Классификация видов сварки

Человечество очень многим обязано изобретателям сварки. Видов работ, где применяется данная технология, огромное множество: от машиностроения до строительства. Если бы не сварка, то неизвестно, на каком этапе технологического развития находились бы лидеры промышленного производства, да и вообще весь мир. Ведь не будь сварки, не было бы и крупных океанских сухогрузов и танкеров, не было бы цистерн для транспортировки наливных грузов и так далее.

С бурным развитием науки и технологий развивалась и сварка. И сегодня неразъемные соединения получают множеством всевозможных способов. Выбор конкретной технологии и оборудования зависит от множества факторов.

Классификация видов сварки

Существует огромное количество всевозможных способов осуществить соединение двух стальных изделий. Современные технологии позволяют надежно скреплять не только стальные и металлические материалы, но даже пластик. Однако существует ряд видов сварки (газовой и не только), которые нашли широкое применение и используются чуть ли не повсеместно. Критериями классификации сварки могут служить защитные среды, в которых осуществляется процесс плавления, степень механизации и автоматизации сварочных работ, по температурным параметрам соединяемых поверхностей и другие.

В соответствии с общепринятой классификацией видов сварки, все сварочные процессы можно поделить на сварку плавлением и сварку давлением. Каждая из этих двух больших групп включает целый ряд подгрупп.

Виды сварки плавлением следующие: электрошлаковая, газовая, индукционная, лазерная, дуговая (электрод может плавиться, а может и не плавиться) и ионно-плазменная. Каждый из перечисленных видов имеет свои преимущества и недостатки и имеет показания для применения в конкретной отрасли промышленности.

Виды сварки давлением: холодная и термомеханическая. К холодной сварке относится сварка трением, ультразвуковая сварка, сварка взрывом и так называемое вакуумное схватывание. Термомеханическая в свою очередь включает в себя диффузионную сварку, прессовую сварку (газо- и дуго-), термитную под давлением, термокомпрессионную и контактную (стыковая, точечная, роликовая).

Каждый из перечисленных видов сварки металла имеет свои особенности. Опытный инженер в области сварочных технологий способен по виду сварного шва определить технологию, по которой он был произведен.

Особенности сварки плавлением

Соединение формируется исключительно за счет оплавление материала электрода со свариваемыми изделиями. При этом на изделие не оказывается давление извне. Источником тепловой энергии может быть электрический разряд (дуга), а также горение газа. Соединяемые изделия частично оплавляются и образуют общий расплав. С понижением температуры возникает огромное количество центров кристаллизации и раствор затвердевает. Таким образом, изделия надежно соединяются в единую неразъемную конструкцию.

Некоторые особенности термомеханической

Данный вид сварки осуществляется за счет высокого давления, сообщаемого изделиям. При этом за счет сил трения, возникающих в результате перемещения одной детали относительно другой, контактирующие поверхности разогреваются до очень высоких температур. Активизируются диффузионные процессы, и атомы одного изделия начинают проникать в другое изделие, в результате чего образуется неразъемное сварное соединение.

Особенности сварки давлением

В последнее время данный вид сварки металла становится популярным. Главным образом благодаря своим широким возможностям. В частности, благодаря сварке давлением можно получить прочное соединение металла с пластиком. Да и вообще можно варить, казалось бы, совершенно несовместимые материалы (например, алюминий с медью и другие).

Это чрезвычайно высокотехнологичный вид сварки. Сварные соединения, полученные данным методом, являются довольно надежными и прочными.

Свариваемость материалов

Сварное соединение можно получить далеко не для каждой пары материалов. Предъявляются требования к химическому составу свариваемых изделий. Так, например, с ростом содержания углерода в качественных конструкционных сталях, способность к свариванию данного материала резко падает. Считается, что хорошей свариваемостью обладают стали с содержанием углерода до 0,3 % включительно. Если данное условие не выполняется, то сварной шов будет иметь множество дефектов как внутри, так и снаружи. Такое соединение будет иметь низкий комплект физических и механических свойств.

При сваривании изделий из углеродистой стали основной проблемой являются опускные и закалочные процессы, происходящие в зоне сварного шва. Также после сварки наблюдаются значительные остаточные деформации. Чтобы минимизировать вероятность растрескивания поверхности сварного шва, технология предусматривает предварительный нагрев свариваемых изделий до температур от 100 до 300 градусов. Уменьшить степень деформации позволит замена одного прохода сварного шва на несколько проходов. Для уменьшения остаточных напряжений и нормализации структуры рекомендуется производить средний отпуск изделий при температуре 300 градусов в течение нескольких часов. Точное время, необходимое для сквозного прогрева изделий, должно вычисляться по специальной методике, и зависеть от массы и габаритов самого изделия, типов нагревательных элементов в самой печи.

Стали, содержащие 13 % и более хрома, хорошо противостоят коррозии в обычных атмосферных условиях. Также такие стали сохраняют высокие механические свойства при нагреве до высоких температур.

Материал очень ценный. Особенно широко применяется в химическом машиностроении и других отраслях промышленности, где очень важны коррозионная и жаростойкость. Но высокохромистые стали, к сожалению, обладают плохой свариваемостью, так при охлаждении на воздухе в районе 1000 градусов, по границам зерен выпадает карбид хрома, что приводит к охрупчиванию материала в зоне сварного соединения. Для борьбы с этим негативным явлением можно воспользоваться следующими приемами: модификация стали титаном, ванадием (эти элементы препятствуют диффузионной подвижности атомов хрома и удерживают их внутри зерна), отжиг изделия при высоких температурах (900 градусов) с целью выравнивания структуры стали по химсоставу, ускоренное охлаждение в области сварного шва.

Алюминий также относится к типу материалов с низким показателем свариваемости. Протеканию процессов препятствует тонкая оксидная пленка, которая мгновенно покрывает всю поверхность при контакте алюминия с воздухом. Поэтому такой вид сварки осуществляется исключительно под флюсом. Расплав флюса растворяет окисную пленку, препятствующую протеканию сварных процессов.

Электродуговая сварка

Ручная электродуговая сварка является, пожалуй, самым распространенным видом дуговой сварки. Одновременно данная технология является самой популярной и активно применяется во всех отраслях промышленности и народного хозяйства.

Сущность процесса сварки данным способом состоит в следующем. Свариваемые изделия подключаются к электросети и выступают анодом. Электрод является катодом. Когда электрод подводится на близкое расстояние к металлическому изделию, то воздух пробивает электрическая дуга. Это сопровождается выделением большого количества энергии (тепловой) и электрод начинает плавиться.

Зажигание дуги электрического разряда протекает следующим образом. Сначала сварщик быстрым и отточенным движением касается электродом заготовки, а затем отводит электрод на небольшое расстояние (не более 5 миллиметров) от металлической поверхности. Высвобожденные электроны ускоряются в магнитном поле, и сталкиваясь с атомами газа в межэлектродном пространстве, инициируют отрыв электронов (вторичная эмиссия). Лавинообразный рост носителей заряда приводи к возникновению устойчивой электрической дуги.

Температура в месте входа разряда достигает шести тысяч градусов по Цельсию. Сила тока может регулироваться в зависимости от толщины и материала электрода и составляет 2-3 тысячи Ампер при напряжении максиму 50 Вольт. Столь выгодные условия протекания процесса вывели данную технологию в бесспорные фавориты и превратили ее в основной вид ручной дуговой сварки, используемый на производстве и в строительстве.

Как правило, используются электроды, покрытые специальным составом. Покрытие при нагреве выделяет газы, образующие защитную среду сварного шва. Также элементы покрытия легируют расплав, улучшая комплекс физико-механических свойств сварного шва.

Сварка под флюсом

Данная технология является основным видом сварки, применяемым на производстве при необходимости получать сварные швы идеального качества и большой длины. Даже самый опытный сварщик не способен варить ровные швы большой протяженностью.

Для защиты расплава от окислительного воздействия окружающей среды, на стык свариваемых изделий насыпается порошок специального состава (флюс). При нагреве до высоких температур, запускается процесс образования защитных газов, исключающих контакт металла, нагретого до высоких температур, с воздухом.

Защита флюсом позволяет применять более высокие токи по сравнению с ручной электродуговой сваркой, исключая возможность попадания на сварщика капель жидкого металла. Теоретические расчеты показали, что ток может быть увеличен до 8 раз. Таким образом, можно добиться впечатляющей производительности без ущерба качеству сварного шва.

При ручной сварке шов состоит, в основном, из расплава электрода. Шов, получаемый автоматической сваркой под флюсом, выглядит более презентабельно и состоит из материала электрода лишь на 1/3. Весь остальной объем занимает оплавленный материал свариваемых изделий. Таким образом, по сравнению со всеми видами ручной сварки, автоматическая сварка под флюсом является более экономичной (с точки зрения экономии расходных материалов) и чуть ли не в разы боле производительной.

Вместо электродов используется специальная проволока, смотанная в катушки. Стоимость проволоки значительно ниже стоимости электродов. Проволока разматывается по мере движения сварного автомата по линии сваривания и подается в зону резания специальным дозирующим устройством. По мере продвижения сварочного робота, сварной шов посыпается флюсом.

Особенности электрошлаковой сварки

Все другие виды сварки и их характеристики во многом уступают этой, возникшей сравнительно недавно, технологии. Сущность данного метода состоит в следующем. На свариваемые поверхности наносится слой шлака, предварительно нагретого до температуры выше значений, при которых происходит оплавление металла.

Поначалу процесс идет так же, как и при сварке под флюсом. Но когда образуется жидкая ванна из расплавленного шлака, то дуга гасится, а плавка кромок свариваемых изделий протекает за счет теплоты, которая выделяется при пропускании через изделия тока. Технология позволяет получать качественные и надежные соединения габаритных стальных изделий за очень короткие промежутки времени.

В ходе данного процесса поверхности изделий, которые необходимо соединить сваркой, должны располагаться в вертикальной плоскости. При этом не допускается плотный контакт поверхностей: необходимо оставить небольшой зазор, который заполняется шлаком.

К преимуществам электрошлаковой сварки можно отнести большую чистоту сварного шва по всевозможным включениям и микропорам и высокую производительность метода, возможность получать сварные швы любой конфигурации и пространственной формы. По заверениям специалистов в области сварки, скорость, по крайней мере, в 20 раз превышает скорость сварки под флюсом.

Особенности электронно-лучевой сварки

Поверхность стали разогревается за счет интенсивного бомбардирования электронами, испускаемыми мощной пушкой. Сварочные процессы происходят в откачной вакуумной камере, что положительно сказывается на качестве сварных швов.

Данная технология нашла применение при проведении прецизионных сварочных работ (например при производстве интегральных микросхем и т. д.) Пучок электронов можно фокусировать на невероятно малую площадь (до 1 микрона), что позволяет проводить сварку на микро- и даже нано- уровнях.

Плазменная сварка

Данный вид сварки, ввиду дороговизны оборудования и сложности реализации, применяется исключительно в научно-исследовательских целях. Гораздо большее распространение плазменные технологии получили в области термодиффузионного насыщения поверхностей металлов и сплавов.

Положительные заряды плазмы (ионизированного газа) ускоряются в магнитном поле и бомбардируют металлическую поверхность, разогревая ее до заданной температуры. Энергия ускорения иона в магнитном поле сопоставима с энергией, которой обладает частица при нагреве до 20 тысяч градусов. Низкотемпературная плазма вырабатывается специальным плазмотроном.

Особенности точечной контактной сварки

Для осуществления такой сварки необходимо разместить свариваемые листовые материалы внахлест, и прижать их двумя электродами с одной и с другой стороны. Сила прижима должна быть значительной, чтобы исключить дребезжание изделий. Затем через электроды пропускается ток. Электрическое сопротивление стальных изделий приводит к тому, что поверхность под электродами разогревается за считанные доли секунды до температур оплавления стали. Площадь сварной поверхности, как правило, равна площади электрических контактов.

Особенности холодной сварки

Данный вид сварки не требует разогрева поверхности и оплавления изделий. Холодая сварка осуществляется за счет деформаций в нормальных условиях, и даже в условиях минусовых температур.

Необходимо достичь возникновения металлической связи между атомами двух свариваемых изделий.

На качество сварного соединения в наибольшей степени влияет чистота поверхностей. Поэтому перед началом работ поверхности необходимо тщательно очистить от окислов и следов жира.

Процесс холодной сварки осуществляется в следующей последовательности: два металлических листа кладутся на приспособление, зачищенные участки поверхности необходимо поместить на оси пуансонов, пуансоны из износостойкой инструментальной стали сжимаются со значительным усилием, в результате чего образуется сварное соединение.