В инжекторных горелках поступление горючего газа (ацетилена) происходит за счет подсоса его струей кислорода, который, вытекая с большой скоростью из сопла инжектора, создает разряжение в каналах, по которым поступает ацетилен. Давление кислорода должно быть при этом равным 0,2 – 0,4 МПа, а давление ацетилена на входе в горелку может быть 0,001 – 0,002 МПа. Горелки большой мощности и многопламенные, работающие в тяжелых условиях, при высокой температуре, обычно делаются безинжекторными, в них оба газа – кислород и ацетилен – поступают под одинаковым давлением в пределах 0,01 – 0,15 МПа.

Электронно-лучевая сварка  сварка электронным лучем, который получается за счёт термоэлектронной эмиссии с катода электронной пушки. Сварка ведётся в вакуумных камерах. При данной сварке можно добиться высокой концентрации ввода теплоты в изделие за счет фокусировки электронного луча, что позволяет за один проход сваривать металлы толщиной от десятых долей миллиметра до 200 мм. Появляется возможность сварки тугоплавких металлов (вольфрама, тантала и др.)

Лазерная сварка имеет высокую концентрацию энергии, большую скорость процесса сварки, незначительное тепловое воздействие на околошовную зону вследствие высоких скоростей нагрева и охлаждения металла, что обеспечивает высокое качество сварных соединений из материалов, плохо свариваемых другими способами сварки. Лазерная сварка используется при работе с микроэлементами, так как лезерный. луч можно регулировать до размеров микрона в диаметре.

Термомеханический класс Кузнечная сварка. Соединение материалов осуществляется за счёт возникновения межатомных связей при пластическом деформировании инструментом (молотом). В настоящее время в промышленности практически не используется. Контактная сварка. При сварке происходят два последовательных процесса: нагрев свариваемых изделий до пластического состояния и их совместное пластическое деформирование. Основными разновидностями контактной сварки являются: точечная контактная сварка, стыковая сварка, рельефная сварка, шовная сварка. \ Точечная сварка. При точечной сварке детали зажимаются в электродах сварочной машины или специальных сварочных клещах. После этого между электродами начинает протекать большой ток, который разогревает металл деталей в месте их контакта до температур плавления. Затем ток отключается и осуществляется «проковка» за счёт увеличения силы сжатия электродов. Металл кристаллизуется при сжатых электродах и образуется сварное соединение. Стыковая сварка. Заготовки сваривают по всей плоскости их касания. Один из способов: стыковая сварка сопротивлением. Заготовки, установленные и закреплённые в стыковой машине, прижимают одну к другой усилием определённой величины, после чего по ним пропускают электрический ток. При нагревании металла в зоне сварки до пластического состояния происходит осадка. Ток выключают до окончания осадки. Данный способ сварки требует механической обработки и тщательной зачистки поверхностей торцов заготовок Рельефная сварка. На деталях для сварки создают рельефы — локальные возвышения на поверхности размером несколько миллиметров в диаметре. При сварке контакт деталей происходит по рельефам, которые расплавляются, проходящим через них, сварочным током. При этом происходит пластическая деформация рельефов, выдавливаются оксиды и загрязнения. После прекращения протекания сварочного тока происходит кристаллизация расплавленного металла и образование соединения. Диффузионная сварка осуществляется за счёт диффузии — взаимного проникновения атомов свариваемых изделий при повышенной температуре (до 800 °C) в вакуумной установке или среде защитных газов. Свариваемые детали нагреваются токами высокой частоты до температуры ниже пластического состояния с одновременным приложением сдавливающего усилия. Методом диффузной сварки можно пользоваться при создании соединений из разнородных металлов, отличающихся по своим физико-химическим свойствам, изготавливать изделия из многослойных композитных материалов. Возможны также соединения как сталь-алюминий, металл- керамика, сталь- стекло, титан-медь и др.
Механический класс сварки Сварка трением применяется для сварки труб небольшого диаметра, стержневых конструкций. В шпиндель специальных машин крепятся заготовки. Машина работает посредством перемещения одной из деталей к неподвижной части. Частота вращения доводится до 1500 об/мин, в результате чего происходит нагрев деталей и оплавление. После выключения муфты вращения, машина выполняет осадку изделий. Сварка взрывом осуществляется сближением атомов свариваемых изделий на расстояние действия межатомных сил за счёт энергии, выделяемой при взрыве. С помощью данного способа сварки часто получают биметаллы. Ультразвуковая сварка металлов. Сварка осуществляется сближением атомов свариваемых металлических изделий на расстояние действия межатомных сил за счёт энергии ультразвуковых колебаний, вводимых в материалы. Ультразвуковая сварка применяется в производстве микросхем (сварка проводников с контактными площадками), прецизионных изделий, сварка металлов разных типов и металлов с неметаллами. Холодная сварка представляет собою соединение однородных или неоднородных металлов при температуре ниже минимальной температуры рекристаллизации; сварка происходит благодаря пластической деформации свариваемых металлов в зоне стыка под воздействием механического усилия. Для осуществления холодной сварки необходимо удалить со свариваемых поверхностей окислы и загрязнения и сблизить соединяемые поверхности на расстояние параметра кристаллической решётки; на практике создают значительные пластические деформации. Холодной сваркой можно соединять, например, алюминий, медь, свинец, цинк, никель, серебро, кадмий, железо.