Технология выполнения сварных соединений

Общие сведения

Сварка - это процесс получения неразъемного соединения путем установления межатомных связей между свариваемыми частями при их местном нагреве или пластическом деформировании или совместном действии того и другого.

Преимущества сварных соединений по сравнению с заклепочными:

1) снижение массы конструкции,

2) герметичность соединения (кроме точечной),

3) возможность механизации и автоматизации.

Недостатки:

1) снижение прочности шва по сравнению с основным материалом (у большинства видов),

2) наличие внутренних остаточных напряжений,

3) сложность исправления дефектов.

Виды швов:

встык угловой тавровый тавровый

плавлением диффузионный

Внахлест:

лобовой фланговый

комбинированный

Лист с профилем:

Классификация методов сварки:

2.3.2. Сварка плавлением.

Осуществляется в результате разогрева металла деталей и присадочной проволоки (не всегда) в зоне шва до перехода в жидкое состояние, перемешивания и последующего охлаждения и его затвердения.

I. Газовая – КАС (кислородно-ацетиленовая сварка). Применяется ограниченно.

tпл = 3000 °С

Область применения: баки, патрубки, кронштейны управления.

Материал: легкие сплавы, стали, d = 0.5...10 мм.

+ простота оборудования и независимость от источников тока.

- низкое качество шва, прожоги, коробление.

II. Дуговая электросварка (ДЭС).

1. Ручная (плавящимся и неплавящимся вольфрамовым (W) электродом).

tдуги = 6000 °С

J = 50...400 А, U = 15...40 В.

Скорость сварки V =10 см/мин.

Область применения: мелкие кронштейны, прихватка, ремонт.

Материал: стали, d = 2...10 мм

+ простота оборудования и удобство подхода.

- низкое качество шва.

2. Аргонодуговая.

а) ручная (ДЭСАр)

PАr = 1,1 ... 1,2 aтм;

J = 10...600 A;

U = 10...80 B.

Область применения: баллоны, емкости, патрубки, мелкие узлы, прихватка.

Материал: стали, Al- сплавы, Ti- сплавы, d = 0.8...10 мм.

Оборудование:

горелки АР-9, камеры с контролируемой средой (УСКС-17).

+ 1) отсутствие флюсов;

2) высокое качество шва;

3) коррозионная стойкость шва;

4) возможность сварки тонких листов;

5) малое коробление.

- дефицитность Ar и W.

б) автоматическая (ДЭСААр) (плавящимся и неплавящимся электродом)

Материал: легированные и высоколегированные стали, Al-сплавы, Ti-сплавы, d = 0.1 ... 100 мм.

Оборудование:

для плавящегося электрода: автоматы АРК-1, АДСП; для неплавящегося электрода: автоматы АДСВ, ПШВ.

Имеются компоновки из сварочных головок, манипуляторов; камеры с контролируемой средой.

+ высокая производительность: V = 150 см/мин, более высокое качество шва, сварка более тонких листов.

3. Автоматическая под флюсом (ДЭСФА)

J = 200 ... 2000 А;

U = 20 ... 50 В.

Материал: стали, d = 2...100 мм.

Область применения: узлы шасси, баллоны.

+ 1) высокое качество шва: отсутствие пор, чистая поверхность, плавные переходы;

2) глубокий провар из-за более глубокой температуры и избыточного давления дуги, что позволяет сваривать материалы с d = 15...20 мм за один проход без разделки кромок;

3) высокая производительность: V = 300 см/мин.

- 1) невозможность наблюдения за процессом сварки;

2) необходимость очистки швов от флюсов, вызывающих коррозию;

3) плохая свариваемость Al- и Ti-сплавов.

Основные операции ДЭС

1. Разделка кромок

для d = 1...2 мм d свыше 2 ...4 мм

d свыше 4 ... 20 мм d свыше 20 мм

Применяют кромкострогальные станки или фрезерные. Контроль шаблонами.

2. Подготовка поверхностей кромок.

На ширине 50...60 мм от шва - очистка от ржавчины, окислов, масла, влаги механическим способом: металлическими щетками или на пескоструйных аппаратах с последующим обезжириванием и промывкой в воде или химическим способом: травлением в щелочах или кислотах.

3. Сборка-прихватка.

Выдерживается зазор по ГОСТу.

Используются универсальные СП:

столы, стяжки, манипуляторы; и специальные СП.

Контроль.

4. Доработка после прихватки: устранение прожогов, правка.

5. Сварка в свободном состоянии или в СП.

Здесь важно подобрать режимы сварки и оборудование.

6. Правка после сварки.

Перед правкой - промежуточная термообработка (низкий или неполный обжиг). Рихтовка осуществляется на специальных станках.

7. Контроль сварки: визуальный осмотр; магнитопорошковый, УЗ, Re или гаммаграфический контроль; металлографический анализ; испытания на герметичность и прочность.

8. Термообработка.

Для ответственных узлов из материалов с пределом прочности не менее 120 кгс/см - закалка с отпуском.

9. Нанесение антикоррозионных покрытий.

Подготовка поверхности и оксидирование или покрытие эмалями и др.

Бывает двух видов:

- сварка плазменной струей, выделенной из дуги

- сварка плазменной струей, совмещенной с дугой

tструи > 10000 °С … 40000 °С

Газ: Ar, He, H, N, ацетилен

Материал: стали, сплавы тугоплавких металлов: Ti, Mo, W, стекло, керамика, d = 0,1...25 мм.

Применение пока ограничено. Например, на ДС-10 - трубопроводы из нержавеющей стали.

Оборудование:

плазматроны ГЗД – стационарные и переносные пистолеты.

+ 1) возможность сварки тугоплавких материалов,

2) высокая производительность Vсв = 40...130 см/мин.

Установка представляет собой электронную пушку. Ускоряющее напряжение между катодом и анодом Uк-а = 10...15 В, J = 50...500 mА, sпятна = 0,1 кв. мм, tпятна = 6000 °С.

Область применения: узлы шасси, сотовые блоки, трубопроводы.

Материалы: сплавы Al, Fe, Ti, Mg, Cu, Mo, Ni, W, разнородные материалы (Cu- сплав + Al-сплав, сталь + Al-сплав и др.). d = 0,01...200 мм.

Оборудование: ЭЛУ-22 (сварка шасси), У-101, У-68 (трубы).

+ 1) возможность сварки разнородных материалов, для этого пятно располагают так, чтобы большая часть приходилась на более тугоплавкий материал,

2) возможность сварки тугоплавких материалов,

3) большая глубина проплавления,

4) малое коробление из-за малой площади пятна,

5) высокая производительность Vсв = 40...150 см/мин.

-1) высокая стоимость оборудования,

2) большой цикл создания вакуума,

3) высокая точность подгонки деталей по кромкам,

4) высокая точность ведения луча по шву.

V. Лазерная сварка

1 – защитный газ;

2 – луч лазера;

3 – объектив;

4 – защитный кожух (сопло);

5 – деталь.

Используются твердотельные лазеры, работающие в непрерывном и импульсном режимах.

Мощность импульса Wимп = 10 ... 15 МВт, время tимп = 10 нсек, sпятна = l², для сварки используется sпятна = 0,05 ... 0,2 мм, tпятна = 20 х 10⁶ К.

Применяются, в основном в приборостроении. В СС - в стадии промышленного опробования.

Материалы - все, и разнородные.

Оборудование: установки СУ-1, Искра-8, Свет-30 и др.

+ 1) сварка любых и разнородных материалов

2) малое коробление из-за малой площади пятна и малого времени импульса

3) высокая производительность.

Сравнение мощности различных видов сварки плавлением

2.3.3. Сварка давлением.

I. Контактная электросварка.

Осуществляется за счет местного расплавления деталей в местах их контакта проходящим через них током при одновременном обжатии их электродами.

Количество выделяемого тепла Q = 0.24 х J² х R х t – закон Джоуля-Ленца.

1. Точечная электросварка (ТЭС).

iстали = 500...1000 А/мм²;

iАl-сплав = 1000...2000 А/мм²;

U = 0,5 ... 10 В, P = 50 ... 1500 кгс;

tимп = 0,04 ... 2 с.

Область применения: панели, нервюры, шпангоуты, сотовые блоки, лонжероны.

Материал: стали, сплавы Al, Mg, Ti, d = 0,1 … 6 мм.

Оборудование:

машины точечной сварки: МПТ-300 (сталь) и др., установка УТС с ЧПУ, "клещи".

+ 1) высокая производительность: 250...6000 точек/час,

2) малый расход энергии,

3) малое коробление,

4) возможность сварки тонких листов,

-1) трудность осуществления антикоррозийной защиты,

2) снижение прочности на срез сварной точкой по сравнению с основным материалом на 10...40%,

3) плохая работа на отрыв (в 2...3 раза хуже, чем на срез),

4) вмятины поверхности (0.15...0.25)

5) пониженная выносливость из-за концентрации напряжений.

2. Роликовая электросварка (РЭС).

J = 10 ... 50 кА, U и P тоже;

Vсв = 50 ... 200 см/мин.

Область применения та же, еще баллоны.

Материалы – те же, d = 0.2...3.5 мм.

Преимущества те же, еще герметичность.

Недостатки те же, кроме п.5.

Технология ТЭС и РЭС

I) Жаропрочные и нержавеющие стали

1) Подготовка поверхности

Кромки деталей на 20...30 мм от края с 2-х сторон очищают от грязи и окисных пленок. Существуют 2 способа:

а) механический: очистка наждачными кругами на полировочных машинах, обдувка сжатым воздухом, обезжиривание в растворе трихлорэтилена;

б) химический: травление в HCl или серной кислоте.

Допускается наличие таких покрытий: цинковое, фосфатное, кадмиевое.

2) Сборка-прихватка

Узлы собирают в СП. Прихватка малых узлов - на машинах, крупногабаритных - "клещами".

3) Контроль прихватки: диаметр отпечатка, отсутствие трещин, глубина вмятины, шаг, зазоры между листами (<0.2...0.5 мм).

4) Сварка. Осуществляется на стационарных точечных и роликовых машинах и автоматах в СП и без, с применением ковочного давления (увеличение прочности шва на 50%) и без него.

5) Правка после сварки.

6) Контроль сварки - 100%.

Этапы контроля:

а) пооперационный контроль,

б) визуальный осмотр,

в) испытание на герметичность (РЭС),

г) магнитопорошковый, Re и гаммаграфический, УЗ контроль,

д) испытания на прочность выборочно.

7) ТО ответственных узлов для снятия внутренних напряжений.

8) Нанесение антикоррозионных покрытий (для жаропрочных).

II) Легкие сплавы

1) Предварительная сборка

Требования к чистоте поверхности изделий из легких сплавов выше, чем для сталей. Поэтому детали устанавливают в СП, размечают, обрезают припуски и разбирают.

2) Подготовка поверхности

Механическим путем: зачистка металлической щеткой, обезжиривание бензином, ацетоном.

Химическим путем - травление в растворе ортофосфорной кислоты, с последующей промывкой в горячей и холодной воде.

3) Контроль электросопротивления.

Пакет зажимают между двумя электродами на прессе и с помощью микрометра измеряется электросопротивление, которое должно быть не более 40...200 мкОм.

4) Окончательная сборка в СП.

При этом для улучшения коррозионной защиты кромки деталей окрашивают грунтом АЛГ-1.

5) Прихватка, контроль. Необходимо измерить зазор между деталями (0,2...0,3 мм).

6) Сварка с обязательной проковкой шва.

Циклограмма сварки

7) Правка.

8) Контроль сварки.

9) Грунтовка и окраска: анодирование.

3. Стыковая сварка.

а) оплавлением

Подводим детали близко, но не соприкасаем. Включаем ток. Торцы деталей плавятся. Происходит осадка силами Р.

iст = 2,5 ...15 А/мм²;

iАl = 80 ... 130 А/мм²;

Pст = 2 ... 12 кгс/мм²;

PAl = 12 ... 20 кгc/мм²;

Pзаж = 6 ... 10 тс;

Sсеч = (10 ... 40) х 10³ мм²;

Припуск 6 ... 20 мм на каждую деталь.

Область применения: цилиндры, профили, трубы, листы.

Материал: стали, Al-сплавы, Cu-сплавы.

Оборудование: машины, автоматы стыковой сварки.

+ 1) отсутствие присадочного материала,

2) высокая прочность, равная 0.9 прочности основного материала,

3) возможность сварки сечений сложной формы,

4) отсутствие обработки кромок.

-потеря материала из-за припуска.

б) сопротивлением

Тщательно подогнанные торцы сближаются, дают давление Р = 1 ... 2 кг/мм², включают ток, после прогревания и достижения нужной температуры дают осадочное давление Р = 1,5 ... 3 кгс/мм².

i = 40 ... 50 А/мм²;

Sсеч = 0,03 ... 200.

Область применения: листы, проволока.

Материалы - те же, только простого сечения.

Оборудование: машины, автоматы.

Преимущества те же.

Недостатки: 1) необходимость точной подгонки торцов,

2) деформирование в месте стыка.

II. Сварка взрывом.

Область применения: листы, трубы, профиль с листом, сотовые блоки.

Материал: стали, сплавы Al, Ni, Cu, Ti, пластмассы, разнородные материалы, d = 0,2 ... 25 мм, d = 6мм.

Параметры: P = 10 ... 3000 кгс/мм², t = 900 °С (в контакте), зазор 0,1 ... 0,4 мм, Vсв = (2,5 ... 5) х 10³ см/мин.

Выгорающие ВВ: черный и бездымный порох.

Детонирующие ВВ: динамит, тетрил, тринитротолуол.

+ 1) высокая производительность,

2) отсутствие спец. оборудования,

3) возможность сварки тугоплавких и разнородных материалов,

4) возможность сварки листов больших габаритов,

5) высокая прочность соединения, равная прочности основного материала,

6) малая ширина литой зоны: 5...100 мкм.

-строгая Техника Безопасности.

III. Сварка трением.

Pнагр = 1 ... 20 кгс/мм²;

Pсв = 20 ... 40 кгс/мм²;

n = 300 ... 3000 об/мин;

tнагр = 100 с, tсв = 10 с.

Область прим.: трубы, прутки, фланцы. dсплош = 5 ... 100 мм, dтруб. < 400 мм.

Материал: стали, сплавы, чугун и разнородные.

Оборудование: машины МСТ и ее модификации.

+ 1) возможность сварки тугоплавких и разнородных материалов,

2) высокая прочность, иногда равна 1,1 прочности основного материала,

3) отсутствие термообработки,

4) малое потребление энергии.

-1) ограниченность форм сечений,

2) точная подгонка торцов.

IV. Диффузионная сварка.

tо = 0,8 tпл;

P = 0,5 ... 2,5 кгс/мм²;

Pвак = 10^-3 ... 10^{-6 мм рт. ст.;}

tсв = 50 ... 120 мин.

Область прим.: узлы стыка, сотовые блоки, листы.

Материал: стали, сплавы Al, Cu, Ni, керамика, разнородные материалы.

Способы нагрева: индукционный, контактный, радиационный, электронно-лучевой, лучом лазера.

Оборудование: машины СДВУ-50 и их модификации.

+ 1) сварка тугоплавких и разнородных материалов,

2) получение деталей сложной конфигурации,

3) высокая прочность,

4) стабильность качества, что позволяет осуществить выборочный контроль,

5) не нужна термообработка.

-1) низкая производительность,

2) точная подгонка по стыку.

fузг = 17 ... 45 кГц; P = 20 ... 200 кгс; tо = 200 ... 800 °С; tсв = 0,1 ... 5 с.

Материалы: сплавы Al, Cu, Ti, Ni, Mo, некоторые нержавеющие стали, полимерные пленки, пластмассы, разнородные материалы, d = 0,1 ... 2 мм.

Оборудование: МТУ-, МШУ-, УЗПС – пистолет.

+ 1) сварка тугоплавких и разнородных материалов,

2) сварка разнотолщинных материалов,

3) прочность соединения равна прочности основного материала,

4) локальный характер нагрева.