История и развитие сварочного производства

Сварка в защитных газах неплавящимся электродом имеет много разновидностей, одна из которых, например, называется сваркой пульсирующей дугой или импульсно-дуговой сваркой.

При сварке пульсирующей дугой, разработанной в СССР в 1961 г. (авторы А.В. Петров, Г.А. Славин), ток дуги пульсирует от минимума во время паузы до максимума во время импульса. Такое питание дуги током позволяет выполнять сварку весьма тонких элементов со швами, расположенными в различных пространственных положениях, а также управлять процессом кристаллизации металла шва с целью получения высокого их качества.

Чаще всего сварка неплавящимся электродом в инертных газах применяется при изготовлении изделий из алюминия, магния и их сплавов, сплавов на основе никеля, некоторых специальных сталей. Для сварки особо активных и тугоплавких металлов, таких как титан, молибден, ниобий, тантал, цирконий и других, требуется защита от контакта с воздухом не только самой сварочной ванны, но и значительной части прилегающего к ней по обе стороны нерасплавленного металла, нагреваемого до высоких температур, при которых эти участки могут взаимодействовать с воздухом и приобретать плохие свойства. В этом случае, в зависимости от степени ответственности изделия, прибегают к использованию специальных защитных кожухов -- небольших передвижных камер или более совершенных камер с контролируемой атмосферой, обитаемых камер, в которых и осуществляется сварка.

Сварка в защитных газах плавящимся электродом намного опережает по объему применения сварку неплавящимся электродом (примерно 90 % объема -- сварка плавящимся электродом).

При сварке плавящимся электродом дуга возбуждается между изделием и электродом, который по мере расплавления подается в зону дуги специальными подающими роликами (рис. 2.7, б). Область использования плавящегося электрода в защитном инертном газе примерно такая же, что и при сварке вольфрамовым электродом, -- получение швов различной протяженности и конфигурации на изделиях из цветных металлов, высоколегированных сталей, титановых сплавов и др. И в этом случае успешно применяется импульсно-дуговая сварка, позволяющая получать сварные соединения не только в нижнем, но и в вертикальном и потолочном положениях. В Институте электросварки им. Е.О. Патона создано несколько разновидностей этого процесса.

Из активных защитных газов наиболее широко применяют для сварки плавящимся электродом углекислый газ, использование которого вначале было безуспешным. Б чем же причины первых неудач по использованию углекислого газа в качестве защитной среды? Б зоне горения дуги углекислый газ, оттесняя воздух, вместе с тем является активным окислителем, так как под действием высокой температуры дуги легко распадается на окись углерода (СО) по реакции:

Поэтому при сварке в такой среде углеродистой стали в жидком металле сварочной ванны протекает окисление ряда важных элементов, входящих в состав стали и определяющих ее свойства, таких как кремний, марганец, углерод. Окисление кремния и марганца создает пленку шлака на поверхности металла; при окислении же углерода в металле образуются пузырьки окиси углерода СО, которые частью успевают покинуть затвердевающий металл ванны, а частью остаются в нем, являясь причиной пор в шве.

Оказалось, что если в сварочную ванну внести дополнительные порции кремния и марганца, они, будучи сильными раскислителями, затормаживают взаимодействие углерода с кислородом, а значит и газообразование, вызывающее пористость швов.

Вот почему, установив это, К.В. Любавский и Н.М. Новожилов (ЦНИИТМАШ) предложили вместо обычной бескремнистой маломарганцовистой сварочной проволоки применять для сварки в специальную кремнемарганцовистую проволоку, обеспечивающую внесение в жидкий металл достаточных количеств кремния и марганца, необходимых для получения качественных сварных швов.

Разновидностями этого процесса, успешно применяемыми в промышленности, повышающими экономическую эффективность сварки, следует назвать сварку электрозаклепками (ЦНИИТМАШ), сварку с принудительным формированием вертикальных швов (Институт электросварки им. Е.О. Патона), сварку с добавками к углекислому газу кислорода (до 30 %), а также инертных газов, повышающих устойчивость горения дуги, проплавляемость металла, улучшающих внешний вид швов и пр.

Для сварки плавящимся электродом создана большая группа полуавтоматов и автоматов. Полуавтоматы шланговые имеют механизм подачи проволоки толкающего, тянущего или смешанного типа. Полуавтоматы отличаются портативностью, легкостью -- в отличие от предназначенных для сварки под флюсом. Новые образцы полуавтоматов для сварки плавящимся электродом разрабатываются с целью обеспечения большей устойчивости процесса сварки за счет лучшей стабилизации скорости подачи проволоки, а также максимального повышения надежности в работе небольших по размерам и легких горелок.

В последнее десятилетие отмечается заметное расширение объема применения сварки в защитных газах, особенно плавящимся электродом, что объясняется большой универсальностью и маневренностью процесса в сочетании с высокой производительностью, легкостью его механизации и автоматизации.

Сварка в защитных газах позволяет:

успешно выполнять швы в любом пространственном положении, что дает возможность использовать сварочные работы;

выполнять стыковые швы «на весу», т.е. без каких-либо предварительных подварок или применения подкладок;

непосредственно наблюдать и контролировать движение дуги по свариваемому участку, образование шва, так как зона сварки открыта.

Кроме того, отсутствует шлаковая корка на шве, а значит и затраты времени на ее удаление.

К недостаткам этого процесса следует отнести следующие:

при выполнении больших по размерам швов производительность примерно вдвое меньше, чем при сварке под флюсом;

затруднена сварка на открытом воздухе при ветре -- из-за сдувания защитного газа;

при сварке в углекислом газе в общем случае наблюдается разбрызгивание металла, требующее по окончании сварки удаления брызг с поверхности металла;

необходимость применения защитных средств против светового и теплового излучения дуги.

Наиболее рационально использовать сварку в защитных газах при изготовлении изделий из металла небольшой толщины (до 10 мм), когда применение сварки под флюсом оказывается невыгодным или невозможным.

Сварка в углекислом газе заняла ведущее место в судостроении, транспортном и сельскохозяйственном машиностроении, в производстве трубопроводов, при выполнении различных монтажных работ -- в процессе изготовления листовых и решетчатых конструкций, установке переборок в морских и речных судах, в поточном производстве баллонов, баков, бочек и прочих сосудов, различных машиностроительных деталей. В углекислом газе сваривают изделия из малоуглеродистой, легированных, а в некоторых случаях и высоколегированных сталей, чугуна.

Инертные газы используют при сварке сосудов и аппаратов для химической промышленности, различных вакуумных камер, соединений трубопроводов для агрессивных жидкостей и других изделий, изготавливаемых из специальных сталей, легких и цветных металлов, активных и тугоплавких металлов. Особое место среди способов дуговой сварки занимает сварка самозащитной проволокой, разработанной практически одновременно в 1958 г. в СССР и США. При этом способе защита металла шва от вредного воздействия воздуха и его легирование достигаются только за счет процессов, сопровождающих плавление специальной электродной проволоки, без дополнительного использования флюса или какого-либо защитного газа.

Наиболее просто это достигается при использовании так называемых порошковых проволок, представляющих собой металлическую оболочку / (рис. 2.8, а) и сердечник 2 в виде смеси порошков различных материалов. Попадая в зону дуги 4, порошок частично расплавляется, частично просыпается в сварочную ванну, что обеспечивает надежную защиту металла шва 6 от воздуха (за счет образования газовой среды) и шлаковой корки 5 и его легирование. Из-за малой электропроводности сердечника дута возбуждается между металлической оболочкой и изделием (рис. 2.8, а). Конструкция порошковой проволоки может быть самой различной (1, 2, 3, 4 на рис. 2.8, б) и зависит от конкретных требований к сварочно-технологическим свойствам самозащитных проволок.

Рис. 2.8. Схема процесса сварки порошковой проволокой (а) и конструкция порошковой проволоки (б).

Многообразие способов и техники дуговой сварки не исчерпывается рассмотренными способами в этой главе.

В дальнейшем при изучении специальных дисциплин студенты рассматривают их достаточно подробно, здесь же мы остановимся еще на одном варианте использования дуги в сварочном производстве, а именно на плазменной сварке и резке. При плазменной сварке и резке источником нагрева служит дуга, столб которой принудительно обжат по диаметру, что приводит к резкой концентрации удельной тепловой мощности и повышению температуры плазмы дуги.

Основным инструментом при плазменной сварке и резке служит плазмотрон, являющийся генератором плазмы, т.е. ионизированного газа с высокой температурой.

Впервые сжатую водяным вихрем дугу наблюдали в начале 20-х годов XX в. Гердиен и Лотц (Германия). Однако лишь в середине 50-х годов сжатая дуга нашла практическое применение: в США был разработан способ резки такой дугой толстолистового алюминия.

В СССР работы по использованию сжатой дуги в сварочной технике начались с 1956 г. Исследования и разработки в этой области были сосредоточены в ряде научно-исследовательских институтов: ВНИИАВТОГЕНе, НИАТе, институте металлургии им. А.А. Байкова, институте Электросварки им. Е.О. Патона, ВНИИЭСО (Всесоюзный научно-исследовательский институт электросварочного оборудования (г. Санкт-Петербург)).

В отличие от обычной дуги, горящей свободно, когда для плавления металла используется главным образом тепло, выделяемое в активных пятнах (анодное и катодное пятна), в сжатой дуге роль активных пятен несущественна; основным источником тепла для сварки (или резки) служит искусственно удлиняемый и сжатый столб дуги, превращаемый в ярко светящуюся струю плазмы или поток плазмы -- с высокой плотностью энергии.

Дуговую плазменную струю для сварки и резки получают по двум основным схемам (рис. 2.9). При плазменной струе прямого действия (рис. 2.9, а) изделие включено в сварочную цепь дуги, активные пятна которой располагаются на вольфрамовом электроде / и изделии 5. Плазменная струя косвенного действия (рис. 2.9, 6) образуется при дуговом разряде, происходящем между вольфрамовым электродом 1 и внутренней боковой поверхностью сопла 3.

Рис. 2.9. Принципиальные схемы плазмотронов прямого действия (а) и косвенного действия (б):

1 -- вольфрамовый электрод; 2 -- электроизоляционная втулка; 3 -- сопло; 4 -- плазменная струя; 5 -- изделие, частично разрезанное плазмой.

Как же работает плазмотрон? Внутри корпуса плазмотрона имеется камера, в которой расположен вольфрамовый электрод 1 и туда подается под некоторым давлением плазмообразующий газ (аргон, гелий и др.). Нижняя часть корпуса, называемая соплом (3), образует узкий канал для выхода плазмы. Сопло в процессе работы охлаждается проточной водой. Так как при нагреве дуговым разрядом плазмообразующего газа его объем увеличивается в 50--100 и более раз (при одновременной ионизации), создаются высокие, близкие к сверхзвуковым, скорости истечения плазменной струи из сопла. Дуговая плазменная струя -- интенсивный источник теплоты, используемый в настоящее время для нагрева, сварки и резки как электропроводных металлов (любых), так и неэлектропроводных материалов, таких как стекло, керамика и др. Чрезвычайно перспективно применение сжатой дуги в наплавочных работах и в процессах напыления (см. ниже главу 4).

Особой областью применения сжатой дуги является нагрев деталей под пайку и термообработку. Сжатую дугу успешно используют в черной металлургии. Здесь мощными плазмотронами осуществляют переплав металлических слитков для получения особо чистого, лишенного вредных примесей металла.

В заключение раздела отметим, что дуговой разряд, открытый В.Б. Петровым в 1802 г., не исчерпал еще всех своих возможностей и областей применения, включая и область сварочного производства.

3.2 Электрошлаковая сварка

Разработка этого принципиально нового процесса была осуществлена в начале 50-х годов прошлого века сотрудниками ИЭС им. Е.О. Патона АН УССР во главе с Г.З. Волошкевичем при творческом содружестве с заводами НКМЗ (Новокраматорский машиностроительный завод), Таганрогским «Красный котельщик».

Важнейшим следствием всех этих работ стало решение проблемы качественной и высокопроизводительной однопроходной сварки металла практически неограниченной толщины. Эффективность процесса оказалась огромной. По новой технологии стали сваривают крупногабаритные детали в судостроении (корпуса, несущие конструкции), в химическом и тяжелом машиностроении (сосуды, станины мощных прессов, валы крупных гидротурбин, прокатное оборудование, реакторные колонны и др.), в котлостроении и мостостроении. Этот процесс нашел применение в наплавочных работах, в ремонтном деле, при сварке арматуры, рельсов. Оказалось, что весьма эффективно различные литые и кованые крупногабаритные детали изготовлять путем соединения отдельных частей с помощью электрошлаковой сварки. Известно, что при расплавлении флюса образуется шлак, который является проводником электрического тока. При пропускании электрического тока через шлак в нем будет выделяться, в соответствии с законом Джоуля-- Ленца, теплота. Этот принцип и лежит в основе электрошлаковой сварки (рис. 2.10). Сварка обычно выполняется при вертикальном расположении деталей, собираемых с зазором величиной b.

Рис. 2.10. Схема электрошлаковой сварки:

1 -- свариваемые пластины; 2 ~ токоподводящий мундштук; 3 --.электрод; 4 - формирующие ползуны; 5 - шлаковая ванна; 6 - металлическая ванна; 7 -- шов; 8 -- подающие ролики.

В пространство, образованное свариваемыми кромками деталей / и формирующими ползунами 4, засыпается вначале небольшая порция флюса, затем возбуждается дуга между плавящимся электродом 3 и изделием, что приводит к расплавлению флюса и образованию шлаковой ванны 5 требуемого объема и глубины, дуга при этом гаснет, но сварочный ток вследствие проводимости шлака будет продолжать проходить между электродом 3, погруженным в шлак, и изделием 1, вызывая сильный разогрев шлаковой ванны. За счет тепла шлаковой ванны происходит оплавление свариваемых кромок деталей и расплавление электрода. Расплавленный металл электрода в виде капель и металл расславившихся кромок изделия стекают на дно ванны, образуя ванну расплавленного металла б (металлическую ванну).

По мере расплавления непрерывно подаваемого с помощью роликов 8 через токоподводящий мундштук 2 электрода объем металлической ванны будет возрастать. Одновременно, вследствие интенсивного теплоотвода в свариваемые детали и водоохлаждаемые (медные) ползуны, начнется кристаллизация жидкого металла в нижней части металлической ванны, приводя, таким образом, к формированию монолитного сварного шва 7 одновременно по всей толщине деталей.

Непрерывное плавление электрода и кромок изделия, с одной стороны, и кристаллизация металла ванны, с другой стороны, приводят к непрерывному перемещению металлической и шлаковой ванны вверх, вдоль свариваемых кромок. На протяжении всего цикла сварки шлаковая ванна, находясь над поверхностью расплавленного металла, препятствует его взаимодействию с воздухом. С целью равномерного развара кромок по толщине б и выравнивания температуры ванны по ее объему применяют колебание электрода путем придания ему возвратно-поступательного движения в плоскости зазора (на рис. 2.10 направление колебания показано стрелками). В зависимости от вида электрода и характера его подачи в шлаковую ванну, существует несколько разновидностей электрошлаковой сварки (ЭШС): сварка одной электродной проволокой (без колебаний или с колебаниями), сварка несколькими электродными проволоками (рис. 2,11, а), сварка электродами большого сечения -- в виде пластин (рис. 2.11, б) и др.

При сварке пластинчатыми электродами они подаются в шлаковую ванну по мере оплавления и заполнения жидким металлом зазора. За счет увеличения числа пластин можно сваривать детали любой толщины. Из практики известно, что с помощью ЭШС сваривались заготовки толщиной более 2600 мм, имевшие в месте сварки сплошное сечение до 10 м2, массой около 300 т. Наряду с указанными разновидностями ЭШС существуют и другие, такие как ЭШС плавящимся мундштуком, ЭШС с применением порошкообразного или кускового материала, ЭШС с дозированной подачей мощности и т.д.

Рис. 2.11, Разновидности электрошлаковой сварки:

а -- сварка тремя электродными проволоками; 6 -- электродами большого сечения.

Электрошлаковый процесс успешно применяют не только для сварки, но и для наплавки деталей различной конфигурации: плоской, круглой, конической и т.д. (рис. 2.12).

К несомненным достоинствам электрошлаковой сварки можно отнести следующие:

возможность сварки за один проход изделий практически неограниченной толщины;

высокую производительность сварки толстостенных деталей (толщиной 60 мм и более), превышающую производительность многослойной сварки под флюсом тех же деталей в 5 -- 6 раз, а ручной -- в 20 -- 25 раз;

Рис. 2.12. Схемы использования электрошлакового процесса для наплавки:

а -- наплавка плоскостных изделий (листов); б - наплавка цилиндрических поверхностей при горизонтальном расположении цилиндра; в -- наплавка цилиндрических поверхностей трубчатым электродом, 1 -- изделие; 2 -- наплавляемый слой; 3 -- охлаждаемый медный ползун; 4 -- электрод плавящийся; 5 - шлаковая ванна; 6 - металлическая ванна.

незначительный расход флюса, в 15 -- 20 раз меньший, чем при автоматической сварке;

меньшая (в 1,5 -- 2 раза) энергоемкость процесса по сравнению с автоматической сваркой под флюсом;

невысокая, в сравнении с многопроходной автоматической сваркой под флюсом, стоимость сварного соединения, обусловленная малым расходом флюса, электроэнергии, упрощением подготовки кромок под сварку;

возможность изготовления уникальных по размерам и массе деталей и получения таким путем сварнолитых, сварнокованых изделий (например, сварнолитые станины тяжелых прессов и прокатных станов, толстостенные сварнокованые цилиндры и др.);

возможность получения сварных соединений высокого качества, лишенных пор, шлаковых включений, трещин, подрезов.

Однако электрошлаковая сварка не лишена и недостатков, к их числу относятся следующие:

применение малой скорости сварки (менее 1 м/ч) при значительном тепловложении приводит к длительному тепловому воздействию на металл и медленному его охлаждению, следствием чего является перегрев металла околошовной зоны с формированием в ней весьма крупного зерна, обладающего сниженными пластическими свойствами и хрупкостью. Крупнозернистая, литая структура образуется и в металле шва. В связи с этим возникает необходимость (особенно при изготовлении ответственных конструкций) после электрошлаковой сварки подвергать изделие специальной термообработке с целью уменьшения размера зерен;

необходимость устанавливать свариваемое соединение в вертикальном положении или близком к этому;

недопустимость остановки сварочного аппарата в процессе выполнения шва, так как тогда неизбежно появление дефектов в месте остановки после сварки этого участка;

необходимость изготовления специальных технологических деталей (планок, формирующих устройств, «стартовых карманов» для наведения шлаковой ванны и др.), требуемых при сборке изделия под сварку.

Электрошлаковая сварка легла в основу разработки ряда новых технологий, выходящих за рамки сварочного производства, которые впоследствии получили общее название -- электрошлаковая технология, включающая сегодня около 20 технологических процессов (см. далее гл. 4).

3.3 Контактная и прессовая сварка

Контактная сварка -- наиболее старый и высокопроизводительный процесс получения неразъемных соединений металлов -- была открыта и впервые применена для соединения металлов в 1856 г. английским физиком Уильямом Томсоном (Кельвином). Позднее, в 1877 г. тот же способ сварки предложил, независимо от своего предшественника, Э. Томсон из США. Если У. Томсон и Э. Томсон создали контактную стыковую сварку сопротивлением, то в 1877 г. уже в России Н.Б. Бенардос стал изобретателем контактной точечной сварки.

В СССР контактную сварку стали внедрять в довоенные годы главным образом в автомобильную промышленность, используя, в основном, зарубежный опыт (США), Затем, в период первых пятилеток последовала организация производства мощных контактных машин улучшенной конструкции. В этой работе особую роль сыграл сварочный комбинат Оргаметалл, в последствии преобразованный в ЦНИИТМАШ, а после 1936 г. - завод «Электрик», где создавались контактные машины разного профиля, в том числе для шовно-стыковой сварки труб, для стыковой сварки автомобильных колес, для рельефной сварки и многое другое. В эти же годы для точечной и стыковой контактной сварки нашел применение в качестве источника энергии разряд конденсаторов, осуществлена точечная сварка узлов авиаконструкций из низкоуглеродистой стали и многих других элементов конструкций из различных материалов. Однако слабость производственной базы сварочного машиностроения в довоенные годы не позволила реализовать многие ценные технологические разработки в области контактной сварки. В период Великой Отечественной войны решением одной из серьезных задач в области контактной сварки было повышение стабильности качества точечных соединений. В последующие годы многое сделано по разработке, усовершенствованию и внедрению в производство нового оборудования и технологии по контактной сварке, например, для сварки стыков рельсов, многоточечной сварки каркасных конструкций в вагоностроении, автомобилестроении, с/х машиностроении, точечной и стыковой сварки деталей летательных аппаратов, энергетических установок, в массовом производстве сварных труб различного назначения и т.д.

Расширилась и научно-исследовательская база по контактной сварке. Кроме ЦНИИТМАШа, завода «Электрик», Института электросварки им. Е.О. Патона, такие работы осуществлялись и продолжаются в МВТУ им. Баумана, ВНИИЭСО, Институте металлургии им. Байкова и многих других научно-исследовательских институтах и в высших учебных заведениях.

Образование "неразъемного соединения при контактной сварке происходит в результате нагрева металла проходящим электрическим током и пластической деформации зоны соединения под действием сжимающего усилия.

Количество тепла, выделяемое в металле при протекании через него электрического тока, определяется законом Джоуля - Ленца:

(2.4)

где -- количество тепла, кал; -- ток, А; -- сопротивление на пути тока, Ом; -- время прохождения тока, с.

Так как наибольшее сопротивление протекающему току возникает в контакте между свариваемыми деталями (рис. 2.13), место контакта и прилегающие к нему участки металла разогреваются наиболее интенсивно и приобретают повышенную пластичность, последующее механическое сдавливание (или осадка) деталей завершает процесс сварки.

Рис. 2.13. Схемы контактной стыковой (а) и точечной (б) сварки:

1, 2 -- свариваемые детали (стержни -- а; листы -- б); 3 -- токоподводы; 4 -- трансформатор; 5 -- ядро сварной точки.

Таким образом, любая машина для контактной сварки должна иметь, кроме электрической, и механическую часть. Учитывая, что все металлы обладают большой электропроводностью, но малым удельным сопротивлением, для быстрого их нагрева и компенсации неизбежных потерь тепла, в контактных машинах пользуются большими сварочными токами (от тысячи до сотен тысяч ампер и более), но очень малым напряжением, составляющим всего несколько вольт. Такой принцип трансформирования энергии осуществляется в понижающем трансформаторе, питающем контактную машину и конструктивно составляющим с ней единое целое.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6