Общая характеристика сварочного производства
Сваркой называется технологический процесс получения неразъемных соединений различных материалов. Сварку применяют для соединения однородных и разнородных металлов и их сплавов, металлов с некоторыми неметаллическими материалами (керамикой, графитом, карборундом, стеклом и др.), а также пластмасс.
Сварка является экономически выгодным высокопроизводительным и в значительной степени механизированным технологическим процессом. Сварку широко применяют практически во всех отраслях машиностроения и строительной промышленности. Сварку как один из основных технологических процессов используют в судостроении при изготовлении цельносварных корпусов судов, при строительстве домен, резервуаров для хранения жидкости и газов, нефте- и газопроводов; в транспортном машиностроении при изготовлении цистерн, цельнометаллических вагонов; в энергомашиностроении при производстве котлов, паровых и гидравлических турбин и многих других машин и конструкций.
Физические основы получения сварного соединения. Физическая сущность процесса сварки заключается в образовании прочных связей между атомами или молекулами на поверхности соединяемых заготовок. Для получения сварного соединения требуется сблизить соединяемые поверхности на расстояния, в пределах которых начинают действовать межатомные силы сцепления, и создать необходимые для возникновения межатомных или межмолекулярных связей условия: определенные температуру, время контакта и качество поверхности.
Поэтому требуется введение определенной энергии для активации состояния поверхности с целью ослабления связей поверхностных атомов с телом и разрыва связей с атомами внешней среды. Эта энергия сообщается в виде теплоты, упругопластической деформации и электронного, ионного и других видов облучения. В результате поверхностные атомы металлов, металлов и кристаллических неметаллических материалов образуют общие для соединяемых заготовок кристаллические решетки, а на поверхности пластмасс происходит объединение частей молекулярных цепей.
Свариваемость металлов и сплавов. В современном машиностроении наряду с обычной низкоуглеродистой сталью широко применяют металлы и сплавы, обладающие высокими механическими или специальными физическими свойствами, такими как жаропрочность, коррозионная стойкость и т. д. При наличии высоких эксплуатационных свойств многие из них имеют пониженную или плохую свариваемость. К таким металлам и сплавам относятся углеродистые и легированные конструкционные и теплоустойчивые стали, высоколегированные коррозионно-стойкие и жаропрочные стали: чугун, медь, алюминий, магний, тугоплавкие металлы и их сплавы. Пониженная свариваемость проявляется в изменении свойств металла в зоне сварного соединения по сравнению с основным металлом, а также в образовании сварочных дефектов в виде трещин, пор, неметаллических включений и т. п.
Следствием плохой свариваемости металлов являются трещины в сварных соединениях, которые разделяют на горячие и холодные. Трещины образуются в процессе сварки в результате действия сварочных напряжений в периоды времени, когда отдельные зоны сварного соединения находятся в разупрочнением и хрупком состояниях. При сварке почти всегда возникают остаточные сварочные напряжения, как правило, растягивающие напряжения в шве и сжимающие в основном металле.
Сварка углеродистых и легированных конструкционных сталей. Углеродистые (более 0,30% С) и легированные (легирующих элементов до 3-5%) конструкционные стали (45, 30ХГСА, 40ХФА и др.) применяют в состоянии закалки и отпуска как материал повышенной прочности для изготовления деталей машин и конструкций. В нормализованном состоянии (закалка с охлаждением на воздухе) они имеют перлитную или мартенситную структуру и по этому признаку являются сталями перлитного или мартенситного класса.
Стали, одновременно легированные хромом, молибденом и ванадием, относятся к теплоустойчивым сталями (15ХМ, 15Х1М1Ф и др.). По структуре в нормализованном состоянии теплоустойчивые стали могут быть перлитного и мартенситного классов.
Электродуговую сварку углеродистых и легированных сталей выполняют электродными материалами, обеспечивающими необходимые механические свойства или теплоустойчивость наплавленного металла. Основная трудность при сварке углеродистых и легированных сталей заключается в закалке околошовной зоны и возможности образования холодных трещин. Для предупреждения холодных трещин рекомендуется:
1) подогревать изделия до 100-300° С для замедления охлаждения и исключения закалки сварного соединения;
2) заменять однослойную сварку многослойной; при этом сваривают валиками небольшого сечения по неостывшим (ниже 100-300° С) нижним слоям металла;
3) применять для сварки основные электроды и флюсы; перед сваркой прокаливать электроды и флюсы при 400-450° С в течение нескольких часов для удаления из них влаги; сваривать на постоянном токе обратной полярности;
4) производить отпуск изделий непосредственно после сварки до 300°С и выше для повышения пластичности закаленной структуры.
Контактную точечную сварку конструкционных сталей выполняют на мягких режимах (продолжительный нагрев током и быстрое удаление заготовок из машины во избежание отвода теплоты электродами). Контактную стыковую сварку этих сталей производят методом прерывистого оплавления, что обеспечивает подогрев деталей перед сваркой.
Сварка тугоплавких металлов и сплавов. К тугоплавким металлам относятся титан, цирконий, ниобий, молибден и др., у которых температура плавления выше, чем у железа. При нагреве тугоплавкие металлы интенсивно поглощают газы (кислород, водород, азот). При этом даже незначительное содержание газов, например, кислорода, приводит к резкому снижению пластических свойств указанных металлов. Для получения качественных сварных соединений необходимо создавать совершенную защиту места сварки от воздействия воздуха.
Титан сваривают в атмосфере аргона с дополнительной газовой защитой корня шва и еще неостывшего участка шва до температуры 400° С. Титановые сплавы склонны к образованию холодных трещин при сварке. Сильное влияние на образование трещин оказывают газы (водород и кислород). Перед сваркой проволоку, и металл подвергают дегазации путем отжига в вакуумных печах.
Цирконий и ниобий являются тугоплавкими металлами, обладающими высокой коррозионной стойкостью. Их сваривают в атмосфере аргона высокой чистоты с защитой корня шва или в камере с контролируемой защитной атмосферой.
Выбор типа сварного соединения. Тип сварного соединения определяют взаимным расположением свариваемых элементов и формой подготовки (разделки) их кромок под сварку. По первому признаку различают четыре основных типа сварных соединений: стыковые, тавровые, нахлёсточные и угловые. Кромки разделывают с целью полного провара заготовок по сечению, что является одним из условий равной прочности сварного соединения с основным металлом. Форму и размеры элементов разделки (угол, притупление и зазоры) назначают исходя из условий полного проплавления свариваемого сечения, обеспечения формирования корня шва (без непроваров и прожогов) и минимального объема наплавленного металла.
Тип сварного соединения наряду с общими конструктивными соображениями выбирают с учетом обеспечения равно прочности соединения основному металлу и технологичности. Выбор разделки кромок зависит от толщины металла, его тепло физических свойств и способа сварки.
Стыковые соединения (встык). Этот тип соединения элементов плоских и пространственных заготовок и узлов является наиболее распространенным. Соединения имеют высокую прочность при статических и динамических нагрузках. Их выполняют практически всеми способами сварки плавлением и многими способами сварки давлением. Некоторая сложность применения способов сварки с повышенной тепловой мощностью (автоматической под флюсом, плазменной струей) связана с формированием корня шва. В этом случае для устранения сквозного прожога при конструировании соединений необходимо предусматривать съемные или остающиеся подкладки. Другой путь — применение двусторонней сварки, однако при этом необходимы кантовка заготовки и свободный подход к корневой части сварного соединения. При сварке встык элементов различных толщин кромку более толстого элемента выполняют со скосом для уравнивания толщин, что обеспечивает одинаковый нагрев кромок и исключает прожоги в более тонком элементе. Кроме того, такая форма соединения работоспособнее вследствие равномерного распределения деформаций и напряжений.
Тавровые соединения (втавр). Такие соединения широко применяют при изготовлении пространственных заготовок и узлов. Соединения с односторонней или двусторонней разделкой кромок, выполненные с полным проваром, имеют высокую прочность при любых нагрузках. Тавровые соединения выполняют всеми способами сварки плавлением. Способы сварки давлением для тавровых соединений применяют редко (приварка стержня к пластине стыковой контактной сваркой оплавлением и сваркой трением и т. п.).
Нахлёсточные соединения (внахлестку). Такой тип соединения часто применяют для сварки листовых заготовок при необходимости простой подготовки и сборки под сварку. Эти соединения, выполненные способами сварки плавлением, менее прочны по сравнению со стыковыми соединениями. Они не экономичны вследствие перерасхода основного металла из-за наличия перекрытия спариваемых элементов и наплавленного металла в связи с выполнением двух угловых швов. В то же время нахлёсточное соединение - основное соединение тонколистовых элементов при сварке давлением, особенно при точечной и шовной контактной сварке. В данном случае оно наиболее технологично, так как удобно для двустороннего или одностороннего подвода электродов перпендикулярно толщине металла. Точечные соединения часто играют роль связующих соединений и рабочих усилий не передают (точечные соединения сварных профилей при нагружении продольным усилием, соединения обшивок с каркасами и т. д.). Шовные соединения, как правило, несут рабочие нагрузки, по их прочность меньше, чем стыковых, выполненных сваркой плавлением. Это обусловлено дополнительным изгибом при осевом нагружении и концентрацией напряжений вследствие зазора между элементами.
Угловые соединения. Эти соединения, как правило, выполняют в качестве связующих. Они не предназначены для передачи рабочих усилий. Выполняют всеми способами сварки плавлением.