Які методи зварювання металу існують?

Зварювання є технологічним процесом, за допомогою якого можна отримати нерозємне зєднання металу завдяки освіті звязку атомів.

Зварене зєднання виконується в 2 стадії. На початковому етапі треба зблизити підстави зварюється на відстань, де можуть взаємодіяти сили атомів. Звичайні метали при домашньої температурі не можна зєднати стисненням, навіть докладаючи великих зусиль. Матеріали можуть зєднатися через їх твердості. У процесі зближення контакт буде відбуватися лише в малій кількості точок, при цьому неважливо, наскільки ретельно вони будуть оброблені.

На процес зварювання впливає забруднення підстави - плівки жиру, оксиди, шари домішок атомів. У звязку з цим якісна зварювання в домашніх умовах не може бути виконана. Тому отримати фізичний контакт між сполучаються елементами по всій підставі можна за допомогою розплавлення матеріалу або за рахунок пластичних деформацій, які зявляться в результаті прикладеного тиску. На другій стадії треба буде виконати електронну взаємодію між атомами підстав, які зєднуються. Надалі підставу розділу між заготовками зникне і станеться атомна або іонний звязок металу.

Різниться 3 класу зварювання: зварювання за допомогою плавлення, тиску, а також зварювання термомеханическим способом.

Детальна класифікація способів зварювання зображується на рис. 1.

До зварювання за допомогою плавлення можна віднести види зварювання, які здійснюються плавленням без прикладається тиску. Головними джерелами теплоти під час зварювання цим способом є полумя газів, дуга зварювання, променеві енергетичні джерела і джоулево тепло. У цьому способі розплави заготовок, які зєднуються, будуть обєднані в єдину ванну зварювання. У разі охолодження станеться кристалізація розплаву в єдиний шов.

В процесі термомеханічної зварювання застосовується енергія тепла і тиск. Обєднати елементи в монолітну конструкцію можна, для чого знадобиться докласти навантаження механічним способом. Підігрів виробів при цьому зможе забезпечити необхідну пластичність елементів.

До зварювання за допомогою тиску варто віднести операції, які здійснюються в процесі механічної енергії у формі тиску. Згодом матеріал буде деформуватися і текти. Метал переміститься вздовж підстави розділу, забравши з собою шар забруднення. У безпосередній контакт вступлять нові шари матеріалу, які знаходяться під хімічним взаємодією.

Поширені способи зварювання

Механічна електродугове зварювання

Подібний метод зварювання на сьогоднішній день найбільш часто використовується під час зварювання металів. В такому випадку тепловим джерелом буде електродуги між декількома електродами, одним з них буде матеріал, який зварюється. Електродуги є розрядом великої потужності в середовищі газу.

Існує 3 стадії запалювання дуги: замикання електрода на опрацьований матеріал, відведення електрода на 4-6 мм і освіту стабільного розряду дуги. Коротке замикання виконується для того, щоб розігріти електрод до температури екзоеміссіі електронів з підвищеною інтенсивністю.

На наступному етапі електрони, які емітуються електродом, будуть набирати швидкість в електричному полі і викличуть іонізацію проміжку катод-анод, що призведе до утворення розряду дугі.Електродуга - це зосереджений джерело тепла, який має температуру до 6000 ° С. Токи зварювання досягнутий 2-3 кА в процесі напруги дуги 10-40 В. Найчастіше застосовується дугового варіант зварювання електродом з покриттям. Це механічна зварювання електродом, який покритий необхідним складом. Він має таке призначення:

1. Газова і шлаковая захист розплаву від атмосфери.
2. Легування шва металу усіма потрібними елементами.

До складу покриття входять наступні речовини:

• шлакообразующие, які призначаються для захисту оболонкою розплаву;
• речовини, які утворюють гази CO2, CH4, CCl4;
• легуючі, які покращують властивості шва;
• раскислители, які використовуються для того, щоб усунути оксиди заліза.

На рис. 2 можна побачити ручну зварку покритим електродом, де:

1. Деталі, які зварюються.
2. Шов зварювання.
3. Флюсова кірка.
4. Захист від газу.
5. Електрод.
6. Електродне покриття.
7. Ванна зварювання.

Між елементами (1) і електродом (5) буде розпалюватися дуга. Обмазка (6) в процесі розплавлення забезпечить захист шва від окислення, а також буде підвищувати його властивості за допомогою легування. Під впливом температури дуги електрод і опрацьований матеріал будуть плавитися, створюючи ванну (7), яка в майбутньому перетвориться на шов (2). Останній буде покритий флюсового кіркою, яка призначається для його захисту. Для того щоб була можливість отримати якісний шов, зварник повинен розташувати електрод під кутом приблизно 15-20 ° і переміщати його в процесі розплавлення вниз, щоб зберігати безперервну довжину дуги уздовж осі шва для заповнення обробного шва металом. Найчастіше в цьому способі кінчиком електрода виконують поперечні коливання, щоб отримати валики необхідної ширини.

Спосіб автоматичного зварювання під флюсом

Досить часто використовується автоматичний спосіб зварювання металу плавиться під флюсовим шаром. Флюс треба буде насипати на заготівлю шаром товщиною 5-6 см, в результаті цього дуга буде горіти не у вільному просторі, а в бульбашці газу, який знаходиться під флюсом, розплавленим після зварювання. Цих дій вистачить для того, щоб рідкий метал не міг розбризкується і порушувати форму шва при малих токах. У більшості випадків під час зєднання під шаром флюсу застосовується сила струму до 1000-2000 А, що при відкритій дузі зробити не вийде. Отже, в разі зварювання під флюсовим шаром є можливість збільшити струм в 5-7 разів, якщо порівнювати з зєднанням відкритою дугою. При цьому можна отримати відмінну якість зварювання з високою продуктивністю.

Під час зварювання під флюсом шов буде утворюватися завдяки розплавлення головного металу (приблизно 2/3) і завдяки металу електродів (лише 1/3). Дуга під шаром флюсу є більш стійкою, ніж у випадку з відкритою дугою. Такий спосіб зварювання може виконуватися за допомогою голого дроту електродів, яка буде вискакувати з котушки в зону згоряння дуги головою автомата, що переходить по шву. У передній частині голови по трубі в обробний шов буде проникати флюс з зернами, який розплавляється під час зварювання і поступово покриває шов, в результаті чого можна отримати тверду кірку шлаку.

Автоматичний спосіб зварювання під флюсом відрізняється від механічної зварювання наступним: в першому випадку вийде відмінна якість швів, підвищений рівень продуктивності, товщина шару флюсу в 5-6 см, сила струму - 1000-1100 А, можливість автоматично підтримувати потрібну довжину дуги.

Електрошлаковий спосіб зварювання

Електрошлакове зварювання - це принципово новий спосіб зєднання металу. Сполучаються заготовки будуть покриватися шлаком, який повинен нагрітися до температури, більшої температури наплавлення металу і дроту електрода.

Перша стадія практично нічим не відрізняється від процесу дугового зварювання під флюсовим шаром. Після появи ванни з рідкого шлаку горіння дуги припиниться, після чого оплавлення кромок заготовки буде відбуватись завдяки теплу, що виділяється під час проходження струму через розплав. Електрошлаковий спосіб зварювання дає можливість зварювати шматки металу великих розмірів за один раз, може забезпечити високий рівень продуктивності. Використовуючи цей метод, можна отримати шви високої якості.

Схему шлаковой зварювання можна побачити на рис. 3, де:

1. Деталі, які зварюються.
2. Шов.
3. Розплавлений шлак.
4. Повзунки.
5. Електрод.

Деталі знадобиться розташувати вертикально. Їх кромки теж розміщуються вертикально або під нахилом менше 30 ° до вертикалі. Між робочою елементами потрібно встановити зазор невеликих розмірів, в який насипається порошок шлаку. Насамперед знадобиться запалити дугу між електродом (5) і планкою з металу, яка встановлюється в нижній частині. Дуга розплавить флюс, який заповнить простір між крайками зварювальних елементів і мідними повзунками (4). Повзунки охолоджуються водою. З розплавленого флюсу виникне ванна шлаків (3). Після цього дуга буде шунтуватися, потім згасне. У процесі цієї дії планка електродуги перейде в електрошлаковий процес.

При проходженні струму через шлак буде утворюватися джоулево тепло. Ванна шлаків нагріється до температури 1500-1700 ° С, яка перевищує температуру плавлення головного іелектродного металів. Шлаки зможе розплавити кромки зєднувальних елементів і електрод, який занурюється у ванну шлаків. Розплавлений метал почне стікати на дно ванни, в результаті чого вийде зварювальний ванна. Ванна шлаків буде повністю захищати ванну зварювання від атмосфери. Після того як джерело тепла буде видалений, метал ванни почне кристалізуватися. Утворився шов покриється шлаковой скоринкою, товщина якої дорівнює 2 мм.

Є можливість отримати хорошу якість шва при електрошлаковій способі зварювання. Слід зазначити головні переваги такого методу:

1. Бульбашки газу, шлак і легкі домішки будуть видалені з зварювальної поверхні в звязку з вертикальним розміщенням апарату для зварювання.
2. Велика щільність шва.
3. Шов менше піддається утворенню тріщин.
4. Можливість отримання швів складної конфігурації.
5. Цей метод зварювання найбільше підходить для зєднання великогабаритних заготовок.
6. При великій товщині матеріалу продуктивність зварювання електрошлаковим способом практично в 20 разів перевищує показник зварювання під флюсовим шаром.

Електронно-променевої і плазмовий методи зварювання

У подібному способі в якості джерела тепла використовується звязка електронів великої потужності з енергією в декілька десятків кілоелектронвольт. Швидкі електрони потрапляють в метал, після чого віддають власну енергію електронів і атомів елемента, внаслідок чого викликається інтенсивний розігрів металу до температури плавлення. Зварювання виробляється в вакуумі, за рахунок чого виходить шов високої якості.

Електронний промінь може бути сфокусований до малих розмірів, тому така технологія найбільше підходить для зварювання елементів невеликих розмірів.

У випадку з плазмової зварюванням енергетичним джерелом для нагріву металу буде служити іонізований газ. В цьому випадку будуть присутні електрично заряджені елементи, тому плазма буде чутлива до впливу електричного поля. У полях подібного типу електрони та іони будуть прискорюватися, тобто підвищувати власну енергію. При цьому способі зварювання використовуються дугові і плазмотрони з високими частотами. Щоб зварювати метали, потрібно застосовувати плазмотрони прямої дії. У камері газ буде розігріватися вихровими струмами, які створюються струмами індуктора високих частот. В даному випадку електродів не буде, тому плазма є чистою. Факел подібної плазми може застосовуватися для зварювального виробництва.

Дифузійний і контактний електричний способи зварювання

Метод грунтується на взаємній дифузії атомів в шарах, що зєднуються. Висока здатність дифузії атомів досягається завдяки нагріванню до температури, наближеної до температури плавлення. У камері буде відсутній повітря, тому виключається утворення плівки оксидів, яка запобігає дифузії. Хороший контакт між зєднаннями матеріалами може бути забезпечений за допомогою ручної обробки до максимальної чистоти. Зусилля стискання, яке потрібно для того, щоб збільшити площу дійсного контакту, становить приблизно 10-20 МПа.

Технологія зварювання таким способом полягає в наступному. Сполучаються матеріали поміщаються в камеру з вакууму і стискаються механічними зусиллями. Далі матеріали треба нагріти струмом і витримати деякий час при необхідній температурі. Дифузійний метод використовується для того, щоб зєднувати проблемні матеріали: сталь, чавун, вольфрам і т.д.

У процесі електричного зварювання методом контакту нагрів буде здійснюватися за рахунок проходження електричного струму через поверхню зварювання. Матеріали, які нагріваються електрострумом до плавлення, механічно стискаються або осаджуються, завдяки чому може бути забезпечено хімічну взаємодію атомів матеріалу. Це ефективний метод зварювання, його легко можна автоматизувати або механізувати, в звязку з чим спосіб широко використовується в будівництві та будову машин. За формою вироблених зєднань різниться 3 види зварювання контактом: стиковий, роликовий і точковий.

Стикового метод зварювання

У цьому методі зєднання зварювальних елементів відбуватиметься на підставі стикуються торцевих частин. Заготовки затискаються в електродах, після чого притискаються одна до іншої сполучаються підставами і пропускається зварювальний струм. За допомогою цього методу можна зварювати смужки металу, труби, стрижні і т.д. Є 2 варіанти стикового зварювання:

1. Опором. У стику відбудеться деформація, а при зєднанні матеріал плавитися не буде.
2. Опалювальному. Зіткнення металів відбувається по певних точках контакту невеликих розмірів, через які буде проходити щільний струм, який викликає оплавлення матеріалів. За рахунок оплавлення в торцевій частині зявиться шар рідкого металу, який з забрудненнями і окисної плівкою в процесі опади видавлюватиметься з стику.

Шовний метод зєднання металів

Зварювання елементів проводиться внахлест обертаючими електродами, згодом утворюється безперервний або переривчастий шов. Безперервне зєднання можна отримати за рахунок поетапного перекриття точок один з одним. Щоб отримати герметичний шов, точки потрібно перекрити мінімум на 1/2 їх діаметра.

Шовний метод зєднання використовується в процесі масового виготовлення посудин різних типів. Зусилля стиснення зєднуються може бути до 0,6 т.

Існує досить велика кількість різних методів зварювання, кожен з яких має свої особливості. Вибирати потрібно виходячи з особистих потреб і можливостей.

Увага, тільки СЬОГОДНІ!