Технологія газового зварювання 14
Зварювання. Поняття, сутність процесу.
Сварка - це один з провідних технологічних процесів обробки металів. Великі переваги зварювання забезпечили її широке застосування в народному господарстві. За допомогою зварювання здійснюється виробництво суден, турбін, котлів, літаків, мостів, реакторів та інших необхідних конструкцій.
Зварюванням називається технологічний процес отримання нероз'ємних з'єднань за допомогою встановлення міжатомних зв'язків між зварюються частинами при їх місцевому або загальному нагріванні, або пластичній деформації, або спільною дією того й іншого.
Зварені з'єднання металів характеризує безперервність структур. Для отримання зварного з'єднання потрібно здійснити міжмолекулярні зчеплення між зварюються деталями, яке призводить до встановлення атомарної зв'язку в прикордонному шарі.
Якщо зачищені поверхні двох з'єднуються металевих деталей при стисненні під великим тиском зблизити так, щоб могло виникнути загальне електронне хмара, що взаємодіє з іонізованими атомами обох металевих поверхонь, то отримуємо міцне зварне з'єднання. На цьому принципі заснована холодне зварювання пластичних металів.
При підвищенні температури в місці з'єднання деталей амплітуди коливання атомів відносно постійних точок їх рівноважного стану збільшуються, і тим самим створюються умови більш легкого отримання зв'язку між сполучаються деталями. Чим вище температура нагрівання, тим менший тиск потрібно для здійснення зварювання, а при нагріванні до температур плавлення необхідний тиск стає рівним нулю.
Шматок твердого металу можна розглядати як гігантську молекулу, що складається з атомів, розміщених в строго визначеному, часто дуже складному порядку і міцно пов'язаних в одне ціле силами міжатомної взаємодії.
Принципова сутність процесу зварювання дуже проста. Поверхневі атоми шматка металу мають вільні, ненасичені зв'язку, які захоплюють всякий атом або молекулу, наблизився на відстань дії міжатомних сил. Зблизивши поверхні двох шматків металу на відстань дії міжатомних сил або, кажучи простіше, до зіткнення поверхневих атомів, отримаємо по поверхні зіткнення зрощування обох шматків в одне монолітне ціле з міцністю з'єднання цільного металу, оскільки всередині металу і по поверхні з'єднання діють ті ж міжатомні сили. Процес з'єднання після дотику відбувається мимовільно (спонтанно), без витрат енергії і вельми швидко, практично миттєво.
Об'єднання окремих обсягів конденсованої твердої або рідкої фази в один загальний обсяг супроводжується зменшенням вільної поверхні і запасу енергії в системі, а тому термодинамічно процес об'єднання повинен йти мимовільно, без підведення енергії ззовні. Вільний атом має надлишок енергії в порівнянні з атомом конденсованої системи, і приєднання вільного атома супроводжується звільненням енергії. Таке мимовільне об'єднання спостерігається на обсягах однорідної рідини.
Набагато важче відбувається об'єднання обсягів твердої речовини: доводиться витрачати значні кількості енергії і застосовувати складні технічні прийоми для зближення з'єднуються атомів. При кімнатній температурі звичайні метали не з'єднуються не тільки при простому зіткненні, а й при стисненні значними зусиллями. Дві сталеві пластинки, ретельно відшліфовані і пригнані, піддані тривалого здавлення зусиллям у кілька тисяч кілограмів, по знятті тиску легко роз'єднуються, не виявляючи ніяких ознак з'єднання. Якщо з'єднання виникають в окремих точках, вони руйнуються дією пружних сил при знятті тиску. З'єднанню твердих металів заважає, перш за все, їх твердість, при їх зближенні дійсне зіткнення відбувається лише в небагатьох фізичних точках, і розширення площі дійсного дотику досить важко.
Метали з малою твердістю, наприклад, свинець, досить міцно з'єднуються вже при незначному здавлюванні. У більш важливих для техніки металів твердість настільки велика, що поверхню дійсного дотику дуже мала в порівнянні із загальною уявній поверхнею зіткнення, навіть на ретельно оброблених і прагненнях поверхнях.
На процес з'єднання сильно впливають забруднення поверхні металу - оксиди, жирові плівки тощо. А також шари адсорбованих молекул газів, що утворюються на свежезачіщенной поверхні металу під дією атмосфери майже миттєво. Тому чисту поверхню металу, позбавлену шару адсорбованих газів, можна скільки-небудь тривалий час зберегти лише у високому вакуумі. Такі природні умови є в космічному просторі, де метали отримують здатність досить міцно зварюватися або "схоплюватися" при випадкових дотику. У звичайних же, земних умовах доводиться стикатися з негативною дією, як твердості металів, так і шару адсорбованих газів на поверхні. Для боротьби з цими труднощами техніка використовує два основні засоби: нагрів і тиск. Оскільки дана робота присвячена зварюванні металів за допомогою плавлення, зварювання тиском нижче докладно висвітлюватися не буде.
Зварювання плавленням здійснюється нагрівом зварювальних кромок до температури плавлення без здавлювання зварювальних деталей.
При нагріванні з підвищенням температури знижується твердість металу і зростає його пластичність. Метал, твердий і малопластічний при кімнатній температурі, при достатньому нагріванні може стати дуже м'яким і пластичним. Подальшим підвищенням температури можна довести метал до розплавлення; в цьому випадку відпадають всі труднощі, пов'язані з твердістю металу; обсяги рідкого металу мимовільно зливаються в загальну зварювальну ванну.
У багатьох випадках на процес зварювання істотно впливають забруднення поверхні металу: переважно оксиди і жирові плівки. Ці забруднення, потрапляючи в зварене з'єднання, можуть знижувати якість зварювання. Вони, на відміну від адсорбованих газів, можуть бути видалені з поверхні металу механічно (щітками, абразивами і т.д.) або хімічно (розчинниками, травителями, і флюсами).
Специфічним для зварювання засобом очищення служать флюси, що розчиняють оксиди при підвищених температурах. Крім усунення забруднень з поверхні металу, вживаються заходи до зменшення забруднення металу в процесі зварювання, в першу чергу оксидами. Для цієї мети використовуються флюси, шлаки, захисні гази, вдувається в зону зварювання.
Протиріччя між теоретичною можливістю зварювання металів без витрат енергії та практичної необхідністю витрат і досить значних може бути пояснено енергетичної моделлю процесу зварювання, схематично зображеної на рис 1.
Мал. 1. Енергетична модель процесу зварювання
Атом на вільній поверхні металу в положенні 1 має енергію h, атом в обсязі металу в положенні 3 - меншу енергію h0; з'єднання обсягів металу зі знищенням вільної поверхні супроводжується звільненням енергії на атом: Dh = h-h0. Але для переміщення з положення 1 в положення 3 атом повинен подолати енергетичний поріг і пройти положення 2 з енергією H. Для подолання енергетичної порога атому потрібно підвести енергію DH = H-h, без чого неможливо подолання порога і з'єднання обсягів металу. Енергія DH витрачається на пружну і пластичну деформації металу, необхідну для зближення поверхонь металу, на його нагрів руйнування плівки адсорбованих газів і т.д. Нагрівання знижує енергетичний поріг, що перешкоджає з'єднанню твердих металів; розплавлення зводить висоту порога майже до нуля, роблячи можливим з'єднання без витрат енергії. З'єднання атомів при зварюванні металів відбувається зазвичай в дуже тонкому шарі, товщиною в кілька атомних діаметрів, і зона зварювання має плівковий характер. Збільшення ширини зони зварювання може бути вироблено за рахунок таких процесів, як дифузія, розчинення, кристалізація, що протікають більш повільно в часі і поступово поширюються за обсягом металу.
Найпростіші види зварювання плавленням відомі з глибокої давнини, наприклад ливарна зварювання. Сучасна схема зварювання плавленням показана на рис. 2
Мал. 2. Схема зварювання плавленням.
До з'єднуються деталей в місці зварювання підводять зварювальне полум'я; виробляють місцеве розплавлення деталей до утворення спільної зварювальної ванни рідкого металу. Після видалення зварювального полум'я метал ванни швидко охолоджується і твердне, в результаті деталі виявляються з'єднаними в одне ціле. Переміщаючи полум'я по лінії зварювання, можна отримати зварний шов будь-якої довжини. Зварювальне полум'я повинне мати достатню теплову потужність і температуру; зварювальну ванну потрібно утворювати на порівняно холодному металі: теплопровідність металів висока і швидко утворити ванну може тільки дуже гаряче полум'я. Досвід показує, що для зварювання сталі товщиною кілька міліметрів температура зварювального полум'я повинна бути не нижче 2700-3000 ° C. Полум'я з меншою температурою або зовсім не утворює ванни або утворює її надто повільно, що дає низьку продуктивність зварювання і робить її економічно невигідним. Джерела тепла, розвиваючі настільки високі температури, з'явилися відносно недавно.
Зварювальне полум'я розплавляє як метал, так і забруднення на його поверхні, що утворюються шлаки спливають на поверхню ванни. Гаряче полум'я сильно нагріває метал на поверхні, значно вище точки плавлення; в результаті змінюється хімічний склад металу і його структура після затвердіння; змінюються і механічні властивості. Затверділий метал ванни, так званий метал зварного шва зазвичай за своїми властивостями відрізняється від основного металу, незачепленою зварюванням. Зварювання плавленням відрізняється значною універсальністю; сучасними зварювальними джерелами легко можуть бути розплавлені майже всі метали, можливо з'єднання різнорідних металів.
Характерна ознака зварювання плавленням; виконання її за один етап-нагрів зварювальним полум'ям, на відміну від зварювання тиском.
Класифікація електричної дугового зварювання.
Найширше поширення набули різні способи електричного зварювання плавленням, а провідне місце займає дугове зварювання, при якій джерелом теплоти є електрична дуга.
Електричну зварювання плавленням в залежності від характеру джерел нагріву і розплавлення зварювальних кромок можна розділити на наступні основні види зварювання, схема 1 (див. Додаток):
1. електрична дугова, де джерелом тепла є електрична дуга;
2. електрошлакове, де основним джерелом теплоти є розплавлений шлак, через який протікає електричний струм;
3. електронно-променева, при якій нагрів і розплавлення кромок з'єднуються деталей виробляють спрямованим потоком електронів, випромінюваних розпеченим катодом;
4. лазерна, при якій нагрів і розплавлення кромок з'єднуються деталей виробляють спрямованим сфокусованим потужним світловим променем мікрочастинок-фотонів.
При електричної дугового зварювання основна частина теплоти, необхідна для нагрівання і плавлення металу, виходить за рахунок дугового розряду, що виникає між зварюваних металом і електродом. Під дією теплоти дуги кромки зварювальних деталей і торець плавиться розплавляються, утворюючи зварювальну ванну, яка деякий час знаходиться в розплавленому стані. При затвердінні металу утворюється зварне з'єднання. Енергія, необхідна для освіти і підтримки дугового розряду, виходить від джерел харчування дуги постійного або змінного струму. Класифікація дугового зварювання проводиться в залежності від ступеня механізації процесу зварювання, роду струму і полярності, типу дуги, властивостей електрода, виду захисту зони зварювання від атмосферного повітря та ін.
За ступенем механізації розрізняють зварювання вручну, напівавтоматичне і автоматичне зварювання. Віднесення процесів до того чи іншого способу залежить від того, як виконуються запалювання і підтримка певної довжини дуги, маніпуляція електродом для додання шву потрібної форми, переміщення електрода по лінії накладення шва і припинення процесу зварювання.
У разі ручного зварювання зазначені операції, необхідні для утворення шва, виконуються робочим-зварювальником вручну без застосування механізмів.
При напівавтоматичного зварювання плавиться механізуються операції по подачі електродного дроту в зварювальну зону, а інші операції процесу зварювання здійснюються вручну.
При автоматичному зварюванні під флюсом механізуються операції щодо порушення дуги, підтримання певної довжини дуги, переміщенню дуги по лінії накладення шва. Автоматичне зварювання плавиться ведеться зварювальним дротом діаметром 1-6 мм; при цьому режим зварювання (струм, напруга, швидкість переміщення дуги та ін.) більш стабільний, що забезпечує однорідність якості шва по його довжині, в той же час потрібна велика точність у підготовці і складанні деталей під зварювання.
За родом струму розрізняють дуги, що живляться постійним струмом прямої (мінус на електроді) або зворотним (плюс на електроді) полярності або змінним струмом. Залежно від способів зварювання застосовують ту чи іншу полярність. Зварювання під флюсом і в середовищі захисних газів зазвичай проводиться на зворотній полярності.
За типом дуги розрізняють дугу прямої дії (залежну дугу) і дугу побічної дії (незалежну дугу). У першому випадку дуга горить між електродом і основним металом, який також є частиною зварювального ланцюга, і для зварювання використовується теплота, що виділяється в стовпі дуги і на електродах; у другому - дуга горить між двома електродами. Основний метал не є частиною зварювального ланцюга і розплавляється переважно за рахунок тепловіддачі від газів стовпа дуги. У цьому випадку харчування дуги здійснюється звичайно змінним струмом, але вона має незначне застосування через малу коефіцієнта корисної дії дуги (відношення корисно використовуваної теплової потужності дуги до повної теплової потужності).
За властивостями електроду розрізняють способи зварювання плавиться і не плавиться (вугільним, графітовим і вольфрамовим). Зварювання плавиться є найпоширенішим способом зварювання; при цьому дуга горить між основним металом і металевим стрижнем, що подається в зону зварювання у міру плавлення. Цей вид зварювання можна робити одним або декількома електродами. Якщо два електроди під'єднані до одного полюса джерела живлення дуги, то такий метод називають двоелектродної зварюванням, а якщо більше - багатоелектродного зварюванням пучком електродів. Якщо кожен з електродів отримує незалежне живлення - зварювання називають дводуговими (многодуговой) зварюванням. При дугового зварювання плавленням ККД дуги досягає 0,7-0,9.
За умовами спостереження за процесом горіння дуги розрізняють відкриту, закриту і напіввідчинені дугу. При відкритій дузі візуальне спостереження за процесом горіння дуги проводиться через спеціальні захисні скла - світлофільтри. Відкрита дуга застосовується при багатьох способи зварювання: при ручному зварюванні металевим і вугільним електродом і зварюванні в захисних газах. Закрита дуга розташовується повністю в розплавленому флюс - шлаку, основному металі і під гранульованим флюсом, і вона невидима. Напіввідчинені дуга характерна тим, що одна її частина знаходиться в основному металі і розплавленому флюс, а інша над ним. Спостереження за процесом здійснюється через світлофільтри. Використовується при автоматичному зварюванні алюмінію по флюсу.
За родом захисту зони зварювання від навколишнього повітря розрізняють наступні способи зварювання: без захисту (голим електродом, електродом зі стабілізуючим покриттям), з шлакової захистом (толстопокритимі електродами, під флюсом), шлакогазовой (толстопокритимі електродами),