Виды и технологии сварочных работ

Технология дуговой сварки стали

Что такое дуга и как она создаётся? Для образования дуги необходимо, чтобы между двумя точками существовала определённая разность электрических потенциалов. На одном конце должен иметься избыток электронов (отрицательно заряженных элементарных частиц внутри атомной оболочки), и, следовательно, отрицательный заряд. С другой стороны, находится положительно заряженный электрод, на котором электронов значительно меньше. Эта разница генерирует напряжение.

В результате постепенного повышения разности потенциалов происходит явление, известное как пробой диэлектрика. Он состоится, когда физические силы попытаются уравновесить разницу между зарядами. Создается электропроводящий канал, в котором тепло и высокое напряжение ионизируют газ между полюсами, образуя электропроводящую плазму. По такому плазменному каналу может течь только ток. В зависимости от типа источника питания пробой может происходить в виде искры или вспышки. Такой разряд погаснет так быстро, как только выравнивается разница в уровне зарядов. Но в качестве альтернативы он сможет продолжать гореть длительное время как дуга.

При высоких уровнях энергия, попадающая в газ и выделяемое вследствие этого тепло, заставляют частицы газа ионизироваться. Во время этого процесса электроны удаляются из нейтральных атомов, оставляя после себя положительно заряженные ионов и отрицательно заряженные электроны. Эта смесь заряженных и нейтральных частиц называется плазмой.

В отличие от газов, плазма электропроводна, так как свободные носители заряда могут переносить ток. Когда свободные электроны сталкиваются и соединяются с ионами, энергия, которую они поглощали ранее, снова высвобождается в виде света – плазменного токопроводящего столба. Температура внутри него находится в пределах 5000… 16000 ⁰С, чего вполне достаточно для расплавления любого металла.

Технология сварочных работ определяется механизмом получения тепловой мощности в столбе дуги.

Газовая

В случае газовой дуговой сварки (в специализированной англоязычной литературе этот способ обычно обозначается аббревиатурой GMAW) полярность сварочного электрода положительная, основного (свариваемого) материала - отрицательна.

Газовая сварка может быть реализована в двух вариантах: в среде инертного газа (MIG) и в среде активного газа (MAG). В обоих случаях используется тепло, создаваемое электрической дугой постоянного тока между плавящимся металлическим электродом и заготовкой, но условия горения дуги - различные. После расплавления металла образуется сварочная ванна. По окончании процесса сварки металл соединяемых деталей, которые полностью погружены в расплав, застывает, образуя прочное неразъёмное соединение.

Тепло для осуществления газовой сварки создаётся за счёт образования дуги между плавящимся металлическим электродом и заготовкой; электрод плавится, образуя сварной валик. Металлический электрод представляет собой проволоку небольшого диаметра, пропускаемую через контактный наконечник от катушки подачи, а защитный газ подаётся через сварочную горелку. Процесс имеет две разновидности, которые будут рассмотрены далее.

В сварочных технологиях MIG и MAG используются газовые баллоны, где содержится защитный газ и совместимые присадочные материалы. Например, для сварки алюминия следует использовать алюминиевую проволоку, тогда как для сварки стали потребуется подходящая стальная присадочная проволока.

Газовая сварка в инертном газе (или в смеси таких газов) представляет собой процесс, при котором между плавящимся проволочным электродом и заготовкой образуется электрическая дуга. Для сварки MIG цветных металлов, в частности, алюминия, в качестве защитных газов применяют аргон и гелий.

Технология сварочного производства методом MAG состоит в том, что между плавящимся проволочным электродом и соединяемым материалом электрическая дуга создаётся в активном защитном газе. Такие газы представляют собой смеси двуокиси углерода, аргона и кислорода. Состав защитного газа оказывает значительное влияние на стабильность дуга, перенос металла и степень разбрызгивания частиц свариваемого металла. Защитный газ также влияет на поведение сварочной ванны (особенно на степень проплавления) и на механические свойства сварного соединения.

Полуавтоматическая

Полуавтоматическая сварка представляет собой ручную сварка с использованием оборудования, которое автоматически регулирует один или несколько режимов сварки. Сварщик манипулирует сварочным пистолетом для создания сварного шва, в то время как электрод автоматически подаётся в зону возбуждения разряда с применением устройств подачи, которые иногда называют сварочными тракторами.

В состав оборудования для полуавтоматической сварки входят:

1. Сварочный манипулятор - устройство, которое используется для точного подъёма и фиксации свариваемых изделий. Предназначается для безопасного перемещения заготовки в требуемом направлении.
2. Сварочный ротатор, который необходим при сварке цилиндрических сосудов. Он может вращаться и удерживать тяжёлые цилиндрические детали на месте.
3. Сварочный позиционер, предназначенный для наклона и вращения заготовок, при этом сварщик стоит в одном положении и работает на ровной поверхности. Это предотвращает усталость оператора из-за отсутствия лишних движений.
4. Сварочный аппарат.
5. Электрододержатель, через который к электроду подводится электрический ток. Размер электрододержателя должен соответствовать длине кабеля и силе тока на выходе сварочного аппарата.
6. Сварочный электрод и кабели, необходимые для подводая тока, идущего от источника питания через электрододержатель, дугу, заготовку, а затем обратно к источнику. Электроды бывают двух типов - расходуемые и неплавящиеся.
7. Сварочный пистолет, который подаёт электродную проволоку и защитный газ к сварочной ванне.

Все прочие компоненты сварочного поста такие же, как и при ручной сварке.

Автоматическая

Современная сварочная технология исходит из того, что, как процесс повышенной опасности, сварка должна исключать (или минимизировать) участие человека в выполнении каких-либо операций.

При автоматической сварке присутствуют большинство вышеперечисленных компонентов, с дополнительным наличием контрольно-следящих систем. В результате от оператора требуется лишь периодического наблюдение за качеством готового сварного шва, а необходимость в ручной регулировке или подналадке органов управления оборудованием отсутствует. При этом типе сварки сварщик запускает аппарат и отслеживает дефекты или проблемы, требующие исправления.

Высшим уровнем автоматической сварки считается роботизированная, когда процесс полностью выполняется и контролируется роботизированным оборудованием. Основная функция оператора в таких условиях - поддерживать контроль качества и устранять любые отклонения от технологических параметров. Этот вид сварки более всего распространён в сборочных цехах автомобилестроительных предприятий.

Технология ТИГ

В процессе ТИГ ток протекает между вольфрамовым неплавящимся электродом с отрицательной полярностью и деталью с положительной полярностью.

Сварка вольфрамовым электродом в среде инертного газа (TIG-сварка) относится к числу наиболее востребованных способов получения сварных соединений. Во многом это связано с её пригодностью для сварки множества разных металлов универсальностью, хорошим качеством сварного шва и, следовательно, минимальными требованиями к его последующей отделке.

Сварка TIG считается разновидностью дуговой сварки металлическим электродом в газе (GMAW). Она не является самый простым и дешёвым способом, тем не менее обладает многими производственными достоинствами.

В отличие от плавящейся электродной проволоки при сварке MIG, высокая (около 3422 °C) температура плавления вольфрамовых электродов означает, что они практически не будут расходоваться во время сварки. Вместо этого тепло дуги, возбуждаемой между электродом и изделием направляется исключительно на основной металл. В то же время (за исключением автогенного шва, например, временного, для прихватки металла) дуга расплавляет специальный сварочный пруток из присадочного металла. Этот металл позволяет сформировать валик сварного шва.

Сварочная ванна защищается инертным защитным газом. Обычно это аргон или смесь аргона, хотя опытные сварщики TIG могут использовать и гелий, который при определённых обстоятельствах ускоряет процесс. Защитный газ подается по трубопроводу от сварочного аппарата к горелке TIG, в которой закреплён вольфрамовый электрод.

При использовании сварочного аппарата TIG необходимо координировать взаимодействие ручной горелки TIG с присадочным стержнем, а также изменять силу электрического тока. Это усложняет процесс ТИГ.

Электрошлаковая

Представляет собой комбинацию дуговой и контактной сварки. Дуга создаётся в самом начале процесса, а сварной шов образуется за счет сопротивления, обеспечиваемого используемым флюсом. Электрошлаковая сварка используется для неразъёмного соединения габаритных (диаметром от 30 до 300 мм) металлических деталей. Является однопроходным процессом, поэтому отличается высокой производительностью.

Устройство для электрошлаковой сварки включает базовую пластину, действующую как положительный электрод и присадочную проволоку, которая является отрицательным электродом. Соединяемые детали удерживаются на опорной плите. Присадочная проволока вставляется в полость сверху перпендикулярно опорной плите. С помощью бункера в зону обработки подаётся флюс. Для направления присадочной проволоки используется специальная втулка.

Электронно-лучевая

Все виды сварки, описанные выше, для создания необходимой плотности тепловой мощности использовали электрическую дугу. При электронно-лучевом способе генератором теплового луча является лазер. Процесс выполняется в вакууме и характеризуется минимальной деформацией места соединения.

Когда катод в вакууме нагревается нитью накала, она излучает электроны. Испускаемые электроны ускоряются под действием напряжения, сводятся электромагнитной катушкой, и при столкновении с основным материалом выделяют высокую тепловую энергию. При этом тепло, прикладываемое к области вокруг сварного шва, невелико, что позволяет выполнять сварку с меньшими искажениями.

Управление выходом электронного луча позволяет регулировать глубину прогрева, что используется для сварки металлов с высокой температурой плавления (например, вольфрама), а также активных металлов, которые могут окисляться во время сварки (например, титана).

Разновидностью данной технологии является запечатывание электронного луча, которое применяется в электронных компонентах для герметизации кварцевых генераторов. Соединение происходит плавлением присадочного материала между металлической крышкой и керамической упаковкой за счет теплопроводности, индуцированной электронным лучом.

Диффузионная

Представляет собой технологию, в которой используется эффект твердотельной диффузии, что позволяет соединять металлы между собой. Этот метод обычно реализуется при температуре от 50 до 70% от температуры плавления материалов. После достижения такой температуры к материалам прилагается высокое давление, ускоряющее процесс диффузионного связывания.

Когда диффузионное соединение выполняется на двух материалах с аналогичной кристаллической структурой, они плотно прижимаются поверхностями друг к другу и оставляются в таком положении на несколько часов.. Металлические поверхности необходимо обработать так, чтобы они имели минимальную шероховатость и были свободны от загрязнений и химических примесей.

Поскольку диффузионные процессы интенсифицируются при повышенных температурах, то детали нагреваются в электрических или пламенных печах. Для достижения необходимого давления используются гидравлические прессы. Если изменение температуры нежелательно, то используют эффект дифференцированного теплового расширения.

При использовании металлов с прочными оксидными слоями диффузионное связывание должно происходить в вакууме или среде инертного газа.

Контактная

Может быть реализована двумя способами – электросопротивлением или механическим давлением. В первом случае используется сварочная головка, удерживающая металл между электродами (с приложением давления), и источник тока, который подает ток в зону сварного шва.

При механическом способе тепло создаётся трением между соединяемыми деталями. Это тепло генерируется парой вращающихся роликов, которые с усилием прокатываются по линии соединения.