Разновидности сварки

Способы образования монолитного соединения при сварке плавлением и давлением различны. Это определяет подход к выбору того или иного способа сварки при изготовлении сварных конструкций.

Сварка плавлением

Процесс соединения металлов плавлением берет за основу образование общих межатомных связей у соединяемых деталей за счет смены их агрегатного состояния в результате нагрева. После этого происходит обратная кристаллизация сварочной ванны. До сих пор данная группа методов остается распространенной, благодаря высокому качеству соединения, а также доступности и относительно малой ресурсоемкости процесса.

Дуговая сварка

Электродуговая сварка эффективно используется уже более ста лет. Суть процесса лежит в образовании высоковольтного электрического разряда между поверхностью металла и сварочным электродом – дуги. Материалом дуги при этом является плазма, электрическое сопротивление которой крайне велико. Ток поддерживает постоянную температуру плазмы, а она, в свою очередь, нагревает поверхности, с которыми контактирует. В зависимости от технологии электродуговой сварки выделяют:

• ручную и механизированную сварку;
• сварку неплавящимся и плавящимся электродом;
• сварку без флюса и с флюсом;
• атмосферную сварку и сварку в среде защитных газов.

Такое изобилие подвидов электродугового процесса обусловлено поиском способов повышения качества шва путем снижения уровня воздействий на него внешних факторов: естественных теплопотерь, химических реакций от веществ, взаимодействующих с металлом в сварочной ванне и др.

Газопламенная сварка

Источником тепла при пламенной сварке служит высокотемпературное газовое пламя, образующееся в горелке при сжигании рабочей смеси. В состав смеси обязательно входят кислород и горючее вещество, роль которого могут играть:

• газ (ацетилен, пропан, бутан, водород);
• смесь газов (метилацетилен-алленовая фракция, блаугаз);
• горючая жидкость (керосин, бензин, бензол) и др.

При этом выделяют три типа пламени: окислительное, нейтральное и восстановительное. От типа пламени зависит содержание углерода в свариваемых чугунах и сталях, смена типов достигается регулированием пропорций смешивания горючего вещества и кислорода.

Главным критерием совершенствования плазменных сварочных процессов сегодня является разработка путей применения газов со сверхвысокой температурой горения. В первую очередь, это дициан (до 4500℃) и ацетилендинитрил (до 5000℃).

Плазменная сварка

Если электродуговая сварка предполагает образование плазменного разряда непосредственно в зоне плавления, то плазменная требует подачи готовой плазмы из внешнего устройства – плазмотрона. Ее образование происходит между электродом и соплом устройства, а концентрация и выброс наружу становятся возможными, благодаря действию электромагнитных полей. Таким образом, данный способ обеспечивает не только плавящее, но и газодинамическое воздействие на металл.

Кроме сварки, плазменный метод нашел широкое распространение в процессах наплавки, напыления и резки металлических изделий.

Например, процесс плазменной резки предполагает направленный нагрев металла струей плазмы с одновременным выдуванием расплавленного вещества из образующихся ванн.

Электрошлаковая сварка

Шлаковый процесс предполагает нагрев зоны соединения металлов теплом шлаковой ванны, которая, в свою очередь, раскаляется электрическим током. В процессе кристаллизации металла шлак играет защитную роль – он препятствует процессам окисления, а также перекрывает доступ водорода к месту стыка, что важно, поскольку именно перенасыщение водородом провоцирует образование трещин при быстром остывании металла. Как и дуговая, электрошлаковая сварка классифицируется по типу электродов. Выделяют:

• проволочные электроды;
• пластинчатые электроды;
• плавящиеся мундштуки.

Возможно одновременное использование нескольких электродов в автоматизированном электрошлаковом процессе, а также применение технологии сварки колеблющимся электродом.

Чаще всего шлаковую сварку используют для соединения элементов толщиной 15-600 мм, например, корпусных деталей кораблей и бронетанковых машин.

Электронно-лучевая сварка

Суть метода состоит в подаче концентрированного луча отрицательно заряженных частиц с катода специального устройства – электронной пушки. Обычно лучевая сварка ведется в вакууме с давлением не более 10^-3 Па, однако, допустим и атмосферный процесс, когда частицы покидают вакуум непосредственно перед свариваемой поверхностью. Среди главных достоинств метода:

1. Высокая точность и широкий диапазон изменения пятна нагрева, что дает возможность работать с деталями толщиной от нескольких микрон до нескольких дециметров.
2. Возможность формирования сварочной ванны с соотношением глубины к диаметру 20:1 и более.
3. Дегазация металла, крайне малая вероятность попадания посторонних веществ в сварочную ванну.
4. Возможность сварки тугоплавких и химически активных веществ, например, вольфрама, титана, тантала, никеля, молибдена, циркония, керамики.

К недостаткам технологии, в свою очередь, относят вероятность образования полостей в местах стыка, а также существенные затраты времени и энергии на образование вакуума, необходимого для формирования электронного луча.

Этих недостатков фактически лишена лазерная сварка, действующая по схожему принципу.

Сварка давлением

Если классическая сварка плавлением предполагает образование общей сварочной ванны с последующей кристаллизацией вещества в ней, то сварка давлением добавляет к этому процессу пластичные деформации, получаемые за счет статических или, реже, динамических нагрузок. При этом плавление металла не является обязательным условием, хотя местный нагрев присутствует почти всегда (исключение – холодная сварка).

Диффузионная сварка

Диффузия представляет собой процесс свободного хаотичного перемещения атомов в веществе, интенсивность которого увеличивается при повышении температуры. Обычно диффузионная сварка проводится в вакууме или защитной газовой среде с местным нагревом контактирующих поверхностей до 800℃ или более.

Одним из главных достоинств данного метода является возможность надежного соединения разнородных материалов, зачастую с кардинально разными физико-химическими свойствами.

Так, диффузионная сварка нашла широкое применение при создании многослойных композитных материалов.

Газопрессовая сварка

Газопрессовый метод, как несложно догадаться из названия, представляет собой последовательный нагрев рабочих поверхностей деталей кислородно-газовым пламенем горелки с приложением статичной силы. Эти процессы могут протекать как одновременно, так и последовательно. Последовательный процесс более распространен, он предполагает такой алгоритм действий:

1. Заготовки устанавливаются в исходное положение с небольшим зазором.
2. С помощью горелки (торцевой, подковообразной или многопламенной) края заготовок оплавляются.
3. На заготовки оказывается осевое давление, они совмещаются и свариваются.

Чаще всего газопрессовую сварку применяют для соединения металлопрофиля (полос, стержней, труб и др.), а также железнодорожных рельсов.

Электроконтактная сварка

В промышленном производстве однотипных металлических изделий важно обеспечить высокую скорость, точность и надежность стыков, а потому электроконтактная варка является одним из основных индустриальных методов. Она предполагает сваривание стыков токами низкого напряжения с одновременным сжиманием шва пневматическими или гидравлическими прессами. Выделяют такие виды контактной сварки:

• точечная – заготовки соединяются в одной или нескольких точках;
• рельефная – аналогична точечной, однако, предполагает предварительную подготовку выступов для сварочных точек;
• шовная – заготовки соединяются рядом точек, перекрывающих друг друга (герметичный шов) или расположенных с небольшими интервалами;
• стыковая – заготовки соединяются по всей поверхности контакта.

Современные универсальные станки для электроконтактной сварки могут работать с заготовками из самых разных металлов, а также с деталями, имеющими сложный профиль. Это делает контактный метод одним из самых распространенных в машиностроительной индустрии.

Холодная сварка

Процесс представляет собой пластичную деформацию заготовок при температуре ниже точки рекристаллизации. За счет значительных механических усилий происходит взаимопроникновение поверхностных слоев металла с образованием стойких межатомных связей. Главная сложность при этом заключается в необходимости полного устранения посторонних веществ, в первую очередь – оксидов и поверхностных пленок. Самыми распространенными типами холодносварных соединений стали такие:

• встык;
• внахлест;
• втавр.

Надежность соединения заготовок холодной сваркой зависит от двух основных факторов: силы сжатия и степени деформации. Если они достаточны, возможно прочное соединение даже разнородных веществ, в том числе чувствительных к нагреву.