Сварочные работы. Практическое пособие
Сост. Ю. Ф. Подольский
Никакая часть данного издания не может быть скопирована или воспроизведена в любой форме без письменного разрешения издательства
© Книжный Клуб «Клуб Семейного Досуга», издание на русском языке, 2015
© Книжный Клуб «Клуб Семейного Досуга», художественное оформление, 2015
© ООО «Книжный клуб “Клуб семейного досуга”», г. Белгород, 2015
Металлы – наиболее распространенные и широко используемые материалы в производстве и в быту человека. Их добыча и обработка возникли очень давно. Сначала человек использовал самородные металлы – золото, серебро, медь. Затем он научился сплавлять их друг с другом. Получение бронзы – прочного и твердого сплава меди с оловом, а позднее и с некоторыми другими элементами – открыло новую эпоху в развитии материальной культуры, называемую бронзовым веком. Позже была освоена выплавка железа, и наступил железный век.
Но если обработка металлов резанием была известна еще в глубокой древности, то обратный процесс сложнее давался человечеству. Только кузнецы высокой квалификации умели соединять два куска железа в единое целое, и лишь у считаных мастеров это получалось качественно.
Одним из революционных прорывов в технологии работы с металлом стало изобретение в XX веке электросварки. Впрочем, о возможности использования «электрических искр» для плавления металлов еще в 1753 г. говорил академик Российской академии наук Г. В. Рихман, занимавшийся исследованием атмосферного электричества. В 1802 г. профессор Санкт-Петербургской военно-хирургической академии В. В. Петров открыл явление электрической дуги и продемонстрировал возможность ее практического применения. Однако ученым и инженерам потребовались многие годы совместных усилий, направленных на создание источников энергии, необходимых для реализации процесса электрической сварки металлов. Важную роль в этих разработках сыграли открытия и изобретения в области магнетизма и электричества.
В 1882 г. российский инженер Н. Н. Бенардос, работая над созданием аккумуляторных батарей, открыл способ электродуговой сварки металлов неплавящимся угольным электродом. Им был разработан способ дуговой сварки в защитном газе и дуговая резка металлов.
В 1888 г. российский инженер Н. Г. Славянов предложил проводить сварку плавящимся металлическим электродом. С его именем связано развитие металлургических основ электрической дуговой сварки, разработка флюсов, предназначенных для воздействия на состав металла шва, создание первого электрического генератора. Затем, в 1907 г., шведский инженер О. Кьельберг разработал электроды из металлического стержня с нанесенным на него специальным покрытием, обеспечившие значительное повышение качества сварных соединений.
Газовая сварка возникла после разработки в 1893–1895 гг. промышленного способа производства карбида кальция. Из последнего легко получается горючий газ – ацетилен, который имеет преимущественное применение при газовой сварке. Первые газовые горелки для сварки появились в 1900–1902 гг., а промышленное применение ацетиленокислородная сварка получила в 1906 г., когда появились достаточно надежные конструкции ацетиленовых генераторов и инжекторные сварочные горелки.
С первых лет ХХ века сварка начала победное шествие по заводам и мастерским всего мира. Новые технологии сделали волшебство сварного металла всеобщим достоянием. А нынче даже начинающий домашний мастер в состоянии создавать из металла сложные конструкции.
Многие люди знакомы со сваркой лишь заочно, большинство из них видели, как сваривают металлы, но сами ни разу не пробовали. Некоторые варили один-два раза и давно об этом забыли, а кое-кто зарабатывает сваркой на жизнь. Однако время от времени у каждого возникает необходимость использовать сварку в бытовых целях. Да и тем, кто недавно перестал пугаться расплавленного металла, хочется усовершенствовать свои навыки. Этим вопросам и посвящена данная книга.
Основы теории сварочных процессов
Согласно ГОСТ 2601–84, сваркой называется процесс получения неразъемных соединений посредством установления межатомных связей между соединяемыми частями при их нагревании и (или) пластическом деформировании. Для получения сварных, т. е. полученных с помощью сварки, соединений не требуется применения каких-либо специальных соединительных элементов (заклепок, накладок и т. п.). Сварные соединения применяют для соединения деталей из разных материалов, в том числе неметаллов – пластмасс, керамики, стекла или их сочетаний. Но чаще всего с помощью сварки соединяют металлические детали. Образование неразъемного соединения в них обеспечивается за счет проявления действия внутренних сил системы. Для сварных соединений характерно возникновение металлической связи, обусловленной взаимодействием ионов и обобществленных электронов.
Для соединения двух металлов в единое целое недостаточно простого соприкосновения поверхностей соединяемых деталей. Необходимо настолько сократить расстояние между их атомами, чтобы преодолеть существующий между ними энергетический барьер и чтобы силы взаимного притяжения начали активизироваться. Для этого соединяемые атомы должны получить энергию извне. Благодаря ей атомы получат соответствующее смещение, позволяющее им занять в общей атомной решетке устойчивое положение, т. е. достигнуть равновесия между силами притяжения и отталкивания. Энергию извне называют энергией активации. Ее при сварке вводят путем нагрева (термическая активация) или пластического деформирования (механическая активация). Соприкосновение свариваемых частей и применение энергии активации являются необходимыми условиями для образования неразъемных сварных соединений.
При классификации процессов сварки выделяют три основных физических признака: форму вводимой энергии, наличие давления и вид инструмента – носителя энергии. Остальные признаки условно отнесены к техническим и технологическим. Такая классификация использована в ГОСТ 19521–74. По виду вводимой в изделие энергии все основные сварочные процессы, включая сварку, пайку и резку, разделены на термические (Т), термомеханические, или термопрессовые (ТМ), и механические (М). Т-процессы осуществляются без давления (сварка плавлением), остальные – обычно только с давлением (сварка давлением). Форма энергии, применяемой в источнике энергии для сварки (электрическая, химическая и др.), как классификационный признак в стандарте не использована, так как она характеризует главным образом не процесс, а оборудование для сварки.
Все известные в настоящее время процессы сварки металлов осуществляются за счет введения только двух видов энергии – термической и механической или при их сочетании. Соответственно различают два вида сварки: сварку плавлением и сварку давлением.
Сварка давлением. Образование сварного соединения при сварке давлением происходит за счет пластического деформирования свариваемых частей без расплавления металла и перехода его в жидкое состояние.
Пластическое деформирование стыка свариваемых кромок производится статической либо ударной нагрузкой, например сваркой взрывом. Для осуществления холодной сварки достаточно применить механическое усилие сжатия. Иногда при сварке давлением применяют местный нагрев. Из рис. 1 видно, что при увеличении температуры нагрева металла для сварки давлением требуются меньшие усилия.
Рис. 1. Схемы возможных областей сварки давлением и плавлением в зависимости от температуры (Т) и давления (Р)
При пластической деформации в зоне свариваемых кромок разрушаются окисные пленки и поверхности сближаются до расстояний возникновения межатомных связей. Зона, где образовались межатомные связи соединяемых частей при сварке давлением, называется зоной соединения.
Характер процесса сварки давлением с нагревом может быть и другим. Например, при контактной стыковой сварке оплавлением свариваемые кромки первоначально оплавляются, а затем пластически деформируются. При этом часть пластически деформированного металла совместно с некоторыми загрязнениями выдавливается наружу, образуя грат.
Сварка плавлением. Сущность сварки плавлением состоит в том, что при температурах выше Тпл (рис. 1) жидкий металл одной оплавленной кромки самопроизвольно соединяется и в какой-то мере перемешивается с жидким металлом второй оплавленной кромки. Так создается общий объем жидкого металла – сварочная ванна. Плавление основного и присадочного материалов в процессе сварки происходит под действием концентрированной энергии, вызванной сварочной дугой, пламенем горелки или каким-либо другим способом. Если в зону сварки не подается дополнительный металл, то сварочная ванна образуется только за счет основного соединения. Но чаще сварочная ванна получается смешиванием основного и присадочного металла, вносимого непосредственно в зону сварки электродом, сварочной проволокой и т. д.
