Какие методы сварки металла существуют?

Сварка является технологическим процессом, с помощью которого можно получить неразъемное соединение металла благодаря образованию связи атомов.

Сварное соединение выполняется в 2 стадии. На начальном этапе надо сблизить основания свариваемого металла на расстояние, где могут взаимодействовать силы атомов. Обыкновенные металлы при домашней температуре нельзя соединить сжатием, даже прилагая большие усилия. Материалы не могут соединиться из-за их твердости. В процессе сближения контакт будет происходить лишь в малом количестве точек, при этом неважно, насколько тщательно они будут обработаны.

На процесс сварки оказывает влияние загрязнение основания — пленки жира, окислы, слои примесей атомов. В связи с этим качественная сварка в домашних условиях не может быть выполнена. Поэтому получить физический контакт между соединяемыми элементами по всему основанию можно с помощью расплавления материала или за счет пластических деформаций, которые появятся в результате приложенного давления. На второй стадии надо будет выполнить электронное взаимодействие между атомами оснований, которые соединяются. В дальнейшем основание раздела между заготовками исчезнет и произойдет атомная или ионная связь металла.

Различается 3 класса сварки: сварка с помощью плавления, давления, а также сварка термомеханическим способом.

Подробная классификация способов сварки изображается на рис. 1.

К сварке с помощью плавления можно отнести виды сварки, которые осуществляются плавлением без прикладываемого давления. Главными источниками теплоты во время сварки этим способом являются пламя газов, дуга сварки, лучевые энергетические источники и джоулево тепло. В этом способе расплавы заготовок, которые соединяются, будут объединены в единую ванну сварки. В случае охлаждения произойдет кристаллизация расплава в единый шов.

В процессе термомеханической сварки применяется энергия тепла и давление. Объединить элементы в монолитную конструкцию можно, для чего понадобится приложить нагрузки механическим способом. Подогрев изделий при этом сможет обеспечить необходимую пластичность элементов.

К сварке с помощью давления стоит отнести операции, которые осуществляются в процессе механической энергии в форме давления. Впоследствии материал будет деформироваться и течь. Металл переместится вдоль основания раздела, унеся с собой слой загрязнения. В непосредственный контакт вступят новые слои материала, которые находятся под химическим взаимодействием.

Распространенные способы сварки

Механическая электродуговая сварка

Подобный метод сварки на сегодняшний день наиболее часто используется во время сварки металлов. В таком случае тепловым источником будет электродуга между несколькими электродами, одним из них будет материал, который сваривается. Электродуга является разрядом большой мощности в среде газа.

Существует 3 стадии зажигания дуги: замыкание электрода на обрабатываемый материал, отвод электрода на 4-6 мм и образование стабильного разряда дуги. Короткое замыкание выполняется для того, чтобы разогреть электрод до температуры экзоэмиссии электронов с повышенной интенсивностью.

На следующем этапе электроны, которые эмитируются электродом, будут набирать скорость в электрическом поле и вызовут ионизацию промежутка катод-анод, что приведет к образованию разряда дуги.Электродуга — это сосредоточенный источник тепла, который имеет температуру до 6000°С. Токи сварки достигнут 2-3 кА в процессе напряжения дуги 10-40 В. Чаще всего применяется дуговой вариант сварки электродом с покрытием. Это механическая сварка электродом, который покрыт необходимым составом. Он имеет следующее назначение:

1. Газовая и шлаковая защита расплава от атмосферы.
2. Легирование шва металла всеми нужными элементами.

В состав покрытия входят следующие вещества:

• шлакообразующие, которые предназначаются для защиты оболочкой расплава;
• вещества, которые образуют газы CO2, CH4, CCl4;
• легирующие, которые улучшают свойства шва;
• раскислители, которые используются для того, чтобы устранить окислы железа.

На рис. 2 можно увидеть ручную сварку покрытым электродом, где:

1. Детали, которые свариваются.
2. Шов сварки.
3. Флюсовая корка.
4. Защита от газа.
5. Электрод.
6. Электродное покрытие.
7. Ванна сварки.

Между элементами (1) и электродом (5) будет разжигаться дуга. Обмазка (6) в процессе расплавления обеспечит защиту шва от окисления, а также будет повышать его свойства с помощью легирования. Под влиянием температуры дуги электрод и обрабатываемый материал будут плавиться, создавая ванну (7), которая в будущем превратится в шов (2). Последний будет покрыт флюсовой коркой, которая предназначается для его защиты. Для того чтобы была возможность получить качественный шов, сварщик должен расположить электрод под углом приблизительно 15-20° и перемещать его в процессе расплавления вниз, чтобы сохранять непрерывную длину дуги вдоль оси шва для заполнения разделочного шва металлом. Чаще всего в этом способе кончиком электрода выполняют поперечные колебания, чтобы получить валики необходимой ширины.

Способ автоматической сварки под флюсом

Достаточно часто используется автоматический способ сварки металла плавящимся электродом под флюсовым слоем. Флюс надо будет насыпать на заготовку слоем толщиной 5-6 см, в результате этого дуга будет гореть не в свободном пространстве, а в пузырьке газа, который находится под флюсом, расплавленным после сварки. Этих действий хватит для того, чтобы жидкий металл не мог разбрызгиваться и нарушать форму шва при малых токах. В большинстве случаев во время соединения под слоем флюса применяется сила тока до 1000-2000 А, что при открытой дуге сделать не получится. Следовательно, в случае сварки под флюсовым слоем есть возможность увеличить ток в 5-7 раз, если сравнивать с соединением открытой дугой. При этом можно получить отменное качество сварки с высокой производительностью.

Во время сварки под флюсом шов будет образовываться благодаря расплавлению главного металла (приблизительно 2/3) и благодаря металлу электродов (лишь 1/3). Дуга под слоем флюса является более устойчивой, чем в случае с открытой дугой. Такой способ сварки может выполняться с помощью голой проволоки электродов, которая будет выскакивать с катушки в зону сгорания дуги головой автомата, переходящей по шву. В передней части головы по трубе в разделочный шов будет проникать флюс с зернами, который расплавляется во время сварки и постепенно покрывает шов, в результате чего можно получить твердую корку шлака.

Автоматический способ сварки под флюсом отличается от механической сварки следующим: в первом случае получится отменное качество швов, повышенный уровень производительности, толщина слоя флюса в 5-6 см, сила тока — 1000-1100 А, возможность автоматически поддерживать подходящую длину дуги.

Электрошлаковый способ сварки

Электрошлаковая сварка — это принципиально новый способ соединения металла. Соединяемые заготовки будут покрываться шлаком, который должен нагреться до температуры, большей температуры наплавки металла и проволоки электрода.

Первая стадия практически ничем не отличается от процесса дуговой сварки под флюсовым слоем. После появления ванны из жидкого шлака горение дуги прекратится, после чего оплавление кромок заготовки будет происходить благодаря теплу, которое выделяется во время прохождения тока через расплав. Электрошлаковый способ сварки дает возможность сваривать куски металла больших размеров за один раз, может обеспечить высокий уровень производительности. Используя этот метод, можно получить швы высокого качества.

Схему шлаковой сварки можно увидеть на рис. 3, где:

1. Детали, которые свариваются.
2. Шов.
3. Расплавленный шлак.
4. Ползунки.
5. Электрод.

Детали понадобится расположить вертикально. Их кромки тоже размещаются вертикально или под наклоном менее 30° к вертикали. Между обрабатываемыми элементами нужно установить зазор небольших размеров, в который насыпается порошок шлака. Первым делом понадобится зажечь дугу между электродом (5) и планкой из металла, которая устанавливается в нижней части. Дуга расплавит флюс, который заполнит пространство между кромками свариваемых элементов и медными ползунками (4). Ползунки охлаждаются водой. Из расплавленного флюса возникнет ванна шлаков (3). После этого дуга будет шунтироваться, затем погаснет. В процессе этого действия планка электродуги перейдет в электрошлаковый процесс.

При прохождении тока через шлак будет образовываться джоулево тепло. Ванна шлаков нагреется до температуры 1500-1700°С, которая превышает температуру плавления главного и электродного металлов. Шлак сможет расплавить кромки соединяемых элементов и электрод, который погружается в ванну шлаков. Расплавленный металл начнет стекать на дно ванны, в результате чего получится сварочная ванна. Ванна шлаков будет полностью защищать ванну сварки от атмосферы. После того как источник тепла будет удален, металл ванны начнет кристаллизоваться. Образовавшийся шов покроется шлаковой корочкой, толщина которой равна 2 мм.

Есть возможность получить хорошее качество шва при электрошлаковом способе сварки. Следует отметить главные преимущества такого метода:

1. Пузырьки газа, шлак и легкие примеси будут удалены из сварочной поверхности в связи с вертикальным размещением аппарата для сварки.
2. Большая плотность шва.
3. Шов меньше подвергается образованию трещин.
4. Возможность получения швов сложной конфигурации.
5. Этот метод сварки больше всего подходит для соединения крупногабаритных заготовок.
6. При большой толщине материала производительность сварки электрошлаковым способом практически в 20 раз превышает показатель сварки под флюсовым слоем.

Электронно-лучевой и плазменный методы сварки

В подобном способе в качестве источника тепла используется связка электронов большой мощности с энергией в несколько десятков килоэлектронвольт. Быстрые электроны попадают в металл, после чего отдают собственную энергию электронам и атомам элемента, вследствие чего вызывается интенсивный разогрев металла до температуры плавления. Сварка производится в вакууме, за счет чего получается шов высокого качества.

Электронный луч может быть сфокусирован до малых размеров, потому такая технология больше всего подходит для сварки элементов небольших размеров.

В случае с плазменной сваркой энергетическим источником для нагрева металла будет служить ионизованный газ. В этом случае будут присутствовать электрически заряженные элементы, потому плазма будет чувствительна к влиянию электрического поля. В полях подобного типа электроны и ионы будут ускоряться, то есть повышать собственную энергию. При этом способе сварки используются дуговые и плазмотроны с высокими частотами. Чтобы сваривать металлы, нужно применять плазмотроны прямого действия. В камере газ будет разогреваться вихревыми токами, которые создаются токами индуктора высоких частот. В данном случае электродов не будет, потому плазма является чистой. Факел подобной плазмы может применяться для сварочного производства.

Диффузионный и контактный электрический способы сварки

Метод основывается на взаимной диффузии атомов в слоях соединяемых материалов. Высокая способность диффузии атомов достигается благодаря нагреву до температуры, приближенной к температуре плавления. В камере будет отсутствовать воздух, потому исключается образование пленки оксидов, которая предотвращает диффузию. Хороший контакт между соединяемыми материалами может быть обеспечен с помощью ручной обработки до максимальной чистоты. Усилие сжимания, которое нужно для того, чтобы увеличить площадь действительного контакта, составляет приблизительно 10-20 МПа.

Технология сварки таким способом заключается в следующем. Соединяемые материалы помещаются в камеру из вакуума и сдавливаются механическими усилиями. Далее материалы надо нагреть током и выдержать некоторое время при необходимой температуре. Диффузионный метод используется для того, чтобы соединять проблемные материалы: сталь, чугун, вольфрам и т.д.

В процессе электрической сварки методом контакта нагрев будет осуществляться за счет прохождения электрического тока через поверхность сварки. Материалы, которые нагреваются электротоком до плавления, механически сдавливаются или осаживаются, благодаря чему может быть обеспечено химическое взаимодействие атомов материала. Это эффективный метод сварки, его легко можно автоматизировать или механизировать, в связи с чем способ широко используется в строительстве и строении машин. По форме производимых соединений различается 3 вида сварки контактом: стыковый, роликовый и точечный.

Стыковой метод сварки

В этом методе соединение свариваемых элементов будет происходить по основанию стыкуемых торцевых частей. Заготовки зажимаются в электродах, после чего прижимаются одна к другой соединяемыми основаниями и пропускается сварочный ток. С помощью этого метода можно сваривать полоски металла, трубы, стержни и т.д. Есть 2 варианта стыковой сварки:

1. Сопротивлением. В стыке произойдет деформация, а при соединении материал плавиться не будет.
2. Оплавлением. Соприкосновение металлов происходит по определенным точкам контакта небольших размеров, через которые будет проходить плотный ток, вызывающий оплавление материалов. За счет оплавления в торцевой части появится слой жидкого металла, который с загрязнениями и окисной пленкой в процессе осадки будет выдавливаться из стыка.

Шовный метод соединения металлов

Сваривание элементов производится внахлест вращающими электродами, впоследствии образуется непрерывный или прерывистый шов. Непрерывное соединение можно получить за счет поэтапного перекрытия точек друг с другом. Чтобы получить герметический шов, точки нужно перекрыть минимум на 1/2 их диаметра.

Шовный метод соединения используется в процессе массового изготовления сосудов различных типов. Усилие сжатия соединяемых элементов может быть до 0,6 т.

Существует достаточно большое количество различных методов сварки, каждый из которых имеет свои особенности. Выбирать нужно исходя из личных потребностей и возможностей.