Материаловедение

По мере удаления источника нагрева расплав остывает и происходит кристаллизация (рис. 1, в), которая начинается на границе  раздела между твердым основным металлом и расплавом сварочной  ванны. Зародышевыми центрами кристаллизации являются оплавленные зерна основного  металла, на которых, как на своеобразной подложке, начинают расти первичные  столбчатые кристаллы сварочного шва. Кристаллы растут по нормали к  поверхности охлаждения в глубь жидкой ванны и имеют вид дендритов разной величины.

При сравнительной  малой величине сварочной ванны образующиеся столбчатые кристаллы успевают прорасти до встречи друг с другом в области центральной линии сварного шва (рис. 1, г). Когда сварочная ванна большая и ее кристаллизация медленная, в центральной части сварного шва появляется небольшая зона равноосных кристаллов (рис. 1, д).

После завершения кристаллизации сварочной ванны образуется монолитный, имеющий литую структуру шов, соединяющий в единое целое ранее  раздельные детали трубопроводов.

36. Сварка плавлением, сварка давлением. Сущность

Сваркой называется процесс получения неразъемных  соединений посредством установления межатомных связей между свариваемыми частями при их нагревании или  пластическом деформировании, или совместном действии того и другого (в соответствии с существующими стандартами).

Различают два основных наиболее распространенных вида сварки: сварку плавлением и сварку давлением.

Сущность сварки плавлением состоит в том, что  металл по кромкам свариваемых частей оплавляется под действием теплоты  источника нагрева. Источником нагрева  могут быть электрическая дуга, газовое  пламя, расплавленный шлак, плазма, энергия лазерного луча. При всех видах сварки плавлением образующийся жидкий металл одной кромки соединяется и перемешивается с жидким металлом другой кромки, создается общий объем жидкого металла, который называется сварочной ванной. После затвердевания металла сварочной ванны получается сварной шов.

Сущность сварки давлением состоит в пластическом деформировании металла по кромкам  свариваемых частей путем их сжатия под нагрузкой при температуре  ниже температуры плавления. Сварной  шов получается в результате пластической деформации. Сваркой давлением хорошо свариваются только пластические металлы: медь, алюминий, свинец и др. (холодная сварка).

Среди большого разнообразия различных видов сварки плавлением ведущее место занимает дуговая  сварка, при которой источником теплоты  является электрическая дуга.

В 1802 г. русский ученый В. В. Петров открыл явление электрического дугового разряда и указал на возможность  использования его для расплавления металлов. Своим открытием Петров положил начало развитию новых отраслей технических знаний и науки, получивших в дальнейшем практическое применение в электродуговом освещении, а затем  при электрическом нагреве, плавке и сварке металлов.

В 1882 г. ученый-инженер  Н. Н. Бенардос, работая над созданием крупных аккумуляторных батарей, открыл способ электродуговой сварки металлов неплавящимся угольным электродом. Им был разработан способ дуговой сварки в защитном газе и дуговая резка металлов.

Ученый-инженер Н. Г. Славянов в 1888 г. предложил производить  сварку плавящимся металлическим электродом. С именем Славянова связано развитие металлургических основ электрической  дуговой сварки, создание первого  автоматического регулятора длины  дуги и первого сварочного генератора. Им были предложены флюсы для получения  высококачественного металла сварных  швов. (В Московском политехническом  музее имеется подлинный сварочный  генератор Славянова и экспонируются образцы сварных соединений.)

В 1924—1935 гг. применяли  в основном ручную сварку электродами  с тонкими ионизирующими (меловыми) покрытиями. В эти годы под руководством академика В. П. Вологдина были изготовлены  первые отечественные котлы и  корпуса нескольких судов. С 1935—1939 гг. стали применяться толстопокрытые электроды. Для электродных стержней использовали легированную сталь, что позволило использовать сварку для изготовления промышленного оборудования и строительных конструкций. В процессе развития сварочного производства, под руководством Е. О. Патона (1870—1953), была разработана технология сварки под флюсом. Сварка под флюсом позволила увеличить производительность процесса в 5—10 раз, обеспечить хорошее качество сварного соединения за счет увеличения мощности сварочной дуги и надежной защиты расплавленного металла от окружающего воздуха, механизировать и усовершенствовать технологию производства сварных конструкций. В начале 50-х годов Институтом электросварки им. Е. О. Патона была разработана электрошлаковая сварка, что позволило заменить литые и кованые крупногабаритные детали сварными; заготовки стали более транспортабельными и удобными при сборке-монтаже.

Промышленное применение с 1948 г. получили способы дуговой  сварки в инертных защитных газах: ручная – неплавящимся электродом, механизированная и автоматическая – неплавящимся и плавящимся электродом. В 1950—1952 гг. в ЦНИИТмаше при участии МВТУ и ИЭС им. Е. О. Патона была разработана сварка низкоуглеродистых и низколегированных сталей в среде углекислого газа – процесс высокопроизводительный и обеспечивающий хорошее качество сварных соединений. Сварка в среде углекислого газа составляет около 30 % объема всех сварочных работ в нашей стране. Разработкой этого способа сварки руководил доктор наук, профессор К. Ф. Любавский.

В эти же годы французскими учеными был разработан новый  вид электрической сварки плавлением, получивший название электроннолучевой  сварки.

Этот способ сварки применяется и в нашей промышленности. Впервые в открытом космосе была осуществлена автоматическая сварка и  резка в 1969 г. космонавтами В. Кубасовым и Г. Шониным. Продолжая эти работы, в 1984 г. космонавты С. Савицкая и В. Джанибеков провели в открытом космосе ручную сварку, резку и пайку различных металлов.

К сварке плавлением относится также газовая сварка, при которой для нагрева используется тепло пламени смеси газов, сжигаемой  с помощью горелки (в соответствии с существующими стандартами). Способ газовой сварки был разработан в  конце прошлого столетия, когда началось промышленное производство кислорода, водорода и ацетилена. В этот период газовая сварка являлась основным способом сварки металлов и обеспечивала получение  наиболее прочных соединений. Наибольшее распространение получила газовая сварка с применением ацетилена. С развитием сети железных дорог и вагоностроения газовая сварка не могла обеспечить получение конструкций повышенной надежности. Большее распространение получает дуговая сварка. С созданием и внедрением в производство высококачественных электродов для ручной дуговой сварки, а также разработкой различных методов автоматической и механизированной дуговой сварки под флюсом и в среде защитных газов, контактной сварки газовая сварка вытеснялась из многих производств. Тем не менее, газовая сварка применяется во многих отраслях промышленности при изготовлении и ремонте изделий из тонколистовой стали, сварке изделий из алюминия и его сплавов, меди, латуни и других цветных металлов и их сплавов; наплавочных работах. Разновидностью газопламенной обработки является газотермическая резка, которая широко применяется при выполнении заготовительных операций при раскрое металла.

К сварке с применением  давления относится контактная сварка, при которой используется также  тепло, выделяющееся в контакте свариваемых  частей при прохождении электрического тока. Различают точечную, стыковую, шовную и рельефную контактную сварку.

Основные способы  контактной сварки разработаны в  конце прошлого столетия. В 1887 г. Н. Н. Бенардос получил патент на способы точечной и шовной контактной сварки между угольными электродами. Позднее эти способы контактной сварки, усовершенствованные применением электродов из меди и ее сплавов, стали наиболее распространенными.

Контактная сварка занимает ведущее место среди  механизированных способов сварки. В  автомобилестроении контактная точечная сварка является основным способом соединения тонколистовых штампованных конструкций. Кузов современного легкового автомобиля сварен более чем в 10 000 точек. Современный  авиалайнер имеет несколько миллионов  сварных точек. Стыковой сваркой  сваривают стыки железнодорожных  рельсов, стыки магистральных трубопроводов. Шовная сварка применяется при изготовлении бензобаков. Рельефная сварка является наиболее высокопроизводительным способом сварки арматуры для строительных железобетонных конструкций.

Особенность контактной сварки – высокая скорость нагрева  и получение сварного шва. Это  создает условия применения высокопроизводительных поточных и автоматических линий  сборки узлов автомобилей, отопительных радиаторов, элементов приборов и  радиосхем.

37. Классификация сварки плавлением

Сварку плавлением в зависимости от различных способов, характера источников нагрева и  расплавления свариваемых кромок деталей  можно условно разделить на следующие  основные виды: 

электрическая дуговая, где источником тепла является электрическая  дуга; 

электрошлаковая сварка, где основным источником теплоты  является расплавленный шлак, через  который протекает электрический  ток; 

электронно-лучевая, при которой нагрев и расплавление металла производится потоком электронов; 

лазерная, при которой нагрев и расплавление металла происходит сфокусированным мощным лучом микрочастиц – фотонов; 

газовая, при которой нагрев и расплавление металла происходит за счет тепла пламени газовой горелки.

Более подробную  классификацию можно провести и  по другим характеристикам, выделив  сварку плавящимся и неплавящимся электродом, дугой прямого и косвенного действия; открытой дугой, под флюсом, в среде  защитного газа, дуговой плазмой.

Классификация дуговой  сварки производится также в зависимости  от степени механизации процесса сварки, рода и полярности тока и  т. д.

По степени механизации  различают сварку ручную, механизированную (полуавтоматом) и автоматическую. Каждый из видов сварки в соответствии с  этой классификацией характеризуется  своим способом зажигания и поддержания  определенной длины дуги; манипуляцией электродом для придания свариваемому шву нужной формы; способом перемещения  дуги по линии наложения шва и  прекращения процесса сварки.

При ручной сварке указанные  операции выполняются рабочим-сварщиком  вручную без применения механизмов (рис. 1).

При сварке на полуавтомате плавящимся электродом механизируются операции по подаче электродной проволоки  в сварочную зону, а остальные  операции процесса сварки осуществляются сварщиком вручную (рис. 2).

При автоматической сварке механизируются операции по возбуждению  дуги и перемещению ее по линии  наложения шва с одновременным  поддержанием определенной длины дуги (рис. 3). Автоматическая сварка плавящимся электродом производится, как правило, сварочной проволокой диаметром 1—6 мм; при этом режимы сварки (сварочный ток, напряжение дуги, скорость перемещения дуги и др.) более стабильны. Этим обеспечивается качество сварного шва по его длине, однако требуется более тщательная подготовка к сборке деталей под сварку. 

38.  Классификация сварки давлением

При различных методах  сварки давлением неразъемные соединения металлов, металлов с неметаллическими материалами и неметаллов друг с  другом осуществляются в твердом  состоянии в результате, как правило, деформационного или термодеформационного воздействия на соединяемые материалы в зоне контакта. Поэтому основными технологическими параметрами процессов сварки являются давление P и температура T.

Под действием этих параметров соединяется большинство  конструкционных одноименных и  разноименных металлов. Под действием  давления Р качественные соединения металлов формируются при холодной (ХС), взрывом (СВз), магнитоимпульсной сварках (МИС) и вакуумно-термической магнито-импульсной обработке (ВТМИО). При этих методах определяющим фактором образования таких соединений является взаимное деформационное взаимодействие в зоне контакта. Эти процессы можно отнести к Р-процессам.

При ударной сварке в вакууме (УСВ) и индукционной сварках (ИС) соединения металлов образуются за счет уже термодеформационного воздействия, так как металлы перед контактированием нагреваются до пластического состояния в зоне контакта. Отнесем эти методы сварки к Р, Т-процессам. ИС успешно применяется также для сварки пластмасс с синтетических тканей.

В последнее десятилетие  особенно перспективными для соединения металлов и металлов с неметаллическими материалами находят процессы сварки, в том числе при пониженных температурах и давлениях, при которых  применяются и дополнительные интенсифицирующие  параметры. Это воздействие ультразвуком, циклические изменения давления и температуры электростатическим и магнитными полями, крутильными  колебаниями, радиационным и ударным  воздействием и др. Обозначим их f-параметрами. Именно такие обозначения применяются в ряде монографий и учебных пособий, в частности, применены Б.Н. Бодьяновым.

39. Электродуговая сварка. Сущность

Электрическая дуговая  сварка – важнейший промышленный вид сварки металлов, занимающий первое место по числу оборудования и  вовлеченного персонала предприятий.

Электрическая сварочная  дуга – мощный временной электрический  разряд между проводниками в ионизированной атмосфере газов и паров металла, который сопровождается выделением большого количества теплоты и света.

Сварочная дуга на постоянном токе (рис. 2) включает катодное пятно 2, которое образуется на электроде 1, столб 3 дуги и анодное пятно 4 на изделии (анод, "+"). При изменении полярности изделие становится катодом, а электрод – анодом. Для дуги переменного тока характерно постоянное периодическое изменение полярности с частотой переменного тока.