Сварка — производственная операция получения неразъёмного соединения посредством установления межатомных связей между
соединяемыми частями при их нагреваниии/или пластическом деформировании.
Термический класс
Электродуговая сварка
Источником теплоты является электрическая дуга, возникающая между торцом электрода и свариваемым изделием при протекании
сварочного тока в результате замыкании внешней цепи электросварочного аппарата. Концентрация свободных носителей заряда в
электрической дуге меньше, чем в металле сварочного электрода. Это приводитк тому, что линейное сопротивление электрической
дуги больше, чем линейное сопротивление сварочного электрода и сварочных проводов. Максимум тепловой энергии электрического
тока выделяется именно в плазму электрической дуги. Этот постоянный приток тепловой энергии поддерживает плазму
(электрическую дугу) от распада.Выделяющееся тепло (в том числе за счет теплового излучения из плазмы) нагревает торец
электрода и оплавляет свариваемые поверхности, что приводит к образованиюсварочной ванны — объёма жидкого металла. 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
В иностранной литературе именуется как MMA (Metal Manual Arc). Для сварки чаще всего используется специальный покрытый
флюсом электрод. Покрытие используется для защиты металла шва от действия атмосферы (окисленя раскаленного металла
кислородом), легирования шва, повышения стабильности горения дуги, удаление окислов металла в шлак и др. Сварка проводится
на постоянном токе прямой или обратной полярности и переменном токе.
Сварка неплавящимся электродом
В качестве электрода используется стержень изготовленный из графита или вольфрама, температура плавления которых выше
температуры до которой они нагреваются при сварке. Сварка чаще всего проводится в среде защитного газа (аргон, гелий, азот
и их смесях) для защиты шва и электрода от влияния атмосферы. Сварку может проводить как без, так и с присадочным
материалом. В качестве присадочного материала используются металлические прутки, проволока, полосы.
Сварка плавящимся электродом
В англоязычной иностранной литературе именуется как GMAW (Gas Metal Arc Welding), в немецкоязычной литературе — MSG,
разделяют MIG (Metal Inert Gas) и MAG (Metal Active Gas). В качестве электрода используется металлическая проволока, к
которой через специальное приспособление (токопроводящий наконечник) подводится ток. Электрическая дуга расплавляет
проволоку, и для обеспечения постоянной длины дуги проволока подаётся автоматически механизмом подачи проволоки. Для
защиты от атмосферы применяются защитные газы (аргон, гелий, углекислый газ и их смеси), подающиеся из сварочной головки
вместе с электродной проволокой. Стоит заметить что углекислый газ является активным газом и это свойство способствует
раскислению металла сварочной ванны.
Сварка под флюсом
В этом виде сварки конец электрода, в виде металлической проволоки или стержня, подаётся под слой флюса. Горение дуги
происходит в газовом пузыре находящемся между металлом и слоем флюса, благодаря чему улучшается защита металла от вредного
воздействия атмосферы и увеличивается глубина проплавления металла.
Газопламенная сварка
Ацетилено-кислородное пламя (температура «ядра» 2621°С).
Источником теплоты является газовый факел, образующийся при сгорании смеси кислорода и горючего газа. В качестве горючего
газа могут быть использованы ацетилен, водород, пропан, бутан, блаугаз, МАФ, бензин, бензол, керосин и их смеси. Тепло,
выделяющееся при горении смеси кислорода и горючего газа, оплавляет свариваемые поверхности и присадочный материал с
образованием сварочной ванны. Пламя может быть окислительным или восстановительным, это регулируется количеством кислорода.
В последние годы в качестве заменителя ацетилена применяется новый вид топлива — МАФ (метилацетилен-алленовая фракция). МАФ
обеспечивает высокую скорость сваркии высокое качество сварочного шва. Значительное производство МАФ сосредоточено на Украине, но ввиду развития рынка МАФ в России растут его производства (Зеленокумск, Челябинск, Орел, и другие). МАФ гораздо
безопаснее ацетилена, в 2–3 раза дешевле, и значительно плотнее. Газовая резка с использованием МАФ гораздо эффективнее
других газов и значительно эффективнее применения ацетилена при резке.
Огромный интерес представляет применение для газовой сварки использование дициана ввиду весьма высокой температуры сгорания
(4500°С). Препятствиемк расширенному применению использования дициана для сварки и резки является его повышенная
токсичность. С другой стороны эффективность дициана весьма высокаи сравнима с электрической дугой, и потому дициан имеет
значительную перспективу для дальнейшего прогресса в развитии газопламенной обработки. Пламя дицианас кислородом истекающее
из сварочной горелки имеет резкие очертания, очень инертно к обрабатываемому металлу, короткое и имеющее пурпурно-
фиолетовый оттенок. Обрабатываемый металл (сталь) буквально «течет», и при использовании дициана допустимы очень большие
скорости сварки и резки металла. Мощности химических производств в России в настоящий момент слабоориентированны на
производство дициана. Большим удобством применения дициана является его высокая плотностьи возможность хранения в стальных
баллонах в жидком виде не опасаясь взрыва (дициан достаточно стабилен).
Значительным прогрессом в развитии газопламенной обработки с использованием жидких горючих может дать применение
ацетилендинитрила и его смесейс углеводородами ввиду самой высокой температуры сгорания (5000°С). Ацетилендинитрил склонен
при сильном нагреве к взрывному разложению, но в составе смесейс углеводородами гораздо более стабилен. В настоящее время
производство ацетилендинитрила очень ограниченное и продукт дорогой, но при развитии производства ацетилендинитрил может
весьма ощутимо развить области применения газопламенной обработки во всех ее областях применения.
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.
Плазменная сварка
Источником теплоты является плазменная струя, получаемые при ионизации рабочего газа в промежутке между электродами, одним
из которых может быть свариваемое изделие либо оба электрода находятся в плазменной горелке — плазмотроне. Струя плазмы
сжимается и ускоряется под действием электромагнитных сил, оказываяна свариваемое изделие как тепловое так и
газодинамическое воздействие. Помимо собственно сварки этот способ часто испльзуется для технологических операций наплавка,
напыление и резка.
Электронно-лучевая сварка
Источником теплоты является электронный луч, получаемый за счёт термоэлектронной эмиссии с катода электронно-лучевой пушки.
Сварка ведётся в высоком вакууме 10−3 — 10−4 Па в вакуумных камерах. Известна также технология сварки электронным лучом в
атмосфере нормального давления, когда электронный луч покидает область вакуума непосредственно перед свариваемыми деталями.
Лазерная сварка
Источником теплоты служит лазерный луч. Применяют твердотельные, газовые, жидкостные и полупроводниковые лазерные
установки.
Термомеханический класс
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 сварка, стыковая сварка,
рельефная 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. В зависимости марки металла, площади сечения заготовок и требований к
качеству соединения стыковую сварку можно выполнять одним 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.
Неравномерность нагрева и окисление металла на торцах заготовок понижают качество сварки сопротивлением, что ограничивает
область её применения. С увеличениемсечения заготовок качество сварки снижается особенно заметно, главным образом из-за
образования окислов в стыке.
Стыковая сварка непрерывным оплавлением
Состоит из двух стадий: оплавления и осадки. Заготовки устанавливают в зажимах машины, затем включают ток и медленно
сближают их. При этом торцы заготовок касаютсяв одной или нескольких точках. В местах касания образуются перемычки, которые
мгновенно испаряются и взрываются. Взрывы сопровождаются характерным выбросомиз стыка мелких капель расплавленного металла.
Образующиеся пары металла играют роль защитной атмосферы и уменьшают окисление расплавленного металла.При дальнейшем
сближении заготовок образование и взрыв перемычек происходят на других участках торцов. В результате заготовки прогреваются
в глубину, а на торцахвозникает тонкий слой расплавленного металла, облегчающий удаление окислов из стыка. В процессе
оплавления заготовки укорачиваются на заданный припуск. Оплавление должно быть устойчивым (непрерывное протекание тока при
отсутствии короткого замыкания заготовок), особенно перед осадкой.
При осадке скорость сближения заготовок резко увеличивают, осуществляя при этом пластическую деформацию на заданный
припуск. Переход от оплавления к осадке должен быть мгновенным, без малейшего перерыва. Осадку начинают при включённом токе
и завершают при выключенном.
Стыковая сварка непрерывным оплавлением обеспечивает равномерный прогрев заготовок по сечению и позволяет получать
стабильное качество стыков. Ее существеннымпреимуществом является также возможность сравнительно легко автоматизировать
процесс.
Рельефная сварка
На деталях для сварки предварительно создают рельефы — локальные возвышения на поверхности размером несколько миллиметов 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. Преимуществом данного вида
сварки является возможность получения за один цикл нескольких сварных соединений высокого качества.
Диффузионная сварка
Сварка осуществляется за счёт взаимного проникновения атомов свариваемых изделий при повышенной температуре.
Кузнечная сварка
Первый в истории вид сварки. Соединение материалов осуществляется за счёт возникновения межатомных связей при пластическом
деформировании инструментом (ковочным молотом). В настоящее время в промышленности практически не используется.
Сварка высокочастотными токами
Источником теплоты служит высокочастотный ток проходящий между свариваемыми изделиями. При последующем пластическом
деформировании и остывании образуется сварное соединение.
Механический класс
Сварка взрывом
Сварка осуществляется сближением атомов свариваемых изделий на расстояние действия межатомных сил за счёт энергии,
выделяемой при взрыве. С помощью данного способа сварки часто получают биметаллы.
