Краткий обзор развития сварки

Вопросы темы

Практическое значение предмета в подготовке специалистов, цели и задачи изучения, связь с другими предметами. Исторический обзор развития сварки – роль отечественных и зарубежных ученых. Понятие сварки. Физические основы процесса сварки. Классификация основных видов сварки.

Сваркой называют процесс получения неразъемных соединений посредством установления межатомных связей между свариваемыми частями при их местном или общем нагреве, пластическом деформировании или совместном действии того и другого.

Сущность сварки заключается в сближении элементарных частиц свариваемых частей настолько, чтобы между ними начали действовать межатомные связи, которые обеспечивают прочность соединения.

В зависимости от физических признаков процессы сварки разделяют на три класса: термический, термомеханический и механический.

1) термический – к которому относится сварка, осуществляемая плавлением с использованием тепловой энергии;

2) термомеханический – сварка, осуществляемая с использованием тепловой энергии и давления;

3) механический – сварка, осуществляемая с использованием механической энергии и давления.

При обычной комнатной температуре атомы металлов и сплавов прочно закреплены в узлах кристаллических решеток, в связи с чем подвижность их, т.е. способность к сближению, диффузии и сварке, незначительна. Поэтому сварку без нагрева (холодная сварка) возможно осуществить, только прикладывая в зоне соединения значительное усилие (давление) с тем, чтобы создать глубокую пластическую деформацию.

Холодной сваркой соединяют преимущественно высокопластичные материалы: медь, алюминий и др.

Нагрев металла до температур ниже точки плавления значительно расширяет возможности создания неразъемных соединений, что объясняется возрастанием подвижности атомов с повышением температуры. Однако и в этом случае подвижность атомов недостаточна для возникновения прочных межатомных связей.

Для образования сварного соединения кроме нагрева необходимо приложить давление, достаточное для создания требуемой пластической деформации соединяемых частей. Прилагаемое при нагреве усилие в 8-10 раз меньше, чем при холодной сварке, так как нагрев снижает сопротивление металла пластической деформации.

Сваркой давлением с предварительным нагревом можно соединить не только пластичные цветные металлы, но также различные виды стали, чугун.

При местном расплавлении соединяемых частей для образования сварного соединения не требуется приложения давления; сближение атомов металла обеспечивается высокой тепловой энергией, диффузией и смачиваемостью.

Для сварки плавлением используются высокотемпературные источники тепла – электрическая дуга, пламя газовой горелки и т.д. Сваркой плавлением можно соединять практически все металлы и сплавы.

Термическая сварка.

В промышленном строительстве используются следующие виды сварки: дуговая открытой дугой, дуговая под флюсом и в защитном газе, электрошлаковая, газовая.

Сварка открытой дугой – дуговая сварка, осуществляемая без подачи защитного газа или сварочного флюса, при которой зона дуги доступна наблюдению. При ручном способе сварки (рис. 1, а) для местного нагрева металла до температуры расплавления используется тепловая энергия электрической дуги 1, горящей между свариваемым металлом 2 и концом электрода 3, закрепленным в электрододержателе 4, который подключен к источнику сварочного тока. В результате плавления свариваемого металла и электрода образуется сварной шов 5. Плавящиеся электроды используются штучные со специальным покрытием.

При неплавящемся электроде (уголь, графит) дуга расплавляет свариваемый металл (рис. 1, б), образуя жидкую ванну, а необходимое сечение шва обеспечивается дополнительным плавлением дугой металлического присадочного прутка 6.

Сварка под флюсом (рис 1, в) – дуговая сварка, при которой дуга горит под слоем сварочного флюса. Электрическая дуга 1, горящая под слоем флюса 7, расплавляет свариваемый металл и электродную проволоку 3, а также флюс, в результате плавления которого образуется жидкотягучая пленка шлака 8, защищающая плавильное пространство от доступа атмосферного воздуха. В качестве электрода применяется проволока без покрытия (голая).

Дуговая сварка в защитном газе – сварка, при которой в зону дуги подается защитный газ. При этом способе сварки (рис. 1, г) в зону дуги поступает инертный (аргон, гелий) или активный (углекислый) газ 9, который защищает плавильное пространство от контакта с атмосферным воздухом. Электрод применяется плавящийся (проволока) или неплавящийся (вольфрамовый стержень).

Сварку в углекислом газе широко используют при соединении оцинкованных труб.

По степени механизации дуговую сварку разделяют на ручную, полуавтоматическую и автоматическую.

Электрошлаковая сварка (рис. 1, д) – сварка плавлением, при которой для нагрева металла используется тепло, выделяющееся при прохождении электрического тока через расплавленный шлак.

Сварка ведется в вертикальном положении с использованием формующих ползунов 11. Электрический ток, проходя через расплавленный шлак 10, выделяет тепло, за счет которого плавятся кромки свариваемого металла и электрод, создавая металлическую ванну 12, после охлаждения металлической ванны образуется сварной шов.

Газовая сварка (рис. 1, е) – сварка плавлением, при которой нагрев кромок соединяемых частей производится пламенем газов, сжигаемых на выходе горелки для газовой сварки.

Высокотемпературное пламя 13 газовой горелки 14 получает сжиганием горючих газов и паров (ацетилен, пропан, пары керосина и др.) в атмосфере технического кислорода. Пламенем горелки расплавляют кромки соединяемых частей и присадочный пруток 6 для получения сварного шва. При отбортовке кромок сварку выполняют без присадочного прутка.

Термомеханическая сварка.

Термомеханическую сварку, в основном контактную, осуществляемую с использованием теплоты, которая выделяется при прохождении электрического тока через контактирующие места свариваемых деталей, и одновременного механического сдавливания их.

Контактная сварка – сварка с применением давления, при которой нагрев производится теплом, выделяемым при прохождении электрического тока через находящиеся в контакте соединяемые части.

Контактная сварка может быть стыковой, точечной, рельефной и шовной.

Стыковая сварка (рис. 2, а) – при которой соединение свариваемых частей происходит по поверхности стыкуемых торцов.

Соединяемые части 1 закрепляют в зажимах 2 сварочной машины. Действием электрического тока зону стыкуемых торцов нагревают до сварочной температуры, после чего (или одновременно с этим) прикладывают осевое усилие Р.

Точечная сварка (рис. 2, б) – при которой соединение элементов происходит на участках, ограниченных площадью торцов электродов, подводящих ток и передающих сжимающее усилие.

Обычно кромки листовых элементов укладывают внахлестку и зажимают коническими электродами 4 сварочной машины. Через электроды и свариваемый металл пропускают электрический ток и после надлежащего нагрева элементов в зоне контакта прикладывают необходимое усилие Р.

Рельефная сварка – при которой соединение элементов происходит на отдельных участках по заранее подготовленным выступам. Рельефная сварка редко применяется в строительстве из-за необходимости штамповки выступов.

Шовная сварка (рис. 2, в) – при которой соединение элементов выполняется внахлестку вращающимися дисковыми электродами 4 в виде непрерывного или прерывистого шва. Процесс аналогичен точечной сварке, но для получения непрерывного шва сварные точки должны перекрывать одна другую.

Газопрессовая сварка (рис. 2, г) – сварка давлением, при которой нагрев производится пламенем газов, сжигаемых на выходе сварочной горелки. При этом способе сварки пользуются полукольцевыми многопламенными горелками 5, которыми нагревают торцы свариваемых частей 1, закрепленных в зажимах сварочной машины, и после достижения требуемой температуры сдавливают усилием Р.

Механическая сварка.

Сварка трением (рис. 2, д) – сварка давлением, при которой нагрев осуществляется трением, вызываемым вращением одной из свариваемых частей. Свариваемые детали 6 и 7 закрепляются в патроне токарного станка для сообщения вращения одной из деталей. Разогретые трением торцы деталей сваривают, прилагая осевое усилие Р.

Холодная сварка – сварка давлением при значительной пластической деформации без внешнего нагрева соединяемых частей.

На рис. 2, е приведена схема холодной сварки пластин 1, зажатых в кондукторе 9, давлением пуансонов 8.

Холодная сварка применяется для соединения высокопластичных металлов (медь, алюминий и др.).

Ультразвуковая сварка (рис. 2, ж) – сварка давлением, осуществляемая при воздействии ультразвуковых колебаний.

Для этой цели используются преобразователи ультразвуковых колебаний в механические, при помощи которых в зоне соединения создается нагрев металла в микроскопических объемах. Преобразователь состоит из пакета магнитострикционного преобразователя 10, системы, трансформирующей и передающей упругие колебания 11, рабочего наконечника (электрода) 4 и опоры 12. Сварка производится при сравнительно небольшом сдавливающем усилии Р.

Краткий обзор развития сварки

Сварка как процесс получения неразъемного соединения возникла с древних времен (горновая сварка). В развитии и совершенствовании сварочных процессов и оборудования участвовали ученые и практики многих стран мира. Видная роль в этой области принадлежит отечественным ученым.

В 1802 г. академик В.В. Петров впервые в мире зажег электрическую дугу и доказал возможность использования ее для плавки металлов.

Практическое применение электрической дуги для сварки металлов было осуществлено в 1882 г. русским инженером Н.Н. Бенардосом. При этом в качестве электрода он использовал угольный стержень. Н.Н. Бенардосом были разработаны способы электрической контактной сварки, сварки в струе газа, а также предложены автоматы для дуговой сварки.

В 1888 г. инженер Н.Г. Славянов предложил способ дуговой сварки металлическим электродом.

В 1929 г. советским изобретателем Д.А. Дульчевским был разработан и запатентован способ сварки меди дугой, погруженной в слой порошка (флюса). В 1940 г. под руководством академика Е.О. Патона был разработан новый высокопроизводительный способ автоматической дуговой сварки под слоем флюса, широко применяющийся в настоящее время.

Большая работа по изучению, развитию и промышленному внедрению автоматической сварки под флюсом, а также принципиально нового способа электрошлаковой сварки проведена институтом электросварки им. Е.О. Патона Академии наук. Также большой вклад в развитие различных процессов сварки внесли ученые Московского высшего технического училища им. Н.Э. Баумана, Института металлургии им. А.А. Байкова, Всесоюзного научно-исследовательского института электросварочного оборудования и др.

Применение сварки уменьшает трудоемкость работ и снижает стоимость конструкций по сравнению с клепкой, т.к. при этом отпадает целый ряд операций (разметка, пробивка, сверловка отверстий), а также уменьшает расход металла.

Сварочное оборудование дешевле сверлильного, кузнечно-прессового и литейного.

В отличие от клепки, процесс сварки не сопровождается шумом, повышающим утомляемость рабочих.