АВТОМАТИЧЕСКАЯ СВАРКА

Применение автоматической и полуавтоматической сварки обеспечивает более стабильное качество шва и высокую производительность процесса. При автоматической дуговой сварке механизируется управление дугой и подача материала – сварочной проволоки, флюса или защитного газа. ЕЕ целесообразно применять при большой протяженности швов.

Сварку малоуглеродистых и низколегированных сталей производят под слоем флюса. Флюс, подобно толстой обмазке на электроде, обеспечивает защиту шва от кислорода, азота и водорода воздуха, раскисляет и легирует шов, Рис. 76.

Процесс образования шва под флюсом имеет свои особенности. При ручной сварке основной металл мало участвует в образовании шва. Шов образуется за счет наплавленного электродного металла и незначительного расплавления кромок.

При сварке под слоем флюса дуга горит между концом электрода и изделием под слоем сыпучего вещества. Дуга утоплена в массе флюса и горит в жидкой среде расплавленного флюса, в газовом пузыре, образуемом газами и парами, непрерывно создаваемыми дугой. Дуга интенсивно расплавляет основной металл и образует глубокий кратер. Заполнение кратера происходит за счет расплавленного присадочного металла и за счет расплавленного вытесняемого дугой основного металла. В момент возбуждения дуга горит между концом электрода и основным металлом. При перемещении дуги столб ее отклоняется назад - в сторону, противоположную направлению сварки. Дуга плавит металл и вытесняет его назад. Расплавленный флюс изолирует от воздуха не только столб дуги, но и всю зону сварки. В результате значительного запаса теплоты шлак остается жидким до конца затвердевания ванны и не препятствует удалению газов. Слой нерасплавленного флюса замедляет процесс остывания ванны. По истечении некоторого времени шлаковый покров полностью затвердевает в виде корки и легко удаляется со шва.

Для производства автоматической сварки применяются автоматы нескольких типов. Наиболее распространенными являются автоматы для напольных швов, называемые сварочными тракторами Рис. 77. Автомат состоит из самоходной тележки, штанги, поворачивающейся вокруг вертикальной оси. На одном конце штанги укрепляются катушка со сварочной проволокой и пульт управления; на другом – коробка передач с роликами для подачи и правки проволоки и бункер с флюсом. Тележка имеет два колеса направляющих, имеющих V-образную канавку и два колеса опорных.

Трактор перемещается по направляющей, уложенной параллельно шву. Для того, чтобы электрод всегда располагался по оси разделки шва, спереди укрепляются ролики, идущие по разделке, они как бы ведут за собой головку с мундштуком, через который проходит проволока.

Другой тип автоматов – автоматы с тележкой велосипедного типа, имеющие длинную консоль, Рис. 78, позволяющие варить швы, находящиеся в глубине конструкции. Тележка у них на двух колесах. Третьей опорой, препятствующей опрокидыванию, является ролик, укрепленный на тележке. Существуют в каждой отрасли промышленности специальные сварочные автоматы, предназначенные для сварки изделий этой отрасли.

Для сварки нержавеющих сталей, алюминиевых сплавов и титановых сплавов в качестве защитной среды применяются инертные газы – аргон и гелий. Для сварки низкоуглеродистых сталей применяется углекислый газ CO₂.

Автоматы для сварки в среде защитных газов имеют ту же конструкцию, что и автоматы для сварки род слоем флюса, только отсутствует бункер с флюсом, а горелка Рис. 79. имеет отверстие для подачи в зону дуги и сварочной ванны защитного газа и соединена с баллоном. Горелка охлаждается водой.

Для более оперативной сварки коротких швов различного расположения существуют полуавтоматы, горелку которых можно держать в руке или укреплять в приспособлении. Проволока подается толкающим механизмом по шлангу, оснащенным внутри проволочной спиралью, к мундштуку. Туда же подается газ из баллона, Рис. 83.

Для увеличения производительности наплавки применяют автоматы с дополнительной присадочной проволокой, плавящейся в дуге, горящей между электродами и изделием, Рис. 80.

Применяют двудуговые автоматы, Рис. 81, а также автоматы с трехфазной дугой, Рис.82, где горит три дуги: между каждым электродом и изделием и между электродами. Расстояние между ними (дуговой промежуток) регулируется автоматически в зависимости от величины тока в изделии.

Рисунок 76

1 – электрод, 2- флюсовый пузырь, 3 – сыпучий флюс, 4 – ванна жидкого металла

Рисунок 77

Рисунок 78

Рисунок 79 Рисунок 80

Рисунок 81 Рисунок 82

Рисунок 83

ЭЛЕКТРОШЛАКОВАЯ СВАРКА

Электрошлаковая сварка – способ бездуговой электрической сварки плавлением встык в расплавленном шлаке.

При электрошлаковой сварке дуга горит только в начальный момент, до накопления необходимого объема ванны расплавленного металла и шлака, после чего дальнейшее плавление присадочного и основного металла производится за счет джоулева тепла при прохождении тока между электродом, ванной и шлаком.

Сварка по этому способу производится одним или несколькими электродами при вертикальном положении кромок свариваемого металла, где образуется глубокая ванна с большим количеством жидкого металла, Рис. 84. Зазор на стенке двух частей нужен 20…25 мм, толщина свариваемого металла обычно 150…450 мм, но может быть и больше.

Чтобы жидкий металл и шлак не вытекали из зазора между частями, снизу приваривается тонкий лист-поддон, а с боков перемещаются вверх вместе с электродами охлаждаемые водой медные щеки.

Применяя электрошлаковую сварку, можно заменить крупные литые и кованые детали машины сварными из литых и прокатных частей со значительной экономией (до 25…30%) металла.

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ КОНТАКТНАЯ СВАРКА

При электрической контактной сварке для нагрева свариваемых частей используется тепло, выделяемое при прохождении тока через место сварки. В месте контакта деталей наблюдается увеличенное электрическое сопротивление по сравнению с другими участками цепи.

После достижения в зоне сварки необходимой температуры, свариваемые части для их соединения сдавливают.

Существует три вида контактной сварки: стыковая, точечная и роликовая.

Стыковая сварка. Для стыковой сварки соединяемые части Рис. 85 занимают в колодках (губках) сварочной машины и пропускают через них ток большой силы. При этом в зоне контакта частей выделяется большое количество тепла и происходит нагрев их до термопластического состояния. Нагретые части сдавливаются и в месте их контактов происходит сварка; этот способ – сварка сопротивлением; он применяется для низкоуглеродистой стали и цветных металлов.

Другая разновидность стыковой сварки – сварка оплавлением.

При сварке оплавлением ток включают, имея зазор между частями: при их сближении происходит выбрасывание искр и оплавление поверхностей на стыке. При последующем сжатии (осадке) частей жидкий металл и шлак, образовавшиеся на стыке, вытесняются и части свариваются. Этим способом можно варить легированную сталь, а также разнородные металлы: медь и сталь, ковкий чугун и сталь, латунь и сталь, алюминий и медь и др.

Стыковая сварка возможна для сечений до 50000 мм² и более, причем форма на стыке может быть самой разнообразной: круглой, квадратной, фасонной (рельсы, трубы).

Недостатком такой сварки является образование венца из выдавленного металла и шлака по контуру шва, называемого ГРАТОМ. Грат, если он мешает работе детали, удаляют. Особенно трудно удалять грат на поверхности труб малого диаметра. При сварке современных трубопроводов для нефти и газа используют внутреннюю подложку из медных пластин для избежания возникновения грата, Рис. 85.

Точечная сварка. При точечной сварке свариваемые листы зажимаются между двумя электродами. Верхний электрод подвижный и имеет пневматический или гидравлический привод; нижний служит основанием, Рис. 87.

Сваривают обычно тонкие листы, причем толщина листов может быть неодинакова, а суммарная толщина пакета не более 3-4 мм.

Для сварки пакета одинаковой толщины из углеродистой или нержавеющей стали требуется меньшая мощность, чем при сварке листов из алюминиевых и медных сплавов ввиду большей их теплопроводности. Диаметр сварной точки обычно 3-6 мм, расстояние между ними называется шагом. Через пакет из листов пропускается импульс тока большой силы (I).

Время импульса изменяется в больших пределах от десятков до тысячных долей секунды в зависимости от толщины пакета и свариваемых материалов.

Вследствие большого сопротивления место контакта свариваемых частей нагревается до термопластичного состояния и под влиянием давления (Р) электрода происходит сварка.

Роликовая шовная сварка. Такой сваркой соединяют листы толщиной до 2 мм из низкоуглеродистой стали и листы толщиной до 1,5 мм из нержавеющей стали, латуни, бронзы и алюминиевых сплавов. Подготовленные свариваемые части пропускают между вращающимися роликами – электродами, Рис. 88, шовной машины, через которые проходит электрический ток, выделяющий тепло в месте соприкосновения свариваемых частей. В результате этого образуется шов. Роликовой сваркой сваривают баки, сосуды, изделия радио - и электронной техники.

ГАЗОВАЯ СВАРКА

Для расплавления присадочного материала при этом виде сварки используется тепло, выделяющееся при сгорании горючего газа в струе кислорода. В качестве горючих газов могут служить ацетилен, водород и другие газы. Ацетилен (C₂H₂) получают из карбида кальция (CaC₂) в ацетиленовых генераторах:

CaC₂+2H₂O=Ca(OH)₂+C₂H₂+30,4 кал/моль

В ядре пламени (белом ярко светящемся язычке) происходит неполное сгорание ацетилена

C₂H₂+O₂®2CO+H₂

Раскаленные продукты (СO и H₂) заполняют зону пламени на расстоянии 4-6 мм от конца ядра. Эта часть пламени используется при сварке, температура ее 3050-3150°С.

Окись углерода и водород предотвращают поглощение жидким металлом в ванне азота и кислорода из воздуха.

Пламенем горелки сначала разогревают место сварки, затем расплавляют присадочный материал.

Сварка применяется в основном для толщины 0,5-3мм. Свариваются низкоуглеродистые стали и чугун.

НАПЛАВКА И РЕМОНТ ДЕТАЛЕЙ

Электродуговая сварка часто используется для ремонта изношенных деталей, ремонт которых обошелся бы дешевле, чем выпуск новой детали. Для этой цели производят наплавку на изношенных поверхностях деталей с учетом припуска на механическую обработку. Можно восстанавливать плоские поверхности, поверхности тел вращения (ободы, диски, катки, ступицы) и даже внутренние труднодоступные поверхности.

Рисунок 84

Рисунок 85 Рисунок 86

Рисунок 87 Рисунок 88

РЕЗКА МЕТАЛЛОВ.

Кислородная (газовая) резка. Процесс резки заключается в следующем. Металл в месте реза подогревают до температуры воспламенения пламенем горячей смеси: кислород и горючий газ, вытекающий из резака. Затем отключают газ и подают только кислород. Разогретый до температуры воспламенения металл начинает сгорать с интенсивным выделением тепла. Кислородная резка применяется только для тех материалов, у которых температура горения ниже температуры плавления. Этому условию отвечает углеродистая сталь с содержанием углерода до 0,7%. Для резки легированных сталей, чугуна, алюминия и меди необходимо в струю кислорода добавлять флюс. Флюс сгорает в струе кислорода и повышает температуру в месте реза настолько, что образующиеся тугоплавкие оксиды шлакуются с оксидами железа и жидкий шлак выдувается струей.

Резка плазменной струей. Носителем тепловой энергии при плазменной резке является поток ионов, а также электрических нейтральных молекул и атомов, образующихся при пропускании аргона, азота, аммиака, других газов и смесей, а также паров воды через дуговой разряд в дуговых пламенных горелках. Плазменная струя имеет температуру до 30000°С. Дуга образуется между вольфрамовым электродом и водоохлаждаемым соплом из меди или ее сплавов. Струя ионизирующего газа сжимает столб дуги, придает ей вытянутую форму; ионизированный столб обеспечивает устойчивость электрического разряда, стабилизирует дугу.

Резка плазменной струей дает чистую поверхность и точные размеры по разрезу. Разрезают как толстые листья алюминия до 100 мм, нержавеющей стали до 75 мм так и весьма тонкие листы.

СВАРКА ЭЛЕКТРОННЫМ ЛУЧЕМ

Эту сварку производят на специальных установках (ЭЛУ), представляющих собой вакуумную камеру со столом, имеющим необходимые перемещения установленных на нем свариваемых деталей и электронной пушкой. Пушка посылает фокусированный электронный луч, при этом поверхность свариваемого материала бомбардируется электронами и их кинетическая энергия переходит в тепловую. Электронный луч имеет высокую плотность энергии и обеспечивает глубокое проплавление. Зазор между деталями оставляют в пределах нескольких десятых долей миллиметра. Никакой разделки швов не требуется, кроме подготовки (точение, шлифование) свариваемых встык поверхностей. Применяют этот вид сварки для сварки молибдена, вольфрама, высокопрочных сталей, титановых сплавов для наземного оборудования и летательных аппаратов.

ДИФФУЗИОННАЯ СВАРКА В ВАКУУМЕ

Сварка производится при нагреве заготовок с помощью высокочастотных индукторов до температуры рекристаллизации свариваемых металлов и сжатии заготовок. В результате происходит взаимная диффузия в поверхностных слоях контактирующих металлов и прочное соединение частей. Нагрев способствует диффузии, а вакуум не только способствует диффузии, но и защищает контактирующие поверхности от окисления. При диффузионной сварке детали не коробятся и соединения можно получать с высокой точностью размеров. Свариваются разнородные металлы и сплавы с неметаллами, например, медь с фарфором. Эту сварку производят при изготовлении приборов инструмента, биметаллов и др. изделий. Перспективен этот вид сварки в космосе, где имеется естественный вакуум.

КОНТРОЛЬ СВАРНЫХ ШВОВ

Качество сварных швов проверяют, в зависимости от предъявляемых к ним требованиям, различными методами.

ВНЕШНИЙ ОСМОТР ШВОВ Устанавливает наличие наружных трещин, раковин, наплывов.

Если к швам предъявляют требования герметичности (швы баков низкого давления, корпуса плавающих машин и т.п.), то швы протирают керосином, имеющим низкое поверхностное натяжение и приникающего в микротрещины, на обратной стороне швы “отпотевают”. Иногда емкость просто заполняется водой. Обратную сторону шва смазывают мелом.

РЕНТГЕНОСКОПИЯ ШВА позволяет выявлять внутренние дефекты: трещины, поры, пустоты, шлаковые включения. На негативной фотопленке эти места выглядят более темными т.к. пустоты менее сильно поглощают излучение, скорость его там больше и оно интенсивнее действует на пленку.

МАГНИТНЫЙ МЕТОД контроля основан на явлении рассеяния магнитного потока над дефектами в виде трещин. Рассеяние потока над трещиной в шве увеличивает градиент магнитного поля, который втягивает магнитный порошок, посыпаемый на шов, и тем самым выявляет трещину.

Ультразвуковой контроль состоит в том, что электрические колебания, превращенные в механические при помощи пьезоэлемента – кварцевой пластинки подаются на испытываемый шов. Дефекты шва являются препятствием для колебаний ультразвуковой частоты; они рассеивают и отражают эти механические колебания, которые принимаются этим же или другим пьезоэлементом, превращаются в электрические, усиливаются и передаются на осциллограф, где могут наблюдаться в виде импульсов той или иной величины. При помощи ультразвука можно выявлять в шве трещины, непровары, поры и шлаки самых малых размеров.

Гидроиспытания определяют прочность шва на сосудах с внутренним или внешним давлениями.

Металлографические исследования, механические испытания проводятся на образцах для ответственных соединений единичного или серийного производства.

ПАЙКА МЕТАЛЛОВ

Пайкой называют технологический процесс соединения деталей в нагретом состоянии с помощью сравнительно легкоплавкого сплава (припоя), который в период расплавления хорошо смачивает поверхности паяемых деталей, а в период кристаллизации соединяет их. Соединение частей основного металла происходит за счет взаимной диффузии между расплавленным припоем и предварительно нагретым основным металлом.

Перед пайкой соединяемые поверхности подвергают химической очистке с помощью флюсов. Флюсы служат также и для защиты от окисления кислородом воздуха или пламенем.

Пайка мягкими припоями (мягкая пайка) применяется там, где от изделия не требуется высокая прочность соединения, а необходима герметичность или электропроводность.

Для пайки применяются мягкие припои с низкой температурой плавления. Это в основном оловянно-свинцовые припои. См. таблицу №1.

При пайке железа мягким припоем применяют в качестве флюсов хлористый цинк ZnCl₂ и хлористый аммоний NH₄Cl (нашатырь); при пайке меди и латуни применяют в качестве флюса канифоль.

Таблица №1

Пайка твердыми припоями (твердая пайка) обеспечивает получение высококачественных соединений, которые по своей прочности близки к сварным швам.

Соединения могут быть внахлестку, встык или в “ус”.

В качестве флюса используют чаше всего буру Na₂B₂O₇, плавящуюся при 783°С. Высокое качество шва дает пайка в вакууме. Так паяют ответственные узлы аэродинамических установок и подогревателей (сопла, коллекторы, электроды и т.д.).

К твердым припоям с высокой температурой плавления относятся серебряные, медно-цинковые припои. В качестве припоя могут использоваться латуни Л62, Л68 и силумины, см. таблицу №2.

Таблица №2

Прочность паяных соединений серебряными припоями дана в таблице 3.

Таблица №3