Геворкян - Основы сварочного дела (1985)

Издательство «Высшая школа», 1979 Издательство «Высшая школа», 1985, с изменениями

ВВЕДЕНИЕ

Явление электрического дугового разряда впервые было открыто в 1802 г. русским ученым, профессором Петербургской медико-хирургической академии В. В. Петровым. В своих трудах он не только описал явление электрической дуги, но и предсказал возможность использования теплоты, выделяемой дугой, для плавления металлов. Однако в то время это открытие не нашло практического применения из-за низкого уровня развития техники. Только спустя 80 лет, в 1882 г. талантливый русский изобретатель Н. Н. Бенардос разработал и предложил практический способ использования" электрической дуги для сварки металлов. По этому способу сварка производилась электрической дугой, возбуждаемой между угольным электродом и изделием. Несколько позже, в 1888 г. русский инженер-изобретатель Н. Г. С л а-в я н о в разработал способ сварки с помощью металлического электрода. Н. Н. Бенардос и Н. Г. Славянов разработали также основные положения и других методов сварки: с несколькими электродами, в защитных газах, контактной сварки. В царской России эти изобретения получили ограниченное практическое применение,  а  затем  были  почти  забыты.

Великая Октябрьская социалистическая революция создала условия для мощного развития науки и техники. Возродилась и стала развиваться сварочная техника. В 1929 г. советский инженер - изобретатель Д. А. Дульчевский разработал способ автоматической дуговой сварки под флюсом. С 1940 г. этот способ стал внедряться в промышленность и строительство. В этом большая заслуга Института электросварки им. Е. О. Патона Академии наук УССР*,

* Институт электросварки им. Е. О. Патона Академии наук УССР, в дальнейшем — Институт электросварки им. Е. О. Патона, в котором "были разработаны теория автоматической сварки, флюсы и автоматы "для сварочных работ. Работа по широкому внедрению автоматической сварки в народное хозяйство продолжается и в настоящее время; институт имеет тесную связь с отраслями, в которых применяются сварочные работы.

Большое участие в дальнейшем развитии теории и технологии сварки принимают Центральный научно-исследовательский институт технологии машиностроения (ЦНИИТмаш), Московское высшее техническое училище им. Н. Э. Баумана, Всесоюзный научно-исследовательский проектно-конструкторский и технологический институт электросварочного оборудования (ВНИИЭСО), Всесоюзный научно-исследовательский и конструкторский институт автогенного машиностроения (ВНИИавтогенмаш), Ленинградский политехнический институт им. Калинина, завод «Электрик», Уралмашзавод и ряд других организаций.

За годы первых пятилеток были проведены широкие мероприятия по созданию специализированных производственных организаций, научно-исследовательских институтов и лабораторий по сварке. В период Великой Отечественной войны сварка получила большое применение в военной технике, а в послевоенные годы — при восстановительных   работах.

Июньский (1959 г.) Пленум ЦК КПСС в своих решениях подчеркнул важное значение сварки для дальнейшего развития промышленности и строительства. Июльский (1960 г.) Пленум ЦК КПСС снова отметил необходимость ускоренного развития сварочного производства, заслушал дйклад директора Института электросварки им. Е. О. Патона академика Б. Е. Патона. Пленум поставил большие  задачи   перед  учеными   и

инженерами по совершенствованию и внедрению новой технологии сварки и нового сварочного оборудования, по разработке электродов и других сварочных материалов. Постановление (1980 г.) Совета Министров СССР «О дальнейшем совершенствовании и развитии сварочного производства в 1981 —1985 гг.» наметило новые направления по дальнейшему совершенствованию сварочного производства, по повышению уровня автоматизации и механизации сварочных, заготовительных и сбррочно-сварочных работ, совершенствованию технологии и оборудования.

Основные направления экономического и социального развития СССР на 1980—1985 годы и на период до 1990 года, утвержденные XXVI съездом КПСС, решения ноябрьского (1982 г.) и июньского (1983 г.) Пленумов ЦК КПСС предусматривают динамичное и пропорциональное развитие общественного производства, повышение его эффективности, ускорение научно-технического прогресса, рост производительности труда, всемерное улучшение качества работы во всех звеньях народного хозяйства. В сварочном производстве дальнейшая комплексная механизация и автоматизация сварки, применение'поточных к конвейерных линий, внедрение прогрессивных технологических процессов и оборудования будут способствовать повышению производительности труда, улучшению и стабилизации качества сварных конструкций, уменьшению расхода электроэнергии и сварочных материалов, улучшению условий труда.

Советский Союз по объему работ и по уровню развития сварочного производства занимает одно из ведущих мест в мире. Сварка заняла важное место в различных отраслях промышленности и строительства благодаря своим преимуществам перед другими способами производства изделий, например, клепкой, литьем, ковкой и др.

Важным преимуществом сварки является возможность при производстве изделия выбирать его наиболее

рациональную конструкцию и форму. Сварка позволяет экономно использовать металлы и значительно уменьшить отходы производства. Например, при замене клепаных конструкций сварными экономия материалов в среднем составляет 15...20%, а при замене литых — около 50%. Трудоемкость сварочных работ меньше, чем при клепке и литье. Исключаются такие работы, как разметка, сверловка отверстий, сложная формовка и др. Особенно ощутимо снижение трудоемкости при изготовлении крупногабаритных изделий: при замене литых корпусов и станин сварно-литыми, а штампованных изделий сложной формы — штампо-сварными, что, в свою очередь, снижает их себестоимость.

Сварные соединения по прочности, как правило, не уступают прочности того металла, из которого сделаны изделия. Сварные конструкции хорошо работают при знакопеременных и динамических нагрузках, при высоких температурах и давлениях.

Особо следует подчеркнуть, что условия труда при сварке с точки зрения как гигиены, так и безопасности значительно лучше, чем при клепке и особенно при литье.

Сваркой называется процесс получения неразъемного соединения посредством установления межатомных связей между свариваемыми частями при их местном или общем нагреве, пластическом деформировании или при совместном действии того и другого.

Для осуществления сварки необходимо сблизить кромки соединяемых частей и создать условия, необходимые для того, чтобы между ними начали действовать межатомные связи.

Существуют свыше 60 видов сварки, которые классифицируют по основным физическим, техническим и технологическим признакам. По физическим признакам в зависимости от

формы используемой энергии предусматривается три класса сварки: термический, термомеханический и механический. Термический класс включает виды сварки с использованием тепловой энергии (дуговая, электро-шлаковая, электроннолучевая, плазменная, газовая и др.). Термомеханический класс объединяет виды сварки, при которых используются давление и тепловая энергия (контактная, диффузионная и различные прессовые виды). Механический класс включает виды сварки с 'использованием механической энергии и давления (сварка холодная, взрывом, ультразвуковая, трением и др.).

Технические признаки различных видов сварки следующие: по способу защиты металла в зоне сварки (в воздухе, в вакууме, в защитном газе, под флюсом, по флюсу, в пене, с комбинированной защитой); по непрерывности процесса (непрерывные, прерывистые); по степени механизации (ручные, механизированные, автоматизированные, автоматические); по типу защитного газа (в активных газах, в инертных газах и их смесях) и по характеру защиты металла в зоне сварки (со струйной защитой, в контролируемой атмосфере).

Технологические признаки установлены для каждого вида сварки отдельно. В учебнике подробно рассмотрены технологические признаки дуговой, электрошлаковой, газовой и контактной сварок.

Термический класс сварок характеризуется тем, что сварка осуществляется плавлением кромок соединяемых частей. При этом образуется ванна расплавленного металла. При удалении источника нагрева металл сварочной ванны кристаллизуется и образует сварной шов, соединяющий свариваемые части.

Вид сварки определяется видом непосредственно используемого для плавления источника энергии. Так, при дуговой сварке нагрев свариваемых кромок осуществляется теплотой электрической дуги; при электрошлаковой сварке теплота электрической дуги используется лишь в начальный момент, после расплавления шлака сварка производится теплотой, выделяющейся при прохождении тока через расплавленный шлак. При газовой   сварке   используется   теплота сгорания газокислородной смеси.

При электроннолучевой сварке (рис. 1) используется кинетическая энергия концентрированного потока электронов, движущихся с большой скоростью; при соударении электронов с кромками изделия их кинетическая энергия переходит в тепловую. Раскаленный вольфрамовый катод /, размещенный в фокусирующей головке 2, излучает поток электронов. Под действием высокого напряжения (30... 100 кВ) между катодом и ускоряющим электродом (анодом) 3 поток электронов приобретает значительную кинетическую энергию. Магнитной линзой 4 поток электронов фокусируется в узкий луч, который с помощью магнитной отклоняющей системы 5 направляется точно на свариваемые кромки изделия 6. Установка питается от высоковольтного источника постоянного тока. Высокий вакуум 13 (10~3...10-5) Па в сварочной камере значительно снижает потери кинетической энергии электронов и обеспечивает химическую и тепловую защиту катода и свариваемого изделия.

При плазменной сварке, или сварке сжатой дугой, для нагрева используется теплота плазменной струи. Различают плазменную струю прямого действия — изделие является одним из электродов (рис. 2, а) и косвенного действия — изделие не включено в цепь сварочного тока (рис. 2, б). Плазмообразующий газ / (аргон, азот, водород), подаваемый под давлением в канал 3 сопла 4 плазмотрона, сжимает столб дуги, горящей между вольфрамовым (неплавящимся) электродом 2 и свариваемым изделием 5. Происходит значительное повышение температуры столба дуги и ионизация плазмообразующего газа.

Струей плазмы, имеющей температуру (1...3) 104°С, сваривают самые различные тугоплавкие сплавы, металлы и неметаллические материалы (стекло, керамика). Неэлектропроводные материалы сваривают по схеме косвенного действия. Источники питания дуги должны иметь рабочее напряжение более 120 В. Плазмообразующий газ служит также защитой расплавленного металла от атмосферного воздуха.

Для термомеханического класса сварок характерно использование как тепловой энергии, так и давления. Так, при контактной сварке нагрев производится теплотой, выделяющейся при прохождении тока через находящиеся в контакте под давлением свариваемые части.

РАЗДЕЛ I

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СВАРКА ПЛАВЛЕНИЕМ И ДУГОВАЯ РЕЗКА

ГЛАВА 1 КЛАССИФИКАЦИЯ И СУЩНОСТЬ ДУГОВОЙ СВАРКИ

Дуговой сваркой называется сварка плавлением, при которой нагрев свариваемых кромок осуществляется теплотой электрической дуги.

Дуговая сварка классифицируется по следующим основным признакам: по виду электрода (плавящимся или неплавящимся электродом), по виду дуги (свободной или сжатой дугой), по характеру воздействия дуги на основной металл (дугой прямого или косвенного действия, трехфазной дугой). Плавящиеся электроды подразделяются на штучные, проволочные и ленточные. Они применяются как сплошного сечения, так и порошковые. Неплавящиеся электроды применяются: вольфрамовые, угольные и графитовые.

Дуговую сварку производят постоянным током прямой и обратной полярности, переменным током как промышленной, так и повышенной частот и пульсирующим током. При этом сварка может быть выполнена как одно-, двух- и многодуговая (с раздельным питанием каждой дуги), так и одно-, двух- и многоэлектродная (с общим подводом  сварочного тока).

В промышленности и строительстве получили наибольшее применение следующие основные разновидности дуговой сварки.

Ручная дуговая сварка производится двумя способами: неплавящимся и плавящимся электродом. По первому способу (рис. 3, а) свариваемые кромки изделия 5 приводят в соприкосновение, между неплавящимся (угольным или графитовым) электродом 3 и изделием возбуждают электрическую дугу 4. Кромки изделия и вводимый в зону дуги присадочный материал 2 нагреваются до плавления и образуют ванну расплавленного металла, который после затвердевания превращается в сварной шов I. Этот способ используется иногда при сварке цветных металлов и их сплавов, а также при наплавке твердых сплавов. Второй способ сварки (рис. 3, б), выполняемой плавящимся электродом, является основным при ручной дуговой сварке. Электрическая дуга 2 возбуждается между металлическим (плавящимся) электродом 1 и свариваемыми кромками изделия 4. Теплота дуги расплавляет электрод и кромки изделия. Получается общая ванна расплавленного металла, которая, охлаждаясь, образует сварной шов 3. Автоматическая сварка под флюсом (рис. 4) — это дуговая сварка, в которой механизированы основные движения (на рис. показаны стрелками), выполняемые сварщиком при ручной сварке —: подача электрода 1 в зону дуги 2 и перемещение его вдоль свариваемых кромок изделия 7. При полуавтоматической сварке механизирована подача электрода в зону дуги, а перемещение электрода вдоль свариваемых кромок производится сварщиком вручную. Жидкий- металл сварочной ванны 5 защищают от воздействия кислорода и азота воздуха расплавленным шлаком 4, образованным от плавления флюса, подаваемого в зону дуги. После затвердевания металла сварочной ванны образуется сварной шов 6. Хорошее качество швов и высокая производительность обеспечили автоматической и полуавтоматической сварке под флюсом широкое применение.

Дуговая сварка в защитном газе выполняется неплавящимся (вольфрамовым) (рис. 5, а) или плавящимся (рис. 5, б) электродом 3. В первом случае сварной шов формируется за счет металла расплавляемых кромок изделия. При необходимости в зону дуги подается присадочный металл 4. Во втором случае подаваемая в зону дуги электродная проволока 3 расплавляется и участвует в образовании сварного шва. Расплавленный металл защищают от окисления и азотирования струей защитного газа 2, оттесняющей атмосферный воздух из зоны дуги.

ГЛАВА 2

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СВАРОЧНАЯ ДУГА

§ 1. Основные понятия

Электрическая сварочная дуга представляет собой устойчивый длительный электрический разряд в газовой среде между твердыми или жидкими электродами при высокой плотности тока, сопровождающийся выделением большого количества теплоты. Электрический разряд в газе есть электрический ток, проходящий через газовую среду благодаря наличию в ней свободных электронов, а также отрицательных и положительных ионов, способных перемещаться между электродами под действием приложенного электрического поля (разности потенциалов между электродами). Электрон — это частица весьма малой массы, несущая элементарный (наименьший, неделимый) электрический заряд отрицательного знака. Масса электрона равна 9,1 • Ю~28г; элементарный электрический заряд равен 1,6 • 10~19 Кл. Ионом называется атом или молекула вещества, имеющая один или несколько элементарных зарядов. Положительные ионы имеют избыточный положительный заряд; они образуются при потере нейтральным атомом или молекулой одного или нескольких электронов из своей наружной (валентной) оболочки (электроны, вращающиеся в валентной оболочке атома, связаны слабее, чем электроны внутренних оболочек, и поэтому легко отрываются от атома при столкновениях или под действием облучения). Отрицательные ионы имеют избыточный отрицательный заряд; они образуются, если атом или молекула присоединяет к своей валентной оболочке лишние электроны.

Процесс, при котором из нейтральных атомов и молекул образуются положительные и отрицательные ионы, называется ионизацией. Ионизация, вызванная в некотором объеме газовой среды, называется объемной ионизацией. Объемная ионизация, полученная благодаря нагреванию газа до очень высоких температур, называется термической ионизацией.

При высоких температурах значительная часть молекул газа обладает достаточной энергией для того, чтобы при столкновениях могло произойти разбиение нейтральных молекул на ионы; кроме того, с повышением температуры увеличивается общее число столкновений между молекулами газа. При очень высоких температурах на процесс ионизации начинает влиять также и излучение газа и раскаленных электронов. При обычных температурах ионизацию можно вызвать, если уже имеющимся в газе электронам и ионам сообщить с помощью электрического поля большие скорости. Обладая большой энергией, эти частицы могут разбивать нейтральные атомы и молекулы на

ионы. Кроме того, ионизацию можно вызвать световыми, ультрафиолетовыми, рентгеновскими лучами, а также излучением радиоактивных веществ.

В обычных условиях воздух, как и все газы, обладает весьма слабой электропроводностью. Это объясняется малой концентрацией свободных электронов и ионов. Поэтому, для того чтобы вызвать в воздухе или в газе мощный электрический ток, т. е. электрическую дугу, необходимо ионизировать воздушный промежуток (или другую газообразную среду) между электродами. Ионизацию можно произвести, если приложить к электродам достаточно высокое напряжение; тогда имеющиеся в газе (в малом количестве) свободные электроны и ионы будут разгоняться электрическим полем и, получив большие энергии, смогут разбить нейтральные атомы и молекулы на ионы.

При сварке из соображений техники безопасности нельзя пользоваться высокими напряжениями. Поэтому используют явления термоэлектронной и автоэлектронной эмиссий. При этом имеющиеся в металле в большом количестве свободные электроны, обладая достаточной кинетической энергией, переходят в газовую среду межэлектродного пространства и способствуют ее ионизации.

При термоэлектронной эмиссии благодаря высокой температуре свободные электроны «испаряются» с поверхности металла. Чем выше температура, тем большее число свободных электронов приобретает энергию, достаточную для преодоления потенциального барьера в поверхностном слое и выхода из металла. При автоэлектронной (холодной) эмиссии создается внешнее электрическое поле, которое изменяет потенциональный барьер у поверхности металла и облегчает выход тех электронов, которые имеют достаточную энергию для преодоления этого барьера.