12. Сварка и пайка металлов.

12.1. Сварка и резка металлов.

12.1.1. Методы сварки.

Сварка – это технологический процесс получения неразъемных соединений за счет установления межатомных связей между материалом (материалами) соединяемых заготовок.

Исходные заготовки для изготовления сварных конструкций это прокат (лист, труба, профили), штампованные детали и т.д. Сварная конструкция может иметь очень сложную форму при достаточно простой технологии ее изготовления.

Методы сварки можно подразделяют на термические, термомеханические и механические.

Термические методы (сварка плавлением) основаны на расплавлении металла. Кромки соединяемых заготовок расплавляются внешним источником нагрева. При этом образуется сварочная ванна. После затвердевания расплавленного металла (сварочной ванны) образуется монолитный шов, который соединяет свариваемые заготовки в одну.

Соединение заготовок при механических методах осуществляется за счет высокого давления, вызывающего пластическую деформацию в месте сварки. При этом необходимо разрушить оксидную пленку на поверхности свариваемых заготовок и смять микронеровности. Величина давления должна быть достаточной для того, чтобы между металлом (металлами), свариваемых заготовок образовались межатомные связи, т.е. образовалось сварное соединение. Все эти процессы облегчаются в условиях пластического течения металла (одна заготовка как бы вдавливается в другую).

При термомеханических методах сварки металл в месте соединения деталей нагревается до температуры плавления или пластического состояния. Нагрев позволяет снизить давление и уменьшить величину внедрения одной заготовки в другую для образования сварного соединения.

12.1.2. Сварка плавлением.

Сварка плавлением (термические методы) – наиболее широко используемая технология – основная доля сварочных работ приходится на сварку плавлением. Ее применение позволяет получать сварные конструкции различных габаритов, сваривать заготовки разной толщины - от весьма малой (доли миллиметра) до 1м и более. Сварку можно производить в цеховых условиях, а также на улице при монтаже строительных ферм и конструкций.

Вместе с тем, наличие расплавленного металла в сварочной ванне предопределяет ряд особенностей, которые следует учитывать при сварке оплавлением.

В том случае, если сварочная ванна не защищена от атмосферы, расплавленный металл окисляется, поглощает газы, вследствие чего получает низкие механические свойства, и, прежде всего, пластичность – становится хрупким. Это требует защиты сварного шва и прилегающей зоны металла в процессе сварки.

В зависимости от способа нагрева, вызывающего плавление металла, различают следующие виды сварки: электродуговая, электроннолучевая, плазменная, газовая и др. Наибольшее распространение получили электродуговая и газовая сварка, а также электрошлаковая для сварки крупногабаритных толстостенных заготовок.

Электродуговая сварка.

Источником тепла для расплавления металла является электрическая дуга – устойчивый (т.е. существующий длительное время) электрический разряд между электродами, температура дуги свыше 5000°С. Дуга прямого действия – горит между электродом и заготовкой, т.е. одним из электродов является сама заготовка. Дуга косвенного действия – возбужденная только между электродами.

Электродуговая сварка выполняется с применением специальных сварочных материалов: наплавочных (металлы – материалы электродов), флюсов и обмазок, последние для защиты сварочной ванны от атмосферы.

Защита металла шва - изоляции сварочной ванны от атмосферы осуществляется сварочными флюсами. Флюс может подаваться в зону сварки, или его используют в качестве обмазок электродов. Защита шва может быть осуществлена с помощью газов. Защитные газы – нейтральные (аргон, гелий) и углекислый (СО₂) обеспечивают лучшую защиту от кислорода воздуха, чем электроды с покрытием и флюсы. Газы подаются в зону сварки через специальные сопла.

Сварка в среде углекислого газа применяется для заготовок из углеродистых сталей. Сварка в среде инертных газов или их смеси применяется для металлов и сплавов с высокой химической активностью – титана, алюминия, магния, а также меди, коррозионно-стойких сталей.

Электродуговая сварка может быть ручной и автоматической. Ручная сварка плавящимся электродомзанимает наибольший объем. Электроды вручную подают в зону горения дуги и перемещают вдоль свариваемого изделия. Ручной сваркой сваривают разные металлы, применяя соответствующие электроды и обмазки, получая сварные соединения различной конструкции. Автоматическая электродуговая сваркав 5…10 раз производительнее ручной сварки. Эта технологияобеспечивает автоматическую подачу электрода по мере его расходования и перемещение дуги вдоль шва, подачу флюса,поддерживает стабильное горение дуги.

Газовая сварка.

Газовую сварку производят благодаря теплоте, выделяемой при сгорании горючего газа, чаще всего ацетилена, в кислороде. Хранение и транспортировка газов осуществляется в баллонах, где газы находятся под высоким давлением. Из баллонов газы через редуктор – устройство, понижающее давление, подаются в сварочную горелку, смешиваются в ней и, выходя за ее наконечник, сгорают, образуя пламя.

Производительность газовой сварки низкая, автоматизировать ее сложно. Поэтому она применяется в монтажных и ремонтных работах при сварке заготовок малой толщины.

Сведения об электронно-лучевом, ионно-лучевом и лазерном нагреве для сварки.

Указанные источники нагрева являются высокоэнергетическими, они характеризуются весьма высокой удельной мощностью.

Электронно-лучевую сварку производят в вакуумной камере фокусированным электронным лучом при этом поверхность свариваемого материала бомбардируется электронами и их кинетическая энергия переходит в тепловую. Достоинства технологии: идеальная защита от внешней среды – вакуум, узкий сварочный шов. Возможна сварка тугоплавких и химически активных материалов, а также неметаллических материалов; можно сваривать разнородные металлы и металлы с неметаллами.

Нагрев металла энергии при плазменной обработке происходит за счет потока ионов, а также нейтральных молекул и атомов, образующихся при пропускании аргона, азота, аммиака, других газов и их смесей через дуговой разряд. Удельная мощность в пятне нагрева ниже, чем при электронно-лучевой бомбардировке.

При лазерной сварке используют твердотельные и газовые квантовые генераторы – лазеры.

Фокусировка луча в пятно диаметром до сотых долей миллиметра, позволяет нагревать практически все металлы до расплавления и даже до кипения. Лазеры большой мощности позволяют сваривать заготовки из металла толщиной до нескольких миллиметров.

Лазером можно прошивать отверстия весьма малого диаметра (до 5 мкм) в любых материалах, в том числе в алмазах.