• Главная
• Статьи
• Соединение деталей

Сварные соединения

Терминологию в сфере сварки устанавливают положения ГОСТа 2601-84. Понятию «сварное соединение» в нем дано весьма краткое, но не допускающее двусмысленности определение. Формулировка такая: сварное – это неразъемное соединение, произведенное сваркой. Из всех существующих в настоящее время соединений оно характеризуется самыми высокими показателями надежности и лучшими прочностными качествами. В его основе находится молекулярное сцепление, возникающее между свариваемыми объектами под воздействием высокой температуры. Сами же материалы, из которых они изготовлены, могут быть не только металлами (что встречается чаще всего), но иметь и другую природу, например, полимерную.

Зоны сварного соединения

Сварное соединение состоит из четырех характерных зон.

Зона сварочного шва. Это – область сварного соединения, являющаяся результатом:

• кристаллизации металлического сплава;

• сварки давлением, предусматривающей пластическую деформацию;

• процесса, сочетающего деформацию и кристаллизацию.

Зона наплавленного металла. Здесь находится смесь находящихся в жидком состоянии основного металла и металла используемой для присадки проволоки либо металла электрода.

Зона сплавления. Представляет собой участок с частично сплавившимися зернами, отделяющий шов от основного металла.

Зона термического влияния. Это – область основного металлического сплава, не подвергшаяся плавлению. Но его свойства претерпели изменения под воздействием высокой температуры, при которой проводится сварка либо наплавка.

Плюсы и минусы

Сварные соединения обладают следующими основными преимуществами:

• возможность проведения работ в автоматическом режиме;

• невысокий уровень трудоемкости;

• снижение себестоимости производства сложных деталей мелкими партиями или единичными экземплярами;

• отсутствие отверстий, ослабляющих конструкцию;

• соединение получается плотным и абсолютно герметичным.

Из недостатков стоит выделить:

• качество шва зависит от квалификации исполнителя;

• неравномерный нагрев деталей в ходе сварки приводит к их короблению;

• в подвергнутых сварке элементах возникают остаточные напряжения.

Методы выполнения сварных соединений

Сегодня сварку применяют для элементов конструкций, изготовленных из конструкционных сталей всех видов, сплавов высоколегированных, а также из цветных сплавов. Рассмотрим основные способы выполнения этой операции.

Сварка дуговая

Сварка дуговая представляет собой метод соединения металлов посредством сплавления. С этой целью место будущего скрепления нагревается до температуры, достигающей отметки 1500°С. В результате происходит перемешивание расплавленного буферного металла с металлом деталей либо металла только самих деталей.

После охлаждения с последующим застыванием между ними возникает металлургическая связь. Поскольку сформированное таким образом соединение – ни что иное, нежели смесь металлов, ему, как правило, присуща та же прочность, что и металлу скрепляемых объектов. Данный фактор является очевидным преимуществом по сравнению с технологиями, не предусматривающими расплавление кромок деталей (например, пайка). Ведь продублировать механические и физические свойства основных металлов созданные на их основе соединения не могут.

Разновидности

Подразделение дуговой сварки на виды осуществляется по многим критериям. Наиболее часто применяемые – это материал электродов, их количество, а также тип формируемой на основе заготовки и электродов электрической цепи.

• Сварка электродом неплавящимся. Такой расходник может быть вольфрамовым либо угольным. Соединение образуется за счет плавления только металлов заготовок либо присадочной проволоки.

• Сварка электродом плавящимся. В данном случае используется метод Славянова. Он предполагает подачу электрода в сварочную ванну в виде жидкого металла.

• Сварка посредством дуги косвенного действия. Образование электродуги происходит между двумя электродами. Они могут быть как неплавящимися, так и плавящимися. На металл воздействует тепловая энергия электродуги.

• Сварка дугой трехфазной. Подключение металлической обрабатываемой детали и электродов осуществляется к различным фазам 3-фазной цепи. Электродуга образуется между: основным металлом и каждым из двух электродов;обоими электродами.

Методы электродуговой сварки: плюсы и минусы

Электродуговая сварка выполняется несколькими способами. Каждому из них присущи свои преимущества и недостатки.

Ручная электродуговая сварка

Ручная электродуговая сварка является наиболее популярным методом соединения металлических элементов конструкции. Применяется как в промышленном производстве, так и в быту. Этот способ используется для сварки чугуна, стальных и цветных сплавов различных марок.

Конструкция плавящегося электрода включает металлический стержень и обмазку. Стержень выполняет две функции:

• проводит электроток;

• отвечает за формирование сварного шва.

Функционал обмазки шире. Она:

• связывает компоненты покрытия стержня;всю массу покрытия с самим стержнем;

• легирует металл сварного шва, улучшая таким образом его физико-химические характеристики;

• раскисляет расплавленный металл;

• защищает сварной шов от внешних негативных воздействий.

Алгоритм ручной электродуговой сварки выглядит так: между металлом заготовки и электродом образуется электродуга. Она обеспечивает размягчение материала, сопровождающееся формированием на его поверхности жидкой ванны. Затем в столб электродуги вводится крайний участок электрода. Там происходит его расплавление. Далее полученный материал смешивается с основным жидким металлом в сформированной ванне.

Сегодня сварка данного вида чаще всего выполняется с использованием сварочных инверторов, имеющих небольшой вес – до 6 кг. Такие устройства представлены на современном рынке в широком разнообразии. Более надежным оборудованием считаются сварочные трансформаторы. Но стоят они намного дороже инверторов, да и весят они заметно больше.

Из преимуществ сварки электродуговой ручной можно выделить:

• относительно низкая цена сварочного оборудования;

• возможность работы с различными металлами;

• сварку можно выполнять в труднодоступных местах;

• освоение рабочей техники не связано с трудностями.

К минусам данного способа сварки эксперты относят:

• работа ведется во вредных условиях;

• низкая производительность;

• качество работ зависит от квалификации исполнителя;

• сварка листов толщиной до 1,5 мм сопряжена с определенными сложностями.

Сварка полуавтоматическая

Отличительной особенностью сварки данного вида является то, что электродная проволока, а также защитный газ подаются в рабочую область автоматически. Наиболее часто в качестве защитного газа используются аргон (Аr) и углекислый газ (СО₂). Они препятствуют воздействию на зону сварки внешних отрицательных факторов.

Популярность полуавтоматической сварки обусловлена ее универсальностью. Данный метод предоставляет возможность обрабатывать и черные, и цветные металлы. Причем толщина пластины (обозначение Т) в данном случае не особо критична. Данный параметр может принимать значения из диапазона 0,5 мм≤Т≤30,0 мм.

Полуавтоматическая сварка обладает следующими основными преимуществами:

• работы проводятся с высокой скоростью;

• соблюдение технологии обеспечивает получение качественного и прочного шва;

• на качество сварки особо не влияет опыт работника;

• высокая степень концентрации электродуги обусловливает ограничение зоны термического воздействия и минимизирует деформацию обрабатываемых деталей.

Из недостатков можно выделить только один – невысокая мобильность по причине наличия баллона с защитным газом. Но эта проблема решаема путем использования присадочной проволоки, в состав которой входит флюс.

Сварка электрошлаковая

Этот метод соединения изделий основан на разогреве зоны расплавления теплом, продуцируемым шлаковой ванной, нагреваемой электротоком.

Шлак выполняет функцию защиты области кристаллизации от насыщения элементом водород (Н), а также от окисления. Процедура сварки является бездуговой. Здесь плавление металлов – как основного, так и присадочного – осуществляется под воздействием тепловой энергии, выделяющейся, когда электроток протекает по расплавленному электропроводному шлаку.

Потом электрод погружается в шлаковую ванну, дуга гаснет, и электроток начинает протекать через шлак, находящийся в жидком агрегатном состоянии. Сварка осуществляется снизу-вверх. При этом обрабатываемые изделия распложены обычно вертикально, и между ними имеется зазор. По его обе стороны для образования шва устанавливаются ползуны-кристаллизаторы, изготовленные из меди. Они охлаждаются водой. В процессе формирования сварочного шва ползуны-кристаллизаторы передвигаются по направлению сварки.

Этом способу присущи такие плюсы:

• высокая производительность работ;

• небольшие расходы флюса и электроэнергии в перерасчете на килограмм основного металла.

К минусам можно отнести:

• сварочный процесс в обязательном порядке предваряет изготовление с последующей установкой формообразующих элементов и стартового кармана;

• при минусовых температурах ударная вязкость металла понижается. Обусловлено это крупнозернистой структурой шва и зоны термического воздействия;

• недопустима приостановка процесса начатой сварки. Причина – возможно появление дефектов. Если же произошел перерыв определенной продолжительности, соединение намеренно разрушают и приступают к его формированию заново.

Электрошлаковую сварку используют при необходимости создания не только прямолинейных швов, но также кольцевых и имеющих более сложную конфигурацию.

Сварка контактная

Этот метод представляет собой процесс формирования сварочного неразъемного соединения нагревом металла путем пропускания через него электротока с последующей пластической деформацией области скрепления под воздействием внешнего усилия, работающего на сжатие.

Используется сварка контактная в массовом и крупносерийном производстве. Особенно востребована эта технология соединения в автопроме, авиастроении и радиоэлектронной промышленности.

Эксперты выделяют следующие преимущества сварки контактной:

• отсутствие необходимости обеспечения процесса соединения такими расходными материалами, как присадочная проволока, флюс и инертный защитный газ;

• продолжительный срок эксплуатации контактных электродов ввиду их медленного износа;

• большая скорость формирования одного соединения. На это уходит примерно 0,1 сек;

• простота выполнения работ. Оперативно освоить навыки проведения контактной сварки может даже неопытный человек.

Но и без недостатков здесь не обошлось. Основные из них такие:

• дорогостоящее оборудование;

• сварка контактная выполняется эффективно только при больших токах – до 1000 ампер. То есть источник питания должен характеризоваться особо высокой мощностью.

Сварка трением

Этот метод является одной из разновидностей сварки давлением. В данном случае нагрев сопрягаемых деталей производится трением. Причем базовый вариант рассматриваемого способа предполагает перемещение одного из компонентов свариваемой конструкции. Следует отметить нюанс, связанный с окончательным формированием соединения. Выполняется оно на заключительной стадии всего процесса путем приложения к зафиксированным образцам (то есть уже неподвижным) проковочного усилия. В целом, соединение данным методом является результатом совместной необратимой пластической деформации скрепляемых сегментов подлежащих сварке заготовок.

К преимуществам сварки трением можно отнести:

• отсутствие необходимости в присадочных материалах;

• на подготовительные работы уходит немного времени. Не нужно зачищать свариваемые поверхности и удалять с них пленки оксидов;

• работы проводятся в условиях менее вредных по сравнению с другими способами сварки. Отсутствуют: явление разбрызгивания расплавленного металла; выделения вредных для здоровья человека газов; яркий ослепляющий свет;

• высокий уровень производительности. Продолжительность цикла сварки составляет всего несколько секунд либо считаные минуты. Точная цифра определяется габаритами заготовок.

Основные недостатки сварки трением такие:

• процесс не универсален. Свариваются детали из неширокой номенклатуры размерных позиций;

• громоздкость и дороговизна используемого оборудования;

• применение сварки данного вида, так сказать, в «полевых условиях» невозможно. Оборудование не мобильно, а стационарно.

Сварка специальных видов

Сегодня разработаны специальные технологии сварки. Ниже коротко описаны лишь некоторые из них.

Сварка диффузионная

В основу данного метода заложено явление диффузии, происходящее даже не на молекулярном, а на атомарном уровне между поверхностями свариваемых элементов конструкции. Процесс сварки предваряет обработка поверхности деталей по шестому классу шероховатости с финишным обезжириванием ацетоном. После этого свариваемые изделия нагреваются и подвергаются воздействию давления. Все это происходит в защитной среде.

Разогреваются детали до температуры, изменяющейся в диапазоне от 0,5×Т_р. до 0,7× Т_р. где Т_р. – температура плавления сплава, из которого они произведены. Это обеспечивает повышение пластичности металла и значительную скорость процесса диффузии. Уровень давления в камере, где выполняется диффузионная сварка, не превышает отметку 10^-2 миллиметров ртутного столба. Другой вариант – в камере при обычном давлении присутствует какой-то инертный газ либо водород.

 Сварка лазерная

Здесь источником энергии служит лазер. Принцип действия данной сварки следующий: монохромное излучение направляется в систему фокусировки. Там оно преобразуется в световой поток с меньшим сечением. Попав на подлежащие сварке детали, лазерное излучение:

• частично отражается от их поверхностей;

• частично проникает в толщу изделия.

Процесс его поглощения сопровождается нагревом металла и его расплавлением. В результате формируется сварочный шов.

Сфера применения данного метода – сварка в технологических процессах микроэлектроники как идентичных, так и несходных по структуре материалов, толщина которых может составлять до 10 микрон.

Сварка радиочастотная

Данный метод представляет собой разновидность сварки давлением. Нагрев скрепляемых поверхностей осуществляется с использованием токов высокой частоты. Подвод такого тока к свариваемым деталям может выполняться двумя способами:

• подключение при помощи проводников к источнику тока. Это – кондуктивный способ;

• индуктированием в соединяемых элементах конструкции высокочастотного тока при помощи индуктора, представляющего собой токопроводящий виток. Этот метод подвода энергии получил название индукционный.

Второй способ нашел наибольшее применение для радиочастотной сварки продольных швов трубных изделий. Описывая его и особо не вдаваясь в законы физики, скажем, что плотность тока в приповерхностном слое детали превышает значение данного показателя в ее толще. Таким образом, внешняя часть активно нагревается. Но наиболее сильно проявляется это явление в месте, расположенном именно под индуктором. И ток как-бы следует за ним при его перемещении. В результате нагрева кромки соединяемых элементов конструкции расплавляются. Далее они сжимаются под высоким давлением до формирования сварочного шва.

Сварка ультразвуковая

В качестве источника энергии в данном методе сварки используются ультразвуковые колебания. Сфера применения сварки этого типа – соединение металлических изделий, пластмассовых деталей, стекла с металлом и даже тканевых и кожаных материалов

Частота ультразвука (обозначение ω) – генерируется он непрерывно – изменяется в пределах 18 кГц≤ ω ≤180 кГц. Его мощность принимает значения от 0,01 Вт до 10,0 кВт. Для сварки скрепляемые элементы конструкции подвергаются одновременному воздействию:

• высокочастотных механических колебаний и продуцируемого ими теплового эффекта;

• внешнего давления. Прикладывается оно строго перпендикулярно по отношению к соединяемым поверхностям.

Высокочастотные колебания приводят к сухому трению поверхностей. Под его воздействием происходит разрушение присутствующих на них пленок. Затем на смену сухому приходит чистое трение. Оно обеспечивает образование узлов схватывания. Формируются общие зерна, являющиеся общими компонентами обеих соединяемых поверхностей. Кроме того, образуется общая граница, разделяющая приповерхностные зерна. Это – заключительный этап ультразвуковой сварки.

Типы сварных соединений

Основной критерий, по которому сварочные соединения подразделяются на типы –пространственное расположение скрепляемых элементов конструкции.

• Соединения угловые. В данном случае торцы элементов конструкции располагаются под некоторым углом. Сварка выполняется на всех примыкающих кромках деталей.

• Соединения тавровые. Такой вариант предусматривает примыкание торца одного элемента в плоскости другого тоже под углом (чаще всего – под прямым).

• Соединения стыковые. Детали стыкуются одна к другой плоскими торцами. Если у них толщина разная, торцы могут сместиться относительно друг друга по вертикали. То есть одна кромка будет выше другой.

• Соединения нахлесточные. Подлежащие свариванию элементы конструкции расположены параллельно с частичным/полным перекрытием поверхностей.

• Соединения торцовые. Здесь сопрягаемые детали совмещаются параллельно, а сварочный шов проделывается по торцам.

Заключение

Несколько слов о дефектах в сварных соединениях. К таковым относятся любые отклонения параметров сопряжений от установленных действующими стандартами, возникновение которых является следствием невыполнения требований к:

• собственно, процессу сварочных работ;

• механической, а также термической обработке скреплений, произведенных сваркой;

• сборке конструкции;

• сварочным материалам.

Интересную информацию опубликовало общество инженеров-механиков (сокращенное название АSМЕ), президиум которого работает Нью-Йорке. Причины дефектов сварочных соединений распределяются так: 10% - некорректный подбор сварочных материалов; 12% – сварочное оборудование функционировало со сбоями;32% – исполнитель допустил ошибки; 45% – неправильный выбор сварочной технологии. В оставшийся 1% входят прочие причины.

 

Твитнуть

comments powered by Disqus