Людство дуже багатьом зобов’язана винахідникам зварювання. Видів робіт, де застосовується дана технологія, безліч: від машинобудування до будівництва. Якби не зварювання, то невідомо, на якому етапі технологічного розвитку перебували б лідери промислового виробництва, так і взагалі весь світ. Адже не будь зварювання, не було б і великих океанських суховантажів і танкерів, не було б цистерн для транспортування наливних вантажів і так далі.
З бурхливим розвитком науки і технологій розвивалася і зварювання. І сьогодні нероз’ємні з’єднання отримують безліччю різних способів. Вибір конкретної технології і обладнання залежить від безлічі факторів.
Класифікація видів зварювання
Існує величезна кількість всіляких способів здійснити з’єднання двох сталевих виробів. Сучасні технології дозволяють надійно скріплювати не тільки сталеві і металеві матеріали, але навіть пластик. Однак існує ряд видів зварювання (газової і не тільки), які знайшли широке застосування і використовуються мало не повсюдно. Критеріями класифікації зварювання можуть служити захисні середовища, в яких здійснюється процес плавлення, ступінь механізації та автоматизації зварювальних робіт, по температурних параметрах з’єднуваних поверхонь та інші.
Згідно з загальноприйнятою класифікацією видів зварювання, всі зварювальні процеси можна поділити на зварювання плавленням і зварювання тиском. Кожна з цих двох великих груп включає цілий ряд підгруп.
Види зварювання плавленням наступні: електрошлакова, газова, індукційна, лазерна, дугова (електрод може плавитися, а може і не плавитися) та іонно-плазмова. Кожен з перелічених видів має свої переваги і недоліки і має показання для застосування у конкретній галузі промисловості.
Види зварювання тиском: холодна і термомеханічна. До холодної зварюванні відноситься зварювання тертям, ультразвукове зварювання, зварювання вибухом і так зване вакуумне схоплювання. Термомеханічна в свою чергу включає в себе дифузійну зварювання, пресову зварювання (газо – і дуго-), термитную під тиском, термокомпрессионную і контактну (стикове, точкове, роликовий).
Кожен з перелічених видів зварювання металу має свої особливості. Досвідчений інженер в області зварювальних технологій здатний по виду зварного шва визначити технологію, за якою він був зроблений.
Особливості зварювання плавленням
З’єднання формується виключно за рахунок розплавлення матеріалу електрода зі зварюваними виробами. При цьому на виріб не чиниться тиск ззовні. Джерелом теплової енергії може бути електричний розряд (дуга), а також горіння газу. З’єднуються вироби частково оплавляються і утворюють загальний розплав. З пониженням температури виникає величезна кількість центрів кристалізації і розчин твердне. Таким чином, вироби надійно з’єднуються в єдину неразъемную конструкцію.
Деякі особливості термомеханічної
Даний вид зварювання здійснюється за рахунок високого тиску, сообщаемого виробів. При цьому за рахунок сил тертя, що виникають в результаті переміщення однієї деталі щодо іншої, що контактують поверхні розігріваються до дуже високих температур. Активізуються дифузійні процеси, і атоми одного виробу починають проникати в інший виріб, в результаті чого утворюється нероз’ємне зварне з’єднання.
Особливості зварювання тиском
Останнім часом даний вид зварювання металу стає популярним. Головним чином завдяки своїм широким можливостям. Зокрема, завдяки зварюванні тиском можна отримати міцне з’єднання металу з пластиком. Та й взагалі можна варити, здавалося б, зовсім несумісні матеріали (наприклад, алюміній з міддю та інші).
Це надзвичайно високотехнологічний вид зварювання. Зварні з’єднання, отримані цим методом, є досить надійними і міцними.
Зварюваність матеріалів
Зварне з’єднання можна отримати далеко не для кожної пари матеріалів. Пред’являються вимоги до хімічного складу зварюваних виробів. Так, наприклад, із зростанням змісту вуглецю в якісних конструкційних сталях, здатність до зварювання даного матеріалу різко падає. Вважається, що володіють хорошою зварюваністю сталі з вмістом вуглецю до 0,3 % включно. Якщо дана умова не виконується, то зварний шов буде мати безліч дефектів як всередині, так і зовні. Таке з’єднання буде мати низький комплект фізичних і механічних властивостей.
При зварюванні виробів з вуглецевої сталі основною проблемою є опускні і гартівні процеси, що відбуваються в зоні зварного шва. Також після зварювання спостерігаються значні залишкові деформації. Щоб мінімізувати ймовірність розтріскування поверхні зварного шва, технологія передбачає попереднє нагрівання зварюваних виробів до температур від 100 до 300 градусів. Зменшити ступінь деформації дозволить заміна одного проходу зварного шва на кілька проходів. Для зменшення залишкових напруг і нормалізації структури рекомендується проводити середній відпустку виробів при температурі 300 градусів протягом кількох годин. Точний час, необхідне для наскрізного прогріву виробів, має обчислюватися за спеціальною методикою, і залежати від маси і габаритів самого виробу, типів нагрівальних елементів в самої печі.
Стали, що містять 13 % і більше хрому, добре протистоять корозії в звичайних атмосферних умовах. Також такі стали зберігають високі механічні властивості при нагріванні до високих температур.
Матеріал дуже цінний. Особливо широко застосовується у хімічному машинобудуванні та інших галузях промисловості, де дуже важливі корозійна та жаростійкість. Але высокохромистые стали, на жаль, мають поганий зварюваністю, так при охолодженні на повітрі в районі 1000 градусів, по межах зерен випадає карбід хрому, що призводить до окрихчування матеріалу в зоні зварного з’єднання. Для боротьби з цим негативним явищем можна скористатися наступними прийомами: модифікація стали титаном, ванадієм (ці елементи перешкоджають дифузійної рухливості атомів хрому і утримують їх усередині зерна), відпал виробу при високих температурах (900 градусів) з метою вирівнювання структури стали по хімскладу, прискорене охолодження в області зварного шва.
Алюміній також відноситься до типу матеріалів з низьким показником зварюваності. Протіканню процесів перешкоджає тонка оксидна плівка, яка миттєво покриває всю поверхню при контакті алюмінію з повітрям. Тому такий вид зварювання здійснюється виключно під флюсом. Розплав флюсу розчиняє окисну плівку, що перешкоджає протіканню зварних процесів.
Електродугове зварювання
Ручне електродугове зварювання є, мабуть, найпоширенішим видом дугового зварювання. Одночасно дана технологія є найпопулярнішою і активно застосовується у всіх галузях промисловості і народного господарства.
Сутність процесу зварювання даними способом полягає в наступному. Зварювані вироби підключаються до електромережі і виступають анодом. Електрод є катодом. Коли електрод підводиться на близьку відстань до металевого виробу, то повітря пробиває електрична дуга. Це супроводжується виділенням великої кількості енергії (теплової) і електрод починає плавитися.
Запалювання дуги електричного розряду протікає наступним чином. Спочатку зварювальник швидким і відточеним рухом стосується електродом заготовки, а потім відводить електрод на невелику відстань (не більше 5 міліметрів) від металевої поверхні. Вивільнені електрони прискорюються в магнітному полі, і стикаючись з атомами газу в міжелектродному просторі, ініціюють відрив електронів (вторинна емісія). Лавиноподібне зростання носіїв заряду призводить до виникнення стійкої електричної дуги.
Температура в місці входу розряду сягає шести тисяч градусів за Цельсієм. Сила струму може регулюватися залежно від товщини і матеріалу електрода і складає 2-3 тисячі Ампер при напрузі максиму 50 Вольт. Настільки вигідні умови протікання процесу вивели дану технологію в безперечні фаворити і перетворили її на основний вид ручного дугового зварювання, що використовується на виробництві і в будівництві.
Як правило, використовуються електроди, покриті спеціальним складом. Покриття при нагріванні виділяє гази, що утворюють захисну середу зварного шва. Також елементи покриття легують розплав, покращуючи комплекс фізико-механічних властивостей зварного шва.
Зварювання під флюсом
Дана технологія є основним видом зварювання, що застосовуються на виробництві при необхідності отримувати зварні шви ідеальної якості і великої довжини. Навіть самий досвідчений зварник не здатний варити рівні шви великою довжиною.
Для захисту розплаву від окислювального впливу навколишнього середовища, на стик зварюваних виробів насипається порошок спеціального складу (флюс). При нагріванні до високих температур, запускається процес утворення захисних газів, що виключають контакт металу, нагрітого до високих температур, з повітрям.
Захист флюсом дозволяє застосовувати більш високі струми в порівнянні з ручним електродуговим зварюванням, виключаючи можливість потрапляння на зварника крапель рідкого металу. Теоретичні розрахунки показали, що струм може бути збільшений до 8 разів. Таким чином, можна домогтися вражаючої продуктивності без шкоди якості зварного шва.
При ручному зварюванні шов складається, в основному, з розплаву електрода. Шов, одержуваний автоматичної зварюванням під флюсом, виглядає більш презентабельно і складається з матеріалу електрода лише на 1/3. Весь інший обсяг займає оплавлений матеріал зварюваних виробів. Таким чином, порівняно з усіма видами ручного зварювання, автоматичне зварювання під флюсом є більш економічною (з точки зору економії витратних матеріалів) і мало не в рази більш продуктивною.
Замість електродів використовується спеціальна дріт, смотанная у котушки. Вартість дроту значно нижче вартості електродів. Дріт розмотується по мірі руху зварювального автомата по лінії зварювання і подається в зону різання спеціальним дозуючим пристроєм. По мірі просування зварювального робота, зварний шов посипається флюсом.
Особливості електрошлакового зварювання
Всі інші види зварювання та їх характеристики багато в чому поступаються цій, виникла порівняно недавно, технології. Сутність даного методу полягає в наступному. На зварювані поверхні наноситься шар шлаку, попередньо нагрітого до температури вище значень, при яких відбувається розплавлення металу.
Спочатку процес йде так само, як і при зварюванні під флюсом. Але коли утворюється рідка ванна з розплавленого шлаку, то дуга гаситься, а плавка крайок зварюваних виробів протікає за рахунок теплоти, яка виділяється при пропущенні через виробу струму. Технологія дозволяє отримувати якісні і надійні з’єднання габаритних сталевих виробів за дуже короткі проміжки часу.
В ході даного процесу поверхні виробів, які необхідно з’єднати зварюванням, повинні розташовуватися у вертикальній площині. При цьому не допускається щільний контакт поверхонь: необхідно залишити невеликий зазор, який заповнюється шлаком.
До переваг електрошлакового зварювання можна віднести велику чистоту зварного шва по всіляких включень і мікропор і високу продуктивність методу, можливість отримувати зварні шви будь-якої конфігурації і просторової форми. За запевненням фахівців в області зварювання, швидкість, принаймні, в 20 разів перевищує швидкість зварювання під флюсом.
Особливості електронно-променевого зварювання
Поверхня сталі розігрівається за рахунок інтенсивного бомбардирования електронами, що виділяється потужною гарматою. Зварювальні процеси відбуваються в откачною вакуумній камері, що позитивно позначається на якості зварних швів.
Дана технологія знайшла застосування при проведенні прецизійних зварювальних робіт (наприклад, при виробництві інтегральних мікросхем і т. д.) Пучок електронів можна фокусувати на неймовірно малу площу (до 1 мікрона), що дозволяє проводити зварку на мікро – і навіть нано – рівнях.
Плазмове зварювання
Даний вид зварювання, через дорожнечу обладнання та складності реалізації, застосовується виключно в науково-дослідних цілях. Набагато більшого поширення плазмові технології отримали в області термодифузійного насичення поверхонь металів і сплавів.
Позитивні заряди плазми (іонізованого газу) прискорюються в магнітному полі і бомбардують металеву поверхню, розігріваючи її до заданої температури. Енергія прискорення іона в магнітному полі порівнянна з енергією, якої частинка володіє при нагріванні до 20 тисяч градусів. Низькотемпературна плазма виробляється спеціальним плазмотроном.
Особливості точкового контактного зварювання
Для здійснення такої зварювання необхідно розмістити зварювані листові матеріали внапуск, і притиснути їх двома електродами з одного і з іншого боку. Сила притиску повинна бути значною, щоб виключити деренчання виробів. Потім через електроди пропускається струм. Електричне опір сталевих виробів призводить до того, що поверхня під електродами розігрівається за лічені частки секунди до температур оплавлення сталі. Площа зварної поверхні, як правило, дорівнює площі електричних контактів.
Особливості холодної зварювання
Даний вид зварювання не вимагає розігріву поверхні і оплавлення виробів. Холодая зварювання здійснюється за рахунок деформацій в нормальних умовах, і навіть в умовах мінусових температур.
Необхідно досягти виникнення металевої зв’язки між атомами двох зварюваних виробів.
На якість зварного з’єднання найбільшою мірою впливає чистота поверхонь. Тому перед початком робіт поверхню необхідно ретельно очистити від окислів і слідів жиру.
Процес холодної зварювання здійснюється в наступній послідовності: два металевих листа кладуться на пристосування, зачищені ділянки поверхні необхідно помістити на осі пуансонів, пуансони зі зносостійкої інструментальної сталі стискуються зі значним зусиллям, в результаті чого утворюється зварне з’єднання.
