Сварные соединения

Сварные соединения

В машиностроении сварку наиболее широко применяют для изготовления конструкций из листового проката (резервуары, емкости, бункера, отсеки, обшивки, облицовки и т. д.), из труб и профильного проката (рамные конструкции, фермы, колонны, стойки и т. д.). В последнее время сварными выполняют корпусные и базовые детали, в том числе наиболее массивные и напряженные в силовом отношении (например, станины прессов и молотов). Для упрощения изготовления часто выгоднее расчленять сложные штамповки и отливки на отдельные, более простые части и соединять их сваркой (сварно-штампованные к сварно-литые конструкции).

В единичном и мелкосерийном производстве сварные конструкции применяют взамен цельноштампованных, когда изготовление штампов не оправдано масштабами производства, а также для удешевления производства деталей сложной формы.

Хорошо свариваются низкоуглеродистые стали (<0,25% С), низколегированные стали с низким содержанием С и никелевые стали. Сварка высокоуглеродистых, средне- и высоколегированных сталей представляет известные трудности.

Сварка цветных металлов (медные и алюминиевые сплавы) затруднительна из-за высокой теплопроводности, легкой окисляемости (образование тугоплавких оксидных пленок) и требует применения флюсов.

Прочность сварных швов ниже прочности целого материала вследствие литой структуры шва с характерными для литого металла дендритными и столбчатыми кристаллитами. В смежных со сварным швом участках материала, в зоне термического влияния сварки, образуется крупнокристаллическая структура.

Прочность и вязкость материала сварного шва снижаются в результате попадания шлаков, образования пор и газовых пузырьков, а также от химических и структурных изменений в материале шва (выгорание легирующих элементов, образование карбидов, оксидов в нитридов). Насыщение материала шва азотом воздуха даже в небольших количествах вызывает резкое снижение пластичности (рис. 1) и охрупчивание шва.

Влияние азота на механические свойства низкоуглеродистой стали

В сварном шве и околошовной зоне возникают внутренние напряжения, обусловленные усадкой материала при остывании и вызывающие коробление изделия.

Снижение прочности невелико в изделиях из низкоуглеродистых сталей (пластичность которых предотвращает появление внутренних напряжений) и не имеет большого значения в конструкциях, работающих при статической нагрузке и умеренных напряжениях, но ощутимо в циклически нагруженных конструкциях, особенно из высокопрочных сталей, чувствительных к концентрации напряжений.

Влияние сварных швов на циклическую прочность характеризует график (рис. 2) сравнительных испытаний целого цилиндрического образца из низколегированной стали (кривая 1) и образца из той же стали с V-образным кольцевым сварным швом (кривая 2). Наличие шва снижает предел выносливости более чем в 2 раза (с 200 до 90 МПа). Напряжение 150 МПа, безопасное для целого образца, вызывает разрушение сварного образца уже при 3·105 циклов нагружения.

Кривые усталости образцов

Для предотвращения химических изменений в материале шва сварку производят под расплавленными флюсами или в атмосфере нейтральных и восстановительных газов.

Сварка вызывает поводку изделий, тем более сильную, чем больше зона термического влияния сварки (газовая сварка) и чем больше протяженность и сечение швов. Поводку предотвращают сваркой изделий в жестких приспособлениях особыми приемами наложения шва (прерывистые, многослойные, многопроходные швы, ступенчатая, обратноступенчатая сварка). Снимает поводку стабилизирующая термообработка после сварки (низкий отжиг при 600—650 °С).

Механические качества сварных соединений зависят от технологии и режима сварки и при ручной сварке во многом определяются квалификацией сварщика. При недостаточно тщательном проведении сварки и при неправильном выборе режима сварки возникают дефекты, нарушающие сплошность шва и снижающие его прочность.

Для сварных соединений ручной сварки характерно рассеяние прочностных характеристик в пределах одного и того же шва, изделия и партии изделий.

Ответственные сварные соединения контролируют с помощью методов магнито-, рентгено- и гаммаграфирования. Наиболее чувствителен и точен ультразвуковой контроль.

Большие партии сварных изделий подвергают выборочному контролю путем вырезки образцов, проведения технологических проб (на растяжение, изгиб, сплющивание), исследования микроструктуры и химического состава материала шва. Обзор основных видов сварки приведен в табл. 1.

1. Основные виды сварки
Схема сварки Характеристика

Дуговая ручная

Svarnye soedinenija 3 1

Наиболее распространенный и универсальный способ сварки. Осуществляется дугой, горящей между плавящимся металлическим электродом 1 и основным металлом (зависимая дуга) (эскиз а).

Для защиты шва от окисления применяют толстопокрытые электроды с обмазкой, выделяющей при горении дуги жидкие шлаки и восстановительные газы (СО; Н2).

Сварку угольными электродами зависимой (эскиз б) или независимой (эскиз в) дугой с присадочными прутками 2 применяют ограниченно, преимущественно для сварки тонкостенных изделий из цветных сплавов.

Более широко применяют угольные электроды для дуговой резки (особенно, легированных сталей).

Автоматическая дуговая под флюсом

Svarnye soedinenija 3 2

Применяют при больших масштабах производства для соединения деталей прямыми и круговыми швами. Сварку ведут под флюсом; электродом служит голая сварочная проволока 1.

Производительность процесса в 5—10 раз больше, чем при ручной дуговой сварке. Качество шва высокое.

Для наложения фигурных (в плане), коротких и разбросанных швов применяют шланговые полуавтоматы с подачей сварочной проволоки по гибким шлангам.

В защитных газах

Svarnye soedinenija 3 3

Производится плавящимися (эскиз а) или неплавящимися (вольфрамовыми) (эскиз б) электродами в струе нейтральных газов (аргон, гелий).

Способ применяют для соединения деталей из высоколегированных сталей, титановых, никелевых, алюминиевых и магниевых сплавов.

Для сварки углеродистых сталей используют более дешевый углекислый газ.

Атомно-водородная

Svarnye soedinenija 3 4

Ведется независимой дугой неплавящимися электроламп в струе водорода, который, будучи активным восстановителем, эффективно предупреждает окисление шва.

Электрошлаковая

Svarnye soedinenija 3 5

Служит для соединения массивных заготовок (корпусные детали крупных машин, резервуары высокого давления). Шов формируется в зазоре между соединяемыми деталями за счет плавления пластинчатых электродов 1 под слоем синтетических шлаков. Вытекание жидкого металла и шлаков из зазора предупреждают с помощью водоохлаждаемых ползунов или керамических обкладок 2.

Контактная

Svarnye soedinenija 3 6

Сварку встык сопротивлением (эскиз а) применяют для соединения деталей небольших сечений. Торцы деталей сжимают гидравлическим прессом и включают ток, доводя металл на стыке до пластичного состояния.

При сварке оплавлением сначала сжимают стык небольшой силой и включают ток, в результате чего на стыке возникает большое число микродуг, расплавляющих металл (эскиз б).

После оплавления стык сжимают гидравлическим прессом (эскиз в). Сварку оплавлением применяют для соединения деталей больших сечений, а также деталей из разнородных материалов.

При точечной сварке нахлесточных соединений (эскиз г) листы пропускают между неподвижным 1 и подвижным 2 электродами, которые периодически сжимают листы, образуя точечный шов.

Для прочноплотных нахлесточных соединений применяют шовную сварку роликовыми электродами 3 (эскиз д).

Тонкие листы присоединяют к массивным деталям с помощью рельефной сварки. На листе предварительно выштамповывают зиги или пуклевки (эскиз е). Детали сжимают между медными электродными плитами, в результате чего происходит оплавление и сварка рельефов.

Ацетилено-кислородная

Svarnye soedinenija 3 7

Производится в восстановительном пламени инфекционной горелки. Присадочным материалом служат проволока и прутки из металла, близкого по химическому составу к металлу свариваемых деталей.

Качество соединения ниже, чем при дуговой сварке. Ацетилено-кислородную сварку используют преимущественно для соединения деталей из углеродистых сталей в мелкосерийном производстве, а также в полевых условиях.

Широко применяют ацетилено-кислородную резку, отличающуюся большой производительностью и более высоким качеством реза, чем дуговая резка.

Газопрессовая

Svarnye soedinenija 3 8

Соединяемые кромки нагревают кислородно-ацетиленовым пламенем и сдавливают с помощью осадочного механизма. Способ широко применяют для сварки магистральных труб в полевых условиях с нагревом стыка кольцеобразно расположенными горелками.

Термитная

Svarnye soedinenija 3 9

Способ применяют преимущественно для сварки конструкций в полевых условиях.

Источником теплоты является экзотермическая реакция восстановления оксидов железа алюминием (алюминиевые термиты). Зачищенный стык свариваемых деталей заключают в разъемную керамическую форму 1 (эскиз а) с термитом, который поджигают фосфорным запалом. В результате реакции образуются оксид алюминия, всплывающий в виде шлака, и расплавленное железо, заполняющее зазор в стыке. Сварку довершают сжатием стыка.

Более совершенный способ — сжигание термита в отдельной форме 2 и заливка стыка расплавленным железом (эскиз б).

Для соединения линий воздушных передач применяют муфельную сварку магниевым термитом (смесь оксидов железа с магнием).

Концы проводов вводят в муфель 1 (эскиз в) и сдавливают винтовым зажимом.

Трением

Svarnye soedinenija 3 10

Осуществляется теплотой, выделяющейся при вращении одной из свариваемых деталей (1) относительно неподвижной другой (2) под осевой силой. Способ применяют для сварки встык мелких деталей, преимущественно цилиндрических.

Взрывом

Svarnye soedinenija 3 11

Применяют для присоединения тонких листов к массивным (плакирование стали медью, латунью, титановыми сплавами и др.). На поверхность свариваемых деталей 1, 2 укладывают слой взрывчатого вещества 3 (аммонит) и взрывают детонатором. Под давлением взрыва лист прочно соединяется с основным материалом.

Печная

Svarnye soedinenija 3 12

Применяют для соединения деталей на цилиндрических поясах (присоединение фланцев к трубам, соединение труб в рамных конструкциях).

На стыке соединяемых деталей укладывают бронзовое или латунное кольцо 1 (эскиз а) или смазывают стык пастой из порошкообразной бронзы и флюса (эскиз б). Подготовленные изделия нагревают в электропечи в восстановительной атмосфере (природные газы) до температуры 1100—1150 °С.

Холодная прессовая

Svarnye soedinenija 3 13

Применяют для соединения пластичных металлов (Сu; Ni; Al; Zn; Cd и др.). Зачищенные и обезжиренные стыковые поверхности (эскиз а) сжимают давлением, превосходящим предел текучести материала. В результате диффузионная и рекристаллизационных процессов, происходящих в зоне сжатия, поверхности прочно соединяются.

Соединения внахлестку сваривают нажатием пуансонами круглого или прямоугольного сечения (точечная сварка, эскиз б) или прокатыванием роликами (роликовая сварка, эскиз в). Детали из цветных металлов (контакты, седла) приваривают к стальным деталям путем запрессовки в конические гнезда.

Индукционная

Svarnye soedinenija 3 14

Производится нагревом соединяемых кромок с помощью индуктора 1 (эскиз а), через который пропускают ток высокой частоты (5—20 кГц) с последующим сжатием кромок осадочным механизмом.

При дугоконтактной сварке труб торцы труб нагревают токами противоположного направления с помощью индукторов 2, 3 (эскиз б). Под действием наведенных токов на стыке образуется быстровращающаяся кольцевая дуга, расплавляющая металл. Сварку завершают сжатием стыка.

Индукционную сварку широко применяют в автоматизированном производстве труб (эскиз в). Скатанную в трубу заготовку пропускают через индуктор 4, нагревающий стык, и сдавливают кромки трубы.

Диффузионная

Svarnye soedinenija 3 15

Стык свариваемых деталей 2, 4 нагревают индуктором 3 и сжимают плунжером 1 в камере с глубоким вакуумом (10—5—10—8 мм рт. ст.) или в атмосфере нейтральных газов (аргон, гелий).

Для надежного соединения достаточен нагрев до 750—800 °С.

Сварке этим способом поддаются тугоплавкие, жаропрочные сплавы, металлокерамика, керамика. Для сварки тонких деталей из медных, алюминиевых и никелевых сплавов, а также коррозионностойких сталей применяют токи радиочастотного диапазона (50—200 кГц).

Электронно-лучевая

Svarnye soedinenija 3 16

Осуществляется в вакууме потоком электронов, испускаемых вольфрамовой спиралью 1, питаемой током высокого напряжения (250 кВ), и проходящих через кольцевой анод 2. Поток электронов фокусируют с помощью собирательных электромагнитных катушек 3. Температура в фокусе от 3000 до 10000 °С, пятно нагрева от нескольких сотых миллиметра до 2—3 мм.

Этим способом можно сваривать детали толщиной от нескольких десятков миллиметров до нескольких микрометров, расположенные в замкнутых объемах (сосуды, оболочки), проницаемых для электронных лучей.

Плазменно-лучевая

Svarnye soedinenija 3 17

Производится струей нейтрального газа (азот, гелий, аргон), ионизированного при пропускании через электрическую дугу, горящую между вольфрамовым электродом 1 и водоохлаждаемым медным соплом 2. Температура по оси струи 15000—18000 °С.

В плазмотронных сварочных аппаратах газ ионизируют с помощью высокочастотного электромагнитного поля, струю плазмы формируют с помощью электромагнитных катушек. Температура струи до 40000 °С.

Плазменно-лучевой сваркой можно сваривать и резать наиболее тугоплавкие материалы (включая керамику).

Ультразвуковая

Svarnye soedinenija 3 18

Ультразвуковую сварку (частота колебаний 20—30 кГц) применяют для соединения цветных металлов и пластиков. Детали сжимают вибрирующим зажимом 1, соединенным волноводом 2 с магнитострикционным генератором колебаний 3. Высокочастотные колебания вызывают нагрев стыка и диффузионное взаимопроникновение атомов соединяемых материалов.

В радиоэлектронике ультразвуковую сварку используют для соединения деталей толщиной до нескольких микрометров.

Лазерная

Svarnye soedinenija 3 19

Осуществляется концентрированным световым лучом, создаваемым лазером 1 (рубиновый кристалл, неодимовое стекло). Температура оси луча до 10000 °С; пятно нагрева от нескольких микрометров до нескольких сотых миллиметра.

В радиоэлектронике лазерную сварку применяют для соединения деталей толщиной до нескольких микрометров.