Для возможности сваривания двух частей металла не­обходимо привести их в такое состояние, чтобы между ни­ми начали действовать междуатомные силы сцепления. Это возможно в случае, если атомы металла сближаются на расстояние менее 4*10~8 см. Такие условия можно создать тремя способами: только сжатием деталей, нагреванием металла до расплавления и нагреванием до пластического состояния с одновременным сжатием деталей.

Первым способом, т. е. одним давлением без нагрева, можно сваривать в отдельных случаях только очень плас­тичные металлы: алюминий, медь, свинец и др. Это так на-

зываемая «холодная» сварка. Второй способ применим для металлов и сплавов, которые способны переходить'в плас­тическое состояние при нагревании до температур, более низких, чем температура плавления (сталь, алюминий и др.), что позволяет производить их сварку в пластичес­ком состоянии путем сжатия двух предварительно нагре­тых частей металла. При сжатии с поверхностей соприкос­новения удаляется (выжимается) пленка окислов и стано­вится возможным взаимное проникание (диффузия) зерен одного куска в зерна другого, что обеспечивает их сварива­ние. С повышением температуры нагрева требуемая вели­чина усилия сжатия уменьшается.

Третий способ — это сварка плавлением, при которой сжатие деталей не требуется. Этим способом можно свари­вать все металлы и сплавы, в том числе такие, которые при нагреве не становятся пластичными, а сразу переходят в жидкое состояние (чугун, бронза, литейные сплавы алюми­ния и магния и др.).

В промышленности применяются многие способы свар­ки. По ряду общих признаков их можно разделить на две основные группы: сварка с применением давления и сварка плавлением.

Сварка с применением давления состоит в том, что детали в месте их соединения нагревают до плас­тического (тестообразного) состояния, а затем сдавливают внешним усилием, в результате чего происходит сварка. К этой группе относятся следующие способы сварки.

Холодная сварка (рис. 2, а). Свариваемые дета­ли 1 предварительно сжимаются пуансонами 2, а затем окончательно — пуансонами 3 и свариваются в точке А. Сжатие осуществляется с помощью механических и гидрав­лических устройств. Холодная сварка широко используется для соединения алюминиевых проводов и приварки к ним медных наконечников.

Газопрессовая сварка (рис. 2,6). Детали / и 2 в месте их соприкосновения нагревают многопламенной го­релкой 3 до пластического состояния или до оплавления кромок, а затем сжимают внешним усилием. Этот способ применяют при сварке стержней, полос и труб. Он обеспе­чивает высокую производительность и качество сварки.

Контактная электрическая сварка. При пропускании электрического тока через свариваемые дета­ли в месте их контакта, вследствие повышенного электри­ческого сопротивления, выделяется большое количество

теплоты, нагревающей металл до пластического состояния. Наибольшее применение нашли три основные разновидно­сти этого способа сварки.

Стыковая сварка (рис. 2,в). Стержни / и 2 закрепляют в зажимах 3 стыковой сварочной машины. Через стержни

3) _ е) Рис. 2. Способы сварки с применением давлеиияз а — холодная, б — газопрессовая, в — стыковая, г — точечная, д — шовная (роликовая), е — термитная

пропускают ток от трансформатора 4 и концы стержней сближают. В плоскости контакта 5 стержни быстро нагре­ваются до сварочной температуры, затем ток выключают и стержни сжимают. Стыковую сварку производят или по ме­тоду сопротивления, нагревая стержни только до температуры пластического состояния, или оплавлени­ем, нагревая концы стержней до начала плавления и по­том сжимая их. Последний способ дает более высокока­чественную сварку, так как с жидким металлом из стыка выдавливаются окислы и шлаки, препятствующие сварке. Стыковую сварку применяют при сварке стержней, рель­сов, труб, цепей, сверл, резцов, штампованных элементов и в других случаях.

Точечная сварка (рис. 2,г). Листы 1 и 2 зажимают вна­хлестку между медными электродами 3 точечной сварочной. машины. Через электроды пропускают ток от трансформа­тора 4. Металл между электродами сильно разогревается вследствие повышенного сопротивления прохождению тока в данном месте. Затем ток выключают и сжимают электро­дами металл, в результате чего образуется сварная точ­ка 5, соединяющая оба листа. Точечную сварку широко применяют при массовом изготовлении изделий из тонко­листового металла.

При изготовлении цельнометаллических вагонов, кузо­вов автомобилей и др. используют* различные способы то­чечной сварки: рельефную (прессовую), автоматическую, многоточечную, одностороннюю точечную.

Шовная.(роликовая) сварка (рис. 2,д) производится на специальных линейно-роликовых машинах, у которых электродом служат ролики 3. При роликовой сварке листов 1 и 2 образуется сплошной шов 5. Линейную сварку широко применяют при массовом производстве изделий из тонкого металла (толщиной 1,5—2 мм). Сварочный ток к роли­кам поступает от трансформатора 4.

Для сварки продольными швами тонкостенных труб применяют линейно-стыковую сварку, осуществляемую на специальных трубосварочных станках-автоматах непрерыв­ного действия.

Кузнечная сварка. Свариваемые части нагревают в горне или печи до температуры пластического состояния (для низкоуглеродистой стали 1100—1200°С), накладывают одну на другую и проковывают под молотом, в результате чего они свариваются.

В настоящее время ручная кузнечная сварка применя­ется редко и только в отдельных случаях производства ре­монтных работ. Находит промышленное применение меха­низированная кузнечная сварка, при которой для нагрева - иия используется пламя водяного*, природного или

4 Водяной газ — смесь из 50% Нг и 50% СО.

сжиженного газа. Для сжатия свариваемых частей исполь­зуют роликовые механизмы с пневматическим или гидрав­лическим усилием.

Сварка трением предложена впервые в СССР в 1956 г. Нагрев осуществляется за счет тепла, выделяющегося при трении друг о друга свариваемых поверхностей дета­лей. Сварка происходит при последующем сдавливании де­талей. Для зажима, вращения и сжатия свариваемых дета­лей применяют специальные станки. Этим способом свари­вают сверла, торцовые фрезы и другой подобный инструмент, а также различные детали круглого сечения из стали, чугуна, латуни, меди и алюминия. Сваркой трением могут соединяться также разнородные металлы: легирован­ная сталь с низкоуглеродистой, латунь и бронза со сталью, медь с алюминием и др.

Промежуточное положение между сваркой давлением и сваркой плавлением занимает термитная сварка (рис. 2,е). Над местом соединения стержней 3 помещают тигель 1 с термитом 2— смесью алюминия и окиси железа; эту смесь поджигают с помощью запального порошка. Во­круг стыка ставят огнеупорную форму 4. Перегретое рас­плавленное железо, образующееся при реакции сгорания термита, стекает в стык и расплавляет концы свариваемых стержней, которые затем сжимают внешним усилием специ­ального пресса. Способ применяют для сварки стыков трамвайных рельсов и стержней большого сечения (валов и других деталей).

Сварка плавлением осуществляется нагреванием металла в месте сварки до расплавленного (жидкого) сос­тояния без применения давления, с добавлением или без добавления присадочного расплавленного металла. Наи­большее применение нашли следующие способы сварки плавлением.

Дуговая сварка (рис. 3). Электрический ток подво­дится к свариваемому металлу и электрододержателю, в ко­тором зажат электрод. При небольшом расстоянии между электродом и металлом образуется электрическая дуга, рас­плавляющая свариваемый металл и конец электрода.

При сварке плавящимся металлическим электродом (способ Н, Г. Славянова) (рис. 3,а) электрод 1 плавится и образует жидкий металл, заполняющий зазор между сва­риваемыми листами 2 и 3. Для улучшения качества на­плавляемого металла электрод снабжают специальным по­крытием, которое также расплавляется, образуя шлаки,
'защищающие жидкий металл от вредного влияния кисло­рода и азота окружающего воздуха, а также удаляющие окислы из металла шва. Материал покрытия электрода используют для легирования металла шва нужными эле­ментами. Этот способ сварки нашел наиболее широкое при­менение.

При сварке неплавящимся угольным электродом (спо­соб Н. Н. Бенардоса) (рис. 3,6) используют угольный элект­род 1. Заполнение шва 2 производится металлом проволо­ки 3, расплавляющейся в сварочной дуге 4, горящей между

5)

о — плавящимся металлическим электродом, б — неплавящимся
угольным электродом

угольным электродом и свариваемым металлом. Этот спо­соб применяют реже, так как он менее удобен, требует ис­пользования постоянного тока для сварки и при сварке ста­ли дает наплавленный металл с более низкими механичес­кими свойствами, чем при сварке стальными электродами с покрытиями.

Автоматическая и полуавтоматическая сварка под флюсом (рис. 4). Эти способы разработа­ны Институтом электросварки имени Е. О. Патона. Даль­нейшее широкое развитие и внедрение они получили в ре­зультате работ многих научно-исследовательских институ­тов, лабораторий и заводов. Электрическая дуга образуется между плавящимся металлическим электродом (проволо­кой) и свариваемым металлом. Горение дуги и плавление металла происходит под флюсом. Вследствие этого сильно уменьшены потери тепла в окружающую среду, расплав­ленный металл хорошо защищен от вредного влияния кис­лорода и азота воздуха, а из жидкого металла шва удаля­ются окислы, которые вступают в химическое взаимодейст­вие с элементами флюса.

Divued bv Roman Efimov httD://www. farleD. iyet/~roman .

При автоматической сварке (рис. 4) подача проволоки в дугу / и перемещение ее вдоль шва производится автома­тически сварочной головкой 3. Проволока подается меха­низмом головки из бухты 4. Флюс 2 подается к месту сварки из бункера 5. Остат­ки флюса отсасываются со шва в бункер 5 по шлангу 6. При этом способе достигает­ся высокая производитель­ность сварки и хорошее ка­чество шва. Данный способ нашел широкое применение при сварке сосудов, котлов, резервуаров, мостов, строи­тельных конструкций и дру­гих крупных и ответственных (высокой надежности) из­делий.

На’рис. 5 дана схема по­луавтоматической сварки под флюсом. Сварочная про­волока подается механиз­мом 4 в держатель 6 из кас­сеты 3 по гибкому шлангу 5. Ток к проволоке подводится через контактные губки дер - Рис. 4. Автоматическая дуговая жателя от сварочного транс - сварка под флюсом форматора / через распре­

делительный ящик 2 по про­водам, расположенным в оболочке шланга 5. Мелкий флюс периодически насыпается в воронку 7 и оттуда поступает в сварочную ванну. Сварщик ведет электрододержатель вдоль шва, осуществляя сварку.

Полуавтоматическая сварка тонкой проволокой (диа­метром 1,2—2 мм) нашла широкое применение при попол­нении коротких швов небольшого сечения, при толщине свариваемой стали 3—6 мм, например в судостроении, ва­гоностроении и других отраслях транспортного машино­строения, а также при изготовлении строительных конст­рукций.

Под флюсом можно производить сварку не только сплошным швом, но и электрозаклепками, ряд через заданные промежутки.' Сварку электрозаклепками производят внахлест­ку, прожигая насквозь верхний лист ду­гой с помощью специального держателя, напоминающего пистолет (так называемо­го электрозаклепочника). Применяют так­же установки для автоматической много­точечной сварки под флюсом, последова­тельно производящие постановку закле­пок по заданной линии шва.

При полуавтоматической и автомати­ческой сварке и наплавке применяется также порошковая проволока, представ­ляющая собой трубку, свернутую из тон­кой стальной ленты и заполненную внутри порошкообразным флюсом. Сварка по­рошковой проволокой может производиться также в защит­ной атмосфере углекислого газа (см. ниже). Для наплавки применяют также ленточную порошковую проволоку, имею­щую сечение в форме прямоугольника.

Электрошлаковая сварка (рис. 6) является со­временным способом сварки металлов значительной тол­щины (до 1000 мм и более), разработанным Институтом электросварки имени Е. О. Патона. Свариваемые листы / располагают вертикально с достаточным зазором между кромками В зону сварки автоматически подается свароч­ная проволока 2 (или стальные стержни) и флюс 3. Дуга 4 между проволокой и металлом горит только в начале про­цесса. В дальнейшем при достаточном слое жидкого флю­са 5 дуга гаснет и ток проходит только через расплавлен­ный флюс. Тепло, выделяющееся при прохождении тока через флюс, расплавляет флюс, проволоку и кромки свари­ваемого металла. Сварочная головка специальным меха­низмом перемещается по свариваемым листам снизу вверх вместе с ползунами — кристаллизаторами 6, изготовленны-

ми из меди и охлаждаемыми водой, циркулирующей в их ка­налах. Ползуны формуют металл шва 7.

Электрошлаковым способом сваривают толстостенные барабаны котлов высокого давления, валы гидравлических турбин, станины прокатных станов и мощных прессов, а также другие крупные детали. Прежде такие детали изго­товляли из отливок или поковок, что требовало большой затраты труда на отливку, ковку и механическую обра­ботку.

На основе процесса электрошлаковой сварки Институ­том электросварки им. Е. О. Патона разработан и внедрен

новый процесс так назы­ваемого электрошлаково - го переплава, который ши­роко применяется в метал­лургической промышлен­ности для получения ста­лей высокой чистоты. Здесь мы имеем очень яр­кий пример того, как до­стижения ученых-сварщи - ков приводят к техничес­кому прогрессу в другой, смежной отрасли техни­ки — металлургии.

Дуговая сварка в защитных газах. Сварка в защитных газах является одним из наиболее передовых процессов и в настоящее время широко используется в промышленности. Для защиты расплавленного металла от окисления кислородом воздуха применяют аргон, гелий, азот, углекислый газ, что способст­вует получению наплавленного металла с высокими механи­ческими свойствами. Защитный газ подводят (рис. 7) к сварочной дуге 1 по мундштуку 2, в который вставлен элек­трод 3. При использовании неплавящегося (вольфрамового или угольного) электрода в дугу для заполнения шва вво­дят присадочную проволоку 4. Если применяют плавящий­ся электрод из проволоки того же металла, что и сваривае­мый (например, при сварке стали, алюминия и его сплавов), то присадочной проволоки не требуется.

Аргоно-дуговую сварку применяют при изготовлении тонкостенных конструкций или труб из нержавеющей стали; этим способом осуществляют сварку магниевых и алюмини­евых сплавов, титана, циркония и других металлов.

Применяют также сварку вольфрамовым электродом с комбинированной газовой защитой — внутренний слой, за­щищающий электрод и дугу, — из аргона, а наружный слой, защищающий ванну, — из углекислого газа. Это снижает на 75% расход аргона, заменяемого более деше­вым углекислым газом, и удешевляет сварку.

Для сварки углеродистых и легированных сталей в ка­честве защитного газа применяют углекислый газ (С02). В зоне дуги углекислый газ разлагается на окись углерода (СО) и атомарный кислород (О). Окись углерода в свою очередь расщепляется (диссоциирует) на углерод и атомар­ный кислород. При этом в зоне сварки протекают реакции окисления железа

Fe - f - С02 7^ FeO + СО
Fe + О ^ FeO

и восстановления железа углеродом (С), кремнием (Si) и марганцем (Мп)

FeO + CT-lFe + СО 2FeO + Si ^ 2Fe + Si02 FeO + Mn ^ Fe + MnO

Для связывания свободного атомарного кислорода и восстановления окислов железа при сварке в углекислом газе применяют электродную проволоку, содержащую по­вышенное количество марганца (до 0,8—2,1%) и кремния (до 0,6—1,2%). Образующиеся при сварке окислы марган­ца и кремния переходят из металла шва в шлаки. Схема установки для сварки в углекислом газе дана на рис. 8.

Сварка в защитных газах высокопроизводительна, лег­ко поддается механизации и автоматизации, обеспечивает получение высококачественных сварных соединений.

. Специальные способы сварки. В различных производствах находят применение также специальные способы сварки.

Сварка токами высокой частоты (индукционная). Этим способом сваривают продольные швы труб в процессе их изготовления и наплавляют твердыми сплавами режущий инструмент. Кромки тонкостенной трубы, заформованной в трубосварочном стане, непрерывно нагреваются высоко­частотным индуктором до сварочной температуры, затем сжимаются и при этом свариваются. Для сварки труб из низко - и среднеуглеродистой стали применяют ток часто -

* той 4000—10000 гц, для труб из алюминия, латуни и не - , ржавеющей стали — 450 000 гц.

Сварка ультразвуком осуществляется за счет совмест - м ного действия на свариваемые детали механических коле­баний высокой частоты (свыше 18000—22000 гц) и-неболь - ших сжимающих усилий.

Ультразвуковые колебания образуются с помощью спе­циальных высокочастотных генераторов мощностью 3— 50 кет и магнитострикционных [1] преобразователей. Колеба-

Рис. 8. Схема установки для сварки в углекислом газе плавящимся электродом: / — сварочный преобразователь, 2 — аппаратный ящик, 3 — меха­низм подачи сварочной проволоки, 4 — баллон с углекислым газом, 5 — осушитель газа, 6 — подогреватель газа, 7 — редуктор, 8 —ука­затель расхода газа (ротаметр), 9 — газоэлектрическая горелка, 10 — шланги для подвода сварочного тока, углекислого газа и охлаждающей воды

ния вызывают сдвиг частиц, разрушение пленки и разогрев свариваемой поверхности, а сжатие — необходимую пласти­ческую деформацию при сварке. Сварку проводят вна­хлестку точками и швом. Этот способ нашел применение в приборостроении и радиоэлектронике, а также при сварке алюминия с керамикой, графитизированного никеля, алю­минированного железа и др.. а также пленок термопласти­ков толщиной 0,05—0,5 мм.

Электроннолучевая сварка. Способ основан на исполь­зовании для нагрева энергии, освобождающейся при тор­
можении потока ускоренных электронов в свариваемых ма­териалах. Сварка производится в вакуумной камере при остаточном давлении в ней порядка 5-10-5 мм рт. ст.

Рис. 10. Схема сварочной элект-
роннолучевой установки:

ла, ниобия или гексаборида лантана и нагревается до тем­пературы 1700—2700° С. Анодом является свариваемый ма­териал. Выбрасываемые катодом электроны ударяются о поверхность металла (анода) и разогревают его до темпе­ратуры плавления и сварки. Для концентрирования потока электронов в острый, направленный луч его сжимают и фо­кусируют с помощью специально создаваемого электроста­тического или магнитного поля. В зависимости от назначе­ния и типа сварочной установки напряжение между катодом и анодом равно 10—60 кв[2] (чаще 25—30 кв), ток пучка электронов 30—1000 ма[3].

Divued bv Roman Efimov httD://www. farleD. net/~roman

Первоначально этот способ применялся преимуществен­но в радиоэлектронике и приборостроении, для сварки ту­гоплавких (тантал, вольфрам, ниобий, молибден) и легко- окисляющихся (цирконий, бериллий, титан, алюминий, маг­ний) металлов и сплавов, а также для сварки некоторых типов керамики, специальных стекол, металлов с керами­кой, сварки разнородных металлов и подобных работах. В последующем сварку электронным лучом стали успешно применять в машиностроении для сварки высокопрочных и жаропрочных сталей и трудносвариваемых сплавов на основе титана и алюминия.

Созданная в настоящее время аппаратура позволяет выполнять сварку электронным лучом в один проход ме­талла толщиной до 70 мм без разделки кромок. Сварка происходит с высокой скоростью,[4]при минимальном терми­ческом воздействии на свариваемый металл. Области при­менения электроннолучевой сварки непрерывно расширя­ются. Созданы установки для электроннолучевой сварки в атмосфере инертных газов и в воздухе. Разрабатываются установки для электроннолучевой сварки при монтажных и ремонтных работах в космосе.

Диффузионная сварка в вакууме. Процесс сварки проис­ходит благодаря взаимной диффузии* твердых частиц ме­таллов при соприкосновении их поверхностей. Движение молекул обусловлено нагреванием свариваемых металличе­ских частей. Установка для сварки состоит из охлаждаемой камеры, внутри которой расположено устройство для за­крепления и сжатия свариваемых деталей и молибденового нагревателя или индуктора.

Нагрев происходит в вакууме при остаточном давлении в камере 10~3-М0-5 мм рт. ст. Вакуум создается при помо­щи вакуум-насоса. Таким образом кислород, способный окислять поверхность свариваемых деталей, отсутствует.

Удельное давление при сварке может составлять от 0,3 до 10 кГ/мм2 в зависимости от температуры сварки и рода свариваемых материалов.

Диффузионную сварку применяют в инструментальном производстве, приборостроении и других отраслях произ­водств-a. Этим способом можно сваривать однородные и разнородные металлы, сплавы и металлокерамические ма­териалы, в том числе — тугоплавкие, например медь с мо­либденом, сталь с чугуном, алюминием, вольфрамом, тита­ном, металлокерамикой. Качество сварки получается вы­сокое.

Сварка плазменной струей. Струя дуговой плазмы пред­ставляет собой поток сильно ионизированного (электро­проводного) газа, содержащего примерно одинаковые ко­личества положительно и отрицательно заряженных частиц и имеющего температуру 10000—20000° С и выше[5]. Для получения плазменной струи применяют специальную го­релку, в наконечник которой вставлен вольфрамовый элект­род, обдуваемый газом, выходящим через сопло, охлажда­емое водой. Проходящий через сопло газ обжимает дугу и образует высокотемпературную плазменную струю, кото­рой сваривают металлы, неметаллы и их сочетания. Этот способ удобен для автоматической сварки металла неболь­шой толщины (до 1 мм) встык, с отбортовкой и без отбор­товки кромок, а также сварки тугоплавких металлов.

Плазму используют также для резки различных метал­лов (высоколегированных сталей, алюминиевых сплавов и др.) для наплавки и металлизации.

Для точного соединения очень тонких деталей в микро­радиоэлектронике применяют лазерную сварку. Источни­ком нагрева в этом случае служит мощный световой луч, испускаемый искусственным рубином и возбуждаемый ксе­ноновой лампой-вспышкой. При лазерной сварке в точке диаметром 0,01 мм может быть сосредоточено энергии бо­лее 1 дж, что соответствует плотности тепла в 300 ккал/см2.< Для выполнения лазерной сварки выпускают специальные установки, например, типов СУ-1, К-ЗМ и др.

Перспективным для сварки является применение газо­вых лазеров, например с использованием углекислого газа. В Англии создан опытный газовый лазер, работающий на смеси углекислого газа, азота и гелия, имеющий выходную мощность до 500 вг при рабочем напряжении 12 кв, рабочем токе 50—100 ма. Газовые лазеры на углекислом газе созда­ют контролируемый интенсивный местный нагрев, необхо­димый для сварки и резки тонких металлов, пластиков и стекла. Нагрев лазером может также производиться в ва­кууме через соответствующие стекла.

Divued bv Roman Efimov httn://www. farleD. net/~roman

Следует также отметить, что при достижениях совре­менной науки и техники способы сварки непрерывно разви­ваются и совершенствуются, открывая тем самым новые области для применения сварочных процессов в народном хозяйстве.

§ з