Основні способи зварювання

Ковальське зварювання

Докладніше: Ковальське зварювання

Ковальське (горнове) зварювання — найдавніший вид зварювання стисканням. Протягом майже трьох тисячоліть людство широко користувалося залізом, не вміючи його розплавити, тому до заліза не можна було застосовувати давно відоме ливарне зварювання, і було винайдене ковальське зварювання, спосіб, призначений для заліза. Розквіту і розвитку ковальського зварювання надзвичайно сприяв і сам спосіб виробництва заліза, що існував протягом тисячоліть до другої половини XIX сторіччя.

Суть ковальського зварювання полягає в тому, що при деформуванні відбувається зближення металевих поверхонь, і між атомами кристалічних ґраток починають діяти потужні сили притягання. У випадку, якщо матеріал має високу пластичність, його можна зводити (зварювати) нагріванням у ковальському горні. При виконанні зварювання до зварювального флюсу можна додати стружку низьковуглецевої сталі: у процесі горіння вони поглинають вуглець, і зварювання виходить при цьому помітно міцнішим.

Механічний клас

Зварювання вибухом

Докладніше: Зварювання вибухом

Тепло виділяється локально за рахунок тертя між з'єднуваними поверхнями. Рух викликається контрольованим вибухом, що з величезною силою стискає контактуючі поверхні. У зоні зварювання відбуваються взаємопроникнення хвилеподібної форми і часткова сплавка. Метод застосовується для плакування таких металів, як сталь, стороннім матеріалом, наприклад алюмінієм.

Зварювання тертям

Докладніше: Зварювання тертям

Розігрів поверхонь відбувається за рахунок обертання деталі навколо  іншої, нерухомої, зберігаючи контакт  між поверхнями. При наступному різкому  притисненні поверхонь деталей  локалізоване нагрівання приводить  до їхньої сплавки.

Ультразвукове зварювання

Докладніше: Ультразвукове зварювання

Зварювання відбувається під дією ультразвукового променя в місці з'єднання попередньо стиснутих деталей. Точковим або безперервним швом зварюються тонкі алюмінієві і мідні фольги, а також пластикові плівки. Зварювальним інструментом служить ультразвуковий випромінювач, який перетворює електричні коливання в механічні. Використовується для запечатування пакувальної алюмінієвої фольги і пластикової плівки. Виконання швидке і економічне.

Індукційне зварювання

Докладніше: Індукційне зварювання

Метал нагрівається пропущенням через нього струмом високої частоти після чого різко здавлюється. Струми високої частоти найзручніші для введення в метал індукційним безконтактним способом; крім того, вони зручні для концентрації в зоні нагрівання з використанням поверхневого ефекту та ефекту близькості і великого індуктивного опору шунтувальних шляхів. Тому практично завжди використовують струми високої частоти від лампових або машинних генераторів. Найбільше застосування метод знаходить при зварюванні труб.

Фізико-хімічні  процеси при зварюванні

Зварне з'єднання в  перерізі

Утворення зварного з'єднання у зв'язку із уведенням концентрованої енергії до зони з'єднання супроводжується складними фізичними і хімічними процесами.

До основних фізичних процесів при зварюванні плавленням відносять електричні, теплові, механічні процеси в джерелах нагріву; плавлення основного і електродного (присадкового) матеріалу, їх перемішування, формування та кристалізація зварювальної ванни; введення і розповсюдження тепла в зварюваному з'єднанні.

До головних хімічних процесів відносять хімічні реакції в газовій та рідкій фазах, на межах фаз при взаємодії компонентів покриттів, флюсів, захисних газів з рідким металом і утворенням оксидів, шлаків, окисленням поверхні тощо.

Фізичні та хімічні процеси  при зварюванні відбуваються водночас і в одному місці, тому їх поєднують  під загальним визначенням — фізико-хімічні процеси.

Зварне  з'єднання при зварюванні плавленням включає до свого складу зварний шов (ділянку зварного з'єднання, яка утворилася в наслідок кристалізації зварювальної ванни), зону сплавлення, зону термічного впливу та основний метал. З'єднання виконане зварюванням тиском в твердому стані складається із зони зварювання, зони термомеханічного впливу, основного металу.

В формуванні структури і властивостей зварного з'єднання при зварюванні плавленням визначна роль належить тепловим процесам, при зварюванні тиском — пластичній деформації.

Типи зварних  з'єднань і види швів

Основні типи зварних з'єднань — (1) Стикове без розділення кромок, (2) Кутове, (3) Напускне, (4) Таврове

Зварне  з'єднання — ділянка конструкції, в якій окремі її частини поєднанні шляхом місцевого сплавлення або спільного пластичного деформування матеріалів цих елементів, у наслідок чого виникає міцне зчеплення матеріалів, яке засноване на міжатомної взаємодії. До складу зварного з'єднання входить зварний шов, зона термічного впливу і прилеглі до неї ділянки основного металу.

Зварний шов — ділянка зварного з'єднання, утворена в наслідок кристалізації металу зварної ванни.

Зона термічного впливу — ділянка прилеглого до зварного шва основного матеріалу, яка не піддалася розплавленню, структура і властивості якої при зварюванні змінюються внаслідок нагріву та пластичної деформації.

Групи зварних  швів

1. За положенням у просторі — нижні, горизонтальні, вертикальні, стельові. Найпростіші для виконання є нижні шви, найважчі — стельові.
2. За відношенням до діючих зусиль — флангові, торцеві (лобові), комбіновані та косі.
3. За довжиною — неперервні, переривчасті.
4. За ступеню опуклості — нормальні, опуклі та увігнуті.
5. За типом з'єднання — стикові і кутові (валикові).

Типи зварних  з'єднань

Стикові з'єднання

Стикові з'єднання є найбільш розповсюдженими майже при всіх способах зварювання, тому що дають  найменші власні напруження і деформації під час зварювання.

Стикові з'єднання в основному  застосовують для конструкцій з  листового металу. Вони потребують мінімальної витрати основного  і наплавленого металу і часу на зварювання, можуть бути виконані рівноміцними до основного металу.

Напускні з'єднання

Напускні з'єднання застосовуються переважно при дуговому зварюванні будівельних конструкцій зі сталі товщиною не більше, ніж 10 — 12 мм. Вони не потребують спеціальної обробки кромок, окрім обрізки. Рекомендується зварювати листи з обох боків, у випадку одностороннього зварювання може відбутися потрапляння вологи в щілини між листами і подальше іржавіння в цьому місці.

Таврові з'єднання

Таврові з'єднання широко використовуються при дуговому зварюванні; виконуються без скосу кромок та зі скосами з одного чи обох боків. Вертикальний лист повинен мати достатньо рівно обрізану кромку. При односторонньому і двосторонньому скосі кромки вертикального листа між вертикальним і горизонтальним листами залишається зазор в 2 — 3 мм для кращого провару.

Кутові з'єднання

Кутові з'єднання застосовуються при зварюванні різним чином попередньо оброблених кромок листів. Зварювані  частини розташовують під прямим або іншим кутом і зварюють по кромках. Такі з'єднання застосовуються переважно при зварюванні резервуарів, що працюють під незначним внутрішнім тиском газу або рідини.

Прорізні з'єднання

Прорізні з'єднання застосовують у випадку коли довжина нормального  напускного шва не забезпечує достатньої міцності. Прорізні з'єднання бувають закритого чи відкритого типу. Проріз зазвичай виконують кисневої різкою.

Торцеві (бокові) з'єднання

В даному випадку листи  з'єднуються своїми поверхнями і  зварюються по суміжних торцях.

З'єднання з  накладками

Цей тип з'єднання використовується у випадках коли з інших причин не можуть бути замінені стиковими  або напускними з'єднаннями.

З'єднання електрозаклепками

За допомогою даного типу з'єднання отримують міцні, але  не щільні з'єднання. Верхній лист просвердлюється  і отвір заварюється так, щоб  був захоплений нижній лист.

Джерела енергії

Частина зварювального автомату. На передньому плані: зварювальний дріт у бухті, кінець якого протягнутий  між падаючими роликами

Класифікація за фізичними ознаками показує, що кожна група процесів може бути реалізована за допомогою певного джерела енергії. Для виконання якісного зварювання джерело енергії повинно відповідати певним вимогам: технологічна і конструктивна доцільність використання; економічність перетворення енергії; обмеження шкідливих побічних ефектів і ін.

Джерело енергії для термомеханічних  і механічних процесів зварювання повинно  забезпечувати концентрацію теплової і механічної енергії в зоні зварювання, а також тиск достатній для створення фізичного контакту, активації і хімічної взаємодії атомів поверхонь, які з'єднуються.

В зварювальній техніці джерелом енергії є: електродуга, плазма, електронний, іонний, світловий промінь, газове полум'я, ядерні і хімічні реакції. Використовується теплота, яка виділяється при терті, проходженні електроструму через метал або рідкий шлак.

Джерело енергії для термічних  процесів зварювання плавленням повинно  забезпечувати концентрацію теплової енергії і температури в зоні зварювання або пляма нагріву  заданих розмірів, достатнє для плавлення  матеріалу і провару його на потрібну глибину, але без інтенсивного випаровування.

Якість зварних  з'єднань

При зварюванні металів у процесі їх нагрівання і наступного охолодження виникають значні температурні напруження, а після охолодження виробу — залишкові напруження.

Основними причинами, які  викликають напруження і деформації при зварюванні, є нерівномірне нагрівання, усадка наплавленого металу при переході його з рідкого стану в тверду, структурні зміни наплавленого і основного металу в зоні термічного впливу, форма деталей, їх розміри, зона нагрівання при зварюванні.

До основних засобів боротьби з названими вище напруженнями відносяться  попереднє підігрівання виробів  перед зварюванням, сповільнене  охолодження, рекристалізаційний відпал стальних виробів при 550…650° С, легке проковування шва ударянням молотка для багатошарових швів.

Для боротьби з деформацією  металу при зварюванні рекомендують зворотноступеневий порядок нанесення  швів; деформування деталі перед зварюванням  у зворотному напрямі на величину, що виникає при зварюванні; зрівноважування  деформацій; збільшення відведення тепла від зварювального виробу; жорстке закріплення елементів при зварюванні в спеціальних пристроях.

Дефекти зварних з'єднань бувають зовнішніми і внутрішніми. До зовнішніх при дуговому і газовому зварюванні належать: нерівномірність поперечного перетину (уздовж швів), незаповнені кратери, підрізи основного металу, зовнішні тріщини, відкриті пори та ін. Внутрішні — непроварювання країв або несплавлення окремих шарів при багатошаровому зварюванні, внутрішні. пори і тріщини, шлакові включення і т. д.

Контактне точкове і шовне  зварювання може давати великі вм'ятини  в основному металі, пропалювання і виплеск металу, а в середині зварних з'єднань — тріщини, пори та інші дефекти.

Дефекти у зварних з'єднаннях утворюються з різних причин. Так, нерівномірність перетину швів при  дуговому і газовому зварюванні пояснюється  порушенням режиму зварювання, підрізування — великим струмом і великою потужністю зварювального пальника, утворення пор у зварних швах — насиченістю їх воднем, азотом та іншими газами, тріщин — застосуванням сталей з підвищеним вмістом вуглецю або легуючих домішок, сірки і фосфору, непроварів — мала величина струму або недостатня потужність пальника, погане зачищення кромок тощо.

Основними видами контролю якості зварних з'єднань є: випробування зварних швів на щільність (гідравлічні, пневматичні, часова проба), механічні  випробування металу шва і зварних  з'єднань (границя міцності, текучості, пластичність, статичний згин, ударна в'язкість), металографічні дослідження (макроскопічний і мікроструктурний аналізи зварних швів), просвічування  швів рентгенівськими і гама-променями, ультразвуковий і магнітний методи контролю.

Переваги зварювання

Апарат для дугового зварювання

Зварювання забезпечує ряд  переваг, основні з яких приводиться  нижче:

1. Економія металу внаслідок найповнішого використання робочих перетинів елементів зварних конструкцій, додання їм найдоцільнішої форми відповідно до діючих навантажень і зменшення ваги з'єднаних елементів. У зварних конструкціях вага металу зварних швів становить від 1 до 2 %, у той час як у клепаних вага заклепок і косинок — не менш 4 % від ваги виробу. Зварювання дає до 25 % економії металу в порівнянні із клепкою, а в порівнянні з литтям в окремих випадках — до 50 %.
2. Використання зварювання на будівництві будинків дозволяє зменшити вагу сталевих конструкцій на 15 %, полегшує виготовлення й збільшує міцність всієї конструкції. При спорудженні доменних печей застосування зварювання замість клепки дозволяє заощаджувати від 12 до 15 % металу, у конструкціях кроквяних ферм — 10-20 %, у конструкціях піднімальних кранів — 15-20 %.
3. Скорочення строків робіт і зменшення вартості виготовлення конструкцій за рахунок зниження витрати металу та зменшення трудомісткості робіт. Так, наприклад, при будівлі великих доменних печей на металургійних заводах виготовлення кожуха печі зі сталевих листів за допомогою зварювання здійснюється менш ніж за два місяці. Виконання такого кожуха за допомогою клепки вимагає не менше ніж півроку.
4. Можливість виготовлення зварних виробів складної форми зі штампованих елементів замість кування або лиття. Такі конструкції називаються штампозварними і застосовуються в автомобілебудуванні, авіабудуванні, вагонобудуванні. За допомогою зварювання можна виготовляти деталі з металу, що пройшов різну попередню обробку, наприклад зварювати прокатані профілі зі штампованими литими або кутими заготовками. Можна зварювати і різнорідні метали: нержавіючі сталі з вуглецевими, мідь зі сталлю й ін.
5. Можливість широкого використання зварювання і різання при ремонті, де ці способи обробки металу дозволяють швидко та з найменшими витратами відновлювати зношене або несправне устаткування, і зруйновані спорудження.
6. Здешевлення технологічного устаткування, тому що відпадає необхідність у використанні дорогих свердлильних, діропробивних верстатів і клепальних машин.
7. Герметичність одержуваних зварних з'єднань.
8. Зменшення виробничого шуму та поліпшення умов праці робітників.