Основные понятия сварочных работ

Термины, определения и классификация. В нор­мальных условиях микронеровности поверхности деталей, загрязнения и оксидные пленки препятствуют сближению час­тиц металла. Для преодоления этих препятствий следует затра­тить энергию. Под действием приложенной энергии металл по кромкам свариваемых частей оплавляется, образуя жидкую фазу. Жидкий металл одной кромки перемешивается с жидким металлом другой кромки, в результате чего формируется сва­рочная ванна. При ее остывании металл кристаллизуется, об­разуя сварочный шов. Источником нагрева может быть элек­трическая дуга, пламя газовой горелки, расплавленный шлак, лазерные лучи и т.д. Вид затраченной энергии определяет класс сварки по физическим признакам: термический, термомеханиче­ский и механический.

К термическому классу сварки относятся соединения, полу­чаемые местным плавлением поверхностей при помощи теп­ловой энергии. Теплоту для сварки можно получить при помо­щи: электрической дуги (дуговая сварка); от сгорания газовой смеси (газовая сварка); электронным или фотонным лучом (электронно-лучевая или лазерная сварка); сжиганием тер­митной смеси (термитная сварка); пропусканием электриче­ского тока через расплавленный металл (электрошлаковая сварка) и т.д.

При дуговой сварке теплоту для плавления получают от электрической дуги, возникающей в узком зазоре между сва­рочным электродом и изделием (рисунок ниже). Электрическое со­противление этого зазора поднимает температуру до 4500-6000 °С, в результате чего расплавляются конец электрода и участок детали, подлежащий соединению посредством сварки.

После остывания металла получается сварочный шов, по проч­ности не уступающий основному металлу изделия. Особым ви­дом дуговой сварки является плазменная сварка, при которой нагрев осуществляется сжатой дугой.

Принципиальная электрическая схема цепи ручной электродуговой сварки

111 - 0113

1 - электрод; 2 - электрйдодержатель; 3 - генератор; 4,7 - свариваемые детали; 5 - электрическая дуга; 6 - шов

При газовой сварке свариваемая кромка разогревается с по­мощью газовой горелки. Пламя, полученное на выходе из газо­вой горелки, создает температуру до 3000 °С и позволяет прово­дить сварку металлических кромок отдельных деталей, резать металл, нагревать его для гибки и т.д.

При лучевой сварке теплоту в зоне сварки получают, бом­бардируя сварочную кромку направленным электронным или фотонным потоком. Электронный поток получают при помо­щи специального прибора - электронной пушки, а фотонный поток создают в лазерных установках.

При термитной сварке используют теплоту, полученную в результате сжигания термитной смеси, состоящей из алюми­ния и оксидов железа.

Термическая разделительная резка - процесс, обратный свар­ке, т.е. атомы металла сгорают в струе технически чистого ки­слорода, а полученные при этом продукты сгорания удаляются из зоны резания.

При электрошлаковой сварке плавление кромок сваривае­мых деталей обеспечивается теплотой, возникающей при про­текании электрического тока через расплавленный электро­проводный шлак.

К термомеханическому классу относят: кузнечную; контакт­ную; диффузионную; прессовую сварку, использующую одно­временно энергию механического и термического воздейст­вия.

При кузнечной сварке кромки свариваемых деталей нагрева­ют до требуемой температуры в специальных печах-горнах, а затем при помощи ударного механического воздействия со­единяют их между собой. Если для соединения деталей исполь­зуют механические прессы, а для нагрева - все ранее перечис­ленные способы термического воздействия, то такой вид свар­ки называют прессовым.

При контактной сварке соединяемые детали сдавливают между собой, а теплоту для сварки получают при протекании электрического тока через контактную часть деталей. В зави­симости от площади контактной части свариваемых деталей различают контактную сварку точечную, стыковую, шовную и рельефную. Этот вид сварки получил широкое распростране­ние в машиностроении вследствие своей экономичности и производительности. Контактная сварка легче всего поддается механизации и автоматизации, где механические роботы заме­няют человека со сварочным электрододержателем.

При диффузионной сварке соединение деталей формируется за счет диффузии атомов из одной детали в другую, возникаю­щей при относительно небольшом длительном нагреве и пла­стической деформации, получающейся в результате механиче­ского давления.

В механическом классе сварки соединение поверхностей осуществляется механическим воздействием (давление, тре­ние, взрыв и т.д.) без использования внешнего источника теп­лоты.

При сварке трением нагрев свариваемых деталей обеспечи­вается за счет сил трения, возникающих при вращении деталей относительно друг друга при одновременном сдавливании их между собой.

При холодной сварке в результате сильного сдавливания де­талей между собой происходит пластическая деформация ме­талла, при которой атомы двух деталей настолько сближаются, что между ними возникают силы взаимодействия, создающие прочное соединение деталей.

При сварке взрывом атомы свариваемых кромок сближают­ся в результате направленного взрыва, при котором частицы быстро движутся навстречу друг другу и, соударяясь, сближа­ются настолько, что между ними возникают силы взаимодей­ствия.

При ультразвуковой сварке силы взаимодействия между атомами возникают в результате колебаний кристаллической решетки металла под действием ультразвуковых колебаний.

Физико-химические процессы, возникающие при сварке. Веще­ства могут находиться в трех агрегатных состояниях, различаю­щихся силами взаимодействия атомов и молекул: твердое, жидкое и газообразное. Для твердого и жидкого состояний ха­рактерны небольшие расстояния между молекулами, между которыми действуют силы взаимного притяжения. Переход вещества из одного Состояния в другое требует больших затрат энергии, прикладываемой извне. По мере перехода вещества в жидкое, а затем в газообразное состояние расстояния между молекулами увеличиваются, а силы их взаимодействия умень­шаются. Этот переход наглядно иллюстрирует процесс сварки: когда металл плавится, он частично переходит в жидкое со­стояние, а частично в газообразное, затем возникают обратные процессы, именуемые кристаллизацией.

Процесс плавления металла в зоне сварочного шва сопро­вождается сложными физико-химическими процессами и приводит к образованию соединения, отличающегося по своей структуре от основного металла.

Под физическими понимают процессы, которые не меняют строения элементарных частиц и не приводят к изменению хи­мических свойств основного металла. К таким процессам от­носятся:

  • протекание электрического тока и тепловые колебания кри­сталлической решетки;
  • переход основного и электродного вещества из твердого со­стояния в жидкое (плавление), перемешивание их между со­бой, кристаллизация металла в зоне сварочной ванны;
  • напряжения и деформации, возникающие в кристаллической решетке сварочного шва и прилегающей к нему зоны основно­го металла;

Химические процессы меняют свойства основного металла, в результате чего получаются новые соединения, имеющие иные свойства. К основным химическим процессам относятся:

  • химические реакции, возникающие в газовой и жидкой фазах и на их границах;
  • образование оксидов, шлаков и других соединений, отличаю­щихся по своим химическим свойствам от основного металла.

Весьма сложный процесс образования шва при сварке мож­но представить следующим образом. Плавление основного и присадочного материалов в процессе сварки происходит под действием концентрированной энергии, обеспечиваемой сва­рочной дугой, пламенем горелки или одним из других спосо­бов, которые описаны ниже. Если в зону сварки не подается дополнительный металл, то сварочная ванна образуется только за счет основного соединения. Но, как правило, сварочная ванна формируется в результате смешивания основного и при­садочного металла, вносимого непосредственно в зону сварки электродом, сварочной проволокой и т.д. Сливаясь и перемешиваясь между собой, основной и присадочный металлы обра­зуют общую сварочную ванну, границами которой служат оп­лавленные участки основного металла. Расплавленный в зоне подачи концентрированной энергии металл кристаллизуется, образуя сварочный шов.

Свойства сварных швов. На качественные показатели свар­ных соединений влияют такие факторы, как свариваемость ме­таллов, их чувствительность к термическим воздействиям, способность окисляться.

Свариваемость металлов определяет способность отдель­ных металлов или их сплавов образовывать при соответствую­щей технологической обработке соединения, отвечающие за­данным параметрам. На этот показатель оказывают влияние физические и химические свойства металлов, строение их кри­сталлической решетки, наличие примесей, степень легирова­ния и т.д. Свариваемость может быть физическая и технологи­ческая.

Под физической свариваемостью понимают свойство мате­риала или его сплавов создавать монолитное соединение с ус­тойчивой химической связью. Физической свариваемостью обладают практически все чистые металлы, их технические сплавы и ряд сочетаний металлов с неметаллами.

Технологической свариваемостью материала называют его реакцию на сварочный процесс и способность создать соеди­нение, имеющее заданные параметры.

При определении критериев свариваемости металлов и их сплавов ориентируются на следующие их свойства:

  • чувствительность металла к тепловому воздействию, которое создается при сварке;
  • склонность металла к росту зерна с сохранением пластических и прочностных свойств, к структурным и фазовым изменени­ям в зоне термического воздействия;
  • химическую активность металла, влияющую на его способность окисляться при термическом воздействии сварочного процесса;
  • сопротивляемость металла образованию пор и трещин в холод­ном и горячем состояниях.

На качество сталей оказывает влияние их раскисляемостъ, которая характеризуется содержанием марганца, кремния и некоторых других элементов и равномерностью их распределе­ния в сплаве. По этому параметру различают три вида сталей:

  • кипящая сталь - отличается большой равномерностью распре­деления вредных примесей (особенно серы и фосфора) по тол­щине проката и получается при неполном раскислении метал­ла марганцем. Характерной особенностью этого вида сталей является склонность к старению и образование кристаллиза­ционных трещин в шве и околошовной зоне, что приводит к переходу в хрупкое состояние при отрицательных температу­рах;
  • спокойная сталь - получается при равномерном распределе­нии примесей, поэтому она менее склонна к старению и мень­ше реагирует на сварочный нагрев;
  • полуспокойная сталь - занимает промежуточное место между кипящей и спокойной.

Углерод оказывает наибольшее влияние на качество сварно­го соединения. Увеличение содержания углерода и ряда других легирующих элементов снижает свариваемость сталей, ухуд­шая качество шва.

Сварные соединения высокоуглеродистых высоколегирован­ных сталей отличаются повышенным содержанием трещин и выполняются по специальной технологии.

Удовлетворительные стали, имеющие содержание углерода от 0,25 до 0,35%, не склонны к образованию трещин и при пра­вильно подобранных режимах сварки дают качественный сварной шов. Для улучшения качества сварки часто применя­ют предварительный подогрев свариваемого металла.

Ограниченно свариваемые стали имеют содержание углерода от 0,36 до 0,45% и склонны к образованию трещин. Сварка тре­бует обязательного подогрева.

Плохосвариваемые стали содержат более 0,45% углерода. При их сварке требуются специальные технологические процессы.

Легирование стали одним или несколькими легирующими элементами (например, алюминием, ванадием, кобальтом, ти­таном) придает ей определенные физико-механические свой­ства. Повышение уровня легирования и прочности стали при­водит к ухудшению ее свариваемости, и первостепенная роль в этом принадлежит углероду.

Низколегированные стали хорошо свариваются всеми спо­собами плавления. Получение равнопрочного сварного соеди­нения, особенно при сварке термоупрочненных сталей, вызы­вает определенные трудности. В зонах, удаленных от высоко­температурной области, возникает холодная пластическая деформация. При наложении в последующем сварных швов эти зоны становятся участками деформационного старения, что в конечном итоге приводит к снижению пластических и повышению прочностных свойств металла и соответственно к появлению холодных трещин.

В среднелегированных сталях увеличивается склонность к закалке, в связи с чем такие стали чувствительны к термическо­му циклу сварки. Их околошовная зона оказывается резко за­каленной, а следовательно, и непластичной при всех режимах сварки, обеспечивающих удовлетворительное формирование шва. Поэтому с целью снижения скорости охлаждения околошовной зоны при сварке этих сталей осуществляют предвари­тельный подогрев свариваемого изделия.

При сварке высоколегированных хромистых 08Х13,08Х17Т и некоторых других сталей следует учитывать их отличительные особенности:

  • высокий порог хладноломкости стали, находящийся обычно в области положительных температур;
  • склонность к значительной хрупкости металла в околошовной зоне;
  • низкую пластичность и вязкость металла шва, выполненного сварочными материалами того же химического состава, что и сталь;
  • невозможность устранить хрупкость термообработкой.

Сварку этих сталей необходимо выполнять с минимальным тепловложением, так как с увеличением энергии возрастает склонность зон сварного соединения к росту зерен, появлению микротрещин и падению пластичности. При этом снижается сопротивляемость сварного соединения локальным поврежде­ниям и межкристаллической коррозии, возникает опасность коробления и появляется повышенный уровень остаточных напряжений. После сварки в ряде случаев требуется термооб­работка.

Способность металла окисляться под термическим дейст­вием сварочной дуги определяется его химической активностью. От этого напрямую зависит степень защиты свароч­ного шва: чем выше химическая активность металла, тем ка­чественнее должна быть защита. Наибольшей химической активностью отличаются титан, ниобий, цирконий, вольфрам, молибден, тантал и некоторые другие металлы. При их сварке недостаточно применения флюсов, защитных газов и защит­ных покрытий, так как в защите нуждается не только свароч­ный шов, но и прилегающая к нему область. Самой эффектив­ной защитой в данном случае служит сварка при разрежении или в среде инертного газа высокой чистоты.

Сварка остальных цветных металлов (меди, алюминия, магния, никеля и их сплавов) тоже требует высокой защиты, которую обеспечивают инертные газы, флюсы и специальные электродные покрытия. Для сварки сталей и сплавов на основе железа в качестве защитных средств используют флюсы и элек­тродные покрытия.

Поры в сварочном шве возникают при выделении газов в процессе кристаллизации металла (азот, водород или оксид уг­лерода, образующиеся в результате химических реакций) и при повышенной тугоплавкости, вязкости и плотности шлаков, которые не покидают пределы сварочного шва. Поры могут быть внутренними или наружными, располагаться по оси шва или на его границах, форма их может быть округлая, овальная или более сложная, а их размеры могут колебаться от несколь­ких микрон до нескольких миллиметров. Уменьшению порис­тости сварочного шва способствуют предсварочная подготов­ка, которая заключается в тщательной зачистке сварного со­единения от грязи, масел, ржавчины и прочих посторонних включений, а также правильно подобранные режимы сварки, защитные покрытия и флюсы, вводимые в сварочную ванну.

Трещины в массиве шва и околошовной зоны могут быть:

  • горячие - возникают в процессе кристаллизации жидкой фазы металла в результате линейных сокращений металла, возни­кающих из-за внутренних напряжений. Размеры и направле­ние горячих трещин зависят от соответствия материала, элек­тродов и режимов сварки. Для оценки этого соответствия сна­чала сваривают пробный образец, который подвергают тщательному анализу. Наличие трещин может определяться визуально (при помощи лупы), а ответственные детали подвер­гают просветке или рентгеновскому облучению;
  • холодные - имеют микроскопический характер и возникают при температурах не более 200 °С. Причинами их появления выступают хрупкость металла при быстром его охлаждении, остаточные напряжения в сварных соединениях или повышен­ное содержание водорода.

Коррозия сварных соединений снижает прочность шва и его долговечность. В связи с большими структурными изменения­ми сварных соединений они обладают большей коррозийной активностью по сравнению с основным металлом.

Наиболее опасна межкристаллитная коррозия, которая проникает в глубь зерен, разрушая их. Избежать этого опасно­го явления помогают правильный подбор материалов, свароч­ных электродов, применение защитных покрытий с высокой коррозийной стойкостью. При сварке правильно подобранной проволокой получается шов с коррозийной стойкостью, боль­шей чем у основного металла. На коррозийную активность сва­рочного шва оказывают влияние и режимы сварки.

Деформации и напряжения, возникающие в процессе сварки.

Термические воздействия, которым подвергаются сваривае­мые соединения, приводят к образованию напряжений в узлах кристаллической решетки и даже к деформациям. Напряже­ния и деформации могут быть как собственными, существую­щими в кристаллической решетке без приложения внешних сил, так и внешними, возникающими под действием приложен­ных нагрузок. Причинами образования собственных напряже­ний и деформаций сварных соединений является неравномер­ное распределение температурных воздействий и охлаждения. Кроме того, деформации могут вызываться механическим вме­шательством в процессе правки сварных узлов. Собственные напряжения и деформации могут быть временными, т.е. суще­ствовать только в процессе термического воздействия, и оста­точными, устойчиво сохраняющимися после прекращения сварки; они изменяют геометрию деталей, что сказывается на их качестве. Упругая деформация исчезает после прекращения сварки. Пластическая деформация полностью или частично остается после прекращения прикладывания сил. Общие де­формации меняют размеры изделия или искажают его геомет­рию и обычно проявляются в небольших по размерам деталях, когда термическое воздействие охватывает значительную часть их объема. Местные деформации проявляются в виде выпучин, хлопунов и других местных искажений в крупногабаритных де­талях, когда термическое влияние сварочного процесса рас­пространяется на относительно небольшие зоны. Бывают деформации в плоскости (линейные), когда меняются размеры детали, и вне плоскости (объемные), которые проявляются в виде серповидности, грибовидности и т.д.

Для снижения сварочных напряжений и деформаций ис­пользуют термические, механические и термомеханические методы.

К термическим методам относят предварительный нагрев во время сварки и отпуск после сварки. Подогрев металла пе­ред сваркой (или в процессе сварки) снижает предел его теку­чести, тем самым уменьшает остаточные напряжения и дефор­мации. Хотя этот метод не полностью исключает появление сварочных деформаций, при достаточно сильном нагреве (250 °С и выше) можно добиться того, что деформации будут находиться в допустимых пределах. Отпуск металла после сварки более эффективен и позволяет снизить остаточные напряжения и деформации на 85-90%, а также способствует улучшению пластических свойств сварочного шва. Отпуск мо­жет быть общим, когда сваренную деталь нагревают до темпе­ратуры 650 °С и медленно охлаждают, и местным, когда нагре­вают только часть конструкции в области сварочного шва.

Под механическими методами понимают обработку (про­ковку, прокатку, вибрацию, приложение местных нагрузок, ультразвуковое воздействие и т.д.) сваренных деталей, сни­жающую остаточные напряжения в кристаллической решетке.

Термомеханические методы предусматривают одновремен­но термическую и механическую обработку свариваемых кон­струкций и позволяют добиться максимального эффекта.

Кроме того, снизить вероятность появления остаточных напряжений и деформаций помогают рациональные приемы проведения сварочных работ, в частности правильное проек­тирование и конструирование сварного изделия, уменьшение массы наплавленного металла, снижение вносимой в зону шва теплоты за счет уменьшения сварных швов и сечений. Для это­го следует избегать скоплений и перекрещиваний сварочных швов, симметричного их расположения и т.д. Деформациям свариваемых деталей препятствуют ребра жесткости, наклад­ки, косынки и прочие приспособления.

Рейтинг@Mail.ru