Сварочное производство

§ 1. Физическая сущность процессов, протекающих при сварке

Сварка — это процесс получения неразъем­ных соединений посредством установления межатомных связей между свариваемыми частями при их местном нагреве или пластическом деформировании, а также при совместном действии того и другого.

Сущность сварки заключена в следующем. Поверх­ностные атомы куска металла имеют свободные, нена­сыщенные связи, которые способны захватывать всякий атом или молекулу, оказавшуюся в зоне действия меж­атомных сил. Если сблизить поверхности двух кусков металла на расстояние действия межатомных сил, то по поверхности соприкосновения произойдет сращива­ние их в одно целое с прочностью соединения, равной прочности цельного металла. Но при нормальной тем­пературе металлы нельзя соединить не только при про­стом контакте, но и при приложении значительных уси­лий.

Главный фактор, мешающий соединению, — твер­дость металлов. У большинства металлов твердость до­статочно велика и получить поверхность действительного соприкосновения очень затруднительно, даже при тща­тельной обработке и пригонке.

Кроме того, практическое получение монолитных со­единений осложнено тем, что свариваемые поверхности имеют микронеровности, поэтому контактирование при совмещении возможно лишь в отдельных случаях; сва­риваемые поверхности загрязнены окислами, жировыми пленками, так как на любой поверхности твердого тела адсорбируются атомы внешней среды.

При нагреве металл становится пластичным, затем расплавляется, что позволяет ему сливаться в общую

Адсорбированные слои на поверхности металла:

/ — металл;

2 — деформированная зона; 3 — слой окислов;

4 — адсор­бированный слой газов;

5 — адсор­бированный слой поды;

6 — слой полярных молекул.

сварочную ванну. Давление, прилагаемое к соединяемым частям, создает значитель­ную пластическую деформа­цию, и металл начинает течь подобно жидкости. При сварке металл должен пе­ремещаться вдоль поверхно­сти раздела, унося с собой поверхностный слой с за­грязнениями и пленками ад­сорбированных газов.

Соединение атомов при сварке металлов происхо­дит обычно в очень топком слое (в несколько атомных диаметров). Зону сварки, имеющую пленочный харак­тер, можно увеличить за счет таких процессов, как диффузия, растворение, крис­таллизация, протекающих медленно и постепенно рас­пространяющихся по объему металла.

§ 2. Классификация способов сварки

Сварка — ведущий технологический про­цесс при изготовлении и ремонте металлических конст­рукций и изделий в промышленности, строительстве, транспорте, сельском хозяйстве.

Способы сварки разделяют по виду энергии, приме­няемой для получения сварного соединения, па механи­ческие, химические, электрические, электромеханиче­ские, химико-механические, лучевые и др. Например, к механическим способам относят сварку трением, холод­ную, ультразвуковую и др.; к химическим — газовую и термитную; к электрическим — дуговую, электрошлаковую, плазменно-дуговую и др.

Способы сварки можно разделить на ручные, меха­низированные, полуавтоматические, автоматические.

В зависимости от метода получения сварного соеди­нения различают сварку плавлением и давлением. При сварке плавлением (газовая, термитная, электрошлако­вая, электроннолучевая, лазерная) специальный источник тепла нагревает и расплавляет кромки соединяемых деталей на небольшом участке.

Энергетическая классификация способов сварки.

При сварке давлением (контактная, газопрессовая, диффузионная, холодная, трением, ультразвуковая, взрывом), для того чтобы произошло схватывание кромок, их сдавливают. Иногда, чтобы облегчить схватывание, место сварки нагревают до пластического состояния металла или даже до расплав­ления.

Большинству способов сварки название дано по виду энергии и физическим явлениям, благодаря которым происходит межатомная связь в месте соединения 4fu*€. 1.3, 1.8). Каждый способ имеет определенные тех­нологические возможности и применяется при изготов­лении конкретных изделий с учетом требований произ­водства.

§ 3. Виды сварных соединений и швов

При изготовлении сварных конструкций применяют сварные соединения (стыковые, внахлестку, тавровые, угловые и заклепочные).

Стыковые соединения различают по виду предвари­тельной подготовки кромок в зависимости от толщины свариваемого металла. При толщине ме­талла до 3 мм применяют отбортовку без зазора, а при толщине листов 3...8 мм сваривают без подготовки кро­мок при зазоре 2 мм. Листы толщиной до 15 мм свари­вают с односторонней V-образной разделкой кромок. При толщине листа больше 15 мм рекомендуют двухсто­роннюю Х-образную разделку кромок. Листы толщиной более 20 мм сваривают с чашеобразной разделкой кро­мок, которая может быть односторонней и двухсторон­ней.

Нахлесточные соединения характеризу­ются перекрытием кромок свариваемых листов. Пере­крытие должно быть в 3...5 раз больше толщины свари­ваемых элементов. Разновидности нахлесточных соеди­нений— прорезные и электрозаклепочные соединения. Тавровые соединения выполняют приваркой одного элемента изделия перпендикулярно к другому. Без скоса кромок сваривают конструкции с малой на­грузкой. При изготовлении ответственных конструкций с элементами толщиной 10...20 мм применяют односто­ронний скос, а при толщине, элементов более 20 мм — двухсторонний.

Сварные соединения:

а — соединения и швы встык; б —соединения внахлестку; в — тавровые со­единения; г — угловые соединения; д — типы швов по направлению действую­щих на них усилий (/ — фланговые; 2 — лобовые; .7 — косые); е — типы union по положению в пространстве (/ — нижние; 2 — вертикальные; 3 — потолоч­ные).

Угловые соединения при любой толщине сваривае­мых элементов можно получить без подготовки кромок Кромки подготавливают редко.

В зависимости от расположения швов к направле­нию действующего на них усилия различают швы флан­говые 1, лобовые 2 и косые 3 (рис, 4А,д).

По расположению швов в пространстве, которое они занимают во время сварки, различают нижние 1, вертикальные 2 и потолочные 3. Швы, наклады­ваемые горизонтально при вертикальном положении из­делия, называются горизонтальными.

Швы можно выполнять непрерывными и прерыви­стыми в зависимости от действующей нагрузки.

§ 4. Строение сварного шва

Металл шва имеет характерное дендрит­ное строение, размеры, форма, степень химической од­нородности и направленность которого определяются условиями сварки и свойствами свариваемого материа­ла. Свойства сварного соединения в целом определяют­ся характером теплового воздействия на металл в око­лошовной зоне (зона термического влияния), размеры которой зависят от способа сварки, химического соста­ва и толщины свариваемого изделия.

При сварке низкоуглеродистой стали наплавленный металл 1 имеет столбчатое строение, характерное для литой стали при ее медленном охлаждении, и называ­ется сварным швом (рис. 4.5). Он образуется при кри­сталлизации основного и присадочного металлов. Доля основного металла составляет 30...70% и зависит от ме­тода ц технологии сварки. На границе между основным и наплавленным металлами расположена зона оглавле­ния. На этом участке металлы срастаются, проникая один в другой, что обеспечивает прочность сварного соедине­ния. Ширина зоны сплавления 0,1 ...0,4 мм. Участок 2 называют зоной перегрева. Здесь происходит рост аустенитного зерна. Участок 3 — зона перекристаллизации.

Рис. 4.5. Схема строения стыкового сварного соедине­ния.

. Здесь температура снижается до 900...1100°С и проис­ходит нормализация, в результате которой образуется мелкое зерно. Участок 4—зона неполной перекристал­лизации. Здесь при температуре 720..,900 °С происходит лишь частичное изменение структуры. Температура зо­ны, рекристаллизации 5 достигает лишь 500...700 °С. Здесь происходят процессы, подобные разупрочнению ме­талла. Зона синеломкости 6 нагревается до 500 °С и не претерпевает структурных превращений.

При сварке сталей, склонных к закалке, структура зоны термического влияния будет несколько иной. В этом случае за зоной сварного шва будут распола­гаться участки закалки и неполной закалки.