Состав МКМ

Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Воронежский государственный технический университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

3442.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

15.11.2022

Размер:

5.28 Mб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 12 / 72 3 4 5 6 7 > Следующая >>>

Для них характерны высокие значения прочностных характеристик, модуля упругости, вязкости разрушения, ударной вязкости, более высокие температуры эксплуатации, чем у ПКМ; Таблица 1.4 Состав и физико-механические свойства некоторых лис-

тов МКМ при комнатной температуре

Свойство	ВКА-1		ВКА-2	ВКМ-1	ВКУ-1М	КАС-1А
Плотность, кг/м3	2,6		2,6	2,15	2,35	4,75
			Состав МКМ
Материал:					углеродно	стальная
волокно	борное		борное	борное		проволока

матрица	алюминиевые спла-			магниевый	алюминиевые
матрица		вы		сплав	сплавы
	АД-1		АД-33	МА-2	В-93 А5+Д16

Объёмная доля	40-55		40-50	40-55	40-55	15-45
волокон, %
	Механические свойства МКМ
Модуль упруго-
сти при растя-
жении, МПа:	22 104		22 104	22 104	24 104	11,7 104
вдоль волокон	22 104		22 104	22 104	24 104	11,7 104
поперёк -//-	11 104		10 104	10 104	11 104	9 104
Временное со-
противление
разрыву, МПа
вдоль волокон	1150	1250		1000	1000	1500
поперёк -//-	100	180		90	50	280
Относит. удли-	0,6	0,5-0,6		0,5	-	2,0
нение вдоль во-
локон, %
Прочность при	60	110		120	60	180
сдвиге, МПа

−ПКМ практически не имеют резервов увеличения поперечной и сдвиговой прочности за счет матрицы, а для МКМ данные показатели можно варьировать в значительных пределах. Например, для МКМ системы Al-В марки ВКА-1 на основе

алюминиевого сплава АД 1 прочность на сдвиг вдоль направления волокон составляет 80-100 МПа. Использование в качестве матрицы сплава АДЗЗ даёт прочность на сдвиг 120 -140 МПа;

−МКМ предпочтительнее, чем ПКМ, для получения конструкций высокой жёсткости, циклической долговечности и надёжности. В частности, в 5-7 раз возрастает показатель возможных предельных деформаций, которые обеспечивают безопасность работы агрегата в условиях повреждений и перегрузок;

−наиболее существенные преимущества МКМ имеют в конструкциях, испытывающих все возрастающие термические нагрузки, что характерно для многих узлов и агрегатов современной техники. Для МКМ в сравнении с ПКМ удельная прочность и модуль упругости стабильны в значительно более широком температурном интервале;

−большим преимуществом МКМ перед ПКМ является высокая ремонтопригодность конструкций. Ремонт агрегатов, выполненных из ПКМ, требует специальных условий: температуры, давления, влажности и пр. специального оборудования для проведения склейки с обеспечением необходимой прочности соединений. Для агрегатов из МКМ основной ремонтной операцией может быть сварка (аргонодуговая и контактная), которая обеспечивает достаточную прочность соединений и может проводиться в условиях ремонтных и эксплуатационных предприятий.

ГЛАВА 2. ОСНОВНЫЕ ВИДЫ СВАРКИ

По технологическому признаку в соответствии с ГОСТ 2601-84 сварка – это процесс получения неразъёмных соединений посредством установления межатомных связей между свариваемыми частями при их местном нагреве или пластическом деформировании, или совместном действии того и другого.

Сваркой соединяют однородные и разнородные металлы

и их сплавы, металлы с неметаллическими материалами, а также композиционные материалы и пластмассы.

В настоящее время существует более 70 способов сварки, но наибольшее распространение получили способы сварки плавлением с использованием электрической дуги.

2.1. Классификация видов сварки

Все способы сварки в зависимости от состояния металла в зоне соединения можно разделить на две большие группы:

-сварка давлением (в твёрдой фазе), когда температура металла в зоне соединения не превышает температуру плавления свариваемых металлов;

-сварка плавлением (в жидкой фазе), когда металл в зоне

соединения нагревается выше его температуры плавления. Методы сварки плавлением получили широкое распро-

странение благодаря их следующим преимуществам:

1.Возможность сварки в монтажных и цеховых условиях.

2.Разнообразие применяемых типов соединений.

3.Широкие возможности сварки конструкций различных габаритов.

4.Большой диапазон свариваемых толщин металла – от нескольких микрон, например, при сварке световым лучом, до 1 м и более – при электрошлаковой сварке.

5.Возможность сварки швов в любых пространственных положениях.

6.Возможность изменения химического состава и свойств наплавленного металла.

Сварка плавлением, однако, имеет ряд недостатков:

1.Кристаллизация металла шва протекает при растягивающих напряжениях, что может приводить к образованию трещин.

2.Возможно образование (особенно при сварке разнородных металлов) в наплавленном металле хрупких интерметаллидных включений, закалочных структур, развитие ликва-

ционной неоднородности в шве, являющихся причинами возникновения трещин.

3. Образование напряжений и деформаций при сварке. Методы сварки давлением менее универсальны, чем

сварки плавлением, но могут иметь в ряде случаев преимущества. Применение сварки давлением значительно расширило диапазон свариваемых материалов, в том числе разнородных металлов, а также неметаллических материалов, исключило возникновение при сварке трещин, пористости, способствовало уменьшению деформации сварных узлов. Важным является тот факт, что сварка давлением вызывает менее значительные изменения свойств основного металла, чем сварка плавлением.

Методы сварки давлением легко поддаются механизации и автоматизации, характеризуются высокой производительностью.

В зависимости от вида энергии, используемой для образования сварного соединения, все виды сварки разделяют на три класса: термический, термомеханический и механический.

Ктермическому классу относятся виды сварки, осуществляемые плавлением свариваемых поверхностей с использованием тепловой энергии. К этому классу относят такие виды сварки как дуговая, плазменная, электрошлаковая, электроннолучевая, лазерная и др.

Ктермомеханическому классу относятся виды сварки,

осуществляемые с использованием тепловой энергии и давления: контактная сварка, диффузионная сварка и др.

К механическому классу относятся виды сварки, осуществляемые с использованием механической энергии и давления: холодная сварка, сварка трением, ультразвуковая сварка и др.

2.2. Образование соединения при сварке

Задача сварки – получение соединений со свойствами, близкими к свойствам соединяемых материалов. Так как физи-

ческие и химические свойства твёрдых тел определяются их строением и природой межатомных связей, то для получения соединения необходимо сформировать между свариваемыми поверхностями химические связи, аналогичные действующим

втвёрдых телах.

Вузлах кристаллической решётки твёрдых тел находятся атомы (ионы), между которыми существует химическая связь: ионная, ковалентная, металлическая, Ван-дер-Ваальса.

Вионных кристаллах в узлах решётки находятся ионы, которые располагаются так, что силы кулоновского притяжения между ионами противоположного знака больше, чем силы отталкивания между ионами одного знака. Ионная связь обусловлена электростатическим взаимодействием противоположно заряженных ионов.

Межатомные связи могут быть обусловлены обобщением валентных электронов. Такие связи называются ковалентными. В основе их возникновения лежит обменное взаимодействие, или обменный эффект, обусловленный обменом атомов электронами и имеющий чисто ковалентную природу. Ковалентная связь имеет строго направленный характер. Все ковалентные связи, исходящие от данного атома, жёстко связывают его с каждым другим атомом, образуя гигантскую молекулу. Пластическая деформация кристаллов с такими связями возможна только при повышенной температуре.

При образовании металлических кристаллов атомы сближаются на такое расстояние, когда волновые функции валентных электронов существенно перекрываются. Валентные электроны получают возможность переходить от одного атома к другому и могут довольно свободно перемещаться по всему объему металла. Поэтому валентные электроны принято называть «коллективизированными». Металлическую связь в таких кристаллах можно представить как связь, возникающую за счет сил притяжения между решеткой из положительно заряженных ионов и окружающим их газом «коллективизирован-

ных» электронов, оказывающим стягивающее действие.

Все атомы, ионы и молекулы испытывают слабое взаимное притяжение друг к другу, которое обусловлено силами Ван-дер-Ваальса. Источником этих сил является поляризационный эффект, вызываемый влиянием поля электронов, движущихся вокруг ядра одного атома, на движение электронов вокруг ядра соседнего атома. Вандерваальсова связь является наиболее универсальной, она возникает между любыми частицами, но это наиболее слабая связь, энергия ее примерно на два порядка ниже энергии связи ионных и ковалентных кристаллов. Энергия металлической связи по порядку величины сравнима с энергией связи ионных и ковалентных кристаллов, но все же меньше последней в несколько раз.

Все твердые тела сопротивляются как деформации растяжения, так и деформации сжатия, то есть между частицами твердого тела действуют как сила притяжения, так и сила отталкивания. При некотором расстоянии между частицами эти силы уравновешивают друг друга, что и соответствует равновесному состоянию кристалла.

Результирующая P сил отталкивания P от и притяжения

Pпр может быть приближенно описана выражением

P = Pот + Pпр = a/rn+1 – b/rm+1,

где a и b – постоянные значения; r – расстояние между частицами; m и n – постоянные, зависящие от физической природы действующих сил и вида кристалла; m < n , поэтому с уменьшением расстояния силы отталкивания возрастают быстрее сил притяжения. Графические зависимости сил взаимодействия частиц от расстояния между ними приведены на рис. 2.1.

При r = r 0 равнодействующая сила равна нулю. Сумма р- ная потенциальная энергия взаимодействия двух частиц U оп-

ределяется формулой

U = A/rn – B/rm,

где A = a/n; B =b/m. При r = r0 потенциальная энергия взаимодействующих частиц минимальна.

Рис. 2.1. Зависимость сил взаимодействия частиц от расстояния между ними

Для понимания процесса образования соединения рассмотрим результаты анализа схватывания на идеализированных моделях (рис. 2.2).

Рис. 2.2 Идеализированные схемы схватывания

При сближении в вакууме двух монокристаллов одного и того же вещества, с одинаково ориентированными кристаллографическими осями и с абсолютно ровными и ювенильными поверхностями (рис.2.2,а), между ними возникают силы межмолекулярного притяжения – силы Ван-дер-Ваальса.

Дальнейшее сближение монокристаллов под действием этих сил пойдет самопроизвольно и будет сопровождаться уменьшением потенциальной энергии системы по кривой 1 (рис. 2.3).

На некотором расстоянии r начнется перекрытие стабильных электронных оболочек поверхностных атомов, и появятся быстрорастущие силы отталкивания. При r1>a (a - период кристаллической решетки) результирующая сила станет равной нулю, и потенциальная энергия системы достигнет минимального значения.

Этот процесс термодинамически оправдан снижением энергии системы. Прочность сцепления двух кристаллов в этом положении обусловливается значением энергии связи E1, которая относительно невелика и составляет всего 0,8 - 8,0 кДж/моль (энергия металлической связи, например у железа, составляет 395 кДж/моль).

Образование такого типа связи, применительно к рассматриваемой модели, можно трактовать как установление физического контакта между соединяемыми поверхностями.

При дальнейшем сближении поверхностей соединяемых кристаллов результирующая сила будет действовать как отталкивающая. Если, преодолевая эти силы, продолжать сближать атомы поверхностей, то потенциальная энергия системы будет изменяться по левой части кривой I в направлении точки А и далее. В точке А между атомами двух поверхностей начнутся процессы электронного взаимодействия, и дальнейшее сближение кристаллов будет сопровождаться уменьшением энергии системы по кривой 2.

Рис. 2.3. Зависимость потенциальной энергии Е двух кристаллов от расстояния между ними r

Энергия Ea, необходимая для перевода системы в состояние химического взаимодействия, называется энергией активации. Она расходуется на изменение устойчивого энергетического состояния поверхностных атомов.

В результате сближения поверхностей на расстояние r2 = a и установления между атомами соединяемых поверхностей химических связей система достигает минимума потенциальной энергии E2 и переходит в равновесное состояние. Граница раздела между двумя монокристаллами исчезает, так как атомы соединяемых поверхностей образуют энергетически устойчивые конфигурации электронов, присущие атомам внутри кристалла, происходит схватывание (сварка). Термодинамически такой процесс оправдан снижением свободной энергии системы на величину энергии двух исчезнувших поверхностей раздела.

При сближении двух идеальных монокристаллов с узла-

ми решетки, взаимно смещенными на некоторую величину ∆≤ 0,5a (рис. 2.2, б), в результате схватывания смещенные монокристаллы объединятся с образованием границы, на которой правильное кристаллическое строение нарушится. Создание такой границы потребует затраты энергии Erp, связанной с упругим искажением решетки. Однако величина Erp значительно меньше, чем 2Eп (Eп - свободная энергия поверхности), и про-

цесс схватывания термодинамически вероятен, так как он ведет к уменьшению свободной энергии системы на величину

∆E = 2Eп – Erp .

При сближении идеальных монокристаллов разнородных

материалов (a1≠a2) и реализации процесса схватывания образуется граница, на которой возникнут краевые дислокации (рис.2.2, в), приводящие к увеличению энергии границы на

∆Erp. С точки зрения термодинамики способность к схватыванию (сварке) разнородных металлов должна увеличиваться, если они взаимно растворимы или дают устойчивые химические соединения, так как в этом случае всегда уменьшается свободная энергия системы.

Таким образом, для металлов процесс схватывания сопровождается уменьшением свободной энергии системы и термодинамически выгоден. Однако принципиальная возможность схватывания еще не означает, что всегда можно получить работоспособное сварное соединение.

Соединение металлов осуществляется по их поверхностям, поэтому состояние контактных поверхностей играет очень важную роль в получении качественного сварного соединения.

Реальные металлические тела существенно отличаются от рассмотренных выше идеальных кристаллов. Их поверхности, представляющие собой сложные системы, можно охарактеризовать геометрией рельефа и физико-химическим состоянием.

После механической обработки на поверхности металлов появляется макроскопическая (волнистость) и микроскопическая (шероховатость) геометрическая неоднородность. Микровыступы располагаются на волнистой поверхности, шаг которой может составлять от 1000 до 10000 мкм. Высота микровыступов в зависимости от способа обработки поверхности имеет следующие значения (мкм):

черновая обработка резцом	80
чистовая обработка резцом	10
грубое шлифование	6,3
полирование	0,4
особо чистовое полирование	0,05

При сближении таких поверхностей их контактирование произойдет не по всей плоскости, а лишь в отдельных точках

(рис.2.4).

Рис. 2.4. Модель контакта заготовок по: а – макровыступам (волнистости); б – микровыступам (шероховатости)

Большинство металлов и сплавов в обычных условиях термодинамически неустойчиво и легко переходит в окисленное состояние. При контактировании ювенильных поверхностей (образованных, например, в изломе металла или в первые мгновения после механической обработки) с окружающей атмосферой на них образуются слои химически адсорбированного кислорода с большой скоростью. Так, время, необходимое для адсорбирования мономолекулярного слоя газа в атмосфере

воздуха при 20 °С и различном давлении, составляет:
давление, Па	105	1,0	10-5
время, с	2,4 10-9	1,8 10-4	18

Молекулы кислорода, попадая на металл, расщепляются на атомы, химически взаимодействующие с металлом и образующие очень прочные направленные связи. Такой процесс называется хемосорбцией. Хемосорбция в большинстве случаев сопровождается образованием оксидной пленки по реакции

2mMe + nO2 = 2MemOn .

Поэтому, как бы ни очищали поверхность металла перед сваркой, она всегда оказывается покрытой слоем оксида, который является существенным барьером для получения качественного соединения, поскольку силы межатомного взаимодействия перестают действовать уже на расстоянии порядка 1нм и, кроме того, кислород насыщает связи поверхностных атомов металла. Полное удаление оксидов со свариваемых поверхностей не может быть осуществлено предварительной очисткой; оно происходит в процессе сварки.

Кроме оксидов на поверхности металла могут присутствовать слои адсорбированных газов, влаги и органических (жировых) загрязнений.

Согласно современным представлениям физика процесса образования соединения, и элементарные акты взаимодействия на границе раздела свариваемых материалов являются общими для всех видов сварки. Различия же состоят не в физике процесса, а в его кинетике, в способах подвода внешней энергии к свариваемым материалам, в скорости и длительности образования сварного соединения.

В зоне сварки протекают процессы: образование физического контакта между свариваемыми поверхностями; очистка свариваемых поверхностей от загрязнений (оксидов), их активация и образование химических связей; развитие объёмного взаимодействия.

Образование физического контакта – это процесс сближения атомов свариваемых поверхностей на расстояние, при котором возникает физическое взаимодействие, обусловленное силами Ван-дер-Ваальса.

При сварке в твёрдой фазе без расплавления свариваемых поверхностей образование физического контакта происходит за счёт пластической деформации микровыступов и приповерхностных слоёв, обусловленной приложением сжимающих усилий и нагревом металла.

Повышение температуры свариваемых заготовок позво-

ляет снизить давление и уменьшить величину деформации, необходимой для образования соединения.

При сварке плавлением образование физического контакта не вызывает затруднений и для его развития не требуется приложения сжимающих давлений, так как при расплавлении исчезают микронеровности, обусловленные механической обработкой, поверхности становятся идеально гладкими, как у всех жидкостей под влиянием сил поверхностного натяжения. При этом металлические связи сохраняются как в жидком металле, так и на межфазных границах: твёрдый металл – жидкий.

Для образования химических связей между контактными поверхностями (как расплавленными, так и находящимися в твёрдой фазе) необходимо, чтобы связи поверхностных атомов были ненасыщенными.

Классическим примером насыщения поверхностных атомов металла является их взаимодействие с кислородом, сопровождающееся образованием оксидов.

При сварке плавлением присутствие оксидных плёнок препятствует формированию общей сварочной ванны.

Удаление оксидов сопровождается разрывом насыщенных связей (активацией поверхностей), что приводит к появлению неспаренных электронов, способных участвовать в химическом взаимодействии.

Таким образом, процесс сварки следует рассматривать как совокупность технологических приёмов (расплавление свариваемых поверхностей с образованием сварочной ванны, нагрев и деформация свариваемых заготовок и пр.), направленных на решение задачи установления межатомных связей на границах раздела соединяемых заготовок.

Следует отметить, что образование металлических связей между свариваемыми поверхностями хотя и является основным и необходимым этапом формирования соединения, всё же ещё не определяет конечные свойства полученных сварных со-

единений. Последние зависят от целого ряда процессов, сопутствующих образованию межатомных связей – процессов, которые приводят к изменению в зоне сварного соединения микроструктуры, химического и фазового состава, формированию внутренних напряжений и развитию деформаций.

Наибольшие отклонения свойств сварного соединения от свойств основного металла наблюдаются при сварке плавлением, так как в этом случае металл нагревается, во-первых, неравномерно по всему объёму свариваемых заготовок и, вовторых, до наиболее высокой температуры – температуры плавления.

При сварке давлением также могут происходить изменения фазового состава и микроструктуры свариваемых заготовок, так как при сварке металл может нагреваться выше температуры рекристаллизации и фазовых превращений, но эти изменения не столь существенны, как при сварке плавлением.

2.3. Электрическая дуговая сварка

Источником теплоты при дуговой сварке служит электрическая дуга, которая горит между электродом и заготовкой или между электродами, или между электродами и заготовкой.

Превращая электрическую энергию в тепловую, электрическая дуга сосредоточивает тепло в небольшом объёме, что позволяет обеспечить концентрированный ввод тепла в изделие. Из применяемых в настоящее время источников сварочного тепла по плотности энергии, выделяемой в пятне нагрева, электрическая дуга занимает третье место (после лазерных и электронных лучей). При этом максимальная плотность энергии в пятне дуги составляет 105 Вт/см2, а минимальная площадь нагрева – 10-3 см2.

В зависимости от материалов и числа электродов, а также способов включения электродов и заготовки в цепь электрического тока различают следующие виды дуговой сварки:

- сварка плавящимся (металлическим) электродом дугой прямого действия (горящей между электродом и заготовкой) с одновременным расплавлением основного металла и электрода, который пополняет сварочную ванну жидким металлом;

- сварка неплавящимся (графитовым или вольфрамовым) электродом дугой прямого действия, при которой соединение выполняется путём расплавления только основного металла или с применением присадочного металла;

-сварка косвенной дугой, горящей между двумя, как правило, неплавящимися электродами; в этом случае заготовка не включена в электрическую цепь, и для её расплавления используется теплота, выделяемая при соприкосновении свариваемой поверхности со столбом (плазмой) дуги, и теплота, получаемая за счёт излучения и конвекции; такая дуга применяется в случаях, когда требуется ограниченная теплопередача от дуги к изделию (наплавка, напыление);

-сварка трёхфазной дугой, при которой дуга горит меж-

ду двумя электродами (дуга косвенного действия), а также между каждым электродом и основным металлом (дуги прямого действия).

Питание дуги осуществляется постоянным или переменным током. При применении постоянного тока различают сварку на прямой и обратной полярности. В первом случае электрод подключают к отрицательному полюсу (катод), во втором – к положительному (анод).

Кроме того, различные способы дуговой сварки классифицируют также по способу защиты дуги и расплавленного металла (покрытым электродом, под слоем флюса, в среде за-

щитных газов) и степени механизации процесса (ручная, полу-

автоматическая и автоматическая).

2.3.1. Электрическая дуга и её свойства

Электрическая дуга – мощный стабильный разряд электричества в ионизированной атмосфере газов и паров металла,

покрытий, флюса.

В обычных условиях воздух, как и все газы, обладает весьма слабой электропроводностью. Это объясняется малой концентрацией свободных электронов и ионов. Поэтому для того, чтобы вызвать в воздухе или в газе мощный электрический ток, то есть электрическую дугу, необходимо ионизировать воздушный промежуток (или другую газовую среду) между электродами.

Ионизация может происходить в результате развития термоэлектронной и автоэлектронной эмиссий. При этом имеющиеся в металле в большом количестве свободные электроны, обладая достаточной кинетической энергией, переходят в газовую среду межэлектродного пространства и способствуют его ионизации за счёт столкновения быстродвижущихся электронов с молекулами газов и других элементов, находящихся в межэлектродном пространстве.

Плотность тока термоэлектронной эмиссии определяется

уравнением Ричардсона-Дешмана:

j = A T2exp (-ϕ/(k T)),

где j – плотность тока термоэлектронной эмиссии; А – коэффициент, зависящий от материала катода; Т – температура ка-

тодного пятна; ϕ - работа выхода электрона; k – постоянная Больцмана.

Расчёты показывают, что плотность тока может быть достаточно большой (до 300 А/см2) при температурах около 3000 К. Такие температуры электродов дуги являются вполне реальными.

При автоэлектронной эмиссии энергия, необходимая для вырыва электрона, сообщается внешним электрическим полем, которое как бы «отсасывает» электроны за пределы воздействия электрического поля металла. В этом случае плотность то-

ка может быть рассчитана по формуле

j = j0 exp (4,39 E1/2/T),

где j0 – плотность тока эмиссии при отсутствии внешнего поля;

Е– напряжённость поля.

Сповышением температуры значение автоэлектронной эмиссии снижается, но при невысоких температурах её влия-

ние может быть определяющим, особенно при напряжённости поля 106-107 В/см, которая может быть в приэлектродных областях.

Некоторую роль в создании потока электронов может играть и «бомбардировка» катода положительными ионами, достигающими электрода с достаточным запасом энергии.

При высоких температурах значительная часть молекул газа обладает достаточной энергией для того, чтобы при столкновениях могла произойти их ионизация; кроме того, с повышением температуры увеличивается общее число столкновений между молекулами газа.

Количество заряженных частиц в межэлектродном пространстве может быть увеличено, путём введения в зону горения дуги веществ, обладающих низким потенциалом ионизации. К таким веществам относят: калий, натрий, барий, литий, алюминий и др.

Таким образом, электропроводность воздушного промежутка между электродами, а отсюда и устойчивость горения дуги, обеспечиваются эмиссией катода и объёмной ионизацией газов в зоне дуги, благодаря которым в дуге перемещаются мощные потоки заряженных частиц.

Процесс зажигания дуги в большинстве случаев включает три этапа: короткое замыкание электрода на заготовку, отвод электрода на расстояние 3-6 мм и возникновение устойчивого дугового разряда.

При сварке неплавящимся электродом возможно зажигание дуги с помощью высокочастотного электрического разряда через дуговой промежуток, обеспечивающего его первоначальную ионизацию. Для этого в сварочную цепь на короткое время подключают источник высокочастотного переменного тока высокого напряжения – осциллятор.

В установившейся сварочной дуге различают три зоны: катодную, анодную и столба дуги. Катодная зона глубиной около 10-4 мм, так называемое катодное пятно, расположена на торце катода и является источником свободных электронов. К катоду устремляется поток положительных ионов, которые бомбардируют его, и, отдавая свою энергию, потоки электро-

нов накаляют его до температур 2500…4000°С.

Столб дуги, расположенный между катодной и анодной зонами, состоит из раскалённых и ионизированных частиц. Температура в этой зоне достигает 6000-7000°С в зависимости от плотности тока при ручной дуговой сварке покрытыми электродами; при сварке же вольфрамовыми электродами в среде аргона средняя температура в центре столба достигает

15000°С, а в гелии - 20000°С.

При питании дуги постоянным током наибольшее количество теплоты выделяется в зоне анода. Это объясняется тем, что анод подвергается более мощной бомбардировке заряженными частицами, чем катод, а при столкновении частиц в столбе дуги выделяется меньшая доля общего количества теплоты.

Разная температура катодной и анодной зон и разное количество теплоты, выделяющейся в этих зонах, используется при решении технологических задач. При сварке деталей, требующих большого подвода теплоты для подогрева кромок, применяют прямую полярность. При сварке тонкостенных изделий, тонколистовых конструкций, а также сталей, не допускающих подогрева (высокоуглеродистые, нержавеющие, жаропрочные и др.), применяют сварку током обратной полярности. При этом не только обеспечивается меньший нагрев свариваемой заготовки, но и ускоряется процесс расплавления электродного материала.

Полная тепловая мощность дуги Q оценивается как

Q= k Iсв Uд,

где k – коэффициент несинусоидальности напряжения и тока

(для постоянного тока равен единице, для переменного 0,7- 0,97); Iсв – сварочный ток; Uд – напряжение дуги.

Однако не вся мощность дуги полностью расходуется на нагрев и расплавление электрода и основного металла, часть её теряется в результате теплоотдачи в окружающую среду.

Мощность дуги, расходуемая на нагрев заготовки, называется эффективной тепловой мощностью сварочной дуги q:

q= η Q,

где η - КПД дуги, зависит от способа сварки, вида и состава сварочных материалов (для автоматической сварки под флюсом, ручной дуговой покрытыми электродами и сварки в за-

щитных газах среднее значение η соответственно равно 0,9; 0,8

и 0,6).

Для оценки затрат тепловой энергии на образование единицы длины шва или единицы площади сечения при однопроходной сварке используют величины погонной (q/vсв) и удель-

ной погонной (q/vсв δ) энергий, где vсв – скорость сварки и δ - толщина заготовки.

Электрические свойства дуги описываются статической вольт-амперной характеристикой, представляющей собой зависимость между напряжением и током дуги в состоянии устойчивого горения (рис. 2.5).

Рис. 2.5. Статическая вольт-амперная характеристика дуги

Вольт-амперная характеристика дуги имеет три области: падающую – I, жёсткую - II и возрастающую – III. В области I (до 100 А) с увеличением тока напряжение значительно уменьшается. Это происходит в связи с тем, что при повышении тока увеличивается поперечное сечение, а следовательно, и проводимость столба дуги. В области II (100…1000 А) при увеличении тока напряжение сохраняется постоянным, так как сечение столба дуги и площадь анодного и катодного пятен увеличивается пропорционально току. Область II характеризуется постоянством плотности тока. В области III напряжение возрастает вследствие того, что увеличение плотности тока выше определённого значения не сопровождается увеличением катодного пятна ввиду ограниченности сечения электрода. Дуга области I горит неустойчиво и поэтому имеет ограниченное применение. Дуга области II горит устойчиво и обеспечивает нормальный процесс сварки.

Каждому участку характеристики дуги соответствует определённый характер переноса расплавленного электродного металла в сварочную ванну: I и II – крупнокапельный, III – мелкокапельный или струйный.

Для дуги с жёсткой характеристикой напряжение Uд пропорционально её длине:

Uд= α+β Lд,

где Lд – длина дуги (0< Lд<8 мм); α и β - опытные коэффициенты, зависящие от состава металла и газа в дуговом проме-

жутке и других факторов (для стальных электродов α=10 В;

β=2 В/мм).

2.3.2. Источники питания сварочной дуги

Важным условием получения сварочного шва высокого качества является устойчивость процесса сварки. Для этого источник питания должен обеспечивать лёгкое и надёжное возбуждение дуги, устойчивое её горение в установившемся режиме, регулирование мощности (тока).

Для возбуждения дуги в атмосфере воздуха даже при небольшом расстоянии между электродом и свариваемым изделием, измеряемым несколькими миллиметрами, требуется очень высокое напряжение. Поэтому напряжение холостого хода источника питания должно быть достаточным для возбуждения дуги и в то же время не должно превышать нормы безопасности. Максимально допустимое напряжение холостого хода установлено для источников постоянного тока – 90 В, а для источников переменного тока - 80 В.

Источник питания должен обеспечивать быстрое установление или изменение напряжения в зависимости от длины дуги. Время восстановления рабочего напряжения от 0 до 30 В после каждого короткого замыкания должно быть не более

0,05 с.

Источник тока должен выдерживать частые короткие замыкания сварочной цепи, при этом ток короткого замыкания не должен превышать сварочный ток более чем на 40…50 %.

Для стабильного горения дуги требуется равенство тока и напряжения дуги току и напряжению источника питания:

Iд= Iп; Uд= Uп.

Для этого необходимо соответствие внешней вольтамперной характеристики источника и статической вольтамперной характеристики дуги.

Внешней характеристикой источника называется зависимость напряжения на его выходных клеммах от тока в электрической цепи. Внешние характеристики могут быть следующих основных видов: падающая – 1, пологопадающая – 2, жёсткая – 3 и возрастающая – 4 (рис. 2.6, а).

Для питания дуги с жёсткой характеристикой применяют источники питания с падающей или пологоподающей внешней характеристикой (ручная дуговая сварка покрытыми электродами, автоматическая под флюсом, сварка в защитных газах неплавящимся электродом). Режим горения дуги определяется точкой пересечения характеристик дуги 6 и источника тока 1

(рис. 2.6,б). Точка С соответствует режиму устойчивого горения дуги, точка А – режиму холостого хода в работе источника питания в период, когда дуга не горит и сварочная цепь разомкнута. Режим холостого хода характеризуется повышенным напряжением. Точка D соответствует режиму короткого замыкания при зажигании дуги и её замыкании каплями жидкого электродного металла. Короткое замыкание характеризуется низким напряжением, стремящимся к нулю, и повышенным, но ограниченным током.

Рис. 2.6. Внешние характеристики источников сварочного тока (а) и соотношение характеристик дуги и падающей характеристики тока при сварке (б)

Источники сварочного тока с падающей характеристикой необходимы для облегчения зажигания дуги за счёт повышенного напряжения холостого хода, обеспечения устойчивого горения дуги и практически постоянной проплавляющей способности дуги, так как колебания её длины и напряжения (особенно значительные при ручной сварке) не приводят к значительным изменениям сварочного тока, а также для ограничения тока короткого замыкания, чтобы не допустить перегрева токопроводящих проводов и источников тока. Наилучшим образом приведённым требованиям удовлетворяет источник тока с идеализированной внешней характеристикой 5 (рис. 2.6)

Для обеспечения устойчивости горения дуги с возрастающей характеристикой применяют источники сварочного

тока с жёсткой или возрастающей характеристикой (сварка в защитных газах плавящимся электродом и автоматическая под флюсом током повышенной плотности).

Для питания сварочной дуги применяют источники переменного тока (сварочные трансформаторы) и источники постоянного тока (сварочные выпрямители и преобразователи).

Сварочный трансформатор состоит из корпуса, внутри которого укреплён замкнутый магнитопровод (сердечник), собранный из отдельных пластин, отштампованных из тонкой (0,5 мм) листовой электротехнической стали. На боковых стержнях магнитопровода расположены катушки первичной и вторичной обмоток трансформатора.

Катушки первичной обмотки укреплены неподвижно и включаются в сеть переменного тока. Катушки вторичной обмотки подвижны и от них сварочный ток подаётся на электрод и изделие. Сварочный ток плавно регулируется изменением расстояния между первичной и вторичной обмотками. Для этой цели служит вертикальный винт с ленточной резьбой, который оканчивается рукояткой. При вращении рукоятки по часовой стрелке вторичная обмотка приближается к первичной, магнитная связь между ними увеличивается. И сварочный ток растёт. Для установления необходимого сварочного тока на крышке корпуса трансформатора расположена шкала.

Сварочный выпрямитель состоит из понижающего трехфазного трансформатора с подвижными катушками, выпрямительного блока с вентилятором, пускорегулирующей и защитной аппаратуры, смонтированных в кожухе.

Понижающий трехфазный трансформатор снижает напряжение сети до необходимого рабочего, а также служит для регулирования сварочного тока путем изменения расстояния между первичной и вторичной обмотками. Катушки вторичной обмотки неподвижны и закреплены у верхнего ярма. Катушки первичной обмотки подвижны.

Выпрямительные блоки собраны по трехфазной мостовой схеме. Для охлаждения выпрямительных блоков служит вентилятор, приводимый во вращение от асинхронного электродвигателя. Охлаждающий воздух, засасывается внутрь кожуха, проходит через блок, омывает трансформатор и выбрасывается с другой стороны.

Сварочный преобразователь представляет собой машину,

служащую для преобразования переменного тока в постоянный сварочный ток; он состоит из сварочного генератора постоянного тока и приводного трехфазного асинхронного электродвигателя, сидящих на одном валу и смонтированных в общем корпусе.

В настоящее время для питания сварочной дуги широко используются инверторные источники (ИИП)

Понятие «инвертор» происходит от латинского «inverto» - переворачиваю, изменяю.

Общий вид и функциональная схема инверторного источника сварочного тока показаны на рис.2.7 (а, б). Напряжение сети промышленной частоты (в данном случае трёхфазной, 380 В) преобразуется входным выпрямителем в постоянное примерно 500 В.

Рис .2.7. Общий вид (а) и функциональная схема (б) инверторного источника сварочного тока: 1- выпрямитель (сетевой); 2 – инвертор; 3 - трансформатор; 4 – выходной выпрямитель; 5 - дроссель

Это напряжение в свою очередь преобразуется с помощью инвертора в переменное напряжение повышенной частоты (до десятков килогерц), которое затем поступает на пони-

жающий высокочастотный трансформатор. Вторичная обмотка трансформатора нагружена на диодный выпрямитель, к выходу которого через сглаживающий дроссель подключены электрод и изделие.

Питание трансформатора напряжением высокой частоты позволяет существенно снизить массу и объем материалов, идущих на изготовление трансформатора. Так, при частоте питающего напряжения 10 кГц масса трансформатора и его габаритные размеры уменьшаются по сравнению с частотой 50 Гц примерно в 3 раза, а при частоте 50 кГц уже в 15-17 раз.

Например, расчетная масса трансформатора мощностью 20 кВА при питании напряжением частотой 50 Гц составляет 120 кг, а при 50 кГц - 7 кг. Такое уменьшение массы активных материалов обуславливает существенное (в 25 раз) снижение потерь мощности, а значит, рост КПД источника питания. Росту КПД способствуют также малые коммутационные потери в ключевых элементах, в качестве которых для сварочных инверторов используют достаточно мощные тиристоры или транзисторы.

В первых образцах ИИП для дуговой сварки, которые появились в начале 80-х годов, были использованы инверторы на тиристорах. В настоящее время в мировой практике тиристорные инверторы для сварочных источников питания применяются редко. Основным недостатком тиристорных схем является сравнительно низкая частота преобразования, которая зависит от временя выключения тиристоров. Современные быстродействующие тиристоры с минимальным временем выключения 20 мкс позволяют получить предельную частоту всего лишь 5 кГц. Инвертирование на более высокой частоте невозможно из-за вероятности возникновения аварийного режима, который называется опрокидыванием инвертора (короткое замыкание на выходе сетевого выпрямителя). Сейчас тиристорные инверторы в сварочных источниках питания практически уступили место транзисторным частотным преобразователям.

Современные мощные транзисторы по сравнению с тиристорами имеют более высокие коммутирующие свойства и могут обеспечить частоту инвертируемого напряжения и тока до

100 кГц.

Современные источники питания для дуговой сварки с транзисторными инверторами позволяют перейти с аналогового (в тиристорных схемах) на цифровое управление с помощью микропроцессоров. В этом случае решаются многие технологические задачи путём управления формой тока в динамике с высоким быстродействием (со скоростью срабатывания до 1000 А/с) и получения различного рода токов (постоянный, импульсный средней и высокой частоты, переменнопостоянный) для многих способов сварки.

2.3.3. Ручная дуговая сварка покрытыми электродами

Ручная дуговая сварка покрытыми электродами остаётся одним из самых распространённых методов сварки и широко используется при изготовлении сварных конструкций - как в нашей стране, так и за рубежом. Это объясняется универсальностью процесса, простотой и мобильностью применяемого оборудования, возможностью выполнения сварки в различных пространственных положениях и местах, труднодоступных для механизированных способов сварки.

Существенным недостатком ручной дуговой сварки покрытыми электродами является невысокая производительность процесса и зависимость качества сварного шва от практических навыков сварщика.

Сущность сварки покрытым электродом заключается в следующем. К электроду и свариваемому изделию для возбуждения и поддержания сварочной дуги от источника питания подводится постоянный или переменный ток (рис. 2.8). Дуга расплавляет металлический стержень электрода, его покрытие

иосновной металл. Расплавляющееся покрытие образует шлак

игазы. Шлак обволакивает капли металла, образующиеся при

плавлении электродной проволоки. В сварочной ванне электродный металл смешивается с расплавленным металлом изделия, а шлак всплывает на поверхность ванны.

Расплавленный шлак, покрывая капли электродного металла и поверхность расплавленной сварочной ванны, способствует предохранению их от контакта с воздухом и участвует в металлургической обработке расплавленного металла.

Образующиеся при расплавлении покрытия газы оттесняют воздух из реакционной зоны (зоны дуги) и таким образом способствуют созданию лучших условий для защиты нагретого металла.

Рис. 2.8. Схема ручной дуговой сварки покрытым электродом: 1 – затвердевший шлак; 2 – сварочная ванна; 3 – слой расплавленного шлака; 4 – дуга; 5 – электродное покрытие; 6 – металлический стержень

Для повышения устойчивости горения сварочной дуги в электродное покрытие вводят соединения, содержащие ионы щелочных металлов. Пары этих соединений снижают сопротивление дугового промежутка за счёт увеличения степени его ионизации и делают дуговой разряд устойчивым.

В связи с тем, что большая часть теплоты выделяется на торце металлического стержня электрода, на его конце образуется коническая втулка из покрытия, способствующая направленному движению газового потока. Это улучшает защиту сварочной ванны. Кроме того, втулка удлиняет дугу, увеличивая её напряжение и мощность, а, следовательно, и глубину про-

плавления.

Кристаллизация металла сварочной ванны по мере удаления дуги приводит к образованию шва. При смене электродов, при случайных обрывах дуги кристаллизация металла сварочной ванны приводит к образованию кратера (углубление в шве). Затвердевающий шлак образует на поверхности шва шлаковую корку.

Электроды для сварки металлов представляют собой стержни, изготавливаемые из сварочной проволоки, на поверхность которой нанесён слой покрытия, предназначенного для повышения устойчивости горения дуги, образования комбинированной газошлаковой защиты, легирования и раскисления металла шва. В зависимости от вида свариваемого металла, для изготовления покрытий применяют различные компоненты.

Так, основу покрытий электродов для сварки алюминия и его сплавов составляют легкоплавкие хлориды и фториды щелочных и щелочноземельных металлов, а также криолит (Na3AlF6), являющийся хорошим растворителем оксидов Al2O3 при высоких температурах, что предотвращает образование шлаковых включений в швах.

В состав ряда электродных покрытий входят только три компонента: KCl, NaCl и Na3AlF6. Поэтому покрытия разделяются на трёх- и многокомпонентные. Иногда криолит заменяют на LiCl, MgCl и др. Хлориды калия и натрия являются о с- новными составляющими покрытий, так как они обеспечивают стабилизацию горения дуги, снижение температуры плавления шлаков с фтористыми соединениями, увеличение жидкотекучести шлаков и их электропроводности. Хлорид натрия служит также связующим материалом электродных покрытий, закрепляющим их на стержнях электродов.

Покрытия электродов для магниевых сплавов аналогичны покрытиям для сварки алюминиевых сплавов и состоят из фторидов и хлоридов щелочных и щелочноземельных металлов.

Для изготовления конструкций из титана и его сплавов

ручная дуговая сварка покрытыми электродами не применяется, и такие электроды не выпускаются.

В покрытиях электродов для сварки сталей используют: в качестве газообразующих элементов – декстрин, крахмал, целлюлозу, мрамор, мел и др.; в качестве шлакообразующих – полевой шпат, мрамор, мел, глинозём, кварцевый песок, марганцевую руду, титановый концентрат и др.; в качестве раскислителей - кремний, марганец, титан, алюминий.

К технологическим характеристикам плавления электродов относятся: коэффициент расплавления αр, коэффициент наплавки αн и коэффициент потерь χ, которые определяют экспериментально. Данные характеристики позволяют судить о производительности и экономичности процесса сварки и используются для нормирования (в том числе и по трудоемкости) сварочных работ.

Коэффициенты расплавления и наплавки определяют по зависимостям:

αр = Gр/(Iсв t), г/Ач ;

αн = Gн/(Iсв t), г/Ач,

где Gр и Gн – масса расплавленного и наплавленного металла электрода за время горения дуги t и при сварочном токе Iсв.

Коэффициент потерь характеризует потери металла электрода на испарение, разбрызгивание и окисление. Он определяется по выражению

χ = (Gр - Gн) 100 %.

Gр

Коэффициент потерь составляет, как правило, от 3 до

30%.

Для выполнения сварного шва прежде всего определяют режим сварки, обеспечивающий хорошее качество сварного соединения, установленные размеры и форму при минимальных затратах материалов, электроэнергии и труда.

Основными параметрами режима ручной дуговой сварки являются диаметр электрода и значение сварочного тока. Остальные параметры подбираются сварщиком в процессе сварки и не регламентируются.

Диаметр электрода устанавливают в зависимости от толщины свариваемых кромок, вида сварного соединения и размеров шва.

По выбранному диаметру электрода устанавливают значение сварочного рока. Обычно для каждой марки электродов значение тока указано на заводской этикетке, но можно также

определить его по формуле

Iсв = πrэл2 j,

где Iсв - сварочный ток, A; rэл - радиус электрода, мм; j - плотность тока, А/мм2.

Полученные значения сварочного тока корректируют, учитывая толщину металла и положение сварного шва. При толщине кромок (1,3-1,6)dэл расчетное значение сварочного тока уменьшают на 10-15 %, а при толщине кромок >3dэл - увеличивают на 10-15 %. Сварку вертикальных и потолочных швов выполняют сварочным током, на 10-15 % уменьшенным против расчетного.

Напряжение на дуге при ручной дуговой сварке составляет 20-36 В и при проектировании технологических процессов ручной сварки не регламентируется.

Скорость сварки, т. е. перемещения дуги (м/ч) может быть определена по зависимости

Vсв = αн Iсв/(γFн 100),

где αн - коэффициент наплавки, г/(А ч); γ - плотность наплавленного металла, г/см3; Fн - площадь поперечного сечения наплавленного металла за данный проход, см2.

Длина дуги влияет на качество сварки. Короткая дуга, равная (0,5-1,1)dэл, горит устойчиво и спокойно. Она обеспечивает получение высококачественного шва, расплавленный металл электрода быстро проходит дуговой промежуток и мень-

ше подвергается окислению и азотированию. Но слишком короткая дуга вызывает «залипание» электрода, дуга прерывается, нарушается процесс сварки. Длинная дуга горит неустойчиво, с характерным «шипением». Глубина проплавления недостаточная, расплавленный металл электрода разбрызгивается. Для электродов с толстым покрытием длину дуги указывают на заводской этикетке.

Выбор способа и порядка выполнения сварных швов зависит, главным образом от толщины металла и протяженности шва. При сварке тонколистовой стали существует реальная опасность сквозного прожога и проплавления металла. Поэтому сталь толщиной 0,5-1,0 мм следует сваривать по отбортовке или внахлестку с проплавлением через верхний лист на массивных теплоотводящих медных подкладках.

Металл большой толщины сваривают в несколько проходов, заполняя разделку кромок слоями (рис.2.9). При толщине металла 15-20 мм сварку выполняют секциями способом двойного слоя. Шов разбивают на участки длиной 250-300 мм, и каждый участок заваривают двойным слоем. Второй слой накладывают после удаления шлака в противоположном направлении по неостывшему первому.

При толщине металла 20-25 мм и более применяют сва р- ку каскадом или сварку горкой (рис.2.9).

Сварка горкой является разновидностью сварки каскадом и обычно выполняется двумя сварщиками одновременно и ведется от середины шва к краям. Такие способы сварки обеспечивают более равномерное распределение температуры и значительное снижение сварочных деформаций и напряжений. При сварке блоками шов заполняют отдельными ступенями по всей высоте сечения шва.

Сварочный пост дуговой сварки – место производства сварочных работ – оснащается в зависимости от вида сварочных работ и выбранной технологии сварки.

Рис. 2.9. Способы заполнения разделки кромок

Основное оборудование сварочного поста состоит из источника питания дуги, сварочных проводов и инструментов сварщика.

Для ручной дуговой сварки покрытыми электродами используют источники питания с крутопадающей вольтамперной характеристикой.

Для сварки металла большой толщины предложен новый способ однопроходной дуговой сварки в узкий зазор, полу-

чивший название электродуговой сварки закладным электро-

дом (рис.2.10).

Суть этого способа сварки заключается в следующем. Свариваемые детали без разделки кромок собирают с некоторым зазором, в который вводится изолированный плавящийся электрод с сердечником в виде пластины шириной, равной толщине деталей. В качестве изолирующего материала, наносимого на поверхность пластинчатого сердечника, используется покрытие толщиной 0.8-1,5 мм, в состав которого входят оксиды, фториды и карбонаты, а также раскислители. Сердечник имеет продольные каналы, через них для компенсации дефицита металла в процессе сварки подаются присадочные прово-

локи или ленты. С обеих сторон свариваемый стык закрыт формирующими накладками.

Рис. 2.10. Схема электродуговой сварки закладным электродом: 1 – закладной электрод; 2 – присадочная проволока; 3 - формирующая накладка; 4 – свариваемое изделие; 5 – сварочная ванна; 6 – сварной шов; 7 – подкладка; 8 - дуга

Дуга возбуждается на нижнем конце закладного электрода и, перемещаясь по его торцу, горит в пространстве, ограниченном кромками свариваемых деталей и поверхностями формирующих накладок. При этом пластинчатый электрод, введенный в стык, будет выполнять функцию устройства, задающего своеобразную «программу» самостоятельного движения дуги. Это позволяет отказаться от перемещения её вдоль стыка, которое используется во многих существующих способах электродуговой сварки. Положительным фактором такого технологического приема является возможность более полного использования тепла дуги за счёт её горения в закрытом пространстве стыка, сопоставимого по ширине с размерами столба дуги (рис.2.11).

В результате этого, а также благодаря развитому сечению электрода, достигается высокая эффективность его плавления

(рис. 2.12).

Рис. 2.11. Схема горения дуги в открытом (а) и закрытом (б) пространстве стыка

Рис. 2.12. Схемы плавления электродного металла при использовании проволочных (а) и пластинчатых (б) электродов. Тпл – температура плавления

Возможность введения процесса сварки с предварительным заполнения стыка электродным металлом определяется надежностью электрической изоляции электрода от свариваемых деталей в исходном состоянии и в процессе сварки, а также стабильностью горения дуги в узком зазоре. Эти условия могут обеспечиваться за счёт выбора соответствующего состава изолирующего покрытия, включающего компоненты, при нагреве образующие поток из газа, пара и шлака, который оттесняет дугу от свариваемых кромок (рис.2.13).

Под действием тепла, создаваемого дугой, происходит нагрев и плавление электрода, присадочного металла и кромок свариваемых деталей, в результате чего образуется сварной шов. Несмотря на беспорядочное перемещение по торцу электрода дуга обеспечивает устойчивое и равномерное его плавление. Этот эффект можно объяснить исходя из принципа

Штеенбека, согласно которому дуга в основном горит там, где создаются условия для её функционирования при минимальном напряжении.

Рис. 2.13. Схема стабилизации и экранирования электрической дуги в узком зазоре при её горении на торце пластинчатого изолированного электрода за счёт действия потока газа, пара или шлака (показано стрелками)

Одним из основных факторов, стимулирующих перемещение дуги по торцу электрода, является увеличение расстояния между торцем электрода и сварочной ванной в результате его плавления. При этом способе сварки за счёт использования пластинчатого закладного электрода зазор между кромками составляет 8-12 мм при толщине свариваемых деталей 20-100 мм, благодаря чему обеспечивается достаточно высокая производительность процесса (суммарный коэффициент расплавления электродного и присадочного металла равен 22 г/(А·ч)) и умеренное (25-50 кДж/см2) удельное тепловложение.

2.3.4. Автоматическая сварка под флюсом

Сварка под флюсом является самым распространенным способом механизированной дуговой сварки плавящимся электродом. Этот способ нашел широкое применение и стал одним из ведущих технологических процессов во многих отраслях промышленности при производстве конструкций из сталей, цветных металлов (алюминия, титана, меди) и их сплавов. Автоматическую сварку под флюсом целесообразно применять в серийном и массовом производствах для выполнения кольце-

вых, прямолинейных, стыковых и угловых швов протяженностью 0,8 м и бо лее на металле толщиной 3-100 мм со свободным входом и выходом сварочной головки для начала и конца шва.

Преимущества автоматической сварки под флюсом:

-высокая производительность;

-стабильность высокого качества и хорошего внешнего вида сварочных соединений;

-высокий уровень локальной механизации сварочного процесса и возможность его комплексной автоматизации;

-снижение удельного расхода электродного металла и электроэнергии.

Недостатки автоматической сварки под флюсом:

-возможность сварки только в нижнем положении;

-необходимость более тщательной (по сравнению с ручной сваркой) подготовки кромок и более точной сборки деталей под сварку;

-невозможность сварки стыковых швов на весу, то есть без подкладки или предварительной подварки корня шва.

Сущность процесса дуговой сварки под флюсом заклю-

чается в применении непокрытой сварочной проволоки и гранулированного флюса, насыпаемого впереди дуги слоем толщиной 30-50 мм. Схема процесса автоматической дуговой сварки под флюсом приведена на рис. 2.14.

Рис. 2.14. Схема процесса автоматической дуговой сварки под флюсом

Возбуждение и поддержание дугового разряда, выполняется автоматически сварочной головкой, которая с помощью механизма подачи 1 непрерывно подает в зону дуги сварочную проволоку 2 по мере ее плавления. Дуга 10 горит между концом электрода и изделием. Перемещение дуги по шву осуществляется самоходной сварочной тележкой (или изделие перемещается относительно неподвижной сварочной головки).

Под действием тепла, выделяемого сварочной дугой, плавятся электродная проволока и металл свариваемого изделия, а также часть флюса 5, примыкающего к дуге. В области горения дуги образуется полость 9 (газовый пузырь), ограниченная в верхней части оболочкой расплавленного флюса, а в нижней – сварочной ванной 8. Газовый пузырь заполнен парами металла, флюса и газами. Давление газов поддерживает флюсовый свод, образующийся над сварочной ванной. Дуга несколько отклоняется от вертикального положения в сторону, противоположную направлению сварки. Под влиянием давления дуги жидкий металл 8 оттесняется также в сторону, противоположную направлению сварки. Под электродом образуется кратер с тонким слоем расплавленного металла, а основная масса расплавленного металла занимает пространство от кратера до поверхности шва, располагаясь наклонным слоем. Расплавленный флюс вследствие значительно меньшей плотности, всплывает на поверхность расплавленного металла шва и покрывает его плотным слоем. По мере поступательного движения электрода проходит затвердевание металлической и шлаковой ванн с образованием сварного шва 7, покрытого твердой шлаковой коркой 6.

Разновидностью сварки под флюсом является сварка по флюсу (рис. 2.15). Появление этого процесса связано с решением задачи сварки алюминиевых сплавов. Попытка осуществить процесс их сварки под флюсом на основе хлористых и фтористых солей первоначально окончилась неудачей, так как в зоне газового пузыря появлялось большое количество паров

влаги и продуктов их диссоциации. Это приводило к растворению водорода в ванне и образованию пористости швов.

При сварке открытой дугой по небольшому слою флюса большая часть газов и паров воды удаляется в атмосферу. Ванна защищается пленкой расплавленного флюса, и пористость снижается.

Рис. 2.15. Схема процесса автоматической дуговой сварки по флюсу

Сварку под флюсом можно осуществлять переменным и постоянным током, одной дугой, двумя дугами, расщепленным электродом и трехфазной дугой (рис. 2.16).

Рис. 2.16. Многодуговая сварка: а – двумя дугами; б – расщеплённым электродом; в – трёхфазной дугой

Электроды по отношению к направлению сварки могут быть расположены последовательно или перпендикулярно. При последовательном расположении глубина проплавления шва несколько увеличивается, а при перпендикулярном уменьшается. Второй вариант расположения электродов позволяет выполнять сварку при повышенных зазорах между кромками. Изменяя расстояние между электродами, можно ре-

гулировать форму и размер шва.

Расплавленный флюс (шлак), покрывающий металличе-

скую ванну при сварке, выполняет следующие функции:

-защищает жидкий металл сварочной ванны от непосредственного контакта с воздухом;

-раскисляет, легирует и рафинирует металл шва;

-изменяет тепловой режим сварки путем уменьшения скорости охлаждения металла;

-обеспечивает устойчивое горение дуги;

-улучшает условие формирования шва.

Хороший контакт шлака и металла, наличие изолированного от внешней среды пространства обеспечивают благоприятные условия для защиты, металлургической и тепловой обработки сварочной ванны и тем самым способствуют получению швов с высокими механическими свойствами.

По способу изготовления флюсы бывают: плавленые, получаемые сплавлением входящих в них компонентов в электрических или пламенных печах с последующей грануляцией, выливанием расплава в воду; или керамические, получаемые путем грануляции замеса из тонко измельченных компонентов, соединенных между собой жидким стеклом. В отличии от плавленых в керамических флюсах могут содержаться металлические порошки – раскислители и легирующие компоненты, так как в процессе изготовления керамические флюсы не подвергаются нагреву до высоких температур.

Наибольшее распространение в производстве получили плавленые флюсы, которые представляют собой сплав оксидов и солей металлов.

По химическому составу различают окислительные, безокислительные и бескислородные.

Окислительные флюсы содержат в основном оксиды кремния и марганца. Для придания флюсу необходимых свойств в него вводят и другие компоненты, например, плавиковый шпат, снижающий температуру плавления и вязкость

шлака, а также весьма прочные оксиды магния, кальция, алюминия, которые при сварке практически не реагируют с металлом. Эти флюсы обычно используют при сварке низколегированных сталей.

Наиболее распространенный флюс этого типа – AH-348A

содержит: 41-44 % SiO2; 34-38 % MnO; до 6,5 % CaO; до 7 %

MgO; до 4,5 % Al2O3; 4-6 % CaF2.

Основу безокислительных флюсов составляют прочные оксиды металлов и фториды. Оксиды кремния и марганца содержаться в незначительных количествах или вообще отсутствуют. Такие флюсы преимущественно используются для сварки и наплавки высоколегированных сталей. Например, флюс АН-30 имеет состав: 3 % SiO2; до 0,5 % MnO; 41,5 % Al2O3; 18 % CaO; 14,5 % MgO; 21 % CaF2; до 1 %FeO.

Бескислородные флюсы состоят в основном из фторидных и хлоридных солей металлов. Их применяют при сварке химически активных металлов. Например, флюс АН-А1 для сварки алюминия и его сплавов состоит из 50 %KCl; 20 %

NaCl; 30 % Na3AlF6.

Основными параметрами режима автоматической сварки под флюсом являются сварочный ток, род и полярность тока, диаметр электродной проволоки, напряжение дуги, скорость сварки.

Увеличение сварочного тока является наиболее эффективным средством повышения производительности процесса сварки. Вследствие хорошей защиты расплавленного металла от воздуха и возможности подвода тока к электроду на близком расстоянии от его торца (~70 мм) оказывается возможным повысить плотность тока до 200-250 А/мм2 (при РДС покрытым электродом плотность тока не превышает 15 А/мм2), не опасаясь перегрева и окисления электродной проволоки. При этом объем сварочной ванны достигает 10-20 см3, в то время как при РДС он составляет 1-2 см2.

Ток является тем параметром режима, за счет изменения которого в большинстве случаев сварочной практики изменяют в желаемом направлении глубину провара основного металла. На ширину шва ток оказывает незначительное влияние, которое при решении практических вопросов можно не учитывать.

Наблюдаемое увеличение глубины проплавления с ростом тока обусловлено увеличением тепловой мощности и давления столба дуги, оказываемого на поверхность сварочной ванны. Глубина проплавления связана с током практически линейной зависимостью

H = k I,

где k- коэффициент пропорциональности; I- сварочный ток, который зависит от рода тока, диаметра электрода, вида соединения, состава флюса и определяется опытным путем.

При автоматической сварке под флюсом с постоянной скоростью подачи электродной проволоки часто вместо тока оперируют понятием скорости подачи электродной проволоки, определяющей в этих условиях ток. Чем выше скорость подачи, тем больше должен быть ток для того, чтобы обеспечить расплавление подаваемой в зону сварки проволоки.

Автоматы, рассчитанные на применение электродной проволоки диаметром 3-6 мм для сварки на токах 400 - 1200 А, могут иметь механизм, обеспечивающий подачу проволоки со скоростью 0,5-3,0 м/мин. Автоматы, предназначенные для применения электродной проволоки диаметром 1,6-2,5 мм для сварки на токах 200-600 А, могут иметь механизм, обеспечивающий подачу электродной проволоки со скоростью 3-12 м/мин.

Изменение скорости сварки в пределах 6-60 м/ч и изменение напряжения дуги в допустимых пределах в отношении формирования шва не оказывают существенного влияния на скорость плавления электродной проволоки.

Род и полярность тока влияют на форму и размеры шва. При сварке на постоянном токе обратной полярности глубина провара примерно на 40 % больше, чем при сварке на прямой полярности. При сварке на переменном токе глубина провара на 15-20 % ниже, чем при сварке на постоянном токе обратной полярности.

Это объясняется формой столба дуги. Анодное пятно занимает большую площадь по сравнению с катодным. Поэтому ширина ванны на прямой полярности возрастает.

Род и полярность тока заметно влияют на скорость плавления электродной проволоки. При сварке на одинаковых токах скорость плавления на обратной полярности ниже на 20-30 %, чем на прямой.

Поэтому при сварке на постоянном токе стыковых соединений без скоса кромок и угловых соединений с малым катетом следует применять ток обратной полярности. При работах, связанных с необходимостью наплавления большого количества металла, целесообразно использовать ток прямой полярности. Для сварки на токах свыше 300-400 А по экономическим соображениям следует применять переменный ток (стоимость сварочных трансформаторов значительно ниже стоимости преобразователей и выпрямителей).

Диаметр (сечение) электродной проволоки оказывает большое влияние на размер и форму сварного шва. Уменьшение диаметра проволоки при том же токе приводит к уменьшению подвижности столба дуги и, как следствие, к уменьшению глубины провара и уменьшению ширины шва. Особенно ярко влияние диаметра электродной проволоки на глубину провара сказывается при сварке на небольших токах.

Таким образом, заданная глубина провара может быть достигнута при меньшем токе снижением диаметра электрода. Однако использование этого явления не всегда возможно, так как применение электрода малого диаметра приводит к ухудшению формирования шва за счет уменьшения ширины прова-

ра и затруднения точного направления электрода по шву из-за малой его жесткости.

Электродную проволоку малого диаметра при сварке на токах повышенной плотности следует применять для получения узкого шва с глубоким проплавлением, а электроды большего диаметра при сварке на токе пониженной плотности - для получения широкого шва с небольшим проплавлением основного металла (например, наплавочные работы).

Напряжение дуги оказывает незначительное влияние на глубину провара, которым во многих случаях можно пренебречь. Ширина шва связана с напряжением на дуге прямой зависимостью. При слишком низком напряжении дуга горит нестабильно, поверхность шва получается не ровной, бугристой. С повышением напряжения формирование шва улучшается: он становится более широким и ровным с незначительным усилением. При чрезмерном увеличении напряжения дуги стабильность горения снижается, ширина провара может уменьшаться с ухудшением формирования шва.

Для обеспечения правильного формирования шва с уменьшением диаметра электродной проволоки и увеличением плотности тока необходимо повышать напряжение дуги.

При сварке на постоянном токе требуется более низкое напряжение при обратной полярности, чем при прямой. Необходимость более низкого напряжения при обратной полярности тока объясняется меньшей подвижностью дуги.

Скорость сварки оказывает менее значительное влияние на параметры шва, чем величина сварочного тока. С увеличением скорости сварки при неизменном токе и напряжении дуги время воздействия дуги на основной металл и количество выделяемого тепла на единицу длины шва уменьшаются, вследствие чего уменьшается глубина и ширина проплавления. При скорости сварки более 70-80 м/ч возможно образование подрезов, что частично устраняется увеличением напряжения дуги.

Технология сварки. При автоматической сварке под флюсом требования к подготовке кромок и сборке изделия под сварку более высокие, чем при ручной сварке.

Разделку кромок производят машинной кислородной или плазменно-дуговой резкой, а также на металлорежущих станках.

Свариваемые кромки перед сборкой должны быть тщательно отчищены от ржавчины, грязи, масла, влаги и шлаков. Это особенно важно при больших скоростях сварки, когда загрязнения, попадая в зону дуги, приводят к образованию пор, раковин и неметаллических включений. Очистку кромок на ширине 50-60 мм производят пескоструйной обработкой или протравливанием и пассивированием.

Перед сваркой детали закрепляют на стендах или иных устройствах с помощью различных приспособлений или прихватывают ручной сваркой. Прихватки длиной 50-70 мм располагают на расстоянии не более 400 мм друг от друга, а крайние прихватки – на расстоянии не менее 200 мм от края шва. Прихватки должны быть тщательно отчищены от шлака, брызг металла.

При сварке продольных швов для ввода электрода в шов и вывода его из шва за пределы изделия к кромкам приваривают вводные и выводные планки.

Режим автоматической сварки выбирают в зависимости от толщины свариваемых кромок, формы разделки и свариваемого металла.

Автоматической сваркой под флюсом выполняют стыковые, тавровые и нахлесточные соединения в нижнем положении шва.

Стыковые швы выполняют с разделкой и без разделки кромок. При этом шов может быть одно- и двусторонним, одно- и многослойным.

Односторонняя стыковая сварка применяется в малоответственных сварных соединениях или в случаях, когда конст-

рукция изделия не позволяет производить двухстороннюю сварку шва.

Для повышения производительности труда сварку стремятся выполнять однопроходными швами. За один проход без разделки кромок, как правило, выполняют стыковые соединения из стали толщиной 12-15 мм. Для обеспечения полного провара и необходимого усиления шва между кромками стыкуемого соединения должен быть предусмотрен зазор, зависящий от толщины металла.

Зазоры и превышение кромок устанавливают в зависимости от толщины свариваемых листов.

Колебание зазора в соединениях, свариваемых встык без разделки кромок, допускается 1-3 мм для листов толщиной 10-15 мм, 2-4 мм для листов толщиной 16-20 мм и 3 -6 мм для листов толщиной 21-30 мм. Превышения кромок при сварке листов указанной толщины допускаются 2; 2,5; 3 мм соответственно.

Значительный объем расплавленного металла большая глубина проплавления и некоторый перегрев ванны могут привести к вытеканию металла в зазор и нарушению процесса формирования шва. Чтобы избежать этого, следует использовать стальную или медную подкладку, флюсовую подушку или проварить шов с обратной стороны.

Сварка на стальной подкладке производится в тех случаях, когда конструкция изделия допускает приварку подкладки с обратной стороны шва. Стальную подкладку плотно подгоняют к плоскости свариваемых кромок с обратной стороны и прикрепляют короткими швами ручной дуговой сваркой. Автоматической сваркой, выполняя основной шов, одновременно проваривают металл подкладки. Подкладку изготавливают из стальной полосы шириной 20-60 мм и толщиной 4-6 мм.

Сварка на медной подкладке применяется для большего теплоотвода и предупреждения пережога металла кромок. Вместе с тем подкладка предупреждает протекание жидкого

металла сварочной ванны. Подкладка поджимается к шву с помощью механических или пневматических приспособлений. После сварки подкладка легко отделяется от стальных заготовок. При зазоре между свариваемыми кромками более 1-2 мм медную прокладку делают с желобком, куда насыпают флюс. В этом случае на обратной стороне шва образуется сварной валик. Ширина медной подкладки составляет 40-60 мм, а толщина 5-30 мм (в зависимости от толщины свариваемых кромок).

Сварка на флюсовой подушке (рис. 2.17) заключается в том, что под свариваемые кромки изделия (1) подводят флюсовую подушку (2) - слой флюса толщиной 30-70 мм. Флюсовая подушка прижимается к свариваемым кромкам под действием массы изделия или с помощью резинового пневмошланга (3).

Рис. 2.17. Схема сварки на флюсовой подушке

Сварка после предварительного наложения подварочного шва вручную применяется для упрощения процесса сборки изделия. Однако такой способ автоматической сварки значительно увеличивает затраты труда и материалов, поэтому его следует применять реже.

Двусторонняя стыковая сварка дает более высококачественный шов, обеспечивая хороший провар даже при некотором смещении свариваемых кромок. Этим способом могут свариваться стальные листы толщиной до 22 мм без раделки кромок. Сварка производится с каждой стороны на режиме, обеспечивающем расплавление основного металла на глубину не менее 0,6 его толщины. При невозможности выдержать зазор между кромками менее 1 мм принимают меры по предупреждению подтекания жидкого металла как и при односторонней сварке.

Тавровые и нахлесточные соединения автоматической сваркой под флюсом можно выполнять вертикальным электродом при положении шва «в лодочку» или наклонным электродом, если один из листов занимает горизонтальное положение. При этом в зависимости от толщины свариваемых кромок и назначения соединения сварка может быть выполнена без разделки кромок, с одноили двухсторонней разделкой кромок.

При сварке в симметричную «лодочку» создаются наиболее благоприятные условия для формирования шва – расплавленный металл равномерно смачивает обе кромки свариваемого соединения, шов образует плавный переход к основному металлу.

При дуговой сварке под слоем флюса для возбуждения дуги, подачи электродной проволоки, поддержания заданного режима сварки, а также прекращения процесса применяют устройство, называемое сварочной головкой. Если сварочная головка перемещается вручную – процесс сварки называется полуавтоматическим, если же сварочная головка оборудована приводом перемещения, то процесс сварки называется автоматическим.

При автоматической сварке сварочная головка может перемещаться непосредственно по изделию (автоматы тракторного типа); по специальным направляющим, расположенным над изделием (навесные самоходные сварочные аппараты), может быть неподвижно закреплена на консоли над движущимся изделием (стационарные сварочные аппараты). Все три типа автоматов имеют кассету с электронной проволокой, бункер для флюса, пульт управления с электроизмерительной аппаратурой.

Сварочный автомат в комплекте с источником питания и вспомогательным оборудованием называется сварочной установкой.

Промышленность выпускает два основных типа сварочных головок: с автоматическим регулированием скорости по-

дачи электродной проволоки в зависимости от напряжения дуги и с постоянной скоростью подачи электродной проволоки.

При установившемся режиме сварки скорость подачи электродной проволоки равна скорости ее плавления. В сварочных головках с автоматически регулируемой скоростью подачи электродной проволоки в зависимости от напряжения дуги при нарушении нормального горения дуги изменяется длина дугового промежутка, что приводит к изменению напряжения дуги. Изменение напряжения воздействует на электродвигатель постоянного тока, ответственный за скорость подачи электродной проволоки, вызывая такое изменение скорости подачи, которое восстанавливает прежнее напряжение дуги, то есть заданное напряжение дуги поддерживается постоянным.

Всварочных головках с постоянной скоростью подачи электродной проволоки, не зависящей от напряжения дуги, в случае изменения длины дугового промежутка восстановление режима происходит за счет временного изменения скорости плавления электродной проволоки вследствие регулирования дуги.

Всварочных головках с постоянной скоростью подачи проволоки часто применяют электродвигатели переменного тока. В этих случаях осуществляется ступенчатое регулирование скорости подачи электродной проволоки. Необходимая скорость устанавливается предварительно перед сваркой подбором сменных зубчатых колес (или роликов). Такая схема проста и надежна, однако невозможность производить регулирование скорости во время сварки является недостатком применения электродвигателей переменного тока.

Всварочных головках, когда требуется частая плавная настройка режимов сварки, применяются электродвигатели постоянного тока. Для расширения пределов регулирования скорости подачи проволоки иногда дополнительно устанавливают сменные зубчатые колеса, что обеспечивает плавно-

ступенчатое регулирование. Автоматы с плавным регулированием скорости подачи электродной проволоки обладают большими технологическими возможностями.

Для направления дуги по свариваемым кромкам автомат снабжается указателем карандашного типа, а иногда автоуказателем, который создает яркое световое пятно впереди электрода и позволяет оператору ориентировать дугу относительно стыкового соединения. При сварке соединений с разделкой кромок электродная проволока направляется по стыку механическими копирными устройствами.

Основная часть выпускаемых аппаратов предназначена для сварки стыковых соединений. Некоторые автоматы выпускаются в универсальном исполнении для сварки стыковых и угловых соединений. Для перестройки таких автоматов имеются сменные мундштуки различной длины и соответствующие копирные устройства.

Впромышленности используются одноэлектродные, двухэлектродные и многоэлектродные автоматы. Эти автоматы оборудуются соответствующим количеством барабанов для электродной проволоки.

Двухдуговые автоматы позволяют применять схему трехфазного питания с симметричной загрузкой сети.

2.3.5.Сварка в углекислом газе

Впроизводстве сварных конструкций из низкоуглеродистых и низколегированных сталей широкое применение находит полуавтоматическая, меньше – автоматическая сварка в

углекислом газе. Сущность сварки в среде CO2 состоит в том, что дуга горит в среде защитного газа, оттесняющего воздух от зоны сварки и защищающего расплавленный металл от кислорода и азота воздуха (рис.2.18).

Полуавтоматическую сварку в углекислом газе применяют в единичном, мелкосерийном и реже – в серийном произ-

водстве для выполнения непротяженных швов изделий небольшой толщины.

Преимущества этого способа сварки: повышение производительности по сравнению с ручной сваркой в 1,2-1,5 раза; возможность сварки в любом пространственном положении и стыковых швов «на весу»; высокая маневренность и мобильность (по сравнению с автоматической сваркой); возможность визуального контроля за направлением дуги по стыку. Недостатки: сильное разбрызгивание металла при сварке на токах 200-400 А и необходимость удаления брызг с поверхности изделия; затруднено использование на открытом воздухе (на ветру) из-за сдувания защитного газа; внешний (товарный) вид шва хуже, чем при сварке под флюсом.

Рис. 2.18. Схема процесса полуавтоматической сварки в среде углекислого газа: 1 – горелка; 2 – сопло; 3 – токоподводящий наконечник; 4 – электродная проволока; 5 – сварочная дуга; 6 – сварной шов; 7 – сварочная ванна; 8 – основной металл; 9 – капли электродного металла; 10 – газовая защита

Состав вдуваемого в зону сварки углекислого газа изменяется в результате его диссоциации, взаимодействия с металлом, смешивания с газами и парами, выделяющимися из переплавляемого дугой металла, и смешивания с парами и газами, образующимися в результате нагрева веществ, загрязняющих поверхность электродной проволоки и основного металла. Определить изменение состава газа в высокотемпературной об-

ласти с учетом всех вышеуказанных факторов не представляется возможным. Изменение состава защитного газа в зоне сварки за счет термической диссоциации углекислого газа:

CO2↔CO+0,5O2,

без учета его разбавления парами и газами, выделяющимися из металла, приведено на рис. 2.19.

Рис. 2.19. Схема изменения состава газа в реакционной зоне при сварке в СО2

Окисление металла и легирующих компонентов сплава может протекать двумя путями: непосредственно углекислым газом или кислородом, образующимся в результате термической диссоциации углекислого газа

Me + CO2=CO + MeO,

Me + 0,5O2=MeO.

Но в то же время большая концентрация CO будет тормозить этот процесс и кроме того задерживать окисление углерода стали. Диссоциация паров воды, поступившей из-за повышенной влажности CO2, тоже будет тормозиться вследствие высокой концентрации кислорода, полученного при диссоциации CO2

2H2O ↔ 2H2 + O2.

На участках, удаленных от оси столба дуги, будет происходить рекомбинация молекул CO2 с большим выделением тепловой энергии, которая раньше расходовалась на диссоциа-

цию газа (по некоторым данным до 30% электрической мощности дуги)

2CO + O2 ↔ 2CO2.

Отбор теплоты на диссоциацию газа по оси дуги и ее выделение при обратном процессе на периферийных участках дугового разряда влияет на глубину проплавления и ширину шва. По сравнению с дугой, горящей в аргоне, при сварке CO2 первый параметр увеличивается, а второй – уменьшается.

В присутствии углекислого газа и продукта его диссоциации – кислорода парциальное давление азота в зоне дуги может снижаться за счет образования нерастворимых в металле оксидов азота

N2 + 2CO2↔2CO + 2NO,

N2 + O2↔2NO.

Эти реакции эндотермические и, следовательно, должны энергично протекать в столбе дуги.

При сварке в CO2 переход водорода из защитной атмосферы в жидкий металл затрудняется несколькими факторами: испарение гигроскопической и частично кристаллизационной влаги из загрязнений на поверхности металла и ее удалением из зоны сварки потоками защитного газа, взаимодействием углекислого газа с молекулярным и атомарным водородом и, повидимому, несколько повышенной окислительностью поверхности металла.

Газовая атмосфера на участках, удаленных от оси столба дуги, будет обогащаться CO2, и водород, образовавшийся при диссоциации паров воды, будет связываться в молекулы H2O

H + CO2 ↔ H2O + CO.

Парциальное давление атомарного водорода, образующегося в зоне более высоких температур (в атмосфере дуги), также снижается за счет возможных реакций образования гидроксила

H+ CO2↔CO + OH, H + O↔OH,

а повышенная окисленность поверхности металла затрудняет растворение в ней водорода. Это обусловлено тем, что концентрации водорода [H] и кислорода [O] в металле сварочной ванны взаимосвязаны из-за развития реакции

2[H] + [O]=H2O.

Константа равновесия реакции

K=PH2O/[H]12 [O],

где PH2O – парциальное давление паров воды или

[H]12 = PH2O/K [O].

Из анализа этого уравнения следует, что с повышением степени раскисленности, то есть с уменьшением концентрации кислорода в металле, равновесная концентрация водорода [H] возрастает.

Процесс сварки в углекислом газе характеризуется меньшей склонностью к образованию пор, вызываемых водородом, и меньшим содержанием этого газа в металле швов по сравнению с другими способами дуговой сварки.

Вцелом, приведенный выше анализ процессов, протекающих в газовой фазе реакционной зоны, дает основание утверждать, что углекислый газ является сильным окислителем и

при сварке в CO2 формируется окислительная атмосфера, которая взаимодействует с металлом и легирующими элементами, окисляя их.

Растворяющийся в сплаве кислород может реагировать с примесями металла с образованием шлаков и газов.

Вхвостовой части сварочной ванны шлак всплывает на поверхность металла, а образующиеся газообразные продукты могут служить причиной появления пор в металле шва.

Для связывания кислорода, растворенного в металле, необходимо применять электродные проволоки, содержащие раскислители, которые предохраняют от окисления легирующие добавки и подавляют процесс выгорания углерода свариваемого металла.

Металл, наплавленный при сварке в углекислом газе, чище по шлаковым включениям, и поэтому его пластические свойства несколько выше, чем при сварке под слоем флюса.

Режимы и техника сварки. К основным параметрам режима сварки относятся полярность тока (как правило обратная), диаметр электродной проволоки, сила тока, напряжение дуги, скорость сварки, вылет электрода (примерно равный расстоянию от торца горелки до свариваемого металла) и расход защитного газа.

Вследствие более концентрированного распределения теплоты дуги швы, выполненные в защитных газах плавящимся электродом, при всех прочих равных условиях имеют меньшее отношение ширины шва к его глубине по сравнению со швами, выполненными ручной сваркой и сваркой под флюсом.

Одна из причин, вызывающих большую глубину проплавления основного металла при сварке в защитных газах по сравнению со сваркой под флюсом – лучшее вытеснение жидкого металла из–под основания дуги вследствие ее большого давления и отсутствия факторов (веса, флюса, шлака и избыточного давления в газовом пузыре), тормозящих вытеснение металла.

Состав защитного газа оказывает большое влияние на форму и размеры швов. Швы, выполненные в аргоне, имеют менее благоприятную форму проплавления основного металла по сравнению со швами, выполненными в CO2, что объясняется особенностями переноса электродного металла через дугу, а также диссоциацией CO2 и его рекомбинацией на поверхности металла, обусловливающими более равномерное распределение теплоты дуги по пятну нагрева металла.

Переменный и постоянный ток прямой полярности не применяются из-за недостаточной устойчивости процесса и неудовлетворительного качества и формы шва. Это происходит вследствие того, что наличие в дуговом промежутке молекулярного кислорода, имеющего большое сродство с электро-

нами, приводит к образованию большого количества отрицательных ионов, нарушающих нормальные условия горения дуги, питаемой переменным и постоянным токами прямой полярности. При токе прямой полярности процесс сварки сопровождается большим разбрызгиванием и крупнокапельным переносом электродного металла.

При сварке в углекислом газе особо характерным является применение электродной проволоки малых диаметров (0,8- 2,0 мм), тока высокой плотности и соответственно большой скорости плавления электрода. При сварке на форсированных режимах тонкими проволоками наиболее целесообразной является плотность тока в электроде 250-450 А/мм2.

Увеличение диаметра электродной проволоки (при всех прочих равных условиях) сопровождается существенным уменьшением коэффициента наплавки, некоторым увеличением ширины шва и уменьшением глубины проплавления основного металла.

Диаметр сварочной проволоки dэ выбирается в зависимости от толщины свариваемых заготовок δ:

δ, мм	0,5-1,0	1,0-2,0	2,0-4,0	5,0-8,0	8,0-1,2	12-18
dэ, мм	0,5-0,8	0,8-1,0	1,0-1,2	1,6-2,0	2,0	2,0-2,5

Параметром, оказывающим большое влияние на процесс сварки, является сварочный ток. Повышение силы тока вызывает увеличение глубины проплавления, при этом количество наплавленного металла возрастает медленнее, чем проплавление и доля электродного металла в металле шва существенно уменьшается. Последнее значительно увеличивает возможность появления горячих трещин в металле швов, выполненных на сталях с повышенным содержанием углерода. Ширина шва с повышением силы тока сначала увеличивается, а затем несколько уменьшается. Оптимальные режимы сварки соответствуют максимальной ширине шва.

Увеличение сварочного тока приводит к уменьшению разбрызгивания электродного металла. Это можно объяснить

тем, что с повышением плотности тока происходит более мелкокапельный перенос электродного металла и, кроме того, при больших токах дуга погружается в основной металл и при больших токах может совсем исчезать; капли в этом случае удерживаются внутри глубокой полости.

Сувеличением напряжения дуги глубина проплавления основного металла уменьшается, а ширина шва и количество наплавленного и проплавленного металла слегка увеличиваются. Повышение напряжения дуги сопровождается усилением разбрызгивания жидкого металла и ухудшением газовой защиты зоны сварки, приводящим к порам и повышению содержания газов в металле швов.

Сувеличением скорости сварки уменьшаются размеры швов и количество наплавленного и проплавленного металлов.

Увеличение вылета электрода в пределах, обеспечивающих удовлетворительное зажигание и горение дуги, слегка увеличивает ширину шва и уменьшает глубину проплавления основного металла. Площадь поперечного сечения шва увеличивается за счет повышения количества наплавленного металла.

Качество сварных швов зависит от чистоты CO2, его расхода и характера истечения из сопла под небольшим давлением, обеспечивающим ламинарный (спокойный) характер истечения. Такое важное требование выполняется, если расход газа составляет примерно 8-12 л/мин при диаметре электродной проволоки 0,8-1,2 мм. Турбулентный характер истечения газового потока ухудшает качество защиты сварочной зоны вследствие возможного подсоса воздуха в эту зону.

Химический состав металла шва зависит не только от основного и электродного металлов, но и от параметров режима сварки, особенно сварочного тока и напряжения дуги.

Повышение силы сварочного тока при том же диаметре сварочной проволоки приводит к уменьшению времени пребывания капли на конце электрода и ее контакта с газами. Вслед-

ствие этого уменьшается степень выгорания легирующих элементов и раскислителей из сварочной проволоки.

Повышение напряжения на дуге приводит к значительному обеднению металла шва раскислителями, так как процент выгорания их в столбе дуги повышается за счет увеличения времени контакта капли электродного металла с газом.

Весьма важной характеристикой, определяющей производительность процесса сварки, является скорость плавления электродной проволоки, которая с повышением сварочного тока возрастает, при этом интенсивность нарастания скорости плавления с увеличением тока повышается.

Изменение напряжения на дуге и скорости сварки оказывают незначительное влияние на скорость плавления электродной проволоки.

Существенное влияние на скорость плавления при малых диаметрах электродной проволоки и большой плотности тока оказывает вылет электрода. С увеличением вылета электрода скорость плавления возрастает, так как количество тепла, выделяющееся в вылете электрода под действием сварочного тока, пропорционально сопротивлению вылета электрода.

Фирмой «Линкольн Электрик» разработан процесс полуавтоматической дуговой сварки плавящимся электродом STT (Surface Tension Transfer), при котором обеспечивается перенос сварочной капли силами поверхностного натяжения. Достигается это за счет прецизионного контроля за всеми фазами образования и переноса капли, а также за счет управления выходными параметрами источника питания таким образом, чтобы процесс происходил наиболее благоприятно.

На рис.2.20 показаны все фазы цикла формирования и переноса капли.

Начинается цикл на этапе роста капли при постоянном токе, который называется «базовым».

Этот рост продолжается до тех пор, пока капля не коснется сварочной ванны. Момент касания определяется по об-

ратной связи по напряжению дуги. В этот же момент сварочный ток скачком сбрасывается до уровня 5 А и некоторое время на этом уровне удерживается.

Рис. 2.20. Фазы образования и переноса капли

Делается это для того, чтобы не было первичного разбрызгивания, которое обычно происходит в то время, когда через малую площадь контакта пропускают сварочный ток. За время пока удерживается малый ток за счет поверхностного натяжения, площадь контакта капли с ванной увеличивается. После этого источник начинает линейно увеличивать сварочный ток для обжатия шейки капли. Когда шейка капли станет достаточно тонкой, что также контролируется по датчику напряжения на дуге, сварочный ток второй раз сбрасывается до 5 А, и капля без взрыва перемычки плавно перетекает в сварочную ванну за счет сил поверхностного натяжения. После разрыва цепи для скорейшего восстановления проводимости дугового промежутка источник питания подает «пиковый» ток, который через короткое время по регулируемому закону спадает до базового, и цикл переноса капли повторяется.

Такое точное «покапельное» управление процессом дуговой полуавтоматической сварки обеспечивает целый ряд преимуществ перед традиционными способами сварки:

−снижение разбрызгивания и дымообразования на 90%, соответственно снижение затрат на зачистку и фильтрацию воздуха;

−процесс происходит при сравнительно меньшей мощности, что позволяет существенно снизить термические деформации при сварке тонкостенных изделий;

−прецизионный перенос без повышенного давления дуги и возмущения сварочной ванны позволяет использовать этот процесс для сварки корневых проходов взамен аргоно-дуговой сварки неплавящимся электродом с формированием обратного валика, в том числе и по переменному зазору до 6 мм;

−механизм переноса капли обеспечивает практическую независимость от пространственного положения, что весьма привлекательно для сварки неповоротных стыков и в составе робото-технологических комплексов;

−процесс STT при сварке углеродистых и малоуглеродистых сталей в СО2 позволяет получать качество, адекватное полуавтоматической сварке в аргоне.

Реализация столь сложного процесса с отслеживанием микросекундных выдержек времени требует высокочастотного инверторного источника с микропроцессорным управлением,

Для получения швов высокого качества требуется точная подготовка и сборка деталей под сварку, точное направление электрода по шву и поддержание неизменным режима сварки. Во избежание образования пор должна быть обеспечена чистота сварочной проволоки и соединяемых поверхностей.

Стыковые соединения металла толщиной 0,8-1,2 мм можно сварить полуавтоматом на медных или стальных подкладках, а также на весу. При сварке на подкладке необходимо обеспечить плотное прилегание листов к подкладке. Сварку изделий малых толщин рекомендуется выполнять в вертикальном положении сверху вниз. Металл толщиной более 3 мм обычно сваривают с двух сторон. Длина вылета электрода устанавливается примерно равной 10 диаметрам электрода.

При сварке металла большой толщины лучше заполнять разделку более узкими валиками на большей скорости, чем наоборот. Малая скорость сварки, вызывающая чрезмерное уве-

личение размеров сварочной ванны, повышает вероятность образования пор в металле шва из-за ухудшения газовой защиты вследствие появления интенсивных конвективных потоков воздуха.

Техника полуавтоматической сварки плавящимся электродом в защитных газах подобна технике ручной сварки штучными электродами. Однако при сварке в углекислом газе для предупреждения появления дефектов в виде небольших несплавлений не рекомендуется перемещать конец электрода «змейкой». Повышенная склонность к локальным несплавлениям при полуавтоматической сварке в углекислом газе по сравнению с ручной сваркой и сваркой в аргоне объясняется меньшими при сварке в CO2 размерами столба дуги и электродных пятен, что может приводить к натеканию жидкого металла на твердый металл без предварительной обработки последнего сварочной дугой.

Рабочий пост для сварки плавящимся электродом в среде углекислого газа должен быть снабжен: источником постоянного тока, полуавтоматом, баллоном с газом, предредукторным осушителем, подогревателем газа, редуктором, ротаметром, амперметром и вольтметром (рис. 2.21).

Для сварки наиболее удобна жидкая углекислота, выпускаемая по ГОСТ 8050-85 с содержанием CO2 не менее 99,5%. В стандартный баллон заливают 25 л жидкой углекислоты, которая при испарении дает 12,5 м3 газа. Предредукторный осушитель предназначен для очистки газа от влаги, которая может содержаться в баллоне. Осушение газа осуществляется адсорбентами: медным купоросом, силикагелем или алюмогелем; наибольшей глубиной осушки и влагоемкостью обладает цеолит марки NaA-2KT.

Непрерывный отбор из баллона газообразной CO2 сопровождается резким уменьшением ее температуры и давления вследствие поглощения скрытой теплоты испарения при переходе CO2 из жидкой фазы в газообразную. При отборе газа с

расходом свыше 20 л/мин CO2 превращается в сухой лед. Для предохранения редуктора от замерзания используют подогреватель газа.

Рис. 2.21. Схема поста (а) и полуавтомат (б) для сварки плавящимся электродом в углекислом газе

Ротаметр используется для определения расхода газа.

В полуавтоматах для дуговой сварки осуществляется механизированная подача сварочной проволоки. Автоматическое поддержание постоянства параметров дуги достигается в основном за счет саморегулирования. Однако известны полуавтоматы и с принудительным регулированием дуги.

Основными элементами полуавтоматов являются: держатель, гибкие шланги, механизм подачи сварочной проволоки, кассета со сварочной проволокой и шкаф управления. Конструктивные особенности как самих полуавтоматов, так и их отдельных элементов зависит в основном от назначения (специализации) полуавтоматов.

Наиболее важный элемент полуавтомата – механизм подачи проволоки. По способу подачи проволоки различают полуавтоматы толкающего типа, тянущего типа и толкающетянущего типа.

Наиболее распространены полуавтоматы толкающего типа. Электродная проволока подается путем проталкивания ее через гибкий шланг (направляющий канал) к держателю; устойчивая подача проволоки возможна только при достаточной ее жесткости (мягкая и тонкая проволока сминается).

В полуавтоматах тянущего типа механизм размещен на держателе. В этом случае проволока протаскивается через гибкий шланг. Тянущая система обеспечивает устойчивую подачу мягкой и тонкой проволоки. Встречаются полуавтоматы с двумя синхронно работающими механизмами подачи. Один из них толкает, а другой протаскивает сварочную проволоку. Для сварки выпускают полуавтоматы, рассчитанные на номинальные токи 150-600А для проволок диаметром 0,8-3,5 мм со скоростями подачи 1,0-0,17 м/мин.

2.3.6. Сварка в среде инертных газов

Сварка в инертных газах производится неплавящимся вольфрамовым электродом или плавящимся электродом, по химическому составу близким к составу свариваемого материала, она может осуществляться вручную, полуавтоматически и автоматически.

Этот вид сварки удобен для выполнения соединений в любых пространственных положениях, легко поддается механизации, позволяет наблюдать за сварочной ванной в процессе работы, имеет довольно высокую производительность, достигающую при ручной сварке 40-50 м/ч, а при автоматической

200 м/ч.

Учитывая, что инертные газы по мере совершенствования технологии их получения становятся все менее дефицитными и относительно более дешевыми, можно прогнозировать увеличение применения этого вида сварки в будущем.

При сварке активных металлов (алюминия, титана, магния и др.) и высоколегированных сталей защитные газы не должны вступать во взаимодействие с ними и их легирующими элементами. В большей степени этому требованию отвечают инертные газы – аргон гелий и их смеси.

При обычных условиях аргон – бесцветный, неядовитый, без запаха газ; он почти в 1,5 раза тяжелее воздуха. В природе аргон присутствует только в свободном виде. Объемная кон-

центрация аргона в воздухе составляет 0,98 %. С большинством элементов аргон не образует химических соединений. В металлах, находящихся как в жидком, так и твердом состоянии, аргон не растворим.

Основным промышленным методом получения аргона является метод низкотемпературной ректификации воздуха с получением кислорода, азота и попутным извлечением аргона.

Промышленность выпускает аргон трех сортов, поставляемых как в газообразном, так и в жидком состоянии. По ГОСТ 10157-79 газообразный аргон высшего сорта (не менее 99,99 % Ar) предназначен для сварки активных металлов и их сплавов (титана, циркония, молибдена и др.), а также особо ответственных изделий из высоколегированных сталей. Аргон 1 сорта (не менее 99,98 % Ar) предназначен для сварки изделий из алюминиевых и магниевых сплавов. Аргон 2 сорта (не менее 99,95 % Ar) предназначен для сварки чистого алюминия, жаропрочных сплавов, коррозинно-стойких и конструкционных сталей.

Гелий – газ без цвета и запаха. На земле гелия мало, в не-

большом количестве он содержится в воздухе (5,2 10-4 %) и в земной коре, где он постоянно образуется при распаде урана и других радиоактивных элементов. Газ не ядовит, хорошо диффундирует через твердые тела, значительно легче воздуха и аргона; не образует химических соединений с большинством элементов.

Гелий для сварки поставляется по ТУ51-689-75 двух сортов: высокой чистоты (99,98 % He) и технический (99,8 % He).

Металлургические процессы при сварке. Состав металла шва при сварке в инертных газах определяется составом основного и присадочного металлов, а также развитием металлургических процессов при сварке.

Инертные газы сами не взаимодействуют с металлами, однако, при сварке в зоне дуги могут протекать реакции взаимодействия между элементами, входящими в состав основного

и присадочного металла. Помимо этого, происходит взаимодействие нагретого и расплавленного металла с примесями инертных газов (O2, N2, H2, H2O и др.), с газами и веществами, адсорбированными на поверхности металла и проволоки. Интенсивность взаимодействия зависит от химического состава свариваемого металла, состава и парциального давления компонентов газовой фазы у поверхности ванны и температуры ванны.

Ход металлургических реакций и состав металла шва можно регулировать путем изменения температуры и размеров сварочной ванны, длительности взаимодействия металла с газами, введением в металл легкоиспаряющихся элементов.

Состав газа влияет на характеристику и свойства дуги. Любой защитный газ, введенный в зону сварки, кроме оттеснения воздуха из этой зоны может оказывать существенное влияние на характеристики дугового разряда: температуру столба дуги, напряженность поля, плотность тока и т.п.

При сварке плавящимся вольфрамовым электродом в среде аргона или гелия столб дуги, имеющий коническую форму, расширяющуюся к аноду, характеризуется непостоянством температуры по его длине. Плазма столба дуги образуется за счет ионизации защитного газа. Потенциалы ионизации аргона и гелия составляют 15,7 и 21,5 эВ соответственно. Приближенную оценку средней температуры в центре столба вольфрамовых дуг можно проводить по зависимости

T≈1000 U0, где U0 – эффективный потенциал термической ионизации смеси газов.

Для дуги, горящей в аргоне, такая оценка дает Т≈16000 К,

а для дуги, горящей в гелии, Т≈25000 К. Эти величины близки к опытным и соответствуют тому факту, что основным плазмообразующим газом является защитный газ, а не пары металла.

При больших токах и малых дуговых промежутках напряжение на дуге становится меньше потенциала ионизации.

Минимальное напряжение на дуге приближается к потенциалу возбуждения аргона, метастабильное состояние которого, вероятно, в этом случае играет значительную роль.

Аргон, и особенно гелий, обладая высокими потенциалами ионизации, затрудняют первоначальное возбуждение дуги. Однако напряженность поля в столбе дуги и инертных газах имеет сравнительно низкое значение (10-24 В/см), и поэтому дуговой разряд в этих газах отличается высокой стабильностью. Статические характеристики такой дуги в аргоне и его смеси с гелием имеют вид, представленный на рис. 2.22.

Рис. 2.22. Вольт-амперные характеристики вольфрамовых дуг дли-

ной, мм: 1 – 1,5; 2 – 2,5; 3 – 5; 4 – 10; 5 – 18 и 6 – 25, горящих в аргоне

(а) и смеси аргона и гелия (б)

Напряжение дуги, горящей в гелии, в 1,5-2 раза выше, чем в аргоне. В связи с этим при одном и том же токе дуга в гелии обладает большей тепловой мощностью. Дуга в гелии менее концентрирована, она обеспечивает более равномерную форму проплавления, чем дуга в аргоне, а последняя обеспечивает большую глубину проплавления в центре (рис. 2.23).

Рис. 2.23. Изменение формы проплавления в зависимости от вида защитного газа: 1 – аргон; 2 – гелий

Перепад напряжения в столбе дуги в гелии больше, чем в аргоне, поэтому изменение длины дуги в гелии более заметно сказывается на напряжении и её тепловой эффективности.

Аргон и гелий по-разному влияют на поверхностное натяжение жидкого металла. Так, поверхностное натяжение жидких хромоникелевых сталей аустенитного класса при сварке в гелии заметно меньше, чем в аргоне. Поэтому после сварки в гелии наблюдается более плавный переход усиления к основному металлу, что ведет к уменьшению концентрации напряжений в этой области сварного соединения и улучшению работоспособности сварного соединения. В ряде случаев становится целесообразным применение аргоно-гелиевых смесей.

Высокие технологические свойства дуги при сварке сталей на переменном токе в аргоне обеспечиваются добавкой к аргону до 1 % кислорода. В такой среде аргона дуга горит стабильно, при этом уменьшается возможность образования пористости, вызываемой водородом, но одновременно увеличивается угар легирующих элементов. Поэтому рекомендациями такого рода при сварке высоколегированных сталей следует пользоваться осторожно.

Углекислый газ при его добавлении в количестве 5-10% к аргону способствует снижению поверхностного натяжения. При возрастании содержания CO2 до 20 % поверхностное натяжение жидкого металла увеличивается.

Для сварки неплавящимся электродом сталей рекомендуется использовать защитные газовые смеси, состав и назначение которых приведены в таблице 2.1.

Газовую смесь из 80 % аргона и 20 % CO2 используют при сварке цветных металлов и сталей по узкому зазору плавящимся электродом.

Способы защиты сварочной ванны газом. Качество за-

щиты нагретого и расплавленного металла при сварке зависит не только от вида защитного газа, но и от способа защиты.

В производстве сварных конструкций находят примене-

ние три основных способа защиты свариваемого узла или зоны сварки от взаимодействия с воздухом: общая защита, местная защита и струйная защита.

Таблица 2.1 Состав и назначение защитных газовых смесей при сварке

Рекомендуемая	Цель применения смеси		Область при-
смесь			менения
Аргон + 25 %	Для улучшения формирования шва		Стали сплавы
гелия	и увеличения проплавляющей спо-		всех марок
	собности дуги по сравнению со
	сваркой в чистом аргоне
Аргон + 0,3-1	Для повышения стабильности го-		Конструкци-
% кислорода	рения дуги на переменном токе		онные стали
Аргон + 10 %	Для улучшения	проплавляющей	Нержавею-
водорода	способности дуги	и уменьшения	щие и жаро-
	выгорания легирующих элементов		прочные ста-
	по сравнению со сваркой в чистом		ли и сплавы
	аргоне

При общей защите свариваемый узел полностью помещают в камеру, которая затем вакуумируется до разряжения порядка 10-2 Па (для удаления воздуха) и заполняется защитным газом. При работе сварщик находится вне камеры. Сварку выполняют вручную, используя рукава-перчатки, соединенные с корпусом камеры, или автоматически с дистанционным управлением. Применение камер с общей защитой всего узла обеспечивает наиболее надежную защиту нагретого и расплавленного металла от взаимодействия с воздухом. Основные недостатки этих камер – ограниченный объем и относительная сложность эксплуатации.

Для изготовления крупногабаритных конструкций применяются обитаемые камеры с инертной атмосферой. В этом случае сварщик находится внутри камеры в специальном скафандре.

В опытном или единичном производстве применение ка-

мер с общей защитой, и тем более обитаемых, нецелесообразно из экономических соображений. В этих случаях для защиты металла шва и околошовной зоны применяют местные защитные камеры, которые устанавливают на свариваемые узлы с обеспечением герметичности разъемов при перемещении заготовок. Как правило, вытекающая из сопла горелки сплошная струя защитного газа симметрична оси электрода (рис. 2.24, а).

Рис. 2.24. Схема подачи защитного газа в зону сварки (а) и горелка для механизированной сварки конструкции «Уралхиммаша» с «газовой линзой» (б)

Выходящая из сопла горелки струя защитного газа смешивается с окружающим его воздухом, в результате чего зона чистого защитного газа исходного состава (ядро) представляет собой сужающийся конус, к которому примыкает периферийная зона с промежуточным составом газа.

Защитные свойства газовой струи зависят от теплофизических свойств газа и параметров его истечения. С увеличением плотности защитного газа повышается устойчивость его струи, что затрудняет ее «сдувание» внешними потоками воздуха или других газов.

Для прямолинейных газовых струй возможны две качественно отличные друг от друга формы движения – ламинарное и турбулентное. Основное отличие ламинарного потока газа от турбулентного заключается в том, что в последнем частицы газа имеют движение не только вдоль оси сопла, но и поперек

него. Вследствие этого турбулентный поток защитного газа после выхода из сопла быстрее смешивается с окружающим воздухом и, следовательно, хуже защищает зону сварки. Ламинарный и турбулентный потоки устойчивы в различных диапазонах скоростей движения газа. Режим движения газа оценивается числом Рейнольдса

Re=D v/υ,

где D – диаметр сопла; v - скорость истечения газа; υ - коэффициент кинематической вязкости газа. При Re>3000 газовый поток, протекающий по цилиндрическому соплу, имеет турбулентное движение, а при Re<3000 ламинарное.

Оценочные расчеты показывают, что для аргона при использовании сопел диаметром 12-20 мм критические скорости его истечения, при которых движение газов переходит в турбулентный режим, составляют 2,95-1,77 м/с. Это соответствует расходу аргона 20-30 л/мин.

Уменьшить возможность турбулентного движения защитного газа можно за счет изменения его температуры, снижения скорости истечения (то есть расхода газа) и уменьшения диаметра его струи (сопла). Однако с уменьшением расхода газа уменьшается «жесткость» защитной струи и повышается возможность нарушения газовой защиты из-за ветра, неустойчивого горения дуги и др. Уменьшение диаметра сопла может привести к тому, что электрод, а, следовательно, и дуга могут выйти из зоны потока защитного газа (ядра струи).

Уменьшение турбулентности может быть достигнуто путем ввода защитного газа в сопло через большое число мелких отверстий, направленных на стенки сопла, а также путем пропускания газа в сопле через мелкоячеистые сетки или пористые керамические вставки – «газовые линзы» (рис.2.24, б), применение которых обеспечивает ламинарное истечение газа даже при числе Рейнольдса 7700.

Турбулентное истечение защитного газа из сопла горелки можно существенно уменьшить путем создание в горелке ус-

покоительных (уширительных) камер и приданию соплу рациональной формы. На практике применяют три вида сопл: конические, цилиндрические и профилированные. Лучшая защита обеспечивается при применении профилированных сопл.

Ориентировочные режимы расхода аргона в зависимости от диаметров вольфрамового электрода и выходного отверстия сопла приведены в табл. 2.2 (ОСТ92 -1186-81).

Таблица 2.2

Режимы расхода аргона в зависимости от диаметров вольфрамового электрода и выходного отверстия сопла

Диаметр вольфрамового	Диаметр выходного	Расход аргона
электрода, мм	отверстия сопла, мм	л/мин
1,5-2	5-7	2-3
2,5-3	7-9	4-5
4	9-12	6-8
6	12-14	10-21

Учитывая, что гелий примерно в 10 раз легче аргона, его расход при сварке должен быть на 30-40 % больше расхода аргона при условии обеспечения надежной защиты.

При сварке стыковых швов со струйной защитой воздух может поступать к переплавленному дугой металлу через зазор между свариваемыми деталями. Это вызовет окисление металла шва, может привести к образованию пор в шве. Для предупреждения этих дефектов применяют обдувку защитным газом обратной стороны шва, сварку ведут на плотно прилегающих со стороны шва подкладках, в которые подается защитный газ с регулируемым избыточным давлением.

Применение активирующих флюсов. Для увеличения производительности аргоно-дуговой сварки и улучшения качества получаемых соединений в зону дуги вводят активирующие флюсы или наносят их на свариваемые кромки деталей, что позволяет снизить количество пор и оксидных включений и улучшить формирование сварного шва. При введении флюсов уменьшение диаметра токопроводящего сечения дуги по-

100

вышает производительность сварки в 1,3-4 раза.

а б

Рис. 2.25. Расположение сухих активирующих флюсов в оболочках при сварке стыковых соединений: плоских заготовок - в ленте (а) и продольного шва трубы - в шнуре (б); 1 – оболочка; 2 – флюс; 3 – элементы стыка детали; 4 – электрод; 5 – выступ для закрепления

Производительность и точность при нанесении и введении флюсов в зону горения дуги, как правило, невысоки. Кроме того, часть флюса при нагреве отслаивается от металла и под давлением газа рассеивается; другая часть флюса отслаивается от детали и большими фракциями втягивается в столб дуги, что может снижать стабильность горения.

Для повышения эффективности и устранения рассеивания порошок флюса заключают в оболочку из неметаллической ткани, изготовленной из нитей SiO2, Al2O3, графита и др. (рис.2.25). Полученный гибкий шнур или ленту помещают на свариваемые кромки деталей или подают в зону горения дуги. Материалы, состоящие из оболочки и флюса, плавятся без рассеивания флюса и остатков, что снижает расход флюса на 50% по сравнению с нанесением спиртового раствора. Применение герметичных полимерных оболочек позволяет ограничивать влагонасыщение гигроскопичных компонентов флюса, а при разложении оболочек образуются газообразные соединения CFn, CO, CO2, CnHn. HF, F, благоприятствующие стабилизации

101

горения дуги.

Вольфрамовые электроды и их выбор. Неплавящиеся электроды служат только для поддержания горения дуги. Они являются источниками заряженных частиц – электронов в дуговом промежутке. Плотность тока термоэлектронной эмиссии с катода резко возрастает с увеличением его температуры (закон Ричардсона-Дешмана). Наличие высоких температур на катоде можно допустить лишь в случае изготовления его из тугоплавкого материала с высокой температурой кипения.

Таким материалом является вольфрам, его температура

плавления 3377°С, а температура кипения 5372°С. Технически чистый порошкообразный вольфрам получают путем восстановления трехокиси вольфрама в водороде. Полученный порошок вольфрама прессуют, спекают, проковывают и волочением изготавливают стержни и проволоку.

Нагретый вольфрам энергично взаимодействует с кислородом и окисляется, превращаясь в порошок. Поэтому электроды из вольфрама нельзя применять при сварке на воздухе или другой окислительной среде (например, в углекислом газе). Они применимы только для сварки в инертных газах.

Существенный недостаток электродов из технически чистого вольфрама – невысокая стойкость их торцов при сварке. Повышение стойкости электрода против оплавления торца, уменьшение количества вольфрамовых включений в шве, стабилизация дугового разряда достигаются добавкой в порошок вольфрама перед прессованием 1,5-2 % оксидов лантана La2O3 или иттрия Y2O3 и тантала Ta (рис. 2.26).

Электроды, изготовленные из такого материала, называют лантанированными или иттрированными соответственно.

Зависимость между максимально допустимым сварочным током Iсв (А) и диаметром электрода dэ (мм) при сварке на постоянном токе прямой полярности выражается формулой

Iсв=65 d3э .

102

Рис. 2.26. Стойкость вольфрамовых электродов в зависимости от количества циклов зажигания и их состава: 1 – чистый вольфрам (ЭВЧ); 2 – вольфрам лантанированный (ЭВЛ); 3 – вольфрам иттрированный (первых выпусков); 4 – вольфрам иттрированный (ЭВИ-3)

Наилучшими сварочными характеристиками обладают иттрированные электроды ЭВИ-3, они дают возможность работать на относительно больших плотностях тока (до 50 А/мм2) при меньшем расходе вольфрама.

Выбрать диаметр вольфрамового электрода (что в конечном итоге определяет и величину тока) можно по толщине свариваемых заготовок (рис. 2.27).

Рис. 2.27. Рекомендуемые диаметры вольфрамовых электродов d в зависимости от толщины свариваемого металла δ

Заточка вольфрамового электрода, характеризуемая диаметром притупления dn и углом заточки α (рис. 2.28), влияет на

103

технологические свойства дуги. При уменьшении диаметра притупления повышается концентрация теплового потока, растет давление дуги и плотность тока. При сварке электродом, имеющим притупление, вероятность появления непроваров изза несоосности электрода и линии стыка снижается.

Рис. 2.28. Схема заточки электрода

Изменение угла заточки приводит к изменению формы и размеров столба дуги. На практике используют электроды с за-

точкой под углом 45-60°. При меньших углах снижается ресурс

работы электрода, а при углах больше 90° возможно неустойчивое горение дуги из-за блуждания катодного пятна на торцевой поверхности. Оптимальную геометрию рабочего конца электрода определяют опытным путем.

Основные технологические параметры процесса сварки.

Технологические характеристики процесса сварки вольфрамовым электродом зависят главным образом от рода, полярности, величины сварочного тока, длины дуги, размеров и формы торца вольфрамового электрода.

Сварка постоянным током прямой полярности характеризуется максимальной проплавляющей способностью. В диапазоне токов до 600 А доля тепловой мощности, вводимой в изделие, составляет 60-80 %; потери на нагрев вольфрамового электрода – около 5 %, а лучевые потери от столба дуги – 5-35 %.

При сварке постоянным током обратной полярности потери на нагрев неплавящегося электрода – анода − составляют

104

около 50 % общей мощности дуги. Поэтому с энергетической точки зрения сварка током обратной полярности невыгодна. Концентрация нагрева в этом случае ниже, швы имеют меньшую глубину и большую ширину проплавления, чем при сварке на прямой полярности или переменным током. Преимуществом сварки дугой обратной полярности является эффективное разрушение оксидных пленок с обеспечением высокой чистоты поверхности сварочной ванны за счет развития катодного распыления. Процесс характеризуется хорошим сплавлением основного и присадочного металлов даже при нетщательной подготовке поверхности изделий под сварку.

Сварка переменным током является наиболее распространенным процессом при изготовлении конструкций из алюминиевых и магниевых сплавов. Очистка поверхностей от оксидов происходит в полупериоды обратной полярности. В полупериоды, когда катодное пятно находится на поверхности сварочной ванны (обратная полярность), происходит интенсивное падение температуры активного пятна в связи с отводом теплоты в массу основного металла, термоэлектронная эмиссия затрудняется. В этом случае для возбуждения дуги требуются более высокие значения напряжения, и горение дуги будет происходить при большем значении напряжения, чем в предыдущий период. При сварке на малых токах в полупериоды обратной полярности возбуждения дуги может не произойти вообще, и дуга станет «выпрямительным вентилем». Это ведет к резкому ухудшению стабильности ее горения. Поэтому установки для сварки на переменном токе вольфрамовым электродом должны содержать устройства: стабилизаторы, импульсные возбудители, батареи конденсаторов и т.д. При сварке на больших токах (свыше 300 А) допускается несбалансированный сварочный ток.

Сварочный ток и скорость сварки определяют необходимое тепловложение и выбираются в зависимости от состава и толщины свариваемого металла. Формирование и размеры шва

105

при сварке неплавящимся электродом зависят от теплового и механического воздействия дуги на сварочную ванну. При сварке на токах до 150А проплавление достигается главным образом за счет теплопередачи от дуги и конвекции расплавленного металла, влияния же давления дуги незначительны. Одинаковое проплавление можно получить при изменении сварочного тока и скорости сварки в широких пределах. При увеличении сварочного тока скорость сварки линейно растет. Максимально возможная скорость сварки ограничена в связи с появлением подрезов. Несоответствие между сварочным током и скоростью сварки вызывает чрезмерное проплавление или непровары.

В диапазоне сварочных токов 250-600 А существенную роль в проплавлении шва играет механическое воздействие дуги. Увеличение сварочного тока от 300 до 600 А при сварке, например стали Х18Н9Т толщиной 16 мм приводит к линей-

ному возрастанию силового воздействия дуги с 6 10-2 до 15 10-2 Н. В связи с этим столб дуги углубляется в расплавленный металл, в результате чего уменьшается прослойка жидкого металла под дугой и улучшаются условия теплопередачи в основной металл. Однако глубина проплавления увеличивается ~ на 50 % (от 6 до 9 мм), а ширина возрастает ~ на 70 % (от 10 до 18 мм). Более медленный рост проплавляющего действия дуги связан с тем, что с увеличением сварочного тока одновременно растет диаметр столба дуги и расширяется пятно нагрева, а плотность теплового потока меняется незначительно.

Область хорошего формирования швов ограничена кривой максимально допустимой скорости сварки, снижается от ~35 до 18 м/ч, при увеличении тока от 250 до 500 А. При больших скоростях сварки наблюдается образование газовых полостей в швах.

Так как увеличение глубины проплавления за счет повышения сварочного тока при аргонодуговой сварке сталей связано с ограничением допустимой скорости сварки, то стыковые

106

соединения толщиной свыше 4 мм, как правило, выполняют с разделкой кромок.

Длина дуги является одним из основных параметров, влияющих на формирование шва и проплавляющую способность дуги. Она выбирается в зависимости от типа соединения, марки и толщины металла. Для сварки без присадочной проволоки длина дуги устанавливается в пределах 0,5-2 мм, а при использовании присадки увеличивается до 3-4 мм. С удлинением дуги линейно растет напряжение дуги, увеличивается ее диаметр и пятно нагрева; глубина проплавления несколько уменьшается, а ширина шва интенсивно возрастает.

Техника сварки. Аргонодуговая сварка вольфрамовым электродом применяется для стыковых, угловых и нахлесточных соединений в различных пространственных положениях. Форма подготовки кромок зависит от толщины соединяемых элементов и возможности производить сварку с одной или двух сторон.

При толщине листов до 2,5 мм рекомендуется сварку производить с отбортовкой кромок. При малой величине зазора (порядка 0,1-0,5 мм) можно сваривать тонколистовой материал толщиной 0,4-4,0 мм без отбортовки и разделки кромок. Листы толщиной 4-12 мм сваривают встык с V-образной раз-

делкой кромок при угле раскрытия 50-70°.

Проплавления корня шва стыкового соединения с разделкой кромок обычно осуществляется без присадочной проволоки, затем разделка заполняется расплавленным металлом за необходимое число проходов с подачей присадочной проволоки. Подготовка поверхностей под сварку включает снятие заусенцев, оксидов механической зачисткой или химическим травлением; обезжиривание растворителями.

Сборка конструкций осуществляется с применением оснастки, обеспечивающей выравнивание кромок, устранение зазоров и прижатие кромок к подкладке (рис. 2.29). Точность сборки свариваемых заготовок зависит от толщины металла.

107

Так, зазор в стыке и смещение кромок не должны быть более 10 % при толщине свариваемого металла до 1 мм и не более 15 % при большей толщине.

Рис. 2.29. Схема сборки стыковых соединений: 1 – сварочная горелка; 2 – свариваемое изделие; 3 – медная часть подкладки; 4 – стальная часть подкладки; 5 − канал для защитного газа; 6 – прижим; 7 – канал для охлаждающей воды

Перед началом сварки следует продуть шланги и горелку небольшой порцией аргона. Дугу возбуждают спустя 3-4 с после подачи аргона в горелку.

Так как загрязнение рабочего конца вольфрамового электрода ухудшает стабильность горения дуги, качество шва и стойкость электрода, то сварочную дугу следует возбуждать без прикосновения электрода к основному или присадочному металлу. Для этого используют осциллятор или электрод закорачивают на угольную пластину, после разогрева его переводят на основной металл.

Процесс должен обеспечивать полное проплавление с образованием проплава с обратной стороны шва. Обратный валик формируется на весу или с помощью подкладок. Кратеры швов должны быть полностью заплавлены. Подачу аргона в зону сварки следует прекращать лишь спустя 10-15 с после гашения дуги.

Ручная сварка. При сварке встык металла небольших толщин (до 4 мм) обычно применяют левый способ (углом

вперед). Угол между горелкой и изделием уменьшают до 60° при уменьшении толщины свариваемого материала. При свар-

108

ке толстого металла применяют правый способ, а угол между горелкой и изделием, так же как и при сварке угловых соеди-

нений, равен 90°.

Присадочная проволока вводится после образования сварочной ванны. Для равномерного расплавления присадочную

проволоку нужно держать под углом не более 10° к свариваемому изделию и не в столбе дуги, а несколько сбоку – чтобы расплавленный металл не попал на конец вольфрамового электрода. Вылет конца электрода из сопла не должен превышать 3-5 мм и несколько увеличивается при сварке угловых и стыковых швов с глубокой разделкой. Длина дуги должна поддерживаться в пределах 1,5-2,5 мм. Для обеспечения провара в начале и конце шва рекомендуется применять выводные планки. Обрыв дуги следует производить с постепенным ее удлинением.

Полуавтоматическая сварка. Этот процесс перспективен для изделий из легированных нержавеющих сталей с криволинейными и короткими швами, особенно в монтажных условиях. Принципиальная схема держателя полуавтомата приведена на рис. 2.30.

Рис. 2.30. Схема процесса полуавтоматической сварки: 1 – вольфрамовый электрод; 2 – присадочная проволока

В процессе сварки горелка опирается на механически по-

109

даваемую от редуктора присадочную проволоку и перемещается благодаря ее отталкивающему действию. Это обеспечивает равномерную скорость сварки, равную скорости подачи проволоки.

Сварка может выполняться в нижнем горизонтальном и вертикальном положениях.

При полуавтоматической сварке неплавящимся электродом чем меньше диаметр вольфрамового электрода и присадочной проволоки, тем меньше длина дуги. Практически при подготовке полуавтомата к работе зазор между электродом и присадочной проволокой устанавливается равным 1,0-2,0 мм.

Автоматическая сварка. Сварка может выполняться без присадочного материала и с присадочным материалом.

Односторонняя сварка неплавящимся электродом встык без разделки кромок, без гарантированного зазора, без присадки, а также без применения средств приемов увеличения глубины проплавления (активирующих флюсов) может быть выполнена с полным проваром при толщине не более 5 мм.

Процесс сварки без присадочного материала чрезвычайно прост и получил достаточно широкое распространение. Образование сварочного шва без присадки происходит за счет расплавления стыкуемых кромок. Свариваемые заготовки собираются без зазора. Местные зазоры и смещения кромок по высоте не должны превышать размеров, указанных в табл. 2.3.

Таблица 2.3

Допустимые значения зазоров и смещений кромок свариваемых заготовок

Толщина заготовок, мм	0,4-0,5	0,8-1,0	1,2-1,5	1,5-2,0	2,0-3,0
Допустимый зазор, мм	0,1	0,15	0,2	0,3	0,3
Допустимое смещение	0,15	0,15	0,3	0,4	0,4
кромок по высоте, мм	0,15	0,15	0,3	0,4	0,4
кромок по высоте, мм

Для предотвращения смещения свариваемых кромок относительно друг друга в процессе сварки прижим листов к

110

опорной плоскости приспособления нужно осуществлять как можно ближе от свариваемых кромок. Максимальное расстояние между точками прижима не должно превышать значений, приведенных в таблице 2.4. Если соблюдать такие расстояния трудно, тогда можно использовать прижимной ролик, соединенный с горелкой.

Таблица 2.4

Значения максимального расстояния между точками прижима свариваемых заготовок

Толщина металла, мм	0,3-0,5	0,6-0,8	0,8-1,5	1,5-3,0
Расстояние между точками	6	6-8	8-12	12-15
прижима, мм	6	6-8	8-12	12-15
прижима, мм

Процесс автоматической сварки с присадочной проволокой получил широкое распространение для соединения заготовок толщиной более 1,5 мм. Присадочная проволока подается с заданной скоростью, которая регулируется в достаточно широких пределах.

Оборудование для сварки неплавящимся электродом в инертных газах можно классифицировать по роду сварочного тока (постоянным или переменным), степени механизации (ручное, полуавтоматическое, автоматическое), назначению (универсальное, специальное).

В состав оборудования для ручной сварки постоянным током входят: источник сварочного тока, сварочная горелка, устройство для возбуждения сварочной дуги, аппаратура управления сварочным циклом и газовой защитой. Принципиальная схема, общий вид и планировка поста для ручной сварки в среде инертных газов приведены на рис. 2.31.

Простейшим регулятором сварочного тока является балластный реостат. При пользовании балластными реостатами (например, РБ-300) следует помнить, что они рассчитаны на падение напряжения 30 В, в то время как при сварке неплавящимся электродом падение напряжения на балластном реоста-

111

те из-за низкого напряжения дуги значительно превышает это значение; для надежной работы нужно включать два реостата последовательно.

Оборудование для ручной сварки переменным током, кроме основных узлов, входящих в состав оборудования постоянного тока, включает в себя: устройство для стабилизации горения дуги (стабилизатор), устройство для компенсации и регулирования постоянной составляющей сварочного тока.

Обычно основные узлы, кроме горелки, конструктивно объединены. Такое устройство, снабженное горелкой (или комплектом горелок на разные токи), называется установкой.

В состав оборудования для автоматической сварки входят: сварочная установка, сварочная головка, устройство для перемещения сварочной головки или изделия, аппаратура управления механизмами автомата.

Простейшая сварочная головка включает в себя: сварочную горелку, устройства для установочных перемещений горелки (настройка на шов, установка длины дуги).

Обычно сварочная головка содержит и другие функциональные узлы: механизм для подачи присадочной проволоки, механизмы для установочных перемещений мундштука для подвода присадки к сварочной ванне, устройство для колебания горелки поперек стыка (колебатель); автоматический регулятор напряжения на дуге и т.п.

Головка может быть самоходной, устанавливаться на самоходную тележку-трактор (автомат тракторного типа) или укрепляться неподвижно, если сварочное движение осуществляется изделием (подвесная головка). На самоходных головках устанавливается привод перемещения вдоль линии сварки. Автоматы могут быть снабжены системами слежения за линией стыка изделия.

112

Рис. 2.31. Схема постов для ручной дуговой сварки в среде инертных газов на постоянном (а) и переменном (б) токе

В состав оборудования для сварки неплавящимся электродом включается иногда устройство для принудительного жидкостного охлаждения горелки и токоведущих кабелей. Оно состоит из насоса, теплообменника и резервуара с водой. Теплообменник обычно содержит вентилятор для ускорения охлаждения воды.

2.3.7. Плазменная сварка

Плазменная сварка относится к дуговым видам сварки, при этом в качестве источника нагрева свариваемых заготовок используется сжатая дуга.

Первое упоминание о разработке плазменной сварки относится к 1950-м годам. В течение 1960-х годов были предложены несколько принципов формирования плазменно-газового потока, разработаны и внедрены оборудование и технология этого процесса в производство. В настоящее время постоянно осуществляется развитие, совершенствование плазменной сварки и поиск новых областей её применения как у нас в

113

стране, так и за рубежом.

Сущность способа. Плазмой называется частично или полностью ионизированный газ, состоящий из нейтральных атомов и молекул, а также электрически заряженных ионов и электронов. В таком определении обычная дуга может быть названа плазмой. Однако по отношению к обычной дуге термин «плазма» практически не применяют, так как обычная дуга горит свободно между электродом и изделием и поэтому она имеет относительно невысокую температуру и обладает невысоким запасом энергии по сравнению с традиционным понятием плазмы. Для повышения температуры и мощности обычной дуги и превращения ее в плазменную используются два процесса: сжатие дуги и принудительное вдувание в дугу плазмообразующего газа.

Схема получения плазменной дуги и установки для плазменной сварки приведены на рис. 2.32.

Рис. 2.32. Схема процесса плазменной сварки: 1 - вольфрамовый электрод; 2 – вход плазмообразующего газа; 3 – водяное охлаждение; 4 – вход защитного газа; 5 – сопло; 6 – факел плазмы; 7 – присадочный пруток; 8 – плазмотрон

Сжатие дуги осуществляется за счет размещения ее в специальном устройстве - плазмотроне, стенки которого интенсивно охлаждаются водой. В результате сжатия уменьшается поперечное сечение дуги и возрастает ее мощность - количество энергии, приходящееся на единицу площади. Темпера-

114

тура в плазменной дуге достигает 30000 °С.

Одновременно со сжатием в зону плазменной дуги вдувается плазмообразующий газ, который нагревается дугой, ионизируется и в результате теплового расширения увеличивается в объеме в 50-100 раз. Это заставляет газ истекать из канала сопла плазмотрона с высокой скоростью. Кинетическая энергия движущихся ионизированных частиц плазмообразующего газа дополняет тепловую энергию, выделяющуюся в дуге в результате происходящих электрических процессов. Поэтому плазменная дуга является более мощным источником энергии, чем обычная.

Основными чертами, отличающими плазменную дугу от обычной, являются: более высокая температура; меньший диаметр дуги; цилиндрическая форма дуги (в отличие от обычной конической); давление дуги на металл в 6 – 10 раз выше, чем у обычной; возможность поддерживать дугу на малых токах (0,2

– 30 А).

Перечисленные отличительные черты делают плазменную дугу, по сравнению с обычной, более универсальным источником нагрева металла. Плазменная дуга обеспечивает более глубокое проплавление металла при одновременном уменьшении объема его расплавления.

Возможны две схемы процесса плазменной сварки: сварка плазменной дугой, когда дуга горит между неплавящимся электродом и изделием, и плазменной струей, когда дуга горит между неплавящимся электродом и соплом плазмотрона и выдувается потоком газа (рис. 2.33). Первая схема наиболее распространена.

Вкачестве плазмообразующего газа при сварке используется обычно аргон, иногда с добавками гелия или водорода.

Вкачестве защитного газа используется чаще всего также аргон. Материал электрода - вольфрам, активированный иттрием, лантаном или торием, а также гафний и медь.

115

Рис. 2.33. Принципиальные схемы процесса плазменной сварки: а - плазменной дугой, б и в - плазменной струёй: 1 - электрод, 2 - канал, 3 - охлаждающая вода, 4 - столб дуги, 5 - сопло, 6 - плазменная струя,

Е- источник тока

Взависимости от силы сварочного тока различают три

разновидности плазменной сварки: микроплазменная (IСВ=0,1- 25А); сварка на средних токах (Iсв= 50150А); сварка на больших токах (Iсв > 150А). Некоторые технические характеристики промышленных установок для плазменной сварки даны в табл. 2.5.

Таблица 2.5 Технические характеристики установок для плазменной

сварки

Наименование ус-		Наименование характеристики
тановки	Ток, А		Продолжи-	Сетевое на-
			тельность	пряжение, В
	сварочный	плазмы
		(вспом. дуга)	включения
Microplasma 20	0,1-20	1-10	20А / 100%	1х230
				(+15,-40%)
Microplasma 50	0,1-50	1-10	50А / 100%	1х230
				(+15,-40%)
Microplasma 120	0,5-120	1-10	120А / 60%	1х230
			70А / 100%	(+15,-40%)

			400А / 45%	3х400
Tetrix400 Plasma	5-400	5-25	360А / 65%
				(+20,-25%)
			300А/ 100%

Наиболее распространенной является микроплазменная

116

сварка. В связи с достаточно высокой степенью ионизации газа в плазмотроне и при использовании вольфрамовых электродов диаметром 1-2 мм плазменная дуга может гореть при очень малых токах, начиная с 0,1 А.

Схема процесса микроплазменной сварки приведена на рис. 2.34.

а б

Рис. 2.34. Общий вид установки Microplasma 20 (а) и схема процесса микроплазменной сварки (б)

Микроплазменной дугой (сила тока 0,1...25А) сваривают листы толщиной 0,025-0,8 мм из углеродистой и нержавеющей стали, меди, инконеля, хастеллоя, ковара, титана, тантала, молибдена, вольфрама, золота и др.

Специальный малоамперный источник питания постоянного тока 1 предназначен для получения дежурной дуги, непрерывно горящей между электродом 3 и медным водоохлаждаемым соплом 4. При подведении плазмотрона к изделию 6 зажигается основная дуга, которая питается от источника 2. Плазмообразующий газ подается через сопло плазмотрона, имеющее диаметр 0,5-1,5 мм. Защитный газ подается через керамическое сопло 5.

Плазменная горелка (рис.2.35) охлаждается водой. Для зажигания дуги в сварочной установке имеются осцилляторы дежурной и основной дуги.

117

Установки для микроплазменной сварки позволяют осуществлять сварку в различных режимах: непрерывный прямой полярности, импульсный прямой полярности (позволяет регулировать тепловложение), разнополярными импульсами (для алюминия, обеспечивает разрушение оксидной пленки), непрерывный обратной полярности.

Рис. 2.35. Горелки для механизированной плазменной сварки (ESAB,

Швеция): а – PTW 150 (до 150 А); б – PTW 150M (до 150 А); в – PTW 300M (до 300 А); г – РТ-8 (до 400 А)

К основным параметрам процесса микроплазменной сварки относятся сила тока, напряжение, расход плазмообразующего и защитного газа, диаметр канала сопла, глубина погружения в сопло электрода, диаметр электрода. Зависимости силы сварочного тока от толщины свариваемого металла и скорости сварки приведены на рис. 2.36.

По сравнению с аргонодуговой сваркой микроплазменная имеет следующие важные преимущества:

-изменение длины микроплазменной дуги оказывает значительно меньшее влияние на качество сварного соединения деталей малых толщин;

-дежурная плазменная дуга уверенно зажигается при токах менее 1 А;

118

- облегчается доступ к объекту сварки и улучшается зрительный обзор рабочего пространства (на токе ~ 15 А длина дуги достигает 10 мм).

Рис. 2.36. Влияние толщины металла и скорости сварки на величину сварочного тока при микроплазменной сварке

Наиболее часто встречающиеся типы соединений при микроплазменной сварке - соединения с отбортовкой (см.

рис.2.37).

Рис. 2.37. Характерные виды соединений для микроплазменной сварки

Микроплазменная сварка находит широкое применение в радиоэлектронике и приборостроении для сварки тонких листов и фольги. В авиационной промышленности с помощью микроплазменной сварки изготавливают детали толщиной 0,1...0,5 мм типа сильфонов, тонкостенных трубопроводов, деталей приборов из легированных сталей, алюминиевых сплавов, тугоплавких металлов. В последнее время микроплазменная сварка широко применяется в производстве и ремонте деталей электроники и космонавтики, измерительных инструментов, часов (в том числе ручных), ювелирных изделий, металлических фильтров, термопар и тонкостенных трубок, зубопротезировании.

119

Плазменная сварка на средних токах (Iсв = 50-150А) имеет много общего с аргонодуговой сваркой вольфрамовым электродом в среде аргона. Однако из-за более высокой мощности дуги и ограниченной площади нагрева она является более эффективной. По энергетическим характеристикам плазменная дуга занимает промежуточное положение между обычной дугой и электронным или лазерным лучом. Она обеспечивает более глубокое проплавление, чем обычная дуга при меньшей ширине шва. Кроме энергетических характеристик это связано и с более высоким давлением дуги на сварочную ванну, вследствие чего уменьшается толщина прослойки жидкого металла под дугой и улучшаются условия теплопередачи в глубь основного металла. Сварка может осуществляться с применением присадочной проволоки или без нее.

Плазменная сварка на токах более I = 150А оказывает еще большее силовое воздействие на металл (плазменная дуга на токах 150А эквивалентна 300А дуге при сварке неплавящимся электродом).

Сварка сопровождается полным проплавлением с образованием в ванне сквозного отверстия. Происходит как бы разрезание деталей с последующей заваркой (рис. 2.38).

Рис. 2.38. Формирование сварного шва со сквозным проплавлением при плазменной сварке на больших токах: 1 – плазмообразующий газ; 2 – защитный газ; плазменная дуга

Металл с обратной стороны шва удерживается силами

120

поверхностного натяжения. Диапазон режимов весьма ограничен, поскольку при сварке возможны прожоги. На рис. 2.39 приведены, например, режимы сварки титанового сплава толщиной 17 мм со сквозным проплавлением без разделки. В области А наблюдаются прожоги. Область Б - качественный шов, область В - отсутствие сквозного проплавления, интенсивное образование длинных газовых пор, область Г - образование сильных подрезов. При наличии двухстороннего доступа к изделию возможна сварка на подкладках или флюсовых подушках. Плазменная сварка на больших токах используется при сварке низкоуглеродистых и легированных сталей, меди, алюминиевых сплавов, титана и других материалов. Во многих случаях она позволяет значительно уменьшить затраты, связанные с разделкой кромок, повысить производительность сварки, улучшить качество швов.

Рис. 2.39. Выбор режимов плазменной сварки титанового сплава толщиной 17 мм, выполняемой без разделки кромок

Плазменная сварка требует высокой культуры производства, соблюдения технологии заготовки и сборки, тщательного обеспечения условий охлаждения плазмотронов и правил их эксплуатации. Даже небольшие нарушения режима охлаждения плазмотрона вследствие высоких температур и малого диаметра сопла приводят к его разрушению.

Источники питания позволяют вести процесс в непрерывном и импульсном режимах.

121

2.4. Электрошлаковая сварка

Электрошлаковая сварка (ЭШС) – процесс образования неразъёмного соединения, при котором расплавление основного и присадочного металла осуществляется за счёт тепла, выделяемого при прохождении электрического тока через расплавленный флюс. При этом слой расплавленного флюса служит защитой металла сварочной ванны от взаимодействия с кислородом и азотом воздуха. Схема электрошлакового процесса приведена на рис. 2.40.

Рис. 2.40. Трёхэлектродная установка VUZ-ETZ-450 (а) и схема пр о- цесса электрошлаковой сварки (б). Вертикальной стрелкой показано направление сварки, горизонтальной – направление перемещения электрода в зазоре

Шлаковая ванна 1 (рис.2.40) образуется (наводится) путем расплавления флюса, заполняющего пространство между кромками основного металла 2 и специальными охлаждаемыми водой приспособлениями-ползунами 3, плотно прижатыми к поверхности свариваемых деталей.

Необходимая для осуществления шлакового процесса энергия получается от источника питания с жёсткой характеристикой переменного или постоянного тока, подсоединяемого к основному металлу и плавящемуся электроду (электродам) 4, вводимому в зазор между свариваемыми кромками и погру-

122

женному в шлаковую ванну. Электрод располагают посередине шлаковой ванны или перемещают в зазоре от одной поверхности свариваемых деталей к другой. Ток к электроду подводится при помощи мундштука 5. Проходя через шлаковую

ванну, ток нагревает ее до температуры ~2000°С, превосходящей температуру плавления основного и электродного металлов.

Шлак расплавляет кромки основного металла и электрод, который подается в шлаковую ванну со скоростью, равной скорости его плавления. Расплавленные электродный и основной металлы стекают на дно шлаковой ванны, образуя сварочную (металлическую) ванну 6. По мере удаления источника нагрева происходит кристаллизация металла сварочной ванны. Расплавленный шлак, находящийся над металлической ванной, достаточно надежно защищает металл от воздействия воздуха. По мере заполнения зазора между свариваемыми кромками мундштук при помощи специального привода передвигается вдоль свариваемого изделия.

Шлаковая ванна, наведенная в начале сварки, по мере формирования шва перемещается от его начала детали к концу, при этом соприкасаясь с охлаждёнными ползунами, образует на них тонкую шлаковую корку, исключая непосредственный контакт расплавленного металла с поверхностью ползуна. Расход флюса при этом способе сварки невелик и не превышает 5% массы наплавленного металла. Ввиду малого количества шлака легирование наплавленного металла происходит, в основном, за счёт электродной проволоки. При этом доля основного металла в сварном шве может быть снижена до 10-20%.

По сравнению со сварочной дугой шлаковая ванна является менее концентрированным источником тепла, поэтому ЭШС характеризуется более медленным нагревом и охлаждением. Значительное время пребывания металла в расплавленном состоянии способствует улучшению условий удаления газов и неметаллических включений из металла шва.

123

Электрошлаковый процесс протекает устойчиво даже при плотностях тока j около 0,1 А/мм2 (при ручной дуговой сварке покрытыми электродами j=10-30 А/мм2; при автоматической под слоем флюса j=200 А/мм2; при сварке плавящимся электродом в защитных газах j=400 А/мм2), поэтому возможно использование электродов достаточно большого сечения.

Применяемые на практике методы ЭШС различают по типу электрода: сварка электродной проволокой; сварка электродной пластиной или стержнем и сварка плавящимся мундштуком (комбинированным электродом).

При сварке электродной проволокой в качестве электродов применяют проволоку диаметром 2,5-3,5 мм. Одним электродом сваривается металл толщиной до 60 мм. При большой толщине свариваемых заготовок для обеспечения равномерности расплавления основного металла электроду придаётся воз- вратно-поступательное перемещение в горизонтальной плоскости со скоростью 30-40 м/ч, или используется многоэлектродная сварка. Плотность тока в электродах может изменяться от 15 до 160 А/мм2 (100-600 А на каждый электрод).

При сварке электродной пластиной в качестве электродов применяют пластины толщиной 5-12 мм и длиной до 3,5 м. Толщина пластины не должна превышать 1/3 зазора между свариваемыми заготовками. Ширина пластины определяется мощностью источника питания и обычно не превышает 150 мм. Плотность тока в пластинах находится в пределах 0,3-2,5 А/мм2 (400-2500 А на одну пластину).

При сварке швов сложной формы используют плавящиеся мундштуки, которые выполняют роль присадочного материала. Плавящийся мундштук представляет собой пластину, к которой приварены направляющие трубки для подачи сварочной проволоки. Мундштук копирует форму свариваемого стыка и его толщина составляет 15-20% ширины зазора. Мундштук укрепляют в зазоре неподвижно с помощью керамических скоб, пластин и т.п. В процессе сварки происходит рас-

124

плавление мундштука и присадочной проволоки, подаваемой автоматически. Сечение плавящегося мундштука невелико по сравнению с электродными пластинами, поэтому плотность тока колеблется в пределах 3-7А/мм2, а общая сила тока изменяется от 500 до 1500А.

Электрошлаковую сварку, как правило, ведут при вертикальном положении изделий. Кромки располагаются верти-

кально или под углом до 30° к вертикали. Зеркало сварочной ванны, так же как и при сварке в нижнем положении, расположено в горизонтальной плоскости, а перемещение расплавленного электродного и основного металлов происходит в направлении сил тяжести.

Основные виды соединений, выполняемых ЭШС, приведены на рис. 2.41. Зазор между свариваемыми заготовками зависит от толщины соединяемых кромок и выбирается достаточным для размещения электрода.

Зазор между формирующим устройством (ползуном) и изделием не допустим свыше 0,5 мм, так как в противном сл у- чае может происходить вытекание шлаковой и металлической ванн.

Рис. 2.41. Основные виды электрошлаковых сварных соединений: «а – в» – стыковые; «г» и «д» – угловые; «е» и «ж»– тавровые

Обычно сварка начинается в прикреплённом к нижней части стыка металлическом кокиле длиной 50-100 мм, где возбуждается дуговой процесс. Для того чтобы вывести шлаковую ванну и предотвратить образование усадочных трещин и рых-

125

лоты в конце шва, на изделии устанавливаются выходные планки длиной около 100 мм.

Основными параметрами режима ЭШС являются сварочный ток, напряжение на шлаковой ванне и скорость сварки. Изменение этих параметров влияет на размеры сварочной ванны и шв а. Размеры ванны характеризуются её шириной l и глубиной h. Выпуклость шва g определяется размерами формирующих устройств (рис. 2.42).

Рис. 2.42. Размеры сварочной ванны и шва при ЭШС

Изменение сварочного тока наибольшее влияние оказывает на глубину металлической ванны. С его увеличением глубина ванны возрастает и имеет зависимость, близкую к линейной. На ширину ванны изменение сварочного тока влияет незначительно.

Изменение напряжения на шлаковой ванне оказывает большое влияние на ширину металлической ванны. Зависимость имеет прямолинейный характер. С увеличением напряжения несколько возрастает и глубина металлической ванны.

При увеличении скорости сварки наблюдается возрастание глубины ванны.

Технологические свойства флюса для ЭШС определяются его электропроводностью, вязкостью и газонасыщенностью.

При повышенной электропроводности флюса повышается устойчивость процесса и лёгкость его возбуждения. Однако

126

при высокой электропроводности флюса количество тепла, выделяющееся в шлаковой ванне, может оказаться недостаточным для проплавления кромок свариваемых заготовок.

При работе на «коротких» флюсах, у которых резко изменяется их вязкость с изменением температуры, а также на тугоплавких флюсах, имеет место отжимание ползунов. В то же время флюсы с низкой вязкостью склонны к вытеканию в зазор.

Газонасыщенность флюса должна быть минимальной, так как выделение газа в процессе сварки приводит к разбрызгиванию металла и снижению устойчивости процесса.

Электрошлаковый процесс применяют для сварки углеродистых и легированных конструкционных сталей, специальных сталей, алюминия, титана, никелевых сплавов и других металлов и сплавов. Диапазон свариваемых толщин в технике

– 8-2500 мм, хотя в принципе электрошлаковым процессом можно соединять металл неограниченной толщины.

2.5. Сварка электронным лучом

Электронно-лучевая сварка (ЭЛС) основана на использовании для нагрева энергии электронного луча.

Сущность данного процесса состоит в использовании кинетической энергии электронов, движущихся в высоком вакууме с большой скоростью (рис. 2.43). При бомбардировке электронами поверхности металла подавляющая часть кинетической энергии электронов превращается в теплоту, которая используется для расплавления металла.

Для сварки необходимо получить свободные электроны, сконцентрировать их и сообщить им большую скорость с целью увеличения их энергии, которая должна превратиться в теплоту при торможении в свариваемом металле.

Получение свободных электронов осуществляется путём применения раскаленного металлического катода, эмитирующего (испускающего) электроны. Ускорение электронов обес-

127

печивается электрическим полем с высокой разностью потенциалов между катодом и анодом. Фокусировка - концентрация электронов - достигается использованием кольцевых магнитных полей. Резкое торможение электронного потока происходит автоматически при внедрении электронов в металл. Электронный луч, используемый для сварки, создается в специальном приборе - электронной пушке.

аб

Рис. 2.43. Схема устройства электронно-лучевой пушки (а) и общий вид пушки ЭЛТП-60/30 (б)

Электронная пушка представляет собой устройство, с помощью которого получают узкие электронные пучки с большой плотностью энергии.

Пушка (рис.2.43) имеет катод (1), который размещен внутри прикатодного электрода (2). На некотором удалении от катода находится ускоряющий электрод - анод (3) с отверстием. Прикатодный и ускоряющий электроды имеют форму,

128

обеспечивающую такое строение электрического поля между ними, которое фокусирует электроны в пучок с диаметром, равным диаметру отверстия в аноде. Положительный потенциал ускоряющего электрода может достигать нескольких десятков тысяч вольт, поэтому электроды, эмитированные катодом, на пути к аноду приобретают значительную скорость и, соответственно, кинетическую энергию. После ускоряющего электрода электроны движутся равномерно. Питание пушки электрической энергией осуществляется от высоковольтного источника постоянного тока. Электроны имеют одинаковый заряд, поэтому они отталкиваются друг от друга, вследствие чего диаметр пучка увеличивается, а плотность энергии в пучке уменьшается.

Для увеличения плотности энергии в луче после выхода из анода электроны фокусируются магнитным полем в специальной магнитной линзе (4). Сфокусированные в плотный пучок летящие электроны ударяются с большой скоростью о поверхность изделия (6), при этом кинетическая энергия электронов, вследствие торможения в веществе, превращается в теплоту, нагревая металл до высоких температур. Для перемещения луча по свариваемому изделию на пути электронов помещают магнитную отклоняющую систему (5), позволяющую направлять электронный луч точно по сварочному стыку. Для обеспечения беспрепятственного движения электронов от катода к аноду и далее к изделию, для тепловой и химической изоляции катода, а также для предотвращения возможности дугового разряда между электродами в установке создается

высокий вакуум не хуже 1,3 10-2 Па (1 10-4 мм рт. ст.), обеспечиваемый вакуумной системой установки.

Работа, затраченная электрическим полем на перемещение заряда из одной точки в другую, равна произведению величины заряда (в данном случае - заряд электрона) на разность потенциалов между этими двумя точками:

А = е U.

129

Эта работа затрачивается на сообщение электрону кине-

тической энергии Е = me v2/2, то есть

е U = me v2/2.

Энергия электронов может достигать больших значений и зависит от разности потенциалов разгоняющего поля; в настоящее время эксплуатируются электронно-лучевые установки с ускоряющим напряжением в электронно-лучевой пушке до 200 кВ.

Физическая картина внешних явлений, сопровождающих действие электронов на металл, состоит из рентгеновского излучения, теплоизлучения, возникновения отраженных, вторичных электронов, испарения металла в виде атомов и ионов металла. Схема данных явлений изображена на рис.2.44. Вторичные электроны делятся на три группы: упругоотраженные электроны, энергия которых примерно равна падающим; электроны, отраженные в результате неупругого соударения и имеющие более или менее большие потери; собственно вторичные электроны, энергия которых не более 50 эВ.

Рис. 2.44. Физическая картина явлений, сопровождающих проникновение электронов в веществе: 1 - атомы металла, 2 - ионы, 3 - пучок электронов, 4 - рентгеновское излучение, 5 - отраженные и вторичные электроны, 6 - тепловое и световое излучение

Характерные значения параметров сварочных электронных лучей: минимальный радиус пучков 0,1-1 мм; энергия 10200 кэВ; мощность - до 120 кВт.

Плотность энергии в источнике нагрева является одной

130

из основных характеристик источника и определяет его эффективный коэффициент использования тепла, форму провара, размеры зоны термического влияния, сварочные деформации и поводки. Электронный луч - наиболее эффективный источник нагрева металла при сварке, поскольку плотность энергии в луче превышает плотность энергии электрической сварочной дуги более чем на три порядка.

Ниже приведены сравнительные данные по максимальной плотности энергии (Рmax) и минимальной площади пятна

нагрева (Smin) для различных видов сварки:
Вид сварки	Smin, мм2	Рmax, кВт/мм2
Газовая	1	0,5
Электродуговая	0,1	1,0
ЭЛС и лазерная	10-5	5 103

При сварке электронным пучком формируется узкий и глубокий шов. Глубина проплавления достигает 200-400 мм, а отношение глубины проплавления к средней ширине шва составляет 20-30 (рис.2.45).

Столь глубокое проникновение электронов в металл объясняется образованием канала в сварочной ванне практически на всю ее глубину. Основным фактором, вызывающим образование канала в жидком металле, является давление отдачи пара при испарении. В связи с этим канал в с варочной ванне часто называют пародинамическим.

а б

Рис. 2.45. Типичная форма сварного шва при ЭЛС (а) и общий вид статора низкого давления газотурбинного двигателя, изготовленного ЭЛС (б)

131

Технологические возможности и преимущества элек-

тронно-лучевой сварки состоят в следующем.

−При ЭЛС возможно соединение за один проход металлов и сплавов толщиной в наиболее широком среди других методов сварки диапазоне - от 0,1 до 400 мм.

−Благодаря высокой концентрации энергии в луче, минимальному вводу тепла и высокой скорости охлаждения, зона термического влияния при ЭЛС имеет существенно меньшую протяженность, а снижение свойств в ней относительно небольшое. Особое значение это имеет для аустенитной стали, сплавов циркония, молибдена и других металлов, склонных при нагреве к значительному росту зерна и снижению коррозионной стойкости.

−Глубокое проплавление металла при малой погонной энергии, имеющее место при ЭЛС, обусловливает значительно большую скорость отвода тепла от зоны сварки, что обеспечивает увеличение скорости кристаллизации малой по объему сварочной ванны с получением мелкокристаллического строения металла шва, по своим свойствам мало отличающегося от основного металла.

−Ввод значительно меньшего количества тепла при ЭЛС, особенно на импульсном режиме, по сравнению с дуговой сваркой дает возможность во много раз уменьшить деформации изделий.

−Большая концентрация энергии в малом поперечном сечении луча и возможность переноса энергии лучом на значительное расстояние от катода дают возможность использовать электронный луч при сварке в узкую щель, когда методы дуговой сварки не могут быть использованы.

−При ЭЛС рабочее расстояние «электронная пушка – изделие» можно изменять в значительных пределах без существенного изменения параметров шва. Рабочее расстояние выбирается в пределах 50-120 мм для низковольтных пушек и 50500 мм - для высоковольтных. При этом изменение рабочего

132

расстояния в процессе сварки на 1-5 мм не оказывает существенного влияния на качество соединения.

−Эффективная защита металла от взаимодействия с газами в процессе сварки, осуществляемой в высоком вакууме.

−Отклонение потока электронов в магнитном поле осуществляется практически безынерционно, что дает возможность перемещать электронный луч по сложным контурам по программе с использованием электронно-вычислительной техники.

−Существенное - в 8-10 раз - снижение энергетических затрат по сравнению с другими дуговыми методами.

ЭЛС является наиболее рациональным методом соедине-

ния:

-изделий из тугоплавких металлов;

-изделий из термически упрочненных металлов, когда нежелательна, затруднена или невозможна последующая термообработка;

-изделий после окончательной механической обработки при необходимости обеспечения минимальных сварочных деформаций;

-конструкций больших толщин ответственного назначе-

ния.

Недостатки метода ЭЛС:

−Сложность и высокая стоимость оборудования.

−Необходимость наличия вакуумных камер, что ограничивает размеры свариваемых изделий.

−Вредное рентгеновское излучение в процессе ЭЛС.

−Необходимость высококвалифицированного персонала.

Параметрами режима ЭЛС являются сила тока, уско-

ряющее напряжение, скорость сварки, ток фокусировки. Проплавляющая способность электронного луча определяется, в основном, величиной ускоряющего напряжения и, в меньшей мере, величиной тока электронного луча. Ток в фокусирующей магнитной линзе влияет на размеры пятна нагрева и, следова-

133

тельно, на величину удельной тепловой энергии. Изменяя ток фокусировки, можно изменить ширину ванны и глубину проплавления.

К числу наиболее важных технологических параметров относятся также тип и геометрия стыкового соединения и пространственное положение сварного шва и электронного пучка. Для однопроходной ЭЛС применяются типы соединений, в основном, характерные для сварки плавлением. Отличительными типами соединений являются соединения под сварку проникающим электронным пучком (рис.2.46, а), под сварку в углублении и труднодоступных местах (рис.2.46, б), под сварку тавров через полку (рис.2.46, в). Отбортовка кромок (рис.2.46, г) применяется обычно в изделиях радиотехники и приборостроения.

а б в г Рис. 2.46. Некоторые типы сварных соединений при ЭЛС

Соединения под сварку проникающим пучком допускаются для тонколистовых металлов в нижнем положении и для металлов малых и средних толщин в горизонтальном положении.

При ЭЛС обычно применяются следующие технологические схемы:

-сварка в нижнем положении (вертикальным электронным пучком) выполняется как без подкладки, так и на по д- кладке (рис.2.47, а);

-сварка на подъем и на боку (рис.2.47, б, в) выполняется горизонтальным электронным пучком без подкладки, а для предотвращения вытекания жидкого металла из сварочной

134

ванны иногда устанавливается ограничительная планка вдоль нижней кромки стыка (рис.2.47, в);

- сварка в потолочном положении (рис.2.47, г) выполняется на металлах относительно небольшой толщины (как правило до 20 мм) и применяется редко.

Рис. 2.47. Общие технологические схемы ЭЛС

Особенности подготовки как стыкуемых поверхностей деталей, так и самих деталей обусловлены, в основном, наличием вакуума при сварке и спецификой источника теплоты - узкого потока электронов.

Для обеспечения высокого качества сварного шва очистке от средств консервации, загрязнений, ржавчины и оксидных пленок подвергаются в обязательном порядке стыкуемые поверхности, внешние и внутренние. Предварительная очистка выполняется механически, а окончательная - в зависимости от свариваемого металла и степени шероховатости очищаемой поверхности различными физико-химическими способами. В некоторых случаях непосредственно перед сваркой внешняя поверхность свариваемых деталей в области стыка и стыкуемые поверхности (насколько возможно через зазор в стыке) очищаются с помощью маломощного сканирующего электронного пучка. При этом пучок должен незначительно оплавлять очищаемую поверхность, не заплавляя зазор в стыке. Для очистки выполняются 1-2 прохода.

Для однопроходной ЭЛС не требуется разделки кромок. В то же время имеются определенные требования к ширине зазора в стыке: ширина зазора должна быть меньше средних поперечных размеров электронного пучка. В зависимости от типа

135

материала, его толщины, типа стыка, пространственного положения стыка и электронного пучка, типа электронной пушки оптимальная величина зазора будет различной. Из многочисленных экспериментальных данных известно, что при ЭЛС без присадки металлов толщиной 20-30 мм зазор, как правило, составляет 0,1-0,2 мм, а толщиной свыше 30 мм - порядка 0,3 мм. Чем хуже свариваемость металла и выше требования к допустимой деформации, тем более высокие требования предъявляются к точности выдерживания требуемого зазора. Разделка же кромок соединяемых деталей применяется лишь в необходимых случаях для улучшения формирования шва и для обеспечения надежной работоспособности систем автоматического слежения за стыком. Например, для предотвращения или уменьшения усиления или уширения верхней части шва применяют «V» или «U»-образные разделки кромок. В нижней

части стыка иногда выполняют П- или Λ - образные разделки для исключения обратного валика шва.

Некоторые специальные технологические приемы, используемые для обеспечения ЭЛС:

1.Полное проплавление свариваемого стыка. Это наиболее надежный и простой способ, позволяющий исключить корневые дефекты, свести к минимуму угловые деформации, уменьшить вероятность образования пор и раковин благодаря улучшению условий дегазации металла сварочной ванны.

2.Развертка электронного луча. Широко используются следующие развертки пучка: продольная, поперечная, Х- образная, по окружности, эллипсу, дуге. Благодаря развертке при сварке металлов больших толщин удается резко расширить диаметр и повысить устойчивость канала в сварочной ванне, что благоприятно сказывается на стабильности формирования швов: уменьшается разбрызгивание расплавленного металла, предотвращается вытекание расплава из ванны при сварке горизонтальным пучком, уменьшается склонность к образованию трещин, корневых дефектов и протяженных полостей. Без

136

применения развертки практически невозможно избежать корневых непроваров при сварке металлов больших толщин, так как весьма сложным оказывается точно направить узкий луч по глубокому стыку при большой протяженности шва.

Сварка наклонным электронным пучком. Для сварки металлов большой толщины рекомендуется постоянное отклоне-

ние электронного пучка на 5-7° в направлении его перемещения по изделию. Этот прием позволяет уменьшить количество пор и несплошностей.

3.Модуляция тока электронного пучка. Импульсная модуляция тока электронного пучка применяется для уменьшения тепловложения и снижения вероятности образования трещин при сварке тонколистовых (до 1 мм) металлов. Частота импульсов и скорость сварки выбираются так, чтобы отдельные проплавленные участки перекрывали друг друга.

4.Сварка с присадкой. Этот прием используется достаточно широко для исправления дефектов шва при больших зазорах в стыке, а также для легирования металла шва. В качестве присадки может применяться проволока, лента, гранулы,

атакже проставка из листового металла (помещается в стык).

5.Двусторонняя сварка. Сущность приема заключается в последовательной или одновременной сварке двух противоположных сторон стыка с глубиной проплавления около половины толщины стыка. Этот прием применяют для обеспечения возможности сварки изделий более толстостенных, чем позволяет имеющаяся аппаратура, а также для избежания дефектов шва, вероятность появления которых возрастает с увеличением глубины проплавления.

6.Сварка начала и окончания продольного шва на выводных планках. Этот прием используют вследствие затруднения получения нормального качества в этих участках шва, так как при быстром нарастании и спаде мощности электронного пучка образуются соответственно аномально большое усиление шва и «кратер».

137

Установки для ЭЛС по степени защиты сварочной ван-

ны от воздействий атмосферных газов делятся на три класса: для сварки в высоком и промежуточном вакууме, а также для вневакуумной сварки.

Установки для сварки в высоком вакууме (рис.2.48) обеспечивают практически полную защиту металла шва, большие рабочие расстояния и остросфокусированные электронные пучки. Такие установки используются для микросварки и размерной обработки в радиоэлектронике, приборостроении, точной механике, а также для сварки изделий малых, средних и крупных габаритов в ядерной энергетике, авиастроении и ракетной технике.

Установки для сварки в промежуточном вакууме - приблизительно 13,3-1 Па (10-1-10-2 мм рт. ст.) - отличаются от предыдущих упрощенной откачной системой сварочной камеры и меньшим временем ее откачки до рабочего давления. Качество сварных соединений конструкционных сталей, алюминия, меди при этом вполне удовлетворительное.

Рис. 2.48. Принципиальная схема (а) и общий вид установки для элек- тронно-лучевой сварки (б). 1 – высоковольтный источник питания; 2

– электромагнитная линза и отклоняющие катушки; 3 – телескопическое устройство для наблюдения; 4 – сварочная камера; 5 – электрон- но-лучевая пушка; 6 – вентиль; 7 – диффузионный насос; 8 – освещение; 9 – вакуумный вентиль; 10 – роторный форвакуумный насос; 11 – пульт управления движением детали; 12 – электрический пульт управления.

138

Установки с выводом пучка в атмосферу не имеют сва-

рочной камеры. Электронный пучок через лучепровод сварочной пушки с мощной ступенчатой откачной системой выводится в атмосферу или защитную газовую среду, где и производится сварка. Установки этого класса отличаются рассеянием электронного пучка в газовой среде и, как результат - малым рабочим расстоянием.

Для установок с выводом пучка в атмосферу применяются только высоковольтные (175-200 кВ) энергетические комплексы. По габаритам сварочной камеры подразделяют установки ЭЛС для:

-микросварки и размерной обработки;

-сварки малогабаритных изделий;

-сварки изделий средних размеров (универсальные и специализированные);

-сварки крупногабаритных изделий.

Установки для ЭЛС любого типа состоят из двух основ-

ных комплексов: энергетического и электромеханического.

Отдельно следует выделить узлы, получившие название сварочных блоков. В их состав кроме сварочной пушки входят устройства для ее ориентации относительно свариваемого стыка, механизм подачи присадочного материала, устройства наблюдения и освещения и, при необходимости, вакуумные насосы для дифференциальной откачки из области эмиссионной системы сварочной пушки.

К энергетическому комплексу относится аппаратура для формирования пучка электронов с заданными параметрами, управления его мощностью и положением относительно свариваемого стыка.

Источники питания. Большинство выпускаемых высоковольтных источников питания подразделяют по мощности на следующие группы:

-до 7,5 кВт для ускоряющих напряжений 20-30 кВ;

-до 60 кВт при ускоряющем напряжении 60 кВ;

139

-до 120 кВт при ускоряющем напряжении 120 кВ;

-до 30 кВт при ускоряющем напряжении 175 кВ.

К числу главных требований к источникам питания относятся высокая стабильность и способность подавлять развитие пробоев в пушке. Чтобы обеспечить стабильность параметров проплавления, необходимо в первую очередь добиться стабильности плотности мощности пучка на изделии при общей постоянной мощности пучка. Колебания ускоряющего напряжения приводят к изменению диаметра пучка, а следовательно, и плотности энергии в плоскости изделия, ввиду чего колеблется глубина проплавления. Аналогично изменяется плотность энергии в пучке на изделии вследствие колебания тока магнитной линзы при постоянном ускоряющем напряжении. Изменение ускоряющего напряжения в пределах нескольких процентов приводит к заметному изменению глубины проплавления. Изменение тока пучка сравнительно слабо влияет на глубину проплавления, и поэтому ограничение нестабильности тока в пределах 6-10 % в большинстве случаев удовлетворяет технологическим требованиям. Питание сварочных электронных пушек ускоряющим напряжением осуществляется от трехфазных силовых выпрямителей. Коэффициент пульсаций в этой системе без сглаживающих фильтров составляет 6-7 % при частоте пульсаций 300 Гц. Для уменьш е- ния пульсаций ускоряющего напряжения на выходе выпрямителя устанавливаются фильтры из конденсаторов и дросселей. Величина допустимых пульсаций, как правило, не должна превышать 4 %: в противном случае существенно снижается глубина проплавления, наблюдаются уширение шва и разбрызгивание металла.

Управление мощностью пучка электронов. Известны следующие способы регулирования мощности пучка электронов: изменением тока эмиссии катода, подачей напряжения на управляющий электрод пушки и изменением ускоряющего напряжения.

140

При управлении током пучка путем регулирования тока накала происходит существенное изменение сходимости электронного пучка и, следовательно, изменяется проплавляющая способность пучка.

Изменение ускоряющего напряжения приводит к изменению фокусного расстояния магнитной линзы и угла отклонения пучка, поэтому данный способ также не применяется в современных энергоблоках для ЭЛС.

Основным способом регулирования мощности пучка, стабилизации заданного ее значения, импульсной модуляции, плавного уменьшения при прекращении сварки является подача управляющего напряжения на прикатодный электрод сварочной пушки. Перечисленные функции обычно выполняются с помощью блоков, условно называемых модуляторами.

Управление положением пучка электронов. Для расши-

рения технологических возможностей электронных пушек широко используется отклонение электронного пучка от оси симметрии пушки с помощью электромагнитной отклоняющей системы. В частности, таким образом осуществляется точное совмещение пучка со стыком, поиск стыка, сканирование пучка в процессе сварки, изменение диаметра пучка, предшествующая и послесварочная термообработки и т. д.

Система отклонения электронного пучка включает собственно отклоняющую электромагнитную систему с двумя парами взаимно перпендикулярных катушек и систему управления отклонением, в состав которой входят программные устройства, задающие закон отклонения пучка во времени. Программные устройства условно можно разделить на устройство для медленного перемещения пучка по сварочной траектории и устройства для быстрых отклонений пучка, отвечающие за необходимую плотность энергии пучка и воздействующие на гидродинамические процессы в сварочной ванне.

Важной проблемой для ЭЛС является поиск стыка в процессе сварки. Малая ширина сварного шва и большое от-

141

ношение глубины к ширине шва требуют точного совмещения пучка электронов с плоскостью свариваемого стыка. Требуемая точность зависит от толщины свариваемых изделий, но

обычно должна быть не хуже ±0,1 мм. Возможность точного визуального позиционирования, непосредственно через илл ю- минаторное окно, через оптическую систему либо с помощью телевизионных систем наблюдения, ограничены явлением металлизации иллюминаторов и выходных оптических устройств, а также из-за высокой яркости свечения сварочной ванны на фоне плохо освещенной прилегающей поверхности изделия.

Положение стыка непосредственно перед зоной сварки в процессе ее выполнения удается корректировать перемещением пушки с помощью механических щупов. Однако применение механического щупа требует значительной разделки кромок или специального технологического выступа (буртика) для облегчения зацепления со щупом, а также не позволяет компенсировать отклонение пучка остаточными магнитными полями.

Чтобы иметь возможность контролировать и этот фактор, для определения истинного положения пучка используют яв-

ление вторично-электронной эмиссии от металлической по-

верхности, облучаемой острофокусным пучком электронов. При пересечении стыка пучком электронов изменяются интенсивность потока отраженных электронов и ее распределение в пространстве. Как только первичный пучок начнет перекрывать линию стыка, то есть хотя бы частично станет проникать сквозь зазор между кромками, отраженный ток уменьшится. Эти сигналы регистрируются датчиком, происходит их сопоставление с заранее заданным уровнем и, как результат, корректируется движение пушки. На основе использования вторично-эмиссионного сигнала от стыка построен ряд широко применяемых устройств позиционирования сварочного пучка: растровых телевизионных (в них съемочная камера заменена

142

сварочной пушкой с датчиком вторичных электронов), приборов «Рефлектрон» или «Прицел» (представляют собой упрощенный вариант растровых телевизионных систем), систем с предварительным обучением.

Системы с предварительным обучением строятся на принципе запоминания первичной траектории взаимного перемещения пучка и изделия, контролируемого оператором визуально или, например, с помощью прибора «Прицел». Наиболее эффективно применение таких систем при необходимости многократных проходов пучком электронов по траектории стыка.

Электромеханический комплекс установки предназначен для герметизации и вакуумирования рабочего объема, выполнения всех сварочных, установочных и транспортных перемещений свариваемого изделия и электронной пушки. Электромеханический комплекс сварочной установки состоит из ряда функциональных систем, основные из них перечислены ниже.

Сварочные вакуумные камеры. Такие камеры относятся к наиболее важным и трудоемким узлам установки для ЭЛС. От их формы, конструкции, жесткости и габаритов зависят возможные размеры и качество свариваемых за одну садку изделий, удобство их загрузки и выгрузки, возможность пристыковки дополнительных объемов в нужном направлении и др.

По степени специализации различают два типа камер:

универсальные и специализированные.

Универсальные камеры предназначены для сварки изделий любой формы и габаритов в пределах рабочего пространства камеры. Такие камеры используются в единичном и мелкосерийном производстве и выпускаются в соответствии с принятыми параметрическими рядами. Это дает возможность выбрать камеры наиболее подходящих размеров применительно к конкретным изделиям.

Специализированные камеры тесно увязаны с конструкцией и габаритами конкретного изделия (или группы изделий).

143

В ряде случаев специализированные камеры выполняются по форме свариваемого изделия.

К камерам сварочных установок предъявляются разнообразные, часто противоречивые требования:

-по объему камеры. Объем должен быть, с одной ст о- роны, достаточным для размещения и рабочих перемещений изделий; с другой стороны, этот объем должен быть минимально возможным с целью сокращения времени откачки;

-по протяженности разъемов. Камера должна обеспечивать удобный доступ в рабочую зону для загрузки, выгрузки и обслуживания; вместе с тем камера должна иметь минимальное количество разъемов с вакуумными уплотнителями и открывающихся крышек, так как они являются вероятными местами натекания атмосферного воздуха и чаще всего пропускают рентгеновское излучение;

-по металлоемкости. Камеры должны иметь минимальную металлоемкость и быть технологичными, в то же время необходимо обеспечить механическую прочность и жесткость всех их элементов, а также биологическую защиту оператора от рентгеновского излучения.

Известны камеры прямоугольной и цилиндрической формы.

В современных конструкциях установок преимущественно применяются прямоугольные камеры. Это объясняется,

прежде всего, их универсальностью. В таких камерах наиболее эффективно используются подвижные сварочные пушки, сменные манипуляторы изделия. Кроме того, объем таких камер сравнительно легко увеличить пристыковкой дополнительных секций.

Цилиндрические камеры применяются реже, так как они менее универсальны и хуже приспособлены к работе с перемещающимися внутри камеры сварочными пушками, что дает низкий коэффициент использования объема сварочной камеры.

Изготавливаются сварочные камеры чаще из конструкци-

144

онных сталей, их коррозионная стойкость, как правило, достаточна в связи с тем, что внутрен ние поверхности камеры в процессе работы покрываются конденсатом свариваемых металлов. Применение коррозионно-стойких сталей оправдано в том случае, когда по условиям производства необходимо периодически промывать камеру агрессивными растворителями.

Откачные системы. Такие системы служат для создания и поддержания в процессе работы высокого вакуума в ди а-

пазоне 1,33 10-2-1,33 10-3 Па (1 10-4 -1 10-5 мм рт. ст.) в ускоряющем промежутке сварочной пушки и сварочной камере. Откачные системы крупногабаритных камер включают, как правило, насосы предварительного разрежения, форвакуумные, бустерные насосы и высоковакуумные агрегаты (паромасляные, геттерные и турбомолекулярные). Насосы предварительного разрежения (например, типа РВН) создают начальное разрежение в камере порядка 104 Па (0,1 атм.). Далее, форвакуумные (типа НВЗ, АВЗ и др.) насосы доводят разрежение

до 10-1 Па (1,33 10-1-1,33 10-2 мм рт. ст.), а в заключение диффузионные высоковакуумные агрегаты (типа АВП, АВЭД и

др.) - до 1,33 10-2 - 1,33 10-3 Па (1 10-4-1 10-5 мм рт. ст.). В ряде случаев для получения более высокого вакуума в районе элек- тронно-лучевой пушки применяют дополнительные вакуумные системы - менее производительные, но обеспечивающие высокий «безмасляный» вакуум (с использованием турбомолекулярных насосов). При этом полость катодного узла не загрязняется парами масел.

Сварочные манипуляторы. Сварочные манипуляторы предназначаются для сварочных, установочных и транспортных перемещений свариваемого изделия и электронной пушки. Они делятся на две группы: манипуляторы изделия и манипуляторы пушки. Первые являются обязательным элементом практически любой установки, а вторые используются в тех случаях, когда сварочная пушка перемещается внутри вакуумной камеры.

145

По конструктивному исполнению сварочные манипуляторы подразделяются на универсальные с большим количеством степеней свободы и специализированные для сварки конкретных изделий. Применение сложных универсальных манипуляторов целесообразно при единичном и мелкосерийном производстве с частой сменой типа свариваемых изделий. Выполняются они чаще всего в виде тележек, вращателей, двухкоординатных столов и т.п. Манипуляторы сварочной пушки могут быть выполнены, например, в виде шарнирнорычажных устройств, в виде направляющей траверсы, по которой перемещается каретка с шарнирно-закрепленной на консоли сварочной пушкой и пр.

Системы наблюдения. Особенностью систем наблюдения при ЭЛС является необходимость защиты их от запыления парами свариваемых материалов и от теплового воздействия сварочной ванны. В качестве защитных устройств могут применяться поворотные прозрачные экраны и прозрачные перемещаемые защитные пленки.

Смотровое окно, кроме прочного иллюминаторного стекла, содержит рентгеновское стекло для защиты персонала от рентгеновского излучения из сварочной ванны.

Оптические устройства, увеличивающие объект наблюдения, как правило, в 5-50 раз могут быть независимыми и встроенными в конструкцию смотрового окна или сварочной пушки.

Телевизионные системы дают возможность передавать изображение на большое расстояние и устанавливать сварочный стык в непосредственной близости от сварочной пушки.

Вспомогательные устройства и механизмы. К вспомога-

тельным устройствам и механизмам обычно относят устройства и механизмы типа подвижных платформ для выкатывания сварочных манипуляторов из камеры, устройств для предварительного нагрева свариваемых изделий, их сборки в сварочной камере и пр.

146

Наиболее рациональными областями применения ЭЛС в промышленности являются:

1. Изделия из тугоплавких и химически активных метал-

лов.

2.Конструкции, требующие минимальных деформаций и зон термического влияния. Замена аргоно-дуговой сварки на ЭЛС позволяет в ряде случаев полностью исключить правку.

3.С помощью электронного луча сваривают такие узлы, как блоки зубчатых колес, не подвергая их последующей механической обработке. Каждый элемент зубчатого блока до сварки подвергается отдельно термической или химикотермической обработке. Полученные свойства после термической обработки у входящих в блок деталей сохраняются и после сварки.

4.ЭЛС используется при соединении ротора и частей вала газовой турбины двигателя, фланцев с сопловыми аппаратами, деталей шасси самолета, элементов жесткости с обшивкой сотовых панелей.

5.Конструкции с труднодоступными местами, а также использование сварки нескольких стенок за один проход. Последнее оказывается возможным благодаря высокой концентрации источника нагрева.

6.Соединение разнородных материалов. Меньшая величина сварочных напряжений при ЭЛС благоприятно сказывается на уменьшении склонности к образованию трещин при сварке разнородных металлов. Это позволяет легче соединить между собой такие металлы, как молибден и вольфрам, молибден и ниобий, вольфрам и титан, некоторые виды керамик и металл.

7.Соединение деталей малых толщин. Возможность тонкого регулирования мощности и диаметра луча, небольшое давление его на сварочную ванну позволяют соединять, например, прецизионные изделия электронной техники.

8.Соединение деталей в космосе. Вакуум космического

147

пространства может быть использован для ЭЛС отдельных деталей, узлов при сборке космических платформ и различных ремонтных работах. В настоящее время силами ИЭС им. Е.О. Патона создана и прошла успешные испытания на борту орбитальной станции «Мир» аппаратура и набор специализированных инструментов для выполнения ручной электроннолучевой сварки в космосе. Некоторые характеристики комплекса «Универсал»:

-напряжение питания - 23-34 В;

-потребляемая мощность - до 1,5 кВт;

-ускоряющее напряжение - 8-10 кВ;

-ток электронного пучка - до 110 мА;

-наибольшее время непрерывной работы - 5 мин.;

-технологические операции - сварка, резка, пайка, сварка

сприсадкой, нанесение покрытий из тигля и присадочной проволокой;

-масса инструмента (в руках оператора) - 5 кг.

2.6. Сварка лазером

При лазерной сварке в качестве источника тепла используется интенсивный остронаправленный пучок света, излучаемый оптическим квантовым генератором.

Схема образования соединения при лазерной сварке показана на рис.2.49.

В основу принципа работы оптического квантового генератора и усилителя положено индуцированное излучение, которое связано с поглощением электромагнитных волн или фотонов атомными системами. При поглощении фотона его энергия передается атому, который переходит в возбужденное квантовое состояние. Через некоторый промежуток времени атом может спонтанно излучить эту энергию в виде фотона и возвратиться в основное состояние. Пока атом находится в возбужденном состоянии, его можно побудить испустить фотон под воздействием внешнего фотона («падающей волны»),

148

энергия которого в точности равна энергии фотона, испускаемого при спонтанном излучении. Такое излучение называется индуцированным. В результате падающая волна усиливается волной, излучаемой возбужденным атомом. Важным в этом процессе является то, что испускаемая волна в точности совпадает по фазе с той, под действием которой она возникла. Это явление используется в квантовых усилителях. Квантовые генераторы преобразуют электрическую, световую, тепловую или химическую энергию в монохроматическое когерентное излучение электромагнитных волн: ультрафиолетового, видимого и инфракрасного диапазона.

Рис. 2.49. Схема образования соединения при лазерной сварке

Энергетические характеристики лазерного луча по кон-

центрации энергии сопоставимы с электронным лучом. Для сфокусированного луча лазера вследствие малых значений площади фокуса (для маломощных лазеров - диаметр пятна порядка 0,01-0,05 мм, для мощных - порядка 0,2-0,5 мм) плот-

ность энергии в фокусе может достигать 5 103 кВт/мм2. Время

импульса при этом, однако, очень мало и составляет порядка

10-9 с.

КПД большинства оптических квантовых генераторов также невелик. Он составляет, например, около 0,1 % у квантового генератора на рубине, получившего широкое применение для сварки. КПД у генераторов на СО2 заметно выше - до 15-20 % при работе в непрерывном режиме; использование излучателей на основе полупроводников позволяет получать

149

КПД до 70 %.

Потребляемая мощность твердотельных технологических лазерных установок составляет, как правило, от 1 до 10 кВт.

Преимущества лазерной сварки:

−Возможность получения швов с минимальным расплавлением металла и, как следствие, минимальными остаточными напряжениями и деформациями в конструкциях. Кроме того, при этом удается достичь минимума отрицательного воздействия на структуру и свойства зоны термического влияния соединения.

−Вышеуказанные преимущества, как и при ЭЛС, связаны с достижением высокой плотности энергии в фокусе лазерного луча.

−Возможность сварки вне вакуума, через прозрачные среды, в труднодоступных местах.

−Отсутствие потерь времени на загрузку, вакуумирование и выгрузку деталей в сравнении с ЭЛС.

Недостатки лазерной сварки:

−Стоимость мощных лазерных установок выше, чем электронно-лучевых.

−Относительно низкий КПД лазерных установок.

−Значительно меньшие мощность и возможность сварки металлов больших толщин по сравнению с ЭЛС.

Особенности технологии лазерной сварки связаны, в основном, с необходимостью снизить отражение луча от поверхности свариваемого металла, исключить выброс металла из сварочной ванны под воздействием паров интенсивно испаряющегося металла и выделяющихся из него газов, при сварке больших толщин металлов - с необходимостью защиты сварочной ванны от взаимодействия с воздухом.

Отражение от металла уменьшают подбором необходимой формы импульса лазера, специальной обработкой поверхности или нанесением на нее покрытия.

Выброс металла из сварочной ванны при импульсном

150

режиме сварки, являющийся характерной особенностью формирования шва, определяется характером нагрева металла.

Для расчета максимальной глубины проплавления lmax без выплеска можно использовать следующее выражение:

lmax =r0/2 (Тк/Тпл-Тпл/Тк),

где r0 - радиус пятна нагрева; Тпл - температура плавления металла; Тк - температура кипения металла.

Для увеличения глубины проплавления без выплеска форма импульса должна быть такой, чтобы нагрев поверхности происходил быстро до Тmax≤Тк, а далее мощность импульса уменьшилась и оставалась постоянной на уровне, способном обеспечивать продвижение фронта плавления в глубину металла. При такой форме импульса, когда максимум его энергии сдвинут в начало, несколько возрастают относительные потери на отражение и теплопроводность. Пологая часть импульса позволяет снизить давление, приводит к увеличению количества жидкой фазы, которая заполняет углубление, возникающее от воздействия переднего, более мощного фронта импульса. Увеличение длительности воздействия импульса способствует также более полному удалению газов из расплавленного металла в жидком состоянии и этим уменьшению пористости.

Импульсной лазерной сваркой сваривают, чаще всего, проволоку между собой или проволоку с более массивными деталями, при этом лазерный луч по зволяет вести сварку без зачистки контактов от изоляции, что увеличивает производительность процесса.

Непрерывная лазерная сварка металлов значительных толщин производится газовыми лазерами. При сварке непрерывным лазерным лучом большой мощности приходится устранять экранирующее влияние ионизированного облака, которое возникает при взаимодействии лазерного луча с атмосферой и испаряющимся металлом. Облако рассеивает луч и препятствует нагреву металла сварочной ванны. Устраняют его, сдувая струей газа, чаще всего аргона, направляя ее перпенди-

151

кулярно оси луча. Одновременно инертный газ защищает металл от окисления. Применение для защиты вместо аргона гелия или смеси гелия с водородом увеличивает проплавление лазерным лучом, но более легкий, чем аргон, гелий плохо вытесняет облако плазмы.

Непрерывная сварка лазером обеспечивает значительно большие скорости сварки по сравнению с импульсной, что делает ее более перспективной для сварки элементов силовых конструкций. При проектировании узлов и конструкций, изготовляемых с помощью лазерной сварки, рекомендуют такие технологические схемы, где чаще всего шов формируется за счет плавления основного металла.

На рис. 2.50 и 2.51 приведены наиболее характерные типы соединений проволоки между собой и с массивными деталями, а на рис. 2.52 - типы соединений для сварки, осуществляемой лазером непрерывного действия (или импульсным с взаимным перекрытием точек).

Рис. 2.50. Характерные типы соединений проволоки лазерной пайкой

Рис. 2.51. Характерные типы соединений проволоки с массивными соединениями лазерной сваркой

Рис. 2.52. Типы соединений для сварки лазером непрерывного (или импульсного с перекрытием) действия

152

Квантовый генератор - основной элемент установки для лазерной сварки - преобразует электрическую, световую, тепловую или химическую энергию в монохроматическое когерентное излучение электромагнитных волн ультрафиолетового, видимого или инфракрасного диапазона.

Взависимости от типа излучателя - активного элемента - оптические квантовые генераторы подразделяют на твердотельные, жидкостные, газовые и полупроводниковые.

Втвердотельных генераторах в качестве излучателя мо-

гут использоваться стекло с неодимом, рубин, гранат с эрбием и др. Генераторы на алюмонатриевом гранате с неодимом позволяют получать мощность до 1 квт в непрерывном режиме.

Жидкостные квантовые генераторы (на неорганических жидкостях - растворах окиси неодима, красителях и др.) по своим характеристикам ближе всего стоят к твердотельным импульсным генераторам, но превосходят их по энергии в импульсе вследствие больших объемов активных элементов.

У газовых квантовых генераторов (излучателем может быть водород, азот, аргон, углекислый газ и пр.) самый широкий спектр излучения и наибольшая мощность в непрерывном режиме.

Излучателями у полупроводниковых квантовых генераторов служат полупроводниковые монокристаллы: арсениды галлия и индия, сплавы кадмия с селеном и серой и др. Эти г е- нераторы обладают малым весом, экономичны, обладают самым высоким (до 70 %) КПД.

Излучатель возбуждается и генерирует свет под действи-

ем энергии системы накачки:

-твердотельные и жидкие активные элементы возбуждаются светом импульсных ламп;

-газовые смеси, в основном, накачиваются энергией газового разряда;

-полупроводниковые излучатели используют энергию электрического тока, протекающего через область p-n- перехо-

153

да;

- разработаны системы, которые позволяют использовать для накачки газовых лазеров тепло и энергию химических реакций.

В зависимости от энергетических параметров системы накачки лазер работает в импульсном или непрерывном режиме.

Принципиальное конструктивное решение основных функциональных узлов оптического квантового генератора целесообразно рассмотреть на примере наиболее распространенного технологического лазера, использующего рубин в качестве излучателя.

Рубин - это окись алюминия, в которой небольшое число атомов алюминия замещено атомами хрома. Обычно в квантовых генераторах используют бледно-розовый рубин, содержащий 0,05 % хрома.

Используемый в лазере розовый кристалл рубина обрабатывается в виде стержня, длина и диаметр которого определяют мощность излучения. Его торцы полируют до получения оптически плоской поверхности, затем их серебрят для получения отражающих поверхностей. Выходной конец кристалла является полупрозрачным. Рубиновый стерженек помещают вблизи электронной лампы вспышки, служащей источником широкополосного света для оптической накачки.

Энергетическая схема квантового генератора на рубине показана на рис.2.53. В квантовом генераторе на кристалле рубина атомы хрома, находящиеся в исходном состоянии (1), поглощают фотоны и переходят на один из расположенных выше уровней (2). Часть энергии они передают кристаллической решетке, вызывая повышение температуры, и переходят при этом на метастабильный уровень (3). Затем под действием индуцирующих фотонов, испускаемых другими атомами хрома, они излучают фотоны характеристической длины волны, возвращаясь опять в исходное состояние.

154

Рис. 2.53. Энергетическая схема оптического квантового генератора на рубине

Лазер на кристалле рубина питается от импульсной лампы. При освещении лампой (вспышками) рубинового стержня большинство атомов хрома переводится в возбужденное состояние. При спонтанном испускании возбужденным атомом фотона параллельно оси кристалла фотон побуждает другой возбужденный атом испустить второй фотон (индуцированный). Этот процесс продолжается лавинообразно, поскольку фотоны, отражаясь от торцов кристалла, движутся по кристаллу в осевом направлении. Интенсивность пучка растет в результате многократного отражения от обоих торцов стержня. В этом случае, если интенсивность света от импульсной лампы превысит некоторый критический уровень, начинает появляться эффект квантового усиления, и тогда с полупрозрачного торца в течение тысячных долей секунды выбрасывается интенсивный поток фотонов с длиной волны 6943 ангстрема.

Выходной пучок является узконаправленным, мощным, монохроматическим и когерентным. Излучение является узконаправленным вследствие того, что испускаются волны, лишь многократно отраженные и не испытавшие сколько-нибудь существенного отклонения от оси рубина. Излучение является мощным, так как индуцированное излучение возбужденных атомов происходит гораздо раньше, чем спонтанное излучение.

Высокая степень монохроматичности излучения обусловлена тем, что индуцированное излучение представляет собой резонансный процесс, и в силу этого более привязано к центру полосы частот, чем излучение, спонтанно испускаемое атомами. Эти предпочтительные частоты возбуждают, в свою

155

очередь, излучение на той же частоте, так что волна в квантовом генераторе содержит чрезвычайно узкий интервал частот и длин волн. Обычный белый световой луч, состоящий из электромагнитных волн различной длины, фокусируется линзой в значительном объеме вследствие дисперсии света, различной степени преломления стеклом линзы световых волн различной длины. Дисперсия света приводит к тому, что узкий пучок белого света, проходя линзы, уширяется, образуя спектр. Монохроматический световой луч лазера состоит из электромагнитных волн одной длины, и потому такой луч фокусируется в очень малом объеме, практически в точке (рис.2.54).

Рис. 2.54. Фокусирование линзой белого (а) и монохроматического (б) лучей. 1 - фокусирующие системы, 2 и 3 - фиолетовый и красный лучи

Лазерная сварочная установка состоит из генератора,

блока питания, стола с конденсаторами и стереоскопического микроскопа (рис.2.55).

Рис. 2.55. Схема сварочного оптического квантового генератора

156

Основным узлом генератора является осветительная камера (1), внутри которой вставлен кристалл рубина (2). В камере параллельно кристаллу установлена импульсная лампа (3), на концы которой подводится высокое напряжение. Внутренняя поверхность камеры отполирована и является отражателем света. В камеру подается сжатый воздух для охлаждения кристалла рубина. Использованный воздух уходит в атмосферу. Для формирования испускаемого кристаллом рубина излучения и направления его на место сварки служит формирующая оптическая система, состоящая из призмы (4), линзы и сменного объектива (5). Формирующая система снабжена сменными объективами, которые фокусируют параллельный пучок света, испускаемый генератором, в пятно диаметром

0,25-0,05 мм.

Генератор предназначен для преобразования энергии, запасенной в блоке конденсаторов, в узконаправленный, монохроматический, когерентный световой пучок.

Для настройки генератора используют оптическое устройство, состоящее из осветителя (6), призмы (7) и конденсорной линзы (8). Луч света от осветителя проходит через рубин и оптическую систему генератора, имитируя прохождение излучения от кристалла (рис.2.55). Для визуального наблюдения за местом сварки при наведении луча подсветки на место сварки и для осмотра сваренных элементов служит стереоскопический микроскоп (9). Для защиты глаз оператора, работающего на установке, от излучения генератора в момент вспышки (сварки), предусмотрен затвор (10), приводимый в движение электромагнитом. На лампу вспышки подается напряжение 18 кВ. Для изменения времени разряда и, следовательно, времени горения лампы в цепи лампы установлены индуктивности, меняя величину которых, можно менять и время длительности импульса.

Наиболее мощными являются газовые лазеры (рис.2.56). Наибольшее применение в промышленности лазерная

157

сварка находит в следующих областях:

-в радиоэлектронике и электронной технике при сварке контактов проводников с пленками на микроплатах, твердых схемах и микроэлементах;

-при сварке различных композиций металлов, используемых в микроэлектронике: золото - кремний, германий - золото, никель - тантал, медь - алюминий и др.;

-использование лазеров непрерывного действия на СО2 дает возможность получать сварные соединения стали толщиной до 15 мм, а также производить резку и термообработку изделий.

Рис. 2.56. Технологический лазер ЛТ-104 разработки ИЭС им. Е.О.Патона с мощностью излучения 8 кВт на смеси газов СО2+N2 + Не, применяемый для сварки, наплавки и термообработки

2.7.Лазерно-дуговая сварка

Впоследнее время всё большее развитие получают гибридные или комбинированные технологические процессы, реализуемые путём совместного использования двух различных источников тепла, в частности, лазерного пучка и электрической дуги.

158

Первые исследования лазерно-дуговых процессов, выполненные во второй половине 1970-х годов в Англии, показали, что эти процессы обладают целым рядом особенностей, которые нельзя объяснить простой суперпозицией свойств используемых источников тепла, взятых по отдельности. Так, установлено, что при этом способе воздействия на металл существенно увеличивается коэффициент использования энергии как лазерного, так и дугового источников тепла, повышается стабильность движения пятна дуги по поверхности изделия, что позволяет значительно увеличить глубину проплавления при использовании лазеров небольшой мощности, а также повысить стабильность и практически удвоить производительность соответствующего дугового процесса.

Существуют термины: «гибридный» и «комбинированный» способы сварки. Под понятием гибридная сварка подразумевают такой способ сварки, при котором лазерное излучение и электрическая дуга действуют совместно на одну точку, и физическая сущность такого действия отличается от действия каждого из соответствующих видов сварки. Под понятием комбинированная сварка подразумевают способ сварки, при котором лазерное излучение и дуга создают единый термический цикл процесса, однако физическая сущность действия каждой из составляющих процесса остаётся самостоятельной.

При гибридной (рис.2.57, а) сварке синергетический эффект от совместного использования лазерного излучения и электрической дуги (эффект нарушения аддитивности теплового воздействия на изделие лазерного пучка и дуговой плазмы) вызван переходом от теплопроводного режима сварки к режиму глубокого (кинжального) проплавления. При этом используют сравнительно маломощные лазерные и дуговые источники, ни у одного из которых в отдельности не хватает мощности для достижения сквозного проплавления металла (обычно тонколистового). В случае же их комбинации дуга «привязывается» к месту действия лазерного излучения на изделие (анод).

159

Электрическая дуга сжимается в пределах факела лазерной плазмы, при этом эффект блуждания анодного пятна устраняется.

Благодаря дополнительному энерговкладу дуги, застабилизированной лазерным излучением, а также увеличению поглощательной способности перегретого металла режим проплавления от теплопроводного переходит к кинжальному. При этом возникает характерный для лазерной сварки пародинамический канал, в который, следуя за лазерным излучением и образуемой им из паров металла плазмой, опускается анодная область столба сжатой дуги.

Рис. 2.57. Схема процессов лазерно-дуговой сварки:

а - при использовании дуги с неплавящимся электродом: 1 – шов; 2 – лазерный пучок; 3 – неплавящийся электрод; 4 – сопло; 5 – дуга; 6 – изделие; б - с использованием дуги, горящей на плавящемся электроде: 1 – из-

делие; 2 – разделка; 3 – защитный газ; 4 и 7 – сопла; 5 – лазерный пучок; 6 – электродная проволока; 8 – шов; а – расстояние между источниками тепла

Как только преодолевается порог между теплопроводным и кинжальным режимами проплавления, объём переплавленного металла резко возрастает, что позволяет увеличить глубину провара или скорость сварки в 1,5…2,0 раза.

При сварке металла большой толщины возможно применение комбинированной сварки: лазерно-дуговой с использованием дуги, горящей между плавящимся электродом и изделием (рис.2.57, б). Разделка шва выполняется таким образом,

160

чтобы с помощью лазерного излучения производилась заварка корневого шва и заполнение разделки металлом плавящегося электрода. При этом, варьируя расстоянием «а» между зонами действия лазерного излучения и дуги (см. рис. 2.57, б) можно подобрать такой общий сварочный термический цикл, при котором устраняются негативные последствия лазерной сварки. Так, например, при стыковой сварке листов стали толщиной 20 мм с V- образной разделкой кромок подобрали термический сварочный цикл, при котором происходила нормализация корневого шва, распределение твёрдости между основным металлом и металлом шва было однородным. При этом использовали следующий режим сварки: мощность лазера – 6,3 кВт; мощность дуги – 18,55 кВт.

Рис. 2.58. Схема сварки плазменной дугой, дополненной лазером: 1- плазменная горелка; 2 - плазменная дуга; 3 - обрабатываемое изделие; 4 - парогазовый канал; 5 - сварочная ванна; 6 - лазерный пучок

При гибридной лазерно-плазменной сварке обрабатываемых изделий лазерный пучок и плазменная струя соединяются в области, расположенной близко к обрабатываемому изделию (рис. 2.58). Во время работы плазменная горелка находится под углом приблизительно 45° к лазерному пучку. Зажигание основной дуги происходит посредством низкоамперной вспомогательной дуги, сформировавшейся между концом электрода и соплом. После зажигания вспомогательная дуга вырабатывает достаточное количество тепла для ионизации воздушного зазо-

161

ра между соплом и обрабатываемым изделием. Вольфрамовый электрод он размещен за соплом, которое обеспечивает характерное струйное воздействие плазмообразующего газа. Стабильность функционирования плазменной горелки поддерживается в течение достаточно продолжительного времени, поскольку конец электрода не подвергается окислению.

Рис. 2.59. Схема лазерной тандем-сварки : 1 - обрабатываемое изделие; 2 - парогазовый канал; 3 - облако защитного газа; 4 - индуцированная лазером плазма; 5 - лазерный пучок; 6 - электрод; 7 - дуга; 8 - наплавленный валик; 9 - сварочная ванна

Способ сварки лазерная тандем + сварка МИГ является сочетанием лазерного пучка и дуговых процессов только с одной зоной расплава. Схема процесса гибридной лазерной тандем сварки + сварки МИГ представлена на рис. 2.59. Лазерный пучок, установленный под углом приблизительно 90° по отношению к обрабатываемому изделию, используется для заварки корня. Обе другие следящие дуги имеют некоторый угол наклона и применяются для заварки корня шва и заполнения разделки кромок. В процессе сварки используют три различные выходные мощности, которые можно устанавливать в зависимости от желаемого результата. Посредством соответствующей выходной мощности для тандем-сварки можно выбрать геометрию соединения, желаемое заполнение соединений и скорость. Путем изменения скорости сварки, диаметра фокальной точки и

162

мощности лазерного излучения при подготовке скоса кромки можно также изменять глубину шва. Для получения желаемых свойств металла используют два присадочных материала с различными химическими составами.

Воздействуя на параметры процесса, можно целенаправленно влиять на геометрию и структуру шва. Дуговые способы сварки обеспечивают заполнение разделки с помощью присадочного металла, что также определяет ширину шва.

Преимуществом комбинированных процессов является то, что при расплавлении присадочного металла давление дуги не влияет на обрабатываемое изделие. При гибридной сварке лазерная тандем-сварка + сварка МИГ есть возможность отдельно контролировать мощность лазерного излучения и дуги, а также ее длину, что облегчает отрыв капли, увеличивает стабильность дуги и способствует незначительному разбрызгиванию. Более того, вместе с этим способом сварки можно использовать гибридную лазерную сварку МИГ/МАГ одной дугой. Процесс гибридной лазерной тандем-сварки + сварки МИГ/МАГ применяли при соединении труб из конструкционной стали с толщиной стенки 8 мм и внутренним диаметром 500 мм, что соответствует стандарту EN 10149-2. Установлено, что при Y-образной подготовке кромок можно получать швы с полным проплавлением.

При гибридной лазерной сварке + сварке МИГ/МАГ металла толщиной более 12 мм необходимо предпринимать меры для предупреждения порообразования в корне швов. Опасность образования пор связана с недостаточной способностью к дегазации металла глубоких и узких лазерных швов. Чтобы предотвратить это сварочную ванну необходимо удерживать на протяжении длительного времени. Это достигается применением

гибридной лазерной дуговой сварки под флюсом, при которой создаются благоприятные условия для дегазации. Здесь оба процесса сварки действуют вместе в одной рабочей зоне на достаточно близком расстоянии (13...15 мм).

163

Объединение процессов сварки лазерным пучком и дуговой сварки под флюсом в од ной рабочей зоне оказалось проблемой, поскольку флюс попадал в парогазовый канал лазерного пучка, а лазерное излучение поглощалось флюсом, а не металлом. Было создано устройство, которое препятствует такому «выпадению» флюса. Ключевым звеном в нем является разделительная пластина, которая устанавливается между лазерным пучком и устройством подачи флюса (рис. 2.60).

Рис. 2.60. Схема гибридной лазерно-дуговой сварки под флюсом: 1 - лазерный пучок; 2 - разделительная пластина; 3 - плазмоиспарение металла; 4 - жидкий шлак; 5 - парогазовый канал; 6 - основной металл; 7 - раковина в дуговом шве; 8 - электродная проволока для дуговой сварки под флюсом; 9 - расплавленная ванна; 10 - металл шва; 11 - твердый шлак; 12 - флюс; 13 - мундштук; 14 - бункер для флюса

При проведении исследований выявлено расстояние между двумя процессами и разделение шва на две области - сваренную лазером и дуговой сваркой под флюсом. Расстояние должно быть достаточно коротким для обеспечения выпадения минимального количества флюса, однако достаточным, чтобы шлак в начале процесса не зажимал свариваемый лист. При этом важен угол наклона разделительной пластины. Если он слишком большой, то разделительная пластина может быть захвачена лазерным пучком, а если слишком мал, то дуга может гореть между разделительной пластиной и присадочной проволокой. В этих областях отсутствует перемешивание металла шва. Именно предварительный нагрев лазерным пучком приводит к синергетическому эффекту, который увеличивает скорость

164

процесса дуговой сварки под флюсом.

Промышленность проявляет значительный интерес к этому способу сварки, имеющему практическое применение благодаря использованию менее дорогостоящих источников лазерного излучения. Использование в этом процессе твердотельных лазеров дает возможность для дальнейшего развития этого способа сварки и расширения области его применения.

При процессе гибридной лазерно-дуговой сварки под флюсом достигается лучшая дегазация за счет покрытия расплавленного металла шлаком, хорошего заполнения шва по сравнению с лазерной сваркой.

Производительность этого способа сварки можно улучшить путем увеличения скорости сварки, которая для листового материала может составлятьдо 40 % в сравнении с традиционной лазерной сваркой.

При использовании гибридной сварки инвестиционные расходы на источник лазерного излучения значительно уменьшаются, а затраты на электроэнергию становятся намного выше.

Гибридная сварка находит применение для соединений большой толщины с изменяющимся зазором в кромках.

2.8. Контактная сварка

Контактную сварку в 1887 г. предложил Н.Н.Бенардос, однако её широкое использование в промышленности началось с 30-х годов прошлого века после создания индустриальной базы. В настоящее время около 30% всех сварных соединений выполняют контактной сваркой.

Контактная сварка представляет собой процесс образования неразъёмного соединения в результате нагрева металла протекающим через детали электрическим током и пластической деформации зоны соединения. Термин «контактная сварка» связан с тем, что достаточно большое количества тепла, необходимого для сварки, выделяется в начале этого процесса

165

в местах контакта свариваемых заготовок и электродов с заготовками.

Контактная сварка объединяет большую группу способов сварки, наиболее распространёнными из которых в современном производстве являются точечная и шовная.

2.8.1. Точечная сварка

Основным типом соединения при точечной сварке является нахлёсточное (рис. 2.61).

Рис. 2.61. Типы соединений точечной сваркой

Свариваемые детали 1 (рис. 2.62) собирают внахлёстку и зажимают усилием Fсв между двумя электродами 2, подводящими ток большой силы (до нескольких десятков кА) к месту сварки от источника электрической энергии 3 невысокого напряжения (обычно 3-8 В).

Рис. 2.62. Схема точечной сварки

Детали нагреваются кратковременным (0,01-0,5 с) им-

166

пульсом тока до появления расплавленного металла в зоне контакта 4. Нагрев сопровождается пластической деформацией металла и образованием уплотняющего пояска 5, предохраняющего жидкий металл от выплеска и от взаимодействия с воздухом.

Теплота, используемая при сварке, зависит от сопротивления между электродами и выделяется при прохождении тока непосредственно в деталях, контактах между ними и контактах деталей с электродами. Сопротивления самих электродов должны быть незначительны, так как выделяющаяся в них теплота не участвует в процессе сварки. Поэтому сечение электродов должно быть относительно большим, а материал электродов - обладать большой электро- и теплопроводностью. Электроды для точечной сварки изготавливают главным образом из меди и её сплавов.

Полное количество теплоты, выделяемое между электродами за время сварки, можно определить по закону Джоуля-Ленца

= Qээ

где iсв(t)- мгновенное значение сварочного тока, обычно меняющееся в процессе сварки; rээ(t) - общее сопротивление ме-

талла между электродами в момент времени сварки; t ≤tсв; tсв - время сварки.

При сварке двух деталей из одного и того же металла равной толщины (рис.2.63)

rээ = 2rд + 2rэд+ rдд,

где rд - собственное активное сопротивление деталей; rэд - контактное сопротивление между электродом и деталью; rдд - контактное сопротивление между деталями.

Собственное активное сопротивление деталей rд - сопротивление, распределенное в объеме деталей. На этом сопротивлении при прохождении через него электрического тока выделяется основное количество теплоты.

167

До включения сварочного тока общее сопротивление является неопределённым, так как неизвестны площади фактического контакта между свариваемыми деталями и между электродами и деталями.

При расчетах тепловых процессов обычно рассматривают сопротивление деталей в конце цикла нагрева («горячее» состояние контактов). При этом учитывают, что в контакте «электрод - деталь» диаметр контакта равен диаметру рабочей поверхности электрода (dк = dэ), а в контакте «деталь-деталь» диаметр контакта равен диаметру уплотняющего пояска (dк = dп). Принимают также, что контактные сопротивления между электродом и деталью (rэд) и деталями (rдд) равны нулю.

Рис. 2.63. Электрическое сопротивление и линии тока в зоне сварки

Собственные сопротивления деталей можно представить

как сумму сопротивлений двух цилиндров высотой δ (δ - толщина свариваемой пластины) и диаметром dэ (dэ - диаметр рабочей поверхности электрода), нагретых до некоторой средней температуры Т. Тогда искомое сопротивление может быть оп-

ределено по зависимости

2rд = A k 2 δ(ρ1 + ρ2)/(π dэ2/4),

где ρ1 и ρ2 - удельное электрическое сопротивление материала деталей при температуре Т; А - коэффициент, учитывающий условия растекания тока в деталях в зависимости от соотноше-

ния dэ/2δ (рис.2.64); k - коэффициент, учитывающий неравно-

168

мерность нагрева деталей. Для сталей k = 0,85; для алюминиевых и магниевых сплавов – 0,9.

Рис. 2.64. Зависимость условий растекания тока в деталях от соотношения dэ/2δ

В процессе сварки собственное сопротивление деталей из низкоуглеродистых сталей увеличивается, а деталей из корро- зионно-стойких (нержавеющих) сталей изменяется незначительно.

Контактные сопротивления rдд и rэд - сопротивления, сосредоточенные в узкой области контактов «деталь-деталь» и «электрод-деталь».

Наличие контактных сопротивлений обусловлено значительным уменьшением сечения проводника в зоне контакта изза неровностей поверхностей деталей и электродов и присутствием на соприкасающихся поверхностях пленок оксидов, имеющих низкую электропроводность. Фактическая площадь контакта до нагрева деталей током значительно меньше площади рабочей поверхности электрода (или площади пластически деформированного пояска). В этих условиях имеет место так называемый «сотовый» характер проводимости - ток проходит только по отдельным микроконтактам. Влияние состояния поверхности деталей на контактное сопротивление очень велико и, в зависимости от финишной обработки, может изменяться в I03 раз.

Смятие микровыступов под действием сжимающего усилия способствует увеличению площади фактического контакта

169

и разрушению оксидных пленок на поверхностях, что снижает контактное сопротивление (рис. 2.65).

Зависимость контактного сопротивления холодных деталей от усилия сжатия в некоторых случаях оценивается по эм-

пирическому выражению

rдд = rк/Fсва,

где rк - коэффициент, равный для стали (5-6) 10-3 и алюминие-

вых сплавов (1-2) 10-3; a - показатель степени, равный для стали 0,7 и алюминиевых сплавов 0,8. Однако эта зависимость не учитывает состояния поверхности и размеров деталей, поэтому ее можно использовать лишь для ориентировочных расчетов. Более точные значения контактных сопротивлений получают путем непосредственного измерения электрических сопротивлений.

Рис. 2.65. Влияние усилия сжатия на контактное сопротивление

Контактное сопротивление значительно изменяется при нагреве деталей.

С повышением температуры металла снижается его сопротивление пластической деформации, развивается площадь фактического контакта, облегчаются условия для разрушения оксидных пленок, и при достижении критической температуры, характерной для данного металла, контактное сопротивление между деталями rдд снижается практически до нуля. Несмотря на то, что rдд существует относительно короткое время,

170

оно может оказывать влияние на последующий нагрев, особенно при сварке деталей малых толщин. Первоначально нагретая зона контакта, обладающая повышенным сопротивле-

нием (т.к. ρ = (ϕ)Т), способствует большему тепловыделению. Однако при увеличении rдд уменьшается стабильность тепловыделения.

Экспериментальные исследования (калориметрирование) показали, что доля теплоты, выделяемой на сопротивлении rдд, обычно не превышает 5 % общей энергии, генерируемой в зоне сварки.

Переходные (контактные) сопротивления между электродами и деталями rэд должны быть небольшими, так как в пр о- тивном случае эти участки нахлестки будут сильно нагреваться, что приведет к активации диффузионных процессов и развитию легирования (диффузионного насыщения) рабочих поверхностей электродов элементами свариваемого металла, а это будет приводить к увеличению износа электродов. При обжатии хорошо очищенных деталей из низкоуглеродистой стали электродами с высокой электропроводностью контактное сопротивление "электрод-деталь" вначале примерно в 2 раза меньше контактного сопротивления «деталь-деталь» (rэд <0,5 rдд). Поэтому контактные поверхности электродов и поверхности листов должны быть тщательно очищенными, усилия сжатая - достаточно большими, а охлаждение электродов - интенсивным. Электроды, как правило, делают полыми для охлаждения водой.

Изменение общего сопротивления деталей между

электродами rээ= (ϕ)Т характеризуется наличием двух периодов (рис. 2.66).

Первый период (I) характеризуется резким спадом rээ за счёт снижения rдд и rэд, которое не компенсируется

повышением 2 rд за счет увеличения ρ. В течение второго периода (II) rээ практически определяется собственным

сопротивлением деталей 2 rд, так как rдд ≈ 0, а 2 rэд невелико.

171

Небольшой спад rээ определяется на этом участке увеличением площади электрических контактов, диаметры которых к концу нагрева достигают значений диаметра рабочей поверхности электрода (диаметра уплотняющего пояска).

Рис. 2.66. Изменение электрических сопротивлений в процессе сварки: 1 – rдд; 2 - 2rэд; 3 - 2 rд; 4 - rээ

В общем случае характер изменения rээ зависит от свойств металла, толщины деталей, режима сварки, размеров ядра, формы рабочей поверхности электродов и т.п.

При точечной сварке температурное поле формируется в результате протекающих процессов тепловыделения и теплопередачи. Характер тепловыделения определяется электрическим полем в свариваемых деталях и электродах.

Основное количество теплоты выделяется на собственном сопротивлении деталей, т.е. основным источником теплоты является объемно распределенный источник с удельной

мощностью j2ρ ( где j - плотность тока).

Выделяющаяся в зоне сварки энергия (Qээ) расходуется

на нагрев металла до температуры плавления (Q1 ≈(0,2-0,3)Qээ), а остальная часть передается теплопроводностью в окружаю-

щий ядро металл (Q2) и электроды (Q3 ≈ 0,5Qээ). Таким образом,

Qээ = Q1 + Q2 + Q3.

Температурное поле обычно описывается изотермами, расположенными в сечении, проходящем через ось Z. В силу симметрии поля относительно оси Z изотермы в сечениях, па-

172

раллельных поверхностям деталей, имеют форму окружности. В сечениях, перпендикулярных поверхностям деталей около ядра свариваемой точки, изотермы представляют собой эллип-

сы (рис. 2.67). Наибольший градиент температур (3000 °С/см и более) достигается в направлении оси Z. Температурное поле является крайне нестационарным, так как скорость нагрева

очень большая - до 200000°С/с, особенно при сварке малых толщин импульсами небольшой длительности.

На характер температурного поля оказывает влияние большое количество факторов. В первую очередь - параметры режима сварки (сила тока, время сварки, сварочное усилие), размеры электродов свойства электродных материалов и т. п.

Рис. 2.67. Температурное поле при точечной сварке сплава АМг6 толщиной 2+2 мм и tсв – 0,15 с

Образование сварного соединения при точечной сварке протекает следующим образом. После включения тока в контакте между деталями, где достигается наибольшая плотность тока и в меньшей степени сказывается теплообмен с электродами, металл начинает плавиться, образуя жидкую фазу. Этот расплавленный металл называют ядром сварочной точки. По мере прохождения тока размер ядра увеличивается. Максимальная температура в ядре лишь на 15-20% превышает температуру ликвидуса сплава.

Ядро окружено уплотняющим пояском, т.е. слоем нагретого, но не расплавленного металла. В результате расширения жидкого металла возникают внутренние силы. Увеличение объёма по оси Z сдерживается холодной массой соседних сло-

173

ёв металла. Поэтому возникают дополнительные сжимающие усилия во внутренних слоях и ядре точки. Таким образом, пластическая деформация при точечной сварке вызывается внешними усилиями, приложенными к электродам, и внутренними напряжениями, возникающими при несвободном расширении нагретого металла.

Основная роль пластической деформации при сварке заключается: в формировании электрического контакта; в образовании пластического (уплотняющего) пояска для удержания расплавленного металла от выплеска и ограничения растекания сварочного тока во внутреннем контакте; в уплотнении металла на стадии охлаждения.

При достижении заданных размеров ядра точки сварочный ток выключают и начинается кристаллизация жидкого металла ядра. Скорости охлаждения металла соизмеримы со скоростями нагрева, и уже через 0,02-0,08 с ядро полностью кристаллизуется.

Вбольшинстве случаев структура ядра сварочной точки дендритная. Литой металл ядра сварочной точки отличается низкой пластичностью и характеризуется неравномерностью состава. В некоторой степени структуру и химическую неоднородность можно регулировать режимами сварки.

Воколошовной зоне наблюдаются изменения исходной структуры и свойств сплава в результате развития фазовых и структурных превращений, обусловленных термическим циклом (отпуск, закалка, рекристаллизация, оплавление легкоплавких составляющих, выделение фаз по границам зерен и т.п.).

Основными параметрами режимов точечной сварки яв-

ляются: сварочный ток (Iсв), время сварки (tсв ), усилие на электродах (Fсв) и диаметр рабочей поверхности электрода (dэ).

Увеличение Iсв при постоянстве остальных параметров сварки сопровождается ростом размеров ядра сварочной точки. С ростом размеров ядра увеличивается прочность точки.

174

Она достигает максимального значения при номинальном диа-

метре ядра (dяд). Обычно при δ ≥ 0,5 мм dяд составляет 2δ + 3 (мм). При дальнейшем возрастании Iсв размеры литого ядра чрезмерно увеличиваются и прочность точек падает.

Влияние tсв на прочность точек аналогично влиянию Iсв. Усилие на электродах является одним из важнейших па-

раметров. Оно регулирует интенсивность нагрева и определяет уровень пластической деформации. С увеличением Fсв уменьшается сопротивление контактов и деталей, что приводит к снижению плотности тока, т. е. при постоянстве остальных параметров замедляется нагрев и, соответственно, уменьшаются размеры и прочность точек. Однако, если при этом увеличить Iсв и tсв таким образом, чтобы размеры ядра сварной точки остались постоянными, то стабильность прочности соединения возрастает. При недостаточном Fсв возможен прожог деталей и обгорание электродов.

В большинстве случаев сварочный ток включается только после предварительного сжатия деталей. А усилие сжатия снимается через некоторое время запаздывания после выключения сварочного тока.

Постоянство собственных сопротивлений деталей обеспечивается постоянством контактной площади электродов. С увеличением dэ уменьшается сопротивление и плотность тока, размеры ядра и прочность сварной точки также снижаются.

Обычно dяд = (0,9-1,4) dэ.

Режимы можно условно разделить на «жесткие» и «мягкие». Жесткие режимы сварки характеризуются малой длительностью протекания сварочного тока, и, следовательно, кратковременным нагревом свариваемого металла; мягкие режимы - относительно большой длительностью протекания тока.

175

Рис. 2.68. Циклограммы точечной сварки

Типичные циклограммы (совмещённые во времени графики изменения основных параметров режима) точечной и шовной сварки представлены на рис.2.68. Иногда для лучшего уплотнения затвердевающего металла ядра применяют повышенное, так называемое ковочное усилие Fк (рис. 2.68 а, б).

С целью плавного нагрева и замедленного охлаждения металла в зоне сварки иногда используют модулированный сварочный ток с длительностью нарастания tн и спада tсп (рис. 2.68, б). При сварке ряда металлов возникает необходимость после протекания сварочного тока и некоторой паузы tп включать дополнительный ток силой Iд и длительностью tд (рис. 2.68, в). Точечную сварку металла большой толщины (более 3 мм) часто выполняют, периодически включая и выключая сварочный ток (пульсирующая сварка) длительностью tсв и паузой tп (рис. 2.68, г). Режимы шовной сварки с непрерывным (рис. 2.68, д) и прерывистым (шаговым) перемещением деталей S (рис. 2.68, е) дополнительно характеризуются соответственно скоростью сварки и шагом точек шва.

176

Рис. 2.69. Способы точечной сварки

На производстве для соединения деталей применяют различные способы точечной сварки (рис. 2.69), которые, в основном, характеризуются схемой подвода тока. Наиболее распространена сварка двумя электродами с двусторонним подводом тока (рис. 2.69, а). Иногда в качестве одного из электродов используют плоскую подкладку - шину (рис. 2.69, б), что удобно для сварки-прихватки в процессе сборки деталей в различных приспособлениях. Для этой цели медные подкладки устанавливают в месте постановки сварных точек. Если одна из свариваемых деталей имеет значительно большую толщину, чем другая (в 3 раза и более), ток можно подвести к этой детали (рис. 2.69, в). При этом прочность нижней детали должна быть такой, чтобы под действием усилия электрода она не прогибалась в месте сварки (не деформировалась). Детали, из которых одна тонкостенная и полая, сваривают с использованием токопроводящей вставки (рис. 2.69, г).

На практике в некоторых случаях используют приемы точечной сварки с односторонним подводом тока, так называемую одностороннюю сварку. Преимуществами этого вида сварки являются увеличение производительности благодаря

177

постановке одновременно двух точек, меньшая электрическая мощность оборудования и большие возможности механизации процесса сварки по сравнению с двусторонним подводом тока. В большинстве случаев сварку выполняют с использованием токопроводящей подкладки (рис. 2.69, д, е) или замкнутых накоротко нижних электродов (рис. 2.69, ж). Одностороннюю сварку можно вести и без токопроводящей подкладки (рис. 2.69, з), если толщина детали, обращенной к электродам, значительно меньше толщины другой детали. Особенность приемов сварки с од носторонним подводом тока (кроме приема, показанного на рис. 2.69, е) заключается в том, что часть тока, подводимого электродами, не проходит через зону сварки, а замыкается (шунтируется) по верхнему листу. Ток, проходящий по верхнему листу, вызывает его нагрев и повышенный износ электродов. В специальных машинах используют схему двухточечной сварки с двусторонним подводом тока (рис. 2.69,

и).

Для осуществления процесса точечной сварки используют специальные машины контактной сварки, которые в процессе работы выполняют две основные функции - сжатие и нагрев соединяемых деталей. Машины для шовной сварки дополнительно обеспечивают движение деталей.

В конструкции любой машины условно можно выделить механическое и электрическое устройства.

Основной частью механического устройства машины

для точечной сварки (рис. 2.70) является корпус1, на котором закреплены нижний кронштейн 2 с нижней консолью 3 и электрододержателем 4 с электродом и верхний кронштейн 7. Нижний кронштейн 2 обычно выполняют переставным или передвижным (плавно) по высоте, что дает возможность регулировать расстояние между консолями в зависимости от формы и размера свариваемых деталей.

178

Рис. 2.70. Общий вид машины точечной сварки (а) и её основные узлы (б)

На верхнем кронштейне установлен пневмопривод усилия сжатия электродов 6, с которым соединена верхняя консоль 5 с электрододержателем 4. Для управления работой пневмопривода на машине установлена соответствующая пневмоаппаратура 8. Привод усилия может быть также пневмогидравлическим, гидравлическим и пр. Корпус, верхний и нижний кронштейны и консоли воспринимают усилие, развиваемое пневмоприводом, и поэтому должны иметь высокую жесткость. Электрическая часть машины состоит из сварочного трансформатора 10 с переключателем ступеней 11, контактора 12 и блока управления 9. Часто аппаратура управления смонтирована в отдельном шкафу управления. Контактор 12 подключает сварочный трансформатор к электрической питающей сети и отключает его.

К электрическому устройству относится также вторич-

ный контур машины, который образуют токоподводы, идущие от трансформатора к свариваемым деталям. Tок от трансформатора через жесткие и гибкие шины подводится к верхней 5 и нижней 3 консолям с электрододержателями 4. Консоли и электрододержатели с электродами участвуют в передаче сварочного тока и усилия и поэтому одновременно являются час-

179

тями электрического и механического устройств машины. Все части вторичного контура изготавливают из меди или медных сплавов, имеющих высокую электропроводность. Большинство элементов вторичного контура, сварочный трансформатор и контактор имеют внутреннее водяное охлаждение.

Основными техническими характеристиками машин контактной сварки являются:

1.Номинальный сварочный ток - ток во вторичном контуре. Если машина предназначена для сварки металлов с относительно высоким электросопротивлением (сталей, титановых сплавов), то номинальный сварочный ток составляет в зависимости от типа машины 0,7 - 0,9 тока короткого замыкания (электроды машины замкнуты без деталей). Если машина предназначена для сварки легких сплавов, то номинальный сварочный ток практически равен току короткого замыкания.

2.Номинальное усилие - усилие сжатия электродов или осадки, составляющее для машин с пневмоприводом не более 80% максимального усилия. Номинальное усилие машины обычно обеспечивается при давлении сжатого воздуха 0,4-0,5

МПа (4 - 4,5 атм).

3.Раствор консолей - минимальное расстояние между консолями или их выступающими частями при одном из возможных положений нижней консоли.

4.Вылет электродов - расстояние от оси электродов до передней стенки корпуса машины.

Раствор и вылет являются характеристиками рабочего пространства машины, в значительной степени определяющими технологические возможности машины при сварке деталей различных размеров и формы.

Обозначения отечественных типов машин контактной сварки состоят, как правило, из букв и цифр. Первой буквой обозначения могут быть: А - автомат, П - полуавтомат, М - машина, У - установка. Вторая буква характеризует способ сварки: Т - точечная, Ш - шовная. Третья буква обозначения

180

(если имеется) указывает характер сварочного тока (кроме переменного тока): К - конденсаторная машина; В - машина с выпрямлением тока во вторичном контуре (машина постоянного тока) либо число одновременно свариваемых точек - М (многоэлектродная). Например: МТ, МР, МШ - машины соответственно точечные, рельефные, шовные переменного тока; МТК, МШК - машины точечные и шовные конденсаторные; МТВ, МШВ - машины точечные и шовные постоянного тока; МТМ - машина точечная переменного тока многоэлектродная. Иногда в обозначении машины имеется четвертая буква, указывающая на конструктивное исполнение машины или ее специальное назначение. Например, МТВР - машина точечная постоянного тока радиального типа (с ходом верхнего электрода по дуге окружности) или АТМС - автомат многоэлектродный для сварки сетки. Кроме букв в обозначение машины входят цифры, характеризующие номинальный сварочный ток в кА и модель или исполнение (две последние цифры). Например, МТ-1618 - машина с номинальным сварочным током 16 кА, модель 18. Изменения конструкции машины или типа аппаратуры управления отражаются в номере модели.

Рис. 2.71. Силовая электрическая схема машины точечной сварки

Электрическое устройство машины предназначено для обеспечения необходимого цикла нагрева металла в зоне сварки. Электрическое устройство точечной машины переменного тока (рис. 2.71), например, состоит из элементов вторичного контура 1-9, трансформатора 11, переключателя ступеней 12, контактора 13 и аппаратуры управления. Вторичный контур

181

включает электроды 4, непосредственно контактирующие с деталями, подводящие ток и передающие усилие; электрододержатели 3 и 5; нижнюю 2 и верхнюю 6 консоли; токопроводы 1, 7 и 9 и гибкую шину 8. Жёсткие элементы контура изготовляют из медного проката и отливают из меди или бронзы; гибкие шины чаще всего набирают из медной фольги. Принято также включать в число элементов вторичного контура машины вторичный виток трансформатора с выводными колодками 10. Электроды, электрододержатели, а иногда и консоли являются сменными частями машины, их конструкция и размеры определяются свариваемыми деталями. Размеры вторичного контура (вылет электродов и раствор консолей) и сечения токоведущих элементов определяют полное электрическое сопротивление контура.

Нарушение технологического процесса сварки может приводить к образованию дефектов соединения, наиболее опасным из которых является непровар, т.к. он обычно не обнаруживается внешним осмотром и может привести к полной потере прочности соединения (разрушению).

2.8.2. Шовная сварка

Шовная сварка - способ, при котором детали соединяются швом, состоящим из отдельных сварных точек (литых зон), перекрывающих или не перекрывающих одна другую. При сварке с перекрытием точек шов будет герметичным (рис. 2.72, а), а при сварке без перекрытия шов практически не отличается от ряда точек, полученных при точечной сварке.

Особенность шовной сварки состоит в том, что она выполняется с помощью двух (или одного) вращающихся дисковых электродов-роликов 1, между которыми с усилием сжаты

ипрокатываются соединяемые детали 2. К роликам подводится сварочный ток, который, как и при точечной сварке, нагревает

ирасплавляет металл в месте соединения.

Шовная сварка, выполняемая при непрерывном дви-

182

жении деталей и непрерывном протекании сварочного тока, называется непрерывной шовной сваркой. Такую сварку редко применяют из-за сильного перегрева поверхности деталей, контактирующей с роликами.

Рис. 2.72. Схема процесса (а) и машина шовной сварки МШ-3208 (б)

Наибольшее распространение имеет прерывистая шовная сварка, при которой детали перемещаются непрерывно, а ток включается и выключается на определенные промежутки времени и при каждом включении (импульсе) тока образуется единичная литая зона. Перекрытие литых зон, необходимое для герметичности шва, достигается при определенном соотношении скорости вращения роликов и частоты импульсов тока. Применяют также шаговую сварку, при которой детали перемещаются прерывисто (на шаг), а сварочный ток включается только во время их остановки, что улучшает охлаждение металла в контактах ролик - деталь по сравнению с непрерывным движением свариваемых деталей. Шовная сварка в большинстве случаев производится с наружным водяным охлаждением, что также снижает перегрев внешних слоев металла.

Разнообразные виды шовной сварки, встречаемые на практике, в основном различаются способом подвода сварочного тока (односторонний или двусторонний) и расположени-

183

ем роликов относительно свариваемых деталей (рис. 2.73).

Рис. 2.73. Способы шовной сварки

Двусторонняя шовная сварка аналогична двусторонней точечной (рис. 2.73, а-е). Вместо одного из роликов может быть применена оправка, плотно контактирующая с внутренней деталью (рис. 2.73, г). Для сварки неподвижных деталей кольцевым швом на плоскости используется верхний ролик, который вращается вокруг своей оси, а также вокруг оси шва (рис. 2.73, д). Нижняя деталь контактирует с электродом, имеющим форму чашки. Иногда свариваемые детали устанавливают на медную шину, при этом подвод тока может быть двусторонний или односторонний. При сварке на шине возможны варианты подвижной (рис. 2.73, ж) и неподвижной шин, когда два ролика, к которым подведен ток, вращаются вокруг своих осей и катятся по деталям (рис. 2.73, з). При односторонней шовной сварке, как и при точечной, наблюдается

184

шунтирование тока в деталь, контактирующую с роликами.

2.9. Сварка трением

Процессу трения всегда сопутствует превращение части механической энергии в тепловую. При взаимном сухом трении двух металлических деталей температура в трущемся контакте растет пропорционально скорости относительного перемещения деталей и давлению, с которым создается контакт. В технике выделение тепла при трении рассматривается как вредное явление и с ним, за исключением редких случаев, ведется борьба. Одним из примеров полезного использования тепла, выделяющегося при трении, является процесс получения неразъемного соединения, названный сваркой трением.

Сварка трением является разновидностью сварки давлением, при которой механическая энергия, подводимая к одной из свариваемых деталей, преобразуется в тепловую, при этом генерирование тепла происходит непосредственно в месте будущего соединения.

Тепло может выделяться при вращении одной детали относительно другой (рис. 2.74, а), вставки между деталями (рис. 2.74, б, в), при возвратно-поступательном движении деталей в

плоскости стыка относительно малыми амплитудами ∆ и при звуковой частоте (рис. 2.74, г) и т.д. Детали при этом прижимаются постоянным или возрастающим во времени давлением Р. Сварка завершается осадкой и быстрым прекращением вращения.

В зоне стыка при сварке протекают следующие процессы. По мере увеличения частоты вращения свариваемых заготовок при наличии сжимающего давления происходит притирка контактных поверхностей и разрушение различых пленок, присутствующих на них в исходном состоянии. Граничное трение уступает место сухому. В контакт вступают отдельные микровыступы, происходит их деформация и образование ювенильных участков с ненасыщенными связями поверхностных атомов,

185

между которыми мгновенно формируются металлические связи и немедленно разрушаются вследствие относительного движения поверхностей.

Рис. 2.74. Схемы процесса сварки трением: 1 – свариваемые детали; 2

– вставка; 3 – зона сварки

Этот процесс происходит непрерывно и сопровождается увеличением фактической площади контакта и быстрым ростом температуры в стыке. С ростом температуры снижается сопротивление металла деформации и трение распространяется на всю поверхность контакта. В зоне стыка появляется тонкий слой пластифицированного металла, выполняющего как бы роль смазочного материала. Трение из сухого становится как бы граничным. Под действием сжимающего усилия происходит вытеснение металла из стыка и сближение свариваемых поверхностей (осадка). Контактные поверхности оказываются подготовленными к образованию сварного соединения: металл в зоне стыка обладает низким сопротивлением высокотемпературной деформации, оксидные пленки утонены, частично разрушены и удалены в грат, соединяемые поверхности активированы. После торможения, когда частота вращения приближается к нулю, наблюдается некоторое понижение температуры металла в стыке за счет теплоотвода. Осадка сопровождается образованием металлических связей по всей поверхности. На заключительной стадии проковки, под действием осевого усилия сжатия, которое либо остается на прежнем (как в стадии

186

нагрева) уровне, либо может быть увеличено, и температуры развиваются процессы объемного взаимодействия, способствующие повышению качества сварного соединения. Особенностью сварки трением является ограничение применения этого способа соединения формой и размерами сечения свариваемых деталей. При вращательном движении сварка трением позволяет получать хорошие результаты лишь в тех случаях, когда одна из подлежащих сварке деталей представляет собой тело вращения (стержень, трубу), ось которого совпадает с осью вращения, а другая деталь обладает плоской поверхностью.

Возможности применения сварки трением ограничиваются не только формой, но и размерами сечения свариваемых деталей в месте их сопряжения. Так, сваривать стержни диаметром более 200 мм нецелесообразно, потому что для реализации этого процесса потребовались бы машины с двигателями мощностью порядка 500 кВт при скорости вращения порядка 2 с-1 и

с осевым усилием более 3 106 Н. Сооружение такой машины и ее эксплуатация были бы настолько дорогими, что не окупили бы выгоды, которые может дать сварка трением.

Не удается сварить даже в лабораторных условиях и стержни диаметром менее 3,5 мм, для которых нужна установка со скоростью вращения шпинделя порядка 200 с-1 и сложным устройством для осуществления мгновенного его торможения. Расчеты и опыт практического применения сварки трением показывают, что ее пока целесообразно применять для сварки деталей диаметром от 6 до 100 мм. Наиболее эффективно применение сварки трением в сфере изготовления режущего инструмента при производстве составных сварно-кованых, сварно-литых или сварно-штампованных деталей. Она оказывается незаменимой при соединении трудносвариваемых или вовсе не сваривавшихся другими способами разнородных материалов, например, стали с алюминием, аустенитных сталей с перлитными и т.п. Эффективно применение сварки трением и для соединения пластмассовых заготовок.

187

Основными технологическими параметрами процесса сварки трением являются: частота (скорость) вращения, удельное давление в процессе нагрева и проковки, время нагрева и величина осадки деталей.

Рис. 2.75. Принципиальная конструктивно-кинематическая схема

машины для сварки трением

Машины для сварки трением обычно содержат в себе следующие основные узлы (рис. 2.75): привод вращения шпинделя 1 с ременной передачей 2; фрикционная муфта 3 для сцепления шпинделя с приводным устройством; тормоз 4 для торможения шпинделя; два зажима для крепления свариваемых заготовок 7; передняя бабка 5 со шпинделем, несущим на себе вращающийся зажим 6; задняя бабка 8 с неподвижным зажимом; пневматические или гидравлические цилиндры 9, обеспечивающие создание необходимого рабочего (осевого) давления машины; пневматическая, пневмогидравлическая или гидравлическая схема управления силовым приводом машины; шкаф управления.

В большинстве машин в состав привода вращения входят трехфазный асинхронный электродвигатель, клиноременная передача с зубчатым ремнем. В машинах для микро- и прецизионной сварки, шпиндель которых должен развивать очень высокую частоту вращения (80-650 с-1), в качестве привода используются пневматические турбинки, которые характеризуются быстрым разгоном и торможением, позволяют обходиться без передачи при помощи непосредственного сочленения вала со шпинделем машины.

188

Все промышленное оборудование для сварки трением можно разделить на две группы: универсальное и специализированное. Специализированное предназначено для сварки одной детали или группы однотипных деталей, размеры и материал которых заранее известны при проектировании машин. В большинстве случаев это машины - автоматы или полуавтоматы, рассчитанные на эксплуатацию в условиях массового или крупносерийного производства.

Серийно выпускаются универсальные машины со следующими характеристиками (табл. 2.6).

Таблица 2.6 Характеристики оборудования для сварки трением

Параметры		Тип машины
Параметры	МФ-	МФ-	MCT-	MCT-
	327	362	120-02	120-03
Номинальная мощность, кВт	10	10	200	160
Максимальное осевое усилие, кН
при проковке,	50	50	1200	1200
при нагреве	50	50	450	450
Частота вращения шпинделя, с-1	25	25	5	6
Диаметр свариваемых заготовок, мм	10-22 10-22		-	73-168

Процесс сварки трением с успехом используется также для восстановления изношенных деталей. Так как при этом не происходит расплавления металла, то правильнее было бы пр и- менять в данном случае термин «наварка», а не «наплавка».

На рис. 2.76 (а) показана схема выполнения наварки проволоки. Пруток 1 вращается с большой скоростью n1, и его торец прижимается усилием P к детали 2, которая поворачивается со скоростью n2 по мере образования валика. Когда нужно наваривать деталь на большой длине, ее перемещают еще в осевом направлении так, чтобы накладываемые по винтовой линии валики 3 перекрывались по краям.

189

Рис. 2.76. Схемы процессов наварки трением с использованием вращения(а) и вибрации(б) присадочного металла

Таким способом можно наваривать не только цилиндрические, но и любые другие поверхности в любом пространственном положении. Наваренные слои имеют удовлетворительные показатели по прочности и твердости, а затраты электроэнергии меньше, чем при электродуговых способах наплавки.

Но этот способ имеет и существенные недостатки:

-вращательное движение не позволяет применять для наварки длинные прутки;

-трудно обеспечить непрерывную подачу прутка к месту наварки через вращающийся шпиндель, а из-за необходимости сохранить жесткость прутка нельзя делать его вылет из шпинделя достаточно большим. Поэтому процесс нужно вести с частыми перерывами. Названные недостатки ограничивают возможность автоматизации процесса наварки.

Более перспективной является схема наварки с использованием вибротрения (рис.2.76, б), которая позволяет избежать указанных недостатков. Этот способ заключается в том, что присадочный металл 1 в виде проволоки или полосы непрерывно подается роликами из бухты к местунаварки 3. Концевая часть присадочного металла прижимается с определенным усилием Р к навариваемой детали 2 и совершает вибрационное

190

движение. Вибрация только конца проволоки или полосы, а не всей массы присадочного металла позволяет легко автоматизировать процесс.

Сварка трением перемешиванием. В 1967 г. в СССР было зарегистрировано изобретение (А. с. СССР № 195846) «Способ сварки линейных швов трением вращающимся стальным стержнем». Однако в отечественной технике данный способ не нашёл в тот период своего дальнейшего развития. Началом активного исследования и освоения этого способа явилось патентование (европейский патент 0615480) в декабре 1991 г. Британским институтом сварки (TWI) аналогичного «Усовершенствованного способа фрикционной сварки» (Improvements to Friction Welding). Условно он был назван способом сварки трением с перемешиванием (СТП, английский эквивалент FSW – friction stir welding).

Процесс сварки (см. рис. 2.77) при этом способе происходит следующим образом. Специальный вращающийся инструмент, состоящий из утолщенной части - заплечика (shoulder) и выступающей части - штыря, в месте стыка вводится с прижимающим усилием в соприкосновение с поверхностью зафиксированных на массивной подкладке соединяемых заготовок.

Рис. 2.77. Схема процесса сварки трением с перемешиванием

В результате трения штыря и заплечика о заготовку выделяется тепло, которое доводит металл вокруг инструмента до

191

пластичного состояния. Штырь при этом внедряется в заготовки, а заплечик касается их поверхности.

Затем инструменту сообщают поступательное движение со скоростью сварки, и материал заготовок, перемещаясь из зоны нагрева в зону охлаждения, огибает штырь и образует соединение.

По характеру протекания процесса получения соединения этот способ имеет много общего с прессованием. Поскольку алюминиевые сплавы являются благоприятным в этом отношении материалом, то СТП главным образом реализована для алюминия и его сплавов. Основными преимуществами процесса СТП являются следующие:

-возможность получения беспористых швов на любом алюминиевом сплаве, включая сплавы, чувствительные к пористости (сплавы с магнием, литием и др.);

-не требуется специальной разделки кромок и удаление оксидной плены перед сваркой;

-возможность получения качественных соединений во всех пространственных положениях;

-не требуется высокой квалификации оператора;

-процесс сварки идеально подходит для автоматизации;

- высокая эффективность использования энергии. Например, при выполнении однопроходной сварки алюминиевого сплава толщиной 12,5 мм затрачивается мощность установки всего около 3 кВт;

-сварка может выполняться в сильных магнитных полях, например, при соединении шинопроводов;

-отсутствие в процессе сварки специфических вредных факторов: дыма, шума и ультрафиолетового излучения;

-отсутствие присадочного металла и защитного газа. Низкий уровень деформаций, высокая воспроизводи-

мость качества швов, полученных СТП, способствует улучшению существующих сварных конструкции из алюминиевых сплавов. При этом реализуются следующие технологические

192

возможности:

-швы могут быть получены на сплавах, которые нельзя выполнить сваркой плавлением из-за чувствительности к образованию горячих трещин;

-может быть достигнут более высокий уровень прочности для термически упрочняемых сплавов;

-формирование шва в твердой фазе позволяет сохранить свойства для метастабильных сплавов таких, как композиты или сплавы, полученные быстрой кристаллизацией;

-можно получить крупные панели, состоящие из многочисленных небольших профилей, которые практически невозможно или экономически, нецелесообразно прессовать или отливать;

-легковесные прессованные панели могут быть соединены между собой без деформаций для получения более крупных конструкций судов, железнодорожных платформ или тяжелых грузовиков;

-для создания полых заготовок можно соединить более простые полуфабрикаты, полученные литьем или штамповкой;

-можно получать сварные узлы со стыковыми и нахлесточными швами из заготовок, изготавливаемых с помощью различных технологий (литье, прессование и др.);

-сборка стыков не требует очень точной подгонки кромок; так, для листов толщиной 1,6 мм зазор может быть до 0,2 мм, для плит толщиной 12,7 мм — до 1,25 мм.

К недостаткам способа СТП можно отнести следующие:

-необходимость мощных подкладок, на которых должны надежно закрепляться свариваемые заготовки;

-образование в конце шва отверстия, равного размеру штыря, которое необходимо заполнять с помощью других методов таких, как сварка трением специальных пробок;

-применение вводных и выводных планок для получения протяженных швов на всю длину заготовок;

-ограничения в применении способа сварки в портатив-

193

ном варианте из-за закрепления заготовок на подкладке; - несколько более низкий уровень скорости сварки по

сравнению с механизированной дуговой сваркой для некоторых марок сплавов.

Рис. 2.78. Соотношение скорости сварки и частоты вращения инструмента, позволяющие получать качественные соединения алюминиевых сплавов серий 5000 и 6000

Основными параметрами процесса СТП являются: скорость сварки (скорость перемещения инструмента), частота вращения инструмента, усилие прижатия и усилие перемещения инструмента, угол наклона инструмента, его размеры. Кроме того, учитываются условия трения в зависимости от применяемого материала инструмента и свариваемого материала, а также напряжение течения материала заготовок при температуре деформации.

На рис.2.78 приведены значения скорости сварки и частоты вращения рабочего инструмента, которые позволяют получить качественные соединения для алюминиевых сплавов серий 5000 и 6000. Видно, что сплавы серии 6000 можно сваривать в более широком диапазоне режимов, чем сплавы серии

5000.

194

Рис. 2.79. Характерные типы соединений, выполняемые при СТП: а – стыковое, б – нахлёсточно-стыковое; в – нахлёсточное; г – многослойное нахлёсточное; д – двухпроходное тавровое; е – тавровое прорезное; ж, з – угловое

Типы соединений, выполняемые СТП, характеризуются большим разнообразием: это и традиционные для дуговой сварки стыковые, угловые тавровые и нахлесточные (рис. 2.79), а также различного рода замковые и прорезные (рис. 2.80) швы.

Особое внимание при создании СТП было уделено разработке конструкции вращающегося инструмента, от которого зависит формирование соединении.

Рис. 2.80. Варианты соединений СТП различных полуфабрикатов: а – двухстороннее стыковое замковое, б – угловое замковое; в – прорезное

Некоторые варианты инструмента приведены на рис.

2.81.

195

Рис. 2.81. Некоторые виды инструмента, применяемые при СТП

Расширяет технологические возможности рабочего инструмента конструкция с регулируемой в процессе сварки длиной штыря и диаметра заплечика. Это позволяет сваривать заготовки переменного сечения и избегать образования отверстия в конце шва при выполнении кольцевых швов. На этой основе реализован программируемый процесс сварки, когда за счет изменения длины штыря от нуля до значения, равного толщине свариваемых заготовок, осуществляется плавный выход на достижение полного проплавления и окончание процесса без образования отверстия.

Для надежного прижатия заплечика к поверхности свариваемых заготовок и тем самым обеспечения постоянного теплового режима в зоне сварки разработана конструкция рабочего инструмента с подвижным заплечиком, который постоянно находится в подпружиненном состоянии с заданным усилием

(см. рис.2.82).

Рис. 2.82. Рабочий инструмент с подпружиненным заплечиком

При сварке некоторых высокопрочных алюминиевых сплавов для уменьшения прилипания металла к штырю и отво-

196

да избыточного тепла предложена конструкция инструмента с охлаждением его наружной стороны путем пропускания хладагента (воды) или обдува воздухом. Существуют также конструктивные варианты, когда хладагент подается по каналам, расположенным внутри инструмента.

Свойства соединений алюминиевых сплавов, полученных с помощью СТП, находятся на достаточно высоком уровне. Например, прочность для сплава АА 6082 в состоянии после сварки и искусственного старения составляет до 90 % от исходной, а показатели пластичности находятся на уровне основного металла. Для сплава 7075 установлено, что прочностные характеристики соединений СТП превышают аналогичные характеристики, полученные другими способами сварки.

Некоторые характеристики и общий вид машин для СТП показаны в табл. 2.7, 2.8 и на рис.2.83.

Усталостная прочность соединений алюминиевых сплавов, полученных СТП, во многих случаях выше, чем соединений, полученных сваркой плавлением.

Таблица 2.7 Установки для СТП, разработанные Британским институ-

том сварки (TWI)

Тип маши-	Свариваемые	Скорость	Размеры сва-
Тип маши-	Свариваемые	сварки,	риваемых заго-	Примечание
ны	толщины, мм	сварки,	риваемых заго-	Примечание
ны	толщины, мм	м/мин.	товок, м
				Частота вращения
FW 20	1,2…12,0	2,6	-	инструм. до 15000
				об/мин.
FW 21	3…15	1,0	2х1,2
FW 22	3…15	1,2	3,4х4
FW 14	5…50	1,0		Мощность маши-
FW 14		1,0		ны 22 кВт
				ны 22 кВт
FW 16	Маленькая	транспортируемая машина для демонстрации
FW 16	процесса СТП
		197

Таблица 2.8 Установки для СТП серии LEGIO фирмы ESAB

Тип	Усилие	Мощность	Толщина свариваемых металлов, мм
уста-	прижатия,	шпинделя,
уста-	прижатия,	шпинделя,	Алюминиевые сплавы серий			Медь (без
новки	кН	кВт	6000	5000	2000 и 7000	кислорода)
			6000	5000	2000 и 7000	кислорода)
1	6	3	3	2	1,5	0,8
2	12,5	5,5	5	3,5	2,5	1,5
3	25	11	10	7	5	3
4	60	18	18	10	9	7
5	100	22	35	20	18	12
6	150	45	60	40	35	25
7	200	90	100	75	70	40

Технологические преимущества способа и высокие механические характеристики получаемых сварных соединений явились основанием для широкого применения СТП в промышленности.

Рис. 2.83. Установки для сварки трением перемешиванием фирмы ESAB, завод DanStir, Копенгаген

Компания Lockheed-Martin Laboratories (Балтимор, США)

применила СТП для сварки топливного бака космического челнока шаттла (см. рис.2.84).

198

Рис. 2.84. Элементы крыла (а) и панели фюзеляжа (б) самолёта Airbus 380. соединяемые СТП (Европейский проект TANGO)

Авиационная компания Airbus и аэрокосмическое агентство Daimler/Chrysler AG разработали процессы СТП продольных стыковых швов фюзеляжа, крыльев, центрального кессона крыла (см. рис.2.85).

Рис. 2.85. Боковой топливный бак «Шаттла»

Одна из основных областей применения СТП – судостроение, где широко используются сварные панели, отличающиеся хорошей плоскостностью (рис.2.86, а), размером 1250х5000 мм из алюминиевого сплава 5083, стойкого против коррозии в морской воде, а также сотовые панели (рис.2.86, б) с высоким шумопоглощающим эффектом для стен корабельной каюты и железнодорожных вагонов.

199

Рис. 2.86. Плоская сварная панель, выполненная СТП для судостроения (а) и сотовая (б) – для вагоностроения

Большого успеха в освоении СТП алюминиевых конструкций подвижного состава железных дорог достигло вагоностроение в Японии. Широко применяют крупногабаритные полые панели из алюминиевых сплавов. Например, большие (1800х3000 мм) криволинейные с радиусом кривизны 2600 мм сотовые панели, сваренные СТП с лицевой и противоположной сторон, используются для стен вагона (см. рис.2.87).

Рис. 2.87. Стыки полых панелей вагонов двух серий (HITACHI)

200

2.10. Диффузионная сварка

Международным институтом сварки принято следующее определение: «Диффузионная сварка в твердом состоянии - способ получения монолитного соединения, образовавшегося вследствие возникновения связей на атомном уровне, появившихся в результате максимального сближения контактных поверхностей за счет локальной пластической деформации при повышенной температуре, обеспечивающей взаимную диффузию в поверхностных слоях соединяемых материалов».

Отличительной особенностью диффузионной сварки от других способов сварки давлением является применение относительно высоких температур нагрева (0,5-0,7 Тпл) и сравнительно низких удельных сжимающих давлений (0,5-10 МПа) при изотермической выдержке от нескольких минут до нескольких часов.

Формирование диффузионного соединения определяется такими физико-химическими процессами, протекающими при сварке, как взаимодействие нагретого металла с газами окружающей среды; очистка свариваемых поверхностей от оксидов; развитие высокотемпературной ползучести и рекристаллизации. В большинстве случаев это диффузионные, термически активируемые процессы.

Для уменьшения скорости окисления свариваемых заготовок и создания условий очистки контактных поверхностей от оксидов при сварке могут быть применены газы - восстановители, расплавы солей; флюсы, обмазки, но в большинстве случаев используют вакуум или инертные газы. При диффузионной сварке не исключена возможность образования прочного соединения между поверхностями с оксидными пленками, но пластичность таких соединений, как правило, относительно низка. Соединение металлов обладает оптимальными свойствами, если оно осуществляется между ювенильными поверхностями.

Очистка поверхностей металлов от оксидов может про-

201

исходить в результате развития процессов сублимации и диссоциации оксидов, растворения оксидов за счет диффузии кислорода в металл (ионов металла в оксид), восстановления оксидов элементами-раскислителями, содержащимися в сплаве и диффундирующими при нагреве к границе раздела металл - оксид.

Расчет показывает, что, например, на стали оксиды удаляются наиболее интенсивно путем их восстановления углеродом, а на титане - за счет растворения кислорода в металле.

Развитие физического контакта при диффузионной сварке может идти в результате реализации процессов, протекающих в зоне сварки одновременно и отличающихся механизмом и кинетикой: высокотемпературной деформации под действием внешних и внутренних напряжений.

Сближение свариваемых поверхностей происходит, в первую очередь, за счет пластической деформации микровыступов и приповерхностных слоев, обусловленных приложением внешних сжимающих напряжений и нагревом металла.

Деформация металла под воздействием постоянного напряжения (постоянной нагрузки) называется ползучестью. Процесс ползучести определяет объемную (накопленную) деформацию заготовок после диффузионной сварки.

Исходя из предположения, что физический контакт при сварке полностью определяется процессом ползучести металла и, моделируя микровыступы в виде геометрических фигур

правильной формы (например, треугольной), время τф длительности сглаживания микровыступов можно определить по выражению

τф = В/ε,

где B = 2h2/l2 (l – длина основания и h – высота элементарного выступа); ε –скорость установившейся ползучести.

В нагретом металле всегда существуют внутренние (собственные) напряжения, появление которых может быть связано с фазовым превращением, анизотропией свойств металла, на-

202

клепом и т.п. Уровень собственных напряжений обусловлен их природой и физическими процессами, протекающими в металле при нагреве. Например, величина напряжений, возникающих в титане при полиморфном превращении вследствие изменения объема, составляет порядка 30 МПа.

Под действием внутренних напряжений может происходить деформация поверхностных слоев металла, сопровождающаяся образованием специфического микроструктурного и субструктурного деформационного рельефа. Смещаемые микрообъемы металла на поверхности могут быть соизмеримы с высотой микровыступов, существующих на поверхности после механической обработки (рис. 2.88).

Рис. 2.88. Изменение микрогеометрии поверхности титанового сплава ВТ5 под действием внутренних напряжений при температурах отжи-

га, °С: 1-850; 2-900; 3-950; 4-980

Развитие такого рельефа при диффузионной сварке увеличивает зону контактирования за счет встречного смещения микрообъемов на соединяемых поверхностях. Зазоры, существующие в зоне контакта, могут полностью перекрываться складками рельефа, обеспечивая формирование контакта. Таким образом, образование физического контакта можно рассматривать как результат действия одновременно протекающих процессов: смятия микровыступов под действием приложенного сжимающего усилия и «заращивания» микрополостей за счет развития деформационного рельефа под действием соб-

203

ственных напряжений металла.

Впроцессе деформации свариваемых поверхностей, свободных от оксидов, происходит их активация и при развитии физического контакта между такими поверхностями реализуется их схватывание.

При диффузионной сварке одноименных материалов сварное соединение достигает равнопрочности основному материалу в том случае, когда структура зоны соединения не отличается от структуры основного материала. Для этого в зоне контакта должны образовываться общие для соединяемых материалов зерна. Это возможно за счет миграции границ зерен, осуществляемой либо путем рекристаллизации обработки, либо путем собирательной рекристаллизации.

Дефекты в зоне соединения в виде пор оказывают стабилизирующее влияние на миграцию границы зерен. По мере их уменьшения до некоторого критического размера становится возможным отрыв границы от дефекта и ее миграция. В зоне соединения образуются общие зерна с внутренними дефектами.

Скорость и механизм миграции межзеренных границ зависят от степени искаженности кристаллической решетки и плотности дефектов кристаллического строения, косвенно характеризуемой степенью и глубиной наклепанного слоя.

При диффузионной сварке образцов с предварительно наклепанными поверхностями происходит перераспределение дислокаций, формирование малоугловых дислокационных границ, которые затем перерастают в высокоугловые границы зародышей рекристаллизации, и граница раздела растворяется вследствие зарождения и роста общих зерен.

Повышение плотности дефектов непосредственно в процессе сварки интенсифицирует миграцию границы в зоне соединения. Это может быть достигнуто, например, увеличением скорости деформации.

Вто же время необходимо помнить, что чрезмерное уве-

204

личение скорости деформации может привести к деформационному упрочнению металла в зоне контакта и резкому снижению скорости развития всех стадий процесса формирования соединения.

Диффузионная сварка позволяет решить проблему получения качественного соединения как между однородными, так и разнородными материалами (алюминием, титаном, жаропрочными и тугоплавкими металлами и сплавами, керамикой, стеклом, сапфиром, графитом, композиционными и порошковыми металлами и т.д.)

Рис. 2.89. Некоторые типы конструкций, получаемых диффузионной сваркой

Соединяемые заготовки могут быть весьма различны по своей форме и иметь компактные (рис. 2.89, а - в) или развитые (рис. 2.89, г - ж) поверхности контактирования. Геометрические размеры свариваемых деталей находятся в пределах от нескольких микрон до нескольких метров.

Схематически процесс диффузионной сварки можно представить следующим образом.

Свариваемые заготовки собирают в приспособлении, позволяющем передавать давление в зону стыка, вакуумируют и нагревают до температуры сварки. После этого прикладывают

205

сжимающее давление на заданный период времени. В некоторых случаях после снятия давления изделие дополнительно выдерживают при температуре сварки для более полного протекания рекристаллизационных процессов, способствующих формированию качественного соединения. По окончании сварочного цикла сборка охлаждается в вакууме, инертной среде или на воздухе в зависимости от типа оборудования.

В зависимости от напряжений, вызывающих деформацию металла в зоне контакта и определяющих процесс формирования диффузионного соединения, целесообразно условно различать сварку с высокоинтенсивным (Р = 20-100 МПа) и низкоинтенсивным (Р до 2 МПа) силовым воздействием.

При сварке с высокоинтенсивным силовым воздействием сварочное давление создают, как правило, с помощью пресса, снабженного вакуумной камерой и нагревательным устройством. В ряде случаев используют открытые прессы. При этом свариваемые детали перед помещением в пресс собирают в герметичные контейнеры, которые вакуумируют и нагревают до сварочной температуры.

При сварке с высокоинтенсивным силовым воздействием локальная деформация металла в зоне соединения, как правило, достигает нескольких десятков процентов, что обеспечивает стабильное получение качественного соединения.

Для изготовления слоистых конструкций перспективна диффузионная сварка с низкоинтенсивным силовым воздействием, при которой допустимые сжимающие усилия ограничены устойчивостью тонкостенных элементов. При этом способе диффузионной сварки не требуется создания сложного специализированного оборудования и во многих случаях могут быть использованы существующие технологические схемы и оснастка, применяемые при пайке.

При изготовлении плоских (или с большим радиусом кривизны) конструкций сжимающее усилие наиболее просто может быть обеспечено за счет атмосферного давления воздуха

206

Q на внешнюю поверхность технологической оснастки при понижении давления газа в зоне соединения. В ряде случаев можно исключить применение внешнего давления для сжатия свариваемых заготовок, используя явления термического напряжения, возникающего при нагреве материалов с различными коэффициентами линейного расширения. При сварке коаксиально собранных заготовок коэффициент линейного расширения охватывающей детали должен быть меньше коэффициента линейного расширения охватываемой детали.

Формирование качественного соединения при диффузионной сварке в вакууме определяется технологическими параметрами, основными из которых являются температура, давление, время выдержки, степень разряжения, чистота обработки поверхности. В свою очередь, параметры режима сварки зависят от фазового состава и структуры свариваемых металлов, а также от типа соединения.

Диффузионные процессы, лежащие в основе формирования сварного соединения, являются термически активируемыми, поэтому повышение температуры сварки стимулирует их развитие. Для снижения сжимающего давления и уменьшения длительности сварки температуру нагрева свариваемых деталей целесообразно устанавливать по возможности более высокой, металлы при этом обладают меньшим сопротивлением пластической деформации, развивается процесс рекристаллизации, происходит миграция границы раздела. Вместе с тем необходимо учитывать возможность развитая процессов структурного превращения, гетеродиффузии, образования эвтектик и т.д., приводящих к изменению физико-механических свойств свариваемых металлов.

Величина удельного давления влияет на скорость образования диффузионного соединения и величину накопленной деформации свариваемых заготовок. В большинстве случаев, чем выше удельное давление, тем меньше время сварки и больше деформация. Так, при сварке в прессе с использовани-

207

ем высоких удельных давлений (до нескольких десятков МПа) время образования соединения может измеряться секундами, а деформация металла в зоне соединения десятками процентов. При сварке с использованием низких удельных давлений (десятые доли МПа), ограниченных устойчивостью тонкостенных элементов, время сварки может исчисляться часами, но деформация соединяемых заготовок при этом составляет доли процента. Таким образом, задача выбора удельного давления должна решаться с учетом типа конструкций, технологической схемы и геометрических размеров соединяемых заготовок. Время сварки выбирается с учетом температуры и удельного давления.

Зависимость прочности соединения при статическом испытании на растяжение от времени сварки (для случая соединения одноименных металлов) описывается кривой, близкой к параболе. При сварке разнородных материалов увеличение длительности сварки может сопровождаться снижением механических характеристик соединения из-за развития процессов гетеродиффузии, приводящих к формированию в зоне соединения хрупких интерметаллидных фаз.

Внастоящее время наиболее распространенный способ

защиты металла от окисления заключается в создании вакуума порядка 10-1-10-3 Па. Эта схема предусматривает проведение процесса сварки в специальных вакуумных камерах или контейнерах, оснащенных системами откачки.

Экспериментальные исследования показывают, что повышение класса обработки соединяемых поверхностей интенсифицирует образование физического контакта. При высоком классе обработки поверхностей в образовании физического контакта существенный вклад вносит развивающийся при сварке деформационный рельеф.

Вусловиях массового производства изделий диффузионной сваркой традиционные способы подготовки соединяемых поверхностей с высоким классом обработки (точение, фрезе-

208

рование) не могут быть использованы из-за их малой производительности. Эти способы не эффективны при изготовлении конструкций с развитой соединяемой поверхностью.

Высокопроизводительными способами обработки могут быть пневмодинамический, гидродробеструйный, вибрационный, а также виброшлифование и виброполирование.

Для осуществления диффузионной сварки в настоящее время создано свыше 70 типов сварочных диффузионновакуумных установок. Установки (рис. 2.90) состоят из сварочной камеры с вакуумной системой, источника нагрева деталей, системы создания усилия сжатия свариваемых деталей и приборов для измерения и регулирования температуры и вакуума при сварке.

В зависимости от назначения сварочные установки можно разделить на установки для индивидуального, серийного и поточно-массового производства. Последние две категории могут быть машинами роторного и конвейерного типа.

Рис. 2.90. Принципиальная схема установки для диффузионной сварки (а) и общий вид многопозиционной установки СДВУ-4М(б): 1 – вакуумная камера; 2 – система охлаждения камеры; 3 – вакуумная система; 4 – высокочастотный генератор; 5 – гидросистема пресса

209

По степени разрежения воздуха в рабочей камере установки могут быть разделены на следующие группы: с низким вакуумом (до 1 Па); со средним вакуумом (10-1-10-3 Па); с высоким вакуумом (свыше 10-3 Па); с пониженным (повышенным) давлением защитных газов.По объему вакуумирования изделий установки делятся на установки с полным вакуумированием свариваемых деталей и установки с частичным или локальным вакуумированием. Последний тип установок позволяет осуществлять соединение крупногабаритных изделий (стержней, труб и пр.) с местной защитой зоны сварки от действия атмосферного воздуха.

По источникам и способам нагрева установки делятся на следующие группы: с индукционным, радиационным, контактным, электронно-лучевым, лазерным нагревом, с нагревом в поле тлеющего разряда, с нагревом проходящим током и т.д. Наибольшее распространение получил индукционный нагрев, что обусловлено его простотой, высокой скоростью нагрева, возможностью быстрой смены номенклатуры свариваемых деталей. Контактный нагрев целесообразен для локального разогрева зоны соединения. Радиационный нагрев обеспечивает высокую точность температуры сварки. Применение лучевых способов нагрева связано с необходимостью разогрева до высоких температур при сварке таких материалов, как вольфрам, молибден, ванадий и т.п. Применение тлеющего разряда позволяет совместить в одной установке операции очистки поверхности и сварки.

В зависимости от размеров и конфигурации свариваемых изделий в установках применяют различные способы создания сжимающего давления: гидравлический, пневматический, механический, термонатягом, с вибрационными колебаниями штока и т.д. Наибольшее распространение получили установки с гидравлической системой создания давления.

По числу вакуумных камер установки бывают однокамерные и многокамерные (2-4 камеры). Многокамерные уста-

210

новки позволяют повысить производительность при незначительном увеличении производственных площадей, а также повысить коэффициент загрузки источников нагрева.

По числу рабочих позиций, расположенных в вакуумной камере, установки делятся на однопозиционные и многопозиционные. Последние позволяют одновременно сваривать несколько изделий сразу и, следовательно, повышать в несколько раз производительность процесса.

По степени автоматизации установки можно разделить на установки с ручным, полуавтоматическим, автоматическим и программным управлением. Пока наиболее широко применяют установки с ручным и полуавтоматическим управлением.

Разработка и создание установок для диффузионной сварки в настоящее время ведется в направлении унифицирования систем (вакуумной, нагрева, давления, управления) и сварочных камер. Меняя камеру в этих установках, можно значительно расширить номенклатуру свариваемых узлов.

Сейчас диффузионная сварка используется для создания тонкостенных слоистых конструкций, соединения пористых спеченных заготовок из никеля с коррозионно-стойкой сталью при создании пористого фильтра; получения патронных фильтров; рабочих колес турбин закрытого типа из титанового сплава и др.

ГЛАВА 3. ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ МЕТАЛЛОВ

ИСПЛАВОВ

3.1.Сварка алюминия и его сплавов

Для алюминия и его сплавов в принципе возможно применение практически всех основных промышленных способов сварки плавлением и давлением. Ручную дуговую сварку покрытыми электродами в настоящее время используют редко, хотя она в принципе возможна. Наиболее широкое распространение для изготовления конструкций приобрела дуговая сварка в среде инертных газов. Автоматическая дуговая сварка

211

с использованием флюсов применяется для крупногабаритных конструкций, электрошлаковая сварка – для металла больших толщин. При электроннолучевой сварке получаются швы, обладающие высокими механическими характеристиками. Из способов сварки давлением наиболее широко используется контактная сварка и сварка трением с перемешиванием.

Металлургические и технологические особенности свар-

ки.

Алюминий и его сплавы обладают специфическими свойствами, обусловливающими сравнительную сложность осуществления процесса их сварки. К таким свойствам относятся:

−высокая степень сродства к кислороду и образование

прочного оксида Al2O3 в виде плёнки, покрывающей поверхность металла;

−значительное превышение температуры плавления оксидной плёнки (2050°С) над температурой плавления алюми-

ния (~660°С);

−высокая способность алюминия растворять водород;

−склонность к порообразованию;

−высокая теплопроводность;

−высокий коэффициент линейного расширения;

−большая жидкотекучесть;

−резкий переход из твёрдого состояния в жидкое при на-

греве;

−склонность многих сплавов к образованию горячих и холодных трещин.

Взаимодействие алюминия с кислородом. Алюминий ак-

тивно взаимодействует с кислородом. Так, при температуре

1000°С реакция окисления алюминия может протекать даже при парциальном давлении кислорода порядка 10-40Па. Образующийся в результате оксид алюминия Al2O3 покрывает поверхность металла прочной и плотной плёнкой. Предельная

212

толщина плёнки, образующейся на поверхности алюминия в атмосфере воздуха при комнатной температуре устанавливается через 7-14 дней и достигает 5-10 нм. Оксидная плёнка на-

дёжно защищает металл до температур 680-720°С от активного окисления. Дальнейшее повышение температуры сопровождается ухудшением защитных свойств оксидной плёнки и значительным ростом её толщины

Важной характеристикой оксидной плёнки является её способность адсорбировать газы, в особенности водяной пар - он удерживается оксидной плёнкой, вплоть до температуры плавления метала.

Отличаясь значительной механической прочностью, оксидная плёнка легко удерживается на поверхности жидкого металла силами поверхностного натяжения. Коэффициент температурного расширения оксидной плёнки почти в 3 раза меньше коэффициента расширения алюминия, поэтому при нагреве металла в оксидной плёнке образуются трещины.

Наличие оксидной плёнки на поверхности алюминия и его сплавов затрудняет процесс сварки, не расплавляясь (из-за высокой температуры плавления) и покрывая металл прочной оболочкой, затрудняющей образование общей ванны. Кроме того, плотность оксидной плёнки составляет 3,85 г/см3, что существенно выше плотности жидкого алюминия, поэтому при сварке поверхностная оксидная плёнка оседает на дно ванны и способна существенно засорять сварной шов.

Присутствие на поверхности электродной проволоки оксидной плёнки сказывается на характере капельного переноса металла. При сварке в окислительной среде размер капель, переходящих с электрода, достигает большой величины, и горение дуги протекает неустойчиво.

В связи с вышеуказанным должны быть приняты меры для разрушения и удаления плёнки и защиты металла от повторного окисления.

Очистка поверхности от оксидов. Из-за большой хими-

213

ческой прочности соединения восстановление алюминия из его оксида в условиях сварки практически невозможно. Также не удаётся связать Al2O3 в прочное соединение по реакции «кислота + основание = соль». По этой причине действие флюсов, применяемых при сварке алюминия и его сплавов, основано на процессах разрушения (дробления) и смывания раздробленной оксидной плёнки расплавленным флюсом.

Флюсы и покрытия электродов для сварки алюминия и его сплавов построены однотипно. Основу флюсов, как правило, составляют легкоплавкие смеси хлористых солей щелочных и щелочноземельных металлов, к которым добавляют небольшое количество фтористых соединений, активирующих действие флюсов.

Механизм действия флюсов заключается в следующем. В процессе нагрева металла благодаря различным коэффициентам теплового расширения металла и плёнки в последней образуются мельчайшие трещины. В трещины затекает расплавленный флюс, содержащий хлориды. В результате взаимодействия алюминия с флюсом образуется соединение AlCl3.

Хлориды алюминия возгоняются при температуре 183°С. Образующиеся в месте контакта с жидким металлом пары хлористого алюминия отрывают от его поверхности частицы плёнки, которые уносятся движущимся флюсом и частично в нём растворяются.

Благоприятное действие фторидов, содержащихся во флюсах, на повышение их активности можно объяснить тем, что фториды, растворяя оксид алюминия преимущественно по границам образующихся в плёнке трещин, обеспечивают доступ флюсов к жидкому металлу под пленкой, активизируя процесс её разрушения и удаления.

В условиях аргонодуговой сварки на обратной полярности возможно удаление оксидной плёнки за счёт катодного распыления. Катодное распыление обусловлено бомбардировкой поверхности катода положительно заряженными ионами.

214

Благодаря относительно большим размерам положительно заряженные ионы при соударении отдают свою энергию поверхностным атомам, создаются благоприятные условия для их испарения. При этом в первую очередь испаряются атомы поверхностных оксидных плёнок.

Взаимодействие алюминия с водородом. В отличие от других газов водород, абсорбированный металлом, может:

−растворяться в нём;

−сегрегировать (скапливаться) на несовершенствах кристаллов;

−адсорбироваться на поверхностях микрополостей в частицах вторых фаз;

−скапливаться в микрополостях;

−образовывать гидриды с основным металлом.

Для упрощения можно считать, что весь водород в алюминии находится в двух основных формах: в виде атомов или ионов в кристаллической решётке алюминия (растворённый водород) и в виде молекул в микрополостях, имеющихся в металле слитков и полуфабрикатов из алюминия.

Водород в алюминии образует эндотермический раствор, т.е. растворимость его увеличивается с ростом температуры. Избыток газообразного водорода в сварном шве объясняется скачкообразным уменьшением его растворимости в кристаллизующемся металле.

В реальных условиях сварки парциальное давление молекулярного водорода в газовой фазе дуги достаточно мало. Источником водорода, растворяющегося в алюминии, является реакция непосредственного взаимодействия влаги с металлом:

2Al + 3H2O = Al2O3 + 6H.

В результате развития этой реакции давление атомарного водорода в поверхностном слое атмосферы, контактирующей с металлом, возрастает, что приводит к значительному повышению концентрации водорода, растворённого в алюминии.

Основной источник водорода, растворяющегося в сва-

215

рочной ванне при аргонодуговой сварке, - влага, адсорбированная поверхностью металла, и влага, входящая в состав оксидной плёнки в виде гидратированных оксидов. Количество её определяется состоянием поверхности металла и зависит от предшествующей обработки его перед сваркой.

По мере остывания сварочной ванны из-за резкого падения растворимости атомарный водород стремится выделиться, но, встречаясь с другими атомами водорода, с центрами кристаллизации и загрязнениями в металле, рекомбинирует в молекулы и образует газовые пузырьки. Эти пузырьки всплывают, пока позволяет вязкость окружающего металла. Не успевшие всплыть газовые пузырьки после кристаллизации металла остаются в нём в виде неплотностей, как правило, сферической формы - газовой пористости.

Добавки магния к алюминию оказывают неблагоприятное влияние на защитные свойства оксидной плёнки и приводят к увеличению диффузии водорода в сплавах и его растворимости. На поверхности сплавов, содержащих более 3% Mg, образуется сложная плёнка, состоящая из оксидов алюминия и магния. Она обладает способностью удерживать значительно большие количества влаги, чем плёнка на чистом алюминии.

При сварке плавлением со шлаковой защитой основным источником водорода, растворяющегося в металле шва, служит влага, содержащаяся в электродных покрытиях и флюсах.

Испарение легирующих элементов при сварке алюминия.

Наименьшей температурой кипения и наибольшим давлением паров из элементов, часто встречающихся в алюминиевых сплавах, обладают цинк и магний. При сварке появляется опасность потерь этих элементов в результате их испарения.

Так, при дуговой автоматической сварке по слою флюса сплава АМг6 потери магния из основного и присадочного металлов различны. Если из основного металла теряется до 5- 10% Mg от общего содержания в сплаве, то из присадочного металла - до 65% и более.

216

Значительно более высокие температуры кипения других элементов (меди, кремния, марганца, железа и др.), присутствующих в сплавах алюминия, исключают опасность заметных потерь их за счёт испарения.

Кристаллизация алюминия и его сплавов. Кристалличе-

ская структура металла шва в значительной степени определяет его механические свойства.

Чистый алюминий при кристаллизации образует грубую кристаллическую структуру, поэтому при сварке алюминия высокой чистоты в сварном шве часто образуются трещины.

Измельчение кристаллической структуры металла швов может быть достигнуто модифицированием металла шва в процессе сварки. Аналогичные результаты даёт применение магнитного перемешивания металла в ванне. В качестве модификаторов можно использовать титан, цирконий, бор.

Для всех методов сварки характерно наличие больших скоростей охлаждения и направленного отвода теплоты. При кристаллизации в этих условиях развивается дендритная ликвация, что приводит к появлению в структуре металла эвтект и- ки. Наличие эвтектики приводит к снижению пластичности и прочности металла, вызывает появление трещин в швах в процессе их кристаллизации.

Склонность сплава к трещинообразованию возрастает по мере увеличения содержания элемента, образующего эвтектику, достигает максимума при определённой его концентрации и затем снижается.

Правильный выбор режимов сварки и, главное, состава присадочного материала позволяет избавиться от трещин в швах или значительно снизить вероятность их возникновения.

Изменение структуры и свойств металла зоны термиче-

ского влияния (ЗТВ). При сварке чистого алюминия и сплавов, не упрочняемых термообработкой, в зоне теплового воздействия наблюдается рост зерна и незначительное разупрочнение, вызванное снятием нагартовки (если сплав сваривался в нагар-

217

тованном состоянии).

При сварке сплавов, например, алюминиево-медных, упрочняемых термообработкой, в зонах около шва происходят изменения, существенно снижающие свойства свариваемого металла. В ЗТВ присутствуют участки металла с различной степенью распада твёрдого раствора и коагуляции упрочнителя CuAl2. Самое опасное изменение, вызывающее в большинстве случаев резкое падение механических свойств металла и образование трещин, - оплавление границ зёрен. Появление жидких прослоек по границам зёрен приводит к снижению механических свойств металла в нагретом состоянии и к образованию трещин, то есть после сварки в участках оплавления металл резко охрупчивается.

При сварке отожженного сплава в зоне термического влияния по мере повышения максимальной температуры нагрева металла в соответствии с диаграммой состояния происходят процессы растворения выпавшего упрочнителя. Особенно заметны процессы растворения дисперсных выделений второй фазы в объёме зерна на участках металла, нагревавшихся

выше температуры 350°С.

По мере повышения температуры нагрева происходит укрупнение выделений упрочнителя CuAl2 по границам зёрен. Этот процесс продолжается на участках металла, нагревавших-

ся от 500°С до температуры плавления эвтектики (548°С).

На участках, нагревавшихся выше температуры 548°С по границам зёрен появляются жидкие прослойки, что объясняется развитием контактного плавления между частицами упрочнителя фазы CuAl2 и окружающим твердым раствором.

При сварке закаленных сплавов в непосредственной близости от шва наблюдается зона оплавления границ зерна. Ширина этой зоны меняется в зависимости от метода и режима сварки.

В связи с наличием сплошной сетки оплавленной эвтектики сварные соединения из закаленного металла имеют низ-

218

кую пластичность и легко разрушаются при небольшой деформации и циклических нагрузках. При сварке жёстких узлов из закалённого металла по границе сплавления часто возникают трещины. Последующей термообработкой не удаётся восстановить свойства металла в этой зоне.

Проблема сварки высокопрочных алюминиевых сплавов, упрочняемых термообработкой, может быть решена при условии создания специальных свариваемых сплавов этой группы. Перспективны самозакаливающиеся сплавы систем: Al-Zn-Mg

(В92Ц, АЦМ, 1915 и др.); Al-Cu-Mn (типа 1201); Al-Mg-Li (типа 1420).

Технологические особенности сварки заключаются в следующем. При сварке конструкций из алюминиевых сплавов наибольшее распространение получили стыковые соединения. Нахлесточные, тавровые и угловые соединения желательно выполнять контактной и аргонодуговой сваркой, так как при применении сварки с использованием флюса, возникает опасность последующей их коррозии, вызванной остатками флюса.

При сварке угловых соединений в металле шва возможно появление дефектов в виде включений оксидных пленок в корневой части стыка в связи с недостаточным перемешиванием металла и отсутствием прогрева требуемой величины. При выполнении таких соединений лучшие результаты могут быть получены при сварке плавящимся электродом, обеспечивающим наиболее энергичное перемешивание ванны и дробление оксидов.

При односторонней сварке первый валик следует всегда выполнять на подкладке или применять разделку в виде замка. Подкладка из нержавеющей стали или меди, устанавливаемая только на время сварки, должна иметь канавку глубиной 0,8-1 мм и шириной 6-10 мм для формирования усилий с обратной стороны шва. Непровары в этом случае практически исключены, так как при сварке на подкладке можно значительно увеличить сварочный ток и тем самым гарантировать проплавле-

219

ние. Однако при односторонней сварке, особенно при сварке неплавящимся электродом, очень часто появляется другой дефект – несплавление в корне шва, чаще переходящее в трещину глубиной до 0,5-0,8 мм. Появление такого дефекта связано с активным окислением корневой части свариваемых кромок в процессе нагрева. Образовавшиеся оксиды не разрушаются под действием дуги, препятствуя сплавлению кромок. Под действием растягивающих напряжений, возникающих в корне шва при охлаждении, происходит раскрытие несплавившихся участков и развитие трещины в глубь металла шва. Для устранения или предупреждения появления этих дефектов рекомендуется следующее:

1.Защищать корень шва от активного окисления путем поддува защитного газа с обратной стороны шва.

2.Усиление с обратной стороны шва переплавлять сваркой неплавящимся электродом.

3.После сварки подрубать или запиливать усиление не менее чем на 1 мм.

4.Обеспечивать надежное «опускание» оксидных пленок на дно сварочной ванны, для чего необходимо применять разделку со скругленными внутренними кромками, с радиусом, равным половине высоты притупления.

При многослойной сварке плавящимся электродом наложение первого, а также второго валиков (если первый выполняли со сквозным проплавлением) целесообразно производить на подкладке для исключения прожога.

Качество сварных соединений из алюминия и его сплавов

взначительной степени определяется подготовкой поверхности свариваемых кромок и электродной проволоки. Перед сваркой тщательно удаляют жировую смазку, которой покрывают полуфабрикаты при консервации. Поверхность металла на ширине 100-150 мм от кромки обезжиривают ацетоном, авиационным бензином, уайт-спиритом или другими растворителями.

220

Пленку оксидов, находящуюся под жировой смазкой, удаляют механическими способами или химическим травлением. При механических способах свариваемые кромки на ширине 25-30 мм зачищают наждачной бумагой, шабером или металлической щеткой. Для щеток рекомендуется использовать проволоку из нержавеющей стали диаметром не более 0,15 мм. Зачистка кромок шабером или металлической щеткой предпочтительнее, так как не создает опасности загрязнение шва абразивом.

Оксидные пленки могут быть удалены химическим способом. При этом способе подготовки поверхностей под сварку детали травят в течение 0,5-1 мин. в реактиве состава: 50 г едкого натра технического и 45 г фтористого натрия технического на 1 л воды. После травления следует промывка в проточной воде и осветление в течение 1-2 мин. в 30-35%-ном растворе азотной кислоты для алюминия и сплавов типа АМц или в 25%-ном растворе ортофосфорной кислоты для сплавов типа АМг и В95. После повторной промывки в проточной воде обработка заканчивается сушкой сжатым воздухом при темпера-

туре 0-90°С до полного испарения влаги.

Подготовленная таким образом поверхность сохраняет свои свойства в течение 3-4 дней. При более длительном хранении необходима повторная зачистка кромок.

Для очистки поверхности алюминиевой сварочной проволоки рекомендуется следующая ее обработка: промывка растворителем до обезжиривания; травление в 15%-ном растворе

технического едкого натра в течение 5-10 мин при 60-70°С;

промывка в холодной воде; сушка; дегазация при 350°С в т е- чение 5-10 мин. в вакууме 0,1 Па. Операция вакуумной дегазации может быть заменена подкалкой в атмосфере воздуха при

300°С в течение 10-30 мин.

Для уменьшения пористости швов и удаления адсорбированной влаги после химической обработки рекомендуется сва-

рочную проволоку отжигать в инертном газе при 200-480°С в

221

течение 30-80 мин. Отжиг проволоки в аргоне снижает содержание адсорбированной влаги не менее чем в 5 раз.

Ручная дуговая сварка покрытыми электродами. Этот вид сварки применяется в основном при изготовлении неответственных, малонагруженных конструкций из технического алюминия, алюминиевых сплавов типа АМц и АМг, содержащих до 5% Mg, а также изделий из силумина.

Технологическая прочность, механические свойства и коррозионная стойкость сварных соединений, выполняемых покрытыми электродами для сварки алюминия и его сплавов, определяются в первую очередь составом стержней электродов, так как легирование металла шва через покрытие исключительно сложно и трудновыполнимо из-за высокой химической активности Al.

Сварка покрытыми электродами выполняется, как правило, при толщине листов от 4 мм и более. Металл толщиной 10 мм и выше предварительно подогревают. Температуру предварительного подогрева выбирают в зависимости от толщины

металла в интервале 100-400°С. Сварку производят постоянным током (из расчёта до 60 А на 1 мм диаметра электрода) обратной полярности, как правило, без колебаний конца электрода. Электроды применяют диаметром 4-8 мм. Металл толщиной до 10 мм сваривают без разделки кромок. Зазор в стыке не должен превышать 0,5-1 мм. Сварку выполняют обычно с двух сторон. Угловые швы имеют катеты не менее 6x6 мм, что вызвано трудностями сварки электродами малого сечения вследствие высокой скорости их плавления.

Соединения, полученные, например, сваркой покрытыми электродами ЭА-1 (хлористый калий – 40%; хлористый натрий

– 30%; криолит – 30%), обладают удовлетворительными меха-

ническими свойствами: σв до 83,4 МПа и угол загиба до 180°.

Автоматическая сварка по флюсу. Сварка плавящимся электродом по флюсу используется при изготовлении конструкций типа ёмкостей, котлов, цистерн из технического алю-

222

<<< < Предыдущая 12 / 72 3 4 5 6 7 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

#
15.11.20225.14 Mб53431.pdf
#
15.11.20225.18 Mб33432.pdf
#
15.11.20225.18 Mб23433.pdf
#
15.11.20225.21 Mб33436.pdf
#
15.11.20225.27 Mб23440.pdf
#
15.11.20225.28 Mб63442.pdf
#
15.11.20225.34 Mб23447.pdf
#
15.11.20225.34 Mб43448.pdf
#
15.11.20225.35 Mб13449.pdf
#
15.11.20225.36 Mб03451.pdf
#
15.11.20225.36 Mб43453.pdf

Свойство

Состав МКМ

Механические свойства МКМ

вдоль волокон

вдоль волокон