Основные способы сварки по классификационным признакам

Что такое сварка и какие виды бывают

В промышленности, строительстве и при ремонте используются различные способы стыковки деталей конструкций. Наибольшее распространение получили разнообразные виды сварки, которыми скрепляют не только однотипные и разнородные металлы, но также стекло, пластик, керамику. Популярность технологии объясняется высокой прочностью и надежностью соединений.

Определение процесса сварки

Независимо от вида, сваркой называют технологию создания неразъемных соединений путем нагрева, деформирования или комбинированием обоих методов. Сущность сварки заключается в том, что под действием внешнего источника энергии (тепла, давления) между соединяемыми материалами образуются прочные связи на межатомном уровне. После кристаллизации в процессе остывания на стыке образуется сварочный шов. В зависимости от вида материала и условий проведения работы, это локальный или общий нагрев и деформирование стыкуемых поверхностей.

Классификация видов сварки

В зависимости от критериев, классификацию способов сварки выполняют по виду защиты расплавленного металла от кислорода воздуха, способу управления процессом, материалу и т. д. Также учитываются технологические особенности проведения сварочных работ. По способу воздействия на детали выделены три основных вида сварки:

1. Механическую проводят внешним давлением, под действием которого поверхности деформируются, что приводит к плотному соединению.
2. Термическую выполняют с применением дополнительных материалов, которые расплавляются теплом от источника энергии. Жидкий металл заполняет промежуток между заготовками, после остывания образуется прочное соединение.
3. При термомеханических (комбинированных) видах сварки детали подвергаются совместному воздействию тепла и давления. Для повышения пластичности детали предварительно нагревают, затем сжимают.

Термический класс сварки

Эти способы сварки выполняются с образованием сварочной ванны из расплавленного металла деталей и электрода или присадочного материала.

Дуговая

Тепло для локального плавления металла заготовок выделяется при горении электрической дуги между электродом и заготовками. Для зажигания кратковременно касаются электродом поверхности, затем отводят на расстояние 2 — 5 мм. Чем короче дуга, тем выше ее температура.

Для соединения деталей используют следующие методы сварки:

• ручную, когда все манипуляции с электродом выполняет сварщик;
• полуавтоматическую с подачей электродной проволоки механизмом, установленным в аппарате;
• автоматическую, когда процесс выполняется по заданному алгоритму без вмешательства человека.

Дуговой вид выполняется плавящимися и неплавящимися угольными или вольфрамовыми электродами с введением присадочной проволоки в рабочую зону. Для защиты расплавленного металла от соприкосновения с воздухом механизированные способы проводят под флюсом или в среде инертного газа.

Газовая

В отличие от дугового вида при газовой сварке нагрев и охлаждение материала происходит более медленно. Поэтому этим методом проще сваривать тонкостенную сталь, цветные металлы, проводить наплавку. Независимость от электроэнергии позволяет работать в полевых условиях.

Стык нагревается факелом горелки, который образуется при сгорании в чистом кислороде ацетилена, пропана, водорода, паров бензина или керосина. Шов формируется за счет плавления присадочного материала. Для сварочных работ чаще используют ацетилен, температура пламени которого доходит до 3100⁰C. Похожая по принципу работы плазменная сварка выполняется струей ионизированного газа с температурой больше 10000⁰C.

Лучевая

Технология основана на плавлении материала деталей световым лучом лазера или потоком электронов, создаваемого электронной пушкой. Оба метода применяются преимущественно в радиоэлектронной отрасли для соединения и крепления микроэлементов. Чтобы луч не рассеивался, электронно-лучевая сварка проводится в вакуумной камере.

Лазерная сварка позволяет накладывать швы с высокой точностью. При этом, практически не нагреваются прилегающие поверхности, что исключает деформирование даже очень тонкого материала. Для работы в труднодоступных местах изменяют направление луча призмами. Процесс рекомендуется проводить в среде инертного газа.

Термитная

Для сварки этого вида используют порошкообразную смесь (термит), состоящую из алюминия, магния, окислов железа. При сгорании образуется тепло, которое расплавляет кромки заготовок. Расплавленный термит смешивается с металлом деталей, после кристаллизации образуется соединение.

Для запуска процесса термит дистанционно поджигают пиропатроном, электрическим разрядом, бикфордовым шнуром. Температура горения смеси достигает 2700⁰C, которой достаточно для сварки металлов распространенных видов. Термитным способом ремонтируют крупногабаритное оборудование, рельсы, сращивают провода на линиях электропередачи.

Электрошлаковая

Эта разновидность термической сварки применяется для соединения стали толщиной от 5 см до 3 м. Заготовки устанавливают вертикально, зазор между ними с обеих сторон закрывают подвижными ползунами из меди с водяным охлаждением. Снизу на поддон насыпают слой флюса, под которым зажигают дугу.

После расплавления флюса образовавшийся шлак становится электропроводным. Дуга гаснет, но проходящего через шлак тока хватает для плавления новых порций флюса, электрода и кромок. По мере остывания расплава в сварочной ванне ползуны постепенно передвигаются выше. Этим способом соединяют заготовки за один проход независимо от их толщины без образования трещин.

Термомеханический класс сварки

Комбинированными видами соединяют небольшие детали, если другими способами невозможно создать качественный шов. К термомеханическому классу относят следующие виды сварки:

Кузнечная

Этим способом соединяли железные заготовки задолго до изобретения современных классов сварки. Заготовки нагревают в горне, кладут одна на другую, скрепляют ударами молота. Механизированный подвид, когда заготовки сдавливаются прессом, называют прессовой сваркой.

Качество соединения зависит от опытности мастера. Перечень металлов, которые можно сваривать этим методом, ограничен видами с хорошей пластичностью. Из-за малой производительности и низкой надежности соединения кузнечный вид сварки применяется редко.

Контактная

Металл нагревают током, проходящим через место соприкосновения заготовок, затем сжимают или осаживают. Этот вид легко автоматизируется, поэтому широко используется на предприятиях машиностроительной отрасли в составе роботизированных комплексов.

В зависимости от решаемых задач контактный вид сварки выполняют как:

1. Точечную, зажимая детали между электродами. После подачи тока в месте сдавливания образуется точечное соединение.
2. Стыковую с нагревом всей площади соприкосновения.
3. Рельефную с предварительным нанесением выступов (рельефов) на соединяемые плоскости. После подачи тока рельефы деформируются, поверхность выравнивается.
4. Шовную, когда детали соединяют внахлест роликовыми электродами.

Диффузионная

Технология основана на взаимном проникновении (диффузии) атомов материалов, если их плотно прижать один к другому. При нагреве скорость обмена частицами увеличивается. Сварку проводят в вакуумной камере или среде инертного газа. Детали сжимают с усилием не меньше 20 МПа, поверхностные слои нагревают электротоком до температуры близкой к точке плавления. Для надежного сцепления заготовки оставляют в этом положении на некоторое время, не отключая ток.

Механический класс сварки

Эти виды сварки выполняют за счет энергии трения, взрыва, давления, ультразвука. При их воздействии выделяется тепло, достаточное для плавления материала.

Трением

Технология входит в список перспективных разработок. Одну из соединяемых заготовок крепят неподвижно, другая, прижатая к ней, вращается. Подробная классификация сварки трением включает следующие подвиды:

1. С перемешиванием выполняется на оборудовании, оснащенном инструментом вращения с двумя элементами ― основанием (бурт) и наконечником (пин). Соединение создается методом выдавливания с последующим перемешиванием.
2. Радиальной стыкуют трубы, помещая вращающееся кольцо между торцами.
3. Штифтовой заделывают небольшие сквозные повреждения. На месте дырки просверливают круглое отверстие, в которое вставляют вращающийся штифт из такого же металла что и основной.
4. Линейная выполняется без вращения. Заготовки трут одна о другую пока не начнут плавиться стыкуемые поверхности, затем повышают усилие сдавливания.
5. При инерционном виде сварки заготовки двигают за счет энергии предварительно раскрученного маховика.

Холодная

В основу технологии заложен принцип сжатия деталей пуансонами с усилием 1 — 3 ГПа. Точечную сварку проводят стержнями, шовную роликами. Пуансон вдавливают в заготовку до образования пластической деформации, что способствует появлению межатомных связей и созданию соединения между деталями. Сварку выполняют простым сжатием или со сдвигом деталей после сдавливания. Прочность соединения зависит от качества подготовки места стыка, степени сжатия, характера воздействия (вибрационное либо статичное).

При соединении встык величину деформации ограничивают размером выступающих из зажимов частей заготовок. Чтобы предотвратить коробление листов при соединении внахлест, их закрепляют прижимами. После пластической деформации металл становится тверже, поэтому прочность шва выше, чем у заготовок.

Холодный вид соединения применяют для работы с алюминием, медью, цинком, серебром и другими металлами с низкой температурой плавления.

Взрывом

Для сварки этим способом над стационарной заготовкой под углом 3 — 10⁰ или параллельно с зазором 2 — 10 мм устанавливают подвижную (метаемую) деталь. На верхнюю пластину помещают равномерный слой взрывчатки с детонатором. Чтобы предотвратить боковой разлет металла, площадь подвижной заготовки делают больше чем у нижней.

После подрыва подвижная деталь под действием ударной волны с большой скоростью ударяется о нижнюю пластину. В месте соприкосновения образуется давление, значительно превышающее прочность металлов, при котором материал начинает течь как жидкость. В результате поверхности одновременно деформируются, создавая соединение. Длительность процесса не превышает миллионных долей секунды, поэтому диффузия происходит только в поверхностных слоях.

Несмотря на то, что до сих пор не разработана детальная методика этого вида, сварка взрывом получила широкое применение в промышленности для стыковки разнородных материалов. Таким способом получают биметаллические соединения, детали и заготовки больших размеров, наносят плакирующие слои толщиной до 45 мм.

Ультразвуковая

Такой вид сварки проводится преобразователем ультразвуковых волн в механические колебания в сочетании с небольшим давлением. При воздействии на поверхность сначала за счет сухого трения разрушается оксидная пленка, затем плавится материал. Поэтому нет необходимости в тщательной подготовке стыка. Для повышения прочности шва детали предварительно подогревают.

Помимо металлов, в том числе тугоплавких, этим видом соединяют пластик, кожу, ткани. Также доступно сваривание стекла и керамики с металлом, фольги толщиной 0,001 мм. При необходимости детали можно сваривать с металлической или пластмассовой прослойкой между ними.

В сварочном деле постоянно что-то меняется, улучшается, дорабатывается. Поэтому для повышения мастерства полезно знакомиться с новинками и тестировать на практике. Какие-то из них пригодятся профессиональным сварщикам, другие для домашних работ.

Источник

Классификация способов сварки

Обзор основных методов сварки

Развитие технологий, изобретение новых металлических сплавов, повышение требований к прочности и долговечности конструкции — причины появления различных способов сварки. Различные методы сварки также обусловлены все более высокими требованиями к стыкам неразъемных конструкций, высокими требованиями к увеличению скорости, производительности и эффективности производственных процессов. Хотя некоторые методы сварки кажутся чисто теоретическими и редко используются на практике, они также заслуживают внимания. Не исключено, что на каком-то этапе развития материалов или технологий они более широко войдут в промышленное производство. Это касается лазерной или плазменной сварки. Давайте посмотрим на критерии классификации различных методов сварки.

В современной промышленности используются различные методы сварки металлов. Чаще всего металлы классифицируют по энергии, используемой для сварки . Исходя из этого, все способы сварки делятся на четыре основные группы:

Чтобы сделать сварное соединение двух частей, нужна дополнительная энергия, которую нужно подводить в зону сварки. Внешняя энергия для процесса может быть введена в виде тепла и / или силы. В зависимости от вида энергии мы различаем две основные группы методов сварки и соответствующие им разновидности.

Путем плавления

• Электрическая дуга
• Газ-кислород
• Электрошлак
• Электронный луч
• Лазерный
• Термит

Под давлением

• Электрическое сопротивление
• Высокая частота
• Электродуговая сварка шпилек
• Диффузия
• УЗИ
• Сварка трением
• Сварка взрывом

Сварка сопротивлением

Это делается тремя способами:

Фронтальное электрическое сопротивление

Свариваемые детали фиксируются в губках сварочного аппарата. Затем через челюсти трансформатора пропускается электрический ток и концы деталей сближаются. В точке соприкосновения концы быстро нагреваются до высокой температуры, после чего отключается электрический ток, детали прижимаются и свариваются. Этот метод в основном используется для сварки арматуры и инструментов.

Точечное электрическое сопротивление

Сварные металлические листы 1 кладут друг на друга и прижимают между двумя медными электродами. От источника тока через электроды подается электрический ток, который сильно нагревает металл в месте соприкосновения соединяемых частей. Затем отключают ток, электроды прижимают сильнее и металл в этом месте сваривают. Сварной шов представляет собой несколько сварных точек. Этот метод применяется в массовом производстве бытовых электроприборов и в автомобильной промышленности.

Роликовое электрическое сопротивление

Выполняется на аппарате с тем же устройством, что и на аппарате точечной сварки. Отличие в том, что вместо электродов для прижатия металлических листов используются ролики, через счетчик пропускается электрический ток от источника тока. В результате получается полный непрерывный сварной шов. Он состоит из нескольких точек сварки, частично перекрывающих друг друга.

Электрическая дуга имеет наибольшую практическую долю среди всех методов сварки.

В зависимости от положения электрическая дуга делится на два типа:

Дуговая сварка открытой дугой

В этом методе электрическая дуга горит в атмосфере. По типу электродов мы различаем два отдельных метода сварки открытой дугой: метод Славянова и метод Бенардоса.

В методе Славянова электрический ток по одному из проводников подводится к свариваемому металлу, а по другому — к электрододержателю, в котором зажат металлический электрод. В процессе сварки кончик металлического электрода плавится от сварочной дуги между металлом сварного шва и электродом и образует жидкий металл, заполняющий зазор между свариваемыми частями.

В методе Бенардоса в электрододержатель помещают неплавкий электрод. Этот электрод не плавится в сварочной дуге, а только служит для ее формирования и поддержания. Изделие сваривают путем плавления дополнительного металлического стержня, который кладут сбоку в области дуги. Этот метод сейчас малопригоден.

Плазменная сварка

Плазма представляет собой смесь электрически нейтральных молекул газа ( аргон , водород, азот и их смеси) и электрически заряженных частиц — электронов и положительных ионов, а иногда и тяжелых отрицательных ионов. Если сечение плазменной струи уменьшить по сравнению со свободной струей под действием магнитных полей за счет продувки газовой струей или распыляемой жидкостью, подаваемой через сопло, ее температура может повыситься до 20000-30000 ° C. Полученный плазменный поток используется для сварки как тугоплавких, так и легко окисляемых металлов. Помимо использования плазменного флюса для сварки, он также используется для резки алюминия, меди, сплавов, углерода, жаропрочных сталей и тугоплавких металлов.

Электрошлаковая сварка

В этом методе сначала обнаруживается дуга между электродной проволокой и свариваемыми листами. Затем вручную подается флюс, который плавится от дуги, образуя жидкую ванну. Таким образом, радуга горит только в начале процесса. Дальнейшее плавление электродной проволоки и основного металла происходит из жидкого флюса. Его температура плавления всегда должна быть выше, чем у основного металла и электродной проволоки.Для охлаждения сварного шва используются охлаждаемые водой медные пластины. При автоматическом перемещении подушки охлаждаются и образуют сварочную ванну с этим сварным швом.

Этот метод используется для сварки толстых деталей в судостроении.

Индукционная сварка

Этот метод особенно удобен для сварки труб. Похож на фронтальный метод. Две трубы расположены друг напротив друга на определенном расстоянии. На их концах расположены катушки с противоположной магнитной движущей силой. Когда между концами трубок обнаруживается дуга и к катушкам подается ток, в последних создается магнитный радиальный поток. Этот поток действует на дугу, и она начинает быстро вращаться, и через короткое время концы трубок оплавляются. Затем ток прекращается и трубы прижимаются друг к другу.

Методы химической сварки

К химическим методам относятся:

Газопламенная сварка

В прошлом этот метод сварки широко применялся. Сейчас он используется в основном в цветных металлах и тонких стальных деталях.

При газовой сварке в качестве источника тепла используется топливный газ (ацетилен, пропан, природный газ, водород и др.), Смешанный с кислородом в специальной горелке. Свариваемые детали нагреваются в месте сварки пламенем газовой смеси, подаваемой горелкой. Тепло пламени топлива плавит основной металл, а вместе с ним и присадочный металл. После застывания расплавленного металла получается сварной шов.

Газопламенная сварка также применяется для соединения труб. Для этого используются специальные кольцевые горелки с множеством форсунок. Горелка состоит из двух полуколец, которые опираются на трубу.

Термитная или алюминий-термитная сварка

Известно, что при горении смеси порошкового алюминия и порошкового оксида металла возникает высокая температура. Эта порошковая смесь называется термитом, отсюда и название этого метода сварки. При сжигании термитов образуется жидкая термитная смесь с температурой около 3500 ° C. Сварные части помещают в виде огнеупорной почвы. В эту форму заливается жидкая термитная смесь, высокой температуры которой достаточно для расплавления свариваемых деталей. Термитная смесь является не только теплоносителем, но и связующим металлом.

Механическая сварка

При механической сварке соединение выполняется за счет механической работы, которая достигается приложением трения или сильного давления. В эту группу входят:

Сварка трением

Этим методом свариваются детали круглого сечения из стали, меди, латуни, алюминия. Для этого две части помещаются на сварочный аппарат. Деталь 2 затягивается в патроне и получает вращательное движение. Деталь 2 закреплена в губках станка. Две части слегка прижимаются друг к другу. Вращательное движение передается части 2. Из-за трения в месте соприкосновения двух частей температура достигает 1200 ° С. Когда материал приводится в пластичное состояние, вращение детали прекращается и две части прижимаются друг к другу с определенной силой, в результате чего они свариваются.

Холодная сварка

В этом методе они подвергаются сварке с металлическими соединениями, которые обладают достаточной пластичностью (например, медь, алюминий, цинк , титан, свинец). Сварка производится на специальном прессе следующим образом. Поверхности деталей идеально выровнены и очищены. Сваренные детали помещают между пуансонами и прижимают с определенным усилием. Затем с помощью штампов и в точке соединения прикладывается сила, достаточная для сближения молекул двух частей и достижения сварного соединения.

Ультразвуковая сварка

Этот метод основан на использовании механических ультразвуковых колебаний металла. Это дает возможность сваривать детали небольшой толщиной от нескольких микрометров до 1,5 мм.

Сварочный аппарат с магнитострикционными преобразователями используется для преобразования электрической энергии в механическую ультразвуковую. Вибрационный вращающийся сердечник, изготовленный из специальных сплавов. У них есть возможность изменять свой размер, увеличивать или уменьшать их при намагничивании. На сердечник помещена катушка, на которую подается высокочастотный переменный ток, и при изменении тока длина сердечника изменяется синхронно — механические ультразвуковые колебания происходят с той же частотой. Через концентратор эти колебания передаются на свариваемый материал от верхнего и нижнего электрода. Поверхность очищается от грязи от вибраций. С другой стороны,за счет механических колебаний (за счет трения) поверхностный слой металла под электродом и в зоне соприкосновения деталей нагревается, а электроды прижимаются.

Методы лучевой сварки

В третью основную группу входят:

Электронно-лучевая сварка

Благодаря высокой температуре, достигаемой этим методом сварки, можно сваривать легкие металлы, такие как молибден-титан. Во время сварки металл в зоне стыка подвергается интенсивному воздействию электронного луча. Когда они падают на поверхность продукта, электроны выделяют свою кинетическую энергию, преобразуют ее в тепло и нагревают металл. Это тепло плавит металл, в результате чего образуется сварное соединение.

Фотон (свет) — лазерная сварка

Открытие оптических квантовых генераторов — лазеров — имеет большое значение для фотонной сварки. Это новый тип источника света. Лазерное излучение фокусируется оптической линзой в пятно очень маленького размера диаметром несколько микрометров (от 80 до 500 мкм). Сегодня лазерная сварка становится все более распространенной технологией в промышленном производстве.

Источник