I. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Сваркой называют технологический процесс получения неразъемных соединений деталей. В технике сварка металлов приобрела важнейшее значение. Сварные конструкции прочнее, дешевле клепаных и легче. Сварку применяют для изготовления сварных конструкций взамен литых, для исправления брака литья и восстановления поломанных деталей.

Развитие сварки, особенно в последние годы, привело к появлению новых видов ее и расширило возможности и .области применения. Например, уже найдены способы надежного соединения металлов с неметаллами.

Сварка может осуществляться: а) без приложения давления, путем расплавления металла свариваемых частей и слияния его; после затвердевания образуется шов (сварка плавлением); б) с применением давления, способствующего плотному контакту и взаимной диффузии металла в месте соприкосновения свариваемых частей (сварка давлением).

В настоящее время сварка плавлением имеет наибольшее применение вследствие меньшей стоимости, простоты оборудования и универсальности. Следует, однако, отметить, что при сварке плавлением возможны значительные изменения в химическом составе наплавленного металла и в его структуре.

В сварочной ванне происходит окисление расплавленного металла, растворение азота, выгорание легирующих компонентов.

Использование обмазок на электродах обеспечивает легирование и раскисление сварочной ванны. При охлаждении сварочной ванны металл кристаллизуется, вследствие чего образуется шов со столбчатой, дендритной или равноосной структурой; рядом участок неполного расплавления (перехода от наплавленного металла к основному) и прилежащий к нему участок перегрева характеризуются крупнозернистым строением, что снижает вязкость; далее идут участки нормализации,, неполной перекристаллизации и участок рекристаллизации, каждый из которых имеет различную структуру. Следствием этого является большая или меньшая неоднородность свойств основного и наплавленного металла.

При сварке давлением (в пластическом состоянии) необходимо, чтобы металл тек вдоль поверхности раздела свариваемых деталей, разрушая поверхностный слой с его окислами и другими соединениями, сближая атомы свариваемых частей на расстоянии порядка атомного радиуса и обеспечивая взаимосвязь электронных оболочек атомов.

При сварке в пластическом состоянии химический состав остается неизменным, а структура изменяется незначительно; следовательно, и свойства свариваемых частей практически остаются постоянными, что является преимуществом этого вида сварки.

Сварка давлением осуществляется чаще всего с нагревом для обеспечения большей пластичности, а также и без подогрева в зоне шва, но при весьма высоких удельных давлениях (холодная сварка).

По виду используемой для сварки энергии сварка подразделяется на: химическую (газовая, кузнечная, термитная), электрическую (электродуговая, электрошлаковая, электроконтактная), механическую (сварка трением, холодная сварка), ультразвуковую, сварку электронным лучом, а также диффузионную сварку в вакууме. Наиболее распространенными видами сварки являются электродуговая, электрошлаковая, электроконтактная и газовая.

Кузнечную сварку применяют для низкоуглеродистой стали. Она производится при температуре, близкой к точке плавления (1350-1450°), при проковке свариваемых концов, наложенных один на другой. При этом из шва вытесняется шлак, образующийся от флюсов (смеси кварцевого песка с поваренной солью и бурой) и окислов, и происходит сама сварка — взаимная диффузия частиц металла в свариваемых концах. Этот старинный способ сварки трудоемкий и малопроизводительный, поэтому он все более вытесняется другими способами.

Термитную сварку производят с помощью порошковой смеси алюминия с железной окалиной — термита. Горение в термите протекает весьма бурно, с выделением большого количества тепла, причем развивается температура до 3000° С и выше. Алюминиевый термит широко используют для сварки рельсов на трамвайных и железнодорожных путях. Помимо алюминиевого термита, применяют также магниевый термит, например, для сварки стальных проводов связи. Причем свариваемые концы не оплавляются и сварка происходит в пластическом состоянии.

Сварку трением применяют чаще всего для соединения стержней встык. В сварочной машине один стержень закрепляется неподвижно, другой вращается, касаясь торцом неподвижного. От трения температура повышается. По достижении пластического состояния вращение прекращают, стержни сдавливают, и они свариваются. Сваркой трением можно соединять однородные и разнородные металлы.

Холодную сварку применяют для алюминия, меди, свинца, олова, никеля, серебра и их сплавов, а также и для некоторых марок стали. Холодная сварка делится на стыковую, точечную и шовную; она сходна с электроконтактной сваркой, но без использования электроэнергии.

Ультразвуковая сварка основана на преобразовании ультразвуковых колебаний в механические, которые обеспечивают колебания высокой частоты соприкасающихся поверхностей свариваемых деталей, что приводит к развитию пластической деформации в поверхностных слоях и срастанию кристаллов. Этот способ применяется для соединений металлов внахлестку, • а также для сварки пластмасс.

Сварку электронным лучом применяют для небольших изделий из тугоплавких металлов (вольфрама, молибдена и др.). Свариваемые части помещают в вакуумную камеру и направляют фокусированный электронный луч на место, подлежащее сварке. Под действием электронного луча металл расплавляется и сваривается.

Резка металлов может быть механическая (с помощью ножниц, пил), анодно-механическая — с затратой электроэнергии и огневая, т. е. электрической дугой или газовым пламенем. В учебнике рассмотрены огневые способы резки металлов.

Пайка металлов известна с давних времен. Для пайки не требуется высокой температуры; химический состав соединяемых металлических частей остается неизменным, а структура изменяется незначительно. За последние годы пайка получила широкое распространение и в некоторых случаях успешно заменяет сварку.

11. ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СВАРКА И РЕЗКА

Рис. 164. Сварные соединения: I — соединение с отбортовкой; 2 — стыковое без скосов; 3 — стыковое V-обраэное; 4 — стыковое Х-образное; 5 — стыковое U-образное; 6 — стыковое двойное U-обраэное; 7—внахлестку; 8—угловое; 9—тавровое

Электрическая сварка металлов — великое русское изобретение. В 1802 г. акад. В. В. Петров открыл явление дугового разряда и возможность использования тепла дуги для расплавления металлов. В 1882 г. русский изобретатель Н. Н. Бенардос предложил применить электрическую дугу для сварки металлов угольным электродом. В 1888 г. горный инженер Н. Г. Славянов заменил графитовый электрод металлическим. В настоящее время около 99% работ, выполняемых дуговой сваркой, производится по способу Славянова.

Электрическая дуговая сварка по распространению занимает первое место среди других видов сварки. Она применима к изделиям любых размеров и успешно автоматизируется. Ее используют для сварки железнодорожных вагонов и платформ, корпусов, палуб и- других частей морских и речных, судов, паровых котлов всех типов (в том числе -— высокого давления), подъемно-транспортных сооружений, трубопроводов для газов, жидкостей и сыпучих веществ, металлических конструкций и арматуры зданий, промышленных сооружений, мостов, узлов деталей электрических, сельскохозяйственных и других машин и механизмов.

К числу металлов, свариваемых электрической дугой, относятся почти все конструкционные стали, серый и ковкий чугун, литые твердые сплавы, медь, алюминий, никель, титан и их сплавы и другие металлы и сплавы.

Виды сварных соединений. Перед сваркой необходимо очистить поверхности от грязи;, окислов и масла и, если нужно, скосить кромки. Свариваемые части могут образовать следующие виды соединений: с отбортовкой, стыковое, внахлестку, угловое и тавровое.

На рис. 164 приведены виды сварных соединений как в состоянии подготовки к сварке, так и после сварки. Сварить части небольшой толщины (до 10 мм) можно за один проход; полученный при этом шов называют однослойным. При большой толщине частей на стыке шов наваривают в несколько проходов; такой шов называют многослойным. По учебнику металловедения В. М. Никифорова (советский период)