/
Author: Волченко В.Н.
Tags: технология обработки без снятия стружки в целом: процессы, инструмент, оборудование и приспособления общая технология основы промышленного производства металловедение сварка справочник
ISBN: 5-7038-1253-4
Year: 1996
Text
СВАРКА
И СВАРИВАЕМЫЕ
МАТЕРИАЛЫ
II
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана
СВАРКА
И СВАРИВАЕМЫЕ
МАТЕРИАЛЫ
Справочник
в 3-х томах
Под общей редакцией д-ра техн, наук ВЛ. Волченко
Том II
ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ
Под редакцией д-ра техн, наук В. М. Ямпольского
Москва
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана
1996
СВАРКА
И СВАРИВАЕМЫЕ
МАТЕРИАЛЫ
Справочник
в 3-х томах
Под общей редакцией докт. техн, наук В. Н. Волченко
Том I Свариваемость материалов
Том II Технология и оборудование
Том III Автоматизация. Качество. Безопасность
Редакционный совет
Академик Г. А. Николаев — председатель, МГТУ им. Н. Э. Бау-
мана
Докт. техн, наук В. Н. Волченко — зам. пред., МГТУ им.
Н. Э. Баумана
Канд. техн, наук В. Н. Вернадский — ИЭС им. Е. О. Патона
Докт. техн, наук А. С. Зубченко—НПО ЦНИИТмаш
Докт. техн, наук Э. С. Каракозов — НПО «Ремдеталь»
Докт. техн, наук Э. Л. Макаров —МГТУ им. Н. Э. Баумана
Докт. техн, наук Н. И. Никифоров — ВНИИавтогенмаш
Канд. техн, наук В. В. Смирнов — ВНИИЭСО
Чл.-кор. АН Украины К. А. Ющенко — ИЭС им. Е. О. Патона
Памяти академика
Георгия Александровича
Николаева посвящается
1*
ББК 30.61:34.2
С24
УДК 621.791 (031)
Авторы: СС. Миличенко, Г.А. Иващенко, В.М. Неровный, А.Г. Потапьевский, В.И. Худя-
ков, В.И. Галинич, В.М. Илющенко, И.В. Зуев, В.Н. Киселев. Е.Г. Лившиц, А.Г. Григорьянц.
Л.А. Штернин, В.В. Смирнов, А.Ф. Гарбуль, М.И. Закс, И.И. Сущук-Слюсаренко, И.И. Лычко,
И. А. Антонов. А.П. Терновский, В.Е. Атауш, В.Д. Сапрыгин. И.М. Стройман, Б.А. Молчанов,
Р.И. Мустафаев, Р.А. Латыпов, Ю.А. Конон. В.А. Пейсахович, В.Г. Рывкина, А.А. Чакалев,
ЗЛ Рыськова, Е.А. Хлудов, Ю.С. Борисов, П.В. Гладкий, А.П. Жудра, И.А. Рябцев, Г.К. Сухи-
нин, КЛ. Васильев, АЛ. Тихомиров, С.С. Волков, В.Е. Ощепков
С24 Сварка и свариваемые материалы: В 3-х т. Т. II. Технология и оборудование. Справ.
изд./Под ред. В.М. Ямпольского.— М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1996. 574 с.
ISBN 5-7038-1253-4
Справочное издание состоит из трех томов (том I вышел в свет в издательстве "Металлур-
гия" в 1991 г.). Во II томе приведены основные сведения по технологии и оборудованию
наиболее распространенных способов сварки, термической резки, наплавки, пайки и получе-
ния покрытий. Приведены сведения по сварке пластмасс и расчету сварных соединений.
Для инженерно-технических работников и специалистов металлургической, машинострои-
тельной и других отраслей промышленности.
Ил. 214. Табл. 197. Библиогр.: 202 назв.
В финансировании издания принимали участие
МГТУ им. НЭ.Баумана и
Институт электросварки им. Е. О.Патона
„2704060000 -3
095 (2)-96 Без объявл'
ББК 30.61:34 2
ISBN 5-7038-1253-4 (т. II)
ISBN 5-7038-1248-8 (т. I! и III)
© С.С. Миличенко, ГЛ Иващенко,
В.М. Неровный и другие, 1996.
© Издательство МГТУ
им. Н.Э. Баумана, 1996.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие........................................................17
Предисловие к тому II..............................................18
Раздел 1 СВАРКА ПЛАВЛЕНИЕМ....................................19
Глава 1. Ручная дуговая сварка (РДС) (Миличенко С. С., Ива-
щенко Г. А.) ................. 19
1.1. Общие сведения, классификация, технологические возможности . . 19
1.2. Технология РДС...........................................19
1.2.1. Свариваемые материалы...............................19
1.2.2. Электроды для РДС и примеры их промышленного применения 19
1.2.3. Особенности технологии сварки.......................29
1.3. Контроль качества сварных соединений.....................37
Глава 2. Дуговая сварка в защитных газах (Неровный В. М.) . 37
2.1. Общие сведения...........................................37
2.1.1. Определения, классификация и основные схемы . 37
2.1.2. Защитные газы.......................................40
2.2. Процессы сварки..........................................43
2.2.1. Сварка неплавящимся электродом .....................43
2.2.2. Сварка плавящимся электродом........................48
2.2.3. Импульсно-дуговая сварка ...........................51
2.2.4. Специальные способы сварки . . . • . 55
2.3. Особенности сварки разных металлов и сплавов.............57
2.3.1. Сварка сталей.......................................57
2.3.2. Сварка меди и медных сплавов........................58
2.3.3. Сварка алюминиевых и магниевых сплавов.............59
2.3.4. Сварка химически активных и тугоплавких сплавов . .61
Глава 3. Сварка в СО2 (Потапьевский А. Г., Худяков В. И.) . . 62
3.1. Особенности переноса электродного металла при сварке в СО2 . . 62
3.2. Сварочная проволока......................................68
3.3. Технологические особенности процесса сварки в СО2........69
3.4. Техника сварки...........................................72
3.5. Сварка электрозаклепками и точками в СО2 .... 85
Глава 4. Сварка под флюсом (Галинич В. И., Илющенко В. М.). . . 87
4.1. Общие сведения .................. . .'................ .... 87
4.2. Технология....................................................92
4.2.1. Материалы................................................92
4J2.2. Форма и размеры шва при сварке под флюсом................92
4.2.3. Подготовка к сварке.................................... 94
4.2.4. Режимы и техника сварки..................................95
4.2.5. Сварка конструкционных углеродистых сталей . . 104
4.2.6. Сварка низколегированных сталей . . 105
4.2.7. Сварка среднелегированных сталей...................... . 105
4.2.8. Сварка высоколегированных сталей........................106
Глава 5. Электронно-лучевая сварка (ЭЛС) (Зуев И. В., Киселев В. Н„
Лившиц Е. Г.)...........................................107
5.1. Сущность процесса............................................107
5
5.2. Параметры и показатели ЭЛС...................................
5.3. Камеры и вакуум для ЭЛС ............................... . .
5.4. Нагрев металла при ЭЛС.......................................
5.5. Формирование канала проплавления при ЭЛС.....................
5.6. Автоколебания параметров ЭЛС.................................
5.7. Специфические дефекты сварных швов при ЭЛС
5.8. Техника ЭЛС...............................................
5.9. Методика расчета некоторых параметров режимов ЭЛС .
5.10. Оборудование для ЭЛС........................................
108
108
109
111
113
114
116
118
119
5.10.1. Классификация и состав электронно-лучевых установок .119
5.10.2. Электронно-лучевые пушки (ЭЛП) . . . ..........119
5.10.3. ИстЬчники питания ЭЛП....................................120
5.10.4. Вакуумная система электронно-лучевой установки . . . , 121
5.10.5. Система управления электронно-лучевой установкой . ... 121
5.10.6. Примеры оборудования ЭЛС................................ 121
Глава 6. Лазерная сварка (Григорьянц А. Г., Штернин Л. А.) . . . 122
6.1. Общие сведения . ................. .......................122
6.1.1. Источники энергии............................ . . 122
6.1.2. Виды технологических лазеров....................... . . 123
6.1.3. Теплофизические показатели процессов ... 124
6.1.4. Классификация методов лазерной сварки . 125
6.2. Технология лазерной сварки 129
6.2.1. Применение лазерной сварки . . 129
6.2.2. Сварка сталей........................................... 129
6.2.3. Сварка алюминиевых и магниевых сплавов 131
6.2.4. Сварка титановых сплавов 133
6.3. Оборудование для лазерной сварки . . . 134
6.3.1. Твердотельные лазеры ... 134
6.3.2. Газовые лазеры............. ....... . 135
6.3.3. Система транспортировки и фокусировки излучения . . 139
6.3.4. Система газовой защиты.............................. . . 139
6.3.5. Система относительного перемещения луча и изделия . . 139
Глава 7. Оборудование для дуговой сварки . (Смирнов В. В., Гар-
буль А. Ф„ Закс М. И.) ........... 140
7.1. Источники сварочного тока...................................140
7.1.1. Общие сведения........................................ 140
7.1.2. Сварочные трансформаторы...............................143
7.1.3. Сварочные выпрямители................................ . 150
7.1.4. Источники со звеном повышенной частоты ..... 153
7.2. Установки для механизированной дуговой сварки . . 155
7.2.1. Полуавтоматы для сварки плавящимся электродом 155
7.2.2. Автоматы для сварки плавящимся электродом..............160
7.2.3. Установки для сварки вольфрамовым электродом в инертных
газах . ..... ......... . . 164
Глава 8. Электрошлаковая сварка (Сущук-Слюсаренко И. И.,
Лычко И. И.).....................................................167
8.1. Общие сведения..............................................167
8.1.1. Физические основы процесса.............................167
8.1.2. Определения, терминология и основные схемы процесса . . .169
6
8.1.3. Преимущества и недостатки .
8.1.4. Технологические возможности
8.2. Технология и техника сварки .17b
8.2.1. Рекомендации по выбору сварочных материалов . 175
8.2.2. Выбор параметров режима 176
8.2.3. Подготовка деталей к сварке.......................... ... 179
8.2.4. Техника выполнения прямолинейных швов проволочными элек-
тродами ........................................................180
8.2.5. Техника сварки кольцевых швов.......................... .181
8.2.6. Способы скоростной сварки......................... ...... 187
8.2.7. Сварка плавящимся мундштуком 189
8.3. Контроль качества сварных соединений......................... 192
8.3.1. Характерные дефекты 192
8.3.2. Способы контроля .193
Глава 9. Газовая сварка (Антонов И. А.) 194
9.1. Общие сведения 194
9.1.1. Определения. Основные способы ... .194
9.1.2. Физико-металлургические основы процесса 195
9.2. Технология 198
9.2.1. Свариваемые материалы и требования к конструкции . . 198
9.2.2. Подготовка к сварке ... . 198
9.2.3. Выбор параметров режима................................. 199
9.2.4. Особенности технологии газовой сварки ................. . 201
9.3. Оборудование и аппаратура 207
Раздел 2. СВАРКА ДАВЛЕНИЕМ 207
Глава 10. Диффузионная сварка (Терновский А. П.) 208
10.1. Общие сведения . .................................. 208
10.1.1. Терминология и основные схемы........................ 209
10.1.2. Технологические возможности и ограничения 209
10.2. Технология 211
10.2.1. Типы и конструкции соединений . .211
10.2.2. Подготовка поверхности . . .... 212
10.2.3. Применение покрытий и промежуточных прокладок . 212
10.2.4. Предохранение от приваривания к оснастке............. 214
10.2.5. Выбор параметров режима . ...................... 214
10.2.6. Пути интенсификации 216
10.3. Технологическая оснастка и оборудование 217
10.3.1. Основные типы приспособлений .... ..... 217
10.3.2. Герметизируемые контейнеры . . . 219
10.3.3. Универсальные установки . • 220
10.3.4. Газостаты ...... 221
10.4. Промышленное применение 222
10.4.1. Приборостроение ......................................222
10.4.2. Крупногабаритные заготовки и полуфабрикаты . 222
10.4.3. Совмещение сварки с формообразованием . ... 223
10.5. Контроль качества .........................................224
7
Глава 11. Термокомпрессионная сварка (Атауш В. Е.).............224
11.1. Общие сведения...............................................224
11.1.1. Определения, терминология и основные схемы..............225
11.1.2. Технологические возможности.............................227
11.2. Технология................................................. 228
11.2.1. Требования к конструкции соединений.....................228
11.2.2. Подготовка поверхностей.................................229
11.2.3. Применение покрытий (металлизация)......................230
11.2.4. Выбор параметров режима.................................230
11.3. Оборудование.................................................232
11.3.1. Конструктивные особенности установок....................232
11.3.2. Типы и основные технические характеристики установок . . 234
11.4. Промышленное применение......................................234
11.5. Контроль качества..................................... . . 234
Глава 12. Холодная сварка (Сапрыгин В. Д., Стройман И. М.) 236
12.1. Общие сведения...............................................236
12.1.1. Определения и терминология .............................237
12.1.2. Физические основы..................................... 239
12.1.3. Основные особенности....................................239
12.1.4. Области применения..................................... 240
12.1.5. Основные схемы..........................................240
12.1.6. Технологические возможности . . . t.....................242
12.2. Технология . .... ... . 244
12.2.1. Требования к конструкции соединений ................... 244
12.2.2. Подготовка поверхности 245
12.2.3. Выбор параметров режима 245
12.3. Оборудование................................................ 247
12.3.1. Общие требования к оборудованию.........................247
12.3.2. Основные узлы и элементы................................248
12.3.3. Оборудование общего и стационарного назначения .... 248
12.4. Контроль качества соединений . ...... . 250
12.4.1. Методы неразрушающего контроля......................250
12.4.2. Методы разрушающего контроля 251
Глава 13. Ультразвуковая сварка (Молчанов Б. А.)...................251
13.1. Общие сведения . ......................... 251
13.1.1. Определение и основные схемы процесса...................251
13.1.2. Физические основы.......................................253
13.1.3. Технологические возможности.............................253
13.2. Технология сварки ...........................................254
13.2.1. Подготовка поверхностей.................................255
13.2.2. Выбор параметров режима сварки .................. . 255
13.3. Оборудование.................................................256
13.4. Промышленное применение......................................258
Глава 14. Сварка трением (Мустафаев Р. И.).........................259
14.1. Общие сведения...............................................259
14.1.1. Основные способы сварки, наплавки и формоизменения тре-
нием ..........................................................262
8
14.1.2. Физические основы.......................................265
14.1.3. Технологические возможности.............................267
14.2. Технология...................................................269
14.2.1. Свариваемые материалы и требования к конструкции . 269
14.2.2. Подготовка к сварке.................................... 271
14.2.3. Выбор параметров режима сварки трением с непрерывным
приводом......................................................271
14.2.4. Термическая обработка соединения .......................273
14.3. Оборудование для сварки трением 273
14.4. Промышленное применение ... . 275
14.5. Контроль качества . . .... . 275
Глава 15. Сварка прокаткой (Латыпов Р. Л.) 276
15.1. Общие сведения.............................................. 276
15.1.1. Определения, терминология и основные схемы . 276
15.1.2. Физические основы........................: ... . 277
15.1.3. Технологические возможности . . . 278
15.2. Технология сварки 278
15.2.1. Подготовка к сварке 278
15.2.2. Параметры режима . . 282
15.2.3. Окончательные операции . 283
15.2.4. Свойства соединений . 284
15.3. Оборудование . . . 286
15.4. Промышленное применение . .... 286
15.5. Контроль качества . .......................287
Глава 16. Сварка взрывом (Конон Ю. А.).............................287
16.1. Общие сведения...............................................287
16.1.1. Определения и основные схемы . 287
16.1.2. Физические основы ... . 288
16.1.3. Технологические возможности . 291
16.2. Технология ... 292
16.2.1. Свариваемые материалы и требования к ним................292
16.2.2. Подготовка материалов к сварке . . 293
16.2.3. Выбор параметров режима СВ 293
16.3. Оборудование и оснастка..................................... 294
16.3.1. Оборудование и оснастка при ведении работ в полевых ус-
ловиях .......................................................294
16.3.2. Оборудование и оснастка при ведении работ в условиях про-
мышленных предприятий.........................................295
16.4. Промышленное применение..................................... 296
16.5. Контроль качества соединений............................... 298
Глава 17. Магнитно-импульсная сварка (Сапрыгин В. Д.) . . 298
17.1. Общие сведения ............................................ 298
17.1.1. Определения, терминология и основные схемы . . . 298
17.1.2. Физические основы...................................... 300
17.1.3. Технологические возможности.............................300
17.2. Технология . 303
17.2.1. Требования к конструкции соединений.....................303
9
17.2.2. Подготовка поверхности............................... 304
17.2.3. Выбор параметров режима................................304
17.3. Оборудование, инструмент и оснастка для МИС .... 305
17.3.1. Оборудование 305
17.3.2. Инструмент................ .........................• 306
17.3.3. Оснастка . ...................................- 306
17.4. Контроль качества соединений . . . . . 306
Глава 18. Высокочастотная сварка (Лейсахович В. А.)...............307
18.1. Общие сведения.............................................. . 307
18.2. Кондуктивный токоподвод при непрерывной высокочастотной сты-
ковой сварке......................................................310
18.3. Индукционный подвод тока при непрерывной высокочастотной сты-
ковой сварке . ...........................................314
18.4. Одновременная стыковая сварка...............................317
18.5. Высокочастотная сварка металлических изделий по отбортованным
кромкам...........................................................318
18.6. Оборудование для высокочастотной сварки . 321
Глава 19. Дугоконтактная сварка (Рывкина В. Г.) . ... 329
19.1. Основные схемы процесса.............................. . 329
19.2. Форма и материалы свариваемых изделий . . . . . . 331
19.3. Технические преимущества способа ......................... 332
19.4. Область применения . ......... . 332
19.6. Технология сварки...........................................333
19.6. Контроль качества соединений . .................... 334
19.7. Система возбуждения дуги . . 335
19.8. Промышленные установки 335
Раздел 3. КОНТАКТНАЯ СВАРКА................................... . 338
Глава 20. Точечная и шовная сварка (Чакалев А. А.)................339
20.1. Общие сведения . .................................339
20.1.1. Определения, терминология и основные схемы .... 340
20.1.2. Физические основы образования соединений.............. 342
20.1.3. Технологические возможности точечной и шовной сварки 349
20.2. Технология точечной и шовной сварки . . ...............351
20.2.1. Требования к сварным конструкциям......................352
20.2.2. Подготовка к сварке....................................358
20.2.3. Выбор режимов сварки...................................361
20.2.4. Обработка соединений после сварки......................368
20.3. Оборудование для точечной и шовной сварки . 369
20.3.1. Сварочные машины.......................................370
20.3.2. Электроды сварочных машин .... 375
20.3.3. Системы управления оборудованием.......................376
20.3.4. Механизация и автоматизация точечной и шовной сварки . 377
20.4 Промышленное применение точечной и шовной сварки . . 380
20.5. Контроль качества соединений................................381
Глава 21. Контактная стыковая сварка (Чакалев А. А.) ... . 384
21.1. Общие сведения..............................................384
21.1.1. Определение, терминология и основные схемы ............384
10
21.1.2. Физические основы образования соединений.............. 385
21.1.3. Технологические возможности стыковой сварки 387
21.2. Технология стыковой сварки.................................. . 389
21.2.1. Свариваемые материалы и требования к конструкциям 389
21.2.2. Подготовка к сварке . 390
21.2.3. Выбор параметров режима .... 390
21.2.4. Обработка соединений после сварки . 392
21.3. Оборудование для стыковой сварки 392
21.3.1. Сварочные машины . . .......................... 392
21.3.2. Системы управления оборудованием 393
21.3.3. Приспособления и оснастка............................. 394
21.3.4. Машины-автоматы. Поточные автоматизированные машины . 394
21.4. Промышленное применение стыковой сварки 395
21.5. Контроль качества стыковой сварки 396
Глава 22. Расчет трансформаторов для машин контактной сварки
(Рыськова 3. А.) . 396
22.1. Конструктивное устройство контактных электросварочных машин 396
22.2. Место трансформатора в машине и его назначение . . 397
22.3. Конструкция трансформатора и его узлов . . . . 399
22.4. Техническое задание на расчет трансформатора 399
22.5. Определение величин технического задания . 401
22.5.1. Номинальный сварочный ток /2Я и время сварки /св 401
22.5.2. Первичное напряжение Ut . 401
22.5.3. Вторичное напряжение С4о...............................401
22.6. Продолжительность включения трансформатора (ПВ) . 404
22.7. Внешний контур контактной машины . . . 404
22.7.1. Сечения элементов внешнего контура ....................405
22.7.2. Активное сопротивление элементов внешнего контура гв . 407
22.7.3. Индуктивное сопротивление внешнего контура х»..........408
22.7.4. Активное сопротивление участка зоны сварки электрод —
электрод гвл...................................................412
22.7.5. Предварительные величины параметров трансформаторов г/
их/......................................................... 412
22.8. Электрический расчет трансформатора . . . . •............. 413
Раздел 4. ПАВКА, ПОКРЫТИЯ И НАПЛАВКА .426
Глава 23. Пайка (Хлудов Е. А.) ..............426
23.1. Общие сведения . ............. 426
23.1.1. Основные понятия и определения . . . . 426
23.1.2. Технологические возможности .... . 427
23.2. Припои................................................. . 428
23.3. Флюсы ... - .... . 434
23.4. Газовые среды............... . 439
23.5. Классификация способов пайки................................. 439
11
23.5.1. Пайка в печах с контролируемой атмосферой ......
23.5.2. Пайка в вакуумных печах ................................
23.5.3. Индукционная пайка......................................
23.5.4. Пайка электросопротивлением ...................
23.5.5. Электронно-лучевая пайка ...............................
23.5.6. Лазерная пайка . .
23.5.7. Пайка световым лучом....................................
23.5.8. Пайка погружением в расплавленные припои..................
23.5.9. Пайка погружением в расплавленные соли..................
23.5.10. Газопламенная пайка ... . . .
23.5.11. Пайка паяльником
439
440
440
441
442
443
443
444
445
446
447
23.6. Пайка металла с керамикой...................................448
Глава 24. Покрытия (Борисов Ю. С.) .448
24.1. Общие сведения..........................................................448
24.2. Определения, классификация и основные схемы ........ 449
24.2.1. Получение покрытий из парогазовой фазы..............449
24.2.2. Получение покрытий из растворов и тонких суспензий . . . 450
24.2.3. Получение покрытий из расплавов и полурасплавов .... 450
24.2.4. Получение покрытий из твердых веществ и их аэросмесей 450
24.3. Физические основы процессов нанесения покрытий .........................450
24.3.1. Напыление покрытий газопламенным методом . . .... 450
24.3.2. Напыление покрытий плазменно-дуговым методом . ... 451
24.3.3. Напыление покрытий детонационным методом (ДНП) . . . 451
24.3.4. Напыление покрытий методом электродуговой металлизации 452
24.3.5. Нанесение покрытий методом электронно-лучевого испарения 452
24.3.6. Нанесение покрытий методами высокоскоростного вакуумного
распыления.................................................. 452
24.4. Технологические возможности газотермических и вакуумных мето-
дов нанесения покрытий . . . 452
24.4.1. Газопламенный метод . . . . 452
24.4.2. Плазменно-дуговой метод ... 454
24.4.3. Детонационный метод . 455
24.4.4. Электродуговая металлизация...............•..............455
24.4.5. Электронно-лучевой метод ........................456
24.4.6. Методы ионно-плазменного нанесения покрытий .............456
24.5. Технология нанесения газотермических и вакуумных покрытий . 457
24.5.1. Подготовка деталей к газотермическому напылению . , . 457
24.5.2. Подготовка деталей к вакуумному напылению...............457
24.5.3. Подготовка материалов для нанесения газотермических по-
крытий ........................................................ 457
24.5.4. Подготовка поверхности деталей..........................457
24.5.5. Выбор технологических параметров режима нанесения покрытий 459
24.5.6. Материалы для нанесения покрытий.........................461
24.5.7. Выбор материалов для нанесения покрытий..................463
24.5.8. Механическая обработка напыленных покрытий...............465
12
24.6. Оборудование и технологическая оснастка для нанесения покрытий 465
24.6.1. Оборудование для газопламенного напыления . . 465
24.6.2. Оборудование для плазменного напыления . . . . 466
24.6.3. Оборудование для детонационного напыления .... . . 467
24.6.4. Оборудование для электродуговой металлизации...........468
24.6.5. Оборудование для электронно-лучевого нанесения покрытий . . 468
24.6.6. Оборудование для нанесения покрытий высокоскоростным ва-
куумным распылением............................................469
24.7. Практическое применение напыленных покрытий . .... 469
24.8. Контроль качества напыленных покрытий.......................474
Глава 25. Наплавка (Гладкий П. В., Жудра А. П., Рябцев И. А) 476
25.1. Общие сведения ....... . 476
25.1.1. Определения и термины . 476
25.2. Классификация способов наплавки.............................478
25.3. Термические способы наплавки . 478
25.3.1. Ручная дуговая наплавка штучными электродами . 478
25.3.2. Полуавтоматическая и автоматическая дуговая наплавка . 478
25.3.3. Электрошлаковая наплавка (ЭШН)................... 479
25.3.4. Плазменная наплавка (ПН)...............................481
25.3.5. Индукционная наплавка (ИН).............................481
25.3.6. Лазерная (световая) наплавка (ЛН) . 483
25.3.7. Электронно-лучевая наплавка (ЭЛН) . 483
25.3.8. Газовая наплавка (ГН)................. . 484
25.3.9. Печная наплавка композиционных сплавов . . 484
25.4. Термомеханические способы наплавки . ... 485
25.4.1. Электроконтактная наплавка (ЭКН) 485
25.4.2. Плакирование прокаткой и экструдированием..............485
25.5. Механические способы наплавки (наварки).....................486
25.5.1. Плакирование с использованием энергии взрыва.......... 486
25.5.2. Наплавка трением (НТ)................................. 486
25.6. Материалы для наплавки 486
25.6.1. Электродные проволоки ................................. . 486
25.6.2 Электродные ленты . 488
25.6.3. Порошки для наплавки...................................489
25.6.4. Электроды для дуговой наплавки 489
25.6.5. Флюсы для наплавки .................................. 490
25.6.6. Прочие наплавочные материалы ... ... 491
25.7. Наплавленный металл ..... 491
25.8. Основной металл .... . 492
25.9. Оборудование для наплавки . . . . 492
25.9.1. Оборудование для ручной наплавки.......................492
25.9.2. Оборудование для механизированной наплавки.............492
25.10. Производство наплавочных работ . ........................500
25.10.1. Выбор способа наплавки................................500
25.10.2. Подготовка наплавочных материалов и деталей под наплавку 501
25.10.3. Технология и техника наплавки.........................501
25.10.4. Термическая обработка деталей после наплавки..........501
13
25.11. Контроль качества наплавленного металла
25.11.1. Неразрушающие методы контроля качества наплавленного
металла......................................................^02
25.11.2. Разрушающие методы контроля качества наплавленного ме-
талла ..................................................... 502
Раздел 5. ТЕРМИЧЕСКАЯ РЕЗКА 502
Глава 26. Кислородная и кислородно-флюсовая резка (Сухинин Г. К.) 502
26.1. Общие сведения 502
26.2. Технология резки 504
26.2.1. Кислородная резка стали средних толщин 504
26.2.2. Кислородная резка стали малых толщин . 507
26.2.3. Кислородная резка стали больших толщин...............508
26.3. Оборудование и аппаратура для кислородной резки 510
26.4. Качество резки .................................... . . 515
Глава 27. Плазменная резка (Васильев К. В.)................ . . 516
27.1. Общие сведения 516
27.2. Технология . . 520
27.2.1. Материалы.......... 520
27,2.2. Выбор параметров режима . 522
27.2.3. Точность н качество резки . . . 525
27.3. Оборудование и оснастка ... 527
27.4. Промышленное применение метода.......................... . . 528
27.5. Техника безопасности, санитария и гигиена................. 528
Глава 28. Лазерная резка (Тихомиров А. В.) ...............529
28.1. Общие сведения . .... 529
28.1.1. Схема процесса . .... . 530
28 1.2. Физические основы ... 530
28.1.3. Модели резки ...............531
28.2. Технология . ....................................533
28.2.1. Особенности и требования к процессу резки . ...... 533
28.2.2 Режимы резки металлов ............................. . 533
28.2.3. Режимы резки неметаллических материалов ... . 535
28.2.4. Качество резки металлов ..................................536
28.2.5. Качество резки неметаллических материалов . .... 537
28.2.6. Точность резки............................................537
28.2.7. Особенности резки импульсно-периодическим излучением . . 538
28.2.8. Влияние поляризации излучения . 538
28.3. Оборудование и технологическая оснастка.................... . . 539
28.3.2. Конструктивные схемы роботов для резки объемных заготовок 540
28.3.3. Технологическая оснастка .... .....................540
28.3.4. Производительность оборудования . . ..............541
28.4. Промышленное применение ... ..........................542
14
Раздел 6. СВАРКА ПЛАСТМАСС....................
543
Глава
29.
Технология и оборудование для
ков С. С., Ощепков В. Е.) . .
сварки
пластмасс
(Вол-
g ggg g® § g g gs s ms s ssg ss s
29.1. Классификация способов сварки пластмасс.....................
29.2. Сварка нагретым газом.......................................
29.2.1. Сварка с присадкой.....................................
29.2.2. Сварка без присадки
29.2.3 Оборудование ...
29.3. Сварка экструдируемой присадкой (расплавом) .
29.3.1. Сущность и схемы процесса .... ...............
29.3.2. Бесконтактная сварка............
29-3.3. Контактно-экструзионная сварка . . . .
29.3.4. Оборудование ...
29.4. Контактная тепловая сварка..................................
29.4.1. Схемы процесса
29.4.2. Оборудование............................. . .
29.5. Сварка ультразвуком
29.5.1. Схемы процесса .
29.5.2. Контактная сварка ...
29.5.3. Передаточная сварка
29.5.4. Оборудование
29.6. Сварка трением и вибротрением . . . .
29.6.1. Схемы процесса ........................................
29.6.2. Оборудование.................................. . . .
29.7. Сварка токами высокой частоты
29.7.1. Схемы процесса .......................
29.7.2. Прессовая сварка
29.7.3. Роликовая сварка ......................................
29.7.4. Оборудование...........................................
29.8. Сварка ИК-нзлучением .................................. ...
29.8.1. Схемы процесса
29.8.2. Оборудование .......................
29.9. Сварка лучом лазера . ...
29.10. Сварка световым лучом......................................
29.11. Комбинированные, способы сварки полимеров . .
Библиографический список................................ . . . .
Содержание томов 1 и III
Том I. Свариваемость материалов
Раздел I. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СВАРКИ (гл. 1—6)
Раздел 2. УГЛЕРОДИСТЫЕ И НИЗКОЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ
(гл. 7—9)
Раздел 3. ЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ (гл. 10—12)
Раздел 4. ВЫСОКОЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ И СПЛАВЫ (гл. 13—21)
Раздел 5. ЧУГУНЫ (гл. 22, 23)
Раздел 6. ЛЕГКИЕ ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ (гл. 24—26)
Раздел 7. ТЯЖЕЛЫЕ ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ (гл. 27—30)
Раздел 8. ТУГОПЛАВКИЕ МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ (гл. 31)
Раздел 9. РАЗНОРОДНЫЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ (гл. 32,
33)
Раздел 10. МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ НАПЛАВКИ И НАПЫЛЕНИЯ (гл. 34,35)
Раздел 11. НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ (гл 36, 37)
Раздел 12. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ (гл. 38, 39)
Том III. Автоматизация. Качество. Безопасность
Раздел 1. СВАРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ И ИХ РАСЧЕТ (гл. 1, 2)
Раздел 2. АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОВ СВАРКИ (гл 3—8)
Раздел 3. РАСЧЕТНЫЕ МОДЕЛИ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА (гл. 9—16)
Раздел 4. МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА (гл. 17—22)
Раздел 5. БЕЗОПАСНОСТЬ ТРУДА И ЗАЩИТА СРЕДЫ ОБИТАНИЯ
(гл. 23—27)
16
ПРЕДИСЛОВИЕ
Настоящий справочник включает около ста статей, сгруппиро-
ванных в три тома. Том I относится к теоретическому базису
сварочных процессов и свариваемости материалов. В томе II
даются сведения по технологии и оборудованию. Том III со-
держит сведения по автоматизации процессов сварки, матема-
тическим методам оценки качества, неразрушающему контролю
швов, охране труда, защите окружающей среды и стандарти-
зации.
Справочник рассчитан на работников практически всех от-
раслей народного хозяйства. Составители и авторы справоч-
ника стремились подготовить материал, по стилю близкий
к лучшим изданиям соответствующего профиля, выпускаемых
в индустриально развитых странах на английском и немецком
языках.
Справочник снабжен подробным оглавлением и рубрика-
цией, облегчающей поиск требуемого материала.
Академик Г. А. Николаев
Профессор МГТУ им. Н. Э. Баумана докт. техн, наук
В. Н. Волченко
2—1063
ПРЕДИСЛОВИЕ К ТОМУ II
Во II томе справочника помещены материалы, связанные с тех-
нологией и оборудованием наиболее распространенных спосо-
бов сварки, термической резки, пайки, нанесения покрытий и
наплавки различных металлов и сплавов. Кроме того, рассмот-
рены сварка пластических масс и вопросы расчета сварных
соединений при статических и переменных нагрузках.
Ограниченный объем справочника не дает возможности под-
робно детализировать особенности технологии и оборудования
рассматриваемых процессов, в связи с чем читатель в случае
необходимости может воспользоваться соответствующей лите-
ратурой.
Развитие технологии и оборудования сварочных процессов
идет в настоящее время достаточно быстрыми темпами, по-
этому авторы особенно не стремились заострять внимание чи-
тателей на конкретных марках оборудования, которое доста-
точно быстро устаревает.
В то же время на современном научном уровне изложены
теоретические основы сварки, технология разных видов сварки
плавлением и давлением, свариваемость разных металлов,
контроль и управление качеством сварных швов.
Материалы справочника полезны как специалистам, работа-
ющим в области сварочной технологии и оборудования, так и
специалистам из других отраслей техники, впервые сталкиваю-
щимся со всем многообразием сварочных процессов, применя-
емых в промышленности.
Докт. техн, наук В. М. Ямпольский
Раздел
СВАРКА ПЛАВЛЕНИЕМ
Глава 1 РУЧНАЯ ДУГОВАЯ СВАРКА (РДС)
1.1. Общие сведения, классификация,
технологические возможности
При РДС (ручной дуговой сварке) зажигание дуги, поддержание ее длины
во время сварки, перемещение вдоль свариваемых кромок и подача электрода
в зону горения дуги по мере его расплавления осуществляется сварщиком
вручную. Качество сварки соединения во многом зависит от квалификации
сварщика: умения быстро зажигать дугу, поддерживать необходимую ее
длину, равномерно перемещать дугу вдоль свариваемых кромок, выполнять
требуемые колебательные движения электрода при сварке, сваривать шов
в разных пространственных положениях.
По количеству электродов РДС подразделяется на одно-, двух- и много-
электродную (пучком электродов). По роду применяемого тока: на сварку
при постоянном и переменном токе. Сваривать можно однофазной и трехфаз-
ной дугой.
Наиболее широкое распространение получила сварка металлическим пла-
вящимся электродом на постоянном и переменном токе.
Другие методы РДС применяются или для повышения производительно-
сти труда (например, сварка пучком электродов), или для получения опреде-
ленных типов швов сварных соединений (например, при сварке с отбортовкой
кромок), или при сварке легированных сталей, цветных металлов и их спла-
вов (например, сварка вольфрамовым электродом).
1.2. Технология РДС
1.2.1. Свариваемые материалы
С помощью РДС, как правило, свариваются стали: углеродистые обыкновен-
ного качества (по ГОСТ 380—88); углеродистые качественные конструкцион-
ные с нормальным (марок 10, 15 и 20) и повышенным (марок 15Г и 20Г) со-
держанием марганца (ГОСТ 1050—74 и ГОСТ 4543—71 соответственно);
низколегированные (ГОСТ 19282—73; ГОСТ 19281—73); легированные конст-
рукционные (ГОСТ 4543—71); теплоустойчивые (ГОСТ 20072—88); высоколе-
гированные (а также жаростойкие и жаропрочные Fe—Ni сплавы) по
ГОСТ 5632—72. Кроме того, с помощью РДС возможна сварка чугуна н
цветных металлов (А1, Си и их сплавов).
1.2.2. Электроды для РДС и примеры их промышленного
применения
Для РДС плавящимся электродом применяют электроды, представляющие
собой стержни из сварочной проволоки (длиной 0,225—0,450 м) с электрод-
ным покрытием. Покрытие наносят с целью: поддержания устойчивого горе-
ния дуги; защиты зоны сварочной дуги от воздействия О2 и N2 воздуха; обра-
зования на поверхности сварочной ванны и металла шва слоя шлака, защи-
щающего ванночку от доступа воздуха и замедляющего охлаждение шлака;
раскисления металла шва и его легирования.
2*
19
Сварочная проволока
Для изготовления электродных стержней применяют проволоку из стали и
цветных металлов. При сварке чугуна, бронзы и некоторых других металлов
применяют также литые электродные стержни.
По ГОСТ 2246—70 холоднотянутая сварочная проволока маркируется
следующим образом: малоуглеродистая — Св-08, Св-08А, Св-08АА, Св-08ГА
и СВ-10Г2; легированная — Св-08ГС, Св-12ГС, Св-08Г2С, Св-ЮГН,
Св-08ГСМТ и т. д. (всего 30 марок); высоколегированная Св-12Х11НМФ,
Св-ЮХИНВМФ, Св-12Х13, Св-20Х13, Св-06Х14, Св-08Х14ГНТ и т. д. (всего
41 марка).
Общие требования к электродам
Согласно ГОСТ 9466—75 по назначению электроды подразделяются для
сварки: У—-углеродистых и низколегированных конструкционных сталей
с ав<600 МПа; Л — легированных конструкционных сталей с <тв<600 МПа,
Т — легированных теплоустойчивых сталей, В — высоколегированных сталей
с особыми свойствами.
Электроды для сварки стали подразделяются на типы — по ГОСТ 9467—75
и ГОСТ 10052—75 и на марки — по стандартам или ТУ (при этом каждому
типу электрода может соответствовать одна или несколько марок).
ТАБЛИЦА 1.1
ОБОЗНАЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОДОВ ПО ПОЛЯРНОСТИ
ПРИМЕНЯЕМОГО ТОКА (ПО ГОСТ 9466—75)
Рекомендуемая полярность постоянного тока t/x х переменного тока, В Обозначение электрода
ном. предельные откло- нения
Обратная — — 0*
Любая 50 ±5 1
Прямая 50 ±5 2
Обратная 50 ±5 3
Любая 70 ±1,0 4
Прямая 70 ±1,0 5
Обратная 70 ±1,0 6
Любая 90 ±5 7
Прямая 90 ±5 8
Обратная 90 ±5 9
• Обозначены электроды, предназначенные для сварки только на постоянном токе
обратной полярности.
20
Рис. 1.1. Структура условного обозначения электродов по ГОСТ 9466—75 (ХМ — группа
индексов, указывающих характеристики наплавленного металла и металла шва
по ГОСТу)
По толщине покрытия в зависимости от отношения £>/da (D — диаметр
покрытия, da — диаметр электрода, определяемый диаметром стержня) элек-
троды подразделяют:
М— с тонким (£>/d8<l,20), С — со средним (l,20<P/d8cl,45), Д —
с толстым (l,45<D/do<l,80) и Г — с особо толстым (Z>/de>l,80) покрытием.
В зависимости от покрытия электроды подразделяют на виды: А (кислое
покрытие), Б (основное покрытие),Ц (целлюлозное),Р (рутиловое) и П (по-
крытия прочих видов). При покрытии смешанного вида используют соответ-
ствующее двойное обозначение. При наличии в покрытии железного порошка
в количестве >20 % к обозначению вида покрытия добавляется буква Ж-
По допустимым пространственным положениям сварочные электроды
подразделяют на группы: 1 — для всех положений; 2 — для всех положений,
кроме сварки вертикальной «сверху вниз»; З^для нижнего, горизонтального
на вертикальной плоскости и вертикального «снизу вверх»; 4 — для нижнего
и нижнего «в лодочку».
По роду и полярности применяемого /св, а также по номинальному на-
пряжению 17х.х используемого источника питания сварочной дуги перемен-
ного тока частотой 50 Гц электроды подразделяют в соответствии с табл. 1.1.
Структура условного обозначения электродов согласно ГОСТ 9466—75
показана на рис. 1.1 Полное условное обозначение электрода должно быть
указано на этикетках или в маркировке коробок, пачек и ящиков с электро-
дами.
Типы покрытых электродов для сварных конструкционных
и теплоустойчивых сталей
Требования к металлическим покрытым электродам для РДС углеродистых,
низколегированных и легированных конструкционных, а также легированных
теплоустойчивых сталей устанавливает ГОСТ 9467—75.
Электроды для сварки конструкционных сталей подразделяют на следую-
щие типы по механическим свойствам металла шва, наплавляемого металла
и сварных соединений при нормальной температуре:
— Э38, Э42, Э46 и Э50 —для сварочных углеродистых и низколегиро-
ванных конструкционных сталей с ов<500 МПа;
— Э42А, Э46А и Э50А —для сварочных углеродистых и низколегиро-
ванных конструкционных сталей с <тв«:500 МПа, когда к металлу шва
предъявляют повышенные требования по пластичности и ударной вязкости;
— Э55 и Э60 — для таких же сталей с <тв = 5004-600 МПа;
— Э70, Э85, Э100, Э125, Э150 — для сварочных легированных конструк-
ционных сталей повышенной и высокой прочности с <твз»6ОО МПа.
Химический состав металла, наплавленного электродами указанных выше
типов, должен соответствовать требованиям стандартов или ТУ на электроды
21
ТАБЛИЦА /.2
ТИПЫ ЭЛЕКТРОДОВ ДЛЯ СВАРОЧНЫХ УГЛЕРОДИСТЫХ
И НИЗКОЛЕГИРОВАННЫХ КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЕЙ.
ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ НАПЛАВЛЕННОГО МЕТАЛЛА
И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВЫПОЛНЕННОГО ИМИ
МЕТАЛЛА ШВА, НАПЛАВЛЕННОГО МЕТАЛЛА
И СВАРНОГО СОЕДИНЕНИЯ (ПО ГОСТ 9467—75)
Механические свойства при нормальной температуре Содержание в наплавленном
Тип металл шва или наплавленный металл сварочное соединение при d. < 3 мм металле. % (по массе)
% вБ, % кси. МДж/мя °в’ ^загиба• рад (град) S р
МПа
не менее не Солее
Э38 380 14 0,3 380 1,0 (60)
Э42 Э46 420 460 18 18 0,8 0,8 420 460 2,6 (150) 2,6(150) 0,040 0,045
Э50 500 16 0,7 500 2,0 (120)
Э42А 420 22 1.5 420 3,0 (180)
Э46А 460 22 1.4 460 3,0 (180)
Э50А 500 20 1,3 500 2,6 (150)
Э55 550 20 1,2 550 2,6 (150)
Э60 Э70 600 700 18 14 1,0 0,6 600 2,0 (120) 0,030 0,035
Э85 эюо 850 1000 12 10 0,5 0,5
Э125 1250 8 0,4 — —
Э150 1500 6 0,4 — —
Примечания: I. Для электродов типов Э38, 342, Э46, Э50, Э42А, Э46А, Э50А,
Э55 и Э60 приведенные значения механических свойств установлены в состоянии после
сварки, без ТО (термической обработки). После ТО механические свойства для электро-
дов перечисленных типов должны соответствовать требованиям стандартов.
2. Для электродов типов Э70, 385, Э100, Э125 и Э150 приведенные значения механи-
ческих свойств установлены для металла шва и наплавленного металла после ТО по ре-
жимам, регламентированным стандартами или ТУ на электроды конкретных марок. Ме-
ханические свойства металла шва и наплавленного металла в состоянии после сварки для
электродов перечисленных типов должны соответствовать требованиям стандартов или
ТУ на электроды конкретных марок.
3. Показатели механических свойств сварных соединений, выполненных электро-
дами типов 370, 385, 3100, 3125 и Э150 с d3 < 3 мм, должны соответствовать требованиям
стандартов или ТУ на электроды конкретных марок.
конкретных марок. Механические свойства металла шва, наплавленного ме-
талла и сварочного соединения должны соответствовать нормам, приведенным
в табл. 1.2.
Согласно ГОСТ 9466—75, в условном обозначении электродов группа ин-
дексов, указывающих характеристики наплавленного металла и металла шва,
в знаменателе (см. рис. 1.1) записывается так: первые два указывают мнни-
22
ТАБЛИЦА 1.3
ИНДЕКСЫ МЕТАЛЛА ШВА. ВЫПОЛНЕННОГО ЭЛЕКТРОДАМИ ДЛЯ
СВАРОЧНЫХ КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЕЙ
(ПО ГОСТ 9466—75)
Показа- тель Первые две цифры индекса •» Третья цифра индекса
0 1 2 3 4 5 6 7
«5. % 37 Любая - .
41 или 43 20 20 22 24 24 24 24 24
51 18 18 18 20 20 20 20 20
7Х, °C Любые Не ре- гламент тирует- ся + 20 0 —20 —30 —40 —50 —60
** Первые две цифры индекса — минимальные значения <тв в десятках МПа, т. е
вв= 370. 410, 430 и 510 МПа
•• Цифра характеризует одновременно б& и Т*. Если эти показатели соответствуют
разным индексам в таблице, то третий индекс устанавливают по б6, а затем в скобках при-
водят четвертый, дополнительный индекс, характеризующий 7'х.
•• Тх — минимальная температура, при которой ударная вязкость составляет не
менее 0.35 МДж/м*.
мальное значение ов, а третий — условно характеризует минимальные значе-
ния одновременно относительного удлинения 6В и критическую температуру
хрупкости 7’х (табл. 1.3). При этом характеристики механических свойств
определяются согласно требованиям ГОСТ 9466—75.
Электроды для сварки легированных теплоустойчивых сталей
По ГОСТ 9467—75 эти электроды в зависимости от химического состава
подразделяют на следующие типы: Э-09М, Э-09МХ, Э-09Х1М, Э-05Х2М.
Э-09Х2М1, Э-09Х1МФ, Э-10Х1М1НФБ, Э-10ХЗМ1БФ, Э-10Х5МФ
Химический состав металла, наплавленного электрода для сварочной ле-
гированной теплоустойчивой стали, а также механические свойства наплав-
ленного металла или металла шва должны соответствовать нормам, приве-
денным в табл. 1.4.
В условном обозначении электрода для сварочных легированных тепло-
устойчивых сталей группа индексов, указывающих характеристики наплав-
ленного металла и металла шва по ГОСТ 9466—75, должна включать два
индекса. Первый характеризует величину 7х (как третья цифра в табл. 1.3),
а второй — максимальную рабочую температуру, при которой регламентиро-
ваны показатели длительной прочности наплавленного металла и металла
шва (табл. 1.5).
23
ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ НАПЛАВЛЕННОГО МЕТАЛЛА
И НАПЛАВЛЕННОГО МЕТАЛЛА, ВЫПОЛНЕННЫХ ЭЛЕКТРОДАМИ
(ПО ГОСТ
Содержание элемента.
Тип электрода с SI Мп Сг NI
Э-09М 0,06—0,12 0,15—0,35 0,4—0,9
Э-09МХ 0,06—0,12 0,15—0,35 0,4—0,9 0,35—0,65 —
Э-09Х1М 0,06—0,12 0,15—0,40 0,5—0,9 0,80—1,20 —
Э-05Х2М 0,03—0,08 0.15—0,45 0,5—1,0 1,70—2,20 —
Э-09Х2М1 0,06—0,12 0,15—0,45 0,5—1,0 1,90—2,50 —
Э-09Х1МФ 0,06—0,12 0,15—0,40 0,5—0,9 0,80—1,25 —
Э-10Х1М1НФБ 0,07—0,12 0,15—0,40 0,6—0,9 1,00—1,40 0,6—0,9
Э-10ХЗМ1БФ 0,07—0,12 0,15—0,45 0,5—0,9 2,40—3,00 —
Э-10Х5МФ 0,07—0,13 0,15—0,45 0,5—0,9 4,00—5,50 —
Примечания: 1. Приведенные значения
стандартами или ТУ на электроды.
2. Показатели механических свойств сварных
конкретных марок.
механических свойств установлены
соединений, выполненных электро
ТАБЛИЦА 1.5
РАБОЧИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ШВОВ, ВЫПОЛНЕННЫХ
ЭЛЕКТРОДАМИ ДЛЯ СВАРКИ ТЕПЛОУСТОЙЧИВЫХ СТАЛЕЙ
(ПО ГОСТ 9466—75)
Г*, °C Вторая цифра индекса металла шва Т*, °C Вторая цифра индекса металла шва
Не регламентируется 0 530—545 5
или <450 550—565 6
450—465 1 570—585 7
470—485 2 590—600 8
490—505 3 >600 9
510—525 4
* Максимальная рабочая температура, при которой регламентируются показатели
длительной прочности наплавленного металла и металла шва.
Электроды для сварки высоколегированных сталей
с особыми свойствами
По ГОСТ 10052—75 предусмотрено 49 типов электродов для РДС коррозион-
ностойких, жаропрочных и жаростойких высоколегированных сталей мар-
тенситного, мартенсито-ферритного, ферритного, аустенито-ферритного и аусте-
нитного классов (Э-12Х13, Э-06Х13, Э-10Х17Т, Э-12ХПНМФ, Э-12Х11НВМФ
и др ).
24
ТАБЛИЦА 14
И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛА ШВА
ДЛЯ СВАРОЧНЫХ ЛЕГИРОВАННЫХ ТЕПЛОУСТОЙЧИВЫХ СТАЛЕЙ
9467-75)
% (по массе) Механические свойства при нормальной температуре
°в’ KCU,
Мо V Nb S р МПа в5, % МДж/м1
не более не менее
0,35—0,65 . . - 0,030 0,030 450 18 1,0
0,35—0,65 — —- 0,025 0,035 460 18 0,9
0,40—0,70 — — 0,025 0,035 480 18 0,9
0,40—0,70 —, — 0,020 0,030 480 18 0,9
0,80—1,10 — — 0,025 0,035 500 16 0,8
0,40—0,70 0,10—0,30 —. 0,025 0,030 500 16 0,8
0,70—1,00 0,15—0,35 0,07—0,20 0,025 0,030 500 15 0,7
0,70—1,00 0,25—0,50 0,35—0,60 0,025 0,030 550 14 0,6
0,35—0,65 0,10—0,35 — 0,025 0,035 550 14 0,6
для металла шва и наплавленного металла
после ТО по режимам.
регламентированным
да ми с d3 < 3 мм, должны соответствовать требованиям стандартов или ТУ на электроды
В основе классификации электродов по типу лежат химический состав и
механические свойства (табл. 1.6). Для некоторых типов электродов нормиру-
ется также содержание ферритной фазы в структуре (табл. 1.7), его стой-
кость к межкристаллитной коррозии и максимальная температура, при кото-
рой регламентированы показатели длительной прочности металла шва.
Приведенные нормы химического состава наплавленного металла и содер-
жание в нем ферритной фазы, а также механические свойства металла шва и
наплавленного металла должны быть проверены при испытании электродов
в соответствии с требованиями ГОСТ 9466—75.
Испытания наплавленного металла на межкристаллитную коррозию про-
водят согласно ГОСТ 6032—84 или по специальной методике, оговоренной
в стандарте или ТУ на электроды конкретной марки.
Условное обозначение электродов должно соответствовать ГОСТ 9466—75.
В знаменателе условного обозначения группа индексов указывающих харак-
теристики наплавленного металла и металла шва, должна состоять из четырех
цифр для электродов, обеспечивающих получение аустенито-ферритной струк-
туры наплавленного металла, и из трех — для остальных электродов. Индексы
характеризуют стойкость наплавленного металла и металла шва к МКК, жа-
ропрочность, жаростойкость и количество ферритной фазы в металле шва
(табл. 1.8). Все данные, необходимые для составления группы индек-
сов, должны быть взяты из стандартов или ТУ на электроды конкретных
марок.
Электроды для сварки чугуна и цветных металлов [5]
Требования к покрытым электродам для сварки чугуна и цветных металлов
(алюминия, меди и их сплавов) государственными стандартами не регламенти-
рованы, и все указанные электроды изготовляют по стандартам или ТУ на
электроды конкретных марок.
25
ТАБЛИЦА 1 е
ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ НАПЛАВЛЕННОГО МЕТАЛЛА И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛА
ШВА И НАПЛАВЛЕННОГО МЕТАЛЛА. ВЫПОЛНЕННЫЕ СВАРКОЙ ВЫСОКОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ
С ОСОБЫМИ СВОЙСТВАМИ
Тип электрода Содержание элемента в наплавленном металле, % (по массе)
С Si Мп Сг Ni
Э-12Х13 0,08—0,16 0,30-1,00 0,50—1,50 11,00—14,0 <0,60
Э-06Х13Н <0,08 <0,40 0,20—0,60 11,50—14,50 1,00—1,50
Э-10Х17Т <0,14 <1,00 <1,20 15,00—18,00 0,60
Э-12Х11НМФ 0,09—0,15 0,30—0,70 0.50—1,10 10,00-12,00 0,60—0,90
Э-12Х11НВМФ 0,09—0,15 0,30—0,70 0,50—1,10 10,00—12,00 0,60—0,90
Э-14Х11НВМФ 0,11—0,16 <0,50 0,30—0,80 10,00-12,00 0,80—1,10
Э-10Х16Н4Б 0,05—0,13 <0,70 <0,80 14,00—17,00 3,00—4,50
Э-08Х24Н6ТАФМ <0,10 <0,70 < 1,20 22,00—26,00 5,00-6,50
Э-04Х20Н9 <0,06 0,30—1,20 1,00-2,00 18,00-22,50 7,50—10,00
Э-07Х20Н9 <0,09 0,30—1,20 1,00—2,00 18,00—21,50 7,50—10,00
Э-02Х21Н10Г2 <0,03 <1,10 1,00—2,50 18,00-24,00 9,00—11,50
Продолжение табл. 1.6
Содержание элемента в наплавленном металле, % (по массе) Механические свойства металла шва при нормальной температуре
Тип электрода Мо V (Nb) прочие S р ав, МПа в6, % KCU, МДж/м*
элементы не более не менее
Э-12Х13 — — — 0,030 0,035 600 16 0,5
Э-06Х13Н — — — 0,030 0,035 650 14 0,5
Э-10Х17Т — — 0,05—0,20 Т1 0,030 0,040 650 — —
Э-12Х11НМФ 0,60—0,90 0,20—0,40 — 0,030 0,035 700 15 0,5
Э-12Х11НВМФ 0,60—0,90 0,20—0,40 0,80—1,30 W 0,030 0,035 750 14 0,5
Э-14Х11НВМФ 0,90-1,25 0,20—0,40 0,90—1,40 W 0,030 0,035 750 12 0,4
Э-10Х16Н4Б — (0,02—0,12) — 0,030 0,035 1000 8 0,4
Э-08Х24Н6ТАФМ 0,05—0,10 0,05—0,15 0,02—0,08 Ti; N < 0,20 0,020 0,035 700 15 0,5
Э-04Х20Н9 — — — 0,018 0,030 550 30 1.0
Э-07Х20Н9 Э-02Х21Н10Г2 — — 0,020 0,020 0,030 0,025 550 550 30 30 1,0 1,0
3
ТАБЛИЦА t .7
СОДЕРЖАНИЕ ФЕРРИТНОЙ ФАЗЫ В МЕТАЛЛЕ,
НАПЛАВЛЕННОМ ЭЛЕКТРОДАМИ ДЛЯ СВАРКИ
ВЫСОКОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ С ОСОБЫМИ СВОЙСТВАМИ
(ПО ГОСТ 10052—75)
Тип электрода Феррит- ная фаза. % Тип электрода Феррит- ная фаза, %
Э-06Х19Н11Г2М2, 2,5—5,5 Э-02Х20Н14Г2М2, 0,5—4,0
Э-08Х19Н10Г2Б, Э-09Х19Н11Г13М2Ф Э 07Х20Н9, 2,0—8,0 Э-02Х19Н9Б Э-08Х16Н8М2 Э-12Х24Н14С2, 2,0—4,0 2,0—10,0
Э-08Х19Н10Г2МБ, Э-07Х19Н11МЗГ2Ф, Э-08Х17Н8М2, Э-08Х20Н9Г2Б, Э-09Х19Н10Г2М2Б, Э-08Х19Н9Ф2Г2СМ, Э-10Х25Н13Г2 Э-10Х25Н13Г2Б Э-04Х20Н9, Э-02Х21Н10Г2 Э-08Х19Н9Ф2С2 Э-06Х22Н9, Э-10Х28Н12Г2 4,0—10,0 5,0—15,0 10,0—20,0
ТАБЛИЦА 1.8
ИНДЕКСАЦИЯ МЕТАЛЛА ШВА В УСЛОВНОМ ОБОЗНАЧЕНИИ
ЭЛЕКТРОДОВ ДЛЯ СВАРКИ ВЫСОКОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ
С ОСОБЫМИ СВОЙСТВАМИ (ПО ГОСТ 10052 — 75) **
Цифра индекса Расшифровка цифры индекса
первой*1 второй *® третьей *3 четвертой *‘
0 — Не нормируется
1 По специальной До 500 До 600 0,5—4,0
методике
2 ДМ или АМУ 510—550 610—650 2,0—4,0
3 Б 560—600 660—700 2,0—5,5
4 В или ВУ 610—650 710—750 2,0—8,0
5 ДУ 660—700 760—800 2,0—10,0
6 710—750 810—900 4,0—10,0
7 760—800 910—1000 5,0—15,0
8 810—850 1010—1100 10,0—20,0
9 — >850 >1100 —
** Наплавленный металл и металл шва не склонны к межкристаллитной коррозии;
испытание по методу (ГОСТ 6032 — 84).
Максимальная рабочая температура (°C), при которой регламентируются пока-
затели длительной прочности наплавленного металла и металла шва.
*’ Максимальная рабочая температура сварных соединений (°C), до которой допу-
скается применение электродов при сварке жаростойких сталей.
Содержание ферритной фазы в наплавленном металле для электродов, обеспечи-
вающих аустенито-феррнтную структуру наплавленного металла.
28
Для сварки чугуна наиболее часто используют электроды марок ОМЧ-1,
ВЧ-3, МНЧ-1, МНЧ-2, ЦЧ-ЗА, ЦЧ-4 и т. д. Для сварки алюминия и его спла-
вов широко распространены электроды марок ОЭА-1, ОЭА-2 и Л2, а для
сварки меди и ее сплавов — электроды марок «Комсомолец-100», МН-5 п
ОЭБ-1.
1.2.3. Особенности технологии сварки
Типы сварных швов и подготовка кромок
Основные типы и конструктивные элементы шва сварных соединений регла-
ментированы ГОСТ 5264—80, ГОСТ 11534—75 и ГОСТ 16037—80.
Техника сварки
Зажигают дугу кратковременным прикосновением конца электрода к изде-
лию. Вследствие протекания /,|э и наличия контактного сопротивления торец
электрода быстро нагревается до высокой температуры, и после отрыва элек-
трода от изделия устанавливается дуговой разряд, зазор не должен превы-
шать 4—5 мм, иначе дуга прервется. Необходимым условием возбуждения
дуги в момент отрыва электрода является обеспечение быстрого подъема на-
пряжения источником питания до 20—25 В.
«Ведут» дугу таким образом, чтобы свариваемые кромки проплавлялись
с образованием требуемого количества наплавленного металла и чтобы шов
был хорошо сформированным. Это возможно при условии, что /д постоянна,
а электрод перемещается по заданной траектории (/д — расстояние между
концом электрода и сварочной ванной). Нормальной считается /д=(0,5ч-
-s-l,2)dB в зависимости от марки электрода и условий сварки.
Постоянство /д зависит от квалификации сварщика, который должен под-
водить электрод к изделию равномерно, по мере расплавления места сварки.
Основные, наиболее часто используе-
мые способы перемещения конца
электрода при сварке приведены
в табл. 1.9. При очень короткой
дуге шов плохо формируется, а при
чрезмерно большой — уменьшается
глубина провара, повышается раз-
брызгивание, ухудшается качество
металла шва. В некоторых случаях
(например, при сварке электродом
с основным покрытием) это может
привести к образованию пор в ме-
талле шва.
В зависимости от длины свари-
ваемого стыка и толщины металла
бм« различают несколько способов
выполнения шва (рис. 1.2).
Короткие швы (длиной до
250 мм) обычно выполняют «на
проход». Швы средней длины (250—
1000 мм)—либо от середины
к краям, либо обратно-ступенчатым
способом. В последнем случае стык
разбивают на короткие участки
(100—300 мм). Сварку на каждом
участке ведут в направлении, обрат-
ном общему ее направлению; конец
последующего участка совпадает
с началом предыдущего.
а
1 . 2
-------•------
13 2 1 5 6 7 8
г
Рис. 1.2. Способы выполнения швов:
а — «на проход»; б — от середины
к краям; в — обратно-стуйенчатым спо-
собом «на проход»; г — обратно-ступенча-
тым способом от середины к краям: /—
6 — способы выполнения швов
29
ТАБЛИЦА 1.»
ТЕХНИКА ПЕРЕМЕЩЕНИЯ КОНЦА ЭЛЕКТРОДА [4—6]
Способ перемещения Характеристика способа Особенности применения
Ниточные валики без поперечных колебаний электрода. Ширина = = (0,84-1,5) d3 Возвратно-поступатель- ное движение электро- да Сварка тонкого металла, заварка первого слоя в многослойном шве и под- варка дефектов Короткие колебания — для увеличения ширины шва. Длинные колеба- ния — при сварке в по- толочном и вертикаль- ном положении
VW\V\M Не способствует уси- ленному прогреву кро- мок Сварка в нижнем поло- жении. Движение «по- лумесяцем» рекоменду- ется для стыковых сое- динений без скоса кро- мок
1WI> Способствует усиленно- му прогреву кромок Стыковые швы со скосом обеих кромок и угловые соединения в нижнем вертикальном положе- нии Односторонние тавровые швы со скосом кромок
^1 1 1 То же
AWAV Обеспечивает прогрев обеих кромок Угловые и стыковые швы за один проход
Способствует прогреву одной кромки Элементы конструкций разной толщины и т. п.
Улучшает прогрев кор- ня шва Соединения с полным проваром кромок
Примечание. При
должна превышать (2-М) ^э-
сварке с колебательными движениями ширина валика не
30
Рис. 1.3. Сварка металла большой толщины (015 мм)
а — однопроходная; б — многослойная; в — многопроходная
Рис. 1.4. Заполнение разделки каскадным методом (о) и горкой (б):
1—5 — способы выполнения многослойных швов
Длинные швы выполняют обратно-ступенчатым способом от середины
к краям, что уменьшает сварочные напряжения и деформации.
При сварке металла большой толщины швы выполняют за несколько
проходов слоями или валиками (рис. 1.3), что также способствует снижению
сварочных напряжений и деформаций. При первом способе каждый слой шва
выполняют за один проход, при втором — за несколько проходов. При сварке
слоями внутренние напряжения и, следовательно, деформации снимаются
в большей степени, чем при сварке валиками. Первый способ применяют пре-
имущественно при сварке угловых швов, второй — при стыковой сварке, так
как широкие швы высокого качества в верхней и средней частях разделки
выполнить сложно.
Для снижения сварочных напряжений и деформаций используют также
способ заполнения разделки каскадным методом или «горкой> (рис. 1.4). При
•том швы разбивают на короткие участки, а каждый последующий шов при
сварке накладывают на еще не остывший металл предыдущего слоя. Сварка
горкой — разновидность каскадного способа. При большой длине ее ведут
одновременно от середины к краям два сварщика.
.Режимы РДС
При РДС характеристиками режима сварки являются: d8, /Св, Ua, цс». род
тока, полярность и др. Величину /с» выбирают в зависимости от типа сва-
рочных соединений, марки и толщины металла, положения шва в пространстве
и т. д. (согласно рекомендациям технической документации на каждую кон-
кретную марку электрода).
Ориентировочные режимы сварки можно определить по зависимостям,
приведенным в табл. 1.10.
Род и полярность /ев зависят в основном от толщины металла и марки
лектрода. При небольшой толщине металла среднеуглеродистые и высоколе-
гированные стали сваривают преимущественно на постоянном токе обратной
полярности, что уменьшает вероятность образования прожогов и перегрев
металла. Малоуглеродистые и низколегированные стали средней и большой
толщины чаще сваривают на переменном токе для снижения расхода электро-
анергии и стоимости сварочного оборудования.
Напряжение дуги при РДС изменяется в сравнительно узких пределах и
выбирается на основании рекомендаций технической документации для дан-
31
ТАБЛИЦА !.1O
ОРИЕНТИРОВОЧНЫЕ РЕЖИМЫ СВАРКИ КОНСТРУКЦИОННЫХ
СТАЛЕЙ [5]
*Ме’ мм Соединение
стыковое тавровое нахлесточное
'св- А мм 'св' А аэ' мм 'св- А ds, мм
1,0 25—35 2 30—50 2 30—50 2,5
1,5 35—50 2 40—70 2—2,5 45—75 2,5
2,0 45—70 2,5 50—80 2,5—3 55—85 2,5—3
4,0 120—160 3—4 120—160 3—4 120—160 3—4
5,0 130—180 3—4 130—180 4 130—180 4
10,0 140—220 4—5 150—220 4—5 150—220 4—5
15,0 160—250 4—5 160—250 4-5 160—250 4—5
20,0 160—340 4—6 160—340 4—6 160—340 4—6
Примечание. При сварке закаленных сталей аустенитными электродами /
снижают на 25 %.
ной марки электрода. Скорость сварки обычно выбирают с учетом необходи-
мости получения слоя наплавленного металла, имеющего определенную пло-
щадь поперечного сечения.
При сварке многослойных стыковых швов с разделкой кромок число про-
ходов зависит от общей площади поперечного сечения наплавленного металла
и шва, наплавляемого за один проход.
Технология сварки углеродистых
и низколегированных сталей [4—6]
При сварке малоуглеродистых сталей в большинстве случаев не требуется
применение специальных технологических мер, направленных на предотвраще-
ние образования в металле околошовной зоны закалочных структур. В зави-
симости от прочностных показателей свариваемой стали широко используют
электрод с рутиловым и ильменитовым покрытием типов Э42 и Э46 (напри-
мер, АНО-6, АНО-4 и др.). Для особо ответственных стальных конструкций
применяют электроды с основным покрытием типов Э42А и Э46А (например,
УОНИ-13/45, СМ-11, Э-138/45Н и др., табл. 1.11). При сварке угловых швов
на толстом металле и первого слоя многослойного шва рекомендуется выпол-
нять предварительный подогрев свариваемых деталей до 120—150 °C — для
повышения стойкости металла шва против кристаллизационных трещин.
Среднеуглеродистые стали (Ст.5, СтЗО и др.) и некоторые низколегиро-
ванные стали с содержанием углерода и легирующих примесей, близким
к верхнему пределу, сваривают с предварительным подогревом до 150—
300 °C, что замедляет остывание изделий и во многих случаях позволяет из-
бежать образования малопластичных и хрупких закалочных структур. Для
этой же цели снижают скорость сварки, а также выполняют ее двумя и более
раздвинутыми сварочными дугами. Для сварки применяют электроды типов
Э42А, Э46А и Э50А с основным покрытием (УОНИ-13/45, УОНИ-13/55,
Э-138/45Н, АНО-Т и др.). При dB<4-r-5 мм обеспечивается <7„ металла шва
не ниже ов основного металла. Технология сварки высокоуглеродистых ста-
лей обязательно предусматривает предварительный подогрев до 350—400 °C,
иногда сопутствующий подогрев и последующую термическую обработку.
32
ТАБЛИЦА 1.11
ХАРАКТЕРИСТИКИ НАИБОЛЕЕ РАСПРОСТРАНЕННЫХ
ЭЛЕКТРОДОВ ДЛЯ СВАРКИ УГЛЕРОДИСТЫХ
И НИЗКОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ [1. 2. 5]
Электрод Ct . н* г/(А>ч) Род тока, поляр* кость •• Основное назначение электрода
тип • марка
Э42 ВСЦ-2 10,5 — Углеродистая и низколегирован-
ная сталь
ЦМ-7 10,6 =. г—* Малоуглеродистая сталь
АНО-6 10,0 = То же
Э42А УОНИ-13/45 8,5 = , ОП Ответственные сварные конструк-
ции из малоуглеродистой, сред- неуглеродистой и низколегиро-
ванной стали
СМ-11 9,5 = (ОП), ~ То же
Э46 АНО-4 8,5 Сварные конструкции из мало- углеродистой стали
ОЗС-6 10,5 = То же
МР-3 7,8 = (ОП), ~ Ответственныесварныеконструк- ции из малоуглеродистой стали с ав 400 МПа
АНО-29М 9,1 —» Сварка сверху вниз ответствен- ных сварных конструкций из малоуглеродистой стали
АНО-24 8,3 Ответственные сварные кон- струкции из малоуглеродистой
стали
АНМ-1 Э-138/45Н 9,0 Сварные конструкции из мало- углеродистых сталей, поверх- ность которых насыщена серой
Э46А 8,5 = (ОП) Малоуглеродистые и низколеги- рованные стали при постройке и ремонте судов
350 АНГ-1 12,3 —» Сварка наклонным электродом сварных конструкций из мало-
углеродистых и низколегирован- ных сталей
АНО-19 13,5 Сварка в нижнем положении сварных конструкций из тех же сталей
Э50А УОНИ-13/55 Э-138/50А 9,0 ОП Ответственные сварные кон- струкции из малоуглеродистых и низколегированных сталей
9,0 =, ~ Наружные швы корпусов судов из тех же сталей
Э50А АНО-Д 10,2 = (ОП), ~ Ответственные сварные конструк- ции судо- и энергомашинострое- ния из малоуглеродистых и низ- колегированных сталей
* По ГОСТ 9467—75.
• ОП — обратная полярность, ток постоянный (=) или переменный
3—1063
33
Продолжение табл. 1.11
Электрод “н- г/(А-ч) Род тока, поляр- ность ** Основное назначение электрода
тип* марка
Э50А АНО-9 9,7 = (ОП) Ответственные сварные кон- струкции из малоуглеродистых и низколегированных сталей. Сварка преимущественно сверху вниз
АНО-31 9,0 » Ответственные сварные кон- струкции из малоуглеродистых и низколегированных сталей
АНО-ЗО 12,5 То же, эксплуатация при Т —50 °C. Сварка в нижнем по- ложении
АНО-ТМ 10,2 Корневые и заполняющие слои, односторонние (без подварки корня шва) трубчатые соедине- ния из углеродистых и низколе- гированных сталей. Формирова- ние выпуклого обратного валика корневого шва
АНО-25 9,7 = (ОП), ~ Ответственные сварные кон- струкции из малоуглеродистых и низколегированных сталей, ра- ботающих при Т —70 °C
Э55 УОНИ-13/55У 9,5 = (ОП), ~ Сварка ванным способом арма- туры и обычная РДС сварных конструкций из малоуглероди- стых и низколегированных ста- лей
Э60 ВСФ-65 9,5 = (ОП), ~ Ответственные сварные кон- струкции из низколегированных сталей повышенной прочности, ов 650 МПа
УОН И-13/65 9,5 = (ОП), ~ Низколегированные хромистые, хромомолибденовые и хромо- кремнистомарганцевые стали
* По ГОСТ 9467—75.
♦* ОП — обратная полярность, ток постоянный (») или переменный
Кромки стыков тщательно обрабатывают, выдерживая равномерный за-
зор. Сборку изделий выполняют с помощью приспособлений, допускающих
свободную усадку в процессе сварки.
Прихватку и сварку выполняют постоянным током обратной полярности,
уменьшенным на 10—20 % по сравнению с /св для малоуглеродистых сталей.
Кратеры тщательно заплавляют, обеспечивая плавный переход шва к основ-
ному металлу.
При сварке металла толщиной >6 мм накладывают многослойные швы;
процесс ведут с интервалом между наложением слоев. Обязательно наклады-
вают отжигающий валик. Конструкции из закаливающихся сталей после
сварки подвергают термической обработке.
34
Технология сварки теплоустойчивых молибденовых
и хромомолибденовых сталей [4—6]
Сборку конструкций выполняют без подкладных колец, с помощью приспо-
соблений, исключающих прихватку или сводящих число прихваток к ми-
нимуму. Желательна разделка кромок с криволинейным скосом.
Перед сваркой при толщине металла бмс>10 мм необходим предвари-
тельный, а в процессе сварки—сопутствующий подогрев. Последний исклю-
чают в тех случаях, когда сварку ведут два сварщика. Сварку выполняют по-
стоянным током обратной полярности.
При 6мР>5 мм применяют многослойную сварку. При сварке вертикаль-
ных стыков с 6Ме>30 мм, а также горизонтальных стыков усиление шва вы-
полняют несколькими валиками. Последним накладывают отжигающий валик.
После сварки проводят термическую обработку (высокий отпуск).
Некоторые марки электродов для сварки легированных теплоустойчивых
сталей приведены в табл. 1.12.
ТАБЛИЦА 1.12
ХАРАКТЕРИСТИКИ НАИБОЛЕЕ РАСПРОСТРАНЕННЫХ МАРОК
ЭЛЕКТРОДОВ ДЛЯ СВАРКИ ЛЕГИРОВАННЫХ
ТЕПЛОУСТОЙЧИВЫХ СТАЛЕЙ* [1. 2. 5]
Тип электрода по ГОСТ 9467—75 Марка электрода Типичные механические свойства металла шва Назначение электрода
°В- МПа 65. % кси, МДж/ма
Э-09МХ ОЗС-11 560 22 1,20 Сварные конструкции из сталей 12МХ, 15МХ, 15Х1М1Ф и т. д., рабо- тающих при Т 510 °C
Э-09Х1М ТМЛ-1У 510 12 1,00 Паропроводы из сталей 12МХ 15Х1М1Ф, 20ХМФЛ и т. д. и эле- менты поверхностей на- грева из сталей 12Х1МФ, 12Х2МФБ и др.
Э-09Х1МФ ЦЛ-20 520 18 0,80 Сварные конструкции из сталей 12Х1М, 15Х1М1Ф, 20ХМФ-Л, 15Х1М1Ф-Л
Э-10ХЗМ1БФ ЦЛ-26М 500 18 1,20 Сварные конструкции из сталей 15ХМФКР, 12Х2МФБ и т. д., рабо- тающих при Т 600 °C
Э-10Х5МФ ЦЛ-17-63 620 18 То же, из Х5М, 15Х5МФА (работа в аг- рессивных средах при Т < 450 °C)
* Сварка на постоянном токе обратной полярности.
3*
35
Технология сварки высоколегированных сталей [4—6]
Сварку выполняют специальными электродами (табл. 1.13) на постоянном
токе обратной полярности; /св на 10—20 % меньше, чем для малоуглероди-
стой стали. Сварку выполняют короткой дугой без поперечных колебаний
конца электрода. Применяют укороченные электроды малого диаметра. Ко-
рень шва сваривают электродом с ds=2-e-3 мм.
Сварку ведут на повышенных скоростях, многослойными швами с боль-
шим интервалом времени между наложением отдельных слоев.
Аустенитные стали при сварке усиленно охлаждают; швы аустенитных
сталей, обращенные к агрессивной среде, сваривают в последнюю очередь.
Дугу зажигают на шве, кратеры тщательно заплавляют.
Хромистые стали сваривают с подогревом до 200—400 °C, после сварки
охлаждают до 150—200 °C и проводят высокий отпуск (нагрев в печи до
720—750°C с выдержкой в течение 5 мин на бМ(!=1 мм, но не менее 1 ч,
с последующим охлаждением на воздухе; при содержании 17—20 % Сг вы-
держку увеличивают до 10 мин на каждый миллиметр слоя 6Ие).
Окалиностойкие стали после сварки отпускают при 650 °C. Ферритные
стали (Х25, ХЗО) нагревают до 800—850 °C и охлаждают в воде. Термическую
обработку аустенитных сталей выполняют только для выравнивания струк-
туры шва и основного металла и для предупреждения межкристаллитной кор-
розии (стабилизирующий отжиг — нагрев в течение 2—3 ч при 850—900 °C или
закалка в воду после нагрева до 1050—1100 °C). Высокомарганцовистую
аустенитную сталь (Г13Л) сваривают в закаленном состоянии (последнее
ТАБЛИЦА 1.13
ПЕРЕЧЕНЬ НЕКОТОРЫХ
ВЫСОКОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ
ЭЛЕКТРОДОВ ДЛЯ СВАРКИ
С ОСОБЫМИ СВОЙСТВАМИ (1—51
Тип электрода по ГОСТ 10052—75 Марка электрода Марка свариваемой стали
Коррозионностойкие стали
Э-08Х20Н9Г2Б Э-02Х19Н9Б Э-02Х19Н18Г5АМЗ АНВ-35, ЦЛ-11 AHB-I3 АНВ-17 08Х18Н12Б, 12Х18Н10Т, 12Х18Н9Т (работа в агрессивных средах) 03Х18Н11, 03Х18Н12, ОЗХ18ГЗАНЮ и т. п. 03X16H15M3, 09Х16Н5МЗБ, 08Х17Н13М2Т, 08Х17Н5МЗТ и т. п.
Жаропрочные стали и сплавы
Э-10Х25Н13Г2 ОЗЛ-6 I 15Х25Т, 20Х23Н13 и т. д. (работа при 7 > 850 °C)
Жаростойкие стали
Э-10Х25Н13Г2 ЦЛ-25 20Х23Н18, 20Х23Н13, 15Х25Т, 15X28 и т. п. (работа при 850—1000 °C)
36
определяют с помощью магнита—закаленная сталь немагнитна). Аустенит-
ные стали подвержены сильному короблению, поэтому их сваривают с приме-
нением различных зажимов или обратно-ступенчатым способом и т. п.
1.3. Контроль качества сварных соединений
Методы контроля качества сварных соединений установлены ГОСТ 3242—79.
В нем определены методы контроля в зависимости от вида и размера дефек-
тов, их расположения, толщины материалов, а также способов сварки.
Глава 2 ДУГОВАЯ СВАРКА В ЗАЩИТНЫХ ГАЗАХ
2.1. Общие сведения
Сварка в защитных газах — один из распространенных способов сварки плав-
лением. По сравнению с другими способами он имеет ряд преимуществ, из
которых главные: возможность визуального, в том числе и дистанционного,
наблюдения за процессом сварки; широкий диапазон рабочих параметров ре-
жима сварки в любых пространственных положениях; возможность механи-
зации и автоматизации процесса, в том числе с применением робототехники;
высокоэффективная защита расплавленного металла; возможность сварки ме-
таллов разной толщины в пределах от десятых долей до десятков милли-
метров.
2.1.1. Определения, классификация и основные схемы
Сварка в защитных газах (СЗГ) —общее название разновидностей дуговой
сварки, осуществляемой с вдуванием через сопло горелки в зону дуги струи
защитного газа. В качестве защитных применяют: инертные (Аг, Не), актив-
ные (СО2, О2, N2, Н2) газы и их смеси (Аг+СО2+О2, Аг+О2, Аг+
+СО2 и др.).
Разновидности СЗГ можно классифицировать по таким признакам, как:
тип защитных газов, характер защиты в зоне сварки, род тока, тип электрода
и т. д. (рис. 2.1) [1]. По совокупности основных физических явлений процесс
дуговой сварки в защитных газах можно классифицировать по двум основ-
ным схемам — это сварка неплавящимся (СНЭЗГ) (рис. 2.2, п) и плавящимся
(СПЭЗГ) (рис. 2.2,6) электродами.
Сварочная дуга в среде защитных газов характеризуется относительно
большим разрядным током (от 5 до 500 А и выше) и низким катодным паде-
нием напряжения.
Для сварки неплавящимся электродом применяют в основном инертные
газы Аг и Не, а также их смеси в любом соотношении. Эти газы, особенно Не,
обладают высокими потенциалами ионизации, что затрудняет первоначальное
возбуждение дуги. Однако напряженность электрического поля (Е) в столбе
дуги в инертных газах имеет сравнительно низкое значение и поэтому дуговой
разряд в инертных газах отличается высокой стабильностью. При сварке пла-
вящимся электродом напряжение дуги и стабильность ее существования су-
щественно зависят от состава защитного газа (рис. 2.3).
Повышение напряжения дуги с увеличением концентрации молекулярных
газов (Н2, N2, О2 и СО2) объясняется интенсивным охлаждающим действием
этих газов в связи с затратами энергии на диссоциацию и отводом теплоты
за счет высокой теплопроводности. Увеличение напряжения дуги приводит
к снижению ее устойчивости.
37
38
О защитных газах
Рис. 2.1. Классификация способов сварки в среде защитных газов
3»
Рис. 2.2. Схема процесса сварки в защитном газе электродом:
а — неплавящимся (/ — электрод вольфрамовый; 2 — сопло; 3 — дуга;
4 — металл шва; 5 — изделие); б — плавящимся (/ — электрод; 2 —
цанга; 3 — сопло; 4 — дуга; 5 — металл)
Рис. 2.3. Зависимость напряжения
дуги от состава защитного газа
2.1.2. Защитные газы
Инертные газы. Практически полностью нейтральными по отношению ко всем
свариваемым металлам являются инертные одноатомные газы. Инертные газы
применяют для сварки химически активных металлов и сплавов, а также во
всех случаях, когда необходимо получать сварные швы, однородные по со-
ставу с основным и присадочным металлами.
В сварочном производстве используемый аргон поставляется в газообраз-
ном (табл. 2.1) и в жидком состояниях. Газообразный аргон отпускают, хра-
нят и транспортируют в стальных баллонах (по ГОСТ 949—73) или автоци-
стернах под давлением 15±0,5 или 20±1,0 МПа при 293 К.
40
ТАБЛИЦА l.t
СОСТАВ ГАЗООБРАЗНОГО АРГОНА, %
(ПО ГОСТ 10157 — 79)
Показатель Сорт
высший первый
Объемная доля, %: аргона >99,993 >99,987
кислорода <0,0007 <0,002
азота <0,005 <0,01
Массовая концентрация водяного пара при 293 К и давлении 0,1 МПа, г/м3 <0,007 <0,01
Объемная доля суммы углеродсодержащих соеди- нений в пересчете на СО2, % . <0,0005 <0,001
При поставке аргона в баллонах (по ГОСТ 949—73) вместимостью 40 дм3
объем газа в баллоне составляет 6,2 м3 (при номинальном давлении 15 МПа
и 293 К).
Гелий для сварки поставляется по ТУ 51-689—75 трех сортов: марки
А, Б и В (табл. 2.2). Транспортируют и хранят гелий в стальных баллонах
вместимостью 40 дм3 в газообразном состоянии при давлении 15 МПа или
в сжиженном состоянии при давлении до 0,2 МПа. Стоимость гелия значи-
тельно выше, чем аргона, поэтому его применяют в основном при сварке хи-
мически чистых и активных металлов и сплавов. Применение гелия обеспечи-
вает получение большей глубины проплавления (благодаря высокому значе-
нию потенциала ионизации), поэтому его применяют иногда в тех случаях,
когда требуется усиление проплавляющей способности дуги или получение
специальной формы шва.
Активные защитные газы. В качестве активных защитных газов при
сварке широко используют углекислый газ (см. гл. 3). К активным газам мо-
гут быть отнесены также азот и водород, используемые в некоторых свароч-
ных процессах как составная часть защитного газа.
В сварочном производстве азот иногда используют для сварки меди и
ее сплавов, по отношению к которым азот является инертным газом. По отно-
шению к большинству других металлов азот является активным газом, часто
вредным, и его концентрацию в зоне плавления стремятся ограничить.
Водород в сварочном производстве используют достаточно редко для
атомноводородной сварки и дуговой сварки в смеси (Аг+Нг до 12%). Водо-
род используют только в специальных областях сварки, поскольку он играет
важную роль в металлургических процессах сварки. Ввиду возможности обра-
ТАБЛИЦА 2.2
СОСТАВ ГЕЛИЯ (ПО ТУ 51-689—75), % (объемн.)
Компонент Нормы для гелия марок
А Б В
Гелий (не менее) 99,995 99,99 99,99
Водород (не более) 0,0001 0,0025 0,0025
Азот (не более) 0,0005 0,004 0,004
Кислород (не более) 0,0001 0,001 0,001
Аргон (не более) — 0,001 0,001
Водяные пары 0,0005 0,002 0,002
41
зования взрывоопасной смеси между водородом и воздухом при работе
с ним следует строго соблюдать требования техники безопасности.
Смеси газов. В ряде случаев для расширения технологических возможно-
стей дуговой сварки целесообразно применять смеси аргона и гелия. Добавка
гелия способствует повышению проплавляющей способности дуги.
1. Смесь Аг+( 104-30 % N2). Добавка N2 к аргону также способствует
повышению проплавляющей способности дуги. Эту смесь применяют при
сварке меди и аустенитной нержавеющей стали некоторых марок.
2. Смесь Аг+(14-5% О2). Примесь кислорода к аргону понижает крити-
ческий ток, при котором капельный перенос металла переходит в струйный,
что позволяет несколько увеличить производительность сварки и уменьшить
разбрызгивание металла. Аргонокислородную смесь применяют для сварки
малоуглеродистой и легированной стали.
3. Смесь Аг+(104-20 % СО2). Углекислый газ при сварке малоуглероди-
стой и низколегированной стали способствует устранению пористости в свар-
ных швах. Добавка СО2 к аргону повышает стабильность дуги и улучшает
формирование шва при сварке тонколистовой стали.
4. Тройная смесь 75 % Аг — 20 % СО2—5 % О2 обеспечивает высокую
стабильность дуги с плавящимся электродом при сварке стали, минимальное
разбрызгивание металла, хорошее формирование шва, отсутствие пористости.
При отсутствии готовых газовых смесей смешивание газов можно осу-
ществлять на сварочном посту. Состав смеси, подаваемой в горелку, регули-
руется изменением расхода газов, входящих в смесь. Расход каждого газа
регулируется отдельным редуктором и измеряется ротаметром типа РС-3.
Способы газовой защиты. По отношению к электроду защитный газ
можно подавать центрально или сбоку. Защиту сварочной ванны газом, исте-
кающим из горелки, принято называть струйной. Струйная защита относится
к наиболее распространенному способу местной зашиты при сварке. Качество
струйной защиты зависит от конструкции и размеров сопла, расхода защит-
ного газа и расстояния от среза сопла до поверхности свариваемого металла.
Наилучшая защита расплавленного металла обеспечивается при ламинарном
характере истечения газового потока из сопла горелки [2].
ТАБЛИЦА 2.3
РАСХОД АРГОНА ДЛЯ СОЕДИНЕНИЙ ВСТЫК
И ВНАХЛЕСТКУ ПРИ СВАРКЕ ВОЛЬФРАМОВЫМ ЭЛЕКТРОДОМ
Свариваемый материал Толщина, мм Расход Аг*, л/мин Расход, л на 1 м шва, при скорости сварки, м/ч
ручной механизированной
4 6 10 15 10 15 20 30
Алюминиевые 1 6 90 60 36 24 36 24 18 12
сплавы 1,5—3.0 7 105 70 42 28 42 28 21 14
>5 15 225 150 so 60 90 60 45 30
Коррозионностой- 0,5 3 45 30 18 22 18 12 9 6
кие стали 0,8—1,0 4 60 40 24 16 24 16 12 8
1,2—1.5 6 90 60 36 24 36 24 18 12
2,0—3,0 8 120 80 48 32 48 32 24 16
Титановые сплавы 1,0 6 90 60 36 24 36 24 18 12
1,9—3.0 7 105 70 42 28 42 28 21 14
• Только на сварку.
42
ТАБЛИЦА 1.1
РАСХОД АРГОНА ДЛЯ СОЕДИНЕНИЙ ВСТЫК
И ВНАХЛЕСТКУ ПРИ СВАРКЕ ПЛАВЯЩИМСЯ ЭЛЕКТРОДОМ
Свариваемый материал Толщина» мм Расход Аг*, л/мин Расход, л на 1 м шва, при скорости сварки, м/ч
15 20 30 40 50 60
Алюминиевые сплавы 2—5 8 32 24 19 16 12 9,6 8
6—8 10 •10 30 24 20 16 13 13
10 13 52 39 31 26 22 18 17
>12 15 60 45 36 30 25 20 19
Коррозиснностойкие 2—3 6 — 18 — 12 9 8 8
стали 4—5 8 — 24 — — 13 12 10
6—8 10 — 30 — — 16 14 13
10 12 — 36 — 24 20 17 15
* Только на сварку.
Ориентировочные данные для подсчета расхода аргона на I м шва при
сварке в нормальных условиях без сносящих потоков приведены в табл. 2.3
и 2.4 [1].
При нормировании расхода газа следует резервировать 15 % его количе-
ства на продувку газопровода перед началом работы, на неиспользуемый оста-
ток в баллоне (0,3—0,4 МПа), на сварку контрольных образцов и на под-
варку дефектов сварных швов.
Расход гелия рекомендуется определять по нормативам на расход аргона,
вводя поправочный коэффициент 1,3.
2.2. Процессы сварки
2.2.1. Сварка неплавящимся электродом
Сварка неплавящимся электродом в защитных газах
(СНЭЗГ) — это процесс, в котором в качестве источника теп-
лоты применяют дуговой разряд, возбуждаемый между воль-
фрамовым или угольным (графитовым) электродом и изде-
лием.
В последнее время сварка угольным электродом находит ог-
раниченное применение и используется, как правило, при изго-
товлении изделий неответственного назначения.
В качестве неплавящегося электрода наиболее широко при-
меняют вольфрамовые стержни. Вольфрам — самый тугоплав-
кий из известных материалов (по температуре плавления усту-
пает лишь углероду). Температура плавления его равна
3645 К, а плотность—19,3 г/см3. Вольфрам имеет низкий
коэффициент теплопроводности [Х= 177,8-?200,7 Вт/(м-К)],
самую низкую скорость испарения. Поскольку вольфрамовые
43
электроды при рабочей температуре характеризуются весьма
высокой химической активностью к кислороду, то в качестве
защитных газов применяют аргон, гелий и азот, являющиеся
по отношению к вольфрамовым сплавам инертными.
Применяемые вольфрамовые электроды должны отвечать
требованиям ГОСТ 23949—80.
Для сварки в среде инертных газов применяются электроды
00,5—10 мм из чистого вольфрама (ЭВЧ), вольфрама с при-
садками: диоксида тория (ЭВТ), оксидов лантана (ЭВЛ) и
иттрия (ЭВИ).
Пример условного обозначения электрода марки ЭВЛ 0 2,0 мм, дли-
ной 150 мм: «Электрод вольфрамовый ЭВЛ-2-150— ГОСТ 23949—80».
У нас в стране широкое распространение получили элек-
троды марок ЭВЛ и ЭВИ. Они выдерживают большую токо-
вую нагрузку и имеют повышенную эрозионную стойкость при
сварке по сравнению с электродами марки ЭВЧ. Диаметр
вольфрамового электрода выбирается в зависимости от вели-
чины сварочного тока (табл. 2.5). Вольфрамовые электроды
используются с заточкой под углом 20—90°.
Сварка постоянным током прямой полярности характеризу-
ется максимальной проплавляющей способностью. В широком
диапазоне параметров режима аргонодуговой сварки на посто-
янном токе прямой полярности на токах до 600 А доля тепло-
вой мощности, вводимой в изделие, составляет 40—85%, по-
тери на нагрев вольфрамового электрода — примерно 4—6%,
а лучевые потери от столба дуги — 7—30%.
Сварка постоянным током обратной полярности применя-
ется для стыковых соединений из алюминиевых и магниевых
сплавов. Потери на нагрев неплавящегося электрода-анода со-
ставляют >50 % общей мощности дуги и в несколько раз пре-
вышают долю мощности, затрачиваемую на нагрев вольфра-
мового электрода-катода, т. е. энергетически сварка током об-
ратной полярности невыгодна.
ТАБЛИЦА 2.5
ХАРАКТЕРИСТИКИ СВАРОЧНЫХ ВОЛЬФРАМОВЫХ ЭЛЕКТРОДОВ
(ГОСТ 23949—80)
Марка электрода Допустимая токовая нагрузка. А, при диаметре, мм Маркировка торцов прутка (цвет) Содержание активирующей присадки, %
2 3 4 S 6
ЭВЧ 20 190 380 590 760
ЭВЛ 90 250 490 720 870 Черный 1,1—1,4 LaaO,
ЭВИ-1 — — — 900 1200 Синий 1,5—2,3 Y2O,
ЭВИ-2 180 320 610 — — Фиолетовый 2,0—3,0 YaOs
44
Концентрация нагрева на изделии в этом случае ниже, швы имеют мень-
шую глубину и большую ширину проплавления, чем при сварке током пря-
мой полярности или переменным током. Преимуществом сварки дугой обрат-
ной полярности является то, что катодное пятно постоянно находится на из-
делии и вследствие катодного распыления происходит эффективное разруше-
ние оксидной пленки с обеспечением высокой чистоты поверхности сварочной
ванны. Однако значительная тепловая нагрузка на вольфрамовый электрод-
анод и опасность попадания материала электрода в шов ограничивают мощ-
ность дуги и производительность этого процесса. Как правило, сварка ведется
на токах до 150 А Следует отметить, что низкая концентрация нагрева,
блуждание и отклонение столба дуги крайне затрудняют сварку на токе об-
ратной полярности угловых соединений [1].
Сварка переменным током является наиболее распростра-
ненным процессом при изготовлении конструкций из алюмини-
евых и магниевых сплавов. Разрушение оксидной пленки про-
исходит в полупериод обратной полярности, когда основной ме-
талл является катодом. Так как разогретый вольфрамовый
электрод лучше эмиттирует электроны, чем алюминий, возни-
кает разбаланс токов прямой и обратной полярности; он ком-
пенсируется схемой управления источника сварочного тока.
Компенсация постоянной составляющей сварочного тока обе-
спечивает условия для полного разрушения оксидной пленки.
В состав оборудования для ручной сварки по-
стоянным током входят: источник сварочного тока с крутопа-
дающей внешней статической характеристикой (ВДУ-305,
ВДУ-504, ВДУ-505, ВДУ-601, ВСВУ-300); сварочная горелка
(табл. 2.6); устройство для первоначального возбуждения сва-
рочной дуги (ОСППЗ-ЗООМ, УПД-1, ВИР-101, ОСПЗ-2М и
др.); аппаратура управления сварочным циклом и газовой за-
щитой [3].
Оборудование для ручной сварки переменным током, кроме
основных узлов, входящих в состав оборудования постоянного
тока, включает в себя: устройство для стабилизации горения
дуги (например, стабилизатор-возбудитель дуги ВСД-01);
устройство для компенсации постоянной составляющей свароч-
ного тока.
В состав оборудования для автоматической сварки входят:
сварочная установка, сварочная головка, устройство для пере-
мещения сварочной головки и изделия, аппаратура управления
механизмами автомата. Универсальными автоматами трактор-
ного типа являются автоматы АДСВ-6 и АДГ-506.
Автомат АДСВ-6 предназначен для сварки неплавящимся
электродом в аргоне продольных швов изделий; комплектуется
унифицированной горелкой АСГВ-4.
Автомат АДГ-506 предназначен для сварки прямолинейных
швов во всех пространственных положениях; комплектуется
выпрямителем В ДУ-506 и возбудителем дуги ВИС-01. Свароч-
ный трактор перемещается по специальной направляющей
ленте, входящей в комплект автомата.
45
ТАБЛИЦА 2.6
ТЕХНИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ГОРЕЛОК
ДЛЯ РУЧНОЙ СВАРКИ ВОЛЬФРАМОВЫМ ЭЛЕКТРОДОМ [3]
Горелка /св- А
Диаметр вольфрамового электрода, мм
Воздушное охлаждение
ЭЗР-5 75 0.5; 1,0; 1,5
ЭЗР-З 66 150 1,5; 2,0; 3,0
ЭЗР-4 500 4,0; 6,0
ГР-4 200 0,6; 1,0; 1,2; 1,6; 2,0; 3,0
Водяное охлаждение
ГР-6 400 3,0; 4,0; 5,0; 6,0
ГР 10 500 5,0; 6,0; 8,0; 10,0
ГСН-1 450 3,0; 4,0; 5,0
ГСН-2 150 2,0; 2,5; 3,0
ГСН-3 70 2,0; 3,0
* Номинальный.
Для сварки труб выпускается ряд специализированных ав-
томатов [3].
Техника сварки. Сварку можно выполнять как с присадкой,
так и без нее. Для качественной сварки металлов, особенно
тонколистовых, следует обеспечить точную сборку и подгонку
свариваемых кромок. При автоматической сварке допускаются
зазоры (табл. 2.7).
Аргонодуговую сварку вольфрамовым электродом приме-
няют для стыковых, угловых, нахлесточных соединений в раз-
ных пространственных положениях. Форма подготовки кромок
зависит от толщины соединяемых элементов и возможности
производить сварку с одной или двух сторон.
Так, например, стыковые соединения стали толщиной до 3—4 мм, а алю-
миния до 5—6 мм свариваются без скоса кромок. Проплавление корня шва
стыкового соединения с разделкой кромок обычно осуществляется без приса-
дочной проволоки, затем разделка заполняется расплавленным металлом за
необходимое число проходов с подачей присадочной проволоки.
При необходимости ведения процесса на вертикальной плоскости шов сле-
дует выполнять сверху вниз для толщин до 5 мм и снизу вверх для больших
толщин. В этих случаях сварку рекомендуется выполнять одновременно с двух
сторон. При использовании .такого приема можно сваривать встык элементы,
например из алюминиевого сплава толщиной до 16 мм.
Сварка горизонтальных стыковых швов на вертикальной плоскости и по-
толочных стыковых швов затруднена из-за вероятности вытекания расплавлен-
ного металла из сварочной ванны, поэтому их следует избегать; там, где из-
бежать таких швов нельзя, их выполняют с разделкой кромок в несколько
проходов.
46
ТАБЛИЦА 2.7
ОСНОВНЫЕ ТИПЫ СОЕДИНЕНИЙ И ПОДГОТОВКА
КРОМОК ПРИ АВТОМАТИЧЕСКОЙ АРГОНОДУГОВОЙ СВАРКЕ
ВОЛЬФРАМОВЫМ ЭЛЕКТРОДОМ [1]
Форма разделки
кромок под сварку
Зазор $, мм, при сварке
без присадки с присадкой
Стыковое соединение
0,4—0,6 0—0,1 0—0,15
0,6—0,8 0 -0,15 0—0,2
1,0—2,0 0—0,25 0—0,3
2.0—3,0 0—0,3 0-0,4
3,0—4,0 0-0,5
0,6—1,0 0—0,2 0—0,2
1,0—2,0 0—0,3 0—0.3
2,0—3,0 0—0,3 0—0,4
3.0-4,0 — 0—0.5
3—12 — 0,5—1
5—2
Нахлесточное соединение
*
0,8—2,0 0—0.5 — —
2,0—10 — 0—0,8 2 (б, + б)
Угловое соединение
0,8—1,5
1,5—3,0
3—12
0—0,5
0—0,8
0—0,8
Для формирования корня шва можно использовать медные
или стальные съемные подкладки, флюсовую подушку. При
сварке активных металлов необходимо не только получить
хороший провар в корне шва, но и обеспечить защиту от воз-
духа с обратной стороны расплавленного и нагретого металла.
Это достигается использованием медных и других подкладок
с канавками, в которых подается защитный инертный газ. При
сварке труб и закрытых сосудов газ пропускают внутрь сосуда.
47
При соединении встык металла толщиной до 10 мм ручную
сварку ведут справа налево. Присадочный пруток при ручной
сварке тонколистового материала вводят не в столб дуги,
а несколько сбоку возвратно-поступательными движениями.
При автоматической и полуавтоматической сварке электрод
располагают перпендикулярно поверхности изделия. Угол ме-
жду ним и присадочной проволокой (обычно 0 2—4 мм) дол-
жен приближаться к 90°. В большинстве случаев присадочная
проволока подается в головную часть сварочной ванны и на-
ходится впереди дуги по ходу сварки.
Вылет конца электрода из сопла не должен превышать 3—
5 мм, а при сварке угловых швов и стыковых с глубокой раз-
делкой 5—7 мм. Длина дуги должна поддерживаться в преде-
лах 1,5—3 мм. Для предупреждения окисления вольфрама и
защиты расплавленного металла в кратере после обрыва дуги
подачу защитного газа прекращают через 5—10 с, а включают
подачу газа за 15—20 с до возбуждения дуги (для продувки
шлангов от воздуха). Возбуждение дуги достигается либо
с помощью осциллятора, либо путем касания электродом изде-
лия при уменьшенном до 7—10 А токе зажигания. При руч-
ной сварке алюминиевых сплавов в случае отсутствия осцилля-
тора дуга должна возбуждаться на угольной или медной пла-
стине.
2.2.2. Сварка плавящимся электродом
При сварке плавящимся электродом в защитных газах (СПЭЗГ) дуговой
разряд существует между концом непрерывно расплавляемой проволоки и из-
делием. Проволока подается в зону дуги с помощью механизма со скоростью,
равной средней скорости ее плавления; этим поддерживается постоянство
средней длины дугового промежутка. Расплавленный металл электродной
проволоки переходит в сварочную ванну и таким образом участвует в форми-
ровании шва.
Преимущества плавящегося электрода при сварке в защитных газах
следующие [1, 4]:
— высокая плотность мощности, обеспечивающая относительно узкую
зону термического влияния;
— возможность металлургического воздействия на металл шва за счет
регулирования состава проволоки и защитного газа;
— широкие возможности механизации и автоматизации процесса сварки;
— высокая производительность сварочного процесса.
При СПЭЗГ можно выделить три основные разновидности процесса дуго-
вой сварки: сварку короткой дугой; сварку длинной дугой; процесс с периоди-
ческими перерывами в горении дуги.
Сварка короткой дугой является естественным импульсным
процессом и осуществляется с постоянной скоростью подачи
электрода. Особенностью этого процесса являются частые пе-
риодические замыкания дугового промежутка (до 150—300 за-
мыканий в секунду), что определяется такими факторами, как:
напряжение между электродами, скорость подачи и диаметр
48
электрода, индуктивность сварочной цепи, свойства защитной
среды [4].
При сварке короткой дугой имеет место в основном мелко-
капельный перенос электродного металла с частотой, равной
частоте коротких замыканий.
Сварка короткой дугой обладает рядом технологических
преимуществ: возможность осуществления процесса при низ-
ких значениях тока и, как следствие, сварка во всех простран-
ственных положениях; высокая стабильность процесса и малые
потери металла на разбрызгивание при оптимальных электри-
ческих параметрах сварочной цепи.
Сварка длинной дугой — это процесс с редкими случайными
замыканиями дугового промежутка (3—10 замыканий в се-
кунду). В зависимости от режима сварки, защитного газа и
применяемых сварочных материалов наблюдаются разные
формы переноса металла: крупнокапельный, мелкокапельный,
струйный и струйно-вращательный.
При крупнокапельном переносе капля сравнительно боль-
шого размера образуется на электроде постепенно и долго
удерживается на нем. Основными силами, ответственными за
крупнокапельный перенос, являются сила тяжести и сила по-
верхностного натяжения.
При взаимодействии жидкого металла капли с защитными газами по-
верхностное натяжение существенно изменяется. Азот повышает поверхност-
ное натяжение, а кислород — снижает. С повышением температуры поверх-
ностное натяжение уменьшается. С увеличением сварочного тока уменьша-
ется роль силы тяжести в формировании капли и растет сжимающее действие
электромагнитных сил, способствующих отделению капли от конца электрода.
Благодаря этому по мере увеличения тока уменьшается размер капель
электродного металла, изменяется характер переноса металла от крупнока-
пельного к мелкокапельному, а затем при определенном значении тока, назы-
ваемом критическим, к струйному. Струйный процесс отличается высокой
стабильностью размеров капель и мелким разбрыз1иванием.
Определенным недостатком сварки плавящимся электродом
в Аг или смеси Аг—Не является сложность поддержания ста-
бильности струйного переноса из-за высокого поверхностного
натяжения жидкого металла в среде инертного газа. Для по-
вышения стабильности сварки, улучшения процесса переноса
электродного металла и формирования швов к аргону добав-
ляют окислительные газы: 1—5 % Ог или 5—25 % СОг. Диа-
пазон токов при стабильном ведении процесса сварки расширя-
ется. Обеспечиваются лучшее формирование металла шва и
меньшее разбрызгивание, лучшая форма провара по сравне-
нию со сваркой в чистом аргоне. Благодаря перечисленным
преимуществам сварка плавящимся электродом в смеси Аг—
О2, Аг—СО2, Аг—СО2—О2 широко применяется на практике.
Процесс с периодическими перерывами в горении дуги —
это процесс с прерывистым током. Управляемый процесс с при-
4—1063
49
нудительными перерывами в горении дуги обеспечивает надеж-
ный разрыв перемычки между электродом и сварочной ванной,
и заданное время горения дуги после короткого замыкания мо
жет найти практическое применение для сварки малых тол-
щин [4].
Значительная часть тепловой энергии переносится в свари-
ваемый металл электродным металлом.
Сварку плавящимся электродом обычно выполняют на токе
обратной полярности. При прямой полярности скорость рас-
плавления металла в 1,4—1,6 раза выше, чем при обратной,
однако дуга горит менее стабильно, с интенсивным разбрызги-
ванием.
Вылет электрода благодаря высокой плотности тока оказы-
вает существенное влияние как на энергетический баланс при
сварке, так и на стабильность процесса. К примеру, оптималь-
ные величины вылета стального электрода (ВЭ) следующие:
dt, мм ... 0.5 0,8 1,6 2.0 3,0
ВЭ, мм - - • 5—7 6—8 11—14 14—17 20—30
Оборудование для СПЭЗГ. При полуавтоматической сварке, когда воз-
можны значительные изменения вылета электрода, следует применять источ-
ники питания с жесткой внешней характеристикой. При автоматической
свайке, когда вылет электрода изменяется мало, можно применять источники
с жесткой и пологопадающей характеристиками.
Механизированная сварка осуществляется сварочными автоматами и по-
луавтоматами, обеспечивающими автоматическую подачу электродной прово-
локи и других сварочных материалов в зону плавления. При полуавтомати-
ческой сварке перемещение дуги вдоль свариваемого изделия осуществля-
ется сварщиком вручную. Полуавтоматы состоят из: горелки или комплекса
горелок со шлангами; механизма подачи электродной проволоки; кассеты ка-
тушки для электродной проволоки; шкафа или блока управления; провода
сварочной цепи и цепей управления; аппаратуры для регулирования и измере-
ния параметров газа и шлангов для газа; источника питания (см. гл. 7).
Техника сварки. К основным параметрам режима сварки
плавящимся электродом относятся ток, полярность, напряже-
ние дуги, диаметр и скорость подачи электродной проволоки,
расход и состав защитного газа, вылет электрода, скорость
сварки.
Сварочный ток, определяющий размеры шва и производи-
тельность процесса, зависит от диаметра и состава проволоки
и устанавливается в соответствии со скоростью ее подачи (рис.
2.4). В зависимости от диаметра проволоки рекомендуются оп-
ределенные пределы сварочного тока, при которых обеспечива-
ется стабильность процесса сварки. Напряжение на дуге уста-
навливается в соответствии с величиной тока и учетом форми-
рования шва, разбрызгивания металла и производительности
процесса.
Скорость сварки плавящимся электродом (обычно 15—
80 м/ч) выбирают в зависимости от производительности и ка-
чества формирования шва.
50
При автоматической свар-
ке плавящимся электродом
качественные соединения по-
лучают на металле толщиной
^1,0 мм, для полуавтомати-
ческой сварки толщина метал-
ла также ^1,0 мм. Металлы
толщиной 4—12 мм сварива-
ют за два прохода с двух сто-
рон, металлы толщиной 15—
20 мм сваривают за два-три
прохода при V-образной раз-
делке кромок с углом 60° и
притуплением 2—4 мм. При
ЮО 200 Х01с,,А
Рис. 2-4. Зависимость величины свароч-
ного тока от скорости подачи проволоки:
цифры у кривых — диаметр электрода, мм
толщине 20—30 мм применяют двухстороннюю разделку кро-
мок с углом 60° и притуплением 2—4 мм. Металлы большей
толщины целесообразно сваривать при узкой щелевой разделке
кромок за несколько проходов.
При сварке в вертикальном, горизонтальном и потолочном
положениях используется проволока 01,2 мм, при автомати-
ческой и полуавтоматической сварке в нижнем положении —
проволока 0 1,2—3,0 мм.
2.2.3. Импульсно-дуговая сварка
Технологические возможности дуговой сварки в защитных газах можно
значительно расширить, если применять в качестве источника тепла импульс-
ную (пульсирующую) дугу. Сущность способа сварки импульсной (пульси-
рующей) дугой состоит в том, что скорость и количество вводимой в изделие
теплоты определяются режимом пульсации дуги, который в свою очередь
устанавливается по определенной программе в зависимости от свойств сва-
риваемого материала, его толщины, пространственного положения шва и т. п.
При сварке неплавящимся электродом импульсная дуга предназначена для
регулирования процесса проплавления основного металла и формирования
шва, при сварке плавящимся электродом — для регулирования процесса рас-
плавления и переноса электродного металла.
Сварка вольфрамовым электродом. В этом процессе дуга
пульсирует с постоянным заданным соотношением импульса и
паузы (рис. 2.5). Сплошной шов получают путем расплавления
отдельных точек с определенным перекрытием.
Регулярность повторных возбуждений в начале каждого
импульса, а также пространственная устойчивость дуги обеспе-
чиваются благодаря горению в промежутках между импуль-
сами маломощной дежурной дуги (ток порядка 10—15 % <>т
тока в импульсе). Дежурная дуга во время паузы не оказы-
вает существенного влияния на глубину проплавления. За счет
правильного подбора соотношения токов импульсной и дежур-
ной дуг можно полностью устранить кратеры в точках и, та-
4*
51
t
Рис. 2.5. Изменение сварочного
тока при импульсной сварке воль-
фрамовым электродом
ким образом, уменьшить перекры-
тие точек и повысить скорость
сварки.
Основными параметрами им-
пульсно-дугового процесса сварки
являются длительности импульса
<и и паузы tn, длительность цикла
сварки Tn — tu + tn и шаг точек s =
= Цсв(/и + Лт), где vCB— скорость
сварки.
Безразмерная величина G = tn/tn
является одним из технологических параметров, характеризу-
ющих проплавляющую способность периодически горящей
дуги при заданных энергии импульса и длительности цикла.
Эта величина называется жесткостью режима. Край-
ними значениями жесткости режима можно характеризовать
способ дуговой сварки. Так, для обычной сварки непрерывно
горящей дугой жесткость G=0, а для дуговой точечной сварки
G=oo. Варьируя параметрами импульсного процесса, можно
эффективно воздействовать на форму и размеры сварочной
ванны, кристаллизацию металла, а также на формирование
шва, временные и остаточные деформации и другие показа-
тели процесса сварки.
В отношении проплавляющей способности импульсная дуга
наиболее эффективна при сварке тонколистовых материалов
толщиной 2—3 мм и меньше. Благодаря более эффективному
использованию поверхностного натяжения металла при им-
пульсно-дуговой сварке улучшаются условия формирования
шва в различных пространственных положениях. Это обусло-
вило широкое применение импульсной дуги при сварке верти-
кальных, горизонтальных и потолочных швов на металлах ши-
рокого диапазона толщин, а также при автоматической сварке
неповоротных стыков труб.
Основные технологические рекомендации по импульсно-ду-
говой сварке тонколистовых материалов такие же, как и при
ТАБЛИЦА 2.
РЕЖИМЫ АВТОМАТИЧЕСКОЙ
СТАЛИ
ИМПУЛЬСНО-ДУГОВОЙ СВАРКИ
ТИПА 18-8 [1]
Толщина, мм <и- с Гц. с G /„. А 'д к А 5, ММ
0,4 0,04—0,12 0,18—0,34 1-3 40—60 1—4 1,0—1,8
0,8 0,12—0,26 0,36—0,60 1—2 80—140 4—8 1,2—1,8
2,0 0,20—0,38 0,40—0,68 0,8—1,5 160—250 6—10 1,2—2,0
3,0 0,28—0,46 0,44—0,76 0,8—1,2 250—330 8—15 1,5—2,5
52
сварке постоянной дугой. При выборе режима сварки большое
значение имеет шаг точек (табл. 2.8).
Для импульсно-дуговой сварки применяются источники пи-
тания серии ВСВУ, ТИР либо широко используемые сварочные
преобразователи постоянного тока с прерывателями и регуля-
торами тока.
Импульсно-дуговая сварка плавящимся электродом (ИДСП)
применяется в подавляющем большинстве случаев при непре-
рывном горении дуги, на основной сварочный ток которой пе-
риодически накладываются импульсы тока с частотой в не-
сколько десятков герц. В результате электродинамическая сила
становится преобладающей, что вызывает отделение капли.
При ИДСП происходит управляемый перенос металла с ча-
стотой переноса равной (или кратной) частоте импульсов, в то
время как среднее значение тока может быть небольшим и
значительно меньшим критического. По сравнению со сваркой
неплавящимся электродом ИДСП позволяет в 3—8 раз повы-
сить производительность процесса и значительно снизить сва-
рочные деформации при практически одинаковом качестве
сварных соединений. ИДСП может применяться для конструк-
ций ответственного назначения из разных марок сталей, алю-
миниевых, медных, никелевых сплавов и титана толщиной от
1 до 50 мм при выполнении швов во всех пространственных
положениях. Благодаря высокой пространственной стабилиза-
ции дуги и возможности применения вылета электрода боль-
шой длины этот процесс может быть успешно применен для
сварки стыковых соединений толстолистовых материалов с уз-
кощелевой подготовкой кромок.
К отечественному оборудованию для ИДСП относятся ге-
нераторы импульсов ГИД-1 и ГИ-ИДС, импульсные выпрями-
тели НУП-1, ВДГИ-301 и полуавтомат ПДИ-303 (3].
Наибольшее распространение ИДСП получила для сварки
алюминиевых сплавов толщиной ^15 мм и специальных ста-
лей толщиной > I мм.
Для каждого сварочного тока должны быть выбраны опти-
мальные частота и энергия импульсов. Частоту 50 Гц следует
применять при малых токах, когда использование частоты
100 Гц невозможно. При токах свыше 70—100 А следует при-
менять частоту 100 Гц, так как при частоте 50 Гц увеличива-
ется чешуйчатость шва, его пористость и дымообразование.
В табл. 2.9 приведены рекомендуемые режимы для ИДСП
в аргоне [3].
Техника ИДСП в нижнем положении не отличается от тех-
ники обычной полуавтоматической сварки плавящимся элект-
родом. Сварка вертикальных швов производится снизу вверх.
Сварку стальных конструкций толщиной до 2 мм можно вы-
полнять сверху вниз. При импульсно-дуговой сварке плавя-
53
ТАБЛИЦА 2.9
ОРИЕНТИРОВОЧНЫЕ РЕЖИМЫ ИДСП В АРГОНЕ
Тип соединения h, мм ^СВ’ А ил, В 1. Гц dn- мм Аг, л/мин п
Хромоникелевая сталь типа 18-8
Стыковые и тав- 1,0—1,2 50—70 18—19 50 1.0—1,2 9—11 1
ровые без раз- 1,5—2,0 65—130 18—20 50—100 1,0—1,4 10—12 1
делки кромок 3,0—4,0 90—170 20—23 100 1,2—1,6 12—16 1
Стыковые с V- 5,0—8,0 160—300 22—28 100 1,6—2,0 15—20 1
образной раз- делкой
Алюминиевые сплавы
Стыковые с зазо- 2 60—80 17—18 50 1,2 7—9 2
ром 0—0,5 мм 3 90—120 18—19 100 1,2—1,6 8—10 2
Стыковые с за- 4 130—160 19—21 100 1,2—1,6 10—12 2
зором 0—1 мм 6 160—190 20—22 100 1.6 13—14 2
Стыковые с од- 8 170—200 20—22 100 1,6—2,0 13—14 2
носторонней V- образной раздел- 10-12 220—280 22—24 100 2,0—2,5 14—16 3
кой кромок Стыковые с двух- 14—16 240—280 22—24 100 2,0—2,5 14—16 4
сторонней X- образной раздел- 18—20 250—300 22—24 100 2,0—2,5 14—16 4—6
кой кромок Угловые 3 80—100 18—19 100 1,2—1,6 8—9 2
6—8 160—220 19-21 100 1,6 10—12 2
Примечание, h — толщина свариваемых изделий, ?св — ток сварки; U —
напряжение дуги, f — частота импульсов, dn — диаметр проволоки. Аг — расход аргона,
л — число проходов.
щимся электродом алюминиевых сплавов толщиной >4 мм
рекомендуется совершать поперечные колебания.
Скорость подачи проволоки выбирается из условия ведения
сварки, в режиме короткой дуги, но без замыканий дугового
промежутка, в зависимости от ее диаметра и сварочного тока
(табл. 2.10).
ТАБЛИЦА 2.10
ВЫБОР СКОРОСТИ ПОДАЧИ ПРОВОЛОКИ ДЛЯ ИДСП
Свариваемый металл Диаметр проволоки* мм Скорость подачи проволоки, м/мин. при токе. А
40 75 100 150 200 300
Алюминиевые сплавы 1,2 2,4 4,5 6 9 12 18
1,6 1,4 2,5 3.3 5 6,7 10
2,0 — 1,6 2.1 3,2 4,2 6,4
Сталь 1,2 — 2,4 3.6 4,8 7,2 9,6
1,6 —— — 2 3 4 6
2.0 — — — 1,7 2,3 3,4
Б4
2.2.4. Специальные способы сварки
Для расширения диапазона свариваемых толщин, увеличения
производительности процесса сварки в защитном газе и повы-
шения качества сварных соединений разработан ряд специаль-
ных способов.
Сварка трехфазной дугой. К двум вольфрамовым электро-
дам и свариваемому изделию подводится переменный ток от
трехфазного источника питания. Одновременно горят три
дуги — две между каждым из электродов и изделием и неза-
висимая дуга меньшей мощности между электродами. Свароч-
ная ванна защищена струей инертного газа. Высокая проплав-
ляющая способность трехфазной дуги открывает возможность
сварки материалов больших толщин без разделки кромок (для
алюминиевых сплавов до 20 мм) за один проход. Эффектив-
ный к. п. д. нагрева трехфазной дугой составляет 0,5—0,53,
coscp достигает 0,7. Благодаря замедленному охлаждению и
хорошему рафинированию металл сварного шва имеет высо-
кие механические свойства. Наибольшее применение сварка
трехфазной дугой нашла в производстве конструкций из алю-
миниевых сплавов. При этом затраты на выполнение 1 м шва
сокращаются в несколько раз по сравнению с аргонодуговой
сваркой плавящимся электродом.
Сварка вольфрамовым электродом с подогреваемой приса-
дочной проволокой (рис. 2.6). Подогрев присадочной прово-
локи 1 осуществляется за счет джоулева тепла при пропуска-
нии тока через проволоку от дополнительного трансформатора
2. Механизм подачи присадочной проволоки и токоподвод 3
должны быть электрически изолированы от изделия. Приса-
дочная проволока, как правило, подается в сварочную ванну
сзади дуги и направляется под углом 30—60° от оси
горелки.
Применение подогретой присадочной проволоки позволяет
существенно увеличить производи-
тельность процесса.
Многодуговая сварка вольфра-
мовым электродом. Сварка несколь-
кими вольфрамовыми электродами,
расположенными вдоль линии шва,
является эффективным способом
получения швов без подреза при
высоких скоростях сварки. На
практике используются двух- или
трехэлектродные горелки. Расстоя-
ния между электродами устанав-
ливаются в пределах 15—30 мм.
При многодуговой сварке вольфра-
Рис. 2.6. Схема процесса сварки
вольфрамовым электродом с подо-
греваемой присадочной проволо-
кой
55
мовыми электродами прямо-
шовных труб из нержавею-
щих сталей скорость сварки
увеличивается в 2—3 раза по
сравнению с однодуговой свар-
кой.
Сварка вольфрамовым
электродом погруженной ду-
гой [5]. В этом способе ис-
пользуют вольфрамовый элек-
трод увеличенного диаметра
(6—10 мм) и повышенный
сварочный ток. Соединение со-
бирают встык без разделки
кромок, без зазора. При уве-
личении подачи защитного
газа до 40—50 л/мин дуга
углубляется в основной ме-
в нем полости. Это позволяет
Рис. 2.7. Схема дугового разряда с по-
лым катодом в вакууме:
1 — ствол горелки; 2 — натекатель плаз-
мообразующего газа; 3 — полый термо-
электронный катод; 4 — анод (изделие)
талл и горит в образовавшейся
опустить электрод так, чтобы дуга горела ниже поверхности
металла. Этим способом можно сваривать титан, алюминий,
высоколегированные стали и другие металлы толщиной до
36 мм с двух сторон.
Дуговая сварка в контролируемой атмосфере. Для сварки
тугоплавких и активных металлов, часто выполняемой воль-
фрамовым электродом, для улучшения защиты нагретого и
расплавленного металлов от возможного подсоса в зону сварки
воздуха используют специальные камеры. Небольшие детали
помещают в специальные камеры, откачивают воздух до со-
здания вакуума до 1 • 10-2 Па и заполняют инертным газом
высокой чистоты. Сварку выполняют вручную или автомати-
чески с дистанционным управлением.
Для сварки в контролируемой атмосфере крупногабаритных
изделий находят применение обитаемые камеры объемом до
450 м3. Сварщик находится внутри камеры в специальном ска-
фандре с индивидуальной системой дыхания.
Дуговая сварка неплавящимся полым катодом в вакууме
(рис. 2.7). В качестве источника тепла используется дуговой
разряд с полым катодом (ДРПК) [6]. Процесс сварки осуще-
ствляется стабильно в диапазоне давления в камере от I до
1-10 2 Па при подаче через полость катода аргона 1—2 мг/с
(2—4 л/ч). При этом эффективный к. п. д. составляет 0,8—
0,85. Возможность регулирования процесса эффективной мощ-
ностью и распределением плотности теплового потока в пятне
нагрева в широких пределах за счет изменения тока разряда,
длины дугового промежутка, подачи аргона через катод и воз-
действия аксиального и поперечного магнитных полей позво-
56
ляет получать качественные сварные соединения тугоплавких
и химически активных сплавов толщиной от 0,5 до 20 мм (и
более). Применение этого способа сварки имеет определенные
металлургические преимущества, так как способствует удале-
нию газов из расплавленного металла. Содержание газов в ме-
талле шва примерно такое же, а иногда и меньше, чем при
электронно-лучевой сварке.
Сварка дугой, управляемой магнитным полем. Магнитное
управление дугой позволяет увеличить скорость сварки, умень-
шить зону перегрева и повысить пластичность металла, воз-
действовать на микроструктуру путем электромагнитного пере-
мешивания сварочной ванны. Управление дугой при помощи
магнитного поля облегчает сварку деталей малых толщин. При
сварке в пульсирующем режиме или в знакопеременном маг-
нитном поле титана, а также алюминиевых и магниевых спла-
вов отмечено измельчение структуры в шве и околошовной
зоне.
Сварка с принудительным формированием шва. Вертикаль-
ные швы на металлах большой толщины на практике свари-
вают в защитных газах с принудительным формированием
с помощью охлаждаемых ползунов. В зависимости от толщины
металла сварку ведут одной или несколькими электродными
проволоками. Защитный газ подается в зазор через специаль-
ное сопло в ползуне. Помимо принудительного формирования,
водоохлаждаемые ползуны позволяют обеспечить благоприят-
ный термический цикл металла шва и околошовной зоны, не-
смотря на повышенные значения погонной энергии процесса.
Сварка электрозаклепками. Дугой с плавящимся электро-
дом в среде защитных газов можно приваривать к деталям
листы толщиной до 8 мм. Для сварки в верхнем листе про-
сверливают или пробивают отверстие. Сварку ведут с пода-
чей электродной проволоки, время горения дуги задают в со-
ответствии с условиями сварки.
2.3. Особенности сварки разных металлов и сплавов
2.3.1. Сварка сталей
Сварка малоуглеродистых и низколегированных сталей в инертном газе при-
меняется редко, так как эти стали хорошо свариваются под флюсом и
в углекислом газе.
Высокие технологические свойства при сварке сталей обеспечиваются при
добавке к аргону до 1—5 % кислорода. Кислород способствует увеличению
плотности металла шва, улучшению сплавления, уменьшению подрезов и уве-
личению производительности процесса сварки.
Для сварки низкоуглеродистых и низколегированных сталей может также
применяться аргон с добавкой 10—20 % углекислого газа. Углекислый газ
способствует устранению пористости в швах и улучшению формирования
шва.
67
ТАБЛИЦА 2. И
РЕЖИМЫ АРГОНОДУГОВОЙ СВАРКИ ВЫСОКОЛЕГИРОВАННЫХ
СТАЛЕЙ
Толщина свар- ного соедине- ния, мм Тип соединения "св- мм 'св- А "св- м/ч Расход газа, л/мин Число проходов Примечание
Ручная сварка неплавящимся электродом
2 С отбортовкой — 75—120 — 5—7 1 Присадочная проволока 0 1,6 мм
3 Встык без раз* делки с при- садкой — 120—160 — 6—8 1 Ток постоян- ный прямой по- лярности
Автоматическая сварка неплавящимся электродом
4 Встык с при- садкой — 200—250 25—27 6—8 1 То же
4 Встык без при- садки — 130—250 25—28 6-8 1 »
Автоматическая сварка плавящимся электродом
5 10 Разделка V- образная Разделка V- образная 1.0 2,0 260—275 320—400 36—38 14—16 8-9 12—18 1 2 Ток постоян- ный обратной полярности Ток постоян- ный обратной полярности
Высоколегированные стали успешно свариваются в инертных газах и их
смесях. При этом обеспечивается высокая стабильность дуги и минимальный
угар легирующих элементов. Химический состав металла шва регулируется за
счет применения проволоки нужного состава. Стали, в состав которых входят
элементы с высокой активностью к кислороду (алюминий, титан, цирконий и
т. п.), свариваются в среде инертных газов. Ориентировочные режимы автома-
тической и полуавтоматической сварки стыковых соединений толщиной 4—
10 мм на постоянном токе приведены в табл. 2.11.
2.3.2. Сварка меди и медных сплавов
Медь хорошо сваривается в аргоне, гелии и азоте, а также
в смеси аргона с гелием и азотом. С целью экономии аргона
и повышения производительности целесообразно использовать
смесь аргона с азотом (70—80 7о аргона и 30—20 % азота).
Азот способствует увеличению глубины проплавления меди.
Из-за высокой теплопроводности меди для получения на-
дежного провара в начале сварки и хорошего сплавления по
кромкам детали подогреваются до 470—770 К. При сварке
58
ТАБЛИЦА 2.П
РЕЖИМЫ СВАРКИ МЕДИ ПЛАВЯЩИМСЯ ЭЛЕКТРОДОМ
Толщина металла, мм 4Э. мм Защитный газ >е,’ * Пд. В м/« Уг- л/мин
1.0 0,8—1,2 Аргон, азот 80—110 18—20 30—45 7—9
2—3 0,8—1,6 Аргон 140—210 19—23 25—35 8—10
0,8—1,2 Азот 140—200 20—35 25—35 8—10
5—6 1,0—1,6 Аргон 250—300 23—26 20—25 10—12
1.0—1,4 Азот 250—300 24—27 20—25 10—12
8,0 2,0—3,0 Аргон 350—550 32—37 18—22 14—18
1.6—3,0 Гелий 300—500 32—38 18—22 30—40
12 2,0—4,0 Аргон 350—650 32—38 — 14—18
Гелий 350—620 34—42 18 30—45
Аргон 300—500 28—36 16—18 14—18
12—14 1,5—3,0 Гелий 270—500 32—38 18-22 30—40
Азот 280-500 32—39 18—22 —
Примечание. d3 — диаметр электродной проволоки; Iсв сварочный ток:
и„ — напряжение дуги; о__ — скорость сварки; V — расход газа,
д св г
в аргоне подогрев необходим при толщине меди более 4 мм,
а в азоте — более 8 мм. Величину сварочного тока выбирают
исходя из диаметра вольфрамового электрода, состава защит-
ной смеси и рода тока. При этом сварка может выполняться
как на переменном, так и на постоянном токе обратной по-
лярности.
При сварке латуней, бронз и медноникелевых сплавов пред-
почтительнее использовать вольфрамовый электрод. При этом
испарение цинка и олова будут значительно меньше, чем при
сварке плавящимся электродом. Присадочный металл, а ино-
гда и кромки, подлежащие сварке, очищаются травлением. Для
этого применяют раствор, состоящий из 75 см3/л HNO3,
100 см3/л H2SO4 и 1 см3/л НС1.
Некоторые режимы сварки стыковых соединений меди
в нижнем положении приведены в табл. 2.12.
2.3.3. Сварка алюминиевых и магниевых сплавов
Эти сплавы обладают высокими значениями электропроводно-
сти, теплопроводности, а также скрытой теплоты плавления.
Трудность сварки этих сплавов заключается в наличии на их
поверхности тугоплавкой оксидной пленки, которая препятст-
вует сплавлению металла сварочной ванны с основным метал-
лом и, кроме того, остается в шве в виде неметаллических
включений. При сварке на токе обратной полярности происхо-
дит катодная очистка свариваемых поверхностей в зоне воз-
действия дуги. Однако действием разрядного тока может быть
59
разрушена лишь сравнительно тонкая пленка оксида. Толстую
пленку оксида алюминия перед сваркой необходимо удалять
механическим или химическим путем. Особо важно удалять
оксидную пленку с поверхности электродной проволоки малого
диаметра (из алюминиевых и магниевых сплавов). Это объяс-
няется тем, что на поверхности оксидной пленки хорошо сор-
бируется влага, которая, диссоциируя в дуге, приводит к на-
сыщению металла шва водородом и увеличению его пористо-
сти. Характер образования пористости зависит также и от
химического состава сплава. При сварке алюминиймагниевых
сплавов пленка оксидов имеет большую, чем у чистого алюми-
ния, толщину и удерживает больше влаги.
Термически упрочняемые сплавы системы А1—Mg—Si (ма-
рок АВ, АК6, АКВ) обладают повышенной склонностью к об-
разованию горячих трещин, что определяется наличием легко-
плавких эвтектик, расширяющих температурный интервал
твердожидкого состояния. Для уменьшения склонности к го-
рячим трещинам этих сплавов целесообразно применять при-
садки, содержащие 4—6 % Si. *
Влияние на качество сварных соединений оказывает выбор
конструктивных элементов разделки кромок, которые опреде-
лены ГОСТ 23949—80.
ТАБЛИЦА 2.13
РЕЖИМЫ СВАРКИ В АРГОНЕ ВОЛЬФРАМОВЫМ
ЭЛЕКТРОДОМ АЛЮМИНИЯ И ЕГО СПЛАВОВ
Тип соединения Л. мм Г?э. мм dn.n- «» 'св- А vr- л/мин п Примечание
Ручная сварка
Отбортовка кро- 1,0 1,0 — 40—50 4—5 1 —
МОК 2,0 2,0 — 80—90 7—8 1 —
Встык, без раз- делки, односто- роннее 3,0 3,0—4,0 2,0—3,0 100—130 8—10 1 —
Встык, без раз- делки, двухсто- роннее 5,0 4,0—5,0 Авт 3,0—4.0 о мата чес к 200—240 ая сварка 8—10 2
Встык, без раз- делки 3,0 4,0 2,5 180—200 14—16 1 fee = 18-5” 4-20 м/ч
Встык, без раз- делки 6,0 5,0 2,5 250—290 16—18 1 есв = 95ч- -=-100 м/ч
П р и м е ч а кие. h — ТОЛЩ! на сваривг емого метал ла; d — диаметр электрода;
<rfn п ~~ диаметр присадочной проволоки; /св - число проходов. - сварочный ток; Рг - - расход газа; п —
во
ТАБЛИЦА 2.14
РЕЖИМЫ СВАРКИ В АРГОНЕ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ
ПЛАВЯЩИМСЯ ЭЛЕКТРОДОМ
h, мм Тип разделки п *э- ММ Первый проход Последующие проходы
/св- А и. В гсв- м/ч 'св- А и. в "св- м/ч
10 Без раз- делки 2 2,0 2,0 250—300 22—24 24—26 20—25 370—390 28—30 20
15 V-образ- 4
25 ный 8 2,5 400—440 26—28 40—45 400—450 27—29 15—20
40 X-образ- 20 2,0 280 25—27 35 370—390 27—29 27
ная
Примечание, h — толщина металла; п — число проходов; d3 — диаметр элек-
тродной проволоки; /св — ток сварки; U — напряжение; t»CB — скорость сварки.
Накопленный опыт применения сварки конструкций из алю-
миниевых сплавов позволил отработать режимы, обеспечиваю-
щие высокое качество сварных соединений (табл. 2.13 и 2.14).
2.3.4. Сварка химически активных и тугоплавких сплавов
К числу основных затруднений, встречающихся при сварке ти-
тановых, циркониевых, молибденовых, никелевых и других ту-
гоплавких сплавов, относится большая химическая активность
металла при высокой температуре (особенно в расплавленном
состоянии) по отношению к газам (кислороду, азоту, водо-
роду) (7]. Поэтому при сварке требуется защита от воздуха не
только расплавленного металла, но и участков твердого ме-
талла, нагретого до температуры выше 660 К. Обычно это до-
стигается применением специальных приставок длиной до
500 мм и подачей газа с обратной стороны шва через специ-
альные подкладки (5, 7]. При сварке используется аргон только
высшего сорта или гелий марки А.
Наиболее надежную и стабильную защиту зоны сварки обе-
спечивают камеры с контролируемой атмосферой, где в каче-
стве защитной среды используют спектрально чистый или выс-
шего сорта аргон, а также вакуумные камеры, давление в ко-
торых не превышает (6—8)- 10-2 Па.
Во избежание излишнего перегрева околошобных участков
при дуговой сварке, например титана и циркониевого сплава,
ограничивают уровень сварочного тока. Максимальная его ве-
личина при сварке титана поверхностной дугой вольфрамовым
электродом обычно ^300 А. При этом можно сваривать без
разделки кромок за один проход сплавы толщиной 3—4 мм.
61
ТА БЛИЦА 2.IS
РЕЖИМЫ РУЧНОЙ АРГОНОДУГОВОЙ СВАРКИ ТИТАНА
ВОЛЬФРАМОВЫМ ЭЛЕКТРОДОМ
Я, мм /Св- А Цд. в "п. п- мм п Гдг, л/мин
в горелку в насадку для защиты обратной стороны шва
1 40—60 10—14 1.2—1,5 1 5—7 5—8 1—2
9 70—90 10—14 1,5—2,0 1 8—10 10-13 3—4
3 120-130 10—15 1,5—2,0 2 12—15 14—18 4—5
5 140-160 11—15 2,0—2,5 2—3 12—15 16—20 4—5
Примечание. Обозначения см. в табл. 2.12. 2.13.
ТАБЛИЦА 2.16
РЕЖИМЫ МЕХАНИЗИРОВАННОЙ СВАРКИ В АРГОНЕ
СТЫКОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ ТИТАНА ПЛАВЯЩИМСЯ ЭЛЕКТРОДОМ
Я, мм d^. мм /св- А Цд. В «св- “/ч Уг. л/мин
3 1,5 200—220 20—15 22 35—40
6 2.0 300—330 22—27 20 40—50
6—8 2,0 320—380 29—31 22—25 50—100
15—20 3—4 600—800 31—34 18—20 70—120
Дуговой сваркой в вакууме благодаря высокой концентра-
ции тепловой мощности дугового разряда с полым катодом
удается соединять без разделки кромок за один проход тита-
новые сплавы толщиной 8—-10 мм. Стыковые соединения тита-
новых сплавов больших толщин выполняют многослойной
сваркой с разделкой кромок и подачей присадочной проволоки.
Режимы сварки в аргоне стыковых соединений титана приве-
дены в табл. 2.15, 2.16.
Глава 3 СВАРКА В СО2
3.1. Особенности переноса электродного металла
при сварке в СО2
При сварке в СО2 проволоками Св-08ГС и Св-08Г2С в основном используют
процесс с частыми принудительными короткими замыканиями и процесс
с крупнокапельным переносом (табл. 3.1). При сварке порошковыми проволо-
ками применяют процесс с непрерывным горением дуги, а при сварке активи-
рованной проволокой — струйный процесс (рис. 3.1).
Процесс с частыми принудительными короткими замы-
каниями получают при сварке в СО2 проволоками 0 0,5—1,4 мм путем
62
У
3:
ч
ДИАПАЗОНЫ СВАРОЧНЫХ ТОКОВ ОСНОВНЫХ ПРОЦЕССОВ
СВАРКИ В СО, (ПОЛЯРНОСТЬ ОБРАТНАЯ, ИСТОЧНИК - ВС-600)
' Диаметр, мм, электрода типа СвО8ГС CD 8S8 сч <л со 1 1 1 ООО — сч 350—800
С4 80—260 90—280 85-290 90—320 190—550 200—650 290—550 320—650
о 75—240 80-260 160—400 260-450
Q0 о 30-150 50-180 150—300 180—300
С.В-08Г2С из о 20-120 30—130 100—250 1
Вид процесса С принудительным коротким замыканием Крупнокапельный с коротким замыканием То же, без замыкания С полупогруженной и погруженной дугой
? табл. 3.1 , £ *5 ж м В.К н О X >2 = О га О О Ю СО СЧ 1О
180- 250-
3 at о О О
* • АН- о см сч 1 1 1
о 1 ПП 150 220
с: К <я О
га д к о о 1 1 ю 1
S ч X со 1 1 о
о
ь* X порошко- вая проволока ПП-ЛН-8 о
ММ в ЭЛ( 2,0 1 1 150—5 1
р* а> X « ОС 1 -500 -2500 -2000
X чг 1 1 । 250- [ 270- 600-
-овгс 3,0 1 1—450 1-2000 1—1500
е и 22( 25С S
о о с 380 8 8 СЧ —
сч CN 1—091 1 о сч сч 400—
2
а X О
S я
а з 2 »х о
га и с с 3 5 гким з; ннэжАс
х О Lock •UO( С- О
е X 03 [тельным кор 1ельнын с кс к X X си X 3 2 Е га X •X о X X Я
С принуди Крупнокаг То же, бе; U О Е 5 С
63
Рис. 3.1. Внешний вид разрядного пространства и осциллограммы напряжения и тока
при сварке в СО2:
о — с принудительными короткими замыканиями; б — с крулнокапельным переносом и
короткими замыканиями; в — то же, без коротких замыканий; г — струйный процесс;
д — мелкокапельный процесс без коротких замыканий
изменения сварочного тока, обеспечивающего изменение скорости плавления
электрода и давления дуги. Весь процесс можно разделить на ряд подобных
повторяющихся циклов (рис. 3.1). Теплота, выделяемая дугой, интенсивно
расплавляет электродную проволоку и деталь. При этом длина дуги быстро
64
увеличивается. По мере уменьшения сварочного тока скорость расплавления
проволоки и давление дуги уменьшаются. В результате капля электродного
металла и ванночка сближаются, замыкая разрядный промежуток. Дуга гас-
нет, напряжение резко уменьшается, а сила тока в цепи возрастает С уве-
личением тока растет электродинамическая сила и приводит к ускорению
перехода капли в ванну и образованию шейки между электродом и каплей.
Утоненная шейка перегревается проходящим током и перегорает со взры-
вом. Напряжение резко возрастает, и зажигается дуга. После этого все
явления повторяются.
Основные параметры данного процесса: среднее напряжение процесса
сварки t/св, среднее значение сварочного тока /св, максимальный ток /к. з, ми-
нимальный ток /mtn, длительность горения дуги /д, длительность короткого
замыкания /к.з, длительность цикла 7'=;/д+/к.з, скорость нарастания тока
при коротком замыкании разрядного промежутка каплей Д/К.а/Д/ и скорость
снижения тока при горении дуги С повышением напряжения увеличи-
вается длительность горения дуги и всего цикла, а частота коротких замыка-
„зй уменьшается, возрастают потери на окисление и разбрызгивание, а форма
шва несколько улучшается. При повышении напряжения процесс переходит
в крупнокапельный. Характер течения процесса с частыми принуди-
тельными короткими замыканиями в большой степени зависит от скорости
нарастания /к.э в цепи (Д/И.э/Д/). При сварке проволоками 0 0,84-1,4 мм при
Д/„.а/Д/> 2004-300 кА/с процесс стабилен, но сопровождается повышенным
разбрызгиванием. При Д/к.з/Д/<40 кА/с процесс протекает с редкими корот-
кими замыканиями, импульсный характер изменения силы тока выражен
слабо и на низких напряжениях процесс протекает нестабильно. При средних
значениях Д/кз/Д/=604-180 кА/с процесс протекает стабильно и отличается
небольшим разбрызгиванием.
Характер процесса и технологические характеристики сварки в СО2
в определенной степени зависят также от наклона внешней характеристики
источника питания дуги. При пологопадающих внешних характеристиках
источника тока увеличение угла наклона характеристики приводит к некото-
рому увеличению внешней составляющей длины дуги; дуга более подвижная
и эластичная, ширина разогрева изделия и ширина шва несколько увеличива-
ются. Сочетание падающей внешней характеристики с высокими регулируе-
мыми скоростями нарастания тока короткого замыкания и регулировкой
амплитудных значений тока короткого замыкания дает возможность получать
процесс сварки в СО2 с принудительными короткими замыканиями и процесс
сварки в СО2 без коротких замыканий с хорошими технологическими харак-
теристиками.
Процесс с крупнокапельным переносом наблюдается при
сварке проволоками 0 0,5—1,6 мм на повышенных напряжениях, а для про-
волок >01,6 мм—в широком диапазоне режимов сварки кремниймарганце-
выми проволоками. При низких напряжениях процесс протекает с короткими
замыканиями, а при высоких — без них. Процесс с крупнокапельным перено-
сом обычно сопровождается повышенным разбрызгиванием. Для уменьшения
разбрызгивания и улучшения формирования шва при сварке с короткими за-
мыканиями рекомендуется снижать значение Д/к. з/Д/ (например, путем уве-
личения индуктивности цепи и включения в цепь балластного сопротивле-
ния). Для получения стабильного процесса сварки в СО2 с хорошим форми-
рованием шва и небольшим разбрызгиванием необходимо строго соблюдать
определенные соотношения между током и напряжением (рис. 3.2). Для по-
вышения производительности процесса и уменьшения разбрызгивания целесо-
образно вести сварку с погружением дуги в ванну так, чтобы
внешняя составляющая дуги была равна 2—3 мм. Этот процесс реализуется
на повышенных токах (табл. 3.1).
Струйный процесс в СО2 можно получить только при использовании про-
волок, активированных цезием, рубидием, калием, натрием, барием, церием и
солями РЗЭ. Процесс протекает без разбрызгивания с хорошим формирова-
5—1063
65
Ucl.B
200 300 400 500 Io, A
Рис. 3.2. Диапазон оптималь-
ных соотношений между на-
пряжением и током при сварке
в СО2 проволокой Св-08Г2С
в нижнем положении. Поляр-
ность обратная. Диаметр элек-
too 200 300 400 500 6001св,А
трода. мм:
а 0.8—1,2; 6—1,4; в —2.0
ннем шва Сварку проволоками, активированными солями рубидия и цезия,
можно выполнять также с наложением импульсов тока. Однако до настоя-
щего времени этот процесс не нашел широкого практического применения.
При использовании порошковых проволок рутил-флюоритного
типа сварка протекает с тоупнокапельным переносом. Процесс во многом
подобен сварке проволокой Св-08Г2С сплошного сечения. При использовании
порошковых проволок рутилового типа процесс сварки ведут с не-
прерывным горением дуги и переносом капель среднего размера, сопровож-
дающимися небольшим разбрызгиванием и хорошим формированием шва.
В последние годы разработаны: проволока с дополнительным сердечни-
ком-фитилем, заполненным в основном оксидом титана (АПАН-2), и прово-
лока, легированная РЗЭ (Св-14Г2Сч). Эти проволоки при сварке в СО2 на
повышенных токах (более 30 А для 0 1,6 мм) обеспечивают хорошее форми-
рование шва и малое разбрызгивание.
При сварке в смесях СО2+О2 (15—30%) могут выполняться процессы
с крупнокапельным переносом и с частыми короткими замыканиями. Добавле-
ние кислорода к СО2 незначительно изменяет характер процесса (он харак
теризуется более высоким окислительным потенциалом защитной среды и
большей жидкотекучестью ванночки). Для сварки используют проволоки с по-
вышенным содержанием раскислителей. Формирование шва несколько лучше,
чем при сварке в СО2, но поверхность шва покрыта шлаком.
В смесях Ar+CO2 (до 15 %) могут быть получены струйный и круп-
нокапельный процессы, а при содержании >20 % СО2 — процессы
с частыми короткими замыканиями и крупнокапельный.
Сварка в смеси Аг+20—25 % СО2 или 20 % СО2 и 5 % О2 обеспечивает луч-
шее формирование шва и меньшее разбрызгивание, чем сварка в СО2.
Перенос металла с электрода на изделие определяет технологические ха-
рактеристики и области применения процессов сварки плавящимся электро-
дом. Различают следующие основные виды переноса электродного металла
при сварке в СО2 и его смесях (см. рис. 3.1): с принудительными короткими
замыканиями, крупнокапельный с естественными короткими замыканиями
разрядного промежутка, то же без коротких замыканий, перенос каплями
среднего и малого размера без коротких замыканий и, наконец, струйный
перенос.
При крупнокапельном переносе на электроде образуются капли диамет-
ром >1,5 диаметра электрода. Если капля больше длины разрядного проме-
66
жутка, то переход ее в ванну сопровождается
коротким замыканием разрядного промежутка
и погасанием дуги. Если капля меньше длины
разрядного промежутка, то переход ее в ванну
происходит без короткого замыкания. Основными
силами, обусловливающими крупнокапельный
перенос, являются сила тяжести, силы поверхно-
стного натяжения, давление плазменных потоков
и реакция испарения. На малых токах отрыв
капли от электрода и направление ее полета
определяются в основном силой тяжести, а на
больших токах — электродинамической силой. По-
этому процессы с крупнокапельным переносом
электродного металла применимы для сварки
в нижнем положении. С повышением напряже-
ния дуги, увеличением диаметра электрода и пе
реходом на прямую полярность диаметр капель
увеличивается. С увеличением силы тока диаметр
капель уменьшается.
При сварке с крупнокапельным пе-
реносом без коротких замыканий
разбрызгивание металла происходит в основном
из-за случайного вылета за пределы шва круп-
ных капель и систематического выброса мелких
капель с электрода (рис. 3.3,а). Помимо этого
из ванны выбрасываются мелкие капли, что вы-
звано выделением СО. Разбрызгивание сравни-
тельно велико. При сварке с принудительными
короткими замыканиями разбрызгивание проис-
ходит из-за выброса мелких капель вследствие
взрыва шейки и выброса остатка капли с элект-
рода (рис. 3.3,6). Для уменьшения разбрызгивания рекомендуется подби-
рать оптимальные скорость нарастания и силу тока /к. э, а также увеличи-
вать наклон внешней характеристики источника питания дуги. Это достига-
ется включением в сварочную цепь дросселя или дросселя и балластного
реостата. С повышением напряжения разбрызгивание усиливается, а с увели-
чением тока оно сначала усиливается, а затем ослабевает (рис. 3.4). Нали-
f
Рис. 3.3. Разбрызгивание
электродного металла при
сварке в ССЬ:
а — с крупнокапельным пе-
реносом; б — с принуди-
тельными короткими замы-
каниями
Рис. 3.4. Зависимость потерь на разбрызгивание при сварке в СО, проволокой
Св-08Г2С. Полярность обратная, выпрямитель ВС-300 и ВС-600. Цифры у кривых —
диаметр электрода, мм
5*
67
чие на проволоке ржавчины способствует разбрызгиванию в связи с взрывом
крупных капель. В начале сварки и при нарушениях процесса наблюдается
резкое увеличение разбрызгивания в результате выброса нерасплавленной
части электрода и расплескивания ванны.
Перенос каплями среднего размера происходит при сварке
порошковой проволокой рутилового типа, активированными проволоками и
с принудительным управлением путем наложения импульсов тока, изменения
силы тока при сварке, пульсирующей и вибрирующей подачи электрода. Раз-
брызгивание при этом переносе незначительное.
При струйном переносе жидкий металл на электроде вытянут
в виде конуса, с конца которого отрываются мелкие капли диаметром менее
2/з диаметра электрода. Перенос определяется электродинамической силой, си-
лами поверхностного натяжения, давлением плазменных потоков и реакцией
испарения. Сила тяжести невелика, поэтому электродный металл переносится
в ванну при сварке во всех пространственных положениях. Струйный перенос
электродного металла наблюдается при сварке в СО2 активированной проволо-
кой и в смесях Аг+СО2 (<25%). Минимальный ток, при котором наступает
струйный перенос, называют критическим I„p. С увеличением диаметра элек-
трода /Кр возрастает. Разбрызгивание при струйном переносе незначительное.
3.2. Сварочная проволока
Сварочные проволоки выпускают с тонким медным покрытием
и без него. На поверхности проволоки, а также в надрывах
поверхностного слоя имеется технологическая смазка. В неко-
торых случаях проволоки покрывают антикоррозионными сма-
зочными материалами, которые вносят в зону дуги водород и
азот. В результате этого снижается стабильность процесса, по-
вышается разбрызгивание, ухудшается формирование шва и
понижается ударная вязкость металла шва. Особенно процесс
сварки в СОг ухудшается при наличии на проволоке ржавчины
и нитрата натрия, входящего в состав некоторых смазочных
материалов.
Механическая очистка и травление проволоки немного по-
вышают стабильность процесса и уменьшают содержание во-
дорода. В наибольшей степени удалить водород и азот из про-
цесса, повысить ударную вязкость шва, улучшить стабильность
процесса сварки и формирование шва, а также уменьшить
разбрызгивание можно путем прокаливания проволоки при
200—250 °C в течение 1,5—2 ч. Ржавчина на проволоке при-
водит к резкому снижению стабильности процесса и повыше-
нию разбрызгивания. Для ее удаления рекомендуется химиче-
ская или электрохимическая очистка проволоки и механиче-
ская очистка с последующим прокаливанием при 150—250 °C
в течение 1,5—2 ч. Для надежной подачи по гибким шлангам
и хорошего контактирования с токоподводящим наконечником
сварочной горелки проволоки должны иметь определенную же-
сткость. Мягкие и чрезмерно жесткие (пружинистые) прово-
локи плохо подаются по шлангам.
68
3.3. Технологические особенности процесса
сварки в СО2
Основными параметрами режима сварки в СО2 и его смесях
являются: род защитного газа; полярность и сила тока; напря-
жение сварки; диаметр, скорость подачи, вылет, наклон и коле-
бания проволоки; скорость сварки; расход и состав защитного
газа. Сварку в СО2 обычно выполняют на постоянном токе.
Однако возможна сварка и на переменном токе. Сварочный
ток и диаметр проволоки выбирают в зависимости от толщины
металла и расположения шва в пространстве. Стабильный про-
цесс сварки с хорошими технологическими характеристиками
можно получить только в определенном диапазоне силы тока,
который зависит от диаметра и состава электрода и рода за-
щитного газа (см. табл. 3.1). Сила тока определяется поляр-
ностью тока, диаметром, составом, скоростью подачи (рис. 3.5)
и вылетом электрода, составом защитного газа, а также на-
пряжением дуги. Регулируют силу тока изменением скорости
подачи проволоки (рис. 3.5). Сила тока определяет глубину
провара и производительность процесса.
Второй важнейший параметр режима сварки — напряжение
процесса сварки. С повышением напряжения увеличивается
ширина шва и улучшается формирование валика. Однако од-
новременно возрастают излучение дуги и угар элементов,
а также повышается чув-
ствительность дуги к «маг-
нитному дутью». При по-
ниженных напряжениях
ухудшается формирование
шва, а при сварке на по-
вышенных напряжениях
увеличивается разбрызги-
вание. Оптимальные напря-
жения сварки (см. рис.
3.2) зависят от силы тока,
диаметра и состава элек-
трода, а также рода защит-
ного газа.
Сварка в СО2 проволо-
кой Св-08Г2С на прямой
полярности отличается боль-
шей длиной дуги, сильным
излучением, а в ряде слу-
чаев большим разбрызгива-
нием, чем на обратной по-
лярности. На прямой по-
лярности скорость расплав-
f„, см/мин
Рис. 3.5. Зависимость силы тока при сварке
в СО2 от скорости подачи электродной про-
волоки Св-08Г2С. Полярность обратная; вы-
леты средние для каждого диаметра элек-
трода (цифры у кривых)
69
ления электрода в 1,6—1,8 раза выше, а глубина провара и
ширина шва меньше, чем на обратной. Влияние скорости
сварки такое же, как и при сварке на обратной полярности.
Наклон электрода до 15° «углом вперед» и «углом назад» не
отражается на характеристиках процесса сварки. Наклон элек-
трода «углом вперед» на 15—30° несколько уменьшает глубину
провара и увеличивает ширину шва. При наклоне электрода
на 15—30° «углом назад» формирование шва несколько ухуд-
шается.
Сварка в СО2 проволокой Св-14Г2Сч ведется на прямой
полярности; достигаются хорошие технологические характери-
стики процесса, малое разбрызгивание и хорошее формирова-
ние шва.
Состав защитного газа существенно влияет на технологиче-
ские характеристики процесса. Так, в среде СО2+О2 «15 %),
Аг+СО2(>20 %) и Аг + О2+СО2(>20 %) можно выполнять
сварку во всех пространственных положениях. Смеси СО2+О2
(>20%), Аг + СО2 «20%) и Аг+О2 + СО2 «20%) при-
годны для сварки стационарной дугой в нижнем положении и
с наложением импульсов во всех положениях. При сварке
в СО2, СО2+О2 и Аг+СО2 (>20 %) на всех режимах и в сме-
сях Аг+О2+СО2 «20%) и Аг+СО2 (<20 %) на токах ме-
нее критических значений форма провара треугольная. При
сварке в смесях Аг+СО2 «10%) и Аг + О24-СО2 «10%)
на токах, превышающих критические значения, наблюдается
узкое глубокое проплавление в средней части провара.
С уменьшением содержания в смеси СО2, увеличением силы
тока и уменьшением диаметра электрода глубина узкого про-
плавления увеличивается.
Химический состав проволоки, смазка и загрязнения, нахо-
дящиеся на проволоке и свариваемом металле, могут оказы-
вать влияние на силу тока, длину дуги, напряжение и харак-
тер процесса. Вылет электрода при сварке проволоками
0 0,5—1,4 мм влияет на стабильность процесса сварки. Это
обусловлено изменением нагрева электрода на вылете прохо-
дящим током. Допустимый вылет электрода зависит от диа-
метра, удельного электросопротивления электрода и сварочного
тока. При малых вылетах затрудняется видимость зоны сварки
и возможно подплавление токопровода, а при больших — на-
рушается стабильность процесса. При сварке проволоками
01,6 мм и более влияние вылета электрода на стабильность
протекания процесса сварки намного меньше. В этих случаях
сварку можно выполнять при нормальных и повышенных вы-
летах. Увеличение вылета позволяет повысить коэффициент
расплавления электрода и уменьшить глубину провара.
Влияние свойств источника питания существенно сказыва-
ется на технологических характеристиках при ведении про-
70
цесса с короткими замыкани-
ями в СО2 и смесях Аг+СО2,
Аг+О2 + СО2. В этих случаях
для получения стабильного
процесса, хорошего формиро-
вания швов и небольшого
разбрызгивания необходимо
питать дугу от источника с
определенными динамически-
ми свойствами по току (рис.
3.6). Оптимальные скорости
нарастания /к. 3 зависят пре-
жде всего от диаметра элек-
трода. Для получения хоро-
шего формирования шва при
сварке в нижнем положении
целесообразно понижать ско-
рость нарастания /к. з, повы-
шать напряжение и использо-
вать для питания дуги источ-
ники с лологопадающей внеш-
ней характеристикой и комби-
нированной внешней характе-
ристикой. При чрезмерном
уменьшении скорости нара-
стания /к. з затрудняется на-
чало сварки и снижается
стабильность процесса сварки.
Рис. 3.6. Оптимальные скорости нараста-
ния тока короткого замыкания для сварки
в СО2 проволоками типа Св-08Г2С и
Св-06Х19Н9Т от выпрямителей типа
ВС-300, ЦС-ЗООБ, ВС-630: проволоки раз-
ного диаметра (цифры у кривых)
При сварке в СО2 без коротких замыканий на средних и боль-
ших токах, а также в смесях Аг + О2+СО2 и Аг + СО2 скорости
нарастания /к. 3 оказывают значительно меньшее влияние на
течение процесса. В этих случаях оптимальные характеристики
источника питания определяются прежде всего диаметром
электрода и родом защитного газа, а также условиями получе-
ния хорошего начала и окончания сварки.
Сборка соединений под сварку плавящимся
электродом в СО2 зависит от типа соединения, толщины ме-
талла, расположения шва в пространстве, способа сварки (ав-
томатическая или полуавтоматическая).
Требования к качеству сборки и подготовки соединения под
полуавтоматическую сварку в СО2 проволоками 0 0,8—2,5 мм
должны соответствовать ГОСТ 14771—76. Чем выше качество
сборки соединения, тем выше производительность в процессе
сварки. По возможности рекомендуется собирать и сваривать
соединения в приспособлениях без прихваток. При сборке
на прихватках последние следует устанавливать с обрат-
ной стороны соединения. Прихватку можно выполнять кон-
71
тактной сваркой, сваркой неплавящимся электродом и сваркой
тонкой проволокой в СО2. Размеры прихваток и их располо-
жение зависят от толщины металла и типа свариваемого сое-
динения. Прихватки перед сваркой должны быть тщательно
очищены. При выполнении прихваток в СО2 проволоками 00,8—
1,4 мм сборку осуществляют короткими швами, которые
не перевариваются, а остаются в соединении как основные
швы.
3.4. Техника сварки
Особенности техники сварки соединений ос-
новных типов. Стыковые соединения металла толщиной
0,8—1,2 мм можно сваривать на медных, стеклянных и кера-
мических подкладках, а также на весу. Для получения швов
высокого качества необходимы: тщательная сборка, точное на-
правление электрода по шву и поддержание неизменным ре-
жима сварки. Для соединения металла такой толщины приме-
няют следующие способы:
1. Сварка в СО2 проволоками 0 0,8—1,2 мм током обрат-
ной полярности с использованием источников питания с ком-
бинированной характеристикой и высокими скоростями нара-
стания /к. з-
2. Сварка на обратной полярности проволокой 0 0,7—
0,8 мм на малых токах и напряжениях при питании от источ-
ника с повышенными динамическими свойствами по току, обе-
спечивающими получение процесса с принудительными корот-
кими замыканиями. В качестве источников рекомендуются пре-
образователи ЗП 4/30, ЗП 7,5/30 и выпрямители ВСП-160,
ВСП-315, ВДГ-303, ВСЖ-303 и ВС-300Б. Последовательно
в сварочную цепь включают дополнительную индуктивность
0,2—0,25 мГн. Сварку ведут вертикальным электродом и на-
правляют дугу на ванночку жидкого металла. В качестве за-
щитных газов рекомендуются СО2 и его смеси с аргоном и
кислородом.
3. Сварка с принудительными короткими замыканиями и
гашением дуги.
4. Сварка с периодическим изменением мощности дуги, так
называемая сварка модулированным током, или с прекраще-
нием процесса проволокой 0 0,7—1,2 мм. При этом дуга легко
возбуждается на горячем металле, а тепловая инерция ванны
обеспечивает равномерное проплавление и формирование шва;
время горения дуги составляет 0,6—1,2 с при перерыве
0,5—0,8 с.
5. Сварка проволоками 0 0,7—0,8 мм на прямой полярно-
сти (в этом случае формирование шва несколько хуже, чем
в предыдущих вариантах).
72
— Сварку металла малой толщины всегда рекомендуется
выполнять в вертикальном положении сверху вниз с подводом
тока в верхней части изделия. При сварке тонкого металла
ширина провара обычно одинакова с обеих сторон стыка. При
чрезмерно большой ширине шва возможны прожоги. Во избе-
жание этого рекомендуется уменьшать напряжение дуги, диа-
метр электрода, сварочный ток и увеличивать скорость сварки.
При сварке на подкладках важно обеспечить плотное прижа-
тие листов к подкладке. При нагреве дугой листы, деформиру-
ясь, теряют устойчивость и изгибаются непосредственно перед
дугой. Для исключения этого рекомендуют делать отбортовку
или изгибать стык вдоль сварки таким образом, чтобы при на-
греве листы прижимались к подкладке.
— Металл толщиной >1,2 мм легко сваривать на весу.
При сварке металла толщиной 1,2—2 мм дугу рекомендуется
направлять на ванну жидкого металла, сварку выполняют вер-
тикальным электродом. Для сварки металла толщиной до 2 мм
следует выбирать такие режимы, чтобы полный провар полу-
чался за один проход. При значительных зазорах в соедине-
нии рекомендуется: выполнять сварку в вертикальном положе-
нии сверху вниз, сваривать шов с периодическим прекраще-
нием процесса или изменением мощности либо с поперечными
колебаниями электрода. Для получения качественного форми-
рования шва важно правильно подобрать программу измене-
ния мощности процесса, частоту и амплитуду колебания элек-
трода.
— Металл толщиной >4 мм сваривают в СОг, СО2 + О2
(20%) или Аг + СОг (25%) с двух сторон. Разделку кромок
делают в зависимости от конструкции изделия и допустимых
режимов сварки согласно ГОСТ 14771—76.
— Для получения качественного стыкового соединения на
металле толщиной >3 мм необходимо предупредить подсос
воздуха с обратной стороны стыка. Для этого, а также для по-
лучения полного провара соединения без прожогов при боль-
ших переменных зазорах рекомендуется корневой шов свари-
вать тонкой проволокой в СО2 при сварочном токе 140—220 А.
Последующие проходы могут быть выполнены в СО2, или
СО2 + О2 (15—20%), или под флюсом. Сварка корневого шва
тонкими проволоками 0 1—1,4 мм в СО2 позволяет избежать
кантовки крупных изделий. Сварка первого прохода может
быть выполнена также на стеклянной или медной подкладке.
— Техника сварки поворотных кольцевых стыковые швов
во многом подобна технике сварки продольных швов. Важным
параметром режима является смещение от серхней точки ок-
ружности. Соединение на металле толщиной 0,8—2,5 мм и кор-
невые швы на металле большой толщины рекомендуется сва-
ривать в вертикальном положении сверху вниз или в полупо-
73
Рис. 3.7. Схемы (а и б) расположения электрода при сварке в СОа поворотных коль-
цевых швов на весу
толочном положении (рис. 3.7). Дугу следует направлять на
ванну жидкого металла. Это обеспечивает получение полного
провара соединения с обратным формированием шва без про-
жогов даже при значительных переменных зазорах. Режимы
сварки некоторых изделий приведены в табл. 3.2
— При сварке металла большой толщины рекомендуется
смещение электрода в сторону, противоположную направлению
вращения детали. Смещение зависит от объема ванны, диа-
метра и толщины стенки детали и от скорости сварки. При
толщине стенки детали >15 мм целесообразна узкая щелевая
разделка в сочетании с непрерывной многопроходной сваркой.
Режимы сварки выбирают в зависимости от допустимого тер-
мического цикла. Сварка кольцевых швов может быть выпол-
нена во всех активных газах (СОг, СОг + Ог, Аг+Ог+СОг и
РЕЖИМЫ СВАРКИ ПОВОРОТНЫХ КОЛЬЦЕВЫХ
И СМЕСИ Аг + СО. (25 %). Аг + О, + СО. (20 %)
Диаметр детали, мм Толщина стенки, мм Зазор, мм Смещение кромок, мм d9, мм
50 1—1,5 0—1 0—1 1—1.2
100—150 2—2,5 0—1,5 0—1 1 — 1,4
200—500** 8—15 0—1 0—1 1—1,4
200—400** 30—60 0—1,5 0—1 2—3
• Смещение электродов согласно рис. 3.7.
•• Сварка корневого шва при Y- или U-образной разделке.
74
Ar+СОг). При выборе состава смеси исходят из конкретных
условий производства.
— Нахлесточные соединения металла толщиной 0,8—1,5 мм
сваривают на весу, на медной, стальной или стеклотканевой
подкладке. Более толстый металл сваривают на весу. Высокое
качество соединения получают при смещении электрода от
кромки до ±(1—1,5) мм. При большем смещении электрода
в сторону нижнего листа возможны прожоги, а в сторону верх-
него— ухудшается формирование шва и возможен недостаточ-
ный провар нижнего листа. Максимальная скорость сварки
достигается при выполнении соединений в вертикальном положе-
нии сверху вниз; тщательная сборка также позволяет повы-
сить скорость сварки. Металл малой толщины рекомендуется
сваривать в СОа по технологии с принудительными короткими
замыканиями, при этом достигаются наименьшие деформации
изделия. Металл толщиной >1,5 мм сваривают электродом,
наклоненным поперек шва на 50—60° к поверхности листа.
При сварке металла равных толщин электрод направляют
в угол, а неравных — в сторону листа большей толщины. Не-
которые режимы сварки нахлесточных соединений приведены
в табл. 3.3.
— Тавровые и угловые соединения можно сваривать на-
клонным электродом при вертикальном расположении стенки
соединения и вертикальным электродом при расположении шва
«в лодочку». При сварке наклонным электродом угол наклона
его к полке должен составлять 40—50°. При сварке швов с ка-
тетом до 5 мм и одинаковой толщине листов электрод направ-
ляют в угол, при неодинаковой толщине — в сторону листа
большей толщины. При сварке тавровых соединений на стали
толщиной >5 мм электрод смещают на 1,0—2,5 мм в сторону
полки. Сварку целесообразно вести «углом вперед» с накло-
ном электрода к детали 70—75°. При сварке сталей большей
СТЫКОВЫХ ШВОВ УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ В СО,
ПРОВОЛОКОЙ СВ-08Г20* (ПОЛЯРНОСТЬ ОБРАТНАЯ)
ТАБЛИЦА 3.3
'св> А "св- в °св- м/4 Вылет электрода, мм Уг, л/мии
100—180 18—21 80—90 10—12 7—8
130—280 18—23 70—80 10—13 7—8
150—260 19—26 20—30 10—15 7—8
350—450 32—36 25—35 25—60 15—18
75
нижнее; В — вертикальное «сверху вниз».
РЕЖИМЫ СВАРКИ НАХЛЕСТОЧНЫХ СОЕДИНЕНИЯ УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ В ЗАЩИТНЫХ
ГАЗАХ ПРОВОЛОКОЙ СВ-08Г2С (ПОЛЯРНОСТЬ ОБРАТНАЯ)
76
толщины делают скос кромки. В этом случае электрод направ-
ляют в угол разделки. Для повышения производительности и
улучшения формирования шва целесообразно выполнять
сварку на спуск.
Швы с катетом >4 мм рекомендуется сваривать «в ло-
дочку». При этом возможно использование форсированных ре-
жимов. Кроме того, улучшается формирование шва, появляется
возможность увеличить скорость сварки до 300 м/ч.
При сварке тавровых и угловых соединений можно реко-
мендовать приемы, повышающие скорость расплавления элек-
трода: сварку с подачей присадочной проволоки, с увеличен-
ным вылетом, с дополнительным нагревом электрода двумя и
тремя электродными проволоками, подключенными к общему
токосъемнику и в общую ванну. Некоторые режимы сварки
тавровых и угловых соединений приведены в табл. 3.4.
— Замковые соединения наиболее часто применяют при
сварке кольцевых швов. Такие соединения выполняют с раз-
делкой кромок согласно ГОСТ 14771—76. Режимы сварки вы-
бирают в зависимости от толщины листов и диаметра изделия.
Замковые соединения позволяют выполнять сварку первых
проходов на больших токах, поскольку в данном случае отсут-
ствует опасность прожога листов. При сварке замкнутых сосу-
дов во избежание появления пор в корне шва требуется сборка
без зазоров. Поэтому замок делают скошенным и детали со-
бирают с натягом. Для повышения производительности, улуч-
шения формирования шва и уменьшения разбрызгивания элек-
трод смещают с зенита таким образом, чтобы вести сварку
на спуск.
Особенности полуавтоматической (ручной
механизированной) сварки. Техника полуавтоматиче-
ской сварки в СО2 и в смесях СО2+О2, Ar + CO2 (25%) и
Аг + О2 + СО2 (25%) проста. Задача сварщика состоит в под-
держании постоянного вылета электрода, равномерном переме-
щении держателя вдоль кромок и (в отдельных случаях) в вы-
полнении колебаний электрода. Глубина провара при сварке
в СО2 и СО2+О2 больше, чем при сварке в Аг + СО2 и при
ручной дуговой сварке штучными электродами, т. е. можно
выполнять сварку на больших скоростях. Изменения скорости
сварки, неизбежные при перемещении держателя вручную, ска-
зываются на глубине проплавления. Поэтому во избежание
прожогов полуавтоматическую сварку выполняют при меньшем
токе, т. е. в результате скорость полуавтоматической сварки
меньше, чем автоматической.
— При сварке тонкими проволоками форма колебаний
электрода обычно такая же, как при ручной дуговой сварке.
При сварке проволоками 0 1,6 мм и более форма поперечных
колебаний зависит от типа соединения и может изменяться от
77
режим СВАРКИ В СО, УГЛОВЫХ и тавровых соединений углеродистых сталей
ПРОВОЛОКОЙ СВ-08Г2С БЕЗ РАЗДЕЛКИ КРОМОК (ПОЛЯРНОСТЬ ОБРАТНАЯ)
нижнее положение, В — вертикальное «сверху вниз», П — потолочное, НС — «на спуск>.
78
слоя к слою. Корневые швы сваривают при возвратно-поступа-
тельном перемещении электрода, средние слои стыковых
швов — при перемещении электрода по вытянутой спирали,
а верхние слои — с поперечными колебаниями («змейкой»).
Сварку стыковых соединений можно вести с наклоном элек-
трода как «углом вперед», так и «углом назад» до 10—30°.
— В первом случае глубина провара несколько меньше,
шов шире, удобно направлять дугу по разделке шва, можно
добиться существенного уменьшения разбрызгивания; сварку
можно выполнять с большими скоростями, чем сварку верти-
кальным электродом. Возвратно-поступательные движения го-
релки обеспечивают снижение пористости при сварке во всех
активных газах. Этому способствует как улучшение защиты,
так и перемешивание и замедленное охлаждение жидкой
ванны.
— При сварке «углом назад» рекомендуют наклонять го-
релку на 5—15°. В этом случае можно несколько увеличить
глубину провара, но ширина шва уменьшается. Для расшире-
ния шва сварку выполняют с колебаниями электрода. При
сварке угловых швов электрод наклоняют на 45—60° к полке
поперек соединения. Сварку ведут вертикальным электродом
или с наклоном «углом вперед» на 70—80° к изделию. Дугу
направляют со смещением на 1—2 мм от угла к нижней полке
или в угол. Желательно вести сварку на спуск с наклоном из-
делия на 6—10°. Это существенно улучшает формирование
шва, позволяет повышать скорости сварки и уменьшать раз-
брызгивание.
Для получения плотного шва и хорошего провара в начале
сварки необходимо обеспечить предварительную подачу газа
до зажигания дуги и начинать сварку вертикальным электро-
дом, а также выполнять сварку с программированием напря-
жения, тока и скорости подачи электрода. Для получения ка-
чественного конца необходимо заварить кратер и обдувать его
газом до полного затвердевания металла. При сварке с боль-
шой силой тока для заварки кратера нужно уменьшить силу
тока и напряжение (ориентировочно до 150—180 А и 22—24 В
соответственно). Для окончания сварки могут быть использо-
ваны также другие приемы, осуществляемые с программирова-
нием напряжения.
— Вертикальные швы сваривают как со свободным, так и
с принудительным формированием. Металл толщиной до 4 мм
обычно сваривают «сверху вниз» со свободным формированием
швов. Сварку выполняют тонкими проволоками 0 0,8—1,4 мм
в СОг или СО2 + О2 (15%), реже в смеси Аг + СОг (не менее
25%). Сварку вертикальных швов сверху вниз ведут «углом
назад», направляя дугу на переднюю часть ванночки (рис.
3.8, а). Это предотвращает стекание ванночки, способствует
79
Рис. 3.8. Схемы расположения электрода и поперечных колебаний элек-
трода при сварке в СО2 с формированием швов:
а — сверху вниз; б—г —снизу вверх; д — горизонтальных; е — потолочных
увеличению проплавления корня шва и исключает такие де-
фекты, как несплавление и натек по краям шва. При сварке
металла толщиной до 1,2 мм эта техника исключает прожоги
металла. Металл толщиной до 3 мм сваривают без колебаний
электрода, металл толщиной 3—4 мм сваривают с попереч-
ными колебаниями электрода (рис. 3.8). Требования к каче-
ству сборки при сварке «сверху вниз» менее жесткие, чем при
сварке в нижнем положении. Поэтому сварку сверху вниз при-
меняют для выполнения корневых швов металла разной тол-
щины при наличии переменных зазоров. Скорость сварки
«сверху вниз» обычно в 2—2,5 раза выше, чем сварки «снизу
вверх».
Для уменьшения разбрызгивания и увеличения провара ре-
комендуют вести сварку на пониженных напряжениях при пи-
тании от источников с повышенными динамическими свойст-
вами по току.
При сварке сталей толщиной >4 мм вследствие интенсив-
ного теплоотвода в изделие наблюдается неполный провар
корня шва. Повышение тока приводит к увеличению объема
жидкой ванночки и усилению ее стекания. В результате нате-
кания жидкого металла на холодный металл изделия наблю-
дается непровар корня и несплавления по краям шва. Поэтому
стали толщиной ^4 мм при питании дуги от источников с же-
сткой и пологопадающей внешней характеристиками прихо-
80
дится сваривать снизу вверх. Скорости сварки вертикальных
швов «снизу вверх» обычно невелики (6—10 м/ч). Сварку ве-
дут «углом вперед», направляя дугу на переднюю часть ван-
ночки, что уменьшает ее стекание. Металл толщиной >8 мм
сваривают с поперечными колебаниями электрода по треуголь-
нику (см. рис. 3.8, г). Техника выполнения сварки швов «снизу
вверх» требует более высокой квалификации сварщика, чем
при сварке «сверху вниз».
Применение источников тока с комбинированной внешней
характеристикой и высокими скоростями нарастания /к. э обе-
спечивает возможность сварки в СО2 углеродистых сталей тол-
щиной до 12 мм методом «сверху вниз». Сварка выполняется
проволоками 0 1,2—1,4 мм на токах до 260 А (табл. 3.5).
Провар корня шва полный, несплавления по краям шва отсут-
ствуют. Швы формируются без усиления или с небольшим ос-
лаблением. Уменьшение усиления шва обеспечивает снижение
расхода электродной проволоки, газа и электроэнергии. Сни-
жаются трудовые затраты, уменьшается деформация изделия.
Сварку выполняют электродом «углом назад»; швы катетом до
4 мм сваривают без поперечных колебаний электрода, а швы
катетом >4 мм выполняют с поперечными колебаниями элек-
трода и в несколько проходов. Скорости сварки угловых швов
«сверху вниз» на металле толщиной 8—12 мм достигают 30—
35 м/ч, на более тонком металле — 50—55 м/ч. Простая тех-
ника сварки и мягкая «эластичная» дуга меньше утомляют
сварщика, чем сварка «снизу вверх» с колебаниями электрода.
Режимы сварки вертикальных соединений со свободным
формированием швов — в СО2 (при использовании источников
тока как с пологопадающей, так и с комбинированной внешней
характеристиками) и в смесях СО2 + О2 (15%) и Аг4-СО2
(25 %) выбирают такими, чтобы процесс протекал с частыми
короткими замыканиями (табл. 3.5). Сварку в смеси Аг + СО2
(<15%) можно выполнить с наложением импульсов тока. При
этом можно использовать электродные проволоки 0 1—2 мм.
— При значительной длине соединений прямолинейные вер-
тикальные швы на стали толщиной 8—40 мм целесообразно
выполнять по технологии с принудительным формированием,
как при электрошлаковой сварке. Этот способ разработан
Д. А. Дудко с сотр. в ИЭС им. Е. О. Патона в 1956—1957 гг.
Для получения высокого качества и хорошего формирова-
ния швов необходимо наличие между ползуном и швом не-
большого количества шлака. Для этого при использовании про-
волок сплошного сечения в зону сварки подают небольшое ко-
личество флюса. Флюс поступает из отдельного бункера или
с присадочной порошковой проволокой, укрепленной на кромке
стыка. При сварке порошковыми проволоками шлак образу-
ется при расплавлении самой проволоки. Для защиты зоны
6—1063
81
82
сварки применяют СОг или смесь СО2+О2 (15—30 %). В по-
следнем случае на поверхности ванны образуется больше
шлака и формируется более жидкотекучая ванночка.
Для получения шва высокого качества необходимо преду-
преждать попадание воздуха к расплавленной ванночке, для
чего газ рекомендуют подавать по специальным газовым соп-
лам или по каналам, расположенным в ползунах. Наличие на
поверхности ванны шлака снижает требования к качеству за-
щиты. Режимы сварки вертикальных швов выбирают, исходя
из условия получения заданного термического цикла и получе-
ния процесса с минимальным разбрызгиванием. С повышением
/Св увеличиваются объем сварочной ванночки и ее глубина.
При заданном напряжении с повышением /св ширина шва
уменьшается. С повышением напряжения ширина ванны уве-
личивается. Зазор между листами влияет мало на ширину шва.
Соединения на металле толщиной >20 мм выполняют с ко-
лебаниями электрода. У ползунов электрод задерживают на
1,5—2 с. Сварку вертикальных швов выполняют на постоянном
токе. Сварка вертикальных швов в защитных газах с принуди-
тельным формированием обеспечивает более высокую произво-
дительность, чем сварка со свободным формированием шва и
ручная дуговая сварка. Стыковые соединения под сварку
с принудительным формированием собирают без скоса кромок
и с U-образной разделкой. При сборке с U-образной раздел-
кой уменьшается сечение разделки и можно повысить скорость
сварки. Кроме того, при С-образной разделке кромок в случае
выхода из строя автомата сварку можно закончить полуавто-
матической или ручной дуговой сваркой. Поперечная усадка
соединения при С-образной разделке также меньше, чем при
прямоугольной.
— Горизонтальные швы на стали толщиной до 6 мм свари-
вают в СО2 или СО2+О2 (15—20%) проволоками 0 0,8—
1,4 мм. Соединения на металле толщиной до 3 мм собирают
без скоса кромок с небольшим зазором, что обеспечивает по-
лучение швов с полным проваром при небольших усилиях.
Сварку ведут «снизу вверх» с наклоном электрода «углом на-
зад» без поперечных колебаний. Дугу направляют на металли-
ческую ванночку. При толщине металла >4 мм делают скос
на кромке верхнего листа. Сварку металла толщиной >6 мм
выполняют с наклоном электрода поперек шва на угол 40—60°
к вертикали. Основное сечение шва заваривают с повышенной
силой тока. При этом используют проволоки сплошного сече-
ния до 0 2 мм и порошковые до 0 4 мм, а облицовочные швы
заваривают проволоками 0 1,2—1,4 мм на малых режимах
(табл. 3.6). При сварке металла толщиной >6 мм на повышен-
ных токах наблюдается стекание ванны жидкого металла. Для
предупреждения этого используют формирующие ползуны. При
6*
83
РЕЖИМ СВАРКИ ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ ШВОВ НА УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЯХ
В СО, ПРОВОЛОКОЙ СВ-08Г2С (ПОЛЯРНОСТЬ ОБРАТНАЯ)
84
сварке горизонтальных швов проволоками Св-08Г2С 0 1,6—
2 мм в металле шва встречаются характерные несплавления,
имеющие вид полушарий. Места несплавления обычно покрыты
тонкой корочкой шлака. Для их исключения следует «пони-
жать» режим сварки, уменьшать диаметр электрода, а также
осушать СО2 и очищать проволоку от смазки.
— Потолочные швы рекомендуется сваривать: в СО2 прово-
локой 00,8—1,4 мм на режимах с частыми короткими замыка-
ниями, авАг+СО2 (10 %) сналожением импульсов. Сваривать
такие швы полуавтоматом труднее, чем в других положе-
ниях, поэтому сварщик должен иметь более высокую квалифи-
кацию. Сварку потолочных швов ведут «углом назад» на ми-
нимальных напряжениях. Сварочный ток можно выбирать не-
сколько большим, чем для сварки вертикальных швов (табл.
3.7). Дугу и поток СО2 направляют на ванночку жидкого ме-
талла, что уменьшает его стекание. Для этой же цели реко-
мендуется увеличивать расход газа. Сварку стыковых швов
с разделкой кромок ведут с поперечными колебаниями элек-
трода. Металл толщиной >6 мм рекомендуется сваривать
в два прохода и более, что обеспечивает получение плотных
швов.
3.5. Сварка электрозаклепками и точками в СО2
Сварку такого вида применяют для выполнения нахлесточных
тавровых, угловых и стыковых соединений на металле толщи-
ной >0,5 мм со швами, расположенными во всех пространст-
венных положениях. При сварке на токах до 350 А целесооб-
разно использовать проволоки 0 0,8—1,4 мм, на больших то-
ках— проволоки 0 1,6—2 мм. В отдельных случаях при сварке
металла большой толщины в нижнем положении используют
проволоку до 0 4 мм.
При сварке электрозаклепками металла толщиной >1,5 мм
в вертикальном и потолочном положениях и толщиной >6 мм
в нижнем положении рекомендуется делать отверстия в верх-
нем листе. В остальных случаях отверстия в верхнем листе не
делают. Требования к качеству сборки обычно такие же, как
при сварке швов большой длины. Стабильность начала про-
цесса оказывает большое влияние на качество сварки точками
и электрозаклепками. При сварке проволоками до 01,6 мм на-
чало процесса осуществляют путем подачи электродной прово-
локи под напряжением к изделию. Для улучшения начала
сварки процесс следует начинать на малом вылете электрода.
— При сварке точками и электрозаклепками следует ис-
пользовать специальные приемы зажигания дуги. Например,
при автоматической сварке целесообразно начинать процесс
при пониженной скорости подачи электродной проволоки и
85
повышенной скорости нарастания тока в сварочной цепи, а после
зажигания дуги переходить на рабочий режим. При этом ва-
жно, чтобы переход на рабочий режим сварки происходил по-
сле зажигания дуги. Для этого в сварочную аппаратуру вводят
спаренные датчики напряжения и тока, которые подают сигнал
на переключение режима сварки.
— На глубину проплавления точки наиболее эффективно
влияет сварочный ток. С его повышением увеличиваются диа-
метр и усиление точки. Сварку следует выполнять на токе,
максимально допустимом для данной толщины металла. На-
пряжение дуги оказывает влияние на форму точки. При недо-
статочном напряжении в центре точки образуется углубление,
а при завышенном — бугорок. Оптимальное напряжение зави-
сит от сварочного тока и диаметра электрода. При сварке
точки глубина проплавления растет в первый период горения
дуги. В дальнейшем глубина проплавления растет незначи-
тельно, увеличивается только усиление.
Сварку металла толщиной до 2 мм обычно выполняют без
изменения тока в процессе сварки точки. При этом путем вы-
бора напряжения можно получить хорошее формирование
точки с достаточной глубиной и шириной проплавления. При
большей толщине металла рекомендуется выполнять сварку
с изменением сварочного тока. После начала сварки точки силу
тока увеличивают, а в конце уменьшают и одновременно повы-
шают напряжение. Это обеспечивает глубокое проплавление,
хорошую форму электрозаклепки и позволяет регулировать
термический цикл при сварке. Для увеличения сечения про-
плавления и прочности электрозаклепки сварку рекомендуют
выполнять с круговым перемещением электрода, а иногда де-
лать отверстия в верхнем листе.
Прочность отдельной точки зависит от толщины металла и
сечения электрозаклепки. Работоспособность электрозаклепоч-
ных и точечных соединений при знакопеременной и ударной
нагрузках в ряде случаев выше, чем соединений, выполненных
сплошными швами. Контроль качества электрозаклепок на ме-
талле малой толщины осуществляют по их внешнему виду
с обеих сторон. При нарушении газовой защиты, превышении
зазоров в соединении, наличии большого загрязнения листов
и использовании ржавой проволоки в электрозаклепках обра-
зуются поры. Трещины в электрозаклепках и точках появля-
ются в основном при сварке высокоуглеродистых сталей и при
повышенных режимах сварки.
Глава 4 СВАРКА ПОД ФЛЮСОМ
4.1. Общие сведения
Дуговая механизированная сварка под флюсом отличается от
других широко применяемых способов сварки плавлением наи-
большей производительностью и лучшими гигиеническими ус-
ловиями труда, высоким уровнем механизации сварочных ра-
бот. В этом процессе электродная проволока плавится дугой
под слоем флюса (сыпучего гранулированного вещества). Флюс
как важнейшая технологическая составляющая обеспечивает
ведение процесса, требуемое качество швов и применяется при
сварке и наплавке под флюсом, сварке по флюсу, сварке с маг-
нитным флюсом, а также при электрошлаковой сварке и на-
плавке.
Сварочная дуга 4 (рис. 4.1) горит между изделием / и концом свароч-
ной проволоки 3. Под воздействием дуги проволока плавится и по мере рас-
плавления подается в зону сварки. Дуга закрыта слоем флюса 2. Сварочная
проволока (а вместе с ней и дуга) перемещается в направлении сварки с по-
мощью специального механизма (автоматическая сварка) или вручную (полу-
автоматическая сварка). Под влиянием теплоты дуги плавятся также основ-
ной металл и флюс. Расплавленные проволока, флюс и основной металл обра-
зуют сварочную ванну. Флюс в виде жидкой пленки 5 покрывает зону сварки,
изолируя ее от воздуха. Расплавленный дугой металл сварочной проволоки
каплями переносится в сварочную ванну, где смешивается с расплавленным
основным металлом 9. По мере удаления дуги металл сварочной ванны начи-
нает охлаждаться, так как поступление теплоты к нему уменьшается, а затем
затвердевает, образуя шов 8. Расплавленный флюс (шлак) покрывает поверх-
ность металла и остается жидким еще некоторое время после того, как ме-
талл уже затвердел. Затем затвердевает и флюс, образуя на поверхности шва
шлаковую корку 6. Избыточная нерасплавленная часть флюса 7 отсасывается
или убирается другим способом и используется повторно.
Роль флюса при сварке. Флюс влияет на устойчивость дуги,
формирование и химический состав металла шва; в значитель-
ной мере определяет стойкость швов против образования пор
и кристаллизационных трещин; от его состава зависит сила
сцепления шлаковой корки с поверхностью шва. При плавле-
нии флюса выделяются газы
и пары. Наличие во флюсе
оксидов щелочных и щелочно-
земельных металлов увеличи-
вает электрическую проводи-
мость и длину дугового про-
межутка, что повышает устой-
чивость процесса сварки; на-
личие соединений фтора, на-
против, снижает эти показа-
тели. Таким образом, флюсы
обладают разными стабилизи-
Направленис сварки
Рис. 4.1. Схема сварки под флюсом
87
рующими свойствами в зависимости от их химического со-
става.
На форму шва оказывают существенное влияние стабилизи-
рующие свойства флюса,его насыпная масса и гранулометриче-
ский состав. Укорачивая дугу, флюс с плохими стабилизирую-
щими свойствами приводит к формированию узких швов с боль-
шой глубиной проплавления и высоким усилением. Флюс с хо-
рошими стабилизирующими свойствами удлиняет дугу, дает ши-
рокие швы с малым проплавлением и небольшой высотой уси-
ления.
Влияние насыпной массы флюса обычно четко проявляется при сравнении
швов, сваренных под стекловидными и пемзовидными плавлеными флюсами
одинакового химического состава. В первом случае (насыпная масса 1,4—
1,7 г/см3) требуется вдвое больше энергии на его плавление, чем во втором
(0,7—0,9 г/см3). В результате ширина швов, сваренных под пемзовидным
флюсом, больше.
Гранулометрический состав флюса (размер его зерен) также влияет на
форму шва. Под мелким флюсом швы получаются более узкие, с большей
глубиной проплавления основного металла и с большей высотой усиления,
чем при использовании крупнозернистого флюса.
Внешний вид шва в значительной мере определяется равномерностью
кристаллизации затвердевающего металла, зависящей от состояния свароч-
ной ванны. «Кипение» сварочной ванны вследствие выгорания углерода и
выделения растворимых в металле газов значительно ухудшает внешний вид
шва. Повышенная окисленность флюса способствует интенсивному выгора-
нию углерода, «кипению» сварочной ванны, ухудшению внешнего вида шва.
В зависимости от скорости изменения показателей вязкости с повышением
температуры различают «длинные» и «короткие» флюсы. Изменение вязкости
«длинного» флюса с температурой происходит значительно медленнее, чем
«короткого». Для кольцевых швов малого диаметра более пригодны корот-
кие флюсы, потому что их шлак быстро твердеет и надежно удерживает
сварочную ванну от стекания.
Влияние флюса на химический состав металла шва. Во
время сварки плавлением происходит взаимодействие между
жидким шлаком и металлом. Длительность этого взаимодейст-
вия обычно очень невелика и при дуговой сварке может коле-
баться от нескольких секунд до 1 мин. При ЭШС шлак и ме-
талл взаимодействуют дольше (до нескольких минут). Взаимо-
действие прекращается после затвердевания металла и шлака.
Несмотря на кратковременность реакции, взаимодействие между
шлаком и металлом при дуговой сварке, как правило, проходит
очень энергично, что обусловлено высокими температурами рас-
плавленных металла и шлака, значительными поверхностями
их контакта и относительно большим количеством шлака
(в среднем 30—40 % массы металла при сварке под флюсом и
до 10 % массы металла при сварке по флюсу). В связи с не-
большим расходом флюса при ЭШС жидкие металл и шлак
взаимодействуют слабо.
88
Наиболее важную роль при сварке под плавлеными флюсами играют ре-
акции восстановления марганца и кремния [1]:
(МпО) 4- [Fe] =pt (FeO) 4- [Мп], (4.1)
(SiO2) + 2[Fe]=^2(FeO) + [Si). (4.2)
При снижении температуры равновесие этих реакций смещается справа
налево, т. е. марганец и кремний окисляются и переходят из металла в шлак.
Направление реакций зависит также от концентрации реагирующих веществ.
Если в металле сварочной ванны содержится мало марганца и кремния,
а в шлаке много МпО и SiO2 и мало FeO, то при высоких температурах
(вблизи дуги) марганец и кремний восстанавливаются из шлака в металл.
Если же в металле сварочной ванны много марганца и кремния, а в шлаке
нет МпО и SiO2 или много FeO, марганец и кремний будут окисляться даже
в зоне высоких температур. Переход марганца в шов тем значительнее, чем
больше МпО и меньше SiO2 содержится в сварочном флюсе (шлаке). Переход
марганца из флюса в шов зависит также от степени окисленности флюса: чем
она выше, т. е. чем больше содержание Мп2О3 во флюсе, тем переход мар-
ганца меньше. Затрудняет переход марганца и повышение содержания оксида
железа во флюсе, как это следует из реакции (4.1).
В отличие от перехода марганца переход кремния из сварочного шлака
в металл обычно невелик (0,1—0,2%); он пропорционален концентрации
кремнезема в шлаке и мало зависит от степени окисленности шлака. Увеличе-
ние основности флюса снижает переход кремния из шлака в металл.
Влияние флюса на стойкость швов против образования пор.
Появлению в швах пор способствует: наличие ржавчины или
окалины на свариваемых поверхностях; чрезмерное увлажнение
флюса и свариваемых поверхностей; загрязнение свариваемых
поверхностей органическими веществами; недостаточная защита
зоны сварки от воздуха (малый слой флюса, большие зазоры
между свариваемыми кромками); плохие технологические
свойства флюса или несоответствие флюса составу основного
металла и электродной проволоки.
На удаление газов из сварочной ванны оказывает влияние
ее форма: из мелкой и широкой ванны газы удаляются легче,
чем из глубокой и узкой. Увеличение скорости сварки и умень-
шение сварочного тока (уменьшение погонной энергии сварки),
как и понижение температуры свариваемого металла, приводит
к увеличению скорости кристаллизации и повышению склонно-
сти шва к образованию пор. С увеличением напряжения
(длины) дуги при сварке под флюсом повышается содержание
азота и водорода в металле шва и вероятность образования
в нем пор.
Чтобы водород не попадал в сварочную ванну, кромки сва-
риваемого металла и поверхность сварочной проволоки тща-
тельно очищают и высушивают, а флюс прокаливают. Главным
условием отсутствия пор в шве при сварке под флюсом явля-
ется правильный выбор флюса (по химическому составу и строе-
нию зерен).
С помощью флюса водород связывают в зоне дуги в нерастворимые
в жидком металле соединения, прежде всего HF. Основную роль при этом
89
играют составляющие флюса CaF2 и SiO2. В зоне сварки протекают сле-
дующие реакции [1]:
2CaF2 + 3SiO2 SiF4 + 2CaSiO3, (4.3)
SiF4 + 2H2O =₽*: SiO2 4- 4HF, (4.4)
SiF4 + 3H =FtSiF + 3HF, (4.5)
CaF2-|- Hu=tCaF4- HF. (4.6)
Образующийся HF нерастворим в жидком металле, поэтому содержание
водорода в металле шва и вероятность образования пор уменьшаются. Пре-
имущественное значение имеют реакции (4.3)—(4.5), т. к. без SiO2 во флюсе
связывание водорода фтором неэффективно. Таким образом, наибольшей стой-
костью против водородной пористости обладают высококремнистые флюсы.
Флюсы одинакового химического состава, но с разным строением зерен
по-разному влияют на образование пор в металле шва. Флюсы пемзовидного
строения намного эффективнее предотвращают образование пор в шве, чем
стекловидные. Объясняется это тем, что выделение газообразных фторидов,
связывающих водород в зоне горения дуги, начинается до расплавления флюса
(примерно с 600 "'С) с поверхности зерен. Чем более развита поверхность зе-
рен, тем больше выделяется газообразных фторидов и тем интенсивней свя-
зывается водород в сварочной ванне в нерастворимые соединения. Макси-
мально развитую поверхность, а следовательно, и стойкость швов против об-
разования пор имеют пемзовидные флюсы.
Влияние флюса на стойкость швов против образования кри-
сталлизационных трещин. Изменяя содержание в металле шва
углерода, серы, марганца и других элементов, флюс оказывает
существенное влияние на стойкость швов против кристаллиза-
ционных трещин. Увеличение содержания углерода и серы
в шве снижает, а увеличение содержания марганца повышает
стойкость сварных швов против образования кристаллизацион-
ных трещин. Наиболее высокую стойкость швов против образо-
вания трещин при сварке малоуглеродистых и низколегирован-
ных сталей обеспечивают высококремнистые флюсы с высоким
содержанием оксидов марганца (35—40 %) -
Весьма вредной примесью в шве, оказывающей резко отри-
цательное влияние на его стойкость против образования тре-
щин, является сера, поэтому следует всемерно снижать ее со-
держание в металле шва. Необходимо применять флюсы с воз-
можно более низким содержанием серы и вводить в сварочную
ванну элементы, препятствующие переходу серы в металл шва.
Таким элементом прежде всего является марганец. Восстанав-
ливаясь из флюса и переходя в металл сварочной ванны, он
связывает серу в малорастворимое в жидком металле соедине-
ние MnS, которое в дальнейшем переходит в шлак. При содер-
жании во флюсе >25 % МпО сера почти не переходит из
флюса в металл шва. Повышение содержания марганца в ме-
талле сварочной ванны и введение в нее алюминия и титана
также препятствует переходу серы из шлака в металл, тем са-
мым повышая стойкость против образования кристаллизацион-
ных трещин.
90
К снижению стойкости швов против образования трещин
приводит повышение содержания в них углерода и в меньшей
степени — кремния. Поэтому применение флюсов, окисляющих
углерод в сварочной ванне, способствует увеличению стойкости
швов против образования трещин.
Отрицательное влияние на стойкость швов против образо-
вания трещин оказывает и фосфор.
Влияние флюса на отделимость шлаковой корки. Легкая от-
делимость шлаковой корки — необходимое условие высокой про-
изводительности сварочных работ.
Степень прилипания шлака к поверхности шва зависит от характера
взаимодействия жидкого шлака и затвердевшего металла. Жидкий сварочный
шлак может оказывать окисляющее действие на поверхность уже затвердев-
шего шва. Шлак прочно удерживается на поверхности шва тогда, когда эта
поверхность окислена, а в составе шлака имеются соединения, которые могут
прочно сцепляться с этой поверхностью. Такими соединениями при сварке яв-
ляются оксиды алюминия, хрома и ванадия.
Механическому удержанию шлака (заклиниванию в разделке) способст-
вуют такие дефекты шва, как подрезы, подвороты и т. п. Заклинивание части
шлака наблюдается при многослойной сварке в узкую и глубокую разделку
и при сварке угловых швов. Отделимость шлаковой корки от поверхности
шва улучшается и при увеличении разности температурного коэффициента
линейного расширения шлака и металла шва-
Способы дуговой сварки под флюсом
Одноэлектродная сварка ведется проволокой 0 1,6—6 мм. При
толщине металла до 20 мм возможна односторонняя сварка, но
предпочтительна сварка с двух сторон.
Двухэлектродная сварка возможна двух вариантов: с попе-
речным (рис. 4.2, а) и последовательным (рис. 4.2,6) располо-
жением электродов [7J. В сварочную цепь проволоки включены
параллельно, а ток к ним подводится от общего источника пи-
тания. Подача проволок осуществляется сдвоенными роликами.
Рис. 4.2. Двухэлектродная сварка под флюсом
91
Ржс. 4.3. Двухдуговая сварка пол флюсом
Первый вариант целесообра-
зен при сварке длинных швов,
например в судостроении, когда
трудно обеспечить постоянный
зазор. Дуги направлены нс в за-
зор, а на кромки. Благодаря
этому уменьшается глубина про-
плавления и предотвращается
протекание сварочной ванны. При
втором варианте повышается ско-
рость сварки и экономичность,
уменьшается склонность швов
к образованию пор, так как об-
легчается удаление газов из сва-
рочной ванны, повышается стой-
кость к образованию кристалли-
зационных трещин вследствие замедленной скорости охлаждения. Возможна
сварка и большим числом проволок.
Многодуговая сварка ведется независимыми дугами в общую или раз-
дельные ванны. Каждая дуга питается от отдельного источника. Чаще при-
меняют двух- и трехдуговой процессы. На рис. 4.3 показана схема двухдуго-
вого процесса. Первая дуга проплавляет металл на требуемую глубину, и
при прохождении второй дуги расширяется плавильное пространство и обес-
печивается необходимая форма шва. Обычно расстояние между электродами
20—40 мм (в отдельных случаях больше). Второй и последующие электроды
должны перемещаться в еще жидком шлаке, образовавшемся при прохожде-
нии первой дуги. Применяют комбинированное питание дуг постоянным и пе-
ременным током, что повышает качество швов. При многодуговой сварке
производительность резко возрастает. Многодуговая сварка чаще применя-
ется в трубосварочном производстве.
4.2. Технология
Механические свойства и качество сварных швов при механизированной
(автоматической) сварке под флюсом определяются составом электродной
проволоки, флюса и свариваемого металла, родом, полярностью и величиной
сварочного тока, а также технологическими особенностями сварки.
4.2.1. Материалы
К сварочным материалам относят флюсы и электродные прово-
локи. Роль флюса в процессе сварки описана в 4.1.
Требуемые механические свойства и структура металла шва
и сварного соединения в целом обеспечиваются применением
оптимального сочетания параметров флюса и электродной про-
волоки.
4.2.2. Форма и размеры шва при сварке под флюсом
Размеры и форма шва при сварке под флюсом характеризу-
ются глубиной провара, шириной шва, высотой утолщения, ко-
эффициентом формы провара и др. При двусторонней сварке
шов характеризуется и величиной перекрытия провара (обычно
3—4 мм при сварке под флюсом). Коэффициент формы шва мо-
92
жет изменяться от 0,5 до 4. Закономерности изменения формы
шва обусловлены главным образом режимом сварки и практи-
чески мало зависят от типа сварного соединения.
Параметры режима условно можно разбить на основные и
дополнительные. К основным относятся: уровень тока, его
род и полярность, напряжение дуги, диаметр (сечение) элект-
родной проволоки, скорость сварки. При сварке под флюсом
с постоянной скоростью подачи электродной проволоки часто
вместо тока оперируют определяющим его понятием «скорость
подачи электродной проволоки» (м/ч). Чем выше скорость по-
дачи, тем больше должен быть ток, чтобы расплавить прово-
локу, подаваемую в сварочную ванну.
К дополнительным параметрам режима сварки под
флюсом можно отнести: величину вылета электродной прово-
локи, состав и строение флюса (плотность, размеры частиц),
положение изделия и электрода при сварке.
Глубина провара и ширина шва зависят практически от всех параметров
режима. С увеличением силы тока глубина провара также увеличивается. Род
и полярность тока также влияют на форму и размер шва. При сварке постоян-
ным током обратной полярности глубина провара примерно на 40—50 %
больше, чем при сварке постоянным током прямой полярности. При сварке
переменным током глубина провара на 15—20 % ниже, чем при сварке по-
стоянным током обратной полярности.
Уменьшение диаметра электродной проволоки приводит к увеличению
глубины провара и уменьшению ширины шва.
Напряжение дуги при сварке под флюсом оказывает весьма незначитель-
ное влияние на глубину провара. Ширина шва связана с напряжением на
электродах прямой зависимостью. С увеличением напряжения ширина шва
увеличивается.
Влияние скорости сварки на глубину провара неоднозначно. При малых
скоростях сварки (10—12 м/ч) глубина провара при прочих равных условиях
минимальная. Повышение скорости сварки до некоторого значения, завися-
щего от условий сварки, приводит к увеличению глубины провара. В преде-
лах часто применяемых режимов глубина провара лишь незначительно изме-
няется с изменением скорости сварки. Ширина шва связана со скоростью
сварки обратной зависимостью.
Состав и строение флюса оказывают заметное влияние на глубину про-
вара и ширину шва. Чем меньше насыпная масса флюса, тем больше объем
полости, образующейся вокруг столба дуги, и тем большей подвижностью
обладает дуга. При этом ширина шва увеличивается, а глубина провара па-
дает. При увеличении насыпной массы флюса зависимость обратная.
Подогрев свариваемых кромок выше 100 °C приводит к увеличению глу-
бины провара и ширины шва.
На форму сварочной ванны, и в первую очередь на глубину провара,
существенное влияние оказывают состав и свойства основного металла. Так,
при сварке углеродистой конструкционной стали, высоколегированной стали
и алюминия наибольшая глубина проплавления получается при сварке алю-
миния, средняя — для высокоуглеродистой стали и минимальная — при сварке
углеродистой стали. Это связано с теплопроводностью и плотностью указан-
ных металлов.
Влияние зазора между кромками на форму, очертания и размеры шва
незначительно, но заметно сказывается на соотношении долей электродного и
основного металла в шве. Чем больше зазор или площадь сечения разделки
кромок, тем меньше доля основного металла в шве.
93
4.2.3. Подготовка к сварке
Основные типы соединений, конструктивные элементы и их размеры в на-
стоящее время регламентируются двумя стандартами: ГОСТ 8713—79 «Свар-
ка под флюсом. Соединения сварные. Основные типы, конструктивные
элементы и размеры» и ГОСТ 11533—75 «Автоматическая и полуавтоматиче-
ская дуговая сварка под флюсом. Соединения сварные под острыми и ту-
пыми углами. Основные типы, конструктивные элементы и размеры».
Подготовка элементов к сварке под флюсом проводится лю-
бым механическим способом или методом термической резки
(кислородной, плазменной).
Перед сборкой свариваемые кромки должны быть высушены
и тщательно очищены от ржавчины, окалины, масла, краски и
других загрязнений. Наряду с кромкой свариваемых элементов
очищают прилежащие поверхности шириной 30—40 мм. Уда-
ляя ржавчину и загрязнения с поверхности собранных листов,
необходимо следить, чтобы они не попали в зазоры между
кромками.
Сборку и сварку элементов со стыковыми швами проводят
на стеллажах или специальных приспособлениях. Зазор и вза-
имное расположение листов при сварке стыковых швов без раз-
делки кромок фиксируется прихватками и технологическими
(выводными) планками. Длина прихваток 50—100 мм, расстоя-
ние между прихватками по длине стыка <500—550 мм, высота
усиления прихватки ^3—4 мм. Длина выводной планки дол-
жна быть на 40—50 мм больше кратера основного шва. Ши-
рина— обычно принимается равной 70—100 мм.
При сборке стыковых соединений с разделкой кромок при-
хватки по длине стыка ставить не рекомендуется. Листы перед
сваркой скрепляют концевыми планками.
Сборку тавровых соединений обычно выполняют в специ-
альных кондукторах, либо на стеллажах по разметке. Перед
сборкой все кромки и места под сварку должны быть очищены
от ржавчины и других загрязнений. Зазор между сваривае-
мыми элементами должен быть по возможности минимальным.
Перед сваркой элементы соединяются прихватками (длина при-
хваток 80—120 мм, катет <5x5 мм, расстояние между при-
хватками 500—600 мм; при необходимости оно может быть
меньше).
Если зазор между элементами превышает 2 мм, разрешается
выполнять подварку штучными электродами со стороны, про-
тивоположной первому шву. Перед сваркой все прихватки дол-
жны быть очищены от шлака и брызг.
Сварка угловых швов, как правило, должна начинаться и
заканчиваться на выводных технологических планках.
94
4.2.4. Режимы и техника сварки
Основной объем работ по автоматической сварке выполняется
электродными проволоками 03, 4 и 5 мм. Режимы сварки вы-
бираются в зависимости от толщины свариваемого металла,
вида разделки кромок, количества проходов и способа удержа-
ния сварочной ванны (флюсовая подушка, ручная подварка,
медная охлаждаемая подкладка, остающаяся стальная под-
кладка, керамическая подкладка).
Режимы сварки определяются следующими параметрами:
силой тока сварки (прямо пропорциональна подаче электрод-
ной проволоки), напряжением дуги, диаметром сварочной про-
волоки, вылетом электрода, скоростью сварки, а также углом
наклона электрода или изделия.
Технология и техника сварки под флюсом весьма разнооб-
разны и определяются конструкцией сварного соединения, кон-
фигурацией и протяженностью швов, толщиной и химическим
составом свариваемого металла, применяемой аппаратурой
(одно-, двух-, многодуговая) и др. Ориентировочные режимы
сварки под флюсом наиболее распространенных типов швов
приведены в табл. 4.1. Сборку соединений под сварку выпол-
няют согласно требованиям ГОСТ 8713—71.
Стыковые швы
Односторонней однопроходной сваркой соединяют металл тол-
щиной до 30 мм. Более толстый металл, как правило, свари-
вают двусторонними однопроходными или многопроходными
швами. В настоящее время сварку под флюсом используют для
сварки металла толщиной до 120—150 мм.
Одностороннюю сварку применяют, если металлы не вос-
приимчивы к сварочному перегреву, а швы не склонны к обра-
зованию кристаллизационных трещин. При односторонней
сварке тонкого металла (толщиной до 4—6 мм, без разделки
кромок) стремятся уменьшить зазор при сборке, свести его
практически к нулю.
При бесскосной односторонней сварке более толстого ме-
талла (толщиной 10—12 мм) для уменьшения избытка наплав-
ленного металла и увеличения глубины провара стыки соби-
рают с зазором.
Как в первом, так и во втором случаях поддерживающие
подкладки или подварка обязательны. Если доступ к стыку
имеется только с одной стороны, то либо сварку выполняют на
остающейся стальной подкладке, либо стык собирают «в замок».
Сварка стыковых соединений на остающейся подкладке при-
меняется преимущественно при соединении тонких листов (до
10 мм) и для кольцевых соединений цилиндрических конструк-
95
ПАРАМЕТРЫ РЕЖИМОВ СВАРКИ
ОП — обратная полярность тока.
96
ций, когда наличие подкладки допустимо (по условиям работы).
Подкладка изготавливается из хорошосвариваемой стали тол-
щиной 3—6 и шириной 30—50 мм.
Сварка «в замок» имеет много общего со способом сварки
на остающейся подкладке. Соединения «в замок» применяют
в ответственных изделиях, например в котлах высокого давле-
ния. Такое соединение предохраняет металл от прожога, кроме
того, оно очень удобно при сборке крупногабаритных, тяжелых
изделий.
Односторонняя автоматическая сварка по ручной подварке
корня шва применяется тогда, когда изделие невозможно кан-
товать при сварке или необходимо его транспортировать на ме-
сто сварки.
Односторонняя сварка на флюсовой подушке наиболее рас-
пространена в промышленности для сварки конструкций типа
полотнищ и для кольцевых швов. При односторонней сварке
стыковых соединений на флюсовой подушке к качеству сборки
предъявляются более высокие требования, чем при сварке на
остающихся подкладках и для технологии с ручной подваркой.
При сварке листов толщиной >8 мм прижатие флюса соз-
дается благодаря собственному весу изделия. Сварка на флюсо-
вой подушке (табл. 4.2) ведется как с разделкой, так и без раз-
делки с обязательным технологическим зазором. Для получе-
ния доброкачественных швов с плавкой и стабильной формой
корневого валика автоматическую одностороннюю сварку под
флюсом выполняют на медной и флюсомедной подкладке. Сле-
дует отметить, что качественные швы в этом случае получаются
только при полном прижатии подкладки к изделию, постоян-
ном по длине стыка зазоре и строгом соблюдении точной сборки
стыка (без депланации кромок). Смещение стыкуемых кромок
ТАБЛИЦА 4.2
ТИПОВЫЕ РЕЖИМЫ СВАРКИ МАЛОУГЛЕРОДИСТЫХ
И НИЗКОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ НА ФЛЮСОВОЙ ПОДУШКЕ
Толщина металла, мм Ширина зазора в стыке, мм мм 'св- А 1/д. В »св- к'4 Давление воздуха в шланге флюсовой подушки, кПа
2 0—1,0 1,6 120 24—28 43,5 80
3 0—1,5 2 275—300 28—30 44,0 80
3 400—425 25—28 70,0 80
5 0—2,5 2 425—450 32—34 35,0 100—150
4 575—625 28—30 46,0 100
8 0—3,5 4 725—775 30—36 34,0 100—150
7—1063
97
ТАБЛИЦА 4.3
РЕЖИМЫ ТРЕХДУГОВОЙ СВАРКИ СТАЛЕЙ ПОД ФЛЮСОМ
Толщина металла, мм Режим сварки Толщина металла, мм Режим сварки
/св. А Од. В vCB- «/- 'св- А t/д. В “св- м'4
25 1—1500 35 42 36 1 — 1450 35 33
2—1140 45 2—1230 45
3—1050 50 3—1260 50
32 1—1450 35 36 35 1 — 1550 35 33
2—1200 45 2—1300 45
3—1200 50 3—1320 50
или неодинаковое количество флюса в зазоре по длине стыка
вызывают дефекты в корневой части швов.
Ориентировочные режимы сварки под флюсом стыковых
швов с U-образной разделкой кромок на флюсомедной под-
кладке приведены в табл. 4.3, 4.4.
ТАБЛИЦА 4.4
РЕЖИМЫ ОДНО- И ДВУХДУГОВОЙ СВАРКИ
ПОД ФЛЮСОМ ОДНОСТОРОННИХ ШВОВ
Способ сварки Форма разделки кромок • Толщина, мм Режим сварки Расстояние ме- жду электрода- ми, мм
'св- A "св- В VCB* м/ч
Однодуговая под флюсом 601S 6 10 14 660 840 930 33 38 40 27 25,2 23,8 —
12 1—930 2—720 1—960 38 45 38 36 100
|WW 16 30 по
3£2 ♦ i 19 19 2—780 1-960 48 38 27 но
2—780 43
Двухдуговая eots 20 1 — 1200 35 30 120
иод флюсом <Z±2 25 2—850 1—1230 45 35 48 35 27 120
2—930 1-1350
32 24 130
36 40 2—1100 1 — 1380 2—1260 1 — 1500 2—1290 37 55 37 55 22,2 21 130 130
* Размеры в миллиметрах; f — устанавливается при проектировании.
98
Сварка на весу (без подкладок) возможна только при усло-
вии плотной и точной сборки стыка без зазоров
Глубина провара при односторонней сварке по этому спо-
собу не должна превышать 2/3 толщины металла, в противном
случае возможны прожоги под действием веса ванны расплав-
ленного металла.
Сварка на весу односторонних швов применяется для неот-
ветственных конструкций из тонкого металла или конструкций,
в которых по условиям эксплуатации допустим непровар свари-
ваемых кромок, например картеры передних и задних мостов
автомобилей, тракторов, лонжеронов рам тележек тракторов
и других изделий.
Автоматическая сварка под флюсом двусторонних стыковых
швов. Этот вид автоматической сварки под флюсом наиболее
распространен в промышленности и строительстве. Применяется
при создании всевозможных сварных металлоконструкций и из-
делий: паровых котлов, химической и нефтяной аппаратуры,
строительных металлоконструкций, цистерн, судокорпусных кон-
струкций и т. д.
Двусторонняя автоматическая сварка менее экономична и
менее производительна, чем односторонняя, но имеет то пре-
имущество, что более надежна, так как на качество швов при
этой технологии в меньшей степени влияет изменение режи-
мов сварки, смещение электрода от оси шва, точность подго-
товки кромок к сборке. Кроме того, не требуется сложных уст-
ройств для получения полного провара и формирования корне-
вой части шва и т. п.
Сварка первого прохода двустороннего шва по этой техноло-
гии выполняется на флюсовой подушке или на весу. Сварка
второго прохода шва с обратной стороны выполняется после
зачистки корневого участка шва первого прохода. Техника
сварки первого прохода такая же, как и для односторонних
швов.
В табл. 4.5 и 4.6 приведены ориентировочные режимы меха-
низированной сварки под флюсом двусторонних стыковых швов
без разделки кромок (с обязательным технологическим зазо-
ром) и с их разделкой (свариваются на флюсовой подушке).
Во втором случае предпочтение отдают швам, выполненным на
металле с симметричной разделкой кромок. В практике приме-
няют V-, U-, Х-, К-образные и другие типы разделок кромок
стыковых швов, которые оговорены ГОСТом.
Во всех случаях режимы сварки необходимо выбирать та-
ким образом, чтобы глубина провара первого слоя примерно
составляла половину толщины свариваемого металла. Второй
шов сваривают с более глубоким проваром, примерно равным
0,65—0,7 толщины свариваемого металла.
7*
99
ТАБЛИЦА 4.5
РЕЖИМЫ МЕХАНИЗИРОВАННОЙ СВАРКИ ПОД ФЛЮСОМ
ДВУСТОРОННИХ СТЫКОВЫХ ШВОВ БЕЗ РАЗДЕЛКИ КРОМОК
Толщина металла» мм Зазор в стыке» мм 'св- А U. Б "св-
=. ОП
14 3-4 700—750 34—36 32—34 30
20 4—5 850-900 36—40 34—36 27
24 4—5 900—950 38—42 36—38 25
30 6—7 950—1000 40—44 — 16
40 8—9 1100—1200 40—44 — 12
50 10—11 1200—1300 44—48 — 10
Сварка под флюсом стыковых многопроходных двусторонних
швов. Многопроходная автоматическая сварка под флюсом при-
меняется при сварке металла средних и больших толщин (пре-
имущественно >20 мм) с обязательной разделкой кромок. Раз-
делка кромок выполняется в процессе последовательных нало-
жений слоев. Сечение шва, а следовательно, и число слоев оп-
ределяется (кроме толщины металла) режимом сварки. При
многопроходной сварке предпочтительнее Х-образная разделка
(по сравнению с V-образной), т. е. двусторонние швы имеют
преимущество перед односторонними.
Ориентировочные режимы многопроходной автоматической
сварки под флюсом металла с X- и U-образной разделкой 'кро-
мок приведены в табл. 4.7.
ТАБЛИЦА 4.6
РЕЖИМЫ МЕХАНИЗИРОВАННОЙ СВАРКИ ПОД ФЛЮСОМ
ДВУСТОРОННИХ СТЫКОВЫХ ШВОВ С РАЗДЕЛКОЙ КРОМОК
Толщина металла» мм Тип разделки кромок Проход шва 'св- А ид. В "св- </э- ““
14 V-образный 1-й 830—850 36—38 25 . 5
2-й 600—620 36—38 45 5
18 V-образный 1-й 830—850 36—38 20 5
2-й 600—620 36—38 45 5
22 V-образный 1-й 1050—1150 36-40 18 6
2-й 600—620 36—38 45 5
30 V-образный 1-й 1050—1250 40—44 20 6
2-й 600—650 36—38 45 5
30 X -образный 1-й 1000—1100 36—40 18 6
2-й 900—1000 36—38 20 6
34 U-образный 1-й 1050—1100 38—40 21 5
2-й 830—850 36—38 45 5
100
ТАБЛИЦА 4.7
РЕЖИМЫ МНОГОПРОХОДНОЙ АВТОМАТИЧЕСКОЙ СВАРКИ
ПОД ФЛЮСОМ
Толщина металла, мм Разделка кромок d3, мм Число слоев 'св- А ид. В Всв. м/ч
70 U-образная 8 16 1000—1050 35—40 28
90 U-образная 8 22 1000—1050 35—40 28
30 X-образная 6 8 900—1100 36—40 20
Тавровые, угловые и нахлесточные швы
Преимущество сварки под флюсом тавровых и нахлесточных
соединений заключается в глубоком проваре основного металла
в корне шва, позволяющем в 1,5 раза уменьшить катеты шва
по сравнению со сваркой штучными электродами.
Автоматическая сварка угловых швов проводится верти-
кальным электродом при положении шва «в лодочку» или на-
клонным электродом «в угол» (рис. 4.4). Сварка «в лодочку»
может выполняться при симметричном (а, б) или несимме-
тричном (в, г) расположении сопрягаемых деталей.
Рис. 4.4. Сварка под флюсом угловых швов
101
Рис. 4.5. Сварка многопроходных швов
под флюсом «в угол» (1—4 — после-
довательность наложения швов)
Сварку однопроходных угло-
вых швов тавровых соединений
ведут «на весу», на флюсовой
подушке или после ручной под-
варки.
При выборе режима сварки
угловых швов «в лодочку» необ-
ходимо учитывать некоторые
специфические особенности их
формирования. Угловые швы мо-
жно рассматривать как стыковые
швы с углом разделки 90 °, при-
чем ширина разделки всегда
равна ширине провара. Качест-
венное формирование шва воз-
можно только при условии, что ширина провара больше его
глубины не более чем в 2 раза, т. е. коэффициент формы ф^2.
В противном случае неизбежны подрезы стенок тавра и непро-
вар корня шва.
В табл. 4.8 приведены ориентировочные режимы сварки
«в лодочку» угловых швов тавровых и нахлесточных соеди-
нений.
Сварка «в угол» применяется только в том случае, когда
положение «в лодочку» конструктивно невозможно или эконо-
мически нецелесообразно. Например, случаи приварки набора
к полотнищам, приварки ребер жесткости к длинным балкам
и т. п.
Преимуществом способа сварки «в угол» является сравни-
тельно малая чувствительность к зазорам, т. е. можно не при-
бегать к специальным мерам против вытекания жидкого ме-
талла.
В то же время способ сварки «в угол» обладает существен-
ными недостатками: невозможно получить шов с катетами
>8 мм за один проход; формирование шва в сильной
степени зависит от точности ведения электрода вдоль линии
сварки.
При сварке многопроходных швов «в угол» большое значе-
ние имеет правильная последовательность наложения слоев, ко-
торые нужно располагать так, чтобы ранее наложенный валик
препятствовал стеканию металла и шлака последующих слоев
(рис. 4.5).
Ориентировочные режимы сварки «в угол» швов тавровых и
нахлесточных соединений приведены в табл. 4.9.
Сварка вертикальным электродом с оплавлением верхней
кромки нахлесточного соединения (см. рис. 4.5, г) применяется,
когда толщина листа не превышает 8 мм. При этом формиру-
102
ТАБЛИЦА 4.8
РЕЖИМЫ СВАРКИ «В ЛОДОЧКУ»
УГЛОВЫХ ШВОВ ТАВРОВЫХ
И НАХЛЕСТОЧНЫХ СОЕДИНЕНИЙ
Катет шва, мм "э- ММ 'св А Од. В °св- м/ч
6 2 450—475 34—36 40
8 3 550—600 34—36 30
4 575—625 34—36 30
5 675—725 32—34 32
10 3 600—650 34—36 23
4 650-700 34—36 23
5 725—775 32—34 25
12 3 600—650 34—36 15
4 725—775 36—38 20
5 775—825 36—38 18
ТАБЛИЦА 4.9
РЕЖИМЫ СВАРКИ «В УГОЛ»
ШВОВ ТАВРОВЫХ И НАХЛЕ-
СТОЧНЫХ СОЕДИНЕНИЙ
Катет шва, мм аэ- мм 'св- А Од. В °св- ы/ч
3 2 200—220 25—28 60
4 2 280—300 28—30 55
3 350 28—30 55
5 2 375—400 30—32 55
3 450 28—30 55
4 450 28—30 60
7 2 375—400 30—32 28
3 500 30—32 48
4 675 32—35 50
8 4 675 32—35 45
5 720—750 38—40 50
ются нормальные швы с вертикальным катетом, равным тол
щине верхнего листа. Горизонтальный катет обычно больше
вертикального в 1,5—2 раза.
Сварка с дополнительной присадкой
Применение способа автоматической сварки под флюсом с гра-
нулированными присадками позволяет:
1. Увеличить производительность сварки в 2 и более раз
(в зависимости от толщины свариваемого металла и типа сое-
динения), причем эффективность процесса возрастает с увели-
чением толщины изделия.
2. Увеличить толщину свариваемого без скоса кромок ме-
талла до 40 мм (без присадок сварка возможна до толщины
20 мм).
3. Ликвидировать дефекты сварных швов типа сшлаковые
каналы» при бесскосной сварке сталей толщиной до 40 мм.
4. Вести сварку по увеличенным зазорам и с депланацией
кромок.
5. Повысить качество сварных швов и сварных соединений
в целом за счет снижения перегрева металлической ванны и
уменьшения величины зоны термического влияния.
6. Улучшить механические характеристики сварных соеди-
нений, особенно ударную вязкость при отрицательных тем-
пературах (порог хладноломкости снижается на 15—
20 °C).
7. Снизить сварочные деформации изделий и повысить рабо-
тоспособность их сварных соединений.
108
8. Ликвидировать горячие и холодные трещины в сварных
соединениях (сопротивляемость возникновению трещин значи-
тельно возрастает)
9. В ряде случаев ликвидировать сопутствующий подогрев
изделий в процессе сварки.
10. Легировать металл шва за счет присадки и получать
нужную композицию сварочных материалов (электродная про-
волока-1-сварочный гранулят+сварочный флюс), которая обес-
печит заданные механические свойства сварных соединений.
Для сварки малоуглеродистых и низколегированных сталей
в промышленности широко применяются гранулированные ме-
таллические присадки в виде рубленых проволок диаметром
0,8—2,0 мм.
Более перспективными для сварки низколегированных ста-
лей являются активированные металлические (металлохимиче-
ские) присадки. При сварке с активированными присадками
увеличивается глубина проплавления без повышения мощности
дуги, а также улучшаются структура и механические свойства
сварных соединений. Производительность процесса сварки с ак-
тивированными присадками может быть повышена на 50 % по
сравнению с технологическим процессом сварки с обычными
гранулированными присадками, так как активаторы являются
как бы катализаторами процесса сварки.
Увеличение глубины проплавления свариваемого металла
или же значительное повышение производительности при сварке
с гранулированными присадками при неизменной погонной энер-
гии достигается за счет добавки к рубленой проволоке солей
фторидов и хлоридов щелочных и щелочноземельных металлов.
Наиболее стабильный процесс сварки и устойчивое горение дуги
наблюдались при введении фторидов натрия и кальция.
Оптимальный уровень добавок солей к гранулятам колеб-
лется от 0,5 до 1,0%. Присадочные материалы с добавками со-
лей для разных марок сталей и технология изготовления регла-
ментируются ВТУ ИЭС 105—75. Механизированная сварка под
флюсом с активированными присадками выполняется под серий-
ными флюсами сварочными проволоками.
4.2.5. Сварка конструкционных углеродистых сталей
Получение равнопрочных сварных соединений при сварке ма-
лоуглеродистых сталей под флюсом достигается в основном
за счет применения высококремнистых марганцевых флюсов
марок АН-348А, ОСЦ-45, АНЦ-1 и др. и малоуглеродистых
или марганцевых сварочных проволок марок Св-08А, Св-08ГА,
Св-10Г2.
Сварку под флюсом среднеуглеродистых сталей ведут на
пониженных режимах (производительность резко падает). По-
104
этому сварка под флюсом не получила широкого применения
при изготовлении конструкций из среднеуглеродистых сталей.
К высокоуглеродистым конструкционным сталям относят
стали, содержащие 0,46—0,75 % С. Свариваемость их затруд-
нена. Необходимость сварки подобных трудносвариваемых ста-
лей возникает в основном при ремонтных работах. Для свар-
ных конструкций такие стали, как правило, не применяются,
но широко применяются для деталей машин. Ремонт ведут
в основном методом наплавки.
4.2.6. Сварка низколегированных сталей
К низколегированным относят такие стали, которые легированы одним
или несколькими элементами при содержании каждого легирующего «2 % и
суммарном их содержании <5 % . Эти стали можно разделить на три группы:
малоуглеродистые конструкционные, среднеуглеродистые конструкционные,
жаропрочные.
Малоуглеродистые низколегированные стали можно в свою очередь под-
разделить на стали повышенной прочности и высокопрочные.
Стали повышенной прочности выпускаются в основном по ГОСТ 19282—73
«Сталь низколегированная тонколистовая и широкополосная универсальная)».
По свариваемости стали этой группы мало отличаются от
нелегированных малоуглеродистых. Однако легирование повы-
шает склонность этих сталей к росту зерна в зоне термического
влияния, а при высоких скоростях охлаждения в них могут по-
являться неравновесные структуры закалочного характера.
Для сварки металлоконструкций обычного исполнения (тем-
пература эксплуатации до —40°C) применяются в основном
высококремнистые марганцевые флюсы марок АН-348А,
ОСЦ-45, АНЦ-1 и сварочная проволока Св-08ГА, Св-10Г2.
Флюс АН-60 применяется для сварки на повышенных скоро-
стях.
Для сварных конструкций, эксплуатирующихся при темпера-
туре ниже —40 °C, применяют основные флюсы марок АН-22,
АН-22М, АН-47, АН-67А и др. в сочетании с легированными
проволоками Св-ЮНМА, Св-08ХМ, Св-08МХ и др.
4.2.7. Сварка среднелегированных сталей
Среднелегированной называется сталь, легированная одним или несколь-
кими элементами, причем содержание каждого легирующего составляет
2—5% при их суммарном содержании 5—10 %.
Как правило, для среднелегированных сталей применяют комплексное ле-
гирование, что позволяет упрочнить феррит и повысить прокаливаемость
стали. Соответствующая термическая обработка обеспечивает получение нуж-
ных свойств.
Для современных марок среднелегированных сталей характерно много-
компонентное комплексное легирование (ЗОХГСНА, 12Х5МА, 25ХНЗМ и др.).
Легирование этих сталей только одним элементом (45Х, 06НЗ) применяется
весьма редко.
105
К сварным соединениям из среднелегированных сталей
предъявляют требования по прочности в условиях эксплуата-
ции и такие специальные требования, как коррозионная стой-
кость, стойкость против импульсных (мгновенных) нагрузок
и т. п. Выполнить их довольно трудно, так как с повышением
содержания легирующих элементов свариваемость ухудшается.
Серьезной проблемой свариваемости среднелегированных
сталей является пониженная сопротивляемость швов образова-
нию горячих трещин. Поэтому при сварке среднелегированных
сталей следует тщательно выбирать композицию шва, осуще-
ствляя вместе с тем его рафинирование и модификацию. Одно-
временно необходимо прибегать к технологическим мерам, при-
менять режимы, обеспечивающие высокий коэффициент формы
шва, снижать мгновенную скорость охлаждения.
При изготовлении конструкций из среднелегированных ста-
лей сварка под флюсом применяется достаточно широко. При
этом применяются как низкокремнистые (АН-15, АН-15М,
АН-17М), так и бескремнистые (АН-30, ОФ-6, АВ-4 и др.)
флюсы.
Бескремнистые флюсы применяются тогда, когда к металлу
шва предъявляются высокие требования по ударной вязкости
и технологичности (отделимость шлаковой корки). В сочета-
нии с указанными флюсами применяется сварочная проволока
марок Св-20Х4ГМА, Св-08Х20Н9Г7Т, Св-10Х5М, Св-10ХГСН2МТ.
4.2.8. Сварка высоколегированных сталей
Высоколегированной называется сталь, в которой содержание одного из ле-
гирующих элементов составляет >5 %, а сумма легирующих >10 %. По
структуре их подразделяют на мартенситные, ферритные и аустенитные.
Стали мартенситного класса — это коррозионные нержавеющие и жаро-
стойкие стали (2X13, 1Х17Н2, 4Х10С2М и др.). К сталям ферритного класса
относятся высокохромистые стали, содержащие >17% Сг и до 0,15 % С
(Х25Т, Х28 и др.). Стали аустенитного класса в основном хромоникелевые
(Х19Н9Т, Х18Н11Б, Х18Н12М2Т, Х25Н20С2, Х23Н18 и др.). Эти стали ши-
роко применяются в атомной промышленности, в авиации, химическом маши-
ностроении, криогенной технике, в нефтяной промышленности и др.
Сварка под флюсом является ведущим технологическим про-
цессом в производстве химической и нефтехимической аппара-
туры из коррозионностойких сталей. Находит применение
сварка и при производстве конструкций из жаропрочных ста-
лей и сплавов.
Столь широкое применение сварки под флюсом обусловлено
постоянством условий процесса и, как следствие, постоянством
химического состава и свойств металла шва. Это очень важно
для высоколегированных сталей и сплавов, так как даже не-
значительное изменение химического состава металла шва мо-
жет привести к образованию в нем кристаллизационных тре-
106
щин или существенно ухудшить коррозионные или жаропроч-
ные свойства.
Сварка под флюсом дает возможность получать гладкие
швы с плавным переходом к основному металлу, что способ-
ствует повышению коррозионной стойкости по сравнению со
швами, выполненными штучными электродами.
Сварку под флюсом высоколегированных сталей и сплавов
выполняют швами относительно небольшого сечения. Это пред-
определило применение тонких проволок; наиболее широко при-
меняются проволоки 0 2—3 мм.
Для сварки под флюсом высоколегированных сталей исполь-
зуют почти все сварочные проволоки по ГОСТ 224—70, а также
довольно большое количество сварочных проволок, выпускае-
мых по ТУ (Св-12Х11НМФ, Св-12Х13, Св-10Х17Т, Св-04Х19Н9,
ЭП467, ЭП235, ЭП497 и др.).
Жаропрочные стали свариваются в основном под фторид-
ными неокислительными флюсами АНФ-5, АНФ-8, АНФ-24
и др., а также окислительными бескремнистыми флюсами
АНФ-17, АНФ-22. Для сварки коррозионностойких сталей наи-
большее применение получили низкокремнистые флюсы АН-26,
АНФ-14.
Современные фторидные флюсы в сочетании с высоколеги-
рованными проволоками позволяют сваривать ответственные
конструкции из высоколегированных сталей.
Глава 5 ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВАЯ СВАРКА (ЭЛС)
5.1. Сущность процесса
Электронно-лучевая сварка (ЭЛС) осуществляется в вакууме за счет расплав-
ления кромок основного металла сфокусированным потоком электронов, имею-
щим высокую удельную мощность qi. Технологический диапазон для целей
нагрева, плавления, испарения составляет ~104—5-10s Вт/см2. Сварка метал-
лов малых толщин (до 3 мм) ведется с удельной мощностью q^lO* Вт/см2,
когда испарение с поверхности сварочной ванны незначительно. Однопроход-
ная сварка металлов больших толщин (до 200—300 мм) требует q?= 10*4-
4-10* Вт/см2. В этом случае проникновение электронного луча на большую
глубину сопровождается испарением металла и формированием канала про-
плавления, на стенках которого рассеивается практически вся мощность элек-
тронного луча. Канал проплавления, поверхность которого сильно перегрета
относительно температуры плавления металла Тпл и может достигать темпе-
ратуры кипения Ткип, движется через толщу металла, образуя по всей глу-
бине канала область расплава металла, который перемещается в хвостовую
часть ванны и гам кристаллизуется.
Переход от сварки металлов малых толщин к однопроходной сварке ме-
таллов больших толщин осуществляется по достижении критической удельной
мощности <?2*, величина которой для большинства металлов г;2* = 1054-
4-10* Вт/см2. Верхнее значение удельной мощности электронного луча для
технологических целей ограничено уровнем д2^109 Вт/см2 (выше процесс обра-
ботки материала становится неуправляемым из-за взрывного характера раз-
107
лета образующейся плазмы). Высокая концентрация энергии в луче позволяет
получать при больших скоростях ЭЛС узкие и глубокие сварные швы с ми-
нимальной зоной термического влияния и высокими механическими свойствами
металла шва и околошовной зоны.
5.2. Параметры и показатели ЭЛС
Параметрами электронного луча, измеряемыми в процессе сварки, являются:
ток луча /, ускоряющее напряжение U, ток фокусирующей системы /ф, рабочее
расстояние (расстояние от центра фокусирующей системы до поверхности сва-
риваемого изделия) I, угол сходимости луча а, скорость перемещения луча v.
При заданных значениях параметров: мощности (Вт) q—IU, I, /ф, а
можно определить диаметр электронного луча d и соответственно удельную
мощность </2, Вт/см2:
q2 = I UI(ncPI4). (5.1)
При использовании импульсно-периодического режима сварки средняя
мощность луча, Вт, равна:
qcp = IHUfT, (5.2)
где /и — ток луча в импульсе. A; U — ускоряющее напряжение. В; f — частота
следования импульсов, Гц; т — длительность импульса, с. Скорость сварки
в импульсном режиме, см/с:
С<В = 6(1-К)А (5.3)
где К—коэффициент перекрытия точек (обычно К=0,5ч-0,9); Ь — диаметр
сварной точки, см. Количественными показателями ЭЛС являются: погонная
энергия Qi=q/Vce (Дж/см)—затраты энергии на единицу длины сварного
шва; Q2=qlVct>H (Дж/см2)—затраты энергии на формирование единицы пло-
щади стыка; q/H (Вт/см)—затраты мощности на единицу глубины сварного
Пгва; K—HIB (здесь В — ширина шва, К—коэффициент формы шва; Н —
глубина шва).
Типичные интервалы значений параметров электронного луча для сварки
следующие: q— 1ч-120 кВт при 17=25-5-120 кВ, а=14-5°, 1=20+200 мм, исв =
=0,1 ч-З см/с, </=0,14-3 мм, /=1-5-100 Гц, г=5ч-100 мс. К>10.
5.3. Камеры и вакуум для ЭЛС
ЭЛС осуществляют чаще всего вертикальным либо горизонтальным лучом
(рис. 5.1) в вакуумных камерах, размеры которых зависят от габаритов сва-
риваемых изделий. Объем камер современных установок составляет от 0.1
(и менее) до сотен кубических метров 1'1—4].
Камера с находящейся на ней (или в ней) электронной пушкой, форми-
рующей электронный луч, может откачиваться как до высокого (~10-3 Па),
так и до низкого (~1—10 Па) вакуума, но с’ отдельной откачкой объема
электронной пушки no 10-3 Па.
Даже в низком вакууме ~ 1 Па содержание кислорода в 17 раз, а азота
в 10 раз меньше, чем в особо чистом аргоне, поэтому при ЭЛС зашита рас-
плавленного металла очень эффективна.
Установки с выпуском электронного луча в атмосферу на расстояние
15—20 мм при 17=1754-200 кВ обеспечивают мощность до 40 кВт и коэф-
фициент формы шва К«3 из-за малой удельной мощности вследствие силь-
ного рассеяния луча.
108
Рис. 5.1. Схема установки электронно-лучевой сварки:
/ — пушка; 2 — электронный луч; 3 — изделие (труба); 4 — откачка; 5 —
камера
5.4. Нагрев металла при ЭЛС
Глубина пробега электронов в твердом теле и газе
Максимальную глубину пробега электронов 6 в твердом теле
для целей ЭЛС чаще всего определяют по формуле Шонланда
6 = 2,35- 10-,2U2/p. (5.4)
где U— ускоряющее напряжение, В; р — плотность, г/см3; 6 —
глубина проникновения, см. Для алюминия р = 2,7 г/см3. При
t/ = 50 кВ получают 6 = 2,35- 10,2Х
Х(5-104) 2/2,7» 22 мкм.
Экспериментально и теоретиче-
ски установлено, что максимум
энерговыделения по глубине про-
бега находится под поверхностью.
На рис. 5.2 представлена экспе-
риментальная зависимость измене-
ния глубины проникновения элек-
тронов в железо от ускоряющего
напряжения. Для ряда металлов от-
ношение б/бге имеет следующие
значения: Ni — 0,85, Сг—1,1, Си —
0,88, А1 — 2,8, W — 0,48, Та — 0,54,
РЬ —0,81.
Если электронный луч проходит
через пар (газ), то поглощение его
мощности соответствует закону
<72 = <72ехр( —арД), (5.5)
где q2—начальная удельная мощ-
ность луча, Вт/см2; — удельная
Рис. 5.2. Изменение глубины про-
никновения электронов в железо
Хре в зависимости от ускоряю-
щего напряжения U
109
мощность луча после прохождения через слой пара
(газа) толщиной Н, см; р — плотность пара (газа), г/см3; а —
коэффициент поглощения, см2/г: а = 2,4- 10е- U~2 (здесь U —
напряжение, кВ).
Характер теплового источника
при электронно-лучевом нагреве
Тепловой источник при электронно-лучевом нагреве представ-
ляют как нормально распределенный по поверхности и объему
с максимумом под поверхностью нагреваемого тела [5, 6].
С увеличением ускоряющего напряжения (а следовательно,
и глубины проникновения электронов) максимум температуры
перемещается в глубь металла. Поэтому теоретически возможна
ситуация, когда поверхность материала не успевает нагреться,
хотя на глубине (в максимуме энерговыделения) достигается
температура кипения.
На характер распределения температурного поля в зоне
электронно-лучевого нагрева существенное влияние оказывает
отношение диаметра луча к глубине пробега электронов. Уста-
новлено, что, например, обработка материала (плавление и вы-
брос) эффективна только при условии d>2t>, т. е. использова-
ние очень тонких пучков электронов затруднено [5].
Критическая удельная мощность
(ограничение удельной мощности снизу)
Характерное время т* (табл. 5.1) зависит от теплофизических
свойств металла. В течение этого времени из объема, ограни-
ченного диаметром луча d и глубиной пробега электронов 6,
ТАБЛИЦА 5.1
ХАРАКТЕРНОЕ ВРЕМЯ т*
ДЛЯ РЯДА МЕТАЛЛОВ
Металл С*, мкс Металл т*. мкс
W 5 Ni 31
Au 3 Со 31
Си 5 V 30
Ag 3 Be 31
Мо 10 Zn 16
Та 15 Zr 62
Pt 12 Mg 33
Fe 28 Ti 124
Al 14 Нерж, сталь 136
тепло не успевает отводиться
механизмом теплопроводности.
Критическая удельная мощ-
ность электронного луча, при
которой начинается глубокое
проплавление, составляет
кипрб/т)нт*, (5.6)
ЗДЕСЬ ‘Skhii — р (сТ'кип “Ь/-кип)
теплосодержание кипящего ме-
талла, Дж/см3; рб — массовая
толщина слоя, г/см2, опреде-
ляемая по формуле Шонланда
(5.4); т]н — эффективный
к. п. д. электронно-лучевого
нагрева поверхности.
но
Таким образом, (5.6) определяет условия, когда в течение
характерного времени т* в слой рб вводится удельная мощ-
ность, приводящая к испарению (вскипанию) этого слоя.
Пример: для титана при L/—30 кВ рб=2,35 • 10~12 (3 Ю4)2, i]H=0,9,
т*=124 мкс, $кип = 1,1 • 10‘Дж/r и <?2* = 2-105 Вт/см2. Для алюминия при 11=
= 30 кВ »)н = 0,9, т*= 14 • 10-6 с, 5кип= 1,3 • 104 Дж/г и 106 Вт/см2. Для
нержавеющей стали при /7=30 кВ <72*= 1,3' 105 Вт/см2.
Ограничение удельной мощности электронного луча сверху
Ограничением сверху удельной мощности луча является начало
процесса взаимодействия электронного луча с медленными
электронами в канале. Расчеты (51 показывают, что это соот
ветствует удельным мощностям луча порядка 109—1010 Вт/см2.
5.5. Формирование канала проплавления при ЭЛ С
Теоретически и экспериментально установлено, что процесс
формирования глубокого проплавления при ЭЛС имеет автоко-
лебательный характер. В литературе имеется много работ, по-
казывающих, что воздействие непрерывных во времени концен-
трированных источников энергии (электронный луч, лазер
и др.) на вещество по достижении </г><72* имеет общую зако-
номерность: передача энергии от источника нагреваемому телу
идет в автоколебательном режиме [6].
Из (5.6) следует, что при <?2><72* за время т слой металла
толщиной б и диаметром d нагревается до кипения, переводится
в пар и начинает разлетаться:
т = £кипр5/т]н^2- (5.7)
Для титана при 17 = 30 кВ, ^2= Ю6 Вт/см2 время нагрева
слоя б до расширения
т = SKHnp6/(T]H<72) = 1,1 IO"4• 2,35 • 10"‘2 (3• 104)2/(0,9 10е) =
= 25,7 10"* с.
Таким образом, спустя 25,7 мкс после включения на пути
луча оказывается слой пара, концентрация частиц в котором
быстро падает — от 1 • 1020 до 1018—1016 см-3. Для луча такая
концентрация пара не является «прозрачной», неизбежно на-
чинается рассеяние электронного луча за пределы зоны воздей-
ствия (расфокусировка).
Из формулы (5.5) можно получить критическую плотность
пара р*, при которой ослабление падающего потока электронов
происходит до величины q?*:
p‘ = ln(<72/<72)/(a/7), (5.8)
где // — глубина канала (сварного шва), см. При плотности
в канале р<р* электронный луч достигает дна канала и обеспе-
111
чивает нагрев очередного слоя 6 до вскипания; при р>р* поток
электронов рассеивается на стенки канала.
В начальный момент разлета пара (в момент вскипания слоя
Л) от зоны нагрева в металл распространяется волна сжатия,
максимальное давление в которой
Ртах = Г<72/с, (5.9)
где Г — безразмерный коэффициент Грюнайзена (для металлов
Г—14-2); с — скорость звука, см/с. Например, для алюминия
при <72 = 3,3-10г> Вт/см2, со = 3-105 см/с, Г=1 и максимальное
давление Ртах~П0-105 Па. При этом в случае проплавления
на глубину /7=1 см и диаметре канала 0,5 мм (для алюминия
92* = 2-106 Вт/см2) р* = 3-10-« г/см2 или п=6,7-10'8 см-3.
При температуре стенки канала 7’ = 2,5-103 К это соответст-
вует давлению пара Р = п/гТ = 6,7-1018-1,38-10~16-2,5-103=
= 2,3- 105 Па.
Время рассеяния пара тр до р<р* определяется как
тр = p/7d2/p’rnd2, (5.10)
где d — диаметр луча, см; dK— диаметр канала, см; vn — ско-
рость разлета частиц пара, см/с (on «'x/SVM„ » 105 см/с); Н —
глубина канала, см.
Например, для алюминия при р=1-10~4 г/см3, р* =
= 3-10~4 г/см3, J = 0,5 мм, Н=\ см, </к=0,5 мм и скорости
разлета частиц пара с учетом трения (плотный пар) fn5®
~ 104 см/с тр=30 • 10-6 с.
После рассеяния начинается нагрев и разлет пара, который
можно описать уравнением (5.7). Таким образом, процесс фор-
мирования канала за счет испарения является периодическим.
Время t достижения электронным лучом глубины Н склады-
вается из п элементарных циклов (т+тр):
t = п (т + Тр) = ПТ + ПТр = /„СП + /рас,
где n=H/t>. С учетом (5.10)
/ = (pSK„n/7/<72) + (p/72d2a/vn4 In [q2lq^} - (5-11)
Расчеты по формуле (5.11) показывают, что в общем ба-
лансе времени (/) достижения электронным лучом глубины Н
до 1—10 % времени уходит на «чистое» испарение, тогда как
рассеяние (когда электронный луч расфокусирован и имеет
удельную мощность на 1—2 порядка меньше первоначального)
занимает все остальное время (99—90 %).
Так как при ЭЛС луч движется относительно изделия, то
t = dlvcb, (5.12)
где Пев — скорость сварки, см/с.
112
Рис. 5.3. Зависимость амплитуды от ча-
стоты автоколебаний для разных процес-
сов в канале при ЭЛС
и колебания жидкого металла
В процессе ЭЛС луч надви-
гается на зону металла перед
передней стенкой канала и
проплавляет ее на глубину Н
за время I, т. е. периодиче-
ски с частотой f—vCB/d углуб-
ляется в металл (периодиче-
ское «строгание» передней
стенки).
Таким образом, при фор-
мировании сварного шва на-
блюдаются два основных типа
периодических процессов: пе-
риодическое испарение по мере
углубления электронного луча
в металл (с частотами поряд-
ка единиц и десятков килогерц)
в сварочной ванне за счет периодического «строгания» перед-
ней стенки (с частотой порядка 1—100 Гц). В литературе так-
же отмечены плазменные колебания (с частотами порядка
106 Гц). Зависимость амплитуды колебаний от частоты для всех
трех типов колебаний при ЭЛС показана на рис- 5.3.
Пример: для случая алюминия при /7=30 кВ, <72=3,3-10я Вт/см2, т=
=9-10-’ с. Выше было определено, что к моменту достижения глубины Н =
= 1 см тр = 30-106 с. Примерная частота циклов испарение/разлет состав-
ляет: 1/(т+тр) = 1/(9+30) • 10-6= 25- 103Гц. При скорости сварки 1»св = 1см/с
и диаметре луча </=0,5 мм частота колебаний жидкого металла в сварочной
ванне составит /=0св/</=1/5 • 10-2=20 Гц.
5.6. Автоколебания параметров ЭЛС
Для ЭЛС характерно, что при постоянном во времени потоке
энергии возникают колебания физических параметров, характе-
ризующих систему луч — вещество, а именно: потока пара, ин-
тенсивности светового излучения, эмиссии электронов и т. п. из
зоны воздействия луча. Существует критическое значение по-
тока энергии для возбуждения колебаний: если <72X72*, то ко-
лебания возникают, если <7г<<72*, не возникают.
Такое поведение системы луч — вещество присуще автоко-
лебательным системам [6—9].
При нагреве вещества постоянным во времени потоком энер-
гии, который больше некоторого критического значения, отме-
чаются существенные особенности в характере изменения тем-
пературы поверхности: она не стремится к постоянному зна-
чению, но колеблется относительно некоторого среднего значе-
ния. Эта закономерность обусловлена возникновением автоколе-
баний температуры и плотности пара в процессе нагрева.
8—1063
113
Рис. 5.4. Автоколебательная система при ЭЛС
Механизм автоколебаний заключается в экранировке потока энергии па-
ром вещества и в существовании релаксационных процессов в газодинамике
тара. Критическое значение потока энергии, амплитуда, частота колебаний за-
висят от параметров потока энергии, теплофизических характеристик мате-
риала, газодинамических характеристик пара и характеристик взаимодействия
потока энергии с паром.
Автоколебательной системой называют систему, преобразующую энергию
постоянного источника в энергию колебаний (рис. 5.4).
Расчеты показывают, что при 92= Ю6-*-10е Вт/см2 для сталей, алюминия,
титана частота автоколебаний составляет 102—104 Гц, а амплитуда 100—
500 К.
Закономерность существования незатухающих во времени собственных ко-
лебаний температурного поля и плотности пара позволяет рассматривать фи-
зику этих процессов с качественно новой точки зрения. В частности, это при-
водит к выводу о существовании резонансных режимов нагрева вещества.
Использование резонансных режимов нагрева открывает широкие возмож-
ности для повышения эффективности разработки новых способов сварки
и обработки материалов концентрированными источниками энергии.
Регистрация характеристик автоколебаний дает новые воз-
можности для построения систем контроля и регулирования про-
цесса ЭЛС. Например, в работе [10] показана система контроля
глубины проплавления при ЭЛС по частоте колебаний ионного
тока.
5.7. Специфические дефекты сварных швов при ЭЛС
Такими дефектами при сварке с несквозным проплавлением
в основном являются: не заполненные металлом полости раз-
мером до 5—10 мм и длиной до 20—30 мм и периодическое не-
сплавление корня шва.
Давление пара в канале [см. формулу (5.9)] прямо пропорционально удель-
ной мощности луча. При данной удельной мощности можно получить разную
глубину проплавления: чем меньше скорость сварки, тем больше глубина про-
плавления. При правильном подборе удельной мощности, мощности и скоро-
сти сварки давление пара в канале отвечает условию
Р > (Ро + Р„) = pgH + о/г, (5.13>
114
где Р — давление пара в канале; Ра — давление, обусловленное весом жид-
кого металла; Ро — давление, обусловленное поверхностным натяжением
жидкого металла; р — плотность; g — ускорение силы тяжести; Н — глубина
канала. Например, для // = 10 см, г=1 мм, р=10 г/смэ, а=1000 дн/см, g=
=981 см/с2 (Рс + Ро) = 10-981 • 10+1000/0,1«105+10*== 1,1 • 105 бар=104 Па.
Как следует из примера, давление (Ра + Ро), направленное на захлопыва
ние канала, намного меньше давления пара в канале (см. разд. 5.5).
При уменьшении скорости сварки (при 92 = const) глубина
канала увеличивается. На выходе из канала условие (5.13) мо-
жет не соблюдаться, т.
Рис. 5.6. Схема поведения
канала при ЭЛС:
а — канал свободен от жид-
кости; б — отражение волны
жидкого металла от хво-
стовой части ванны; в — за-
хлопывание канала
е. возможно захлопывание канала
жидким металлом и образование
полости (рис. 5.5)
Появление корневых дефектов — пе-
риодических несплавлений корня шва, ам
плитуда которых, например при сварке
нержавеющей стали на глубину 20—22 мм
при q=5 кВт и t/=20-+24 кВ, достигает
3—4 мм, объясняют периодическими коле-
баниями жидкого металла в сварочной
ванне и связанным с этими колебаниями
периодическим перемыканием (захлопыва-
нием) канала. В течение перемыкания не-
которое время энергия луча тратится на
«сверление» слоя жидкой фазы, т. е. со-
вершается работа по формированию неко-
торой доли глубины канала И, что реально
приводит к местному уменьшению глубины
канала именно на эту долю.
К специфическим дефектам ЭЛС
следует также отнести отклонение
канала проплавления от линии
стыка вследствие отклонения луча
магнитным полем при сварке ста-
лей с остаточной намагниченно-
0,2 0,4 Об Об >кг,ог/с
Рис. 5.6. Зависимость параметра
<7/(Нисв) от скорости сварки для ти-
танового сплава (Энергоблок У905М,
пушка ПЛ-100, 60 кВ) [12]:
1 — вертикальный луч; 2 — горизон-
тальный луч
8*
115
стью. Для ликвидации этого дефекта прибегают к предвари-
тельному размагничиванию свариваемого изделия.
5.8. Техника ЭЛ С
Сварку электронным лучом можно успешно применять в ниж-
нем положении вертикальным лучом, вертикальным и горизон-
тальным швом на вертикальной стене (горизонтальным лучом)
с неполным и сквозным проплавлением. Сварка в нижнем поло-
жении рекомендуется для толщин до 40 (стали) и до 80 мм
(титановые и алюминиевые сплавы). Горизонтальным лучом со
сквозным проплавлением сваривают металлы толщиной до
400 мм. Типичная взаимосвязь глубины проплавления с пара-
метрами сварки представлена на рис. 5.6. Конструкция соеди-
нения для однопроходной ЭЛС выполняется с учетом глубокого
Рис. 5.7. Типы конструкций стыка при ЭЛС
проникновения луча в металл (рис. 5.7). Толщина зазора
в стыке составляет 0,1—0,2 мм при глубине шва ^20ч-30 мм
и 0,3 мм при глубине шва >30 мм [3]. В общем случае, зазор
должен быть меньше диаметра луча.
При ЭЛС используют ряд технологических приемов для
улучшения качества шва [3]:
1)6
— сварку наклонным лучом (отклонение в направлении пе-
ремещения на 5—7°) для уменьшения пор и несплошностей и
создания более равномерных условий кристаллизации;
— сварку с присадкой для легирования металла шва или
восстановления концентрации легкоиспаряющихся в вакууме
элементов;
— сварку на дисперсной подкладке для улучшения выхода
паров и газов из канала (подкладка толщиной ~40 мм из гра-
нул или рубленой сварочной проволоки);
— сварку в узкую разделку (0,8—8 мм) в нижнем положе-
нии за счет наплавки присадки в прямоугольную разделку
кромок;
— тандемную сварку двумя электронными пушками, из ко-
торых одна осуществляет проплавление, а вторая (меньшей
мощности) формирует либо корень канала, либо хвостовую
часть ванны. При квазитандем ной сварке используют один луч,
но периодически отклоняя его, например в хвост ванны, полу-
чают практически два луча;
— предварительные проходы для проверки позиционирова-
ния луча и очистки и обезгаживания кромок свариваемых ме-
таллов;
— двустороннюю сварку одновременно или последова-
тельно двух противоположных сторон стыка примерно на по-
ловину толщины стыка. Одновременную двустороннюю сварку
осуществляют как с общей ванной, так и с раздельными;
— развертку электронного луча: продольную, поперечную,
Х-образную, круговую, по эллипсу, дуге и т. п. с амплитудой
порядка диаметра луча и частотами до 1—2 кГц для создания
более благоприятных газо- и гидродинамических условий фор-
мирования канала (резонансные режимы нагрева). Двойное
преломление луча в процессе развертки позволяет, например,
расширить корневую часть канала, что необходимо для подав-
ления корневых дефектов;
— расщепление луча (за счет отклоняющей системы) для
одновременной сварки двух и более стыков (точек);
— модуляцию тока луча (обычно с частотой! —100 Гц) для
управления теплоподачей в сварной шов;
— «косметическое» заглаживание — повторный проход для
ремонта видимых дефектов шва как с внешней, так и с внутрен-
ней сторон. В некоторых случаях «косметические» проходы осу-
ществляют с присадкой.
Особенности технологии сварки цветных, тугоплавких ме-
таллов и сплавов, а также конструкционных сталей подробно
изложены в монографии [3].
117
5.9. Методика расчета некоторых параметров
режимов ЭЛС
Определим связь мощности электронного луча q при скорости
сварки Оси с глубиной Н и шириной В сварного шва [11].
Скорость сварки, необходимая для проникновения луча на
глубину Н при одновременном перемещении со скоростью Пев,
определяется из условия
Оси 4q/(ndHSK„n). (5.14)
Для титанового сплава по экспериментальным данным работы [12]: q=
=54 кВт, Н— 10 см, осв=0,5 см/с, tf=2,7 мм, 5Кип=5-10* Дж/см3.
Получаем uc„sj4-5,4- 1О‘/(3,14• 0,27• 10-5-10*)^0,5 см/с. На рис. 5.8
представлена экспериментальная зависимость термического к. п. д. т)? про-
плавления от параметра q/(HvCB} для сталей. Наличие экстремума на кривой
существенно облегчает расчеты, так как максимум ч* соответствует значению
4—5 кДж/см2 для сталей и, как показывает обработка результатов данных
работы [12], для титановых сплавов.
Связь параметров луча с геометрическими характеристиками
шва дается выражением
В н/е = (4т]пт]т<7<//лосвЛ/5пЛ)1/2, (5.15)
где Вн/е —ширина шва на уровне Н/е.
Пример. Для титанового сплава при <?=54 кВт, //=10 см, оСв=0,5 см/с
имеем: q/(HvCB) = l,08- \0* кДж/см2, Чп^Ь Чт=0.45, </=2,7 мм, 5пл=6,07х
X 103 Дж/см’.
ВШе = (4 1 0,45 • 0,27 1,08 -1 №/3,14 • 6,07 103)172 = 0,52 см =
= 5,2 мм.
Результат хорошо согласуется с экспериментальными данными.
Рис. 5.8. Зависимость термического к. п. д. проплавления основного металла при ЭЛС
от параметра <?/(Носв) для сталей аустенитного и перлитного классов
118
5.10. Оборудование для ЭЛС »
5.10.1. Классификация и состав электронно-лучевых установок
По степени специализации электронно-лучевые установки де-
лятся на универсальные и специализированные, а по давлению
в рабочей камере—на высоковакуумные (давление в камере
<10~' Па), промежуточного вакуума (давление в камере 10—
10_| Па), для ЭЛС в атмосфере или в защитном газе (103—
105 Па). По принципу создания вакуума в зоне сварки элект-
ронно-лучевые установки делятся на камерные (изделие внутри
рабочей камеры) и с локальным вакуумированием (герметиза-
ция изделия осуществляется только в зоне сварки).
Рис. 5.9. Структура камерной элек-
тронно-лучевой установки:
ЭЛП — электронно-лучевая пушка;
РК — рабочая камера; ВС ЭЛП — ва-
куумная система ЭЛП; ИУН — источ-
ник ускоряющего напряжения; ВС
РК — вакуумная система РК; СУ —
система управления установкой
В состав любой электронно-лучевой установки (рис. 5.9)
входит: электронно-лучевая пушка (ЭЛП); источник питания
ЭЛП; вакуумная система; система управления [13—16].
5.10.2. Электронно-лучевые пушки (ЭЛП)
ЭЛП служат для генерации и формирования электронного луча. Основные
узлы ЭЛП: генератор электронов и система проведения луча (рис. 5.10). Гене-
ратор электронов состоит из катода, управляющего электрода, или электрода
Венельта, анода- Система проведения луча включает юстирующие, фокуси-
рующие и отклоняющие катушки.
Катоды выполняются накальными (термокатоды прямого или косвенного
накала) или плазменными. Материал термокатодов — вольфрам, тантал,
сплавы этих металлов с рением, гексаборид лантана (LaB6).
В случае термокатодов прямого нагрева нагрев осуществляется за счет
пропускания через катод тока накала, а в термокатодах косвенного нагрева —
за счет бомбардировки катода электронами от вспомогательного катода.
Материал высоковольтного изолятора •— керамика, стекло, специальные
пластмассы. Типичные материалы для анода и управляющего электрода — не-
ржавеющая сталь, медь.
Ускоряющее напряжение приложено между анодом и катодом. Управле-
ние током луча осуществляется, как правило, путем изменения потенциала
управляющего электрода по отношению к катоду.
119
Рис. 5.10. Типичная структура
ЭЛП:
К — катод; УЭ — управляющий
электрод; ЮК — юстирующие
катушки; А — анод; ЭЛ — элек-
тронный луч; ФК — фокуси-
рующие катушки; ОК — откло-
няющие катушки; И — свари-
ваемое изделие
В настоящее время выпускаются ЭЛП
на мощность от 1 до 300 кВт с ускоряю-
щим напряжением 25—150 кВ. Основными
изготовителями являются: ФРГ, Франция,
Великобритания, СССР (ИЭС им. Патона,
ПО «Электрон», НПО «Исток», НИИАТ.
ВНИИЭСО), США, Япония.
5.10.3. Источники питания ЭЛП
Источники питания ЭЛП состоят из источ-
ника ускоряющего напряжения, а также источ-
ников питания УЭ, К, ЮК, ФК, ОК.
Источники ускоряющего напряжения вы-
полняются с регулирующим элементом на пер-
вичной или вторичной стороне высоковольт-
ного трансформатора, с преобразованием или
без преобразования частоты питающего на-
пряжения (рис. 5.11).
Регулировку на первичной стороне осу-
ществляют тиристорными или транзистор-
ными регуляторами, на вторичной стороне —
специальной высоковольтной лампой. Для за-
щиты от пробоев в ЭЛП источники ускоряю-
щего напряжения обычно снабжаются уст-
ройствами автоматического повторного вклю-
чения. Это позволяет без заметного ухудше-
ния качества сварки проводить ЭЛС даже
в условиях частых пробоев. Конструктивно
источники ускоряющего напряжения разме-
щают в баке с трансформаторным маслом, которое одновременно выполняет
функции охлаждающей среды. Известны также источники ускоряющего на-
пряжения на напряжение до 60 кВ, в которых в качестве изолирующей
среды используется воздух или компаунды.
Для гальванического разделения в источнике питания управляющего элек-
трода используют высокочастотные трансформаторы или пару светодиод/фото-
транзистор, соединенную световодом. Для обеспечения постоянства характе-
Рнс. 5.11. Функциональные
схемы источников ускоряюще-
го напряжения:
а — с тиристорным регулято-
ром {ТР)\ б —с регулирую-
щим элементом (РЭ) на вто-
ричной стороне трансформа-
тора; ВТ — высоковольтный
трансформатор; В В — высоко-
вольтный выпрямитель; Ф —
фильтр; ВД — высоковольтный
делитель
120
ристик системы проведения электронного
луча питание катушек ЮК, ФК, ОК
(см. рис. 5.10) осуществляется от ре-
гуляторов тока.
В СССР в настоящее время се-
рийно выпускаются источники ускоряю-
щего напряжения в комплекте с элект-
ронно-лучевой пушкой на ускоряющее
напряжение 60 кВ и мощность 5, 15 и
60 кВт (ЭЛА5, ЭЛА15, ЭЛА60 и др.).
5.10.4. Вакуумная система
электронно-лучевой установки
Вакуумная система ЭЛУ служит для
создания необходимого давления в ЭЛП
и рабочей камере: как правило 10-а —
10-4 Па в ЭЛП и 10—10-3 Па в ра-
бочей камере. ЭЛП отсекается от рабо-
чей камеры с помощью специального
вакуумного клапана, который открыва-
ется на время проведения сварки (рис.
5.12).
Рис. 5.12. Типичная вакуумная ка-
мера электронно-лучевой установки
для сварки в промежуточном ва-
кууме:
N1 — механический насос ЭЛП; N2 —
высоковакуумный насос ЭЛП; N3 —
двухроторный механический насос;
N4 — золотниковый или пластин-
чато-роторный насос; VI — клапан от-
качки высоковакуумного насоса; V2 —
клапан откачки ЭЛП высоковакуум-
ным насосом; V3 — клапан откачки
ЭЛП механическим насосом; V4 —
клапан напуска в ЭЛП; V5 — клапан
отсечки ЭЛП; V6 — клапан напуска
в рабочую камеру (РК); V7 — клапан
откачки рабочей камеры; V8 — напуск
в насосы откачки рабочей камеры
В качестве механических насосов
с предельным давлением 0,1—10 Па
используются шиберные или золотнико-
вые насосы и агрегаты на их основе,
в состав которых включаются также
двухроторные насосы (насосы Рутса).
В качестве высоковакуумных насосов
используются паромасляные или турбомолекулярные насосы.
5.10.5. Система управления электронно-лучевой установкой
Система управления (СУ) должна выполнять следующие основные функции:
— программное управление работой всех систем установки;
— диагностику работы всех систем установки;
• — контроль и управление положением электронного луча по отношению
к стыку;
— контроль и управление пространственными, энер| етическими и времен-
ными характеристиками электронного луча;
— связь с СУ более высокого уровня при работе в составе гибкой про-
изводственной системы.
Элементная база СУ — мини- и микроЭВМ, микропроцессоры. Все про-
граммное управление осуществляется либо одной достаточно мощной ЭВМ,
либо центральной микроЭВМ и местными микроЭВМ, на которых реализуется
локальное управление одним или несколькими устройствами. В отечественных
установках используются микроЭВМ семейства «Электроника», СМ-1800 и др.
Для повышения помехоустойчивости и надежности работы микроЭВМ и
объект управления гальванически разделены.
5.10.6. Примеры оборудования ЭЛС
Установка EBW36000/60-150 является типичным представите-
лем камерных машин. Она предназначена для сварки крупнога-
баритных деталей. Размеры рабочей камеры — 4,9 X 3,35 X
121
Х2.15 м. Для откачки камеры до рабочего давления 5Х
X 10-2 Па используется трехступенчатая откачная система
с двумя криогенными насосами производительностью 10 м3/с.
Время откачки рабочей камеры-------15 мин.
Установка оснащена ЭЛП мощностью 60 кВт при ускоряю-
щем напряжении 150 кВ, системами слежения за стыком во
время сварки и телевизионного наблюдения за процессом
сварки. Управление установкой полностью автоматизировано.
Установка УВЛ-6003, разработанная ВНИИЭСО, является
типичной для тактовых высокопроизводительных специализиро-
ванных установок. Она предназначена для сварки кольцевых
швов на деталях с вертикальной осью вращения. Максималь-
ные габариты деталей: диаметр 0,3, высота 0,3 м. Расположе-
ние ЭЛП — вертикальное или горизонтальное. Вакуумная си-
стема рабочей камеры оснащена двухступенчатой системой от-
качки производительностью 600 л/с, а вакуумная система
ЭЛП — турбомолекулярным насосом производительностью
150 л/с. Время откачки рабочей камеры — 30—45 с.
Установка содержит трехпозиционный поворотный стол с по-
зициями загрузки-выгрузки, подогрева детали перед сваркой,
сварки. На установке можно проводить сварку среднеуглероди-
стых сталей (установка снабжена позицией отжига деталей).
Подогрев и отжиг осуществляются среднечастотными индукци-
онными генераторами. СУ выполнена на базе микроЭВМ
«Электроника МС 2716» и осуществляет управление всеми уст-
ройствами установки, а также контроль и диагностику неис-
правностей. Установка комплектуется энергоблоком ЭЛА-15
(15 кВт, 60 кВ).
Глава 6 ЛАЗЕРНАЯ СВАРКА
6.1. Общие сведения
€.1.1. Источники энергии
Среди известных источников энергии, используемых для сварки, лазерное из-
лучение обеспечивает наиболее высокую концентрацию энергии. На рис. 6.1
представлены значения плотности мощности Е, т. е. отношение мощности
источника к его площади, и диаметры источников нагрева для основных сва-
рочных источников энергии. Из этих данных следует, что лазерное излучение
на несколько порядков превосходит по концентрации остальные источники
теплоты, используемые для сварки. Такие высокие значения концентрации
энергии определяются уникальными характеристиками лазерного излучения,
в первую очередь его монохроматичностью и когерентностью.
Лазерная сварка, в отличие от электронно-лучевой, также обеспечиваю-
щей высокую концентрацию энергии, не требует вакуумных камер. Ее ведут
либо на воздухе, либо в аргоне, гелии, либо в ССЬ и др. Лазерной сваркой
можно соединять элементы любых размеров.
122
Рис. 6.1. Концентрация энергии раз-
личных тепловых источников (плот-
ность мощности):
ГП — газовое пламя; ДП — дуговая
плазма; ЭЛ — электронный луч; ИР —
искровой разряд; СД — сварочная
дуга; ЛИ — лазерное излучение
Лазерное излучение легко переда-
ется с помощью оптических систем
в труднодоступные места, может одно-
временно или последовательно исполь-
зоваться на нескольких рабочих местах.
Оптические системы транспортировки и
фокусировки лазерного излучения соз-
дают возможность легкого и оператив-
ного управления процессом лазерной
сварки.
В отличие от электронного луча,
дуги и плазмы, на лазерный луч не
влияют магнитные поля свариваемых
деталей и технологической оснастки,
что позволяет получать устойчивое ка-
чественное формирование сварного шва
по всему контуру.
6.1.2. Виды
технологических лазеров
Для сварки металлов использу-
ются твердотельные и газовые
лазеры. Технологические лазеры
могут быть импульсно-периоди-
ческого и непрерывного действия
[2, 3).
Одним из первых твердотельных лазеров для сварки был ис-
пользован лазер на рубине. Активный элемент в нем — стер-
жень из кристалла искусственного рубина. Эти лазеры обычно
генерируют импульсно-периодическое излучение на длине волны
1=0,69 мкм с длительностью импульсов т= 10“3н-10_9 с, энер-
гией в импульсе ^и«10-24-103 Дж, максимальной частотой по-
вторения импульсов Ги~10 Гц.
Твердотельные лазеры с активным элементом в виде стерж-
ней из стекла с примесью неодима позволяют получать более
высокие значения энергии излучения. Они генерируют импульс-
но-периодическое излучение на 1=1,06 мкм. Частота импульсов
изменяется от 0,05 до 50 кГц. Энергия излучения достигает
в импульсе десятков джоулей при длительностях импульса
~ 100 мкс с низкими частотами повторения.
Большими технологическими возможностями отличаются
твердотельные лазеры с активным элементом из иттрий-алюми-
ниевого граната (ИАГ) с добавкой неодима. Эти лазеры гене-
рируют излучение на 1=1,06 мкм как в импульсно-периодиче-
ском, так и в непрерывном режимах.
Средняя мощность излучения твердотельных лазеров дости-
гает сотен ватт. Ограничения по уровню мощности связаны
с малыми размерами искусственно выращиваемых кристаллов
и их низкой теплопроводностью, что затрудняет их охлаждение
в лазерных установках.
123
Наиболее широко используют для сварки газовые лазеры,
в которых в качестве активной среды используется СОг. Эти
лазеры развивают в настоящее время среднюю мощность от не
скольких десятых до десятков киловатт в непрерывном и им
пульсно-периодическом режимах генерации излучения с Х=
= 10,6 мкм.
Лазерное излучение когерентно, монохроматично, обеспечи-
вает малую расходимость. Вследствие этого возникает возмож-
ность высокой степени фокусировки для достижения больших
значений концентрации энергии излучения, и на поверхности
свариваемого материала происходит локальный нагрев, обеспе-
чивающий высокие скорости нагрева и охлаждения, значи-
тельно превосходящие эти параметры при традиционных спосо-
бах дуговой сварки, малый объем расплавленного металла, ма-
лые размеры околошовной зоны термического влияния.
6.1.3. Теплофизические показатели процессов
Лазерное излучение на поверхность материала частично отражается, а ча-
стично поглощается.
Эффективный к. п. д. процесса сварки по физической сущности явля-
ется эффективным коэффициентом поглощения лазерного излучения
X]„=q/P, (6.1)
где q— эффективная тепловая мощность процесса лазерной сварки, т. е. мощ-
ность, поглощаемая металлом при лазерной сварке, Р — мощность лазерного
излучения. Значения т]и зависят от параметров режима и условий лазерной
сварки, особенно ее скорости (рис. 6.2). Это связано с влиянием размеров
и формы образующегося парогазового канала на поглощение лазерного из-
лучения. Разные состояния поверхностей образцов перед сваркой незначи-
Рис. 6.2. Зависимость эффективного к. п. д. от скорости сварки и
физико-химического состояния поверхности образцов из малоуглеро-
дистой стали Ст.З толщиной 6=3,5 мм при постоянном уровне мощ-
ности лазерного излучения Р=5 кВт и фокусном расстоянии F-
=215 мм:
1 — механически обработанная поверхность; 2 — металл в состоянии
поставки; 3 — чистый металл (химическое травление)
124
Рис. 6.3. Изменение термического к. и. д. лазерной сварки титанового
сплава ВТ-28 толщиной 6=2 мм от скорости сварки и мощности лазер-
ного излучения в разных условиях (фокусирующая линза — KCI, фокусное
расстояние Г=215 мм):
1 — мощность излучения Р-5 KBT=const; 2 — глубина проплавления
Лпропл "6=const •'РУ'1"» А—Р=2,2-*-2.4 кВт; группа Б—Р=2.7 + 2,9 кВт);
3 — теоретическая зависимость
тельно влияют на т)и, потому что при сварке кромки нагреваются до ^Т'пл,
а коэффициент поглощения лазерного излучения значительно растет с ростом
температуры.
Высокопроизводительные режимы лазерной сварки с большими скоро-
стями (Vcb = 25-5-30 мм/с), значительно превосходящими скорость дуговой
сварки, обеспечивают максимальную энергетическую эффективность процесса
и рекомендуются к применению.
Оптимальные значения т)я=0,б4-0,7 при лазерной сварке не уступают со-
ответствующим показателям при дуговой сварке, следовательно, энергетиче-
ская эффективность лазерной сварки не ниже, чем дуговой.
Термический к. и. д.— тр — характеризует эффективность использования
энергии, введенной в металл при сварке, и определяется отношением теплоты,
необходимей для проплавления, ко всей введенной в изделие при сварке. На
рис. 6.3 представлены экспериментальные результаты изменения тр в зависи-
мости от скорости сварки и мощности лазерного излучения. На оптимальных
участках при высоких скоростях сварки достигаются весьма высокие значе-
ния т)<= (0,44-0,45), близкие к предельному теоретическому уровню 0,484 для
случая проплавления тонкой пластины линейным мощным быстродвижущимся
источником теплоты.
Особенность лазерной сварки — высокий уровень эффективности расплав-
ления на больших (в диапазоне 20—40 мм/с) скоростях сварки, обеспечи-
вающих высокую производительность. Достигаемые при этом гр =0,354-0,40
значительно превосходят значения, полученные при дуговой сварке (^0,2).
6.1.4. Классификация методов лазерной сварки
Методы лазерной сварки можно классифицировать по трем группам призна-
ков (рис. 6.4).
Энергетические признаки. Каждый метод лазерной сварки характеризуется
плотностью мощности Е, Вт/см2, т. е. отношением мощности лазерного излу-
чения к площади пятна сфокусированного луча, и длительностью воздей-
ствия излучения т, т. е. экспозицией непрерывного излучения, или длитель-
ностью импульса при импульсном излучении.
125
Рис. 6.4. Классификация методов лазерной сварки
126
Лазерную сварку ведут, как правило, при £=1ч-10 МВт/см2. Меньшие
плотности мощности не рекомендуются, так как при этом более эффективны
и экономичны другие методы сварки, например дуговая. При £>10 МВт/см2
происходит интенсивное испарение металла, которое приводит к его выплеску
и нарушению качественного формирования шва. Однако качественное форми-
рование шва определяется не только плотностью мощности лазерного излу-
чения, но и определенным сочетанием ее с длительностью воздействия излу-
чения на материал. Возможны три основных режима с определенным соче-
танием плотности мощности и длительности воздействия.
1. £=0,1-ь 1,0 МВт/см2. т>102 с. Режим I обеспечивается лазерами не-
прерывного действия. В этом случае
T = d/vQR, (6.2>
где d — диаметр сфокусированного излучения.
Сварка плавлением по данному режиму применима для конструкционных
материалов разных толщин.
2. £=1,0—10 МВт/см2, т<10 3 с. Режим II обеспечивается лазерами им-
пульсно-периодического действия. Вследствие высоких £ процесс сварки вы-
сокоэффективен. Частота повторения импульсов излучения — от десятков до
нескольких сотен герц. Сочетание указанных значений £ и т позволяет осу-
ществить сварку ряда металлов и сплавов разных толщин при меньших энер-
гетических затратах, чем при использовании непрерывного излучения.
3. £=0,1-^-1,0 МВт/см2, т= 10~3= 10-2 с. Режим III обеспечивается лазе-
рами импульсно-периодического действия и используется для сварки малых
толщин.
Технологические признаки. По этим признакам следует различать сварку
металлов с глубоким проплавлением и сварку малых толщин. Лазерная сварка
с глубоким проплавлением обеспечивает соединение металлов толщиной
>1,0 мм и выполняется лазерами как непрерывного действия, так и импуль-
сно-периодическими.
Лазерную сварку с глубоким проплавлением ведут, как правило, без
присадочного материала, хотя в отдельных случаях для повышения свойств
шва и для улучшения свариваемости в сварочную ванну подают присадочный
материал. Использование присадки позволяет осуществить сборку деталей под
сварку с менее жесткими требованиями к точности зазора по длине шва.
т. е. с менее жесткими условиями подготовки стыкуемых кромок. В качестве
присадки в основном применяется <1,5-мм проволока. Лазерная сварка
с присадкой обеспечивает качественное формирование шва лишь при условии
точной подачи проволоки в зону плавления непосредственно под лазерным
лучом.
Лазерную сварку с глубоким проплавлением в большинстве случаев ве-
дут в защитной среде для обеспечения эффективного проплавления и высо-
ких свойств сварных соединений.
Лазерную сварку можно выполнять во всех пространственных положе-
ниях.
Скорость импульсно-периодической лазерной сварки с глубоким проплав-
лением примерно в десять раз меньше, чем при непрерывном лазерном излу-
чении. Однако при этом обеспечивается более высокая эффективность про-
плавления по сравнению с непрерывной сваркой.
Малыми при лазерной сварке считают толщины металлов <1,0 мм. Прин-
ципиальным в отличие от сварки с глубоким проплавлением является отсут-
ствие значительного перегрева и' интенсивного испарения расплавленного ме-
талла шва.
Сварку малых толщин ведут как непрерывными, так и импульсно-перио-
дическими лазерами. При использовании непрерывного излучения выполня-
ется шовная сварка, а импульсно-периодическое излучение позволяет выпол-
нять как точечную, так и шовную сварку. В последнем случае шов формиру-
ется перекрытием отдельных точек.
127
В большинстве случаев сварку малых толщин ведут без присадки.
Принципиально сварку малых толщин, в особенности при выполнении то-
чечных соединений, можно проводить без защитной среды. На эффективность
проплавления в данном случае защитные газы не оказывают существенного
влияния. Однако в тех случаях, когда необходимо предохранить швы от окис-
ления, в особенности при сварке титана, молибдена, ниобия, циркония и дру-
гих активных материалов, применяют защитные газы.
Экономические признаки. Методы лазерной сварки характеризуются свое-
образными экономическими признаками, которые необходимо учитывать как
при разработке технологического процесса, так и при проектировании сварных
соединений.
Одним из важных признаков, определяющих производительность про-
цесса сварки, является скорость. Лазерная сварка непрерывным излучением
выполняется с весьма высокими скоростями, позволяющими в 10—15 раз уве-
личить производительность по сравнению с традиционными методами сварки
плавлением. Наряду с высокой производительностью лазерная сварка энерге-
тически эффективна, так как благодаря высокой концентрации энергии излу-
чения процесс сварки осуществляется с минимальной погонной энергией, оп-
ределяемой отношением мощности к скорости сварки.
Лазерная сварка на высоких скоростях наряду с повышением произво-
дительности и энергетической эффективности одновременно обеспечивает ми-
нимальные остаточные деформации и снижение склонности к образованию го-
рячих и холодных трещин при сварке целого ряда конструкционных материа-
лов. Однако высокая скорость достигается не во всех случаях лазерной
сварки. В частности, лазерная сварка импульсно-периодическим излучением
осуществляется на меньших скоростях, сопоставимых с традиционными мето-
дами сварки плавлением.
Одним из важных экономических признаков, свойственных процессу ла-
зерной сварки, является значительная экономия сварочных материалов вслед-
ствие малых объемов расплавленного металла шва В частности, лазерная
сварка металла толщиной 5—20 мм может быть выполнена за один проход
без предварительной разделки кромок и без использования присадочной про-
волоки. Для сопоставления отметим, что дуговая сварка металла толщиной
порядка 20 мм выполняется как многопроходная с разделкой кромок и с ис-
пользованием присадочного материала.
Высокая концентрация энергии лазерного излучения позволяет осуществ-
лять сварку сфокусированным лучом с минимальным диаметром пятна 0,1 мм.
обеспечивая значительную локальность обработки. Это условие локальности
обеспечивает рациональное и экономически целесообразное проектирование
сварных деталей и конструкций с учетом возможностей сварки в крайне ог-
раниченной по размерам зоне, а также в труднодоступных местах. В част-
ности, лазерная сварка в электронике благодаря локальности обеспечивает
проектирование крайне уплотненных схем, сварных корпусов приборов мини-
мальных размеров и т. д.
Важным обстоятельством, связанным с локальностью процесса лазерной
сварки, являются минимальные остаточные деформации. Это дает возмож-
ность проектировать технологию изготовления сварных конструкций без ис-
пользования дорогостоящих методов последующего уменьшения либо устра-
нения остаточных деформаций. Лазерная сварка — прецизионный процесс
соединения деталей, в ряде случаев ее можно рассматривать как финишную
операцию.
®.2. Технология лазерной сварки
6.2.1. Применение лазерной сварки
Отработана технология лазерной сварки малых и средних (5—
10 мм) толщин. Однако широкое применение лазерной сварки
в ряде случаев сдерживается соображениями экономического
характера. Стоимость технологических лазеров пока еще доста-
точно высока, что требует тщательного анализа возможностей
применения лазерной сварки. Перспектива для лазерной сварки
появляется тогда, когда применение традиционных способов
сварки сопряжено с трудностями.
Лазерную сварку следует рекомендовать при необходимости
получения прецизионной конструкции, форма и размеры кото-
рой практически не должны изменяться в результате сварки;
возможности значительного упрощения технологии изготовле-
ния сварных конструкций за счет выполнения сварки в виде
заключительного процесса без последующих операций правки
либо механической обработки для достижения требуемой точ-
ности; необходимости существенного увеличения производитель-
ности, так как процесс лазерной сварки может осуществляться
на скоростях 100—200 м/ч и более, что в несколько раз пре-
вышает скорость наиболее распространенного традиционного
способа дуговой сварки; производстве крупногабаритных кон-
струкций малой жесткости с труднодоступными швами. При
этом в отличие от электронно-лучевой сварки не требуются ва-
куумные камеры; соединении трудносвариваемых материалов,
в том числе разнородных.
Лазерное излучение рекомендуется к использованию для из-
готовления конструкций с учетом технологических особенностей
лазерной сварки основных конструкционных материалов [1].
6.2.2. Сварка сталей
Качество и надежность сварных соединений, выполняемых ла-
зерным лучом, в значительной степени определяются точностью
сборки элементов под сварку. Необходимая точность сборки до-
стигается подготовкой свариваемых кромок на металлорежущих
станках (строганием, фрезерованием, точением).
Поверхность металла в зоне сварки следует очищать от ока-
лины, ржавчины, других загрязнений, а также от влаги. Ука-
занные загрязнения и влага создают условия для образования
пористости, оксидных включений, а в некоторых случаях и хо-
лодных трещин в металле шва и зоне термического влияния за
счет насыщения водородом.
Зачищать свариваемые поверхности следует щетками из не-
ржавеющей стали на участке не менее 10—15 мм как выше, так
9—1063
12»
и ниже свариваемых кромок. Зачищаются также торцевые по-
верхности, прилегающие к свариваемым участкам. После за-
чистки место сварки рекомендуется обезжирить.
Сборка под сварку должна обеспечивать возможность тща-
тельной подгонки кромок по всей длине шва с минимальным
зазором и перекосом кромок. При толщине свариваемого мате-
риала >1,0 мм зазор не должен превышать 5—7 % толщины
(не более 0,2—0,3 мм). Смещение одной кромки относительно
другой по высоте не должно превышать 20—25 % от толщины
свариваемых деталей (не более 0,5 мм).
При сборке под сварку не рекомендуются прихватки. В слу-
чае необходимости прихватки следует выполнять лучом лазера.
Предпочтительное соединение — стыковое. Нахлесточные и
замковые соединения углеродистых сталей не рекомендуются
из-за высокой чувствительности к концентраторам напряжений.
Защищать поверхности шва от окисления следует гелием или
смесью гелия с аргоном в соотношении 2:1, а также аргона
с углекислым газом при соотношении 3:1, подаваемыми через
специальное сопло. Корень шва с обратной стороны рекоменду-
ется защищать аргоном. В некоторых случаях при сварке низ-
коуглеродистых сталей допускается отсутствие защиты шва.
Характерные режимы непрерывной лазерной сварки некото-
рых сталей обеспечивают сочетание качественного формирова-
ния шва, высокой технологической прочности и высоких меха-
нических свойств сварного соединения (табл. 6.1).
Как следует из табл. 6.1, оптимальные режимы сварки ста-
лей обеспечиваются сравнительно высокими (80—120 м/ч) ско-
ростями сварки. При этом мощность лазерного излучения мо-
ТАБЛИЦА 6.1
ХАРАКТЕРНЫЕ РЕЖИМЫ НЕПРЕРЫВНОЙ ЛАЗЕРНОЙ
СВАРКИ СТАЛЕЙ
Стали h. мм Р, кВт исв- ы/ч F. см ДЕ. мм
Малоуглеродистые, низко- легированные (Ст. 3, 17ГС) 3,0 3,1 ПО 12 1,5
Среднеуглеродистые, леги- 2,0 2,8 100 12 1,5
рованные (Ст.35, ЗОХГСА) 3,0 3,2 100 12 1,5
3,0 3,3 100 16 1,0
Высоколегированные, аусте 5,0 5,0 75 15 1.0
нитные (12Х18Н10Т) 2,0 2,5 100 16 1,0
Высоколегированные, мар- 1 тенситно-стареющие (08Х15Н5Д2Т) 3,0 3,5 80 50 1.5
Примечание. Р — мощность луче. F — фокусное расстояние, AF — заглуб-
ление фокуса.
I 130
жет быть ориентировочно подобрана из условия 1 кВт на 1 мм
толщины свариваемой детали.
Представленные в табл. 6.1 режимы даны для стыковых
сварных соединений, но в первом приближении их можно ис-
пользовать и для угловых, тавровых, прорезных и других видов
соединений.
6.2.3 Сварка алюминиевых и магниевых сплавов
Сварка алюминиевых и магниевых сплавов характеризуется ря-
дом особенностей, связанных с взаимодействием расплавленного
металла с газами окружающей среды, испарением легирующих
элементов, образованием оксидной пленки на поверхности
ванны, затрудняющей качественное проведение сварочного про-
цесса. Основные трудности сварки алюминия и его сплавов
в большинстве своем устраняются применением концентриро-
ванных источников энергии, к которым относятся лазерный и
электронный луч.
Под лазерную сварку соединяемые поверхности подготавли-
вают также тщательно, как и под дуговую, включая механиче-
скую обработку, травление с последующим осветлением, про-
мывку в горячей воде и зачистку шабером непосредственно пе-
ред сваркой.
Лазерную сварку осуществляют в среде защитных газов.
Обычно рекомендуется использовать гелий для защиты верх-
ней части сварочной ванны, а для корневой части шва мож,ет
быть использован аргон. Расход гелия должен быть не менее
7—8 л/мин, а аргона 5—6 л/мин.
При лазерной сварке алюминиевых, сплавов (табл. 6.2) на-
блюдается характерная особенность расплавления металла
лишь при определенном уровне мощности и плотности мощно-
ТАБЛИЦА 6.1
ОПТИМАЛЬНЫЕ РЕЖИМЫ СВАРКИ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ
ИЗЛУЧЕНИЕМ СО,-ЛАЗЕРА
Материал Л. мм Р, кВт осв. м/ч F, см
АМгб 2,0 2,1 90 12
2,0 2,3 120 12
АМгб 3,0 2,3 90 14
3,0 2.8 120 14
АМгб 4.0 2,8 90 14
4,0 3,1 120 14
АМгб! 2,0 2,3 100 12
4,0 2,8 90 12
АМгбНП 4,0 3,1 120 12
9*
131
ТАБЛИЦА 6.3
МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ОСНОВНОГО МЕТАЛЛА
(ЧИСЛИТЕЛЬ) И СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ (ЗНАМЕНАТЕЛЬ)
ИЗ СПЛАВА АМгб
д, мм ав. Н/мм’ <т0 2, Н/мма KCU, МДж/м» НВ а, град
2.0 353/346 174/— 0,21,0,25 75/72 —/116
3,0 378/348 188/— 0,22/0,25 82/82 —/74
4,0 468/345 326/— 0,22/0,27 98/80 —/64
Приме чан ие. Материал толщиной 4,0 мм нагартован.
сти. Например, для сплава АМгб пороговая мощность излуче-
ния СОг составляет 2—2,2 кВт. При этом сразу достигается глу-
бина проплавления 1,5—2,0 мм, а при меньших значениях мощ-
ности проплавление полностью отсутствует. Это обстоятельство
связано с высоким коэффициентом отражения алюминиевой по-
верхностью и последующим резким снижением отражения после
начала плавления.
Прочность сварных соединений толщиной 2,0 и 3,0 мм со-
ставляет не менее 0,9 от прочности основного металла при
сварке без присадочной проволоки (табл. 6.3). Разрушаются
соединения преимущественно по шву.
Сварные швы магниевых сплавов, выполненные лучом ла-
зера, хорошо формируются, не образуя провисания при сварке
на весу. Это позволяет в отличие от дуговой сварки осуще-
ствлять лазерную сварку без применения подкладок, что суще-
ственно упрощает технологию изготовления, особенно крупнога-
баритных конструкций.
Механические свойства сварных соединений, выполненных
лазерным излучением с оптимальными параметрами режимов
(табл. 6.4) находятся на уровне соответствующих свойств основ-
ного металла.
Т А Б Л И Ц А 6.4
РЕЖИМЫ ЛАЗЕРНОЙ СВАРКИ МАГНИЕВЫХ СПЛАВОВ
НЕПРЕРЫВНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ СО,
Материал в, мм Р. кВт °св- м/ч F, мм
МА2-1 1.8 2,0 100 112
1.2 2,3 130 112
ИМВ-2 4,0 2,0 6,0 112
МА18 1,2 2,0 130 112
132
6.2.4. Сварка титановых сплавов
Основными трудностями сварки титановых сплавов являются
высокая химическая активность металла при повышенных тем-
пературах и особенно в расплавленном состоянии, склонность
к росту зерна при нагреве до 330—350 °C и выше, а также по-
вышенная склонность к образованию холодных трещин при
повышении содержания в шве и околошовной зоне примесей
газов, в особенности водорода. Перечисленные трудности устра-
няются при сварке с минимальными значениями погонной энер-
гии, обеспечиваемыми такими высококонцентрированными ис-
точниками энергии, как лазерный и электронный лучи.
Необходима тщательная подготовка кромок под сварку,
включая механическую обработку или дробеструйную, песко-
струйную с последующим химическим травлением, осветлением
и промывкой.
Существенно влияет на свойства сварных соединений каче-
ство защиты поверхности, корня шва, остывающих участков шва
и околошовной зоны до 400—500 °C. Для защиты поверхности
шва и плазмоподавления в зоне лазерного воздействия исполь-
зуется гелий высокой чистоты с ориентировочным расходом
10—12 л/мин. Для защиты остывающей поверхности шва и
корня можно применять аргон повышенной чистоты с ориенти-
ровочным расходом для корня шва 4—5 л/мин и для поверхно-
сти шва 15—18 л/мин.
Режимы лазерной сварки выбираются из условий обеспече-
ния качественного формирования, необходимой геометрии шва,
предотвращения образования холодных трещин и создания наи-
более благоприятных структур в шве и околошовной зоне
(табл. 6.5).
Повышенные механические свойства сварных соединений, вы-
полненных лазерной сваркой (табл. 6.6), связаны с высокой
скоростью процесса и соответственно с высокими скоростями
охлаждения металла шва и околошовной зоны, составляющими
в полиморфной области 400—600 °С/с по сравнению с 20—
ТАБЛИЦА 6.5
РЕЖИМЫ ЛАЗЕРНОЙ СВАРКИ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ
Сплав 0. мм Р. кВт "св- м/ч F, мм
ВТ6 3,0 3,0 80 300
5,0 4,0 80 300
ВТ28 2,0 4,0 160 230
3,0 3,3 100 149
ПТЗВ 4,0 4,0 160 500
5,0 4,0 95 149
133
ТАБЛИЦА 6.6
МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СВАРНЫХ СТЫКОВЫХ
СОЕДИНЕНИЙ ИЗ ТИТАНОВОГО СПЛАВА ПТЗВ.
ПОЛУЧЕННЫХ РАЗНЫМИ СПОСОБАМИ
Сварка ов, Н/мм’ о_„ Н/мм’ KCU, Дж/см1
шва зтв*
Аргонодуговая 760 280 95 63
Электронно-лучевая 780 300 89 71
Лазерная 800 400 98 84
Основной металл 800 550 70 —
* Зона термического влияния.
25°С/с при дуговой сварке. Это приводит к повышению дисперс-
ности металла шва в три-четыре раза, а также значительному
измельчению зерна в околошовной зоне.
6.3. Оборудование для лазерной сварки
Оборудование для лазерной сварки состоит из источника коге-
рентного излучения — технологического лазера, системы транс-
портировки и фокусировки излучения, системы газовой защиты
изделия, системы относительного перемещения луча и изделия.
Технологические лазеры можно разбить на две основные
группы: твердотельные и газовые. Лазер состоит из излуча-
теля и источника питания.
6.3.1. Твердотельные лазеры
В излучателях твердотельных лазеров в качестве рабочего тела
используются активные элементы из рубина, стекла с присад-
кой ионов неодима, алюмоиттриевого граната (АИГ) с неоди-
ТАБЛИЦА 6.7
ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ
ЛАЗЕРОВ
Тип лазера К мкм риал, Вт ср ^имп. Дж v„Mn- кГц dn. мм а, рад. т. кг
ЛТН-101-103 1,06 63—250 4 1-10-® 190—340
ЛТН-501-502 1,06 8—16 — 5—50 1,5—1,0 (1-2) X X ю-3 225
Квант-15-16 1,06 100—125 10—30 2-10-«— 815
ю-‘
Фотон-500 1,06 300 — — 4 2.5-10“« 690
Примечание. А — энергия в импульсном режиме. dn — диаметр пучка, а —
расходимость.
134
Рис. 6.5. Схема
твердотельного ла-
зера:
/ — рабочее тело;
2 — криптоновая
лампа; 3 — отра-
жатель; 4 — глу-
хое зеркало резона-
тора; 5 — выходное
зеркало резонатора;
6 — источник пита-
ния
мом. «Накачку» (возбуждение активного элемента) осуществ-
ляют световым потоком (от мощных дуговых криптоновых
ламп). Длина волны излучения в зависимости от материала ра-
бочего тела 0,37—1,064 мкм. Электрический к. п. д. 1—3 %. Ос-
новные функциональные узлы излучателя (рис. 6.5): «рабочее
тело», система «накачки», включающая электрические лампы
и отражатель, концентрирующий световую энергию на рабочем
теле, система охлаждения, резонатор. Лазеры работают в не-
прерывном и импульсном режимах. Последний реализуется
либо модуляцией добротности при непрерывной «накачке», либо
импульсной «накачкой». Технические характеристики некоторых
твердотельных технологических лазеров приведены в табл. 6.7.
6.3.2. Газовые лазеры
В технологических газовых лазерах в качестве рабочего тела
в основном используется смесь СО2, N2 и Не при давлении
2,66—13,3 кПа. Возбуждение рабочего тела осуществляетсч
электрическим разрядом. Два последних газа обеспечивают пе-
редачу энергии возбуждения молекуле СОг и благоприятные
условия горения разряда. Длина волны излучения 10,6 мкм.
Электрооптический к. п. д. 5—15 %. Основные функциональные
узлы лазера (рис. 6.6): вакуумплотный замкнутый контур, вну-
три которого смонтировано устройство для прокачки рабочей
смеси газов, являющаяся частью контура электроразрядная
камера, резонатор; вакуумный насос для откачки контура; си-
стема охлаждения рабочей смеси и оптических систем; источник
питания; система управления; системы коммутации и измерения
лазерного излучения. По способу охлаждения рабочей смеси —
диффузное (медленная прокачка) и конвективное (быстрая
135
Рис. 6.6. Схема газового лазера:
/ — газовый контур; 2 — вентилятор прокачки; 3 — электропривод вентилятора; 4 — ва-
куумный насос; 5 — система подачи рабочих газов; 6 — электроды предыонизации; 7 —
электроды основного разряда; в — глухое зеркало резонатора; 9 — промежуточные' зер-
кала резонатора; 10 — выходное зеркало резонатора; 11 — источник питания предыони-
зации; 12 — источник питания основного разряда; 13 — теплообменник газ — вода
прокачка) — лазеры делятся на две группы. Первая из них при-
меняется в трубчатых однолучевых лазерах со сравнительно
малой мощностью и в многолучевых лазерах, например типа
МТЛ-2 и «ИГЛАН» (ЛН-2,5 НМ). Вторая — со скоростью про-
качки газа до 100 м/с — в лазерах мощностью кВт. По на-
правлению газового потока относительно электродов газораз-
рядной камеры и зеркал резонатора последняя группа делится
на лазеры с продольной прокачкой: ИЛГН-707, VFA-500-5000;
RS-1200-5000 (трубчатые лазеры) и поперечной прокачкой: мо-
дели 971, 973, 820, ЛГТ-2.01, ЛГТ-2.02, Плутон-1 (ЛН-1.2НО),
ТЛ-1,5, ТЛ-5М и т. п. Возбуждение (накачка) рабочего газа
136
осуществляется: разрядом постоянного тока (лазеры ЛН-1.2Н0,
1Л-5М, модели 973, RS-1000 и др.); высокочастотным разрядом
(лазеры VFA-1200; VFA-2500); разрядом постоянного тока
с импульсной предыонизацией (лазеры ЛГТ-2.01; Л ГТ-2.02).
Мощные электроионизационные лазеры с предыонизацией пуч-
ком электронов, созданные в СССР и за рубежом, к настоя-
щему времени широкого применения не получили.
Многопроходные устойчивые (ЛГТ-2.01, модель 973,
RS-1500) и неустойчивые (ТЛ-5М) резонаторы лазеров обеспе-
чивают качество излучения с расходимостью 5—1 мрад. В ус-
тойчивых резонаторах выходное зеркало, как правило, изготов-
ляют из селенида цинка. Качество материала и обработки этого
элемента в значительной мере определяет качество излучения
лазера. Глухое и промежуточные зеркала устойчивых резона-
торов, а также выходное зеркало неустойчивых резонаторов из-
готовляют из меди, кремния и других материалов с покры-
тиями, обеспечивающими коэффициент отражения 98—99,6 %
для длины волны 10,6 мкм.
Охлаждение оптики и юстировочных узлов резонатора осу
ществляется обычно термостабилизированной двухконтурной во-
дяной системой, а охлаждение рабочего газа теплообменником
газ — вода с развитой рабочей поверхностью.
Система управления лазеров обеспечивает заданный цикл
работы, необходимые блокировки, стабилизацию основных па-
раметров и выполнена на лазерах ЛГТ-2.01, RS-1000, моделях
971 и 973 в виде релейной схемы и отдельных электронных бло-
ков. Управление лазерами ЛГТ-2.02, ТЛ-1,5, VFA и модели 825
осуществляется микроЭВМ. Коммутация лазерного излучения
осуществляется либо внешним поглотителем, являющимся од-
новременно калориметрическим индикатором мощности излу-
чения с постоянной времени от 5 до 30 с, либо коммутацией
электрического разряда в камере. Для индикации мощности
в процессе сварки или резки используется ответвитель в виде
вращающегося пропеллера, направляющего 1—3 % мощности
на болометрический или другой датчик. В случае, если глухое
зеркало резонатора пропускает часть излучения, датчик уста-
навливается непосредственно за ним. Постоянная времени дат-
чиков 100—1 мс.
Основные технические характеристики отечественных СО2-
лазеров приведены в табл. 6.8, а зарубежных — в табл. 6.9. Ла-
зеры с расходимостью 1—2 мрад рекомендуется использовать
для резки, сварки и термообработки, 2—3 мрад — для сварки
и термообработки, >4 мрад — только для термообработки.
137
ХАРАКТЕРИСТИКИ ОТЕЧЕСТВЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СО,-ЛАЗЕРОВ
5Г
«5
138
6.3.3. Система транспортировки и фокусировки излучения
Система транспортировки и фокусировки излучения СТФЛ со-
стоит из защитных лучепроводов, отклоняющего зеркала и фо-
кусирующего устройства. Отклоняющее зеркало изменяет ход
луча и направляет его в зону обработки. Для маломощных
твердотельных лазеров с длиной волны излучения 1,06 мкм
с этой целью используются призмы полного внутреннего отра-
жения и интерференционные зеркала с многослойным диэлек-
трическим покрытием. Для СО2-лазеров применяют медные зер-
кала, для мощных лазеров — зеркала с водяным охлаждением.
Фокусирующее устройство — тубус, установленный с воз-
можностью перемещения относительно поверхности обрабаты-
ваемого изделия, в котором закреплена линза из оптического
стекла — для твердотельных лазеров, из хлорида калия или се-
ленида цинка с интерференционным просветляющим покры-
тием— для СО2 лазеров. Защита линз (кроме стеклянных) от
продуктов, выделяющихся при обработке изделия, осуществля-
ется шторкой, образуемой продуваемым очищенным и осушен-
ным воздухом. Для получения высоких плотностей мощности
(5 МВт/см2), обеспечивающих «кинжальное» проплавление при
сварке, фокусное расстояние линз не должно превышать 10—
15 см. Уменьшение фокусного расстояния также нежелательно
из-за трудности защиты линз от продуктов деструкции и увели-
чения сферической аберрации. Применяются, кроме того, фоку-
сирующие устройства с отражательной оптикой в виде одного
фокусирующего зеркала или разных вариантов объектива Кас-
сегрена.
6.3.4. Система газовой защиты
Система предназначена для предотвращения окисления ме-
талла сварного шва, в том числе его корня, и включает сопла
разнообразной конструкции. Конструкция сопел, кроме того,
должна обеспечивать сдув паров и брызг, образующихся при
сварке, в сторону от оси лазерного луча. В зависимости от хи-
мической активности свариваемых металлов, мощности излуче-
ния лазера и требующейся глубины проплавления используется
конкретная конструкция сопла и подбирается состав подавае-
мого в зону обработки газа.
6.3.5. Система относительного перемещения луча и изделия
Относительное перемещение луча и изделия реализуется обычно
за счет движения детали, осуществляемого манипулятором
с ЧПУ с разным числом степеней свободы в зависимости от тре-
бующейся сложности обработки. Скорость перемещения 40—
139
400 м/ч. В случае обработки массивных и крупногабаритных
изделий рационально перемещать луч с помощью подвижных
зеркал. Наибольший интерес представляет система с рабочим
инструментом, закрепленным в руке антропоморфного робота.
Излучение от лазера к инструменту передается через зеркала,
установленные в шарнирных узлах робота.
Глава 7 ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ДУГОВОЙ СВАРКИ
7.1. Источники сварочного тока
7.1.1. Общие сведения
Принцип устройства. На рис. 7.1 представлены структурные схемы статиче-
ских источников сварочного тока. Основным узлом традиционных источников
переменного тока (рис. 7.1, о) является специальный, как правило, однофаз-
ный сварочный трансформатор Т. По этому основному узлу источники пере-
менного тока часто называют просто сварочными трансформаторами.
Традиционные источники постоянного тока (рис. 7.1,6) на базе трансфор-
матора Т и полупроводникового выпрямителя В получили названия сварочных
выпрямителей. В источниках по схемам рис. 7.1, а, б трансформатор работает
при сетевой частоте 50 Гц.
Широкое распространение получили также инверторные источники тока
(рис. 7.1, в). В таких источниках сетевое напряжение выпрямляют (В1), ин-
вертируют (Я1) в напряжении повышенной частоты, трансформируют, по-
вторно выпрямляют (В2), а в источниках переменного тока снова инверти-
руют (И1) в напряжение прямоугольной формы заданной низкой частоты
(30 300 Гц).
Промежуточное положение занимают источники (рис. 7.1, г), в состав
которых входит простейший 50-Гц сварочный выпрямитель (7, В); регули-
ровка тока — полупроводниковым ключевым регулятором (Р). работающим
на повышенной частоте.
В состав оборудования для сварки вольфрамовым электродом в среде
инертных газов, помимо непосредственно сварочного трансформатора или вы-
ТАБЛИЦА 7.1
ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ИСТОЧНИКОВ ПЕРЕМЕННОГО
И ПОСТОЯННОГО ТОКА
Род тока Область применения
Переменный
Постоянный
Ручная дуговая сварка штучными электродами.
Автоматическая сварка под слоем флюса.
Ручная и автоматическая сварка вольфрамовым электродом
легких сплавов в среде инертных газов
Ручная дуговая сварка штучными электродами.
Автоматическая сварка под слоем флюса.
Полуавтоматическая и автоматическая сварка плавящимся
электродом в среде активных и инертных газов.
Ручная и автоматическая сварка вольфрамовым электродом
легированных сталей, меди и титана в среде инертных газов
140
Рис. 7.1. Структурные схемы источников сварочного тока
нрямителя, могут входить: устройство для первоначального возбуждения дуги
в стабилизации горения дуги в процессе сварки, устройство для ограничения
млн регулирования постоянной составляющей сварочного тока, аппаратура
управления циклом сварки, программатор сварочных режимов, сварочные го-
релки. ТЗкие комплексные устройства, смонтированные в общем кожухе, по-
лучили название установок для аргонодуговой сварки. Установки могут быть
выполнены на базе традиционных или инверторных источников тока.
Внешние характеристики. По виду статических внешних характеристик ис-
точники тока можно подразделить на источники с падающими (ПВХ) «кру-
тыми» и «пологими», или «жесткими» (ЖВХ) внешними характеристиками.
Источники с внешними характеристиками двух видов получили название
универсальных.
Требования к виду внешних характеристик определяются такими показа-
телями сварочного процесса, как тип электрода (плавящийся, неплавящийся),
хярактер среды, в которой происходит сварка (открытая дуга, дуга под флю-
сом, в защитных газах), степень механизации процесса (ручная, полуавтома-
тическая, автоматическая сварка), способ регулирования режима горения
дуги (саморегулирование, автоматическое регулирование напряжения дуги).
Гак, для сварки ручной дуговой покрытыми штучными электродами, аргоно-
дуюпой вольфрамовым электродом, механизированной под слоем флюса на
«поматах с регулированием скорости подачи электродной проволоки в зави-
симости от напряжения дуги используются источники с ПВХ.
При ПВХ источник работает в режиме регулятора сварочного тока. Сва-
рочный ток может регулироваться в заданном диапазоне плавно или ступен-
чпю По технологическим (сварочным) и экономическим соображениям часто
используют плавно-ступенчатое регулирование, когда две (или более) ступени
регулирования сочетаются с плавным регулированием внутри каждой сту-
141
пени. Регулирование сварочного тока при ПВХ выполняется при приблизи-
тельном постоянстве напряжения холостого хода. Часто при плавно-ступенча-
том регулировании переход на ступень малых токов сопровождается повыше-
нием напряжения холостого хода. Каждому значению сварочного тока соот-
ветствует определенное условное рабочее напряжение. Так, при ручной дуговой
сварке штучными электродами, согласно ГОСТ 96—77, рабочее напря-
жение (В) и сила сварочного тока (А) связаны соотношением:
t/2 = 20 + 0,04/2.
Каждому виду сварки соответствует определенная крутизна наклона
ПВХ. Например, наиболее крутые характеристики используются для аргоно-
дуговой сварки, более пологие — для ручной сварки штучными электродами,
еще более пологие — для сварки под флюсом. Длина дуги в процессе сварки
при ПВХ регулируется либо рукой сварщика, либо системой регулирования
в сварочном автомате.
При механизированной сварке в среде СОг и при автоматической сварке
под флюсом при постоянной, не зависящей от напряжения дуги скорости по-
дачи электродной проволоки прибегают к ЖВХ. Источник питания при ЖВХ
работает как регулятор напряжения. Рабочее напряжение регулируется в за-
данных пределах, причем диапазон регулирования рабочего напряжения вы-
бирается в строгом соответствии с заданным диапазоном силы сварочного
тока.
Регулирование напряжения при ЖВХ также может быть плавным, ступен-
чатым и смешанным. Величина сварочного тока определяется скоростью по-
дачи электродной проволоки, а источник питания задает напряжение дуге
и обеспечивает саморегулирование длины дуги.
Характер нагрузки источника тока. Нагрузка источника сварочного тока,
как правило, переменная. Процесс сварки обычно состоит из ряда повторяю-
щихся циклов длительностью /ц, в которых рабочий период tp чередуется
с паузами tB, связанными со сменой электрода, подготовкой к наложению
следующего шва и т. п.
Согласно стандартам на сварочные источники, типовых режимов работы
три:
1 Продолжительный — при неизменной нагрузке.
2. Перемежающийся — когда кратковременные рабочие периоды череду-
ются с периодами работы источника на холостом ходу. Режим характеризу-
ется относительной продолжительностью нагрузки ПН = /р//д или (tp/tn) • 100.
%.
3. Повторно-кратковременный режим, при котором кратковременные ра-
бочие периоды чередуются с периодами отключения силовой цепи источника
от сети. Режим характеризуется относительной продолжительностью включе-
ния ПВ=/р//ц или (/р//ц) • 100, %.
Длительность цикла работы при перемежающемся и повторно-кратковре-
менном режимах- 5 мин — для источников РДС и 10 мин — для источников
механизированной сварки. Номинальная сила тока источника /2 ном всегда
связана с режимом работы, на который рассчитан данный источник. Напри-
мер, /2н<.м—315 А, ПВ = 60%. Длительно допустимый по нагреву ток источ-
ника /2 длит связан с номинальным сварочным током и режимом работы
следующим соотношением:
^гдлят — /г„о„7ПН ИЛИ /»длит — ^гномд/ПВ.
Исполнения источников тока. Источники сварочного тока по ГОСТ
15150—69 изготовляют в климатических исполнениях У, УХЛ, Т для категорий
размещения 2, 3, 4. Степень защиты—1Р22 (для трансформаторов автома-
тической сварки и установок аргонодуговой сварки допускается 1Р21). Кон-
струкции источников соответствуют требованиям безопасности по ГОСТ
12.2.007 0—75, ГОСТ 12.2.007.8—75, ГОСТ 12.1.003—76. Трансформаторы для
142
РДС обычно работают при естественном охлаждении, остальные источники —
при принудительной воздушной вентиляции. Класс изоляции большинства
не сочников — Н.
Структура обозначения. Каждому источнику присваивается
условное обозначение типа изделия, которое состоит из буквен-
ной и цифровой части. Первая буква означает вид изделия
(Т — трансформатор, В — выпрямитель, У — установка), вто-
рая— вид сварки (Д — дуговая), третья —способ сварки (Ф—
под флюсом, Г — в защитных газах; отсутствие буквы означает
ручную дуговую сварку); четвертая дает дальнейшее пояснение
исполнения изделия (Ж или П — с жесткими или падающими
внешними характеристиками, М или Э — с механическим или
электрическим регулированием, Ч—со звеном повышенной ча-
стоты— инвертором. Затем через тире указывают силу мини-
мального сварочного тока (округленно в десятках ампер); сле-
дующая цифра — регистрационный номер изделия, затем через
тире идет номер модификации (если таковая имеется), а после-
дующие буква и цифра — соответственно климатическое испол-
нение и категория размещения. Например, наименование изде-
лия ТДМ—317—1У2 обозначает: трансформатор для ручной
дуговой сварки с механическим регулированием на ток 315 А.
регистрационный номер 7, модификация 1 (с ограничителем на-
пряжения холостого хода), исполнение У, категория размеще-
ния 2.
Пример записи обозначения изделия при его заказе: Трансформа-
iop сварочный ТДМ—317—1У2, 380 В, 50 Гц, ГОСТ 95—77.
7.1.2. Сварочные трансформаторы
Конструкции их весьма разнообразны. В зависимости от спо-
соба регулирования тока эти трансформаторы можно подраз-
делить на две группы — с механическим и электрическим регу-
лированием. В первую группу входят устройства, связанные
с применением подвижных обмоток и секций магнитопроводов.
Во вторую — устройства, связанные с подмагничиванием маг-
нитопроводов постоянным током и тиристорным регулирова-
нием.
Трансформаторы для РДС
Трансформаторы выпускаются по ГОСТ 95—77 на номиналь-
ные силы тока 160, 250, 315, 400 и 500 А (табл. 7.2),
Трансформаторы ТДМ—165 и ТДТ—254 выпускаются в пере-
носном исполнении с продолжительностью нагрузки ПН = 25 %
и предназначены для ремонтных и монтажных работ: трансфор-
маторы ТДМ—317, ТДМ—401 и ТДМ—503 в передвижном ис-
полнении с ПН = 60 %—Для работы в промышленности и
строительстве. Трансформаторы ТДМ—317—1, ТДМ—401 — 1,
143
Ы
S:
>4
ТЕХНИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ ТРАНСФОРМАТОРОВ ТДМ
*-£0S-wtfl e-ros-wt/i 500 500 40 40 an ддп an сйп 88 88 0,85 0,65 12 80 60 60 34 34 У2 УЗ 820 690 585 585 888 888 195 180
г-Eos-wtfi —uo Ot oos i© Э00 00 о О М* СЧ ОО * 00 О со >» О L© оо о СО 00 00 00 о Ю 00 —
i-eos-wVi s § s " 1© c о - S 3 > с СС 1©ОО 1© об О0 Is* 1© ОО —
cos-wtfi S „ S ° 52 <2 о о ° * 1 ® о 00 ° " сч g * ю %© оо о Ю00О0 Ю 1© 00 —ч
I-lOJ’-Wtl'l 400 36 ЯП_4ПП С© СЧ С СО СЧ 00О — со СЧ >> Q 1Q 00 1© с© 00 ^-1© Г- 1© 00 —
lOt-Wi/l 400 36 ЯП_ДАП о со о о со 00 о о° сч * 1© LT L© 585 848 145
l-ZIE-WVl 315 33 ЦП 17П с© Й сч О О СЧ 00 2 - с© сч 1 1© Q0 О 00 — xf i©oo —
Zl£ WV1 tsz-wVi 250 315 30 33 85—250 60-370 76 86 0,56 0,56 62 80 25 60 16 20 T2 У2, Т2 1 440 555 282 585 502 818 50 126
991'Wtfl ° сч 8 £ TSjJ S 8 2 * Й О сч сч
Параметр Номинальный свароч- ный ток, А Номинальное рабочее напряжение, В . . . . Пределы регулирования lima, 2» • ••••-• • К.п.д., % Коэффициент мощности Напряжение холостого хода, В, С Продолжительность на- грузки, ПН, % . . . . Первичная мощность, кВА Климатическое испол- нение . Габариты, мм: г 5 5 Г ширина Масса, кг
Здесь и далее для исполнения
144
ТДМ—503—1 снабжены устройством снижения напряжения
холостого хода, ТДМ—503—2 — косинусным конденсатором,
ТДМ—503—3 — устройством снижения напряжения холостого
хода и косинусным конденсатором, ТДМ—503—4 — возбудите-
лем-стабилизатором горения дуги, позволяющим сваривать
стали электродами с основным покрытием и неответственные
соединения алюминиевых сплавов.
Конструктивно трансформаторы серии ТДМ относятся
к группе трансформаторов стержневого типа с подвижными
обмотками. Для них характерны малый расход активных мате-
риалов, простота конструкции, высокие сварочные и энергети-
ческие показатели. Минимальную массу и широкие пределы ре-
гулирования тока позволяют получать два диапазона регули-
рования.
Трансформаторы для автоматической сварки под флюсом
Трансформаторы выпускаются по ГОСТ 12—77 на номиналь-
ные токи 1000 и 2000 А (табл. 7.3). Трансформаторы выпуска-
ются в стационарном исполнении, рассчитаны на продолжи-
тельный режим работы; климатические исполнения — УЗ и Т4;
степень защиты — 1Р21.
Трансформаторы имеют ЖВХ и предназначены для сварки
на автоматах с постоянной скоростью подачи электродной про-
волоки. Трансформаторы выполнены с тиристорным регулиро-
ванием, работают в режиме прерывистого тока и имеют им-
пульсную стабилизацию повторного возбуждения дуги. В транс-
форматоре ТДФЖ-Ю02 пол-
ный диапазон регулирования
разбит на две, а в
ТДФЖ-2002 — на три ступени.
В основе построения тран-
сформаторов лежит стержне-
вая конструкция с разнесен-
ными, но жестко закреплен-
ными катушками. Такое реше-
ние близко к конструкции
трансформаторов ручной свар-
ки серии ТДМ.
Расчет трансформатора с
разнесенными (подвижными)
обмотками
Индуктивное сопротивление транс-
форматора. При расчете сварочного
трансформатора к числу основных
исходных данных относятся пределы
ТАБЛИЦА 7.3
ПАРАМЕТРЫ РАБОТЫ
ТРАНСФОРМАТОРОВ ДЛЯ
АВТОМАТИЧЕСКОЙ СВАРКИ
Параметры ТДФЖ- 1002 ТДФЖ- 2002
Номинальный сварочный ток, кА 1,0 2,0
Номинальное ра- бочее напряжение, В 56 76
Пределы регули- рования рабоче- го напряжения, В 30—56 32—76
Пределы регули- рования свароч- ного тока, кА 0,3—1,2 0,6—2,2
К. п. Д-, % 86 88
Масса, кг 550 850
10—1063
145
Рис. 7Л. Упрощенная схема поля рассеяния (с) и эскиз конструкции (б) трансфор-
матора с разнесенными обмотками
регулирования сварочного тока, которые непосредственно связаны с индук-
тивным сопротивлением трансформатора.
Максимальному сварочному току соответствует минимальное индуктивное
сопротивление Xmin (обмотки полностью сдвинуты); минимальному свароч-
ному току — максимальное Хтах (обмотки раздвинуты).
Рассмотрим картину магнитного поля рассеяния трансформатора стерж-
невого типа (рис. 7.2, а). Справа показана эпюра магнитодвижущих сил
(МДС) трансформатора. Реальное поле рассеяния трансформатора можно
представить как сумму трех составляющих: поля рассеяния в лобовых частях
обмоток (Ф1л, Фал), поля рассеяния в окне трансформатора в зоне катушек
(Фюк, Фаок) и поле рассеяния в зазоре между обмотками Фок. Поле Фок
уже при небольшом расстоянии от обмоток с большой степенью точности
можно рассматривать как плоско-параллельное; при этом можно считать,
что магнитные силовые линии поля замыкаются по воздуху между стержнями
магнитной системы в плоскостях, перпендикулярных осям стержней
Магнитная проводимость X при р.= 1 между стержнями магнитной си-
стемы. отнесенная к единице длины, определяется экспериментально и может
быть представлена эмпирической зависимостью:
Л=1,5+1,2(6/сок),
где b — размер магнитопровода в направлении набора; сок — ширина окна
магнитопровода. В соответствии с картиной поля рассеяния индуктивное со-
противление трансформатора также может быть представлено как сумма
трех составляющих
Х^Хок+Хл+х^.
Составляющие Хок и хл не зависят от расстояния между обмотками и
соответствуют магнитному полю в окне трансформатора (Фюк, Фзок) и в ло-
146
Левых частях (Ф1Л, Ф2л) при полностью сдвинутых обмотках (£=0). Состав-
ляющая х^ соответствует магнитному полю в окне трансформатора в зазоре
между обмотками и связана с расстоянием между обмотками £ прямо про-
порциональной зависимостью.
Ниже приводятся формулы для расчета индуктивного сопротивления рас
сеяния, отнесенного ко вторичным обмоткам с числом витков о>2. Формулы
получены в предположении, что магнитная проницаемость магнитопровода бес-
конечна, отсутствует демпфирующее влияние вихревых токов, ток в витках
распределен равномерно.
Индуктивное сопротивление
Хок = <0р.<Д^2^> (^1 4 Л2)/3,
|де а=2л[ — угловая частота, с-1; цо=4л-1О~7— магнитная постоянная,
Гн/м; й| и /г2— высота катушек первичной и вторичной обмоток, м.
Индуктивное сопротивление
хл = (2л)-1 • In [giz/fei g2)I.
где 1Л — условная средняя длина витка катушек в лобовой части, м; gi, g2,
gi2 — средние геометрические расстояния, м. Величины /л и gi, g2, gi2 опре
деляются из следующих соотношений:
In — (Лер 4 Лср)/2,
где /1 ср, /2ср — средняя длина витка катушек первичной и вторичной обмо-
ток, м:
й = 0,223 (2сх + Лх), = 0,223 (2с2 4 Л2).
где Ci, С2 — размеры катушек по ширине вне окна магнитопровода с учетом
вентиляционных каналов и каналов между катушками и магнитопроводом, м;
йг = 2сср [0,22 4 0,75ЛСр/2сср],
эдесь Сер=(с1+с2)/2; ЛСР= (fti+M/2
Индуктивное сопротивление
ХЕ = (1)-|1о’®2-Ц.
При расчете минимального индуктивного сопротивления трансформатора
Xmtn (для полностью сдвинутых обмоток) составляющая Xj. определяется
с учетом минимального расстояния между обмотками, необходимого по кон-
структивным соображениям. Максимальному индуктивному сопротивлению
соответствует максимальное расстояние между обмотками.
Приведенные соотношения соответствуют параллельному включению обмо-
ток трансформатора. При переходе к последовательному соединению (а>2'=
— 2u>2) индуктивное сопротивление возрастает в четыре раза.
Элементы расчета трансформатора. Исходными данными
при расчете являются расчетная мощность трансформатора,
продолжительность нагрузки, номинальный ток и пределы его
регулирования, номинальное рабочее напряжение, напряжение
холостого хода и тепловой режим, на который рассчитывается
трансформатор (класс изоляции обмоток). Расчет ведется ме-
тодом последовательных приближений. Предварительно опреде-
ляют основные геометрические размеры трансформатора, а по-
том —поверочный расчет всех заданных величин, и в первую
очередь индуктивного сопротивления; затем уточняют геомет-
рические размеры и т. д.
ю*
147
При плавно-ступенчатом регулировании поверочный расчет
индуктивных сопротивлений и пределов регулирования тока ве-
дут для обеих ступеней (диапазонов).
Рассчитываются следующие параметры в указанном по-
рядке:
1. Минимальное и максимальное индуктивные сопротивле-
ния, обеспечивающие заданные пределы регулирования:
•Xmin = (^20-^22)0,S//22. -Xmax = (^20-^21)°'5/^21»
где /22 и /21 — максимальный и минимальный токи нагрузки;
U22 и (72i— рабочие напряжения, соответствующие токам на-
грузки /22 и /2ь определяемые, например, по формуле t/2 = 20 +
+ 0,04 /2 (в вольтах).
2. Числа витков обмоток. В сварочном трансформаторе вы-
бор числа витков обмоток имеет принципиальное значение, так
как витки определяют пределы регулирования сварочного тока.
Для выбора числа витков обмоток u)t, w2 рекомендуется поль-
зоваться эмпирической зависимостью параметра lw, В/виток, от
расчетной мощности трансформатора, кВА, приведенной к дли-
тельному по нагреву току трансформатора
/ю = 0,55 + 0,095Рдл.
Эта зависимость справедлива для широкого диапазона мощ-
ностей, однако наилучшая сходимость результатов достигается
в диапазоне 5—30 кВА.
Мощность, кВА, в формуле для /ш:
рдл = ю-зг/20/2 ном v™.
где /2ном — номинальный вторичный ток, А; ПН — продолжи-
тельность нагрузки.
Затем определяем
— U Jlw, w2 = U20/lw.
3. Числа витков катушек.
При параллельном соединении катушек — это w1K и ш2к, при
последовательном — wtK' = w{/2, w2k'=w2/2.
4. Номинальный ток, А, первичной обмотки
/ 1ном = / аном^ц/
где Ац= 1.054-1,1— коэффициент, учитывающий намагничиваю-
щий ток трансформатора, п — коэффициент трансформации.
5. Сечение стали сердечника трансформатора, см2:
Sc = f/ao-104/4,44f^i!Bm,
где Вт—индукция в сердечнике, Тл. Для холоднокатаной стали
можно принять Вт= 1,64-1,7 Тл.
6. Конструктивные размеры трансформатора. Расчет кон-
структивных размеров произведен применительно к стержневой
148
конструкции, эскиз которой дан на рис. 7.2, б. Далее все ли-
нейные размеры приводятся в миллиметрах, сечения — в ква-
дратных миллиметрах.
а. Ширина пластины стержня а и ширина окна сок, магнито-
провода \
а = 102[5с/(рЛ)]0-5, сок = Ыр2,
где р\ = Ь/а = 1,84-2,2; р2= 1,04-1,2; kc=0,954-0,97 — коэффици-
ент заполнения стали; b — высота набора магнитопровода.
Указанные значения коэффициентов plt р2 рекомендуются
для трансформаторов на токи 325—500 А.
б. Сечения обмоточных проводов (для параллельного соеди-
нения катушек)
<71 =/1НОм/2/1, Q2 ~ I2Ном/2/2,
Для изготовленных из алюминиевого провода обмоток
трансформаторов на ток до 500 А класса изоляции Н для руч-
ной дуговой сварки могут быть рекомендованы следующие ве-
личины плотностей тока: /1 = 2,44-2,8 А/мм2; /2 = 2,1—2,3 А/мм2.
Нижние значения ц и /2 соответствуют трансформаторам боль-
шей мощности. Для первичной обмотки обычно используется
провод марки АПСД, для вторичной — голая шина марки АДО.
в. Размеры провода, мм, выбираемые исходя из требуемых
сечений провода по таблицам стандартов или технических ус-
ловий: о1п и Ьш — ширина и высота провода первичной об-
мотки а2п и 62п— то же, для вторичной обмотки, а'1п и Ь'щ,
о'гп и Ь'2п— то же, с изоляцией.
Высоту провода следует выбирать возможно меньшей, так
как добавочные потери в обмотках от потоков магнитного рас-
сеяния трансформатора пропорциональны четвертой степени
высоты провода.
г. Конструктивно-крепежные размеры, мм: изоляционные
расстояния катушек в окне от магнитопровода 61 = 54-10; верх-
нее значение соответствует подвижной обмотке; ширина венти-
ляционных каналов в обмотках б2=104-13; ширина прокладки
между катушками первичной обмотки 6з= 1,54-2,0; размеры
крепежных изоляционных деталей первичной обмотки 64=65 =
= 10, то же, для вторичной обмотки: 65 = 67= 104-13.
д. Размеры катушек первичной обмотки, мм: ширина
катушки т1к= (<?оь—26|—63)/2, число слоев в катушке п1сл =
«=zn,K/[(ain-|-fen)^y], где Лп = 0,15— толщина межслоевой изоля-
ции; Ау=1,1 — коэффициент, учитывающий неплотность укладки
проводников; число витков в слое И’1сл = И’1к/Л|сл, высота пер-
вичной катушки hi = wicnb'inky.
е. Размеры катушек вторичной обмотки: вторичная обмотка
наматывается «на ребро» голой алюминиевой шиной марки
АДО. Размер шины и внутренний радиус намотки «на ребро»
140
выбирают из условия, что относительное удлинение волокон
шины по наружному радиусу должно быть <30%, в противном
случае могут появляться разрывы шины при намотке.
Высота катушки Л2 = w2cnb'2nky.
ж. Высота окна магнитопровода
Лои = 64-Ь 4- £max + h2 4- 67,
где £max определяется в процессе поверочного рзсчетз индук-
тивного сопротивления трансформатора.
7. Поверочный расчет трансформатора ведут по приведен-
ным ранее формулам. Полный тепловой расчет может быть
проведен по известным методикам расчета силовых трансфор-
маторов.
7.1.3. Сварочные выпрямители
Отечественные сварочные выпрямители имеют в основном трех-
фазное питание, выполняются как на диодах, так и на тири-
сторах. В выпрямителях используются трехфазная мостовая,
двойная трехфазная схема с уравнительным дросселем или
кольцевая схема выпрямления. В выпрямителях большой мощ-
ности диодное выпрямление во вторичном контуре сочетается
с тиристорным регулированием по первичной стороне. В зави-
симости от числа сварочных постов, которые могут быть одно-
временно подключены к источнику, выпрямители подразделя-
ются на одно- и многопостовые.
Выпрямители для ручной дуговой сварки выпускаются по
ГОСТ 13821—77 на токи 200, 315, 400 А, ПН=60 % и имеют
крутопадающие внешние характеристики.
Климатическое исполнение выпрямителей УЗ и 04. Техни-
ческие данные выпрямителей серии ВД приведены ниже:
Выпрямители
Номинальный сварочный
ток, А............ . . .
Номинальное рабочее напря-
жение, В ................
Пределы регулирования то-
ка, А ...................
К.п.д., %................
Первичная мощность, кВА
Габариты, мм ............
Масса, кг ...............
ВД-201
200
28
30—200
60
15
716X 622X 775
120
ВД-306 ВД-401
315 400
33 36
45-315 50—450
72 69
21 28
785Х 780Х 795 772Х 770Х 785
164 200
Выпрямители выполнены по трехфазной мостовой схеме на
кремниевых диодах. Основу выпрямителя составляет трансфор-
матор с подвижными обмотками. Одновременное переключение
первичных и вторичных обмоток трансформатора с «треуголь-
ника > на «звезду» позволяет получить две ступени регулирова-
ния тока.
150
Выпрямители для механизированной сварки выпускаются
на ток 315 и 630 А, ПВ = 60 % и имеют пологопадающие внеш-
ние характеристики.
Технические данные выпрямителей приведены ниже:
Выпрямители ВДГ-303 ВСЖ-303 ВС-300Б ВС-632
Номинальный сварочный ток, А 315 315 315 630
Номинальное рабочее напри- жение, В 40 34 34 50
Пределы регулирования то- ка, А 50—315 50—315 50—315 100—630
Пределы регулирования на- пряжения, В 16—40 16—34 16—34 20—50
К. л.д., % - 76 76 75 83
Первичная мощность, кВА 21 20 16 46
Климатическое исполнение УЗ, 04 УЗ УЗ УЗ
Габариты, мм 723Х 593Х 600Х 650Х 650Х 600Х 750Х 880Х
Х938 Х900 Х900 X 1200
Масса, кг - • 220 200 180 380
Выпрямители выполнены по трехфазной мостовой схеме на
кремниевых диодах. Регулирование напряжения в выпрямите-
лях ВДГ и ВСЖ плавно-ступенчатое. Плавное регулирование
внутри ступени в выпрямителе ВДГ осуществляется дросселем
насыщения, а в выпрямителе ВСЖ — трансформатором с маг-
нитной коммутацией. В выпрямителях ВС регулирование сту-
пенчатое— переключением числа витков обмоток.
Универсальные сварочные выпрямители типа ВДУ выпуска-
ются для сил токов 500, 630 и 1250 А. Выпрямители имеют два
вида внешних характеристик — полого- и крутопадающие. Кли-
матическое исполнение выпрямителей УЗ и 04. Технические
данные приведены в табл. 7.4.
Выпрямители ВДУ-505, ВДУ-506, ВДУ-601 выполнены на
тиристорах по двойной трехфазной схеме выпрямления с урав-
нительным дросселем, а выпрямители ВДУ-1202 — по шести-
фазной схеме выпрямления с тиристорным регулированием по
первичной стороне трансформатора. Выпрямители обеспечи-
вают высокий уровень стабилизации напряжения и тока, ди-
станционное регулирование, простой переход с одного вида
внешних характеристик на другой.
Выпрямитель для импульсно-дуговой сварки (ВДГИ) обес-
печивает питание сварочной дуги пульсирующим однополярным
током, т. е. постоянным базовым током, на который периодиче-
ски с частотой 50 или 100 Гц накладываются кратковременные
импульсы тока. Выпрямитель входит в комплект полуавтомата
ПДИ-304 для механизированной импульсно-дуговой сварки
алюминия и нержавеющих сталей в среде аргона.
Техническая характеристика выпрямителя ВДГИ-302: номи-
нальный сварочный ток 315 А, номинальное рабочее напряже-
ние 35 В, пределы регулирования тока 40—325 А, пределы
151
ТАБЛИЦА 7.4
УНИВЕРСАЛЬНЫЕ ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ
ДЛЯ ДУГОВОЙ СВАРКИ
1 II HI IV V VI VII VIII
I I I I I I Г I
Параметр ВДУ-505 В ДУ-506 В ДУ-601 ВДУ-1202
I II III IV V VI VII VIII
Номинальный сварочный ток, А . . . 500 500 500 500 630 630 1250
Номинальное рабочее на- пряжение, В 46 50 46 50 52 56 56
Пределы ре- гулирования тока, А . . . 50—500 60—500 50—500 60—500 50—630 65—630 250—1250
Пределы регу- лирования на- пряжения, В 22—46 18—50 22—46 18—50 22—52 18—56 24—56
К. п. д., % Первичная мощность, кВА 82 82 79 79 75 75 83
40 40 40 40 60 60 120
Габариты, мм 790X 670X 880 820Х 620Х 1100 860X 690X1100 1150Х
Масса, кг . . 300 300 300 300 320 320 Х700Х Х950 590
регулирования напряжения 10—35 В, длительность импульса
тока 1,5—5,0 мс, к. п. д. = 74 %, первичная мощность 17,3 кВА,
габариты 720X593 x 938 мм, масса 300 кг, завод-изготови-
тель — СЭМЗ.
Регулирование напряжения и тока тиристорное. Внешние
характеристики по импульсному току жесткие, а по базовому
току изменяются от крутопадающих до жестких по мере уве-
личения сварочного тока.
Многопостовые сварочные выпрямители
Многопостовые сварочные системы, в которых один многопо-
стовый выпрямитель снабжает энергией несколько сварочных
постов, получили применение в основном при ручной дуговой
сварке.
Выпрямители серии ВДМ с реостатным регулированием вы-
полняются на кремниевых диодах и имеют жесткую внешнюю
характеристику, что обеспечивает независимость работы от-
152
дельных сварочных постов. Для получения падающих характе-
ристик и регулирования тока на каждом сварочном посту ис-
пользуют ступенчатый балластный реостат. Преимущества мно-
гопостовых систем связаны с небольшой первоначальной
стоимостью оборудования, простотой обслуживания, высокой
загрузкой и высокой экономичностью многопостового выпрями-
теля. Основной недостаток связан со значительными потерями
энергии в реостатах, снижающих к. п. д. сварочных постов.
Выпрямитель В ДМ 4x301 с тиристорным регулированием
многопостовый имеет единый трансформатор и самостоятельные
тиристорные блоки с устройством фазового управления для
каждого поста. Тиристорные блоки выполнены по двойной трех-
фазной схеме с уравнительным дросселем в катодных цепях
тиристорного блока. Автономное тиристорное регулирование
позволяет обеспечить стабилизацию режима поста при колеба-
ниях сети местное и дистанционное включение поста и плавное
регулирование тока. Исполнение выпрямителей УЗ, 04. Техни-
ческие данные многопостовых выпрямителей:
Выпрямители В ДМ-6301* ВДМ-1201 ВДМ-4Х301
Номинальный сварочный ток, А 630 1250 --
Продолжительность нагруз- ки, ПН, % 100 100
Номинальное рабочее на- пряжение, В 60 60
К П. д., % 86 89 65
Первичная мощность, кВА 47 95 126
Габариты, мм 700Х 600Х 600 1050X 700X 950 1400X785X1220
Масса, кг 200 380 710
Число сварочных постов 4 8 4
Номинальный ток поста, А 315 315 315
Продолжительность нагруз- ки, % 60 60 60
Пределы регулирования то- ка поста, А 15—315 15—315 60—315
• В стадии освоения.
7.1.4. Источники со звеном повышенной частоты
Освоение производства источников тока со звеном повышенной
частоты — интенсивный путь совершенствования оборудования
для дуговой сварки. Включение высокочастотного звена в струк-
туру источников сварочного тока позволяет существенно сни-
зить их массу и габариты, повысить к. п. д. и коэффициент
мощности, обеспечить широкие пределы регулирования и хоро-
шие сварочные свойства.
Ниже приводятся сведения о инверторных источниках тока
ВДУЧ-301 и ВДЧИ-251 (табл. 7.5). Сведения об установках
153
1
II
III
ТАБЛИЦА 7.5
ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИ-
СТИКИ ИСТОЧНИКОВ
СВАРОЧНОГО ТОКА ВДУЧ-301
И ВДЧИ-251
Параметр ВДУЧ 301 ВДЧИ 251
I II III
Номинальный сварочный ток, А . . 315 315 250
Номинальное рабочее напряжение, В Пределы регулирования: 36 33 35
тока, А . . . 60- -315 30—250
напряжения, В 16—36 22—33 21—35
К п. д., % .... Продолжительность включения, ПВ, % 75 75 75
60 60 60
Первичная мощность, кВ А 15.5 15,5 12,0
Габариты, мм 400> 640 X 575 335X660X
Х450
Масса, кг ... 70 70 50 v
• В стадии освоения.
для аргонодуговой сварки на базе инвертора (УДГ-350) и на
базе высокочастотного транзисторного регулятора (УДГ-201)
приведены в 7.2.
Инверторный тиристорный источник ВДУЧ-301 с пологопа-
дающими и крутопадающими внешними характеристиками —
универсальный выпрямитель для механизированной сварки
в среде защитных газов и для ручной дуговой сварки.
Структуру источника можно представить состоящей из двух
основных узлов — сетевого выпрямителя (СВ) и конвертерного
преобразователя (КП). СВ выполнен по мостовой схеме на оп-
тотиристорах и на диодах. Кроме основной функции — выпрям-
ления напряжения сети СВ сглаживает пульсации входного
напряжения, обеспечивает плавный заряд накопительного кон-
денсатора при включении источника, контроль за величиной
входного напряжения, отключение выпрямителя при аварийных
режимах.
КП преобразует выпрямленное напряжение в напряжение
сварочного контура с гальванической развязкой контуров. В со-
став КП входит высокочастотный регулируемый инвертор,
трансформаторно-выпрямительное устройство (ТВУ), работаю-
щее на высокой частоте, и выходной сглаживающий дроссель.
Полумостовой тиристорный инвертор с резонансной коммута-
цией и диодами обратного тока содержит высокочастотные кон-
денсаторы, катушки индуктивности и тиристорно-диодные
ячейки. ТВУ выполнено на стержневом трансформаторе с фер-
ритовым сердечником. Схема соединения обмоток трансформа-
154
тора гарантирует равномерное распределение токов в парал-
лельно работающих диодах выходного выпрямителя, хорошую
электромагнитную связь между работающими секциями обмо-
ток, полную компенсацию намагничивающих сил на стержнях.
Блок управления КП обеспечивает формирование последова-
тельности частотно-модулированных импульсов управления ти-
ристорами, соответствующей безопасным режимам работы ин-
вертора, огибающей внешней характеристики, статических жест-
ких и падающих внешних характеристик, симметричный режим
работы силового трансформатора в переходных режимах, регу-
лирование электрических режимов в процессе сварки. С целью
повышения сварочных показателей источника схема обеспечи-
вает кратковременные форсировки режимов работы инвертора
при зажигании дуги и капельных коротких замыканиях в про-
цессе сварки. Частота пульсаций выходного напряжения источ-
ника в номинальном режиме 5 кГц.
Инверторный транзисторный источник ВДЧИ-251 предна-
значен для ручной дуговой сварки штучными электродами на
постоянном токе неповоротных стыков магистральных трубо-
проводов в непрерывном и импульсном режимах. Выпрямитель
имеет падающие внешние характеристики, с возможностью из
менения наклона (0,2; 0,4 и 0,7 В/А).
Сетевой выпрямитель источника выполнен на диодах и снаб-
жен LC-фильтром. Инвертор выполнен по полумостовой одно-
тактной (асимметричной) схеме. Две однотактные инверторно-
трансформаторные ячейки работают параллельно через общий
дроссель на сварочную нагрузку. Блок цикла сварки обеспечи-
вает работу источника в импульсном режиме. Диапазон регу-
лирования длительности при импульсе и паузе 0,1—0,9 с. Ам-
плитуда тока импульса может быть установлена в диапазоне
30—250 А, тока паузы — 30—100 А. Частота пульсации выход-
ного напряжения источника в номинальном режиме 16 кГц. Ис-
точник снабжен отключателями напряжения холостого хода.
7.2. Установки для механизированной дуговой сварки
7.2.1. Полуавтоматы для сварки плавящимся электродом
Классификация и области применения
По способу защиты зоны дуги полуавтоматы имеют следующие
исполнения:
1) в активных защитных газах (Г)—применяются в цехо-
вых условиях для сварки стальных конструкций сплошной и
порошковой проволокой;
2) в инертных газах (И) — применяются при изготовле-
нии конструкций из алюминиевых сплавов, легированных
155
сталей, титановых сплавов и цветных металлов, толщи-
ной >0,8 мм;
3) под флюсом (Ф)—широко применяются при сварке ар-
матуры железобетонных конструкций;
4) открытой дугой (О) с использованием порошковой или
специальной легированной проволоки без дополнительной газо-
вой защиты — применяются в монтажных условиях при изго-
товлении стальных и железобетонных конструкций.
По способу регулирования скорости подачи электродной про-
волоки полуавтоматы классифицируют следующим образом:
1) с плавным регулированием скорости подачи проволоки;
2) со ступенчатым регулированием скорости подачи прово-
локи;
3) с плавно-ступенчатым регулированием подачи проволоки.
Плавное регулирование обеспечивается за счет изменения обо-
ротов двигателя постоянного тока. Достоинства этой системы —
малая масса механизма подачи и возможность дистанционного
управления сварочным током.
Ступенчатое регулирование скорости подачи проволоки обес-
печивается переключением шестерен в коробке скоростей. По-
луавтоматы этой группы применяются для работы на стацио-
нарных постах и в условиях массового производства, когда не
требуется частого изменения режима сварки и перемещения
оборудования.
Главный параметр полуавтомата — номинальный сварочный
ток. Отечественной промышленностью выпускаются полуавто-
маты на токи 200, 315, 400, 500 и 630 А.
Пример расшифровки условного обозначения — тип ПДГ-516 УЗ: П —
полуавтомат, ,П. — дуговой сварки, Г — в активных газах, 5 — сварочный ток
в сотнях ампер, 16 — номер модификации, У—климатическое исполнение,
3 — категория размещения.
Основные узлы
В состав полуавтомата входят: механизм подачи проволоки,
блок управления, комплект сварочных горелок, источник сва-
рочного тока, газовая аппаратура, соединительные провода и
шланги. Некоторые полуавтоматы комплектуются автономными
системами водяного охлаждения и дымоотсасывающими устрой-
ствами.
В механизм подачи проволоки входят: двигатель с редук-
тором, роликовое устройство, кассета с тормозным устройством.
На некоторых механизмах подачи размещают блок управления
или отдельные элементы системы управления полуавтомата.
Механизм подачи проволоки диаметром 0,8—1,4 мм рассчиты-
вается из условия получения проталкивающего усилия 100 Н,
механизмы для проволок диаметром 1,6—3,5 мм рассчитыва-
156
ются на усилие 200 Н. В большинстве полуавтоматов отечест-
венного и зарубежного производства применяются двигатели
мощностью 40—180 Вт.
Роликовые устройства для подачи электродной проволоки
наиболее часто содержат один приводной и один прижимной
ролик. Для стальной проволоки диаметром 1,6—2,5 мм, а также
для порошковой или алюминиевой проволок применяют две
нары приводных и прижимных роликов. Форма рабочей поверх-
ности роликов: цилиндрическая гладкая, цилиндрическая с на-
сечкой, коническая. Ролики изготовляют из термообработанной
до HRC 50—60 стали ХВГ, 40Х или ШХ15.
Кассеты или кассетные устройства с унифицированными
размерами выбираются в зависимости от исполнения полуавто-
мата. Некоторые полуавтоматы снабжены кассетными устрой-
ствами для установки больших мотков.
Блок управления сварочными полуавтоматами с плавным
регулированием скорости подачи электродной проволоки
БУСП-2 обеспечивает ручную установку скорости подачи элек-
тродной проволоки и ее автоматическую стабилизацию; авто-
матическое включение и выключение исполнительных органов
полуавтомата (электродвигатель, газовый клапан, контактор
сварочного выпрямителя), автоматический отсчет длительности
юрения дуги при сварке электрозаклепками; ручное управление
электродвигателем и газовым клапаном при наладке; динами-
ческое торможение электродвигателя и его защиту от перегру-
зок. Управление блоком при сварке осуществляется кнопкой,
расположенной на сварочной горелке. Возможны три режима
работы блока: для длинных швов, коротких швов и режим
сварки электрозаклепками. Режим работы блока устанавли-
вают переключателями на его лицевой панели.
Системы управления полуавтоматами с питанием от напря-
жения дуги (полуавтоматы типа А-547 и А-1230) или полуав-
томатами с асинхронными двигателями более компактны и
просты.
Горелки для полуавтоматической сварки выпускаются на
токи 125, 160, 200, 315, 400, 500 и 630 А. Для сварки в СОг на
токах до 500 А они выполняются с естественным воздушным
охлаждением. Для тяжелых условий работы на токах 500 и
630 А, а также при сварке в аргоне на токах >315 А горелки
имеют водяное охлаждение.
По характеру взаимного расположения корпуса и рукоятки
различают горелки молоткового и пистолетного типа. Послед-
ние часто применяются для «мягких» проволок, порошковой
проволоки большого диаметра, они удобны при сварке в верти-
кальном положении.
Для ряда горелок, выпускаемых заводом «Электрик», при-
меняют кабель КПЭС, который содержит в резиновой оболочке
157
спираль, оплетенную медными токоподводящими жилами и
тремя проводами управления. В зависимости от номинального
сварочного тока медный кабель имеет сечение 25, 35, 50 и
70 мм2. Внутрь полого кабеля вставляется сменная спираль
с внутренним диаметром, соответствующим диаметру электрод-
ной проволоки. Сменную спираль необходимо периодически
очищать от загрязнений, которые вызывают рост усилий сопро-
тивления подаче электродной проволоки. В большинстве горе-
лок длина кабеля 2,0—3,0 м. Токоподвод к электродной прово-
локе обычно осуществляется через трубчатые наконечники.
Конструктивные особенности
Технические данные и характеристики выпускаемых полуавто-
матов приведены в табл. 7.6.
Полуавтоматы с плавным регулированием скорости подачи
проволоки разработаны на основе унифицированных узлов и
блоков: электронный блок управления сварочным процессом
БУС П-2, редукторный привод подачи проволоки, тормозные
устройства и кассеты.
Конструкция сварочных горелок ГДПГ-201, ГДПГ-304,
ГДПГ-502 разработана на основе полого электросварочного ка-
беля КПЭС, охлаждение горелок естественное.
В приводе применен 120-Вт электродвигатель постоянного
тока КПА-561 (напряжение 48 В). В полуавтоматах ПДГ-312;
ПДГ-515 механизмы подачи электродной проволоки имеют одну
пару подающих роликов, а блоки управления встроены в сва-
рочные выпрямители. Массы механизмов подачи полуавтоматов
ПДГ-516 и ПДГ-603 больше, так как в них применены две пары
подающих роликов, а в корпусе механизма подачи размещены
блоки управления БУСП-2.
Полуавтомат типа ПДГ-508 выполнен со ступенчатым регу-
лированием скорости подачи электродной проволоки за счет пе-
реключения шестерен в коробке скоростей. Механизм подачи
приводится во вращение двигателем АОЛ-12-4 мощностью
180 Вт. Проволока подается одной парой роликов. Изменяют
скорость подачи поворотом маховичков на передней стенке ме-
ханизма подачи.
Полуавтомат А-547У имеет плавно-ступенчатое регулирова-
ние скорости подачи электродной проволоки. Механизм подачи
оформлен в виде компактного чемодана, внутри которого разме-
щены 90-Вт электродвигатель постоянного тока Д-90А-547У,
червячный редуктор, кассета и газовый клапан.
I5K
139
7.2.2. Автоматы для сварки плавящимся электродом
Классификация автоматов и основные узлы
Автоматы для сварки плавящимся электродом классифициру-
ются:
1) по способу защиты зоны сварочной дуги — для сварки
под флюсом, в защитных газах, без внешней защиты и универ-
сальные, допускающие сварку несколькими способами;
2) по способу перемещения вдоль шва — тракторного типа,
подвесные и самоходные;
3) по количеству электродов — одноэлектродные, многоэлек-
тродные (несколькими изолированными токоподводами, от раз-
дельных источников сварочного тока или расщепленным элек-
тродом от одного источника);
4) по типу плавящегося электрода — для сварки электрод-
ной проволокой, ленточным электродом или стержнями;
5) по роду тока — для сварки на постоянном и переменном
токах
Автомат для сварки плавящимся электродом включает сле-
дующие основные узлы: механизм подачи электродной прово-
локи (ленты), токоподвод, механизмы настроечных или регули-
ровочных перемещений, кассету с электродной проволокой,
флюсовую или газовую аппаратуру, тележку, пульт управле-
ния, источник сварочного тока.
Современные автоматы комплектуются системами слежения
за линией шва.
Автоматы тракторного типа
Они предназначены для сварки стыковых и угловых соедине-
ний, перемещаются либо по свариваемому изделию (АДФ-1002),
либо по рельсовым направляющим, укладываемым на свари-
ваемое изделие или возле него (АДГ-602, АДФ-1202). Техниче-
ские характеристики — в табл. 7.7.
Автомат АДГ-602 предназначен для сварки в защитных га-
зах, а АДФ-1202 для сварки под флюсом на постоянном токе.
Их конструкции во многом унифицированы. Они позволяют ве-
сти сварку как внутри колеи, так и вне ее на расстоянии до
200 мм. Размер колеи 295 мм. Конструкция позволяет коррек-
тировать в поперечном направлении положение электродной
проволоки относительно стыка в пределах 60 мм. При сварке
под флюсом положение электрода контролируется с помощью
светоуказателя. Регулирование скорости подачи электродной
проволоки и скорости сварки плавное. Система регулирования
частоты вращения двигателей позволяет жестко стабилизиро-
вать выбранные скорости.
160
Hl
I
I
I
If»
1
к
I
«
и
Изготовитель З-д «Электрик» З-д «Искра» З-д «Электрик» кзэсо КЗЭСО кзэсо тзэсо
'•У •внэп 1 ем 2215 2950 4380 7180 5100 3930
Масса автомата, кг 8 tn оо 215 365 385
Источник питания со >> 8 СП ТДФЖ-1002 ВДУ-1201 ВДУ-1202 ТДФЖ-2002 ВДУ-1202 ТДФЖ-2002
Скорость подачи прово- локи, м/ч 8 СП 1 § 60—360 60—360 17—553 17-553 47-509 я; «о g ®
Диаметр электродной проволоки, мм 1,2—3,0 О 1П 1 о со 2,0—6,0 2,0—5,О*1 2,0-3,О*2 2 X (2—5) о «о 1 о сч 8—40*3 (стержни)
Номи- нальный свароч- ный ток, кА 0,63 1,25 2X1,6 2,0
ж ш Е 8 о о 8 § 001 100 8
Назначение В СО2 низкоугле- родистых и низ- колегированных сталей Под флюсом Под флюсом Для комплекта- ции наплавочных станков У-653, У-654 (подвесная) Для сварки под флюсом на пере- менном токе Под флюсом на С S Е Е К а Под флюсом сое- динений стерж- ней арматурной стали
Тип, марка АДГ-602, УХЛ4 АДФ-1002, УЗ АДФ-1202, УЗ А-1406, УХЛ4 А-1412, УХЛ4 А-1416 АДФ-2001, УХЛ4
‘ Сплошная. •* Порошковая. •• Стержни.
11—1063
161
Автомат АДФ-1002 (ТС-17) предназначен для сварки под
флюсом на переменном токе. Он имеет один асинхронный дви-
гатель, соединенный как с редуктором механизма подачи элек-
тродной проволоки, так и с редуктором тележки. Такое кон-
структивное решение позволило создать весьма компактный
автомат. Скорость движения проволоки и скорость сварки ре-
гулируются сменными шестернями. Из-за малых размеров его
применяют для сварки внутренних кольцевых швов в сосудах
диаметром м.
Подвесные самоходные автоматы и головки
При сварке или наплавке крупных изделий, таких как балки,
цилиндрические сосуды и валы, плоские секции, прямошовные
и спиральношовные трубы, изделий с однотипными швами и
многих других преимущественно в серийном и массовом произ-
водстве используются стационарные самоходные автоматы или
подвесные сварочные головки. Обычно они входят в состав ус-
тановок, включающих в себя, кроме собственного сварочного
оборудования — автоматов и источников сварочного тока, еще
и разные манипуляторы, кантователи, служащие для крепле-
ния и поворота свариваемых изделий, а также для перемеще-
ния изделий в направлении сварки.
Серийно производятся подвесные самоходные сварочные ав-
томаты и головки как общего назначения, так и специальные
(см. табл. 7.7).
Автомат Л-1416 предназначен для однодуговой сварки под
флюсом и состоит из следующих основных узлов: собственно
сварочной головки, содержащей механизм подачи проволоки
с правильным устройством, токоподводящий мундштук и уст-
ройство для защиты зоны дуги флюсом; подъемного механизма,
позволяющего осуществлять механизированное перемещение
подвесной сварочной головки на вертикальной штанге; флюсо-
аппарата, снабженного флюсоотсасывающим устройством эжек-
торного типа; самоходной тележки велосипедного типа, на ко-
торой закреплены узлы автомата и служащей для перемещения
его вдоль свариваемого изделия с рабочей и маршевой скоро-
стями. Скорости сварки и подачи электродной проволоки регу-
лируются подбором сменных шестерен.
Самоходный автомат А-1412 предназначен для двухдуговой
сварки под флюсом переменным током и комплектуется двумя
трансформаторами типа ТДФЖ-1002. Он конструктивно унифи-
цирован с А-1416 и содержит те же основные узлы. Тележка
перемещается с маршевой скоростью — от асинхронного элек-
тродвигателя, с рабочей — от электродвигателя постоянного
тока. Рабочая скорость тележки регулируется изменением ча-
стоты электродвигателя в десятикратном диапазоне с помощью
162
тиристорного регулятора. От опрокидывания автомат удержи-
вается специальной стойкой, состоящей из двух сварных крон-
штейнов и ролика. Для регулирования положения мундштуков
в зависимости от уровня сварки и требуемого вылета электро-
дов служит механизм подъема с редуктором и электродвигате-
лем. Реечные шестерни механизма подъема зацепляются за хо-
довую рейку, прикрепленную вдоль образующих штанги, чем
обеспечивается необходимое вертикальное перемещение го-
ловки.
Головка ГДФ1001УЗ предназначена для дуговой автомати-
ческой сварки плавящимся электродом под слоем флюса сты-
ков труб диаметром 529—1420 мм из углеродистой и низколе-
гированной сталей для нефтегазопроводов и входит в состав
оборудования полевой автоматической установки ПАУ-1001.
Головка состоит из механизмов подъема, подачи проволоки,
правильно-прижимного, системы слежения за линией стыка, суп-
портов продольного и поперечного перемещений, флюсоаппа-
рата с бункером, катушек для проволоки с тормозным устрой-
ством, пульта управления, опорных роликов, горелок и свето-
указателя. Электрооборудование головки позволяет работать
в полуавтоматическом и наладочном режимах.
Особенность автоматов для наплавочных работ —специаль-
ные устройства для широкослойной наплавки ленточным элек-
тродом или расщепленным из нескольких проволок, располо-
женных поперек движения автомата, порошковым электродом
или совершающим поперечные колебательные движения.
Автомат А-1406 входит в комплект станков, на которых вы-
полняется наплавка наружных, внутренних поверхностей ци-
линдрических и конических тел вращения, а также деталей
с плоскими поверхностями, можно также сваривать детали,
имеющие кольцевые и продольные швы простой конфигурации.
На нем можно выполнять наплавку и сварку под слоем флюса
одинарным и расщепленным электродами, открытой дугой по-
рошковыми проволоками и лентой, а также в среде защитного
газа. Механизм поперечных колебаний с приводом от элек-
тродвигателя позволяет обеспечить колебания электрода с ам-
плитудой 15—70 мм и ручное смещение центра колебаний на
±50 мм. Скорость колебаний в пределах 80—200 м/ч регули-
руется сменными шестернями. Для внутренней наплавки
в среде СО2 имеются дополнительные приспособления. На-
плавка внутренних цилиндрических поверхностей диаметром
>100 мм и длиной <500 мм производится открытой дугой.
Кроме основного мундштука для сварки под флюсом, в ком-
плект автомата входят мундштуки для сварки порошковой
проволокой, порошковой лентой и расщепленным электродом.
и*
1вз
7.2.3. Установки для сварки вольфрамовым электродом
в инертных газах
Классификация и основные узлы
Оборудование для сварки неплавящимся электродом в инерт-
ных газах классифицируется по роду сварочного тока (постоян-
ный или переменный), способу применения (ручное или авто-
матическое), назначению (универсальное или специализирован-
ное) и составу (в зависимости от наличия механизмов,
расширяющих технологические возможности). В состав устано-
вок для ручной сварки постоянным током входят: источники
сварочного тока, сварочная горелка, устройство для первона-
чального поджига (возбуждения) сварочной дуги, аппаратура
управления сварочным циклом и газовой защитой.
Оборудование для ручной сварки переменным током, кроме
основных узлов, входящих в состав установки постоянного
тока, включает устройства для стабилизации горения дуги (ста-
билизатор), для компенсации или регулирования постоянной
составляющей сварочного тока.
Простейшая сварочная головка состоит из сварочной го-
релки, устройства для установочных перемещений горелки (на-
стройка на шов и установка длины дуги). Обычно сварочная
головка содержит и другие функциональные узлы: стабилиза-
тор длины дуги или автоматический регулятор напряжения на
дуге, механизм для подачи присадочной проволоки, механизм
для установочных перемещений мундштука для подвода при-
садки к сварочной ванне, устройство для колебания горелки
поперек стыка (колебатель).
Головка может быть самоходной, устанавливаться на само-
ходную тележку-трактор (автомат тракторного типа) или
укрепляться неподвижно, если сварочное движение осуществля-
ется изделием (подвесная головка). На самоходных головках
устанавливается привод перемещения вдоль линии сварки. Со-
временные автоматы иногда снабжаются системами слежения
за линией стыка изделия. В этом случае сварочная головка
имеет механизм поперечного перемещения горелки. Обычно
этот механизм выполняет функции колебателя.
Автоматы для сварки вольфрамовым электродом
Автомат типа АДСВ-6 предназначен для сварки вольфрамовым
электродом в аргоне продольных швов изделий на постоянном,
пульсирующем и переменном токе до 315 А, в зависимости от
того, каким источником питания комплектуется автомат. Ско-
рость сварки регулируется в пределах 5—80 м/ч с точностью
поддержания этого параметра ±2%, скорость подачи присадки
164
0 0,8—2 мм — в пределах 8—120 м/ч с той же точностью
стабилизации. Горелка рассчитана на закрепление вольфрамо-
вых электродов диаметром 1—5 мм. Он комплектуется унифи-
цированной головкой АСГВ-4, регулятором напряжения дуги и
устройством слежения за линией стыка с индукционным датчи-
ком положения стыка. Масса головки 27 кг, ход механизмов
±50 мм.
Для сварки труб в монтажных условиях наибольшее распро-
странение получили автоматы типа ОДА (ОДА-IC, ОДА-2С,
ОДА-ЗС) и типа ACT (ACT-I и АСТ-П). Автоматы типа ОДА
предназначены для сварки без присадки неповоротных стыков
труб диаметром 8—76 мм с толщиной стенки до 3 мм. Они
снабжены механизмом стабилизации длины дуги; механизмы
головки размещены на скобе, приводимой в движение от при-
водного двигателя с помощью раздаточного шестеренчатого ме-
ханизма. Особенностью механизма поперечной коррекции яв-
ляется вывод его рукоятки на неподвижную часть, что позво-
ляет осуществлять регулирование по стыку в процессе сварки.
Переносные головки имеют небольшую массу (<12 кг), малую
установочную длину (<10 см) и малый радиус вращающихся
частей (<90 см), позволяющие широко применять их в усло-
виях монтажа.
Автоматы ACT предназначены для сварки неповоротных
стыков труб в монтажных условиях (тип АСТ-П) и цеховых
(тип ACT-I). В зависимости от материала изделия они ком-
плектуются источниками постоянного (ACT-IC, ACT-IT — для
стали и титана) и переменного (ACT-IA) тока. Они позволяют
сваривать трубы диаметром <220 мм с толщиной стенки
<20 мм, снабжены механизмами подачи присадки, поперечных
колебаний электрода и регуляторами напряжения дуги. Для
установки на трубу корпус автомата выполнен разъемным.
Для монтажной сварки трубопроводов атомных электро-
станций разработаны малогабаритные автоматы АДГ-201 и
АДГ-301.
Автомат АДГ-201 предназначен для сварки труб диамет-
ром 57—160 мм. В его состав входят источник питания —
транзисторный источник тока типа УДГ-201, аппаратура управ-
ления и четыре сменные сварочные головки. У головок об-
щая конструктивная схема. На механизме зажатия эксцентри-
кового типа размещены электродвигатель, служащий приводом
орбитального перемещения с редуктором, и кольцевые направ-
ляющие, по которым перемещается планшайба. Зубчатое ко-
лесо планшайбы сцеплено с роликом привода орбитального
перемещения. Для надевания на трубу колесо имеет откиды-
вающийся сектор. На планшайбе размещены механизмы го-
ловки: механизм регулятора напряжения дуги со сварочной го-
релкой, колебатель и механизм подачи присадочной проволоки
165
с кассетой. Головки имеют малую установочную длину
(<90 мм) и малый радиус вращающихся частей (93 мм в го-
ловке для сварки труб диаметром до 76 мм и 135 мм в головке
для сварки труб диаметром 160 мм), что позволяет вести
сварку в условиях АЭС.
Автомат АДГ-301 перемещается по направляющему зубча-
тому колесу, установленному на трубе. В комплект входят ко-
леса пяти типоразмеров для сварки труб диаметром 219—
1020 мм. На тракторе размещены привод орбитального движе-
ния, механизм регулирования напряжения дуги, механизм по-
дачи присадочной проволоки, колебатель и механизм дистан-
ционного управления присадкой.
Аппаратура управления типа АУК-03, выполненная на базе
микроЭВМ, обеспечивает сварку с пульта управления либо по
программе, записанной перед началом работы, или по одной
из программ, имеющихся в библиотеке (в постоянном запоми-
нающем устройстве — ПЗУ),
Установки для ручной сварки вольфрамовым электродом
Серийно выпускается установка для плазменной и аргонодуго-
вой сварки на постоянном токе типа УПС-301У4. В нее входят:
сварочный выпрямитель с тиристорным регулированием свароч-
ного тока, горелки для плазменной и аргонодуговой сварки,
блок поджигания, содержащий возбудитель дуги типа УПД-1
или ВИС-501, газовая аппаратура (клапан, ротаметры), ди-
станционный регулятор сварочного тока.
Для сварки от мощных шинопроводов постоянного тока (от
многопостовых источников) выпускается установка УПГ-201УЗ.
Это — переносной транзисторный регулятор тока с вертикаль-
ной («штыковой») внешней характеристикой, обеспечивающий
зажигание дуги коротким замыканием на малом токе, работу
в режиме сварки пульсирующей дугой. Установка снабжена
устройством для плавного нарастания тока при зажигании дуги
и плавного снижения его в конце сварки, комплектуется газо-
вой аппаратурой и горелкой без водяного охлаждения.
На базе транзисторного инвентора разработана установка
типа УДГ-350. Она снабжена горелками на 200 и 315 А. Блок
цикла сварки обеспечивает: контактное зажигание дуги на токе
10 А, автоматическое нарастание сварочного тока до задан-
ного, плавное спадание и продувку газа в конце сварки, регули-
ровку амплитуд и длительностей тока импульса и паузы при
сварке пульсирующей дугой.
Для сварки на переменном токе алюминиевых сплавов, цвет-
ных металлов и легированных сталей выпускаются установки
типа УДГУ-301 (с 1991 г,— УДГУ-302) и УДГ-501-1. Установки
обеспечивают компенсацию постоянной составляющей свароч-
166
ТАБЛИЦА 78
ТЕХНИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ УСТАНОВОК РУЧНОЙ СВАРКИ
Параметры УДГ-501-1 УД ГУ-301 УПС-301 УДГ-201 УДГ-350
Сварочный ток Номинальный сва- Перемен- ный Постоян- ный, пере- менный Постоян- ный Постоян- ный Постоян- ный
рочный ток, А Номинальная про- должительность 500 315 315 200 315
нагрузки (ПН), % Напряжение хо- 60 60 60 40 60
лостого хода, В Рабочее напряже- 72 65/72* 68 60 60
ние, В Пределы регули- 16 12/16* 40 12 12
рования тока, А 40—150 120—500 15—25 20—100 90—315 4-25 25—315 7—200 10—315
Масса, кг 460 420 340 30 50
Габариты, м 0,9Х 1,1 X Х0,9 0.9Х 1,1Х ХО,9 0,9X1,IX XI,I 0,ЗХ0,5Х Х0,4 0,65 X Х0.49Х Х0.34
• В числителе указано постоянное напряжение, в знаменателе — переменное.
ного тока, заварку кратера и комплектуются тремя горелками
серии ГР. Для увеличения радиуса действия имеется съемный
переносной блок поджигания дуги, в котором размещены газо-
вый клапан, возбудитель-стабилизатор дуги и дистанционный
регулятор сварочного тока. Технические данные установок для
ручной сварки приведены в табл. 7.8.
Глава 8 ЭЛ ЕКТРОШЛАКОВАЯ СВАРКА
8.1. Общие сведения
Электрошлаковая сварка (ЭШС) — принципиально новый способ получения
неразъемного соединения металлов практически неограниченной толщины —
стал одним из ведущих технологических процессов.
Особо важно высокое качество сварных соединений в уникальных круп-
ногабаритных конструкциях, поэтому наиболее подробно рассмотрены под-
готовка деталей и техника их сварки.
8.1.1. Физические основы процесса
При ЭШС электрический ток, проходя через шлаковую ванну,
расплавляет основной и присадочный металл и поддерживает
высокую температуру расплава [1]. Электрошлаковый процесс
167
1
Рис. 8.1. Схема ЭШС:
/ — свариваемые детали толщиной з; 2 — мундштук для подачи элек-
трода; 3 — электрод; 4— шлаковая ванна глубиной fts; 5— метал-
лическая ванна глубиной Нм; 6 — формирующий ползун. Детали со-
браны с зазором величиной Ьс; /«.— сухой вылет электрода
устойчив при глубине шлаковой ванны 35—60 мм, которую
легче создать при вертикальном положении оси шва и прину-
дительном формировании его поверхности (рис. 8.1). Для при-
нудительного охлаждения и формирования поверхности шва ис-
пользуются, как правило, медные водоохлаждаемые устройства.
Наименее удобна ЭШС в нижнем положении.
При ЭШС почти вся электрическая мощность передается
шлаковой ванне, а от нее — электроду и свариваемым кромкам.
Устойчивый процесс возможен только при постоянной темпера-
туре шлаковой ванны. Рабочая температура шлаковой ванны
может достигать под электродом 1900—2000 °C.
Значительная тепловая инерция ванны обеспечивает высо-
кую устойчивость процесса и способствует его саморегулирова-
нию. Наличие в электроцепи шлаковой ванны как нелинейного
активного сопротивления с такими свойствами позволяет ис-
пользовать для сварки источники с жесткой внешней характе-
ристикой [2]. Наиболее экономичны в эксплуатации и дешевы
в изготовлении трехфазные трансформаторы.
Большая часть тепла, выделяющегося в шлаковой ванне,
переносится в металлическую ванну, а от нее — к кромкам
168
соединяемых деталей через капли перегретого электродного
металла.
Общее количество генерируемого в шлаковой ванне тепла,
Дж/с, расходуется так: 20—25 % на плавление электродной
проволоки; 55—60 % на плавление и нагрев основного металла,
4—6 % на плавление флюса и поддержание шлаковой ванны
в жидком состоянии; 12—16 % — потери тепла через ползуны и
теплоотвод в массу металла.
Из-за большой поверхности контакта теплоносителей шла-
ковой и металлической ванн с основным металлом плотность
тепловых потоков в металл невысока, чем обусловливается не-
обходимость в ЭШС более высокой удельной энергии. Так, на-
пример, удельная энергия при дуговой сварке 10-45, а при
электрошлаковой— 100—200 кДж/см2.
8.1.2. Определения, терминология и основные схемы процесса
Электрошлаковый процесс используется для сварки, наплавки, переплава и
отливки.
Основные способы электрошлакового сварочного процесса показаны на
рис. 8.2 и 8.3.
Рис. 8.2. ЭШС проволочными электродами:
а — одной проволокой без колебаний; б — одной, двумя или тремя проволоками с ко-
лебаниями; а — одной проволокой диаметром 6 мм без введения мундштука в зазор;
г — проволокой с увеличенным «сухим» вылетом; д — с использованием сопутствую-
щего принудительного охлаждения; е — с присадкой порошкообразного материала
169
Рис. 8.3. ЭШС плавящимся мундштуком н электродами большого сечения:
а н б — с прямолинейными швами и криволинейными швами; в — трубчатым
мундштуком; г и д — одной, двумя или тремя пластинами (г — обычными, д —
широкими с продольными разрезами); е — контактно-шлаковая сварка; ж —
ЭШС с бифилярной схемой подключения пластинчатых электродов
Наибольшее применение получили приемы а, б (рис. 8.2). Этими спосо-
бами можно сваривать металл толщиной от 20 до 450 мм, используя преиму-
щественно 3-мм проволоку. Приемом в можно сваривать металл толщиной
до 120 мм. Прием г обеспечивает повышение скорости сварки в 1,5—2,0 раза
по сравнению с приемами а, б. Прием д можно рекомендовать для ЭШС
низколегированных сталей толщиной до 100 мм без последующей высокотем-
пературной термической обработки (ВТО) сварного соединения.
Прием е используется при монтаже крупногабаритных изде-
лий, сварные соединения которых не подвергаются последую-
щей ВТО. Толщина свариваемого металла до 60 мм. Способ
характеризуется повышенной скоростью сварки и значительно
лучшими механическими свойствами соединения.
Все перечисленные приемы осуществляются на стандартной
сварочной аппаратуре.
ЭШС (рис. 8.3,а—в) плавящимся мундштуком — предназна-
чена для соединения металла большой толщины (>450 мм)
прямыми и криволинейными швами. Разновидность этого спо-
соба— сварка трубчатым плавящимся мундштуком, которая
позволяет соединять металл толщиной от 20 до 60 мм. При
ЭШС сталей и титана этим способом применяется также <3—
4-мм проволока.
170
Рис. 8.4. Электрошлаковая наплавка:
а н б — плоских поверхностей в вертикальном и горизонтальном положениях; е — ци-
линдрических поверхностей трубчатым электродом; г — концевого инструмента; д —
цилиндрических поверхностей при горизонтальной осн наплавляемого изделия
Рис. 8.5. Типы стыковых сварных соединений:
а и б — с равными и разными толщинами свариваемых кромок; в — с уменьшением од-
ной кромки до размеров сопрягаемой; г —с увеличением толщины более тонкой
кромки; д — с фигурной разделкой кромок; е — «замковое» соединение; ж — Х-образиое
соединение; з — соединение монолитной кромки с набором пластин
171
Рис. 8.6. Типы соединений:
а и б — угловое с прямой и угловой разделкой кромок; в и г, д — тавровое без и
с разделкой примыкающего элемента; е — соединение литых деталей; ас, з — кресто-
образные соединения
Рис. 8.7. Виды швов, выполняемых ЭШС:
а и б — прямолинейные на вертикальной и наклонной плоскостях; в — пространствен-
ной формы; г, д и е~— кольцевые на цилиндрической, конической и шаровой поверх-
ностях; ж и з — переменного сечения и с дополнением до прямоугольного
ЭШС электродами большого сечения (рис. 8.3, г—ж) вклю-
чает в себя: г — сварку одной, двумя или тремя пластинами,
подключенными к общему или разным источникам сварочного
тока; д — сварку одной, двумя или тремя широкими пласти-
нами, имеющими продольные разрезы; е — контактно-шлаковую
172
снарку; ж — сварку пластинчатыми электродами с бифилярнон
схемой подключения электродов к источнику питания [4], при-
меняется для сварки сталей крайне редко. Наиболее распро-
странен этот способ при сварке меди и алюминия. Толщина
пластинчатых электродов составляет 20—40 мм. ,
Все указанные способы можно использовать для наплавки
(при ремонте) [1, 3, 4] (рис. 8.4).
ЭШС можно получить стыковые (рис. 8.5), угловые и тав-
ровые (рис. 8.6) и практически все виды швов (рис. 8.7).
При стыковом соединении между двумя прямыми кромками
для возможности осуществления электрошлакового процесса
предусматривается, как правило, зазор величиной Ь (см. рис.
8.5—8.7), являющийся одним из важнейших технологических
параметров режима сварки. Различают зазоры расчетный Ьр—
это фиктивная величина, на основании которой подсчитываются
размеры свариваемых деталей, и больший, сборочный Ьс —
с учетом деформации соединяемых частей конструкции при
сварке. Все конструктивные элементы сварных соединений и
швов определены ГОСТ 15164—78.
При ЭШС стыковых соединений с разной толщиной кромок
либо утончают более толстую, либо к тонкой приваривают до-
полнительную пластину до сравнения толщин.
Угловые и тавровые соединения (см. рис. 8.6) встречаются
на практике значительно реже стыковых и, как правило, при
изготовлении станин прессов из проката. При ЭШС трубчатым
плавящимся мундштуком применяют V- или К-образную раз-
делку примыкающего элемента соединения. Трубчатым мунд-
штуком можно также сваривать крестообразные соединения.
Прямолинейные швы (см. рис. 8.7) свариваются в верти-
кальном положении. Возможный наклон не должен превышать
15—20°. Кольцевые швы могут выполняться не только на ци-
линдрической, но и на конической и сферической поверхно-
стях.
При сварке заготовок с фасонными кромками типа тавров,
швеллеров или цилиндров существующее сечение дополняют до
прямоугольного специальными планками. Толщина планок
в этом случае находится в пределах 60—200 мм.
8.1.3. Преимущества и недостатки
ЭШС отличает высокая производительность, которая
возрастает почти в геометрической прогрессии от толщины
свариваемого металла. Это обусловлено не только высоким ко-
эффициентом наплавки, который почти в два раза превышает
таковой для электродуговой сварки (ЭДС) под флюсом и до-
стигает 30 г/(А-ч), но и тем, что металл практически любой
толщины сваривается за один проход.
173
Расход флюса при ЭШС меньше, чем при ЭДС, в 10—
20 раз и составляет ~5 % расхода электродной проволоки.
Расход электроэнергии в полтора—два раза
меньше, чем при ЭДС под флюсом, и в четыре раза меньше,
чем при ручной ЭДС.
При вертикальном положении шва значительно облегчается
всплытие газовых пузырей и частиц шлака и удаление их из
металла. Поэтому склонность к образованию пор и других не-
плотностей при ЭШС во много раз ниже, чем при дуговой мно-
гопроходной сварке.
Наиболее существенным недостатком ЭШС является необ-
ходимость последующей ВТО сварного соединения для восста-
новления высоких служебных характеристик сварной конструк-
ции. Известно, что в процессе ЭШС металл шва и околошовной
зоны подвергается значительному перегреву. Это способствует
снижению пластических свойств сварного соединения, особенно
при отрицательных температурах. Весь опыт ЭШС показывает,
что вопросы необходимости применения ВТО, повышения каче-
ства сварных соединений и производительности процесса сле-
дует решать комплексно путем рационального выбора свари-
ваемых и сварочных материалов, приемов и режимов сварки
П,5].
8 1.4. Технологические возможности
В настоящее время ЭШС внедрена более чем на девяноста
предприятиях нашей страны, в тяжелом и энергетическом ма-
шиностроении, в химическом машиностроении, в судо- и авиа-
строении.
ТАБЛИЦА 8. Г
КОМПЛЕКСНЫЕ ЗАТРАТЫ НА СВАРКУ I м ШВА
РАЗНЫМИ СПОСОБАМИ*
Сварка
Электрошлаковая
Автоматическая в СОг в узкий щелевой
зазор
Электронно-лучевая
Однодуговая под флюсом в узкий ще-
левой зазор (22—24 мм) на подкладке
Вертикальная с принудительным фор-
мированием порошковой проволокой
Затраты, руб., при h, мы
40 60 80 120
12,2 14,0 17,3 21,8
11,3 14,0 17,8 23,5
8,8 11.7 12,9 21,3
13,5 17,0 20,6 29,3
13,7 17,8 21,9 47,6
* Данные авторов.
174
На предприятиях страны, освоивших ЭШС, работают сотни
аппаратов сварочного оборудования; средняя их загрузка со-
ставляет — 30 %.
ЭШС соединяют стали разных классов и марок, жаропроч-
ные и никелевые сплавы, титан, алюминий, медь и сплавы на
их основе [1].
Внедрение ЭШС открыло возможность получения заготовок
и изделий любой формы, практически неограниченных размеров
из отливок, поковок и проката сравнительно малых размеров и
простой формы. Причем разработанные методы точной компен-
сации деформаций позволяют изготовлять сварные крупногаба-
ритные конструкции с заданными размерами.
Диапазон толщин свариваемых металлов 2 — 300 см. Пока-
зано, что ЭШС наиболее экономична при толщине металла
h^40 мм (табл. 8.1).
8.2. Технология и техника сварки
8.2.1 Рекомендации по выбору сварочных материалов
В табл. 8.2 приведены некоторые наиболее распространенные
сочетания сварочных проволок и марок свариваемых металлов,
которые обеспечивают сварным соединениям после ВТО меха-
нические свойства на уровне свойств основного металла [6]. Все
приведенные сочетания можно выполнять с применением флю-
сов АН-8 и АН-99 кроме сталей 25ХНЗМФА и 0Х18Н10Т. При
ТАБЛИЦА 8 2
БЛАГОПРИЯТНЫЕ СОЧЕТАНИЯ ОСНОВНЫХ
И ПРИСАДОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ*
Свариваемые стали Марка проволоки h, мм
класс марка
Конструкционная Котельная Среднеуглеродистая: литая кованая Низколегированная Среднелегированная Высоколегированная Ст.2, Ст.З, МСт.З 15К, 20К. 22К 20Л. 25Л. 35Л Сталь 30, Сталь 40 09Г2С 12ХМ 20ГСЛ. 25ГСЛ 08ГДНФ, 16ГНМА 20ХНМФ, 20Х2МА ЗОХГСА 25ХНЗМФА 08Х18Н10Т Св-08А, Св-08ГА Св-10Г2, Св-10Г2С Св-10Г2, Св-10Г2С Св-10Г2 Св-10Г2С Св-10Х2М. 18ХМА Св-08Г2С Св-08ХН2М Св-08ХЗГ2СМ Св-08ХН2М Св-20ХНЗМФ Св-04Х19Н11МЗ 40—300 40—160 40—1000 40—500 40—160 40—120 200—1000 100—800 200—800 200—800 До 2000 40—350
Данные авторов.
175
сварке этих сталей применяется флюс 48-0Ф-6. Химический со-
став этих флюсов регламентируется ГОСТ 9087—80. В 1970 х
годах в ИЭС им. Е. О. Патона АН УССР был разработан но-
вый флюс АН-9 состава, %: 254-30 CaF2, 204-35 СаО, 104-15
А12О3, 15ч-20 SiO2, 6=10 ZrO2, который обладает металлурги-
ческими свойствами на уровне флюса 48-0Ф-6, а технологиче-
скими — на уровне флюса АН-8.
8.2.2. Выбор параметров режима
Основные величины, определяющие весь ход ЭШС и ее резуль-
тат: падение напряжения на участке электрод — шлаковая
ванна Нсв, скорость подачи электродной проволоки ve, свароч-
ный ток /св, скорость сварки Пев, глубина шлаковой ванны ha,
сухой вылет электродной проволоки 1С, скорость поперечных ко-
лебаний электродов в сварочном зазоре vK, число электродов п,
сечение электрода FeCLFe), зазор между кромками Ь, расстоя-
ние между электродными проволоками d, толщина пластины
плавящегося мундштука 6М, длительность остановки электрод-
ных проволок у ползунов /, толщина свариваемого металла s.
Правильный выбор параметров ЭШС и поддержание их на
заданном уровне обеспечивают получение качественного свар-
ного соединения. Одной из важных характеристик сварного со-
единения является коэффициент формы шва ф, который равен
отношению ширины шва (ширины металлической ванны Ьк)
к глубине металлической ванны йм (см. рис. 8.1). Это соотно-
шение характеризует склонность шва к образованию кристал-
лизационных трещин, одного из наиболее распространенных
дефектов ЭШС. Среднее значение ф = 1,54-4,0.
Значение ф возрастает либо с увеличением Ьм, либо с умень-
шением й„. На возрастание Ьм наиболее влияет увеличение иСв
и уменьшение hs.
На уменьшение hM влияет только снижение 1СВ, которое оп-
ределяется значениями ve и п. Величину иСв для электрошлако-
вой сварки проволочным электродом и с плавящимся мундшту-
ком определяют по графикам (рис. 8.8, 8.9).
Величину сварочного тока, А, можно ориентировочно опре-
делить по формуле:
/св = (0,022ие + 90) п + 1,2 (исв + 0,48ип) 6ПЬП, (8.1)
где ип — скорость подачи пластины; Ьп и бп — ширина и тол-
щина, см; (размерности исв> ve, fn — даны в см/ч). Формула
универсальна и пригодна для сварки проволочным электродом
(второе слагаемое превращается в нуль, так как нет пластин),
плавящимся мундштуком (в этом случае ип = 0) и пластинча-
тыми электродами (в этом случае первое слагаемое равно нулю,
так как нет проволок).
176
Рис. 8.8. Зависимость скорости сварки (/) и напряжения (2)
от толщины свариваемого металла
Скорость подачи электродной проволоки
ve=Va>F„/ZFe, (8.2)
где FH=bcs, см2; SFe=0,071 п, см?.
Опыт применения ЭШС показал, что такие элементы ре-
жима, как hs, /с, vK и t, практически не зависят от толщины
Рис. 8.9. Зависимость скорости (/) и напряжения сварки (2. 3) от
толщины металла при толщине мундштука 10 (2) и Б мм (3)
12—1063
177
свариваемого металла и имеют следующие значения: hs = 404-
4-50 мм, 4=804-90 мм, цк=40 м/ч, £=44-5 с.
Ориентировочные значения между параллельными кромками
свариваемых элементов:
S, см
Ьр, мм
Ьс, мм
1,6—3,0 3—8 8—50 50—100 100-200
18 22 26 30 30
19—20 24—25 28—32 36—40 40—42
Выбор количества электродных проволок
Их число зависит от толщины свариваемого металла.
ЭШС проволочными электродами. Этим способом
^50-мм металл сваривается одним, а ^120-мм— двумя элек-
тродами без колебаний. С колебаниями электродов можно сва-
ривать металл толщиной с 150 см — одной, 10—25 см — двумя,
12—45 см — тремя электродными проволоками [7].
При сварке двумя или тремя электродами для получения
равномерного по толщине шва провара расстояние между сва-
рочными проволоками
d = (s + Ai—2Д2)/п, (8.3)
где Д!=21±1 мм; Да зависит от глубины канавки в ползунах;
Д2=44-5 мм при глубине <2,5 мм, Д2=0 при глубине канавки
8—10 мм.
ЭШС плавящимся мундштуком. При выборе числа
электродных проволок необходимо учитывать толщину пла-
стины плавящегося мундштука 6М. Чем меньше бм и ближе
электродные проволоки, тем равномернее будет получен провар
кромок. Число электродов определяют по формуле:
n = [(s—40)/d]+l, (8.4)
округляя затем п до единиц. Оптимальную и максимальную ве-
личины d выбирают из следующих соотношений:
6М, мм • • • 4—6 8—10 12—14 18—20
d, мм .... 50—110 90—120 120—150 150—180
dmax, мм - • . 120 130 160 200
Наиболее широкое распространение в промышленности по-
лучила сварка при бм = 5 или 10 мм.
ЭШС пластинчатым электродом. При сварке ста-
лей этим способом ширина пластины должна быть равна тол-
щине свариваемого металла. При использовании двух или трех
пластин для более равномерной загрузки трехфазной сети сва-
рочного трансформатора общая ширина набора также должна
равняться толщине свариваемого металла минус 15—20 мм
(зазор между пластинами). Толщина пластинчатых электродов
6п= 104-12 мм.
178
Оптимальная скорость подачи пластинчатых электродов
ип. э= 1,24-3,5 м/ч, vc можно выбрать по рис. 8.9.
Примеры расчета режимов ЭШС
Необходимо разработать режим ЭШС проволочным электродом прямо
линейного стыка из стали 20ГСЛ толщиной 230 мм. По рис. 8.8 выбираем
Vc, = 0.5 м/ч и Исв=51 В для металла толщиной 230 мм. Для сварки берем
две электродные проволоки Св-08Г2С. Тогда по (8.3) будем иметь
d = (230 + 21 - 2 5)/2 = 241/2 ж 120 мм,
в по (8.2) определим скорость подачи электродов
ve = 0,5-69/0,142 = 243 м/ч,
а также FH = sbc — 23 3=69 см2; £/>=0,071 • 2=0,142 см2.
Теперь для выбора источника питания или определения его загрузки по
(8.1) определяем суммарную величину сварочного тока на двух электродах:
/св = (0,022-24 300 4 90) 2 = 625-2 = 1250 А.
Необходимо сварить две 650-мм поковки из 20Х2МА плавящимся мунд-
штуком. По рис. 8.9 выбираем осв=0,45 м/ч и ыСв=46 В для металла толщи-
ной 650 мм (при толщине плавящегося мундштука 5 мм). Далее по (8.4)
определяем число электродов, выбрав d=100 мм:
п = (650 — 40)/100 + 1 = 6,1 + 1 = 7,1 « 7.
Подставив п в (8.4), уточним d:
7 = 610/d4-l; 6d = 610; dж 102 мм.
Определим по (8.2) скорость подачи электродных проволок, приняв ве-
личину сварочного зазора 33 мм (на 3 мм меньше величины сборочного)
ve = 0,45 (Гн - Гм)/0,497 = 0,45 (214,5 — 32,5)/0,497 ж 164 м/ч,
а также FH = sb = 65 3,3 = 214,5 см2,
FM = s6M = 65-0,5 = 32,5 см2.
Суммарный сварочный ток определяем по (8.1):
/св = (0,022-16400 + 90) 7 + 1.2-45-0.5-61 =451-7+ 1647 ж 4800 А.
8.2.3. Подготовка деталей к сварке
Она подразделяется на предварительную и непосредственную.
Предварительно подготовляют отдельные детали к сборке.
Главное в предварительной подготовке — придание сваривае-
мым кромкам соединяемых деталей требуемой геометрической
формы и чистоты обработки сопрягаемых частей, особенно бо-
ковых поверхностей, по которым будут перемещаться или на ко-
торые будут установлены формирующие шов устройства.
Для сварки деталей из конструкционных сталей толщиной
^200 мм кромки подготавливают обычно газопламенной резкой,
12*
179
Рис. 8.10. Подготовка прямолинейного
стыкового соединения к ЭШС:
А, Б — свариваемые детали; К — входной
«карман»; В — выводные планки, V—
*==(ЬВ —)//i
при толщине>200 мм — меха-
нической обработкой, кромки
легированных сталей и цвет-
ных металлов — также меха-
нической обработкой.
При газопламенной резке
величина отдельных гребешков
и выхватов не должна превы-
шать 2—3 мм, а максимальное
отклонение от прямоугольно-
сти реза — 4 мм.
В литых и кованых заго-
товках поверхность под пол-
зуны подвергается механиче-
ской обработке с шерохова-
тостью поверхности 12,5 мкм
на ширину минимум 80 мм от
торца кромки. Если заготовки
выполнены из проката, по-
верхность под ползуны может
быть зачищена от окалины и
заусенцев переносным на-
ждачным кругом. Кромки коль-
цевых швов, как правило, об-
рабатываются механическим способом.
Непосредственная подготовка деталей к сварке заключается
в сборке деталей под сварку.
Практика применения ЭШС показала, что в большинстве
случаев для надежной компенсации деформаций соединяемых
частей и сохранения заданной величины сварочного зазора
сборка осуществляется с клиновидным зазором, расширяю-
щимся кверху (рис. 8.10). В зависимости от марки стали, спо-
соба ЭШС, ее режима и условий закрепления угол раскрытия
деталей при сборке может составлять 1—2°. Соединяемые де-
тали фиксируют скобами или планками, привариваемыми вдоль
стыка через 50—80 см.
По окончании сварки (перед термической обработкой)
входной карман и выводные планки срезаются газопламенной
резкой.
8.2.4. Техника выполнения прямолинейных швов
проволочными электродами
Собранное под сварку изделие устанавливается на сварочном
стенде. На переднюю и заднюю подвески сварочного аппарата
устанавливаются ползуны с соблюдением заданного «сухого»
180
вылета электродной проволоки. Проверяется параллельность
ползунов свариваемым кромкам.
Затем, слегка прижав ползуны к поверхности свариваемых
кромок, проверяют точность движения ползуна относительно
зазора и плотность прилегания ползуна. Концевыми выключа-
телями добиваются требуемого размаха колебаний электродов,
корректорами аппарата устанавливают плоскость движения
электродов посредине зазора. Все проволоки должны лежать
в этой плоскости.
Далее аппарат перемещают вниз, к началу шва, чтобы
мундштуки, находясь от дна кармана на НО—120 мм, прижи-
мали ползуны с усилием 0,5—0,8 кН.
Снаружи ползуны обмазывают глиной по контуру прилега-
ния к кромкам. На дно кармана засыпают 10—12-мм слой ме-
таллического порошка или стружки, а затем 3—5-мм слой
флюса.
Снизу к изделию приваривают стальную пластину 100Х150Х
Х( 104-20) мм с отверстием диаметром 18—20 мм для крепле-
ния нулевого провода.
При разведении электрошлакового процесса электроды не-
обходимо держать возможно дальше от ползунов. Установив
на пульте аппарата ve=2004-250 м/ч, нажимаем кнопку «Пуск*.
После возбуждения дуги (через 5—6 с) для сокращения вре-
мени наведения шлаковой ванны и стабилизации электрошла-
кового процесса скорость подачи проволоки снижают до 100—
120 м/ч.
При разведении электрошлакового процесса напряжение
должно быть на 2—3 В ниже выбранного для установившегося
процесса, что способствует ускорению перехода от дугового
процесса к шлаковому. С увеличением разведения процесса
электроду постепенно придают возвратно-поступательное пере-
мещение в зазоре, увеличивают скорость подачи проволоки и
напряжение до расчетных.
При сварке длинных швов через каждые 0,5—1,0 м необ-
ходимо обновлять состав шлаковой ванны принудительным
сливом 5—10 % ее и добавлением нового флюса небольшими
порциями.
8.2.5. Техника сварки кольцевых швов
Основной трудностью сварки кольцевых швов является необхо-
димость замыкания шва, что требует применения специальных
приемов, и прежде всего выбора схемы начала и замыкания
шва (7].
Форма линии замыкания кольцевого шва (рис. 8.11) зави-
сит от количества электродов и от толщины свариваемого
металла.
181
Рис. 8.11. Построение: а — линий замыкания (Л/7), б — формы шаблона. Цифрами ука-
зана последовательность построения
Линия замыкания строится в масштабе 1:1. По ней изго-
товляют шаблон для вырезки начала шва и определяют форму
входного кармана (рис. 8.12). Карман по форме максимально
должен приближаться к форме линии замыкания для обеспе-
чения минимальной вырезки некачественной начальной части
шва. Карман, как правило, прихватывается ручной дуговой
сваркой к торцевой поверхности одной из частей по разметке.
Ниже кармана на 35—40 мм к свариваемым кромкам прихва-
Рис. 8.12. Схема расположения кармана
н дистанционных прокладок для сборки
цилиндрических заготовок
тывается подкарманник из ме-
талла толщиной 0,8—1,5 мм.
Карман изготовляют из ме-
талла толщиной 35—40 мм.
Выступающие его части под-
резаются по форме усиления
ползунов.
После установки кармана
и подкарманника к торцу при-
хватываются в точках /, // и
III дистанционные прокладки
(см. рис. 8.12), которые фик-
сируют требуемую величину
сборочного зазора (табл. 8.3).
Собранные части фикси-
руют шестью или восемью
планками, приваренными рав-
182
номерно по всей окружности
кольцевого стыка.
В зависимости от конструк-
ции и размера внутреннего
диаметра изделия выбирается
один из способов формирова-
ния внутренней поверхности
шва: внутренним ползуном,
медной водоохлаждаемой коль-
цевой накладкой, стальной
кольцевой (приваривающейся)
накладкой, замковым соеди-
нением.
Каждый способ имеет свои
преимущества и недостатки.
Основные правила выбора
формирующих устройств:
1) следует применять пол-
зуны, так как этим обуслов-
лен хороший обзор сварочного
пространства, четкая коррек-
ция положения мундштуков и
ТАБЛИЦА 8.3
ЗНАЧЕНИЕ СБОРОЧНОГО ЗАЗОРА
ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ЗАГОТОВОК*
(СМ. РИС. 8.12)
Толщина металла, мм Зазор, мм, по варианту
I II ill
50—100 28 32 30
100—150 30 34 32
150—200 32 35 34
200—250 33 37 35
250—300 34 38 36
ЗООт-450 36 41 38
Примечание. Внутренний диа-
метр кольцевого шва в пределах 85—
120 см. При больших диаметрах на каждый
метр по диаметру зазора увеличивают
на 2 мм.
* Данные авторов.
электродов в зазоре, быстрая и
качественная вырезка начала кольцевого шва;
2) медная водоохлаждаемая кольцевая накладка целесооб-
разна при изготовлении однотипных изделий с <150-мм стен-
кой, а переставные накладки — при сварке кольцевых швов на
вальцованных обечайках, где нет гарантии соблюдения одина-
ковой кривизны внутренней поверхности свариваемых кромок;
3) стальная остающаяся накладка и «замковое» соедине-
ние применимы при сварке кольцевых швов с внутренним диа-
метром 0,20—1,0 м.
Собранное под сварку изделие укладывается на роликовые
опоры и соединяется через кардан с торцевым вращателем или
зажимается одним концом в планшайбе вращателя. Карман
устанавливают в рабочее положение, вращая изделие в на-
правлении сварки для гарантированного устранения всевоз-
можных люфтов. Дно кармана в начале сварки должно быть
горизонтальным.
Сварочный аппарат придвигают к свариваемым деталям
так, чтобы при полностью отжатом ползуне зазор между пол-
зуном и изделием против горизонтального диаметра был 10—
12 мм.
Мундштуки сдвигают до минимально возможного расстоя-
ния между электродами и опускают их в карман, чтобы мунд-
штуки находились на расстоянии ^12 см от дна кармана (рис.
8.13). На начало кармана устанавливается внутренний пслзун
и прижимается подвеской к свариваемым кромкам. Передний
183
Рис. 8.13. Схемы сварки замыкающей части кольцевого шва. Стрелками указано рабо-
чее движение
ползун при заварке кармана отжат. С помощью концевого вы-
ключателя устанавливается положение остановки электрода
при поперечных колебаниях возможно ближе (на 4—6 мм)
к внутреннему формирующему устройству. Это гарантирует
начало провара внутренних кромок на линии замыкания, т. е.
выше дна кармана на 20 мм (см. рис. 8.11). Все зазоры между
свариваемыми кромками и формирующим устройством, кар-
184
маном и подкарманником замазывают глиной. Пространство
между карманом и подкарманником засыпают флюсом для
предотвращения вытекания шлаковой ванны при прожоге
кармана.
Весь цикл сварки кольцевого шва делится на три этапа:
III рвый — разведение процесса и сварка начального участка
шва (заварка кармана), второй — сварка погонной части, тре-
гий — сварка замыкающего участка кольцевого шва. Каждому
>тапу соответствует свой режим сварки. Следует заметить, что
скорость сварки кольцевого шва выбирают на 10—15 % ниже
той, которая приведена на рис. 8.8 для соответствующей тол-
щины металла.
Первый этап. Аппарат опущен ниже горизонтального
диаметра цилиндра для разведения электрошлакового процесса
в кармане. Карман или большая его часть (до подъема уровня
металлической ванны на горизонтальный диаметр) заварива-
ется с подъемом аппарата без вращения изделия; конец кар-
мана— при неподвижном аппарате и вращении изделия. После
наведения шлаковой ванны глубиной 20—30 мм верхним элект-
родом включается прижимным роликом подача второй (сред-
ней) электродной проволоки. Постепенно увеличивают ско-
рость подачи электродов ие и глубину шлаковой ванны до рас-
четных значений.
При уменьшении «сухого» вылета /с электродов до 70 мм
включается подъем аппарата. Внутренний ползун на этом этапе
перемещают вверх слабыми ударами снизу по кронштейну.
При увеличении размаха колебаний нужно тщательно контро-
лировать величину Д(. Она должна составлять 15—18 мм.
Одновременно с увеличением размаха колебаний раздвигают
мундштуки, манипулируя концевыми выключателями и меха-
низмом раздвижки. Величина ve, м/ч: 100—120 в начале кар-
мана, 140—150 в середине и 160—180 в конце. При заварке
кармана необходимо регулярно замерять Г-образным щупом из
проволоки 04—5 мм глубину шлаковой ванны и досыпать не-
большими порциями флюс, так как с увеличением плавильного
•пространства ванна мелеет и при слишком малой (<30 мм)
глубине может нарушиться устойчивость электрошлакового
процесса.
При достижении шлаковой ванной уровня на 20—30 мм
ниже верха кармана на переднюю подвеску устанавли-
вается наружный ползун и прижимается к свариваемым кром-
кам.
После выхода верхней части ползуна на 50—60 мм выше
горизонтального диаметра подъем аппарата прекращают и
включают вращение изделия.
Второй этап. При сварке погонной части периодически
(через 20—30 мин) контролируют режим сварки.
185
После поворота изделия на треть оборота начальный уча-
сток выходит на противоположную от сварочного аппарата
сторону и здесь приступают к вырезке кармана и начального |
участка шва газовой резкой. Форму вырезки контролируют
заранее изготовленным шаблоном (см. рис. 8.11).
Ширина вырезки должна соответствовать величине зазора.
Местные выхваты и выступы более 3 мм не допускаются. Да-
лее кромки тщательно очищаются от окалины специальной
металлической щеткой.
Третий этап. Сварка замыкающего участка кольцевого
шва — наиболее ответственная и трудоемкая операция. Слож-
ность сварки этого участка усугубляется опасностью возник-
новения трещин из-за большой жесткости закрепления соеди-
няемых кромок ранее сваренным швом.
Чтобы снизить вероятность появления трещин, уменьшают
On. п и начальный участок шва подогревают газовыми горел-
ками. Подогрев прекращают после подхода шлаковой ванны
к началу замыкания.
Вращение изделия прекращают и включают подъем аппа-
рата тогда, когда прямолинейная часть начала шва (см. рис.
8.13, а) займет вертикальное положение.
При касании шлаковой ванной начала шва ип. п должна
быть на 10—15 % ниже, чем на погонной части шва. При за-
мыкании кольцевого шва место остановки при колебаниях
верхнего электрода следует максимально (на 2—3 мм) прибли-
зить к вырезанной поверхности шва для максимального
провара.
В период всей заварки замыкания нужно очень внимательно
следить за глубиной шлаковой ванны (систематически ее сли-
вать) и за А1.
После заварки вертикальной части замыкания (рис. 8.13,6)
подъем аппарата прекращается и включается вращение изде-
лия. По мере уменьшения размаха колебаний С7Св— напряже-
ние сварки снижается на 3—5 В; ve регулируют так, чтобы
асв^0,304-0,35 м/ч.
После уменьшения амплитуды колебаний до 30 мм нижний
электрод выводят из работы. На ползун сверху устанавлива-
ется поперек зазора стальная планка 20 x 30X250 мм, которую
сварщик-оператор придерживает рукой. Наружный концевой
выключатель колебаний отодвигается по рейке на 55 мм (рас-
стояние между электродными проволоками при полностью
сдвинутых мундштуках). При возвратном колебании средний
электрод наталкивается на планку и перегорает (рис. 8.13, в).
В момент вспышки дуги подачу электрода прекращают, отжав
прижимной ролик. Одновременно повышают Uc на 5—7 В и ve
на 30—40 %, уточняют концевыми выключателями подход
электрода к ползуну.
186
Через 3—5 мин начинают постепенно снижать Uc и ve.
Когда' сварочное пространство станет слишком тесным для ко-
лебаний, электрод останавливают у ползуна и заваривают
конец замыкания без колебаний электрода. К этому моменту
= 804-90 м/ч, Uc = 404-42 В.
6.2.6. Способы скоростной сварки
Интерес к увеличению скорости ЭШС вызван не столько сооб-
ражениями дальнейшего повышения производительности про-
цесса, сколько стремлением повысить качество сварного соеди-
нения за счет резкого снижения тепловложения при увеличе-
нии псв.
< варка с применением порошкообразного
присадочного материала
Появление при ЭШС неблагоприятной структуры в металле
шва и околошовной зоне связано с длительным пребыванием
«'парного соединения при высокотемпературном воздействии
нз-за сравнительно низкой исв.
Введение в шлаковую ванну «холодной» порошкообразной
присадки забирает значительную часть тепла на ее плавле-
ние. Дополнительная присадка снижает тепловложение и по-
вышает почти вдвое [8] скорость сварки, которую можно вести,
во-первых, с подачей из бункера порошкообразного материала
на электродную проволоку, поступающую в шлаковую ванну
(рис. 8.2, е), при этом под действием электромагнитных сил
порошок концентрируется вокруг проволоки («прилипает»
к ней) и увлекается в шлаковую ванну; и, во-вторых, с пода-
чей порошкообразного материала непосредственно из трубки
в шлаковую ванну между двумя электродными проволоками.
Оптимальный размер гранул порошкообразного материала
(крупки) 0,2—1,6 мм. Крупку получают на специальных рубоч-
ных станках из проволоки соответствующего диаметра. Длина
цилиндрика обычно равна его диаметру. Отношение массы
крупки к массе электродной проволоки, расплавляемых в еди-
ницу времени, может достигать единицы.
С точки зрения наибольшей эффективности способ целе-
сообразно применять для соединения металла толщиной до
100 мм.
Сварка с сопутствующим принудительным охлаждением
Разработка этого способа обусловлена использованием тол-
стого проката из термоупрочненных сталей повышенной проч-
ности. При толщине металла 40—60 мм наиболее целесообразна
187
и экономична ЭШС. Однако длительное время пребывания
металла в зоне термического влияния при высоких темпера-
турах, замедленное охлаждение приводит к заметному разуп-
рочнению сварного соединения и снижению его ударной вяз-
кости, особенно при отрицательных температурах.
Высокотемпературная термическая обработка готового
сварного изделия для восстановления механических свойств
практически исключена из-за больших размеров конструкции.
При ЭШС термоупрочненных сталей применяют во время
сварки сопутствующее охлаждение поверхности шва и около-
шовной зоны водяным душем; спрейер (см. рис. 8.2,д) укреп-
ляется под ползуном с одной или двух сторон свариваемого
шва. Спрейер состоит из двух камер: через верхнюю подается
воздух для создания отсекающей пар шторы, через нижнюю —
охлаждающая вода. Ширина охлаждаемой водой зоны 130—
140 мм.
При сопутствующем охлаждении осв можно увеличить
в 1,5—2,0 раза по сравнению с обычной ЭШС. Наиболее эф-
фективен этот способ при сварке металла толщиной до 120 мм.
Сварка при увеличенном вылете электродной проволоки
При ЭШС с обычным вылетом /с= 704-80 мм и оСв=2004-
4-250 м/ч проволока 03 мм у поверхности шлаковой ванны
нагревается до 400—500 °C, что предопределяет ее глубокое
погружение (на 30—40 мм) в ванну для полного расплавления.
Увеличивая /г до 180—200 мм, можно значительно повы-
сить нагрев проволоки сварочным током и нагреть электрод
при подходе к шлаковой ванне до 1200 °C. Нагретая до вы-
соких температур сварочная проволока плавится уже при по-
гружении в ванну на 16—18 мм. При этом сварочный ток
уменьшается на 20—30 %.
Предварительный подогрев электродной проволоки позво-
ляет повысить скорость сварки в два—три раза. Процесс
весьма устойчив даже при глубине ванны 20—25 мм.
Способ может применяться для сварки металла толщиной
до 300 мм. Однако улучшение свойств сварного соединения на-
блюдается при сварке низколегированных сталей толщиной
^80 мм.
Для ЭШС на вылетах электрода > 100—120 мм создан спе-
циальный мундштук, у которого ниже токоподвода установлена
неэлектропроводная направляющая (см. рис. 8.2,г).
188
8.2.7. Сварка плавящимся мундштуком
Плавящийся мундштук представляет набор пластин или стерж-
ней с каналами для подачи электродной проволоки (рис. 8.14).
В частном случае плавящийся мундштук может представлять
собой толстостенную трубку.
Форма плавящегося мундштука определяется конфигура-
цией свариваемого стыка, а способ изготовления — числом сва-
риваемых стыков. Материал плавящегося мундштука, как
правило, должен быть подобен основному. Наиболее широкое
распространение получил мундштук с каналами для подачи
электродной проволоки в виде спиралей. Спираль из сварочной
проволоки диаметром 3—4 мм плотно навивается на токарном
станке. Диаметр внутреннего канала спирали 4,5—5,0 мм. При-
паривается спираль к пластине мундштука посредством ЭДС
электродом 02—3 мм.
Плавящийся мундштук должен быть надежно изолирован
в зазоре от кромок свариваемого металла во избежание воз-
никновения короткого замыкания.
Задача изоляции в значительной степени облегчается тем,
что мундштук неподвижен в зазоре. Естественно, что при плав-
лении вместе с материалом мундштука в шлаковую ванну
будет переходить и материал изоляторов. Поэтому химический
состав изоляторов не должен оказывать вредного влияния на
состав ванны. Изолятор должен быть эластичным (предпочти-
тельно из стеклоткани).
Наиболее перспективна для механизации производства
штамповка изоляторов в виде таблеток из измельченного в по-
рошок флюса, замешенного на жидком стекле, на небольшом
прессе. При изготовлении флюсовой таблетки в нее впрессовы-
вается проволока диаметром 3—4 мм длиной 80—100 мм.
После этого изоляторы прокаливают при 600—700 °C.
Изоляторы устанавливаются: по горизонтали через 100—
150 мм, по высоте на расстоянии 200—250 мм между рядами.
Возможна постановка изоляторов в шахматном порядке.
После сборки свариваемых частей и размещения изделия
на стенде приступают к установке плавящегося мундштука
в зазоре независимо от аппарата. Мундштук в выверенном по-
ложении крепится на специальном кронштейне.
Наиболее простая конструкция кронштейна [7] — две сталь-
ные пластины толщиной 10—12 мм, соединенные Г-образно
через текстолитовую прокладку толщиной 12—18 мм четырьмя
болтами, изолированными от пластин втулками. Одна часть
кронштейна приваривается односторонним швом к изделию,
другая — к мундштуку.
Каналы мундштука соединяются с механизмом подачи
проволоки (рис. 8.15) трубками переходного тракта. Если
189
Рис. 8 14 Формы плавящихся мундштуков:
а — со спиральными каналами для подачи проволоки; б, а —для штампосварной кон-
струкции; г, б —для сварки стыка переменного сечения; е — пространственной формы;
яс — для ЭШС с дублированием проволок; з — для ЭШС тавровых соединений; и —
трубчатый плавящийся
переходной тракт изготовляют из спиралей, то для прочности
вдоль спирали приваривают проволоку диаметром 4—5 мм.
На дно кармана засыпают стальной порошок или стружку
и стык закрывают формующими устройствами. Места неплот-
ного прилегания формующих устройств замазывают глиной.
190
Рис. 8.! 5. Подготовленный к сварке плавящийся мундштук:
/ — переходные спиральные или трубчатые каналы; 2 и 3 — направ-
ляющая и плавящаяся части мундштука; 4 — изоляторы; 5 — токопод-
вод; 6 — переходник; 7 — фиксирующая планка
Наиболее выгодно при ЭШС плавящимся мундштуком одну
сторону закрывать медной водоохлаждаемой накладкой, а дру-
гую формировать ползуном либо короткими переставными на-
кладками. Это позволяет оперативно контролировать положе-
ние мундштука в зазоре и глубину шлаковой ванны.
На слой стружки или порошка засыпают немного (20—
0 % общего объема) флюса, проверяют напряжение холостого
191
хода трансформатора, расход воды в системе формующих уст-
ройств и наличие необходимого инструмента.
Сварку начинают всеми электродами при скорости их по-
дачи 150—170 м/ч. Напряжение сварки может быть на уровне
предусмотренного технологией. После возбуждения стабильного
дугового процесса скорость подачи проволоки снижается до
90—100 м/ч, в зазор засыпается флюс. Следует помнить, что
объем флюса вдвое больше объема жидкого шлака.
Если при разведении процесса одна из проволок останови-
лась, то нужно немедленно отжать прижимной ролик и отор-
вать эту проволоку движением вверх. Затем проволоку подни-
мают на 300—500 мм и, прижав ролик, подают вниз. При но-
вой остановке все операции повторяют.
Ведение ЭШС, окончание сварки и все последующие опе-
рации выполняют по правилам сварки прямолинейных швов.
При сварке толстого металла более 100—200 мм всегда пред-
почтительнее выбирать трехфазную схему питания во избежа-
ние перекоса фаз.
Для надежного одновременного пуска всех проволок в по-
следнее время применяют сифонную заливку жидкого флюса
в карман. Флюс расплавляют в графитовом тигле, используя
угольный электрод, подключенный к сварочному трансфор-
матору.
Плавящийся мундштук широко применяют при ремонте не
только для сварки, но и в наплавочных работах [1]. Минималь-
ная толщина наплавленного слоя 20 мм, максимальная —
100 мм.
8.3. Контроль качества сварных соединений
3.3.1. Характерные дефекты
Соединения, полученные ЭШС, как правило, отличаются высо-
кими механическими свойствами, химической однородностью,
отсутствием крупных неметаллических включений, трещин, пор
и шлаковых включений. Однако при нарушении технологии
или техники выполнения швов в последних могут возникать
дефекты, ухудшающие работоспособность сварного соединения.
Наиболее распространенные дефекты — кристаллизацион-
ные (горячие) трещины в металле шва и надрывы в околошов-
ной зоне (у линии сплавления).
Кристаллизационные трещины встречаются в швах при
сварке практически всех сталей. Наиболее часто они возни-
кают в швах с повышенным (>0,20 %) содержанием углерода
при жестком закреплении кромок изделий и повышенных ско-
ростях сварки. Из основных параметров режима, наиболее
влияющих на образование кристаллизационных трещин, сле-
192
дует выделить величину сварочного тока, которая определяется
однозначной зависимостью от скорости подачи электродной
проволоки. При скорости, превышающей критическую, в ме-
талле шва образуются трещины.
Для предотвращения кристаллизационных трещин приме-
няют предварительный подогрев до 150—500 °C [6], а также
уменьшают скорость подачи проволоки.
Трещины-надрывы в зоне сплавления появляются, как пра-
вило, при ЭШС среднелегированных сталей ферритными про-
волоками [1], когда область подплавления основного металла
удалена от зеркала металлической ванны. Во избежание тре-
щин-надрывов необходимо вести процесс при малых глубинах
шлаковой ванны (35—40 мм) и равномерном проваре кромок,
не допуская его сужения.
Непровары, поры и шлаковые включения могут появляться
в металле шва только при грубом нарушении технологического
процесса.
8.3.2. Способы контроля
Соединения, выполненные ЭШС, подвергают комплексному
контролю, включающему визуальный контроль, контроль ре-
жима сварки на образцах-свидетелях, ультразвуковую дефек-
тоскопию (УЗД), радиационный метод (рентгеновскими или
у-лучами) и магнитный метод.
Визуальный контроль осуществляется в той или иной мере
практически при сварке любого изделия. Режим сварки конт-
ролируется также систематически, особенно при внедрении
новых разработок или когда другие методы малоэффективны.
Например, применительно к отливкам или поковкам большой
толщины (^0,5 м), которые после ЭШС не подвергались вы-
сокотемпературной термической обработке, этот вид контроля
по образцам-свидетелям включает такие параметры режима
сварки, как /св и UCB, фиксируемые самопишущими приборами.
УЗД широко применяют для контроля качества сварных
соединений из углеродистых и легированных сталей толщиной
до 700 мм, подвергнутых после сварки высокотемпературной
термической обработке. Чувствительность УЗД: ширина тре-
щин, непроваров и т. д.— 0,005 мм; их площадь — 0,25 мм2;
диаметр пор, шлаковых включений и т. п.— 0,5 мм.
Радиационные методы контроля могут применяться для
тех же сталей, что и УЗД, но без ВТО.
Используя бетатрон, можно просвечивать металл толщиной
до 500 мм. Рентгеновские аппараты применимы для толщин
^100 мм.
Чувствительность радиационных методов контроля: ширина
раскрытия трещин, непроваров и т. д.— 0,025 мм; их площадь —
13—1063
193
14-2 % просвечиваемой толщины, но ^0,1 мм2; диаметр пор,
шлаковых включений и т. д.— 14-2 % просвечиваемой тол-
щины, но ^'0,2 мм.
Магнитный метод используют только для выявления поверх-
ностных дефектов.
Глава 9. ГАЗОВАЯ СВАРКА
9.1. Общие сведения
Это — химический способ сварки плавлением. В большинстве случаев электро-
дуговые способы более производительны и эффективны, чем газовая сварка,
тем не менее она продолжает сохранять свое значение в областях преимуще-
ственного ее использования: сварка тонколистовой стали, чугуна и цветных
сплавов (медь, латунь и т. д.). Газовая сварка особенно широко применяется
в ремонте и на монтаже.
Ниже рассмотрены тепловые, металлургические и газодинамические про
цессы при газовой сварке плавлением Приведены данные по технологии
сварки, а также используемым сварочным материалам и оборудованию
9.1.1. Определения. Основные способы
Газовая сварка — процесс получения неразъемного соединения с расплавле-
нием газокислородным пламенем кромок соединяемых металлов и присадоч-
ного материала (при его использовании).
Без применения присадочного металла используется для сварки <2 мм
листов стали с отбортовкой кромок.
Существуют два основных способа газовой сварки плавлением — правый
и левый (рис. 9.1). Выбор способа сварки зависит от толщины свариваемого
металла и положения шва в пространстве. Правый способ используется пре-
Направление
сборки
/ Предварительного
подогрева нет
Дополнительного
нагрева шва
— не получается
Дополнительный
нагреб шва
Защита от
окисляющего
действия воздуха
Предварительный
подогрев
Направление
сварки
Защиты от окисляющего
действия воздуха нет
Рис. 9.1. Правый (о) и левый (б) способы сварки
194
имущественно при сварке толщины >5 мм, а левый — при сварке толщины
<3 мм. Сварка швов в нижнем положении возможна как правым, так и
левым способом. Вертикальные швы удобнее сваривать левым способом, го-
ризонтальные и потолочные швы — правым.
Известны две разновидности газовой сварки плавлением: горячая с пред-
варительным подогревом (общим или местным) и холодная (без предва-
рительного подогрева). Горячая сварка применяется преимущественно для
сварки чугуна.
К способам сварки плавлением с присадочным металлом и с оплавлением
кромок примыкают методы пайкосварки. Эти методы характеризуются осо-
быми приемами образования соединения за счет расплавления только приса-
дочного металла и применения поверхностно-активных флюсов. Пайкосварку
используют для заварки чугунных и латунных деталей.
9.1.2. Физико-металлургические основы процесса
Основной характерный признак газовой сварки — использова-
ние тепловой энергии высокотемпературного газокислородного
пламени.
Газовое пламя является местным поверхностным теплооб-
менным источником теплоты, позволяющим весьма гибко регу-
лировать распределение теплоты по заданным участкам по-
верхности изделия, а также между основным и присадочным
металлом.
Газовое пламя характеризуется наибольшими размерами
пятна нагрева и сравнительно низкими значениями удельного
теплового потока и эффективной мощности источника нагрева
(табл. 9.1).
Сварочная ванна, образующаяся в результате нагрева ме-
талла, характеризуется относительно малым объемом, высокой
температурой, интенсивным перемешиванием жидкого металла
газовым потоком и присадочным стержнем.
Свойства металла шва в значительной мере определяются
процессами окисления и раскисления в сварочной ванне при
взаимодействии газовой и шлаковой фазы с жидким металлом
(рис. 9.2).
ТАБЛИЦА 9.1
ТЕПЛОВЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИСТОЧНИКОВ НАГРЕВА
Источник нагрева <?9. кВт q2, кВт/см’ d, мм
Газовое пламя Плазменная струя Электрическая дуга Луч лазера 1—10 0,5—80 0,1—80 0,05—8 0,2—0,5 0,5—10 5—100 5—1000 10—100 6—70 1—50 0,01—1
Примечание. Q3 — эффективная мощность, — наибольший удельный теп-
ловой поток, d — диаметр пятна нагрева.
13*
195
Рис. 9.2. Схема взаимодействия металла, га-
зов и шлака при сварке углеродистой стали
С учетом температурных
условий в сварочной ванне
и граничных условий рав-
новесия газовой фазы с за-
кисью железа верхний до-
пустимый предел окисления
углеводорода в пламени,
дающий нейтральную смесь
по отношению к закиси же-
леза, соответствует соотно-
шению кислорода и ацети-
лена в пламени 1,3. Ввиду
относительно невысокого за-
щитного и восстановитель-
ного действия пламени рас-
кисление шва достигается
введением в сварочную
ванну марганца, кремния посредством использования присадоч-
ного металла соответствующего состава (табл. 9.2). Положи-
тельное влияние этих раскислителей состоит в создании жид-
ТАБЛИЦА 9.1
ПРИСАДОЧНЫЕ МЕТАЛЛЫ ДЛЯ ГАЗОВОЙ СВАРКИ
Свариваемый металл Присадочный металл Примечания
Малоуглеродистая Св-0,8, Св-0,8А, Сварка котельной стали, резер-
сталь Св-0,8ГС, Св-12ГС, Св-0,8Г2С вуаров, цельнотянутых труб и сортовой стали
Среднеуглеродистая сталь То же Сварка шестерен и других де- талей машин с предваритель- ным нагревом и термообработ- кой
Высокоуглеродистая сталь » Плохо сваривается газовой сваркой
Чугун Чугун марки А Чугун марки Б Сварка крупногабаритных от- ливок с общим подогревом Сварка деталей сложного про- филя с тонкими стенками и ме- стным подогревом
Г Латунь Марки I (завода «Станколит») Марки 11 (завода «Станколит») Л63 ЛК62-05 Сварка крупногабаритных от- ливок с общим подогревом Сварка деталей сложного про- филя стонкими стенками и мест- ным подогревом Устраняется угар цинка
ЛОК-59-1-03 ЛКБО-62-02-044-05 Повышается коррозионная стойкость шва Проволока самофлюсующаяся для сварки без флюса
196
ТАБЛИЦА 9.3
ФЛЮСЫ ДЛЯ ГАЗОВОЙ СВАРКИ
Свариваемый металл Флюс Примечание
Углеродистая сталь — Сваривается без флюса
Чугун № 1 (техническая бура) № 2 (56 % прокаленной бу- ры + 22 % карбоната на- трия + 22 % карбоната калия) № 3 (50 % технической буры -j- + 50 % бикарбоната натрия) № 4 (23 % плавленой буры + + 27 % карбоната натрия + + 50 % натриевой селитры) БМ-1 (70—75 % метилбора- та + 30—25 % метанола) Флюс в виде порошка » » » » » » » » » » » » Газофлюсовая сварка
Латунь № 1 (прокаленная бура) № 2 (20 % прокаленной бу- ры + 80 % борной кислоты) БМ-1 (70—75 % метилбора- та + 30—25 % метанола) Флюс в виде порошка Флюс в виде порошка или пасты при наплавке кремнистых латуней Газофлюсовая сварка без выгорания цинка
котекучих Si—Мп—Fe-шлаков, способствующих самофлюсова-
нию сварочной ванны. Образующаяся на ее поверхности шла-
ковая пленка защищает расплавленный металл от кислорода
и водорода газовой среды пламени.
При сварке чугуна, цветных металлов и сплавов удаление
образующейся на поверхности сварочной ванны окисной пленки
достигается введением флюсов (табл. 9.3), предохраняющих
металл шва от окисления.
Структурные превращения в сварном шве и околошовной
области характеризуются образованием типичной для литого
металла крупнокристаллической структуры с равновесными
зернами неправильной формы.
Чем меньше перегрев металла шва при сварке и чем больше
скорость охлаждения металла, тем мельче зерно в стали и
тем выше механические свойства металла шва. Поэтому сварку
целесообразно вести с максимально возможной скоростью.
Зона термического влияния состоит из тех же характерных
участков, что и при дуговой электросварке. Однако ширина
участков зоны термического влияния при газовой сварке зна-
чительно больше вследствие менее концентрированного тепло-
вого потока источника нагрева (пламени) и сравнительно бо-
лее медленного охлаждения металла шва. Ширина зоны терми-
ческого влияния (8—28 мм) зависит от толщины свариваемого
металла, способа и режима газовой сварки.
197
Изменения в структуре и свойствах сварного соединения
(при отсутствии пережога или карбидной эвтектики) можно
исправить термической обработкой изделия.
9.2. Технология
9.2.1. Свариваемые материалы и требования к конструкции
Газовая сварка используется для выполнения сварных соеди-
нений разных типов (рис. 9.3). Для тонколистового металла
возможно применение стыковых угловых и торцевых соедине-
ний (рис. 9.3, а—в). При сварке металла толщиной >5 мм
стыковое соединение выполняется с U- или Х-образной раздел-
Рис. 9.3. Сварные соединения:
а. — стыковые; б — внахлестку; в — тавровые; г — угловые
кой кромок. Соединения тавровые или внахлестку (рис. 9.3, б, в)
допустимы только для металла толщиной до 3—4 мм.
Требования к конструкции сварного соединения зависят от
вида соединения, толщины и материала свариваемых изделий,
а также характера выполняемых работ.
9.2.2. Подготовка к сварке
Подготовка деталей к сварке: очистка свариваемых кромок
изделия, разделка кромок под сварку, наложение прихваток
для сборки соединяемых деталей под сварку.
Перед выполнением газовой сварки кромки зачищают до
металлического блеска металлическими щетками или пламе-
нем сварочной горелки. При сварке ответственных изделий не-
больших размеров применяют травление в соответствии с тех-
ническими условиями на изделие или пескоструйную обработку
его поверхности.
Разделывают кромки в зависимости от вида соединения
(стыковое, угловое или торцовое) и толщины свариваемых из-
делий.
Элементы подготовки кромок при сварке швов стыковых
соединений листовой стали приведены в табл. 9.4.
198
ТАБЛИЦА 9 1
ПОДГОТОВКА КРОМОК СТЫКОВЫХ ШВОВ
ПРИ ГАЗОВОЙ СВАРКЕ
Толщина
металла,
мм
Шов
Конструктивные
элементы кромок
Зазор,
мм
Притуп-
ление. мм
0,5—1
1-5
5—10
6—15
12—25
С отбортовкой кромок
Без скоса кромок
С U-образным скосом кро-
мок
С Х-образным скосом кро-
мок (односторонний)
С Х-образным скосом кро-
мок (двусторонний)
Примечание. Возможны также другие формы подготовки — с криволиней-
ным или ломаным скосом, с двумя скосами одной кромки и т. д.
9.2.3. Выбор параметров режима
Параметры режима сварки — мощность и состав пламени,
диаметр и расход присадочного металла. Режим зависит от
теплофизических свойств свариваемого металла, габаритных
размеров и форм изделия. Большое влияние на режим сварки
оказывает используемый способ сварки («правый» или «ле-
вый») и положение сварного шва в пространстве.
199
ТАБЛИЦА 9.5
УДЕЛЬНЫЙ РАСХОД АЦЕТИЛЕНА И КИСЛОРОДА.
СООТНОШЕНИЕ ГАЗОВ В СМЕСИ ПРИ ЛЕВОМ СПОСОБЕ
ГАЗОВОЙ СВАРКИ НЕКОТОРЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ
Материал к®цет. л/(ч-мм) л/(ч мы) ₽
Углеродистая сталь 100—130 110—140 1.1
Легированная сталь 75 80—85 1.1
Чугун и твердые сплавы 100—120 90—110 0,9
Медь 150—200 165—220 1,1
Латунь 100—130 135—175 1.3
Бронзы оловянистые > 70—120 80—130 1.1
Мощность пламени, или часовой расход газа, л/ч,
пропорциональны толщине свариваемого металла, мм:
Коэффициент пропорциональности Кт — удельный расход
горючего газа, л/ч, необходимый для сварки данного металла
толщиной 1 мм. Этот показатель тем выше, чем выше тепло-
проводность и температура плавления свариваемого металла.
При правом способе сварки пламя направлено на формирую-
щийся шов и удельная мощность пламени устанавливается, как
правило, на 15—20 % выше, чем при левом.
Состав пламени определяется соотношением расходов
кислорода и горючего газа (р), устанавливаемым и регулируе-
мым в процессе сварки по виду пламени.
Средние значения удельных расходов ацетилена, кислорода
и их соотношений при сварке разных металлов даны в табл. 9.5.
Использование заменителей ацетилена для газовой сварки
стали, чугуна и латуни возможно только для деталей неответ-
ТАБЛИЦА 9.6
УДЕЛЬНЫЙ РАСХОД АЦЕТИЛЕНА И СООТНОШЕНИЕ ГАЗОВ
В СМЕСИ ПРИ ГАЗОВОЙ СВАРКЕ ЧУГУНА И СТАЛИ
С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГАЗОВ — ЗАМЕНИТЕЛЕЙ АЦЕТИЛЕНА
Г орючее Кг ацетилена ₽
Пропан-бутан 60—80 л/(ч-мм) 3,5—4
Природный газ 180—140 л/(ч-мм) 1,6—2
Керосин 140—170 г/ч 1,3—1,8 №/кг
200
ственного назначения толщиной не более 4—5 мм, не подле-
жащих сдаче Госгортехнадзору.
Мощность пламени и соотношение кислорода и горючего
газа в смеси следует устанавливать согласно данным, приве-
денным в табл. 9.6, учитывающим коэффициенты замены аце-
тилена горючими газами и керосином.
По данным табл. 9.5 и 9.6 определяется требуемая мощ-
ность пламени для сварки и используется соответствующий
номер наконечника горелки с учетом ее паспортной характе-
ристики.
При сварке латуни и бронз мощность пламени устанавли-
вается примерно такая же, как для сварки стали. Мощность
пламени при сварке меди в 1,5 раза больше из-за ее высокой
теплопроводности.
Диаметр присадочной проволоки, мм, для
сварки низко- или среднеуглеродистой стали толщиной б, мм:
d = 0,56-1-1—для левого способа сварки,
d = 0,56—Для правого.
Масса присадочного металла, кг, расходуемая
на получение 1-м шва, пропорциональна квадрату толщины
свариваемого металла:
тпр=/<1162.
В первом приближении можно принять, что при сварке ме-
талла толщиной ^5 мм коэффициент Кп равен: 12 для мало-
углеродистой стали, 18 для меди, 16 для латуни и 6,5 для
алюминия. При сварке >5-мм металла К„ уменьшается на
20—25 %.
9.2.4. Особенности технологии газовой сварки
Газовая сварка углеродистых сталей
Малоуглеродистые стали хорошо свариваются ацетиленкнсло-
родным пламенем, а среднеуглеродистые стали свариваются
удовлетворительно. Высокоуглеродистые стали свариваются
плохо.
Заменителями ацетилена (пропан-бутан, природный газ
и др.) можно сваривать лишь детали толщиной до 4—5 мм, не
подлежащие сдаче Госгортехнадзору.
Особенности техники сварки различных видов сварных швов
даны в табл. 9.7.
201
ТАБЛИЦА 9.7
ОСОБЕННОСТИ ТЕХНИКИ СВАРКИ РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ
СВАРНЫХ ШВОВ
Классификационный признак Вид сварного шва Особенности техники сварки
Расположение в пространстве Нижний Сварка ведется как правым, так и левым способом в зависимости от толщины свари- ваемого металла
Вертикальный Применяется преимущественно для тонко- листового металла толщиной ^4-=-5 мм. Сварка производится снизу вверх левым способом с приданием горелке такого на- клона и перемещения, чтобы не дать стечь расплавленному металлу и дутьем пламени поддерживать в зазоре ванночку метглла. Сварка сверху вниз правым способом тре- бует большой сноровки сварщика
Потолочный Представляет наибольшие трудности. Свар- ку ведут правым способом. Сварщику не- обходимо движением горелки удерживать расплавленный металл от стекания вниз давлением газов пламени. Предпочтитель- нее производить сварку правым способом в несколько слоев с минимальной толщи- ной каждого слоя. Присадочный пруток следует держать полого, во избежание сте- кания по нему жидкого металла
Взаимное распо- ложение соединяе- мых деталей Стыковой Металл толщиной 1—5 мм сваривают без скоса кромок с зазором между кромками 0,5—2 мм. Металл толщиной 5—10 мм сваривают со скосом кромок одной стороны под углом 45°, зазором между кромками 1,5—3 мм и притуплением 1—2 мм. Металл толщиной >10 мм сваривают с дву- сторонним скосом кромок (под углом 35— 45°), зазором между ними 2—4 мм и при- туплением 2—4 мм
Угловой Между кромками свариваемых деталей ус- танавливается зазор 1—2 мм. При толщине свариваемого металла более 5—6 мм дела- ют одно- или двусторонний скос кромок под углом 50—60°
Нахлесточный Применяется только при крайней необхо- димости (за исключением свинца): из-за ко- робления соединяемых листов. Рациональ- нее пользоваться для этого вида сварного шва электродуговой сваркой
202
Газовая сварка чугуна
Существуют два основных способа газовой сварки чугуна с рас-
плавлением основного металла: горячая сварка с общим или
местным предварительным подогревом и холодная сварка —
без предварительного нагрева детали (отливки). Газовая
сварка чугуна плавлением применяется для устранения дефек-
тов объемом до 100 см3 в чугунных отливках, выявленных до
механической обработки.
Для исправления более крупных дефектов экономически
целесообразно использование электродуговых процессов.
Другие способы устранения дефектов без расплавления ос-
новного металла называются пайкосваркой и используются для
исправления дефектов, выявленных на последней стадии меха-
нической обработки, когда на нее остаются малые припуски.
Чугун сваривают с использованием как ацетилена, так и
газов—заменителей ацетилена. Пламя — нормальное или с не-
большим избытком горючего газа.
Трудности газовой сварки чугуна в основном связаны
с тремя факторами: возможностью отбеливания чугуна и появ-
ления структур закалки, склонностью к образованию трещин
в металле шва и околошовной зоны, склонностью к порообра-
зованию в металле шва. Способы устранения указанных труд-
ностей даны в табл. 9.8, из которой видно, что для первых
двух факторов важное значение имеет подбор соответствующих
режимов нагрева и охлаждения шва и основного металла.
Третий фактор регулируется прогревом жидкой ванны пламе-
нем горелки после заполнения разделки дефекта и активным
перемешиванием ванны. Важное значение для устранения от-
меченных трудностей газовой сварки чугуна имеет также пра-
вильный выбор составов присадочных металлов, флюсов, при-
емов разделки кромок и т. д.
Пайкосварка чугуна характеризуется тем, что на первом
1т?пе процесса не образуется жидкой ванны и наплавка осу-
ществляется отдельными каплями жидкого присадочного
металла (припоя). Под действием флюса и давления пламени
капли легко растекаются тонким слоем по основному металлу
и под действием капиллярных сил проникают в чугун, увели-
чивая тем самым прочность соединения.
Другая особенность процесса — снижение рабочей темпера-
туры по сравнению с обычными способами сварки достигается
использованием специальных флюсов (см. табл. 9.3). Поверх-
ностно-активные флюсы облегчают процесс смачивания и обра-
зования металлических связей на границе чугун — присадоч-
ный металл.
Пайкосварка чугуна осуществляется чугунными прутками
и латунными припоями. Рабочая температура процесса при
203
ТАБЛИЦА 9.8
ТРУДНОСТИ. ВОЗНИКАЮЩИЕ ПРИ ГАЗОВОЙ
СВАРКЕ ЧУГУНА. И СПОСОБЫ ИХ УСТРАНЕНИЯ
Трудности Причины их появления Способы устранения
Возможность отбе- ливания чугуна и появления структур закалки Склонность к обра- зованию трещин в металле шва и око- лошовной зоне Быстрое охлаждение ме- талла после сварки в со- четании с высоким (1,7 %) содержанием углерода спо- собствует превращению зерен графита в карбид железа (цементит), трудно поддающийся механической обработке Пониженная пластичность и прочность чугуна (по сравнению со сталью) в сочетании с неравномер- ным нагревом и охлажде- нием соединяемых деталей Снижение скорости охла- ждения нагретого металла посредством предваритель- ного подогрева (местного и общего) Использование низкотем- пературных процессов пай- косварки, пайки и т. п. (см. ниже), происходящих без расплавления основного металла Подогрев деталей до сварки для снятия внутренних на- пряжений и равномерное и замедленное охлаждение по- сле сварки
Склонность к поро- образованию в ме- талле шва Резкий переход из жидкого состояния в твердое, ха- рактерный для чугуна, вследствие чего газы не успевают выделиться из металла шва Образование на поверхно- сти ванночки пленки туго- плавких оксидов кремния и марганца, препятствую- щей свободному выходу газов из металла шва Непрерывное перемешива- ние в процессе сварки жид- кой ванны присадочным прутком Применение специальных флюсов для разжижения пленки окисленного крем- ния и окиси железа
использовании чугунных прутков УНЧ-2 и газообразного флюса
МАФ-1 не превышает 750—800 °C, а при применении латунных
припоев ЛОК-59-1-03 и ЛОМНА 49-05-10-4-0,4 составляет 650—
750 °C.
Газовая сварка латуни. Основные трудности, возникающие
при сварке латуни, связаны со значительной испаряемостью из
сварочной ванны цинка (до 25—30 %) и склонностью латуней
к трещинообразованию.
Улучшение свариваемости латуни достигается технологиче-
скими приемами и использованием присадочных металлов (см.
табл. 9.2) с малыми (до 0,5 %) добавками кремния и кремния
в сочетании с поверхностно-флюсующим элементом — бором.
Кремний на порядок снижает угар цинка, а бор оказывает
флюсующее действие вследствие образования комплексных
•к
«з
*
о
X
Примечание Размер кусков карбида кальция 25/80 Размер кусков карбида кальция 15/25 и 25/80 То же Размер кусков карбида кальция 25/50 и 50/80 То же Размеры кусков карбида кальция 95 % — 25/80 5 % — 2/25 Для одного стационарного сварочного поста То же с жидкостным предохранительным за- твором ЗСП-8 То же с сухим предохранительным затвором ЗСУ-1 Для централизованного питания стационар- ных постов кислородом из баллонов То же для ацетилена Затвор жидкостного типа для защиты одного сварочного поста Затвор сухого типа для защиты одного сва- рочного поста Для кислорода » » » ацетилена » пропан-бутана » кислорода » ацетилена » пропан-бутана
Основные параметры BUW 1 хв ш<7 ~ оосч —сою —— О О О ООО о — о О — о о —о’ооо'о
р- я х’ « El СУ ю сч сч ем ю юоююоою Ю Ю О —< СЧ Ю —. сч ю
Марка, тип to «^§2 w to2Soo _ S-toto о Wily L-uu u
Оборудование Стационарные ацетиленовые генера- торы (ГОСТ 5190—78) Передвижной ацетиленовый генера- тор Газоразборный пост кислорода Газоразборный пост ацетилена Рампа разрядная кислородная Рампа разрядная ацетиленовая Предохранительный затвор для аце- тилена Баллонные газовые одноступенчатые редукторы (по ГОСТ 6268—78) Сетевые газовые редукторы (по ГОСТ 6268—78)
205
204
Примечание Для кислорода > » Для ацетилена » пропан-бутана » кислорода; в 40-л баллоне содержится 6 м3 газа Для ацетилена; в полном баллоне содержится 5,3 м3 газа; максимальный отбор газа из бал- лона <1,1 м3/ч Для кислорода, с фторопластовым уплотни- телем Пл я лпетиленл. с мембранным уплотнителем » подачи ацетилена » подачи кислорода Малой мощности для сварки <7-мм металла Средней мощности для сварки<30-мм металла Для сварки <6-мм металла с использованием пропан-бутана С многофакельными мундштуками для свар- ки чугуна и цветных металлов (кроме меди) с использованием пропан-бутана Для сварки <4-мм стали и резки <50-мм ме- талла Комплектуется горелкой Г2-04 и резаком РВ-1А-02 Для сварки <17-мм стали и резки <100-мм металла. Комплектуется горелкой ГЗ-ОЗ и ре- заком РВ-2А-02 Установка снабжена двумя 4-л баллонами пропан-бутана и одним кислородным; пред- назначена для сварки <4-мм металла и резки <30-мм стали
Основные параметры «5 Е £ <□ Е и О, У £ и ” Ей О' — — — — — со О С О СЧ Q Q Q о О —* со О> Ю О Ю О О О о о_ о о ООЮ —Г осоо — оооо о о о Д\Л\А Л\ А А А CM хг СЧ . . . С© LQCO <0 СО ь- сч О О О Ю ' 1 ' ‘ II о сч 6 о о о ю о со сч сч ю
Марка, тип оо сч g S О счйсо — т — сч «? о, в. йо, ч 8о< < о о >> £ S г Ь b h ЕтЕЦСиЕч—' — —* CQ СО «—। —’L-. U. Lm ж U,
к
5
206
соединений (в первую очередь с оксидами цинка), легко переводи-
мых в шлаки. Кроме того, образующаяся на поверхности жид-
кого металла пленка из шлаков на основе борного ангидрида
непроницаема для цинка, но проницаема для выделяющихся
из расплавов газов.
Хорошие результаты дает применение газообразного флюса
БМ-1, т. е. газофлюсовой сварки. Процесс сварки получается
бездымным, а механические свойства сварного соединения —
иысокими.
9.3. Оборудование и аппаратура
Типовые представители оборудования и аппаратуры, применяе-
мые при газовой сварке, приведены в табл. 9.9.
В СССР для сварки преимущественно применяют универ-
сальные горелки инжекторного типа, в которых горючий газ
подается под низким (~0,001 МПа) давлением.
Раздел .Z
у • СВАРКА ДАВЛЕНИЕМ
При сварке давлением образование соединения осуществляется, главным об-
разом. за счет совместной пластической деформации материалов в зоне их
контактирования. При этом нагрев выступает лишь в качестве сопутствую-
щего активирующего фактора и в некоторых процессах может отсутствовать
воебще
Согласно общей теории, любой процесс сварки развивается постадийно.
При этом физика явлений, ответственных за формирование межатомных свя-
зей, сводится к трем наиболее важным стадиям.
I. Образование физического контакта. На этой стадии
происходит сближение соединяемых поверхностей на расстояния, соизмеримые
с атомными расстояниями в кристаллической решетке. При всех способах
сварки давлением эта стадия реализуется за счет пластической деформации
микровыступов контактирующих поверхностей (обеих при сварке однородных
сочетаний металлов или менее прочной при сварке разнородных сочетаний).
Наличие небольших количеств жидкой фазы в некоторых процессах (напри-
мер, при диффузионной сварке через расплавляющиеся прослойки) облегчает
развитие этой стадии взаимодействия.
II. Активация контактных поверхностей. Формирование
монолитного соединения непременно проходит через эту стадию. При этом
возникают так называемые «активные центры». Активация поверхностей при
сварке давлением происходит одновременно с образованием контакта в зна-
чительной мере за счет пластической деформации (механическая активация).
Нагрев также способствует развитию этой стадии взаимодействия (терми-
ческая активация).
В общем случае суть активации поверхностей состоит в создании условий,
при которых атомы, расположенные по обе стороны контактной границы,
смогут вступать во взаимодействие с образованием межатомных связей. Эта
стадия включает ряд важнейших физических процессов, в том числе разруше-
ние органических пленок и оксидных слоев (очистка поверхностей), а также
повышение энергии поверхностных атомов до уровня, при котором возможно
химическое взаимодействие.
Стадия активации заканчивается схватыванием по большей части пло-
щади контактирования. Однако учитывая, что образование активных центров
вследствие неоднородности взаимодействия происходит не одновременно по
всей поверхности, ее длительность, в зависимости от интенсивности силового
воздействия и свойств свариваемых материалов, может изменяться от долей
секунды до нескольких десятков минут.
Процесс получения работоспособного соединения в большинстве случаев
(особенно при наличии сопутствующего нагрева) не заканчивается схватыва-
нием.
III. Дальнейшее его развитие происходит в результате диффузионных пе-
ремещений атомов через границу контакта на стадии объемного вза-
имодействия, которой и завершается сварка. Ясно, что в случаях, когда
сварка давлением осуществляется без внешнего нагрева (холодная сварка,
сварка взрывом), стадия объемного взаимодействия не получает существен-
ного развития и соединение завершается на стадии схватывания.
На практике выбор способа сварки давлением, пригодного для решения
конкретных технологических задач, осуществляется в значительной мере
в зависимости от сочетания свойств соединяемых материалов (однородные,
разнородные) и их совместимости, которая определяется прежде всего веро-
ятностью образования интерметаллидов.
В первую группу следует отнести способы сварки, при которых соеди-
нение завершается на стадии схватывания контактных поверхностей. В этой
группе стадия объемного взаимодействия не получает развития вследствие
низких температур (холодная сварка, сварка взрывом, магнитно-импульсная)
или ввиду сравнительно высоких скоростей деформирования (ударная сварка
в вакууме, сварка прокаткой, термокомпрессионная сварка). Поэтому зона
контакта, как правило, четко выражена. Способы этой группы наиболее при-
годны для сварки разнородных материалов при опасности образования интер-
металлидов в контакте.
Вторая группа включает способы, при которых объемное взаимодействие
получает заметное развитие и соединение завершается образованием общих
зерен в зоне контакта. Такие процессы наиболее пригодны для сварки мате-
риалов в однородных сочетаниях.
Глава 10. ДИФФУЗИОННАЯ СВАРКА
10.1. Общие сведения
В основе технологии лежит способ, разработанный в СССР проф. Н. Ф. Ка-
заковым в 1953 г. [1]. Относится к классу термомеханических процессов
(ГОСТ 19521—74) Находит наибольшее применение в электронной, электро-
технической, автомобильной, авиационной промышленности, а также в энерге-
тическом, химическом машиностроении и других отраслях техники. От общего
объема механизированных способов сварки на долю диффузионной сварки
вместе с другими, так называемыми новыми способами (например радиоча-
стотной, электронно-лучевой видами сварки) приходится 4,5—7,7% [2—3]. По
прогнозам, предполагается некоторое расширение использования этих спосо-
бов к 2000 г. до ~8%. Наибольшее применение среди технически развитых
стран способ находит в нашей стране, а также в Японии, США, Франции,
Великобритании, Германии (4].
208
10 1.1. Терминология и основные схемы
Диффузионная сварка входит в группу способов сварки давлением, при кото-
рых соединение происходит за счет пластической деформации свариваемых
частей при температуре ниже температуры плавления, т. е. в твердой фазе
(ГОСТ 2601—84, СТ СЭВ 5277—85). Отличительной особенностью является
применение повышенных температур при сравнительно небольшой остаточной
деформации.
Процесс может осуществляться с использованием большинства тепловых
источников, известных при сварке. Наибольшее применение на практике на-
ходят индукционный, радиационный, электронно-лучевой нагрев, а также
нагрев проходящим током, тлеющим разрядом и нагрев в расплаве солей.
Контакт соединяемых деталей при сварке выполняется либо непосредст-
венно, либо через прослойки (фольговые или порошковые прокладки, покры-
тия).
Чаще всего диффузионную сварку проводят в вакууме. Однако принципа
ально возможно осуществление процесса в атмосфере защитных или восста-
Рис. 10.1 Схема деформи-
рования при диффузионной
сварке:
I — система нагружения;
2 — система деформирова-
ния; Н — нагреватель; Д —
детали
иовительных газов или их смесей (диффузионная сварка в контролируемой
атмосфере). При сварке материалов, имеющих относительно малое сродство
к кислороду, процесс можно вести даже на воздухе. В качестве среды для
диффузионной сварки могут быть использованы и расплавы солей [4], выпол-
няющие одновременно роль источника тепла.
В практике диффузионной сварки известно применение двух технологиче-
ских схем процесса, различающихся характером приложения нагрузки или на-
пряжения, действующих в течение цикла [6]. В одной из них используют по-
стоянную нагрузку (рис. 10.1, а) по величине ниже предела текучести. При
этом процессы, развивающиеся в свариваемых материалах, аналогичны пол-
зучести. Такую технологию называют диффузионной сваркой по
схеме свободного деформирования. На практике такая схема
осуществима наиболее просто, поэтому очень широко распространена [1].
По другой схеме нагрузка и пластическая деформация обеспечиваются
специальным устройством, перемещающимся в процессе сварки с контроли
руемой скоростью (рис. 10.1,6). Такую технологию называют диффузи-
онной сваркой по схеме принудительного деформиро-
вания (ДСПД-процесс).
10.1.2. Технологические возможности и ограничения
С помощью диффузионной сварки сравнительно легко могут
быть получены соединения большинства конструкционных ма-
териалов: металлов и сплавов на их основе как в однородных,
14—1063
209
Рис. 10.2. Диаграмма деформи-
рования при ДСПД-процессе:
*рел ~ время релаксации; есв -
степень накопленное деформа-
ция
так и в разнородных сочетаниях,
включая материалы с резко различа-
ющимися свойствами (например, ме-
талл— керамика). В однородных со-
четаниях структура и свойства свар-
ного соединения практически не от-
личаются от основного материала.
При соединении разнородных пар,
а в некоторых случаях и для одно-
родных сочетаний могут быть исполь-
зованы промежуточные прослойки
(см. разд. 10.2.3).
Особенностью диффузионной свар-
ки является возможность ограниче-
ния общей деформации соединяемых
деталей, что позволяет получать пре-
цизионные соединения, в необходи-
мых случаях не требующие последующей механической обра-
ботки.
При диффузионной сварке по схеме принудительного дефор-
мирования (ДСПД) цикл сварки можно четко ограничить мак-
роупругой стадией / (рис. 10.2) или прекратить в любой мо-
мент стадии пластического деформирования II, а также на
стадии выдержки в режиме релаксации напряжений III, когда
приращения пластической деформации практически не проис-
ходит.
Для управления структурой и свойствами сварного соеди-
нения и основного материала при диффузионной сварке срав-
нительно легко могут быть использованы принципы термомеха-
нической обработки, совмещенные с циклом сварки, особенно
при сварке с принудительным деформированием, см. [4, 6].
При изготовлении тонкостенных многослойных и простран-
ственных конструкций типа пустотелых панелей решеток, об-
легченных ферм и т. п. процесс сварки может быть совмещен
с формообразованием (см. разд. 10.4.3). В серийном производ-
стве простых по форме изделий за один технологический цикл
можно соединять одновременно несколько деталей (пакетная
сварка). При этом сварочный процесс сравнительно легко авто-
матизируется и в случае применения конвейерных комплектов,
работающих на принципе шлюзования, обеспечивается высокая
производительность.
Технология может быть использована в производстве полу-
фабрикатов и заготовок для последующей обработки. Напри-
мер, этим методом получают многослойные заготовки для по-
следующей прокатки, а также крупногабаритные заготовки
сложной формы путем соединения простых элементов, что при-
водит к существенной экономии материала.
210
Ограничения применения и недостатки технологии
— В большинстве случаев длительность цикла сварки значи-
тельна, что ограничивает производительность процесса.
— Сложность оборудования (особенно вакуумного) и тех-
нологической оснастки, подвергающейся одновременному на-
греву и нагружению, предъявляет высокие требования к тех-
ническому уровню производства.
— Размеры изделий, как правило, ограничиваются типом
применяемых сварочных установок.
— Высокие требования к качеству контактных поверхностей
удорожают процесс в целом.
— Известные методы неразрушающего контроля в связи со
спецификой дефектов сварных швов имеют сравнительно -низ-
кую эффективность.
10.2. Технология
10.2.1. Типы и конструкции соединений
Могут быть использованы все типы соединений, известные
в практике сварки и пайки (рис. 10.3). При этом основным усло-
вием является возможность обеспечения плотного и свободного
прилегания соединяемых поверхностей по всей площади
касания.
Ряс. 10.3. Варианты соединений при диффузионной сварке:
а — пассивные детали (соединение по торцевой поверхности); б —листо-
вые элементы и массивная деталь (Н/в<10): в—трубки, соединяемые по концу
(в/О>0,2. Н/О<6); г — многослойный пакет (в/О>0Д, Н/О<6); д — цилиндрические
поверхности (L/D<5); е — то же (0,5<L/D<5. в >0.05); яс —то же для многослой-
ной заготовки (0,5<£/П<5, в > 0.05)
211
14*
Поскольку деформация свариваемых деталей в большин-
стве случаев ограничена, в случае повышенных требований
к механическим свойствам предпочтительным является приме-
нение механической обработки зоны соединения после сварки
с целью удаления краевых дефектов (непроваров) или для
получения более целесообразной геометрии соединения в слу-
чае тавровых и угловых швов (например, для формирования
радиуса в зоне концентратора напряжений).
Элементы сварных узлов, к которым предъявляются наи-
более высокие требования по вакуумной плотности, рекомен-
дуется изготавливать таким образом, чтобы волокна текстуры
материала начинались и заканчивались в пределах вакуумной
полости или сварного соединения.
10.2.2. Подготовка поверхности
Свариваемые поверхности должны быть обработаны с чистотой поверхности
при /?О<1,25 мкм по ГОСТ 2789—73. Предпочтительно применение механи-
ческой обработки.
Непосредственно перед сваркой детали проходят очистку от жировых и
других загрязнений, а также от оксидов методами электрохимической или хи-
мической обработки (травление, обезжиривание, электрополировка). Такой же
обработке подвергают промежуточные прокладки из фольги, если они приме-
няются. Эффективно использование электрического разряда для очистки по-
верхности непосредственно в рабочей камере перед сваркой.
10.2.3. Применение покрытий и промежуточных прокладок
Покрытия наносят чаще всего гальваническим, химическим
или термовакуумным методами на одну или обе свариваемые
детали, но, как правило, только в пределах площади их кон-
тактирования. При сварке мелких деталей допускается нанесе-
ние покрытия на всю поверхность. Покрытия применяют для
защиты от окисления в процессе нагрева при сварке сплавов,
в состав которых входят активные по отношению к кислороду
элементы (Сг, А1 и др.). Чаще всего используют никелевое,
медное или серебряное покрытие толщиной 5—10 мкм.
При сварке материалов, образующих в контакте при тем-
пературе процесса интерметаллидные фазы, необходимо при-
менение барьерных прослоек *. Для этого могут быть исполь-
зованы покрытия достаточной толщины, а также фольговые
прокладки, изготавливаемые по форме площади контактирова-
ния. В этом случае основное требование при выборе типа по-
крытия или прокладки — совместимость с каждым из сваривае-
1 Необходимость в барьерных прослойках может быть исключена сниже-
нием температуры сварки или ограничением времени нагрева.
212
мых сплавов. При необходимости прокладки могут быть мно-
гослойными или применяться в сочетании с покрытиями.
Сравнительно толстые (100—500 мкм) фольговые прокладки
из пластичных металлов (Ni, Си, Ti, Al и др.) применяют
с целью интенсификации пластической деформации в контакт-
ной зоне. Необходимость этого возникает в случае, когда сое-
диняемые материалы имеют ограниченную деформационную
способность в интервале режимов сварки (керамика, жаро-
прочные сплавы), а также когда контактирующие поверхности
грубо обработаны или плохо взаимно сопрягаются.
Ту же цель достигают применением порошковых прокладок,
изготовленных предварительным формованием в виде заклад-
ных элементов (лент, шайб, таблеток) из промышленных по-
рошков никеля, меди, титана и др. (размер частиц 50—
100 мкм), а также из специальных ультрадисперсных порош-
ков (частицы <1 мкм). В последнем случае применение про-
слоек позволяет существенно снизить температуру диффузион-
ной сварки.
Толстые промежуточные прослойки необходимы также
в случае, когда соединяемые материалы в разнородной паре
имеют сильно различающееся тепловое расширение в темпера-
турном интервале режимов сварки. Такие прокладки компен-
сируют за счет пластической деформации остаточные напря-
жения в соединении, возникающие при охлаждении, и преду-
преждают самопроизвольное разрушение конструкции.
Особое место в технологии диффузионной сварки занимают
расплавляющиеся прослойки*. Жидкая фаза в зоне
соединения образуется за счет применения прослоек, имеющих
температуру плавления ниже температуры плавления свари-
ваемых материалов (чаще в результате протекания эвтектиче-
ской реакции или непосредственно между свариваемыми мате-
риалами, или между ними и специально введенной прослойкой;
такие прослойки применяют в виде покрытий, фолы и порош-
ковых смесей, а также в любом их сочетании).
Наличие жидкой фазы в зоне контакта позволяет ограни-
чить деформирующую нагрузку, снизить температуру сварки,
активизировать процесс формирования контакта, что важно,
например, при соединении труднодеформируемых жаропрочных
сплавов, керамик, сложнолегированных сплавов и других ма-
териалов.
Для повышения жаропрочности и коррозионной стойкости
сварных соединений в этом случае целесообразно применять
послесварочный гомогенизирующий отжиг для выравнивания
химического состава в зоне контакта.
1 Такой процесс в литературе иногда называют «диффузионная пайка»,
однако от пайки его отличает применение давления на контактных поверхно-
стях, а также ограниченное количество жидкой фазы.
213
Систематизированный обзор конкретных вариантов про-
слоек, применяемых при диффузионной сварке, можно найти
в [4].
10.2.4. Предохранение от приваривания к оснастке
Применяют покрытия на основе оксида алюминия или смесей, замешиваемых
на акриловой смоле, поливиниловом спирте, бензоле, ацетоне и других рас-
творителях [4].
В качестве изолирующих прокладок могут быть использованы слюда,
алунд, карбонитрид бора, керамики, волокнистые термостойкие тканые мате-
риалы или стеклоткани. Последние удобны при сварке деталей сложной
формы и могут быть заранее раскроены. После сварки остатки такой про-
кладки счищают щеткой.
Для предупреждения приваривания оснастку из нержавеющей стали окси-
дируют отжигом в водороде с точкой росы от —20 до +10 °C при темпера-
туре 900—950 °C.
10.2.5. Выбор параметров режима
Рабочие среды
В зависимости от свойств свариваемых материалов степень
разрежения в вакуумной камере выбирается в диапазоне 1,3—
1,3- 10~4 Па. При сварке малоуглеродистых сталей, меди, ни-
келя требования к остаточному давлению наименее жесткие.
Присутствие в сплавах хрома, алюминия, титана, вольфрама
и других активных элементов приводит к необходимости сни-
жения остаточного давления в пределах указанного диапазона
в тем большей степени, чем выше активность элемента и его
содержание в сплаве.
В качестве контролируемых атмосфер применяют осушен-
ные аргон или гелий, очищенные и осушенные водород, азот
или смесь азота с 6—8 % водорода.
На воздухе сваривают малоуглеродистые и некоторые ин-
струментальные стали. При этом контактные поверхности за-
готовок после механической обработки защищают от окисле-
ния консервирующим покрытием: эпоксидной смолой или гли-
церином. При нагреве зоны стыка в процессе сварки покрытие
выгорает без остатка, а образующиеся газы защищают зону
сварки от окисления.
Состав соляных ванн для диффузионной сварки определя-
ется необходимой температурой, например 850—870 °C при
использовании расплава NaCl, 1000—1150 °C — для ВаС12,
700—950 °C для смеси 70 % ВаС12+30 % КС1.
Параметры термодеформационного воздействия
При сварке по схеме свободного деформирования (см.
рис. 10.1, а) основными параметрами являются температура Т, давление р;
время выдержки t (или степень остаточной деформации еСв). Указанные
214
Т А БЛИЦА 10.1
ОРИЕНТИРОВОЧНЫЕ РЕЖИМЫ СВАРКИ* НАИБОЛЕЕ
РАСПРОСТРАНЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ
В ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКЕ
Свариваемые материалы т. °C р. МПа Гсв. мин Рост- Па
Никель НП1 с никелем НП1 1000 15,0 10 1,3.10-»
Сплав 29НК со сплавом 29НК 1100 20,0 25 6,7.10"3
Медь МВ с медью МВ 850—900 7,0 20 1,3.10-»
Бериллиевая бронза БрБ2 с бериллие- 850 10,0 10 1.3. ю-»
вой бронзой БрБ2
Дур алюмин с дуралюмином 550 4,0 13 1,3.10'»
Сплав АМц со сплавом АМц 590 5,0 20 1,3.10-»
Титан ВТ-1 с алюминием АВ 560 12,0 10 1,3.10-»
Титан ВТ-1 с титаном ВТ-1 800 7,0 6 1,3.10-»
Молибден МЧ с молибденом МЧ 1900 10,0 20 1,3.10-3
Никель НП1 с титаном ВТ1 700 10,0 10 1,3.10-3
Никель НП1 с медью МВ 900 15,0 20 1,3.10-»
Никель НП1 с молибденом МЧ 1000 15,0 10 1,3.10-»
Никель НП1 с вольфрамом 1100 15,0 20 1,3.10-»
Медь МВ со сталью 1000 10,0 15 1,3.10-3
Медь МВ со сплавом АМц 510 7,0 15 1,3.10-»
Медь МВ со сплавом 29НК 950 7,0 10 1,3.10-»
Медь МВ с алюминием А00 520 10,0 10 1,3.10-»
Медь МВ с дуралюмином 6 X) 5,0 15 1,3.10-»
Медь МВ с титаном ВТ-1 700 6,0 20 1,3.10-»
Медь МВ с молибденом МЧ 990 7,5 20 1,3.10-»
Медь МВ с платиной 850 7,5 10 1,3.10-»
Медь МВ с константаном 950 20,0 15 1,3.10-»
Медь МВ с молибденом 940 20,0 10 1,3.10-»
Сталь 10 со сталью НЖВ 1000 15,0 10 1,3.10-*
Сталь 45 со сталью ХВГ 1100 15,0 10 1,3.10-*
Сталь с молибденом МЧ 1200 5,0 10 1,3.10-*
Сталь 12Х18Н10Т со сталью 1100 10,0 15 1,3.10-»
12Х18Н10Т
Молибден МЧ со сплавом Pt—Ва 1000 13,0 15 1,3.10"»
Молибден МЧ со сплавом Pd—Ва 1000 13,0 15 1,3.10-»
Молибден МЧ с вольфрамом ВРН 2100 15,0 10 1,3.10-»
Молибден МЧ с ниобием 1600 20,0 25 1,3.10-»
Молибден МЧ с платиной 1000 13,0 15 1,3.10-»
Никель НВК со сплавом 29НК, со спла- 900 7.0 20 6,7.10-»
вом фени, с рением
Примечания. 1. Неэбходим предварительный отжиг в водороде: дли никеля
НП1 при 850е С/15 мин; для сплава 29НК при 800° С/30 мнн. 2. Алюминий н его сплавы
после обработки свариваемых поверхностей сразу же устанавливать в вакуумную камеру
для сварки. 3. Медь отжигать в водороде при 600 °С/30 мин. 4. Молибден МЧ отжигать
в водороде при 900 °С/10 мин. 5. Отжиг проводить непосредственно перед сваркой.
• Параметры режима сварки: Т — температура нагрева, р — удельное давление,
<с,в—время сварки, рост — давление остаточных газов в камере.
215
параметры являются взаимозависимыми величинами, одинаково (но в разной
степени) влияющими на прочность сварного соединения. Поэтому оптималь-
ные их значения обычно устанавливают экспериментально (табл. 10.1).
В ряде случаев перед сваркой рекомендуется проведение термической об-
работки деталей, в том числе в активных газовых средах (вакуум, водород).
Целью обработки является стабилизация структуры материала, а также ис-
ходного состояния контактных поверхностей, что заметно улучшает сваривае-
мость.
Температуру сварки выбирают в диапазоне (0,7—0,8)7Пл, иногда не-
сколько ниже, до 0,5Гпл (здесь Тал—температура плавления свариваемого
материала). Для тугоплавких и жаропрочных материалов температура может
быть выше указанного диапазона.
Скорости нагрева и охлаждения зависят от источника тепла и в боль-
шинстве случаев их не регламентируют. При сварке разнородных сочетаний
материалов, термический коэффициент линейного расширения которых раз-
личается более чем на 2 • 10-® град-1, скорость охлаждения целесообразно
уменьшать до 10—15 °С/мин.
Разгерметизацию камеры при сварке деталей из черных металлов реко-
мендуют проводить при температуре не выше 120 °C, а для цветных и актив-
ных металлов — при 60 °C.
Давление выбирают в диапазоне 0,8—0,9 предела текучести при темпе-
ратуре сварки. Для известных конструкционных материалов оно может из-
меняться в диапазоне 1—100 МПа.
Время выдержки в зависимости от температуры, давления, допустимой
остаточной деформации, чистоты обработки контактных поверхностей и дефор-
мационной способности материала может колебаться от нескольких секунд
до нескольких часов (чаще 5—10 мин).
При ДСПД-процессе (см. рис. 10.1,6) основными параметрами являются:
температура Т, скорость роста нагрузки Р, скорость деформирования е, время
деформирования t (или степень накопленной деформации еСв). время вы-
держки в режиме релаксации ?рел- Сопротивление деформированию Р в этом
случае является зависимым параметром. Его величина, а также ес». регистри-
руются непосредственно в течение всего цикла сварки (рис. 10.3) в виде
диаграммы. Оба параметра могут быть использованы для контроля и управ-
ления качеством соединения.
Температуру и время деформирования назначают аналогично указанным
выше значениям. Скорость деформирования е по данным [4, 5] для сплавов
ВТ-6 и никеля НП2 целесообразно принимать в диапазоне 10~4—10-5 с-1.
Для других материалов е необходимо подбирать экспериментально.
10.2.6. Пути интенсификации
Повышения производительности процесса добиваются, главным
образом, усовершенствованием сварочного оборудования в на-
правлении сокращения наиболее длительных этапов цикла
сварки — вакуумирования, нагрева, охлаждения. С этой целью
используют многопозиционные приспособления, многокамерные
установки, а также автоматические конвейерные системы.
Под интенсификацией процесса формирования соединения
подразумевается сокращение времени выдержки при сварке,
снижение температуры процесса, повышение эксплуатацион-
ных свойств сварного шва [4].
Применение пластичных, расплавляющихся и порошковых
промежуточных прослоек позволяет снизить температуру про-
216
цесса, в некоторых случаях существенно. Известны приемы
создания пластичного приповерхностного слоя, облегчающего
смятие микровыступов в контакте и активацию поверхностей.
Например, при сварке титановых сплавов это достигается леги-
рованием зоны соединения р-стабилизаторами. Применительно
к сталям пластичный слой создают за счет предварительного
обезуглероживания при высоких температурах. Высокопрочные
никелевые сплавы перед сваркой обрабатывают в смеси газов:
40—30 % Не, 70—90 % Н2. Температура обработки 1100—
1300 °C, выдержка 10—30 ч.
Активировать диффузионные процессы в приконтактных
слоях при сварке тугоплавких и разнородных материалов
можно предварительной электроэрозионной обработкой поверх-
ностей. Это позволяет снизить температуру сварки и исключить
образование интерметаллидов.
При сварке диэлектриков с металлами (например, стекло —
металл) применяют электрическое поле высокого напряжения,
позволяющее в результате действия электроадгезионного эф-
фекта существенно снизить температуру сварки и уменьшить
остаточные напряжения в стекле.
Для интенсификации пластической деформации за счет ак-
тивации диффузионных процессов применяется циклическое из-
менение температуры. При сварке сплавов, испытывающих
полиморфное превращение, термоциклирование проводят вблизи
интервала превращения.
Термодеформационный цикл при ДСПД осуществляется
под непрерывным контролем, поэтому возникает возможность
обеспечить строгую согласованность всех его этапов. Исполь-
зование сложных циклов нагружения, деформирования и раз-
гружения после сварки, назначенных с учетом деформацион-
ной способности свариваемых материалов, а также состояния
контактных поверхностей, позволяет активно управлять про-
цессом формирования соединения и его свойствами [5].
10.3. Технологическая оснастка и оборудование
Практическое применение диффузионной сварки в производ-
стве связано в большинстве случаев с использованием специ-
ального технологического оборудования (установки для диф-
фузионной сварки), при необходимости укомплектованного до-
полнительными приспособлениями.
10.3.1. Основные типы приспособлений
Сдавливание и деформирование деталей при диффузионной сварке проводят
прикладывая усилие перпендикулярно поверхности контактирования. Наи-
более просто это осуществляется при плоских свариваемых поверхностях,
217
6
которые следует считать предпочти-
тельными. В этом случае усилие, как
правило, передается непосредствен-
но или через приспособление (рис.
10.4) от рабочих пуансонов свароч-
ной машины к деталям. Для взаим-
ного фиксирования свариваемых эле-
ментов предварительно выбирают
рациональную конструкцию или про-
стейшие средства с тем, чтобы по
возможности обойтись без дополни-
тельных приспособлений, которые
усложняют сборку, увеличивают на-
греваемую массу металла. Кроме
того, при этом возможно схватыва-
ние деталей с оснасткой.
С этой целью могут быть ис-
пользованы технологические уступы,
проточки, буртики для фиксирова-
Рис. 10.4. Типовая конструкция простей-
шего многоместного приспособления для
диффузионной сварки:
/ — шарик; 2 — прижим; 3 — пуансон;
4 — корпус; 5 — тепловой экран; 6 — цен-
трирующая оправка; 7 — свариваемые де-
тали
ния, которые после сварки могут
удаляться механической обработкой.
Па практике простые по форме де-
тали собирают с помощью полосок
фольги, закрепляемых контактной
точечной сваркой или вязальной
проволокой. Во всех случаях основ-
ным требованием правильной сборки
является свободное прилегание свариваемых поверхностей.
Применительно к деталям сложной формы (например, телескопические
конструкции) для создания давления чаще всего применяют метод термо-
Рис. 10.5. Приспособление для
сварки охватывающих соединений
с ислользоваикем термонатяга:
1 — конусный пуансон; 2 — оправ-
ка; 3 — свариваемые детали
Рис. 10.5. Приспособление для пакетной
диффузионной сварки с использованием
термонатяга [7]:
1 — фланец; 2 — стяжной болт; 3 — цен-
трирующее отверстие; 4 — компенсирую-
щие прокладки; 5 — свариваемые детали
218
натяга (рис. 10.5). Метод термонатяга может быть использован и при сварке
сравнительно простых по форме деталей в сочетании с многоместными приспо-
соблениями (рис. 10.6), что существенно повышает производительность и уп-
рощает технологию. В обоих случаях для нагрева пригодны универсальные
вакуумные печи или печи с контролируемой атмосферой, в том числе шлюзо-
вые и конвейерные. При расчете основных размеров приспособлений исходят
и, требуемого для сварки удельного давления и разницы температурных ко-
аффициентов линейных расширений свариваемых материалов и стягивающих
моментов оснастки.
Для изготовления деталей приспособлений рекомендуются высокохроми
сгые стали и сплавы (например, 0Х27Ю5А, Х25Н20, Х20Н80, 12Х18Н10Т,
12X13, 20X13), молибден (МРН и др.), графит (МПГ-6, МПГ-7). Приспособ-
ления из графита перед использованием отжигают в вакууме при 1300 °C.
10.3.2. Герметизируемые контейнеры
Применение диффузионной сварки крупногабаритных деталей
сдерживается отсутствием специализированного оборудования.
В связи с этим для практики представляют интерес техниче-
ские решения, предполагающие использование стандартного
прессового оборудования. Свариваемые заготовки предвари-
тельно укладывают в тонкостенный контейнер, изготовленный
по форме собранного узла. Контейнер герметизируют, обвари-
вая по периметру, и после вакуумирования внутренней полости
осуществляют нагрев и сжатие заготовок с помощью пресса.
Рис. 10.7. Диффузионная сварка в герметичном контейнере [4]:
I — плита пресса; 2 — свариваемые детали; 3 — контейнер; 4 — вакуумная трубка; 5 —
вакуумный насос; К нагревательные плиты; 7 — нагреватели
21В
оснащенного сравнительно простыми нагревательными элемен-
тами (рис. 10.7). В некоторых случаях герметизируют прост-
ранство только между соединяемыми поверхностями. Для этого
обваривают детали по периметру контактных поверхностей не-
посредственно или с использованием специальных манжет из
жаропрочного сплава или гофрированных элементов.
10.3.3. Универсальные установки
Установки для диффузионной сварки в общем случае имеют
рабочую камеру, механизм для создания сварочного давления
или деформирования, систему для получения рабочей среды
(вакуума или газовой среды), аппаратуру управления и конт-
роля [1]. Применяемое на практике оборудование имеет боль-
шое разнообразие конструктивного решения функциональных
узлов и систем, обусловленное, главным образом, габаритами
свариваемых узлов, степенью их прецизионности, применяе-
мыми материалами и необходимой производительностью. Эти
требования определяют в основном выбор систем нагрева, ва-
риантов рабочей среды, нагружения или деформирования.
В настоящее время в эксплуатации находятся универсаль-
ные установки разных модификаций типа СДВУ, УДС, А-306,
А-308, ОЗД, УДСПД и др.
В общем случае наиболее интересные технические решения
направлены на повышение производительности универсальных
установок. С этой целью применяют принципы создания много-
камерных комплексов (установка УДС-ЗМ) или полностью
автоматизированных конвейерных систем (УДС-5, УДС-6).
В установках типа УДСПД, разработанных для реализации
принципов контролируемого нагружения и деформирования
(ДСПД-процесс), в качестве системы нагружения использу-
ются силовые элементы универсальных испытательных машин.
Учитывая современную тенденцию применения диффузион-
ной сварки для изготовления крупногабаритных изделий слож-
ной формы проводятся работы по созданию крупногабаритных
установок модульного типа (4]. Модуль такой установки снаб-
жен автономными системами вакуумирования, нагрева и сжа-
тия. В зависимости от размеров свариваемой конструкции
монтируется необходимое количество модулей. Отдельная зад-
няя стенка и передняя сдвижная дверца ограничивают в це-
лом рабочее пространство установки. Конструкция модулей
предусматривает возможность изменения рабочего простран-
ства в вертикальном направлении.
220
10.3.4. Г азостаты
Современные газостаты (рис. 10.8) могут с успехом применяться для диффу-
зионной сварки, особенно деталей сложной формы из однородных и разнород-
ных материалов, когда обеспечить равномерное давление материалов по со-
прягаемым поверхностям трудно или невозможно. В большинстве случаев пе-
ред сваркой детали укладывают в тонкостенные технологические оболочки
(конверты) и герметизируют сваркой.
После этого сборку помещают в рабочую
камеру газостата и проводят высокотемпе-
рптурную обработку в течение нескольких
члсов давлением газа >100 МПа (рис.
10.9). Метод горячей изостатнческой обра-
ботки оказался эффективным также для
улучшения свойств соединений, выполнен-
ных диффузионной сваркой. В частности,
его можно использовать для залечивания
дефектов в виде пустот, что способствует
существенному повышению пластичности
сварного соединения.
За рубежом газостаты, пригодные для
использования при диффузионной сварке,
выпускаются фирмами ASEA (Швеция),
Cjonway Pressure Systems Inc. и Autoclave
Рис. 10.8. Схема высокотемпературного газо-
стата. используемого для диффузионной сварки:
I -верхняя пробка; 2 — станина; 3 -- контейнер;
I термоизоляционный колпак; 5 — нагреватель;
6 свариваемая деталь; 7 — термоизолятор; 3 —
нижняя пробка; 9 — трубопровод подачи рабо-
чего газа
Engineers (США), ABRA AG (Швейцария), Kobe Steel (Япония), National
1'orge Europe (Бельгия). В СНГ подобное оборудование разработано
ВНИИметмашем и выпускается Коломенским СПО (табл. 10.2).
ТАБЛИЦА 10.2
ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ГАЗОСТАТОВ КОНСТРУКЦИИ
ВНИИметмаша — КОЛОМЕНСКОГО СПО [6]
Тип газостата Размер заготовки, мм р* шах» МПа г’2 шах» °C Размеры газостата, мм
диаметр | высота высота*3 длина ширина
40X100 40 100 N2 — 200 2000 1 600 (1 600) 2000 1600
450 50 250 Аг — 100 1500 2 260 (2 260) 3750 1110
ГТС-2000 100 250 N2 —200 2000 2 800 (2 800) 2500 1500
32ОХ 550 320 550 Аг — 220 1220 5 485 (4 665) 5520 1650
ЯО6013 340 550 Аг — 200 1500 5 790 (4 980) 5520 1420
ЯО6015 320 1000 Аг — 200 1250 6 340 (5 530) 5520 1420
ЯО 6022 1100 2000 Аг — 200 1200 12 950 (10 750) 8100 5000
•• Ртах — максимальное давление рабочей среды. •• Ттах — максимальная тем-
пература в рабочем пространстве. •• Общая высота газостата (высота под уровнем пола).
221
Рис. 10.9. Схема диффузионной сварки с использованием горячего изоста-
тического прессования:
/ — сборка в контейнере; 2 — герметизация контейнера; 3 — высокотемпера-
турная обработка в газостате; 4 — сваренный узел
10.4. Промышленное применение
10.4.1. Приборостроение
Характерной особенностью конструкций современных приборов
и узлов электронной техники является применение прецизион-
ных элементов, изготовленных из разнородных материалов,
в том числе неметаллических (стекло, керамика и др ). Техно-
логические возможности диффузионной сварки позволяют ши-
роко использовать этот процесс в промышленности [7, 8] при
создании металлокерамических узлов, катодных узлов, вакуум-
плотных соединений из разнородных материалов, полупровод-
никовых систем и др. Большинство известных в настоящее
время разработок в области технологии и оборудования для
диффузионной сварки сделано именно в приборостроении.
В Таллиннском электротехническом институте НПО «Элект-
ротехника» создана технология производства выпрямительных
элементов силовых полупроводниковых приборов и разрабо-
таны конвейерные системы для диффузионной сварки УДС-5
и УДС-6, обеспечивающие высокую степень автоматизации
сварки в условиях непрерывной круглосуточной работы комп-
лекса.
10.4.2. Крупногабаритные заготовки и полуфабрикаты
Диффузионная сварка находит применение для изготовления
крупногабаритных заготовок деталей сложной формы, получе-
ние которых механической обработкой, методами обработки
давлением или литьем невозможно или неэкономично. При
этом путем соединения простых по форме элементов, изготов-
ленных из стандартных полуфабрикатов, можно существенно
повысить коэффициент использования металла (КИМ), а в ряде
случаев получить сложные заготовки из разнородных материа-
лов, которые практически невозможно изготовить другими ме-
тодами сварки. Особенно эффективно такое применение диф-
фузионной сварки в опытном и мелкосерийном производстве.
222
Рис. 10.10. Схема диффузионной сварки крупногабаритной заготовки ребристой па-
нели [4]:
I внешний вид панели; 2 — составные элементы; 3 — детали оснастки; 4 — сборка
контейнере; 5 — сварка с использованием открытого пресса: 6 — сваренная заготовка
При этом чаще всего используются открытые прессы в сочета-
нии с герметизированными контейнерами (рис. 10.10).
С помощью диффузионной сварки получают крупногабарит-
ные толстые многослойные заготовки, из которых затем изго-
тавливают прокаткой слоистые композиционные листы.
10.4.3. Совмещение сварки с формообразованием
Многослойные тонкостенные конструкции типа панелей из ти-
тановых или алюминиевых сплавов с наполнителем сложной
формы (гофры, соты, ребра и др.) получают методом совме-
щения диффузионной сварки и формообразования в режиме
сверхпл астичности.
Листовые заготовки сложной панели предварительно сва-
ривают в необходимых местах в плоском пакете. С этой целью
на поверхность листов перед сборкой пакета наносят барьер-
ное покрытие. Собранный пакет герметизируют по контуру,
вакуумируют и осуществляют диффузионную сварку, а затем
но внутреннюю полость подается газ или жидкость, заготовка
раздувается и принимает форму внутренней поверхности мат-
рицы (рис. 10.11).
223
Средний лист
Z
Рис. 10.11. Схема получения многослойной панели методом совмещения диффузионной
сварки с формообразованием (SPD/DB-процесс) [9]:
/ — подготовка к сварке; 2 —сварка пакета; 3— формование панели; .4 — окончатель-
ная форма детали
V _,
10.5. Контроль качества
Основными типами дефектов сварного соединения являются:
непровар, т. е. отсутствие соединения в отдельных участках
контакта (дефекты 1-го типа), мелкие сферические поры, рас-
положенные в теле общих зерен, которые образовались в зоне
контактирования (дефекты 2-го типа), и плоскоориентирован-
ная межфазная граница.
Особенностью дефектов является то, что они располагаются
вдоль бывшей поверхности контактирования, а величина рас-
крытия непроваров и размеры пор, как правило, невелики. Это
затрудняет применение традиционных неразрушающих методов
для их выявления. Наиболее перспективными методами нераз-
рушающего контроля являются ультразвуковые методы, а также
метод акустической эмиссии.
Глава 11. ТЕРМОКОМПРЕССИОННАЯ СВАРКА
11.1. Общие сведения
Появление новой отрасли промышленности — микроэлектроники потребовало
разработки новых способов сварки — термокомпрессии и сварки косвенным
импульсным нагревом (СКИН). Они являются основными методами для при-
соединения тонких проводников (выводов) к напыленным на полупроводнико-
вую или керамическую пластинку (подложку) пленкам в полупроводниковых
приборах, гибридных и интегральных микросхемах. В данной главе рассмот-
рены терминология, основные схемы, физические основы процесса, технология,
оборудование, промышленное применение и контроль качества. Ряд вопро-
сов освещен кратко. В этих случаях рекомендуются работы [1—15].
224
11.1.1. Определения, терминология и основные схемы
1ермокомпрессия— это способ соединения металлов с металлами и неметал-
лами давлением с подогревом при относительно невысоких удельных давле-
ниях [1—3, 5, 6—8]. По терминологии, которая принята в области сварки
(I ОСТ 2601—84), более правильно термокомпрессию называть микросваркой
давлением с подогревом соединяемых деталей.
Термокомпрессионная сварка является наиболее широко применяемым
способом монтажа полупроводниковых микроприборов и интегральных схем
и разнообразных корпусах с проволочными проводниками (выводами). Один
из соединяемых элементов (обычно вывод) при термокомпрессии должен об-
ладать достаточно высокой пластичностью. Температура при термокомпрессии
нс превышает температуры образования эвтектики соединяемых материалов
и обычно равна температуре отпуска или отжига более пластичного металла.
Разновидностью способа сварки давлением с подогревом является сварка
дввлением с косвенным импульсным нагревом (СКИН) [1—3, 5]. В способе
СКИН в отличие от термокомпрессии инструмент (пуансон) импульсно нагре-
вается проходящим по нему током. Из-за кратковременности процесса на-
। рева металлический проводник в месте контакта может нагреваться до более
высоких температур, чем при термокомпрессии. Это дает возможность прива-
I нвать проводники из относительно малопластичных металлов к тонким плен-
кам на керамических подложках.
Разновидности термокомпрессионной сварки могут быть классифициро-
ваны по трем основным признакам: по способу нагрева, по способу выполне-
ния соединения и по типу образующегося соединения, обусловленного формой
применяемого инструмента [1—3, 6—8].
Подвод тепла в зону сварки осуществляют тремя способами: нагрев
только рабочего столика, нагрев рабочего инструмента, одновременный нагрев
рабочего столика и инструмента (рис. 111).
Применяют следующие способы выполнения соединений при термокомпрес-
снонной сварке: внахлестку и встык (рис. 11.2). При сварке внахлестку
(рис. 11.2, а) проволочный вывод накладывают на металлизированную кон-
тактную площадку. Ось вывода располагают параллельно плоскости контакт-
ной площадки, а вывод подают под инструмент сбоку через специальную
дюзу или непосредственно через рабочий инструмент. При сварке встык
(рис. 11.2,6) конец проволочного вывода (ось вывода перпендикулярна пло-
скости контактной площадки) предварительно оплавляют. Диаметр образую-
Рис. 11.1. Разновидности термокомпрессии в зависимости от способа нагрева:
а — нагрев только рабочего столика; б — нагрев рабочего инструмента; в —
одновременный нагрев рабочего столика и инструмента; 1 — рабочий инстру-
мент (пуансон); 2.— присоединяемый проводник; 3 — подложка или кристалл по-
лупроводникового прибора; 4 — рабочий столик; 5 — спираль для нагрева
15—1063
225
Рис. 11.2. Виды термокомпрессионкой
сварки по способу выполнения соеди-
нения: а — нахлесточное; б — стыковое
с образованием шарика
Рис. 11.3. Основные типы термоком-
прессионных соединений в зависимо-
сти от формы применяемого инстру-
мента:
а — соединение в виде плоской свар-
ной точки (термокомпрессия клином);
б — в виде шляпки гвоздя (термоком-
прессня капилляром
шарика);
а — типа
. с образованием
a — с ребром жесткости (термокомпрессия инструментом
«рыбий глаз> (термокомпрессия инструментом с выступом)
с канавкой);
щегося шарика равен удвоенному диаметру привариваемого вывода. Проч-
ность сварных соединений, выполненных встык, значительно выше прочности
соединений внахлестку и равна при оптимальных параметрах режима про-
цесса сварки прочности привариваемого вывода. При соединении встык ис-
пользуют рабочий инструмент в виде капилляра с центральным отверстием.
На конце привариваемого вывода7 образуют шарик из золота, серебра, пла-
тины — нагревом кислородно-водородным пламенем, а из алюминия — им-
пульсным разрядом конденсаторов [8].
Конфигурация нахлесточного соединения зависит от формы торца рабо-
чего инструмента (рис. 113). Применяют следующие типы рабочего инстру-
мента: иглу-пуансон (рис. 11.4, а) с подачей проволочного вывода под инстру-
Рис. 11.4. Виды инструмента для термокомпрессионной сварки внахлестку:
а — игла-пуансон с подачей проволоки под инструмент сбоку через специальную дюзу;
б — разрезной капилляр типа «птичий клюв»; в — капилляр с центральным отверстием
для подачи проволоки; г —наконечник инструмента (капилляра) с боковым отверстием
для подачи проволоки
226
Рис. 11.5. Схема сварки давлением с косвенным импульсным нагре-
вом V-образным инструментом:
/ — рабочий столик: 2 — подложка или полупроводниковый кристалл:
3— проводник; 4 — V-образный инструмент (пуансон); 5 — головка
для крепления инструмента и создания усилия сжатия-. 6 — источ-
ник питания; 7 — реле времени
мент сбоку через специальную дюзу; разрезной капилляр <птичий клюв»
(рис. 11.4,6); капилляр с центральным отверстием (рис. 114. в) ; капилляр
с боковым отверстием для подачи проволочного вывода (рис. 11.4, г). При
•том форма торца рабочего инструмента может быть плоской, с поперечной,
продольной или крестообразной канавкой и с выступом. Широкое применение
нишли капилляры с центральным отверстием и с боковой подачей. В тех слу-
чаях, когда недопустим общий нагрев свариваемых деталей, применяется ми-
кросварка давлением с косвенным импульсным нагревом V-образным инстру-
ментом, имеющим в нижней рабочей части перемычку уменьшенного сече-
ния [1—3] (рис. 11.5).
11.1.2. Технологические возможности
Размеры свариваемых изделий
Методом термокомпрессии и СКИН присоединяются золотые,
ялюминиевые и медные проводники 010—150 мкм к разнооб-
разным пленкам, напыленным на диэлектрические или полу-
проводниковые подложки [1, 2, 3, 5].
Выполнение неразъемных соединений в полупроводниковых
приборах имеет ряд специфических особенностей: большая
разница толщин соединяемых изделий — металлические провод-
ники толщиной (или диаметром) 10—150 мкм должны прива-
риваться к тонким пленкам (0,5—5 мкм), нанесенным на диэ-
лектрические, полупроводниковые или металлические под-
ложки [8].
Свариваемость однородных и разнородных материалов
Все соединяемые материалы при термокомпрессионной сварке
и СКИН по свариваемости можно разделить на три группы
(1,6]:
15*
227
ТАБЛИЦА Jt.i
СВАРИВАЕМОСТЬ МАТЕРИАЛОВ ТЕРМО КОМПРЕССИЕЙ И СКИН
Материал контактной площадки (подложка — ситалл) Способы микросварки и материал выводов
сварка косвенным импульсным нагревом термокомпрессионная (нагретым пуансоном)
Au 1 A1 1 Си Au Al Си
Au (подслой нихрома) ++ ++ + ++ 4-
Си или Ni (подслой ни- ++ + + ++ + —
хрома)
А1 + + — + + —
Примечание: +4-— свариваются хороши; + — свариваются удовлетвори-
тельно; ----не свариваются.
1. Металлы с хорошей взаимной диффузией в твердом со-
стоянии, образующие ряд твердых растворов (Ag—Au, Au—
Си); они обладают наилучшей свариваемостью при соедине-
нии термокомпрессией и СКИН.
2. Материалы, образующие между собой низкотемператур-
ные эвтектики (А1—Si, Au—Si); они обладают удовлетвори-
тельной свариваемостью.
3. Металлы, взаимная диффузия которых приводит к обра-
зованию интерметаллических соединений и эвтектик (Au—Al,
Au—Sn); они обладают хорошей свариваемостью, но при их
соединении требуется более тщательное соблюдение рекомендо-
ванных параметров режимов сварки.
Характеристики свариваемости некоторых сочетаний мате-
риалов при термокомпрессии и СКИН приведены в табл. 11.1
[1. 3].
11.2. Технология
11.2.1. Требования к конструкции соединений
При термокомпрессионной сварке и СКИН применяются сое-
динения внахлестку и встык. К нахлесточным соединениям предъ-
являются следующие требования (1, 6, 7]: конфигурация соеди-
нения должна зависеть от формы наконечника инструмента;
размер торца иглы должен быть не меньше двух диаметров
вывода, чтобы избежать неравномерной деформации его при
сварке; длина деформированного участка проволоки должна
быть не менее двух ее диаметров; при сварке краем капилляр-
ного инструмента диаметр его торца должен быть не менее
4,5—5,5 диаметра проволоки, при этом ширина кольца капил-
лярного наконечника равна 1,5—2 диаметрам проволоки, а диа-
метр отверстия капилляра составляет 1,5 диаметра проволоки.
228
К стыковым соединениям предъявляются следующие требо-
вания [6, 7]: диаметр оплавленного конца вывода (шарика)
должен составлять два диаметра проволоки; относительная де-
формация оплавленного шарика не должна превышать 75 %;
диаметр соединения должен определяться размерами контакт-
ной площадки прибора; минимальный размер контактной пло-
щадки на приборе должен быть больше диаметра соединения
на величину точности его постановки.
11.2.2. Подготовка поверхностей
Качество сварных соединений при термокомпрессии и СКИН
в значительной степени определяется состоянием поверхности
свариваемых элементов. Это особенно заметно при соединении
проводников с тонкими напыленными пленками. Наиболее ка-
чественные соединения методом термокомпрессии и СКИН
можно получить при сварке проводников с металлическими
пленками непосредственно после их напыления на полупровод-
никовые пластины [6].
Известны четыре основных вида возможных загрязнений
свариваемых материалов [5]:
1. Химически не связанные с поверхностью механические
загрязнения (пыль и различные мелкие частицы).
2. Химически связанные с поверхностью загрязнения (оксид-
ные, нитридные и другие пленки), образующиеся при химиче-
ской и термической обработке свариваемых элементов, при
хранении.
3. Загрязнения в виде органических соединений (жировые
пятна, остатки фоторезиста и воска).
4. Ионные загрязнения (от предварительной химической об-
работки в щелочах, кислотах или солях, остатки флюса).
При производстве микроэлектронных приборов применяют
четыре основных метода удаления загрязнений с поверхности
[5]:
— растворение (например, NaCl хорошо растворяется
в воде);
— эмульгирование (например, удаление жировой пленки
с поверхности щелочью с образованием эмульсии);
— химические воздействия, которые превращают загрязне-
ния в растворимые продукты, которые затем могут быть уда-
лены промывкой (например, удаление оксидов металлов кис-
лотной или щелочной обработкой).
5. Механическое воздействие с целью удаления частиц за-
грязнений потоком жидкости или газа (например, удаление
пылинок струей жидкости или в ванне с жидкостью при воз-
действии ультразвуковых колебаний).
229
Наиболее эффективными методами очистки являются уль-
тразвуковая, паровая и очистка пульсирующим распылением
[5]. Очистка полупроводниковых кристаллов и элементов сбо-
рок выполняется в герметичной камере специальной установки.
Обычно конструкция камеры обеспечивает проведение объем-
ной обработки горячим или холодным растворителем, паровой
и пульверизационной очистки.
11.2.3. Применение покрытий (металлизация)
Подложки являются конструктивной основой гибридных инте-
гральных микросхем. Они оказывают существенное влияние на
параметры тонких пленок и на надежность всей схемы. Основ-
ными материалами, которые используются для подложек, яв-
ляются стекло, ситалл и керамика.
В основе методов нанесения тонких пленок (золотых или
алюминиевых) на подложки, в том числе и на поверхность
кремния и германия, лежит термическое испарение веществ
в вакууме, катодное распыление, распыление ионной бомбар-
дировкой, химическое осаждение из газовой фазы. При изго-
товлении полупроводниковых приборов и интегральных микро-
схем особенно широко используют нанесение пленок методом
катодного распыления.
11.2.4. Выбор параметров режима
Основными параметрами режима при термокомпрессии и
СКИН являются усилие сжатия (давление р), температура на-
грева соединяемых материалов или инструмента Т и длитель-
ность выдержки t под давлением (1—3, 5—9L Выбор усилия
сжатия (давления) определяется допустимой деформацией при-
соединяемого вывода (обычно 30—60 %) и допустимым меха-
ническим воздействием на полупроводниковый прибор (1—3,
5—9]. Величину усилия сжатия выбирают в зависимости от
ТАБЛИЦА 11.1
ОПТИМАЛЬНЫЕ РЕЖИМЫ СКИН ДЛЯ НЕКОТОРЫХ
СОЧЕТАНИИ СВАРИВАЕМЫХ МАТЕРИАЛОВ [1—3J
Сочетание материалов Параметры процесса е. %
проводник пленка на ситалле тк.°с р 10’, Н/м’ 'и- с
Au, 0 (24—80) мкм А1, 0 (30-100) мкм Си, 0 (30—80) мкм Au, Al, Си, Ni Au, Al Au. Си, Ni 300—550 350—550 400—650 8—14 3—8 15—20 0,1—0,5 0,1—0,5 0,1—1,0 50-60 60—70 55-65
230
ТАБЛИЦА 11.3
РЕКОМЕНДУЕМЫЕ РЕЖИМЫ ТЕРМОКОМПРЕССИИ
ДЛЯ РАЗНЫХ СОЕДИНЕНИЙ [1. 3, 7]
Материал полупроводника или покрытия Температура нагрева °C Удельное давление, ХЮ’ Н/м’ Деформация вывода. % Время, с
Кремний Вывод — 350 золото 14—15 60 5—10
Германий 350 14—15 60 3—5
Алюминий, напыленный 350 10—11 50 0,5-3
на SiOa 250 14-15 60 1-5
Золото, напыленное на 300 10—11 50 0,5—3
SiO2 Золото гальваническое 320—340 7—10 50 1—5
Серебро пожженное 350 10-11 17—18 50 60 1—5 7
400 13—14 60 5
Кремний Вывод — 450 алюминий 7 60 10
Германий 400 — 60 10
Алюминий, напыленный 400 6л-7 60 1—3
на SiO, 350 67 60 3-7
Золото, напыленное на 320 (j 7 60 1—3
SiOs Золото гальваническое 320 5 7 60 1—3
Серебро вожженное 400 6—7 60 7—10
Алюминий, напыленный Вывод — 400 серебро 18—19 cj 7
на SiO2 Золото, напыленное на 350 14 — 5—7
SiO2 Золото гальваническое 400 18—19 .— । 3 7
350 18—19 — 5-7
пластичности проводника, сочетания свариваемых материалов,
диаметра привариваемого вывода и вида торца инструмента.
При сварке алюминиевых проводников используют давления
(4—8) • 107 Н/м2, а при сварке золотых проводников—(10—
14) • 107 Н/м2. Температура нагрева свариваемых материалов
в контакте не должна превышать температуры образования эв-
тектики соединяемых материалов [1—3, 5—9]. Длительность
выдержки при условии постоянства температуры и давления
выбирается в зависимости от сочетания свариваемых материа-
лов, состояния их предварительной очистки и от окружающей
среды. Обычно определяется экспериментально путем оценки
прочности соединений и составляет от 0,1 с до нескольких
231
десятков секунд. Области оптимальных рекомендуемых режимов
СКИН приведены в табл. 11.2. Режимы термокомпрессии раз-
ных сочетаний материалов представлены в табл. 11.3.
11.3. Оборудование
11.3.1. Конструктивные особенности установок
Установки для термокомпрессии и СКИН содержат следующие основные узлы
и элементы [1—3, 5—8]: рабочий столик с нагревательной колонкой или без
нее, механизм сжатия, рабочий инструмент, механизм подачи и обрезки про-
волоки, механизм подачи корпусов, манипуляторы для совмещения соединяе-
мых элементов, систему наблюдения, блоки питания и управления рабочими
механизмами.
Рабочий столик предназначен для крепления кристалла или корпуса при-
бора. Рабочий столик делается сменным с целью возможности присоединения
выводов к приборам разной конструкции.
। Нагревательная колонка служит для нагрева прибора до температуры
термокомпрессии. Иногда для защиты прибора от окисления в колонку по-
дается защитный газ (осушенный азот, смесь азота с 6—8 % водорода или
аргон).
Механизм сжатия обеспечивает регулирование усилия прижатия рабочего
инструмента к свариваемым элементам. Для термокомпрессии более широко
используются грузовые механизмы сжатия. Управление ими может осуществ-
ляться вручную, от ножной педали или от электродвигателя. При полуавто-
матическом цикле длительность прижатия устанавливается предварительно и
выдерживается автоматически.
Рабочий инструмент является важнейшим элементом установок для тер-
мокомпрессии и СКИН. Его конструкция должна обеспечить сварное соеди-
нение требуемой формы и размеров, наибольшую эффективность подвода
тепла в зону сварки, удобный подход к свариваемым деталям, простую и
удобную подачу привариваемой проволоки под рабочий торец инструмента.
Материал рабочего инструмента должен обладать высокой износостойкостью,
малой способностью к схватыванию со свариваемыми деталями, теплостой-
костью и иметь низкую теплопроводность. В качестве материала рабочего ин-
струмента при термокомпрессии применяют стекло «Пирекс», рубин, сапфир,
твердые сплавы ВК-2, ВК-6, ВК-6М, ВК-8, ВК-12, ВК-15, моно- и поликри-
сталлический молибден, оксиды бериллия, бариевый слюдоситалл, корунд,
и моноалюминат кальция. При СКИН для рабочего инструмента используют
вольфрам, молибден, ниобий и ниобиевые сплавы.
Механизм подачи и обрезки проволоки используется в зависимости от
назначения установки. При сварке иглой и монтаже внахлестку используется
роликовый механизм подачи, при котором ролики вращаются от мотора. При
сварке капиллярным инструментом с образованием шарика или инструментом
типа «птичий клюв» применяют катушку со свободным сматыванием про-
волоки. При подаче проволоки через боковое отверстие в инструменте меха-
низм подачи и обрыва проволоки выполняют в виде электромагнита и рычаж-
ной системы. Иногда для подачи проволоки используют также пинцет.
Механизм подачи корпусов изготавливается в виде простых зажимов для
крепления каждого корпуса или кристалла или в виде кассет с лентой, в ко-
торой корпуса (кристаллы) предварительно ориентируются.
Манипуляторы предназначены для точного совмещения соединяемых эле-
ментов и рабочего инструмента. Используют манипуляторы двух видов: ры-
чажные и пантографные.
Система наблюдения состоит из бинокулярного микроскопа с увеличением
от 8 до 80 раз. В отечественных установках используется микроскоп МБС-2.
232
233
В настоящее время разработаны специальные проекторы для совмещения
места соединения подложки или корпуса’ с проволокой.
Блоки питания и управления осуществляют управление и контроль ра-
боты всех узлов установки.
11.3.2. Типы и основные технические характеристики установок
В табл. 11.4 приведены основные технические характеристики
отечественных установок для термокомпрессии, а в табл.
11.5 — для сварки СКИН.
11.4. Промышленное применение
В полупроводниковом производстве термокомпрессионная
сварка применяется для присоединения гибких проволочных
проводников из золота, алюминия и меди к тонкопленочным
контактным площадкам, к металлизированной поверхности по-
лупроводниковых кристаллов и выводам корпусов [6].
Наиболее успешно сварку СКИН применяют для присоеди-
нения золотой и алюминиевой проволок к траверсам корпусов
транзисторов и к корпусам гибридных микросхем, изготовлен-
ных из ковара, никеля, ситалла с покрытием из золота [7]. Наи-
более широко распространенной схемой монтажа является со-
единение контактных площадок полупроводникового прибора,
полученного по планарной технологии, с внешними выводами
корпуса с помощью гибких проволочных выводов [1, 12]. При
этом один конец круглого проводника из золота или алюминия
0 (10—300) мкм должен быть приварен к тонкой металличе-
ской пленке тоже из алюминия или золота, напыленной на
окисленный кремний, а другой — к золоченому или алюмини-
рованному ковару или к золоченой толстой пленке на керами-
ческом основании корпуса. Иногда, когда полупроводниковые
приборы выполняются без металлизации (например, мощные
транзисторы), гибкие проводники присоединяют непосредст-
венно к поверхности кремния [1, 12]. При сборке кремниевых
бескорпусных диодов используют плоские медные золоченые
выводы, которые присоединяют непосредственно к полупровод-
никовому кристаллу [1]. При производстве гибридных инте-
гральных схем (ГИС) присоединение гибких проводников
также осуществляется к металлическим пленкам разной тол-
щины, напыленным или выращенным гальванически на диэлек-
трических подложках.
11.5. Контроль качества
Методы контроля качества сварных соединений, полученных
термокомпрессией и СКИН, можно разделить на два следую-
щих основных вида: разрушающие и неразрушающие (1—3,
234
5—8]. К разрушающим методам контроля относятся:
механические испытания соединений; микроскопические иссле-
дования на шлифах с применением обычных металлографиче-
ских или электронных микроскопов; химический анализ (обыч-
ный или с помощью электронного микрозонда) [1—3, 5—8J.
К неразрушающим методам контроля относятся: визу-
альный осмотр соединений и готовых приборов; оценка каче-
ства соединений с помощью щупов; измерение электрических
характеристик готовых приборов [1—3, 5—8].
Из разрушающих методов большей частью применяют ме-
ханические испытания сварных соединений и металлографиче-
ский анализ {1—3, 5—8, 13], которые являются наиболее эф-
фективными при отработке технологических режимов сварки и
их контроля в процессе производства. Прочность определяют
на срез или отрыв под углом 30, 45, 90 или 180° относительно
поверхности подложки. Методом металлографического анализа
определяют структуру сварного соединения и выявляют внут-
ренние дефекты [1, 3, 5, 8],
С помощью металлографического анализа выявляют такие
дефекты, как: плохое сцепление металлической пленки с кри-
сталлом полупроводника или контактной площадкой микро-
схемы; выплавление металла в объем полупроводника, полу-
чившееся из-за высокой температуры процесса сварки;
микротрещины в кристалле полупроводника; наличие интерме-
таллических соединений.
В качестве неразрушающих методов контроля применяют
следующие: визуальный осмотр сварных соединений, испыта-
ние на центрифуге, обдув соединений струей сжатого воздуха,
оценка прочности сварных соединений с помощью тарирован-
ных щупов, контроль электрического сопротивления в кон-
такте, а также технологические испытания (климатические, ме-
ханические и электрические) готовых приборов [2, 5—7, 13, 14].
Визуальный осмотр сварных соединений является наиболее
распространенным методом контроля. Визуальным осмотром
под микроскопом оценивают внешний вид сварного соединения
по сравнению с эталонным (на соответствие требованиям чер-
тежа). Центрифугированию подвергают 100 % готовых изде-
лий. Слабые сварные соединения обнаруживают методом об-
дува воздушной струей, с помощью тарированных щупов и
пробников, а также испытаниями готовых приборов на вибра-
цию и удар (3, 5]. Получившиеся в процессе присоединения вы-
водов дефекты в структуре полупроводника могут быть также
выявлены по электрическим характеристикам прибора [6, 8].
Для приближенной оценки качества сварного соединения без
его разрушения в условиях отработанного технологического
процесса используют осадку металлического вывода [1, 2, 8,
15].
235
Глава 12 ХОЛОДНАЯ СВАРКА
12.1. Общие сведения
Холодная сварка — один из наиболее рациональных способов получения не-
разъемных соединений однородных и разнородных пластичных (в первую
очередь, цветных) металлов и сп'лавов. Как показывает опыт, применение
холодной сварки приводит к значительной экономии материальных, энерге-
тических и трудовых ресурсов.
236
12.1.1. Определения и терминология
Холодная сварка (ХС) — один из видов сварки давлением — осуществля-
ется при значительной совместной пластической деформации без внешнего
нагрева соединяемых деталей. Пластическая деформация может происходить
под действием нормальных к плоскости соединения или нормальных и тан-
генциальных сил (рис. 12.1).
Рис. 12.1. Схемы холодной сварки:
а—д — точечная внахлестку; е—и — шовная; к—м — стыковая; н — сдвигом; о — «гру-
шевидная»; и — сварка — клепка; р — выпрессовыванием (экструзионная); с —сов-
местным деформированием зоны соединения; т — тавровых соединений (/, II —
без предварительного. 111, IV, V — с предварительным зажатием; а, в, е, и —с одно-
237
сторонним; б, г. д, ж, э — с двусторонним дефор-
мированием; к — с плоскими торцами; л —с за-
остренными; м — с конусной полостью зажимных гу-
бок; I — свариваемые детали; 2 — пуансоны; 3 — ра-
бочий выступ; 4 — опорная ограничивающая поверх-
ность; 5 — прижимы; 6 —.зажимные плиты; 7 — коль-
цевые выточки; в — рабочий ролик; 9 — опорный ро-
лик; /0 — матрица; // — зажимные губки; 12 — клин;
13 — выступ клина; 14 — заготовка заклепки; 15 —
заклепка; 16 — пуансон-толкатель; 11 — сваренные детали; 18 — охватывающая деталь;
19 — охватываемая деталь; 20 — обжимное кольцо; PQC — усилие осадки; Р3 — уси-
лие зажатия; Р — усилие деформирования; Т — тангенциальное усилие; — нормаль-
ное сжимающее усилие
238
12.1.2. Физические основы
Соединение при холодной сварке образу-
ется за счет возникновения металлических
связей между соединяемыми частями при их
совместной пластической деформации, в про-
цессе которой поверхностные оксидные пленки
разрушаются и выносятся из зоны контакта,
образуются участки контакта ювенильных по-
верхностей.
Степень требуемой для этого дефор-
мации должна быть тем больше, чем
меньше отношение твердости пленки и ме
талла (рис. 12.2) и чем толще пленка [6].
Пластическая деформация при сварке одно-
родных и разнородных металлов обеспечивает
образование физического контакта, активацию
контактных поверхностей и их схватывание
на стадии объемного взаимодействия.
На заключительной стадии образования
сварного соединения необходимо всестороннее
сжатие с приложением значительного давле-
ния в зоне контакта.
Рис. 12.2. Зависимость сте-
пени деформации схватывания
emin от соотношения твердо-
сти оксидной пленки и ме-
талла Иок^НМе <по шкале
Мооса) (6]
12.1.3. Основные особенности
Наиболее важная особенность ХС — отсутствие внешнего на-
грева, позволяющее сваривать термически разупрочняемые
металлы без ухудшения их свойств, соединять электрические про-
вода, имеющие изоляционные покрытия, соединять разнород-
ные металлы (например, алюминий с медью) без образования
в стыке хрупкой интерметаллидной прослойки, вести процесс
в огне- и взрывоопасной средах, герметизировать емкости, на-
грев которых недопустим.
Достоинствами ХС являются также малая энергоемкость,
гигиеничность, высокая производительность, возможность ме-
ханизации и автоматизации процесса.
ХС успешно соединяются алюминий, медь, никель, серебро,
титан, индий, золото и другие пластичные цветные металлы и
их сплавы.
Прочность зоны ХС увеличивается вследствие наклепа ме-
талла при пластической деформации. Переходное электриче-
ское сопротивление в соединении, полученном ХС, практически
отсутствует.
Недостатки ХС — ограничение в форме и размерах дета-
лей, небольшой диапазон свариваемых металлов, малая уни-
версальность оборудования. Наиболее рационально применять
ХС в крупносерийном или массовом производстве однотипных
изделий.
239
12.1.4. Области применения
Наиболее широко применяется ХС в электротехнике. С ее по-
мощью успешно заменяют дефицитную медь алюминием в ка-
честве токопроводящего материала с обеспечением надежных
контактных соединений. ХС обеспечивает безотходное изготов-
ление обмоток электрических машин и трансформаторов. ХС
можно создавать новые конструкции электротехнических изде-
лий, масса которых значительно меньше аналогов (охладители
полупроводниковых приборов, силовые конденсаторы, распре-
делительные устройства).
Замена ХС существующих технологических процессов
также дает значительную экономию металла. Так, замена
штамповки медных коллекторных пластин электрических дви-
гателей на ХС позволяет сократить отходы металла в восемь—
десять раз. В радиотехнике и радиоэлектронике ХС применяют
для герметизации корпусов полупроводниковых приборов;
в цветной металлургии — для соединения алюминиевых или
титановых катодных штанг с магистральными медными ши-
нами; в приборостроении — для изготовления шасси приборов
из алюминия и его сплавов; в автомобильной промышленно-
сти — при изготовлении радиаторных трубок из алюминиевых
сплавов; в машиностроении — для герметичного пережатия
штенгелей (трубок, отводов), при изготовлении медных уплот-
нительных колец для гидросистем машин и механизмов,
а также переходных элементов из разнородных материалов,
используемых в изделиях криогенной техники; на электрифи-
цированном железнодорожном, городском и промышленном
транспорте—для соединения медных контактных (троллейных)
проводов; в различных отраслях промышленности — при изго-
товлении посуды, бачков, молочных фляг и других изделий из
алюминия.
12.1.5. Основные схемы
Точечная сварка (XTС)
Это — способ соединения деталей посредством вдавливания пу-
ансона на глубину, при которой вследствие деформации обра-
зуется сварная точка. Площадь сварной точки, как правило,
равна площади сечения вдавленной части пуансона, но при
определенных условиях, рассматриваемых ниже, может и пре-
вышать ее. ХТС может выполняться без предварительного (см.
рис. 12.1, а, б) или с предварительным (рис. 12.1, в, г) зажа-
тием деталей путем одностороннего (рис. 12.1, а, е) или дву-
стороннего (рис. 12.1, б, г) деформирования. К ХТС с предва-
рительным зажатием относится и сварка в зажимных плитах
6 с кольцевыми выточками 7 (рис. 12.1, д) [1].
240
Шовная сварка (ХШС)
ХШС— способ соединения деталей посредством вдавливания
рабочих выступов вращающихся роликов или же пуансонов
с кольцевыми рабочими выступами (подобных пуансонам для
ХТС) на глубину, при которой вследствие деформации образу-
ется линейный или кольцевой сварной шов. Как и при ХТС,
применяется одностороннее (рис. 12.1, е) или двустороннее
(рис. 12.1, яс) деформирование металла. На рис. 12.1, з пред-
ставлена схема ХШС пуансонами с кольцевыми рабочими вы-
ступами [1]. Сварка продавливанием через матрицу (рис. 12.1,
и) позволяет изготовлять изделия без отбортовки, а также сое-
динять трубу с расположенными в ней перегородками [2].
Стыковая сварка (ХСС)
ХСС — это способ соединения расположенных соосно и закреп-
ленных с вылетом в специальных зажимах деталей посредством
деформации (осадки) их свободных концов под действием при-
ложенного осевого усилия с образованием прочного сварного
стыка.
Схемы ХСС показаны на рис. 12.1, к — м. Общепринята
схема л, при которой сохраняются исходные форма и сечение
соединяемых деталей.
Сварка тавровых соединений (ХСТС)
ХСТС — способ получения прочного сварного соединения дета-
лей, расположенных взаимно перпендикулярно, вдавливанием
одной детали (прутка, полосы), закрепленной с вылетом в спе-
циальных зажимах, в другую плоскую деталь, установленную
на опоре. Схемы ХСТС показаны на рис. 12.1, т. Зажимы мо-
гут быть плоские (рис. 12.1, т-I, III) или с заостренными ра-
бочими частями (рис. 12.1, т-П, IV). Опора может иметь ра-
бочий выступ (рис. 12.1, r-III, IV). Наиболее пригодны для
практики схемы т-П, HI.
Сварка сдвигом
Это — способ соединения деталей по всей поверхности кон-
такта при одновременном приложении нормального и танген-
циального усилий. Схема холодной сварки сдвигом приведена
на рис. 12.1, н [3].
16—1063
241
Другие способы холодной сварки
Перспективны способы соединения однородных и разнородных
металлов, являющиеся комбинацией холодной сварки с меха-
ническим защемлением соединяемых деталей. К ним относятся
«грушевидная» сварка, сварка-клепка, а также сварка про-
каткой [2], выпрессованием (экструзией) [4] и совместным де-
формированием зоны соединения [5] (см. рис. 12.1, о — с).
12.1.6. Технологические возможности
Размеры свариваемых деталей
Диапазон размеров свариваемых деталей определяется воз-
можностями сварочного оборудования.
Точечной сваркой (ХТС) соединяют листы, ленты; полосы тол-
щиной до 12—15 мм. Форма сварных точек разная (в частно-
сти, круглая, прямоугольная, крестообразная, сферическая).
В многоточечном соединении все сварные точки выполняются,
как правило, одновременно. Наиболее рациональна ХТС алю-
миния, несколько менее—алюминия с медью, меди [1—3, 6, 7].
Шовная сварка (ХШС). Основное назначение ХШС — по-
лучение герметичных швов при соединении корпусов изделий
с крышками. Толщина деталей от 0,3 до 3—5 мм, диаметр ци-
линдрических обечаек — до 200 мм (возможно, и более). ХШС
соединяют алюминий и его сплавы, медь, алюминий с медью,
медь с коваром [1—3, 7].
Стыковая сварка (ХСС). Этим видом сварки соединяют
проволоку, стержни, полосы и профили сечением, определяе-
мым возможностями существующего оборудования: до 15 см2
из алюминия и до 10 см2 из меди. Встык можно сваривать
алюминий и его сплавы с медью, никелем, цинком, медь с се-
ребром и др. [1—3, 7].
Сварка тавровых соединений — это способ холодной сварки
двух деталей, одна из которых плоская, а вторая (приваривае-
мая) может быть прутком, полосой или иметь иную форму.
Диаметр прутка (стержня)—до 30 мм, толщина плоских де-
талей— до 15—20 мм. Существует опыт соединения этим спо-
собом алюминия с медью и латунью [2].
Сварка сдвигом и другие способы. ХС сдвигом соединяют
полосы из. алюминия, меди, армко-железа, никеля толщиной
4—8 мм [2, 6, 7]. «Грушевидной» сваркой соединяют 1,5—3-мм
листы из разнородных металлов [2, 6, 7], сваркой-клепкой —
листы и полосы разных толщин при соотношении 1 : 10 [2], вы-
прессовыванием — трубы из меди с алюминием и стали с цин-
ком для переходников с наружным диаметром 8 мм при тол-
щине стенок 1,0; 1,5 и 2,0 мм [4]. Совместным деформирова-
242
ние .ны соединения изготовляют исходные элементы труб-
чат формы с внутренним диаметром от 3 до 450 мм при тол-
щине стенок от 0,5 до 8 мм при сочетаниях металлов алюми-
ний— сталь, алюминий — титан, сталь — титан, алюминий —
медь, медь — сталь и т. д. [5].
Свариваемость однородных металлов
Под свариваемостью понимается способность металла при дан-
ном технологическом процессе сварки образовывать соединение
с требуемыми конструктивными и эксплуатационными свойст-
вами.
При ХС в плоскости соединения
растекание металла, обнаруживаемое
ной сетки. Степень растекания ер
разных металлов представлена на
рис. 12.3 [6].
Критерием свариваемости при
ХТС является степень деформации
металла в зоне соединения, доста-
точная для получения прочного со-
единения. Применительно к схеме
(см. рис. 12.1, б) она выражается
отношением глубины вдавливания
Рис. 12.3- Зависимость степени относительного
растекания металла £р в плоскости соединения
при холодной сварке внахлестку от глубины
вдавливания плоского пуансона (Я) шириной
4 мм и типа свариваемого металла [6]:
/ — алюминий; 2 — медь; 3 — свинец; 4 — олово;
5 — кадмий; исходный шаг координатной сетки
равен 0.5 мм
происходит значительное
по искажению координат-
Рис. 12.4. Зависимость деформа-
ции схватывания от темпера-
туры [3]:
1 — медь; 2 — алюминий; 3 — дур-
алюмин Д16; 4 — цинк
Рис. 12.5. Зависимость деформации схва-
тывания от температуры плавления ме-
таллов с г. ц. к. решеткой [3]
16*
243
пуансонов Н\ и Н2 к суммарной толщине свариваемых деталей
и 62 [2]:
е = [(Я14-Я2)/(61 + 6а)]-100 %. (12.1)
Для случая схемы рис. 12.1, а при глубине вдавливания пуан-
сона //
е = [#/(«! + 62)]-100 %. (12.2)
Минимальная степень деформации emln при ХТС зависит
от свойств металлов и толщины свариваемых деталей [6]. Ве-
личина emin уменьшается при повышении температуры сварки
(рис. 12.4). Для металлов с одинаковой кристаллической ре-
шеткой наблюдается тенденция к ухудшению свариваемости
(росту emin) с повышением температуры плавления. Алюми-
ний со сравнительно низкой температурой плавления относится
к группе хорошо свариваемых металлов с г. ц. к. решеткой
(рис. 12.5).
Свариваемость разнородных металлов
При сварке разнородных металлов Emin должна быть такой,
как у металла с лучшей свариваемостью [5].
Металл emln- « Металл emin-
АВООО*1 + АВООО*1 55,5 МО*1 + АВООО*1 55
АВООО*2 + АВООО*2 51,2 МО*1 + АВООО*2 51,5
АМц*1 + АМц*1 59,0 МО*1 + АМц*1 57,7
АМц*2 + АМц*2 56,6 МО*1 + АМц*2 66,2
МО*1 + МО*1 73,3
Металл отожжен перед сваркой. м Металл наклепан перед сваркой.
12.2. Технология
12.2.1. Требования к конструкции соединений
При соединении деталей внахлестку путем ХТС и ХШС прочность точек или
шва определяется остаточной (после деформации) толщиной металла по пе-
риметру сварной точки или шва. Прочность соединения может быть повы-
шена при необходимости за счет увеличения количества сварных точек.
Если одна из деталей должна сохранить после сварки гладкую Поверх-
ность, применяется сварка с односторонним деформированием металла. При
герметизации путем ХШС размеры отбортовки могут быть практически лю-
быми.
Стыковые и тавровые соединения не уступают по прочности целому ме-
таллу вне зоны сварки. При ХС сдвигом прочность на отрыв невелика, но
усилие среза, как правило, достаточно для обеспечения требований экс-
плуатации за счет большой площади нахлестки соединяемых деталей.
244
12.2.2. Подготовка поверхности
Цель подготовки — удаление с соединяемых поверхностей
жира, загрязнений, влаги. Рекомендуемые к практическому
применению способы подготовки:
1. Зачистка металлическими проволочными вращающимися
щетками — в подавляющем большинстве случаев для соедине-
ния деталей внахлестку путем ХТС или ХШС; при сварке
встык деталей больших сечений (например, диаметром ^30 мм)
и сварке тавровых соединений.
2. Обрезка концов специальными резаками — при соедине-
нии деталей встык.
3. Никелирование—при сварке мелких деталей, а также
деталей, зачистку которых неудобно производить (например,
соединение корпусов с крышками полупроводниковых прибо-
ров).
4. Анодирование — при сварке алюминиевой фольги.
5. Отжиг — при сварке мелких деталей из алюминия, кото-
рые невозможно зачищать проволочными щетками.
Вращающиеся с частотой 25—50 с-1 и линейной ско-
ростью на поверхности 30—60 м/с металлические щетки
диаметром 120—180 мм изготовляют из 0,1—0,3-мм прово-
локи.
При соблюдении сохранности чистоты подготовленных по-
верхностей время между подготовкой и сваркой может быть
сколь угодно большим. Рекомендуется проводить сварку в ту
же рабочую смену, в которой проводилась зачистка.
12.2.3. Выбор параметров режима
Точечная сварка
Величина Emin, необходимая для образования надежного соеди-
нения при ХТС, %: А1—604-70, Си—854-90, РЬ—554-85, Sn—
864-88, Аи—304-35, In—104-15, Fe—854-92, Ag—504-86, Cd—
804-86, Al-сплавы—754-90, Ti—704-75, Ni—854-90.
При оптимальной e разрушается основной металл, а у свар-
ной точки — максимальное сопротивление срезу. Если в завы-
шена, то разрушение произойдет в наиболее слабом поперечном
сечении, если е занижена — в месте сварки.
При ХТС в основном применяют пуансоны с прямоуголь-
ными и круглыми рабочими выступами. Ширина рабочих вы-
ступов пуансонов прямоугольной формы В=(14-3)б; длина
£=(54-7) В. При сварке очень тонких листов фольги В>36.
Диаметр рабочего выступа пуансонов круглой формы d=(24-
4-3,5) 6.
245
Давление при ХТС в конце деформации, МПа: 300—600 для
отожженного алюминия, 1100—1175 для нагартованного алю-
миния, 1150—1170 для отожженной меди, 1400—2500 для на-
гартованной меди.
Шовная сварка
Основные технологические параметры ХШС аналогичны пара-
метрам ХТС. Скорость сварки 8—12 м/мин. Для ХШС алюми-
ния по схемам рис. 12.1, е, ж рекомендуется применять ролики
следующих размеров: диаметр d = 50 6, ширина рабочего вы-
ступа а= (14-1,5) 6, высота рабочего выступа h = (0,84-0,9) 6,
ширина опорной части s = (24-4,5) 6, где б — толщина сварива-
емого металла. При сварке отбортованных корпусов при тол-
щине стенкд 61 = 0,5—1,0 мм с крышками толщиной 62= 14-3 мм
выполненной по схеме рис. 12.1, з, ширина рабочего выступа
пуансона 0,8—1,5 мм.
Удельное сварочное усилие (на 1 мм длины сварного шва)
при соединении корпуса толщиной 61 =0,5 мм с крышкой тол-
щиной 62=0,75—1 мм составляет 1,25—1,50 кН/мм, а при 61 =
=0,5 мм и 62=2 мм удельное усилие 1,75 кН/мм.
Стыковая сварка
Основные технологические параметры ХСС: величина дефор-
мации свободных (не зажатых в губках) концов деталей, оп-
ределяемая вылетом — припуском на осадку или установочной
длиной (/1 + /2), усилие привода зажатия, давление (усилие)
осадки, число осадок. При сварке деталей из однородных ме-
таллов равного сечения и твердости 1\=1г\ при сварке деталей
из разнородных металлов или однородных металлов разных се-
чений или твердости /1^/2. Величина вылета при ХСС алюми-
ния ZAi= (0,84-1,2) Дд; меди fcu= (1,254-1,75) Дд; свинца /рь=
= (1,04-1,2) Дд; серебра lAg= (1,14-1,5) Дд, где Дд —диаметр
или толщина деталей.
Давление осадки при ХСС составляет для алюминия 0,7—
0,8 ГПа, отожженной меди и алюминия с медью 1,4—1,5 ГПа.
Усилие зажатия должно быть достаточным для полного пре-
дотвращения проскальзывания деталей в губках в процессе
осадки. Оно должно превышать усилие осадки в 1,45—1,6 раза.
При выборе рациональной схемы механизма зажима, с обеспе-
чением самонераскрывающегося «замка>, усилие привода ме-
ханизма зажатия может быть меньше усилия осадки.
При сварке деталей круглого сечения, а также прямоуголь-
ных деталей толщиной >6 мм может оказаться достаточной
однократная осадка. В остальных случаях применяют, как пра-
вило, двойную осадку.
246
Сварка тавровых соединений
Основными технологическими параметрами ХСТС являются:
относительный вылет, т. е. отношение вылета к диаметру или
толщине свариваемой детали, степень деформации (как и при
ХТС), усилие осадки. Оптимальные значения вылета одной де-
тали и е второй детали близки к тем значениям, которые имеют
место при ХТС и ХСС. Наиболее благоприятен случай, когда
диаметр прутка равен толщине пластины, к которой он при-
варивается. Возможна сварка и при других соотношениях этих
размеров.
Сварка сдвигом
Основными технологическими параметрами ХС сдвигом (см.
рис. 12.1, н) являются: угол клина или угол сдвига асд, усилие
сжатия свариваемых деталей перед началом сдвига, силы Т и
N, величина сдвига Д/, скорость сдвига исд. Также важен спо-
соб подготовки поверхностей. Зачистка вращающимися прово-
лочными щетками в данном случае не годится. Рекомендуемый
способ подготовки к сварке сдвигом — техническая зачистка
ножом или шабером. Оптимальные значения параметров
сварки обеспечивают равнопрочность соединения с основным
металлом при испытании на срез. Так, при сварке алюминия
и меди толщиной 6 = 4 мм и площади нахлестки 650 мм2, асд=
=7° и псд=1,5 м/ч равнопрочность достигается в случае Т—
= 39,2 кН и 7V=27,5 кН, а для меди 7 = 88,3 кН и Л/ = 68,7 кН (7].
Основные технологические параметры ХС сдвигом с совме-
стным деформированием зоны соединения (см. рис. 12.1, с)
при изготовлении алюминиевостальных (АМц+12Х18Н10Т)
переходников: угол конуса обжимного кольца а=5°, угол про-
филя выступов и канавок на стальной детали (5 = 60°, средняя
величина деформации стальной детали е=37+-42%. Основные
параметры «грушевидной» сварки (см. рис. 12.1, о) однород-
ных металлов: <р= 1004-105°; di=d2 = 1,25 (61 + 62); ₽i = ₽2=10°;
D= 1,9 (61 + 62); а=0-+20°; й=0,7 (6i + 62); W«0,8 (61+62); сум-
марная относительная деформация 75—77 % [2].
12.3. Оборудование
12.3.1. Общие требования к оборудованию
Оборудование ХС предназначено, как правило, для работы в специальных
условиях. Оно имеет гидравлический (реже — пневматический или пневмо-
гидравлический) привод. Ручной инструмент применяется только для ХСС
проводов небольших сечений. К оборудованию для ХС предъявляются сле-
дующие общие требования: надежность в работе, высокая производитель-
ность, минимальные энерго- н металлоемкость, удобство в эксплуатации.
247
12.3.2. Основные узлы и элементы
Машины для ХТС обычно содержат силовой привод, сварочный штамп (или
сварочную головку), элементы схемы и аппаратуру управления. Машины
для ХШС замкнутым швом содержат аналогичные узлы. Машина для ХСС
содержит силовой привод, механизмы зажатия и осадки с зажимными губ-
ками, обрезное устройство для подготовки концов деталей к сварке, узлы
управления.
Машина для ХСТС состоит из силового привода, механизмов зажатия
и осадки с зажимными губками, штампа для крепления плоской детали,
зачистных устройств, узлов управления.
12.3.3. Оборудование общего и стационарного назначения
Оборудование для ХС обычно малоуниверсально. При переходе от одних
свариваемых деталей к другим требуется, как минимум, заменять пуансоны,
штамп или губки. Оборудование, которое позволяет сваривать однотипные
детали определенного диапазона сечений, можно условно назвать оборудо-
ванием общего назначения. Такое оборудование выпускается серийно.
К другой группе относятся машины для сварки одной единственной
пары деталей или двух-трех пар, близких по форме и размерам сечения.
Такие машины можно назвать стационарными. Оборудование общего на-
значения приведено в табл. 12.1, стационарного — в табл. 12.2
ТАБЛИЦА 12.1
ОБОРУДОВАНИЕ ОБЩЕГО НАЗНАЧЕНИЯ
Тип оборудования Назначение Площадь сечения сваривае- мых деталей, мм3 Сварочное усилие, кН
Установки и маишны для точечной сварки [2, табл. 9./]
УГХС-5-2 ХТС Al + Al, Al + Си — 5*1 50
УГХС-10 ХТС Al + Al, А1 + Си — 8*1 100
МХСА-50-3 Армирова- А1 + Си — 60 X 60« 500
ние алюми-
ния медны-
ми наклад-
ками
МХСА-120 А1 + Си — 120 X 120*а 1200
Машины для стыковой сварки [2, табл. 9.2]
МСХС-0,8 ХСС Al + А1 — 0,5 — 7,0; Си + Си, А1 + + Си — 0,5 — 0,4 8
МСХС-5-3 ХСС А1 4- А1 — 2 — 30; Си + Си, А1 + + Си — 2 — 20 50
МСХС-8 ХСС Al + А1 — 3 — 80; Си 4- Си, А1 4- 4* Си — 3 — 50 80
МСХС-20-3 ХСС А1 4- А1 — 20 — 200; Си 4* Си, А1 4- 4- Си — 20 — 120 200
МСХС-120-2 ХСС А1 4- А1 — 100 — 1500; Си 4- Си, А1 4- Си — 100 — 1000 1200
** Толщина свариваемых деталей, мм. •• Размеры армируемых участков, мм.
248
Продолжение табл. 12.1
Тип оборудования Назначение Площадь сечения свариваемых деталей, мм® Сварочное усилие. кН
Ручной инструмент для стыковой сварки [2, стр. 173; 8, табл. 1.98]
КС-6 ХСС Al + А1 — 2,5 — 10; Си + Си — 2,5—4 11.8
ПС-7 ХСС А1 + А1 —0,8 —5; Си + Си, А1 + + Си — 0,8 — 2,5 —
СНС-3 ХСС Al + А1 — 2,5 — 25; Си + Си, А1 + + Си — 2,5 — 10 30
KSI ХСС Al + А1 — 1,5 — 6 —
KSII ХСС Си + Си — 1,5 — 4 —
KSIV ХСС Си + Си, А1 + Си, Al + А1 — 1,5 —
KSV ХСС Си + Си — 2,5 — 4; Си + А1 — 2,5 — 6; Al + А1 — 2,5 — 10 —
Машины-полуавтоматы ]2, табл. 9.3, стр. 186—188]
МСХС-802 ХСС Al + А1 — 6 — 100; Си + Си — 6 — 50; А1 + Си — 6 — 80 80
МСХС-2005 ХСС Al + А1 — 30 — 200; Си + Си, А1 + + Си — 30 — 125 200
МСХС-12003 ХСС Al + А1 — 100 — 1500; Си + Си, А1 + Си — 100 — 1000 1200
К-598 ХСС Al + А1 — 26 — 300; Си + Си, А1 + + Си — 26 — 120 200
СПЗ-70 ХСС Al + А1 — 78,5; Си + Си, А1 + Си — 26,5 70
СПЗ-300 ХСС Al + А1 — 375; Си + Си, А1 + Си — 120 300
СПЗ-350 ХСС Си + Си — 80 — 100 350
WLS ХСС Al + А1 — 20 — 400; Си + Си- 20 — 150; А1 + Си — 20 — 250 400
Установки для холодной сварки [в, табл. 1.98]
Нукаде 3,3 ХСС Al + А1 — 25; Си + Си - + Си — 13,5 11; А1 + 33
Нукаде 5F ХСС Al + А1 — 36; Си + Си — +Си — 20 16; А1 + 50
Нукаде 19,8 ХСС А1 + А1 — 150; Си + Си - + Си — 80 66 ; А1 + 198
249
ТАБЛИЦА 12.1
СТАЦИОНАРНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
Тип оборудования Назначение Толщины (площадь сечения) свариваемых деталей, мм (мм3) Сварочное усилие, [кН
Машины для точечной сварки [2, табл. 10.1]
МТХС-901 ХТС фляги с бобышками А1 2.5 + AI 3,0 90
МТХС-1201 ХТС кастрюли с ручками А1 2,0 + AI 2,0 120
МТХС-1501 ХТС фляги с ручками А1 2,5 + А1 3,0 150
МТХС-12001 ХТС фольги А1 (0,5-=-1,0) + А1 (1-5-4) 1200
МТХС-40001 ХТС охладителей полу- Al 20+ AI 1,5 4000
проводниковых приборов
Машины для шовной сварки 12, табл. 10.2]
МХС-801 ХШС контейнеров с крышками AI 0,5+ А1 1,0 80
МХС-2501 ХШС банок с крышками А1 0,5 + Л1 1,0 250
К609М ХШС полупроводнико- вых приборов Си 0,5 + ковар 0,5 800
Машины для стыковой сварки [2, с. 203—209]
МСХС-8002 ХСС контактных колец (Си. 600) 800
МСХС-4001 ХСС опорных колец (А1, 400) 400
МСХС-2004 ХСС контактных прово- дов (Си, 100) 200
МХСД-40 То же (То же) '00
К610 ХСС транспонированных проводов (Си, 70) 150
Машины для сварки тавровых соединений (2, с. 210]
МСХС-40001 | | ХСТС шин со стержнями| | Си 0 36 + А1 10 X 80 | | 4000
12.4. Контроль качества соединений
12.4.1. Методы неразрушающего контроля
При ХТС неразрушающим методом контроля является внеш-
ний осмотр расположения сварных точек на требуемом рассто-
янии от края детали, отсутствие надрывов по периметру свар-
ной точки, наличие отпечатка от опорных частей пуансонов.
При ХШС вращающимися роликами внешним осмотром про-
веряется отсутствие подрезов в шве и непрерывность швов по
всему периметру. Выборочно с помощью контрольных прибо-
ров проверяется глубина вдавливания выступа пуансонов или
роликов. Качество герметичных сварных швов проверяют по-
гружением в нагретую жидкость, методом опрессовки, радио-
активным методом, обеспечивающим обнаружение течей до
250
IO-8—10 9 л • мкм/с, позволяющим автоматизировать процесс
испытания масс-спектрометрическим методом с чувствительно-
стью до 10~8 л • мкм/с гелия. При ХСС качество контролируют
посредством как внешнего осмотра, так и механического испы-
тания на изгиб с выпрямлением; сварной стык при этом не
должен разрушаться. Для подтверждения результатов механи-
ческих испытаний применяют металлографические исследо-
вания.
12.4.2. Методы разрушающего контроля
Методы разрушающего контроля в производственных условиях
применяют выборочно на образцах-свидетелях. При оценке ка-
чества соединений, выполненных ХТС, проводят механические
испытания образцов-свидетелей на срез или отрыв. Для конт-
роля замкнутых швов, выполненных ХШС, применяют метод
опрессовки, доводя испытуемый образец до разрушения избы-
точным давлением. Основными методами контроля соединений,
выполненных ХСТС, являются механические испытания специ-
альных образцов-свидетелей на растяжение и изгиб.
Глава 13 УЛЬТРАЗВУКОВАЯ СВАРКА
13.1. Общие сведения
Ультразвуковая сварка (УЗС) является одним из современных способов
соединения металлов в твердом состоянии.
Возможность применения ультразвука для получения неразъемного сое-
динения была обнаружена при исследовании особенностей контактной сварки
с ультразвуковой очисткой соединяемых поверхностей [1].
Наиболее интенсивное развитие этот процесс получил в последние 30—
40 лет. К настоящему времени в СССР и за рубежом разработаны обору-
дование и технология УЗС металлов, которые успешно применяются в про-
мышленности.
13.1.1. Определение и основные схемы процесса
УЗС — сварка давлением, осуществляемая при воздействии ультразвуковых
колебаний (ГОСТ 2601—84; СТ СЭВ 5277—85). Неразъемное соединение
при УЗС металлов получают в процессе сжатия соединяемых элементов с от-
носительно небольшим усилием (десятые доли или единицы ньютона при
соединении элементов микросхем и полупроводниковых приборов и не более
10‘ Н при сварке относительно толстых листов) при одновременном воздей-
ствии на зону контакта механических колебаний с частотой 15—80 кГц
12-5].
Сварку с помощью ультразвука осуществляют на специальных машинах,
состоящих из источника генерации высокочастотных (ультразвуковых) элек-
тромагнитных колебаний, механической колебательной системы, аппаратуры
управления сварочным циклом и привода сварочного усилия [1, 2, 4—6].
251
Рис. 13.1. Схема типовых колебательных систем для УЗС металлов [1]:
а — продольная; б — продольно-поперечная; в — продольно-вертикальная; г — кру-
тильная
Преобразование электромагнитных колебаний в механические и введение
последних в зону сварки обеспечивается в этих машинах механической коле-
бательной системой. Типовые колебательные системы для УЗС металлов
приведены на рис. 13.1. Основным звеном колебательных систем является
преобразователь I, который изготавливают из магнитострикционных или элек-
трострикционных материалов (никель, перминдюр, титанат бария, ниобат
свинца и др.). Преобразователь является источником механических колеба-
ний. Волноводное звено 2 осуществляет передачу энергии к сварочному на-
конечнику и обеспечивает увеличение амплитуды колебаний по сравнению
с амплитудой исходных волн преобразователя, а также трансформирует со-
противление нагрузки и крнцентрирует энергию в заданном участке свари-
ваемых деталей 5. Акустическая развязка 3 от корпуса машины позволяет
практически всю энергию механических колебаний трансформировать и кон-
центрировать в зоне контакта. Сварочный наконечник 4 является согласую-
щим волноводным звеном между нагрузкой и колебательной системой Он
определяет площадь и объем непосредственного источника ультразвуковых
механических колебаний в зоне сварки.
В зависимости от формы сварочного наконечника колебательной системы
УЗС металлов может быть точечной, шовной или кольцевой [2, 4, 5, 7].
252
13.1.2. Физические основы
При УЗС необходимые условия для образования соединения
создаются в результате наличия механических колебаний
в зоне контакта соединяемых элементов. Энергия вибрации со-
здает сложные напряжения растяжения, сжатия и среза. При
превышении предела упругости соединяемых металлов проис-
ходит пластическая деформация в зоне их контактирования.
В результате пластической деформации и диспергирующего
действия ультразвука происходит разрушение и удаление по-
верхностных пленок различного происхождения, а также обра-
зование сварного соединения [2, 4—6, 8, 9]. При этом отмеча-
ется [8] резкая интенсификация процесса образования соедине-
ния в результате ультразвукового воздействия на свариваемые
материалы. Температура нагрева в зоне контакта обычно не
превышает 0,3—0,5 от температуры плавления соединяемых
металлов [2, 4, 5, 9]. Согласно [2], повышение температуры не
является определяющим фактором в образовании сварного со-
единения и не оказывает значительного воздействия на свари-
ваемые металлы. При УЗС происходит лишь незначительное
изменение структуры и свойств свариваемых металлов.
13.1.3. Технологические возможности
УЗС позволяет соединять разные элементы изделий толщиной
0,005—3,0 мм или диаметром 0,01—0,5 мм [7]. При приварке
тонких листов и фолы к деталям толщина последних практиче-
ски не ограничивается [2]. Разнотолщинность свариваемых де-
талей при УЗС может достигать 1: 100 [4, 5]. На рис. 13.2
представлены наиболее распространенные для ультразвуковой
сварки металлов типы сварных соединений [4—6].
Рис. 13.2. Основные типы сварных соединений металлов (4—6]:
а — внахлестку; б —по рельефам; в —с раздавливанием кромок; а — параллельное,
круглого элемента с плоским; д — встык круглого элемента с плоским; е — крестооб-
разное, круглых элементов; ж — параллельное, круглых элементов; э — многослойных
деталей и пленок; и. к — «гловое
253
Рис. 13.3. Сочетали^ сварИваемых материалов [7]
С помощью уль Тразвука можно сваривать металлы и сплавы
как между собой ((в однородном или разнородном сочетании),
так и с некоторым и неметаллическими материалами. Сварива-
емость металла за1висит от его твердости и кристаллической
структуры. С увеЛ|Ичением твердости свариваемость ухудша-
ется. При сварке Металла с решетками г. ц. к., о. ц. к. и гек-
сагональной свари1ваемОсть ухудшается в пропорции 24:8:6.
Это обусловлено ьем> что металлы с разной кристаллической
структурой обладают неодинаковой способностью проводить
ультразвуковые ко,лебания [10]. На рис. 13.3 приведены соче-
тания свариваемых^ материалов при УЗС [7].
13.2. Технология св.арКИ
Схема типового технологического процесса при УЗС металлов
представляет собо,й комплекс последовательно выполняемых
операций, основны1ми из которых являются: подготовка свари-
ваемых поверхностей, сборка узлов, прихватка, сварка и
правка. Объем раб, от по каждой операции определяется особен-
254
ностями технологии изготовления конкретных изделий. При-
хватка при ограниченном числе сварных точек может не вы-
полняться (4, 5].
13.2.1. Подготовка поверхностей
Большинство исследователей [2, 4—8] отмечают, что влияние
поверхностных пленок на прочность соединений, выполненных
УЗС, невелико. Поэтому считается, что при УЗС металлов мо-
жно получать сварные соединения с высокими эксплуатацион-
ными характеристиками без предварительной обработки соеди-
няемых поверхностей. Вместе с тем в некоторых работах [4, 5]
указывается на целесообразность удаления поверхностных пле-
нок с соединяемых поверхностей, так как они не только сни-
жают возможность образования сварного соединения, но в ряде
случаев исключают получение технологического эффекта.
В работах [7, 11] предлагается для подготовки поверхно-
стей, свариваемых с помощью ультразвука, применять обезжи-
ривающую обработку.
13.2.2. Выбор параметров режима сварки
Основными технологическими параметрами режима УЗС ме-
таллов являются амплитуда колебаний сварочного наконеч-
ника £св, сварочное усилие FCB и время сварки tCB [4, 5, 9].
Амплитуда колебаний сварочного наконечника является
важнейшим параметром режима сварки, влияющим на созда-
ние необходимых условий для удаления поверхностных пленок,
нагрев, расположение и размеры зоны пластической деформа-
ции свариваемого металла. В каждом конкретном случае |Св
назначают в зависимости от наличия оксидной пленки и ее
толщины, а также от свойств (предела текучести и твердости)
и толщины свариваемого металла. При этом она растет про-
порционально пределу текучести, твердости и толщине свари-
ваемого металла. Величина £Св обычно находится в пределах
от 0,5 до 50 мкм. В процессе сварки £св может изменяться
в соответствии с типовыми циклограммами, приведенными на
рис. 13.4 [3—5].
Сварочное усилие обеспечивает передачу ультразвуковых ко-
лебаний и вызывает пластическую деформацию металла в зоне
соединения. С увеличением предела текучести, твердости и тол-
щины свариваемого металла величина FCB растет. При этом FCB
и £св взаимосвязаны между собой, т. е. при заданной мощности
механической колебательной системы с увеличением Нсв свароч-
ное усилие необходимо снижать. При соединении элементов
микросхем и полупроводниковых приборов FCB составляет деся-
тые доли либо единицы ньютона, а при сварке относительно
25S
Рис. 13.4. Циклограмма изменения амплитуды колебаний сварочного наконечника в про-
цессе сварки [5]:
о — £св снижается плавно; б — режим сварки задан экспериментом; в — снижение
ступенчатое; а —критерий Х= (2-5-2,5) 5^аХ/£^*П! в — программирование £св
Рис. 13.5. Циклограмма изменения сварочного усилия в процессе сварки [5]:
а — ступенчатое снижение; б — ступенчатое увеличение; в — плавное изменение; г —
частотное нагружение; д — программирование с частотой наполнения
толстых листов Fea обычно не превышает 104 Н. В процессе
сварки FCB остается постоянным или изменяется по определен-
ной программе (рис. 13.5) [3—5].
Время сварки зависит от других параметров, свойств и тол-
щины свариваемого металла. Зависимость /св от свойств и тол-
щины свариваемого металла такая же, как для FCb. Величину
/Св устанавливают в пределах 0,1—4 с |3—5].
13.3. Оборудование
Для УЗС металлов в СССР и за рубежом создано значитель-
ное количество универсальных и специализированных машин,
которые нашли применение при изготовлении широкой номен-
266
ч
з:
*5
КРАТКИЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ** МАШИН ДЛЯ УЗС МЕТАЛЛОВ [4, 5]
Назначение Точечная сварка > » » » Одновременная приварка плавкого элемента из пер- форированной алюминие- вой фольги к толстостенным ножам электрических пре- дохранителей Точечная сварка магнитов из сплава ЮНДК с держа- телем из сплава МНЦ при изготовлении реле разных типов Точечная сварка никелевых токоподводов с медными ши- нами электронагревателей Шовная сварка > » » >
О До 3600 (3600)*2 До 3600’2 180*3
о. До 3600' 180*3 е.0001 СО со со
h, мм 0,2+0,2 - Си 0.3+0.3 - А1 0,1+0,1 (0,25 + + 0,25) — А1 0,5+0,5 — А1 0,5+0,5 5-4 ЮНДК 0,15—0,4 МНЦ сч о + сч о“ 0,2-А1 0,5 — А1 0,8 - А1
X и о к. 392 (кПа) 50 (600) 1200 600 1200 200-1000 500 1500 2500
f. кГц ш +1 сч сч 44 (22) 22 22± 1,65 22±1,65 22± 1,65 счсч оо СЧ СЧ —•
V, кВт 0,4—0,63 ! 0,1 (0,63) 1,5 2X0,6 2X1,5 ю о" 41 Sino о —Г-ф
С о
Марка свароч! машины МТУ-0,4 4У4 >> >5ОО —Ш о o' —Го "Т >> о" i ч X >> о МШУ-0,63 МШУ-1,5 МШУ-4
♦« tp _ мощность; f — частота; FCB — сварочное усилие; h — толщина свариваемого металла; Р — производительность. •’ Число
сварок в час. Число изделий в час. *‘м/мин.
«7—1063
257
ТАБЛИЦА 13.2
КРАТКИЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ* УСТАНОВОК
ДЛЯ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ МИКРОСВАРКИ [4, 5, 3, 11 — 14]
Марка установки W. Вт f. кГц н Св <1п. мкм Р, число сварок/ч
МС-41П2-1 МС-41ПЗ-2 МС-41ПЗ-3 6,3 66 0,2—1.5 0,05—1.5 20—50 800—1200
УЗП-02 До 8,0 75+2,0 0.05—0,7 0,05—0,5 25—50 2500
УЗП-ОЗ До 8.0 75+2.0 0,1- 1,0 0,05—0.5 20—50 600
ЭМ-421 А До 6.3 66+6.6 0.1—1,2 0.08—3,6 25—60 700
ЭМ-423 До 6,3 59—61 0,1—0,75 0.1 —1,0 20—60 800—1200
ЭМ-425 А До 6.3 66+6,6 0,1—1.2 0,08—3,6 25—60 800
НВП 1 6,0 75+5,0 0,05—0,5 0,04—2,0 20—50 1500
НВП-2 6,0 75+5,0 0,1—0,2 0,04—2,0 24—40 2400
УЗСКН-1 20 44 0,25—10.0 0,1 —1.5 30—100 300
Контакт-4А 20 60 0,2—1,8 0,04—4,0 20—160 350
* Обозначения параметров см. в табл
13.1; — диаметр провода.
клатуры изделий. Машины, как правило, выполнены на весьма
высоком техническом уровне и позволяют автоматизировать
сварочный процесс. Краткие технические данные некоторых
отечественных машин для УЗС металлов приведены в табл.
13.1 [4, 5].
В последнее время существенное развитие получила ультра-
звуковая микросварка, предназначенная для соединения раз-
ных элементов микросхем и полупроводниковых приборов.
Оборудование для ультразвуковой микросварки отличается вы-
сокими показателями производительности и уровня автомати-
зации всего технологического процесса сборки и сварки из-
делий. В табл. 13.2 приведены краткие технические данные
некоторых установок для ультразвуковой микросварки, разра-
ботанных в СССР [4, 5, 8, 11—14].
13.4. Промышленное применение
Процесс УЗС применяют для соединения относительно тонких фольг, листов,
проволок и других деталей. Особые преимущества этот процесс имеет при
соединении разнородных и термочувствительных элементов. Областями нс-
258
пользования УЗС являются: производство полупроводников, микроприборов
и микроэлементов для электроники, конденсаторов, предохранителей, реле,
трансформаторов, ламп бегущей волны, нагревателей бытовых холодильни-
ков, приборов точной механики и оптики, реакторов, десублиматоров ва-
куумных сушильных установок, сращивание концов рулонов различных тон-
колистовых материалов (медь, алюминий, никель и их сплавы) в линиях их
обработки, а также автомобильная промышленность [2—5, 8].
Накопленный опыт применения УЗС выявил следующие преимущества
этого процесса [2, 4, 5]:
1. Сварка осуществляется в твердом состоянии металла без существен-
ного нагрева места сварки, что дает возможность соединять химически ак
тивные Металлы и разнородные металлы, склонные к образованию хрупких
интерметаллидов в зоне соединения.
2. Возможность получения сварных соединений, которые трудно выпол-
нить с помощью других видов сварки из-за больших энергетических и тех-
нологических затрат (например, сварка меди, алюминия и др.).
3. Возможность соединения тонких и ультратонких деталей, возмож-
ность приварки таких листов и фольг к деталям практически неограничен-
ной толщины, сварка пакетов из фольги.
4 Снижение требований к чистоте свариваемых поверхностей дает воз-
можность проводить сварку деталей с плакированными и оксидированными
поверхностями, а также деталей, поверхности которых покрыты разными
изоляционными пленками.
5. Незначительная деформация поверхности деталей в месте их соедине-
ния вследствие применения небольших сварочных усилий.
6. Малая мощность сварочных машин и несложность их конструкции.
7. Простота автоматизации.
8. Гигиеничность процесса.
Глава 14 СВАРКА ТРЕНИЕМ
Сваркой трением (СТ) называют технологический процесс получения неразъ-
емного соединения, осуществляемый за счет использования теплоты, образу-
ющейся на поверхности контакт? двух заготовок, прижатых одна к другой
и участвующих в относительном движении. После прерывания или полного
прекращения относительного движения СТ завершается приложением уси-
лия проковки [1].
Как и при других способах сварки давлением, сварное соединение при
СТ образуется в результате совместного пластического деформирования при-
контактных объемов свариваемых заготовок. Отличительной особенностью
СТ является получение теплоты непосредственно в зоне контакта за счет
прямого преобразования работы, затрачиваемой на преодоление сил трения,
возникающих при взаимном перемещении трущихся поверхностей заготовок.
СТ имеет следующие преимущества; высокое качество сварного соеди-
нения; высокая производительность; возможность сварки металлов в одно-
родных и разнородных сочетаниях; высокий КИМ; возможность установки
машин для СТ в автоматические и роторные линии, управляемые
ЭВМ.
14.1. Общие сведения
В табл. 14.1 приведены регулируемые и производные параметры режима
СТ с непрерывным приводом и инерционной СТ, получивших наибольшее
промышленное применение.
17*
259
ТАБЛИЦА 14.1
РЕГУЛИРУЕМЫЕ И ПРОИЗВОДНЫЕ ПАРАМЕТРЫ РЕЖИМА СТ
С НЕПРЕРЫВНЫМ ПРИВОДОМ (I) И ИНЕРЦИОННОЙ СТ (II)
Параметр Определение Обозна- чен ие Единицы измере- ния Сварка тре- нием
1
Регулируемые параметры
Окружная линей- Отношение пути, прой- V м/с + +
пая скорость денного точкой по на- ружному диаметру на поверхности трения за промежуток времени» к длительности этого про- межутка
Угловая скорость (частота вращения) Отношение угла поворо- та радиус-вектора точки в плоскости скольжения за промежуток времени к длительности этого промежутка (количество оборотов вокруг оси вра- щения, совершенных шпинделем за одну се- кунду) Усилие при притирке, отнесенное к единице площади исходного се- чения свариваемых за- готовок G) (л) рад/с (с-1) + +
Удельное давление притирки Рп МПа + —
Удельное давление нагрева Усилие при нагреве, от- несенное к единице пло- щади исходного сечения свариваемых заготовок Рн МПа + +
Удельное давление проковки Усилие проковки, отне- сенное к единице площа- ди сечения свариваемых заготовок Р пр МПа +
Время притирки Длительность приложе- ния к заготовкам, под- лежащим сварке, уси- лия притирки tn С + —
Время нагрева Длительность выделе- ния теплоты трения в процессе относительно- го движения сваривае- мых заготовок tn с +
Время проковки Длительность приложе- ния к свариваемым за- готовкам усилия про- ковки в завершающей стадии процесса сварки tnp с + -.4-
260
Продолжение табл. 14.1
Пира метр Определение Обозна- чение Единицы измере- ния Сварка тре- нием
1 II
Момент инерции вращающихся масс Момент инерции, рав- ный сумме моментов инерции вращающихся частей, обеспечивающих тепловую энергию свар- ки 1 Н-м-с1 — +
Отрицательное уг- ловое ускорение шпинделя от мо- мента выключения привода до его ос- тановки или на- чала торможения Отношение изменения угловой скорости шпин- деля от момента выклю- чения привода до его полной остановки или начала торможения к длительности промежу- тка времени, в течение которого это изменение произошло е рад/с! +
Время задержки включения давле- ния проковки по- сле выключения привода Промежуток времени ме- жду прекращением от- носительного движения и приложением давле- ния проковки 1з. пр С +
Время задержки торможения после выключения при* вода Промежуток времени ме- жду прекращением отно- сительного движения и началом торможения 1з. т с +
Отрицательное ус- корение при тор- можении Отношение изменения угловой скорости шпин- деля от момента начала торможения до его пол- ной остановки к длитель- ности торможения Производные пара ет метры рад/с1 +
Момент трения Момент сопротивления вращению свариваемых заготовок; интеграль- ная сумма моментов сил трения в зоне контакта относительно оси враще- ния Нм + +
Абсолютная осе- вая деформация Суммарная осадка в про- цессе нагрева и проков- ки 6 мм + +
Скорость дефор- мации Предел, к которому стре- мится средняя скорость взаимного сближения за- готовок при бесконеч- ном уменьшении проме- жутка времени и м/с + +
261
Продолжение табл. 14.1
Параметр Определение Обозна- чение Единицы измере- ния Сварка тре- нием
I II
Мощность тепло- выделения Интенсивность тепло- выделения, тепловая энергия, выделяющаяся в свариваемых заготов- ках в течение одной се- кунды N Вт 4- 4-
Удельная мощ- ность тепловыде- ления Тепловая мощность, от- несенная к единице пло- щади исходного сечения свариваемых заготовок Nyn Вт/м2 4- +
Температура Температура в зоне сое- динения Г °C + 4-
Примечание. (+) — есть; (—) — нет.
14.1.1. Основные способы сварки, наплавки
и формоизменения трением
Сварка трением с непрерывным приводом впервые осуществлена
в СССР в 1956 г. А. И. Чудиковым (рис. 14.1). Одной из заготовок сооб-
щается вращательное движение. Заготовки соприкасаются и к ним приклады-
Ряс. 14.1. Схема сварки трением с не-
прерывным приводом:
/ — тормоз; 2, 3 — свариваемые заготовки
Рис. 14.2. Схема инерционной СТ:
1 — маховик; 2, 3 — свариваемые заго-
товки
262
вается осевое усилие нагрева Ста-
дия нагрева в существующих маши-
нах СТ регламентируется либо вре-
менем нагрева, либо степенью со-
вместной деформации заготовок.
Далее следует торможение подвиж-
ной заготовки и проковка.
Известны различные модифика-
ции способа, исключающие ограни-
чения по конфигурации сваривае-
мого сечения и длине заготовок. На-
пример, непрерывная СТ с помощью
вращающейся вставки [2, 3, 4, 5].
Инерционная СТ основана
на использовании энергии, накоплен-
ной маховиком. Шпиндель с насажен-
6
Рве. 14.3. Схема орбитальной СТ:
а — стадия нагрева; б — стадия проковки
ным на него маховиком заданной массы (рис. 14.2) разгоняется. По дости-
жении определенного момента инерции вращающихся масс привод отключают и
заготовки сжимают с заданным усилием. Сварка их завершается в момент
остановки шпинделя. Диапазоны регулируемых параметров: и= (0,284-
4-11,1) м/с; Рн = (474-465) МПа; значение / подбирают таким, чтобы е=
= (1504-300) рад/с2.
Комбинированная СТ может осуществляться по одному из двух
вариантов: 1) вначале процесс ведут с постоянной ш, а затем привод от-
ключают и завершают сварку по инерционному циклу; 2) начало сварки ве-
дут с постоянной со, затем по инерционному режиму. По достижении шпин-
делем п — (64-5) с-1 осуществляют его «мгновенное» торможение.
Колебательная СТ может выполняться за счет угловых колебаний
одной или обеих заготовок или в процессе возвратно-поступательного дви-
жения (сварка внбротрением). Практическое применение получила только
сварка вибротрением для соединения термопластов и реактопластов.
Орбитальная СТ осуществляется движением прижатых одна к дру-
гой заготовок по круговой орбите без вращения вокруг собственных осей
(рис 14.3). Оси заготовок смещены во время стадии нагрева на величину
эксцентриситета е, что позволяет получать относительно собственного вре-
менного центра круговые движения с орбитальным радиусом, равным экс-
Рис. 14.4. Схема радиальной СТ:
а —с наружным разжимным кольцом; б —с внутренним разжимным кольцом; I, 2 —
свариваемые заготовки; 3 — вращающееся кольцо из присадочного материала; 4 —
зажимные элементы; 5— оправка
263
Рис. М.5. Схема роликовой СТ:
1. 2 — свариваемые заготовки; 3 —
шпиндель: 4 — вращающийся ролик;
5 — прижимы
Рис. U.6. Схема наплавки трением:
1 — наплавляемая поверхность; 2 —
слой наплавленного металла: 3 — пру-
ток; 4 — резец для снятия грата
центриситету е. По завершении стадии нагрева оси совмещают, прекращая
тем самым относительное движение заготовок, и выполняют проковку, фор-
мируя сварное соединение.
Орбитальная СТ позволяет сваривать заготовки, имеющие свариваемое
сечение произвольной формы, при равномерном тепловыделении на всей
свариваемой поверхности. Это делает ее перспективной для сварки заго-
товок с большой площадью поперечного сечения. Сложность машин и низ-
кая надежность зажимных устройств вследствие действия на них значитель-
ных инерционных сил препятствуют широкому внедрению этого способа
в практику.
Радиальная СТ основана на использовании теплоты трения на-
ружного или внутреннего кольца, вращающегося с заданной угловой
скоростью, о скошенные концы труб, прижатых одна к другой с определен-
ным усилием (рис 14.4). По окончании стадии нагрева вращение кольца
прекращают и его дополнительно сжимают (раздают) в радиальном на-
правлении.
Роликовая СТ применяется для сварки заготовок из тонколистовых
материалов. К концам заготовок подводят ролик, вращающийся с
»1600 рад/с (рис. 14.5). Скорость перемещения ролика относительно свари-
ваемых заготовок составляет 0,1—2,0 м/с при удельном давлении на ролик
0,2—0,5 МПа.
Наплавка трением применяется для восстановления изношенных
деталей или для придания поверхности заданных служебных свойств. К по-
верхности, подлежащей наплавке (рис 14.6) и перемещающейся с линейной
скоростью иааг, с усилием F прижимается вращающийся пруток. Теплота, вы-
деляемая при трении, создает тепловое поле, асимметричное поверхности кон-
такта. Поле способствует более интенсивному нагреву прутка по сравнению
с заготовкой. Происходит направленный перенос металла с прутка на по-
верхность заготовки. Рекомендации при выборе технологических параметров
приведены в [3].
Формоизменение трением — безотходный технологический про-
цесс, широко применяемый в промышленности. Деформирование компактных
и трубных заготовок, пластифицированных теплотой трения, осуществляется
на машинах СТ или на металлорежущих станках. Формоизменением трением
можно выполнять высадку, вытяжку, формовку, раздачу и разбортовку.
264
14.1.2. Физические основы
На рис. 14.7 представлены схемы типовых осциллограмм ос-
новных параметров режима СТ с непрерывным приводом. На
характер зависимостей F(t), ©(/), MTP(f), N(t), &l(t)
влияют: природа свариваемых металлов, состояние контактных
поверхностей, угловая скорость и удельное давление.
Для анализа явлений, протекающих при СТ, весь свароч-
ный цикл удобно разделить на отдельные фазы.
Первая фаза (притирка) протекает в условиях сухого
или граничного трения (при загрязненных поверхностях). Осе-
вая сжимающая нагрузка F вызывает в соприкасающихся мик-
ровыступах нормальные напряжения, значительно превышаю-
щие пределы текучести, a Л1тр приводит к возникновению каса-
тельных напряжений, превышающих напряжения сдвига.
Под действием эквивалентных напряжений на контактных
поверхностях будут происходить сложные процессы: разруше-
Рис. 14.7. Схема типовых
осциллограмм основных па-
раметров режима СТ
265
ние оксидных и адсорбированных пленок; смятие и срез микро-
выступов при одновременном увеличении в них плотности
дислокаций и их упрочнении; вовлечение «срезанных» микро-
выступов в граничную плоскость; образование очагов схваты-
вания и их разрушение. Завершение первой фазы характеризу-
ется прекращением роста Л)тр вследствие приработки трущихся
поверхностей.
Вторая фаза начинается с приложения к заготовкам
усилия нагрева F„. Более высокое удельное давление интенси-
фицирует процессы на контактных поверхностях, начатые
в первой фазе, и способствует интенсивному тепловыделению
в тонких поверхностных слоях. При этом количество выделяю-
щейся энергии в периферийной зоне больше, чем в центральной.
«Срезанные» и упрочненные микровыступы под действием
сил трения и внутреннего давления перемещаются в более пла-
стифицированную зону и движутся по круговой орбите в коль-
цевой площадке, находящейся на расстоянии 0,5—0,7 радиуса
от оси заготовки. Завершение второй фазы характеризуется
граничным трением заготовок через «срезанные» микровы-
ступы по кольцевой площадке и временным прекращением ро-
ста Л4тр.
При движении в кольцевой зоне «срезанные» микровыступы
контактируют между собой и образуют очаги схватывания
с основным металлом. Слияние микровыступов носит спонтан-
ный лавинообразный характер, размеры отдельных «колоний»
микровыступов увеличиваются, а их число уменьшается. При
числе «колоний» («клиньев») [2] система становится кинемати-
чески неустойчивой и число «клиньев» самопроизвольно восста-
навливается до двух.
При относительном движении деформационно упрочненные
«клинья» «пропахивают» более пластичные поверхностные слои
и укрупняются, вовлекая в процесс более твердые глубинные
слои заготовок. По достижении некоторой критической вели-
чины «клиньев» происходит разъединение контактирующих по-
верхностей (эквапланирование).
Третья фаза характеризуется отрицательной осадкой и
ростом Л1Тр. В этой фазе поверхности заготовок контактируют
только через «клинья», что хорошо подтверждается наличием
на них следов предыдущей механической обработки и «пропа-
ханной» кольцевой площадки.
Дальнейшее взаимодействие заготовок приводит к расшире-
нию кольцевой площадки до (0,5—0,8) г и росту Л4тр. Темпе-
ратура на поверхности заготовок (кроме локальных участков
на дорожках, «пропаханных клиньями») не превышает 300 °C,
что подтверждается темно-синим цветом побежалости на кон-
тактных поверхностях при их разъединении. Увеличение ампли-
туды колебаний Л4тр относительно среднего значения («дрейф»
266
Л1тр) при приближении к MTJ, обусловлено разрушением и об-
разованием «клиньев».
Четвертая фаза начинается с момента достижения
AfTp; температура в кольцевой зоне в этот момент достигает
(0,6—0,7) ГОщах; предел текучести металла в приконтактных
объемах свариваемых заготовок заметно снижается, поверхно-
сти соприкасаются, а Л4тр снижается. Окончание четвертой
фазы характеризуется разрушением «клиньев», что прослежи-
вается на осциллограмме по прекращению «дрейфа» Мтр. За-
вершение стадии нагрева в четвертой фазе нецелесообразно,
так как «клинья», оставшиеся в зоне соединения, будут яв-
ляться концентраторами напряжений и способствовать низкой
циклической прочности.
Пятая фаза характеризуется заметным уменьшением
«дрейфа» Мтр и свидетельствует о завершении стадии нагрева.
Скорость осадки в этой фазе постоянная.
Шестая фаза — торможение. В результате уменьшения
угловой скорости сопротивление сдвигу возрастает. Темпера-
тура в зоне контакта в шестой фазе несколько повышается,
а после ее окончания резко снижается.
Седьмая фаза (проковка) начинается после полной
остановки шпинделя. Во время этой фазы формируется
сварное соединение. Давление проковки не должно быть
чрезмерным, так как интенсивное пластическое течение ме-
талла может разрушить образовавшееся сварное соеди-
нение.
14.1.3. Технологические возможности
Локализация выделения теплоты и пластической деформации
в зоне соединения при СТ обусловливает низкий расход энер-
гии на процесс образования сварного соединения и позволяет
сваривать разнородные металлы, например алюминий — медь,
алюминий — сталь, медь — металлокерамика и др.
Ограничения способа СТ с непрерывным приводом:
форма одной из заготовок должна приближаться к круговой;
масса и длина подвижной заготовки ограничена возможно-
стями конкретной машины; существующие машины СТ не по-
зволяют соединять заготовки с площадью свариваемого сече-
ния > 150 мм.
Экономическая эффективность от внедрения СТ складыва-
ется из нескольких показателей: высокой производительности;
экономии материалов; снижения трудоемкости; высокой раз-
мерной точности сварных изделий; ограниченного числа после-
сварочных технологических операций; возможности соединения
материалов в разных сочетаниях; небольших и быстро окупа-
емых расходов на капитальные вложения; низкой энергоем-
267
288
кости и практического отсутствия брака. Данные табл. 14.2 ил-
люстрируют экономическую эффективность и технологические
возможности СТ [8].
14.2. Технология
14.2.1. Свариваемые материалы и требования к конструкции
Данные о свариваемости разных конструкционных материалов
приведены в табл. 14.3 [7].
При проектировании заготовок для СТ необходимо учиты-
вать такие моменты, как: возможность имеющейся машины
ТА БЛИЦА 14.3
СВАРИВАЕМОСТЬ РАЗНЫХ КОНСТРУКЦИОННЫХ
МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ СВАРКЕ ТРЕНИЕМ
Примечание: качественные соединения; некачественные соединения;
□ данные отсутствуют; И СТ невозможна.
269
ТАБЛИЦА 14.4
ТОЧНОСТЬ ПО СООСНОСТИ И ДЛИНЕ
ДЕТАЛЕЙ. ПОЛУЧАЕМЫХ СВАРКОЙ
ТРЕНИЕМ
Диапазоны размеров свариваемых деталей, мм Группа точности Смещение осей, мм Допуск на длину, мм
До 20 20—50 50—100 Обычная Повышенная Обычная Повышенная Обычная Повышенная 0.2 0,1 0,4 0.2 0,5 0,3 ±0,4 ±0,2 ±0,6 ±0,3 ±1,0 ±0,5
Примечание. Пределы точности
приведены для сварки цилиндрических
эталонных деталей.
вок следует руководствоваться
14.4 [4].
Для обеспечения соосности заготовок непременным уело
вием является их надежное закрепление в зажимных устрой
СТ, свариваемость материа-
лов заготовок; закрепление
заготовок в сварочной маши-
не; стоимость подготовки за-
готовок к сварке и последую-
щей послесварочной обработ-
ки изделия; автоматическое
достижение требуемой соосно-
сти и угловой ориентации за-
готовок; создание в ответст-
венных случаях равных усло-
вий пластической деформа-
ции и симметричного темпе-
ратурного поля. Типы соеди-
нений и варианты подготовки
заготовок на примере изделий
автомобилестроения приведе-
ны в работах [4, 5].
При назначении припусков
на длину и диаметр загото-
данными, приведенными в табл.
Рис. 14.8. Определение длины вылета заготовок из зажимных устройств:
а — А~(0.3 + 1.5)d; б — А,-(0,3 + l,6)d,; А,-(0,3 + 1,6)d,; в— А-(2 + 4)8;
г — А,- (2 + 4)8; А,-(0.3 + 1,5)d
270
ствах машины СТ. Другим не менее важным условием явля-
ется необходимая жесткость заготовок на участках от места
закрепления до стыка. Рекомендации по выбору длины вылета
представлены на рис. 14.8 [3]. Длина вылета менее рекомендо-
ванной приводит к отпуску зажимных устройств.
14.2.2. Подготовка к сварке
Состояние контактных поверхностей свариваемых заготовок
при СТ влияет на качество сварных соединений в значительно
меньшей степени, чем при других способах сварки давлением.
Поверхности могут быть получены резкой ножницами, диско-
вой пилой и даже газопламенной резкой. Влияние неровностей
можно уменьшить притиркой или дополнительным временем
Рнс. 14.9. Подготовка контактных поверхностей заготовок из разнородных материалов
к сварке:
а — быстрорежущая сталь — конструкционная сталь; б — коррозионностойкая сталь —
алюминий; в— коррозионностойкая сталь — цинк; d2=(1.16-s- l,25)d|
нагрева. Непараллельность контактных поверхностей может
достигать 5—7° без заметного влияния на качество [2]. Неболь-
шие очаги коррозии, грязь, масло, краска и другие загрязнения
на контактных поверхностях в процессе СТ удаляются на ста-
дии нагрева. Исключение составляют ржавчина, а также ока-
лина, образованная при прокатке, ковке или горячей объемной
штамповке.
При СТ разнородных металлов необходима более тщатель-
ная подготовка контактных поверхностей, в частности, при
СТ алюминия со сталью торцевое биение стальной заготовки
должно быть <0,2 мм. На рис. 14.9 представлены примеры
подготовки контактных поверхностей к сварке заготовок из
разнородных металлов [3].
14.2.3. Выбор параметров режима сварки трением
с непрерывным приводом
Частота вращения является одним из главных регулируемых
параметров. При увеличении п толщина пластифицированного
слоя уменьшается, слой становится более однородным, дина-
мические прочностные характеристики соединения повышаются.
Частота вращения подсчитывается по оптимальной v, м/с: для
271
черных металлов 2,6—3, для алюминия и меди ~2, для титана
4—5.
Удельное давление притирки назначается для
улучшения условий работы машины СТ. Обычно Р„— (0,154-
4-0,20) Рн. Для углеродистых сталей Р„~10 МПа. Время при-
тирки /п= (14-3) с.
Удельное давление нагрева Рн при СТ углероди-
стой и низколегированной сталей выбирают в пределах 30—
60 МПа, жаропрочных и инструментальных 60—120, алюмини-
евых сплавов 7—23, алюминия с медью 40—60, алюминия
с коррозионностойкой сталью 6,4—12,2 и титановых сплавов
<18 МПа.
Как показывает практика, при сварке металлов в однород-
ном сочетании Ря можно изменять в очень широких пределах,
получая при этом достаточно высокое качество сварного сое-
динения. При СТ разнородных металлов оптимальное значение
Ри следует выбирать из условия получения скорости деформа-
ции и, обеспечивающей одинаковую степень деформации обеих
заготовок.
Удельное давление проковки назначают с учетом
пластических свойств свариваемых материалов. Обычно Рпр—
= (14-3) Рн. При СТ алюминия с коррозионностойкой сталью
РПР =(8,04-10,0) Рн (МПа), /ПР=( 1,54-3,0) с.
Следует отметить, что на прочностные свойства соединения
наибольшее влияние оказывает момент приложения Рпр, а не
его абсолютная величина: РПр должно быть приложено в тот
момент, когда <о снизилась и составляет 1/3 первоначальной, но
не позже, чем через 0,05 с после остановки шпинделя [9].
Систематизированные значения Рн, Рпр, n, t„ и 1Пр для кон-
кретных марок материалов приведены в работах [2, 3, 4].
Время нагрева оказывает решающее влияние на цик-
лическую прочность и ударную вязкость сварного соединения,
особенно при СТ разнородных материалов. Время нагрева сле-
дует определять экспериментальным путем для конкретной
пары заготовок по кривой AfTp(f) при ранее выбранных значе-
ниях v и Рн. Оптимальным следует считать tH, равное интер-
валу от начала сварки (окончания стадии притирки) до на-
чала пятой фазы. Увеличение tH приводит к росту зерна и об-
разованию в зоне соединения видманштеттовой структуры.
Время торможения должно быть достаточно корот-
ким, чтобы пластическое течение металла из зоны соединения
не успело приобрести устойчивый характер. Интенсивное тече-
ние металла и быстрое охлаждение делают невозможным ре-
лаксацию напряжений в зоне соединения, что приводит
к уменьшению прочности или разрушению соединения сразу
же после завершения процесса сварки. Время торможения сле-
дует назначать из условия, чтобы ет^2500 рад/с2.
272
14.2.4. Термическая обработка соединения
Целью термической обработки соединений, полученных тре-
нием, является: снижение внутренних напряжений; повышение
пластичности; рекристаллизация и улучшение качества соеди-
нения в результате протекания диффузионных процессов.
Малоуглеродистые (до 0,26 % С), низколегированные, высо-
колегированные хромоникелевые аустенитные и хромистые
ферритные стали, сваренные в однородном и разнородном со-
четаниях, термообработке не подвергают.
Среднеуглеродистые (0,26—0,45 % С) легированные и неле-
гированные, высоколегированные аустенито-мартенситные и
хромистые феррито-мартенситные стали, сваренные в однород-
ном и разнородном сочетаниях, подвергаются термообработке.
При этом, если углеродный эквивалент СЭкв>0,8%( термооб-
работку выполняют из нагретого состояния.
Наиболее трудной является термическая обработка сварных
соединений разнородных сталей. В этих случаях первоначально
назначается смягчающий отжиг, а затем термическая обра-
ботка для получения заданных свойств с учетом теплофизиче-
ских характеристик обоих материалов.
14.3. Оборудование для сварки трецием
Рис. 14.10. Принципиальная схема машины для СТ с непрерывным приводом:
/ — станина; 2 — привод шпинделя; 3— передняя бабка; 4 — траверса; 5 —зад-
няя стойка; 6 — направляющие штанги; 7 — гидравлические цилиндры осевого
нагружения; 8 — шпиндель; 9 — зажимной патрон вращающейся заготовки;
10 — зажимное устройство неподвижной заготовки; II — свариваемые заготовки;
/2 — пульт управления; 13 — упор для неподвижной заготовки
18—1063
273
а
S:
*5
ад
ТЕХНИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МАШИН ДЛЯ СВАРКИ ТРЕНИЕМ
Габаритные размеры машин СТ. Х« _ ФЭ я
Я и £• 5з
К и 1 С к
К я ДЕ & 1
:варнвае» овок, мм неврапц min -
Длина заго ращаю- щейся In — max
“ е
<DQ>00C4 CO §§§§§§ 1 ЮЮ о Is- l|§ | 1 — 3 540 11 300
888 '^CN-'T 300
CM — —
xxxx xxx Illi 1 X 1 I 1 1 1
§888 CM co CO — §£§ 2 О
CO b- co CM CM —«
•Й 6
6 6 6 XXX ° Ш1 140 60-170 300—600 •X ° 1 1 1 g 1 1 1
§i§g fs_ э§ § SJ.8H । । i । 5 4
С непрерывным привода 12,5 200 16-50 5 1200 45—100 11,2; 18 500 25-70 52,3; 66,7; 15 8-16 63,3 11,7; 16,7 500 40-70 66,7 50 9—14 16,7 150 20—36 16,6—25 150 - — 300 - - 300 - 16,6; 22,5; 200 15—65 33,3 — 500 25—63 11,6 400 25-70 16,6 200 20—50 18,3; 21,7; - 8,5—32 36,7; 43,3 25 40 — Инерционные маишны СТ 200 1 35,6 I 6,5—19 133 | 204 1 11-38
Без шкафа управленвя гидростанции. ** Н. о. - нет ограничений.
274
В состав оборудования для СТ могут входить: машина для СТ, микро-ЭВМ,
с программами параметров режима, станок для снятия грата, роботы или
манипуляторы для загрузки-выгрузки и транспортирующие устройства. Ниже
рассматриваются только машины СТ с непрерывным приводом и инерционной
СТ, получившие наибольшее применение в промышленности.
Исходными данными при выборе оборудования являются: параметры
режима СТ; потребная мощность привода шпинделя; размеры свариваемых
заготовок; требуемая производительность процесса.
Мощность привода определяют по формуле Мдв = Л\д5, Вт (здесь 5 —
площадь свариваемого сечения в мм, /VJB=20 Вт/мм2) [2].
Кинематические схемы машин СТ, выпускаемых в настоящее время, раз-
личны. Наиболее распространенная представлена на рис. 14.10.
Мировой парк машин СТ имеет десятки модификаций и к настоящему
времени насчитывает ~4500 В табл. 14.5 представлены только некоторые
модели машин для сварки трением отечественных и зарубежных фирм [2,
3. 4].
14.4. Промышленное применение
Преимущества СТ по сравнению с другими способами соеди-
нения заготовок, предопределили ее широкое внедрение в про-
мышленность. Главными причинами возрастающего интереса
к СТ являются: возможность соединения металлов и других
материалов в разнородном сочетании, что позволяет получать
детали с принципиально новыми потребительскими свойствами;
значительное снижение затрат на механическую обработку
вследствие высокой размерной точности сваренных заготовок;
повышенная надежность и низкая стоимость сварного соедине-
ния. Преимущества СТ особенно проявляются в массовом и
крупносерийном производстве при изготовлении деталей из за-
готовок, полученных литьем, ковкой, штамповкой или про-
каткой.
Несмотря на свою сравнительную «молодость:», СТ уже до-
вольно широко применяется в машиностроении, ядерной энер-
гетике, в инструментальном производстве, в электротехниче-
ской промышленности, тракторо- и автомобилестроении, а также
в самолетостроении, космической технике, химическом и неф-
тяном машиностроении.
Следует отметить, что возможности СТ далеко еще не ис-
черпаны. Мировая практика использования СТ в промышлен-
ности показывает, что этот вид сварки является одним из
наиболее интенсивно развивающихся технологических процес-
сов [3].
14.5. Контроль качества
Качество соединения зависит в основном от таких факторов,
как: соответствие параметров режима СТ оптимальным; под-
готовка контактных поверхностей; соответствие материалов за-
готовок и их термической обработки заданным.
18*
275
Контроль параметров режима в процессе СТ разделяется
на пассивный и активный. При пассивном контроле только ре-
гистрируются параметры режима СТ. При активном контроле
наряду с регистрацией выполняется их корректировка по вре-
мени путем сравнения их с запрограммированными величи-
нами. При значительном отклонении параметров режима от
заданных и невозможности их корректировки, система останав-
ливает машину и индицирует причину на цифровое табло или
дисплей.
Примером системы активного контроля является информа-
ционно-измерительный комплекс Controller—III фирмы Kuka
(ФРГ). При отклонении угловой скорости, удельного давления
или времени от заданных значений процесс СТ прекращается.
Разрушающие методы контроля применяются при разра-
ботке технологического процесса и как выборочные для конт-
роля ответственных деталей I категории.
Для оценки механических свойств соединений, полученных
трением, применяются следующие виды испытаний: на растя-
жение, кручение, изгиб, загиб, ударный изгиб и усталостную
прочность, измерение твердости, макро- и микроструктурный
анализ. Все перечисленные методы позволяют комплексно оце-
нить структуру и свойства соединений, однако наиболее досто-
верными, как было отмечено выше, следует считать испытания
на ударный изгиб и циклическую прочность.
Неразрушающие методы контроля, используемые на прак-
тике, такие как магнитная и ультразвуковая дефектоскопии,
гамма- и рентгеноскопия, недостаточно надежны при выявле-
нии дефектов, характерных для соединений, полученных тре-
нием.
Представляет интерес контроль соединений вихревыми то-
ками и акустический метод контроля по величине энергии дис-
сипации. Указанные методы бесконтактны, имеют достаточное
быстродействие и могут встраиваться в машины СТ для 100%-
ного контроля всех сваренных деталей после удаления грата.
Глава 15. СВАРКА ПРОКАТКОЙ
Сварка прокаткой применяется при производстве слойных материалов (би-
металлов), состоящих как из разнородных металлов, так и из металлов
близких по химическому составу, но отличающихся по свойствам.
15.1. Общие сведения
15.1.1. Определения, терминология и основные схемы
Сваркой прокаткой получают металлические конструкции, состоящие из двух
или более слоев (компонентов), которые выполняют различные функции.
Слой, выполняющий функцию силового элемента, называется основным. Слой,
276
имеющий специальные свойства, которые оп-
ределяются требованиями, предъявляемыми
к конструкции, называется плакирующим.
Основной слой, как правило, имеет большую
по сравнению с плакирующим толщину и из-
готавливается из более дешевого мате-
риала [1].
Сварка может выполняться при нагреве
соединяемых металлов (горячая сварка про-
каткой) и в холодном состоянии при получе-
нии елейных материалов из пластичных ме-
таллов (холодная сварка прокаткой). Схема
сварки представлена на рис. 15.1 (2].
15.1.2. Физические основы
Сварка прокаткой является разновидностью
Рис. 15.1.
каткой:
I — валки;
готовки
Схема сварки про-
2 — свариваемые за-
сварки давлением и характеризуется тем, что
соединение осуществляется в условиях при-
нудительного деформирования при малых
длительностях взаимодействия (2]. Деформа-
ция свариваемых заготовок начинается при
достижении условным объемом металла се-
чения 00 входа в валки (см. рис. 15.1). На выходе из валков на металл
в данном условном сечении действуют сжимающие напряжения Р~св (здесь
Рис. 15.2. Поперечные сечения профилей сварных конструкций:
1 — толстолистовая коррознонностойкая; 2 — толстолистовая трехслой-
иая износостойкая; 3 — листовая для режущего инструмента с мест-
ной плакировкой; 4 — сдвоенная для самозатачивающихся плужных ле-
мехов; 5 — полособульбовая для судостроения; б—W — фасонная корро-
зионностойкая; // — двухслойная лента Fe—Ni; 12— трехслойная лента
Al-Fe—NI
Оя — начальный уровень напряжений, соответствующий начальному моменту
времени релаксации). Под длительностью релаксации напряжений при сварке
прокаткой понимают длительность деформации, по завершении которой
Р=0н<0, где а — уровень критических напряжений в процессе релаксации,
при котором образовавшиеся в зоне соединения межатомные связи не раз-
рушаются. Образование соединения в этом случае заканчивается схваты-
ванием контактных поверхностей и релаксацией напряжений в той мере,
в какой это необходимо для сохранения образовавшихся межатомных свя-
зей. При этом длительность полного схватывания этих поверхностей опре-
деляется длительностью их активации [2].
15.1.3. Технологические возможности
Сваркой прокаткой получают коррозионностойкие, износостой-
кие, антифрикционные, электропроводные, инструментальные,
жаростойкие, термоупругие, контактные, переходниковые, де-
коративные слойные конструкции, поперечные сечения которых
представлены на рис. 15.2 [1]..
15.2. Технология сварки
При разработке технологии сварки прокаткой необходимо учи-
тывать условия эксплуатации сварных соединений и условия
изготовления из них изделий резкой, вальцовкой, штамповкой,
сваркой и т. д.
В табл. 15.1 [1] приведены возможные варианты сочетаний
свариваемых материалов.
15.2.1. Подготовка к сварке
Исходной заготовкой служит пакет, состоящий из двух слоев
металла в виде пластин или слябов. Перед сборкой в пакеты
заготовки правят, а их свариваемые поверхности механически
обрабатывают, зачищают стальными щетками или подвергают
травлению и обезжириванию. Применяют одинарные пакеты —
для изготовления одного листа, двойные симметричные па-
кеты— для изготовления двух листов одинаковой толщины,
двойные несимметричные пакеты — для изготовления двух ли-
стов разной толщины, тройные пакеты—для изготовления трех
листов, два из которых двухслойные, а один трехслойный (рис.
15.3) [1]. Для предотвращения окисления поверхности загото-
вок при нагреве перед сваркой пакеты герметизируют по пери-
метру сварным швом.
Для облегчения формирования сварного соединения, а также
для уменьшения диффузии углерода из основного слоя в пла-
кирующий, особенно при получении коррозионностойких мате-
риалов, в зону соединения вводят промежуточные прослойки.
278
ТА БЛИЦА ib.l ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПОЛУЧЕНИЯ СЛОЙНЫХ МАТЕРИАЛОВ ПО СОЧЕТАНИЮ СОСТАВЛЯЮЩИХ [1] Метвллопродукт фасонный gruwiretmauo -|- о о о о
уГЧИОХЭЕ 4-00 о о
Ипнйэютзат 4-0 0 с о
gOSOlfjA 4-0 0 о о
<я о 0 ь с унняггодЛэйх + + + о 4-
V н нч ire j Аоиь d и + + + ° +
yHHiedtfeaM + + + <= +
ynirjAdw + + + о +
листовой Ц1ЧНЬОХН31Г + + + + +
ЦО0ОХЭИ1ГОЯНО1 + + + + +
UOsoxoHiroxoirox + + + + +
Плакирующий елой Нержавеющая, конст- рукционная или инстру- ментальная сталь Цветные металлы или их сплавы Тугоплавкие металлы или высоколегирован- ные сплавы на их основе Драгоценные или редкие металлы Цветные металлы или их сплавы — возможно, о — невозможнс
Основа Углеродистая или низколегированная сталь Углеродистые стали, цветные металлы или их сплавы Цветные металлы или сплавы на их основе Примечание: 4
Рис. 15.3. Конструкция одинарного (а), двойного симметричного (б), двойного несим-
метричного (в) и тройного (г) пакетов:
1 — основной слой; 2 — плакирующий слой; 3 — промежуточный разделительный слой;
4 — планки из углеродистой стали; 5 — сварной шов
Подбор прослоек
По уровням активности углерода прослойки делятся на три
группы (рис. 15.4) [1]. К группе I относятся прослойки, у ко-
торых коэффициент активности углерода f3 максимальный,
т. е. (где fi и f2 — коэффициенты активности углерода
в основном и плакирующем слоях соответственно). Ко II
группе относятся те прослойки, у которых f3 минимальный, т. е.
и к III —те, у которых f3=fi-
Оптимальными (табл. 15.2) [1], являются прослойки
I группы, а именно прослойки из никеля и сплава монель,
применение которых не требует снижения температуры сварки.
Прослойки из сплава системы Ni — Си целесообразно дополни-
Рис. 16.4. Температурная зависи-
мость коэффициентов активности
углерода в составляющих биме-
талла 08Х18Н10Т. 08X13, в железе,
никеле, а также в никеле +30 %
Си, меди с нанесенными обла-
стями поиска прослоек разных
типов:
/, //, /// — области поиска про-
слоек соответствующих типов
12001000 800 700 600550500 4251,°C
7 8 9 10 1! 12 13 14(1/Т)Ю*
280
ОСНОВНЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПРОСЛОЕК (1 ] ТАБЛИЦА 13.3 « я а 3 я с 3 ч сс свойства шва, полученного сваркой плавлением Положительное ! Vipn4«lXJtDnUC » » Положительное 1 г,.... г. : ; г 5 : с Отрицательное Положительное »
Барьерные свойства прослоек по отношению л углероду ори изготов- лении (числитель) и экс- плуатации (знаменатель) 08Х18Н9 | Средние 1 Средние Высокие Средние Высокие Высокие Высокие Высокие Средние Высокие Высокие Высокие I Высокие I Высокие Высокие Высокие | Средние Средние Низкие Средние Низкие Средние
08X13 1 Средние 1 Средние Низкие Средние Высокие Высокие Высокие Высокие Средние Высокие Высокие Средние I 1 Высокие ] Средние Высокие Средние Низкие Средние Низкие Средние Низкие Высокие
Охрупчива' иие • о к х сх2 я ОФ о д О Ь М н 5я^ о ч S <u •=c»3 «1 С н л 5 £ В j * Ш К 3 £ & з ° X * ш 1
о О S ф « сс к « 0 О компонентов СтЗ + 08X13; СтЗ + 08Х18Н10Т 2 « S • с ? X С X „ D. К _ СХ П ,^5 о я а °к с U " вид к. “ « я S 3 Р= = „ . 3 . г- X ; о * я л 2 - * о * яде °- ч ч g- а 54J о 5" .3 о “яс X * X § X р"» г*» 1 *
икисляемость при температу- рах сварка Низкая Пониженная Высокая Низкая Пониженная Высокая Пониженная Высокая » »
Состав прослойки .о Z £ > О ж □ э ь ь. > О О о О О _ * a? f х a? w * * О О - JO о » " Ю СО ' сч СЧ с*5 О О + + + + + + + + = О Я X X 5 ф = ф « ф ZuoZZZ В. Z ц. Сь 0.
281
тельно легировать упрочняющими элементами. Просл< йки
И группы (сплавы на основе Fe—Сг и Ni—Сг) рекомендуют
использовать для получения слойных материалов, работающих
при сравнительно низких температурах и малых временах вы-
держки, т. е. при малых скоростях образования карбидов
в зоне соединения. Использование прослоек III группы нецеле-
сообразно, так как они не обладают необходимыми барьер-
ными свойствами.
15.2.2. Параметры режима
Основными регулируемыми параметрами сварки прокаткой яв-
ляются [2]: Т — температура заготовок перед сваркой, °C; D— j
диаметр валков, мм; п — число оборотов валков, мин-1; Дй
или е— величина обжатия, %. Производными этих параметров
являются: I — длина дуги захвата, мм; v — скорость прокатки,
мм/с; е — скорость деформации в очаге деформации, с-1; То—
температура в очаге деформации, °C; причем:
v=nnD, (15.1)
, (15.2)
е = (y/l) In (йо/йк), (15.3)
где й0 и йк — исходная и конечная толщины прокатываемого
элемента. Одинаковая скорость е в очаге деформации обеспе-
чивается при разных сочетаниях технологических параметров:
D,. п, е. Эти же параметры определяют длительность взаимо-
действия
4 = l/v, (15.4)
которая должна не превосходить длительности деформации /д-
Поэтому необходимым условием образования качественного
соединения является:
4 > 4 > 4, (15.5)
где 4 — длительность полного схватывания поверхностей. При
этом значение деформации при сварке должно задаваться ис-
ходя из условия:
®max ® ®mini (15.6)
где Етах — максимально допустимое значение деформации;
Emin — минимальное значение деформации.
282
Для определения оптималь-
ных параметров режима можно
использовать зависимости, пред-
ставленные на рис. 15.5—15.7
[2], в следующей последователь-
ности: 1) по рис. 15.5 в зависи-
мости от условий сварки нахо-
дят значения emin (здесь 5 —
площадь активного центра, опре-
деляемая процессом обрезания
полей напряжений вокруг дисло-
каций, см2, значения которой при
сварке могут изменяться от
1 • 10-13 до 1 -10-11 см2; 2) для
найденного значения етш по рис.
15.7 или по выражению (15.4)
при конкретных значениях D и
п определяют tB; 3) для этого
значения /в по рис. 15.6 нахо-
дят температуру Т, при которой
«шах несколько превышает втш:
4)в случае, если полученное зна-
чение Т по каким-либо сообра-
жениям не может быть принято,
необходимо увеличить tB за счет
уменьшения п (если D=const);
5) если emin — большая величина
(например, при сварке на воз-
духе) и даже при очень высоких
Рис. 15.5. Зависимость emjn (lg S)
температурах сварки и разумных
значениях D и п не выполняется
условие Вшах >emin, то необходи-
мо увеличить значение s, т. е.
сварку осуществлять не на воз-
духе, а в нейтральной среде или
в вакууме.
15.2.3. Окончательные операции
После /сварки осуществляется
термическая обработка получен-
ной заготовки, отжиг, нормали-
зация или высокий отпуск, об-
Рис. 16.7. Зависимость Ig 1 в (л) при
значениях £>—120 (------) и 500 мм
(------). Степень деформации в, %:
/ — 20; 2 — 40; 3 — 60; 4 — 80
резка боковых и торцевых кро-
мок, разделение листов (при
парном пакете или пакете с крышкой); правка, зачистка по-
верхности основного слоя (травление, дробеструйная обра-
ботка или зачистка металлическими щетками).
283
15.2.4. Свойства соединений
ТАБЛИЦА 15.3
ПРОЧНОСТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КОРРОЗИОННОСТОЙКИХ
БИМЕТАЛЛОВ ПОСЛЕ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ [I ]
Соединяемые материалы h, мм °0.3' МПа ав. МПа б. % мТа KCV. Дж/см*
ВСт.Зсп+12Х18Н10Т 20 250 380—490 26 150 70
330 480 33 280 95
20К+12Х18Н10Т 20 250 410—520 23—26 150 60—70
320 480 31 260 85
09Г2+12Х18Н10Т 20 310 450 21 150
300 450 18 —
20 400 540 19 150
10ХСНД+12Х18Н10Т 400 540 16 300
20К+10Х17Н13М2Т 250 410—520 23—26 150 60—70
20 310 460 30 290 НО
ВСт.Зсп+06ХН28МДТ 20 250 380—490 26 150
370 470 38 290
ВСт.ЗспЧ- 08X13 250 380—490 26 150
20 320 450 29 240
250 410—520 23—26 150 60—70
20К+08Х13 20 310 460 31 250 105
16ГС+08Х13 330 500 21 150 60
5—9 330 490 29 240 95
ВСт.Зсп+08Х 17Т 20 250 380—490 26 150 70
308 447 29,7 244 100
ВСт.Зсп+15Х25Т 20 250 380—490 26 150 —
340 474 29,6 201 100
ВСт.Зсп+Никель НП2 250 380—490 26 150 —
20 330 500 275 200 190
250 380—490 26 150 —
ВСт.Зсп+Монель НМЖМц 20 260 455 31.5 265 150
Примечание. В числителе — по ГОСТу или ТУ. в знаменателе — фактические
(средние) данные.
284
ТАБЛИЦА 15.4
ПРОЧНОСТЬ СЛОЕВ БИМЕТАЛЛА ПОСЛЕ ПЕРЕРАСПРЕДЕЛЕНИЯ
УГЛЕРОДА ПРИ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ [1]
Режим термической обработки Обезугле- роживание основного слоя, % Снижение прочности основного слоя, % Науглеро- живание плакирую- щего слоя, % Толщина работо- способного плакирую- щего слоя, мм
Сталь Ст.З + 08X13
Нормализация при 980 °C, 0,25 ч 5,6 2,3 26,7 1.1
1,75 0,7 20 1,6
Высокий отпуск при 760 °C, 2 ч 20,0 7,5 23,3 1,15
6,25 2,4 17,5 1,65
То же, при 630 °C, 2 ч 8,0 3,0 20,0 1,2
2,5 1,0 15,0 1.7
Сталь Ст.З + 08Х18НЮТ
Стабилизирующий 1 18,0 отжиг ’ 6,9 I 45,4 0,87
при 875 °C, 3 ч 5,6 2,3 34.0 1,37
Сталь Ст.З + ЮХ17Н13М2Т
Стабилизирующий отжиг 7,4 2,9 48,6 0,77
при 950 °C, 3 ч 2,3 0,9 36,6 1,27
Примечания: 1. Сварка при 1150 °C в течение 1 ч. 2. В числителе — для би-
металла толщиной 4 мм, в знаменателе — для биметалла толщиной 10 мм. 3. Допустимая
толщина работоспособного слоя не менее 1,0 мм.
ТАБЛИЦА 15.5
ВЛИЯНИЕ СОСТАВА ПРОМЕЖУТОЧНЫХ ПРОСЛОЕК
НА ПРОЧНОСТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СОЕДИНЕНИЯ
Ст.З + 08X13 И Ст.З + 08X18HI0 ПОСЛЕ СТАНДАРТНОЙ
ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ [1]
Прослойка Ст.З+ 08X13 Ст.З + 08Х18Н10
тср. МПа KCV, Дж/см* тер, МПа KCV. Дж/см*
Без прослойки 219 23 195 159
Fe + 3 % Si 107 27 242 55
Fe + 0,5 % V 264 25 215 81
Fe + 0,5 % W 148 35 247 67
286
Продолжение табл. 15.5
Прослойка CT.3 +08X13 Ст.З + 08X18H10
Tcp. МПа KCV, Дж/см* Tcp, МПа KCV. Дж/см*
Fe + 25 % Сг (15Х25Т) 60 2,5 261 5
Ni 113 50 15,7 300
Ni 4- 30 % Си 144 6,0 140 41
Ni + 50 % Си 128 3,0 129 —
Си 112 13,0* 146
Со 168 91* 128 .—
Ni + 20 % Сг 200 — 197 —
Ni + 3 % Сг 144 — 171 —
Ni + 10 % W 179 238 —
Ni + 1 % W 129 — 202 —
Ni 4- 5 % Nb 143 — 228 .—
Ni + 2 % Nb 201 — 239 —
Ni 4- 3 % V 135 — 218 —
Ni 4- 3 % Ti 114 — 278 -
Ni 4- 0,08 % Zr 227 — 183 —
• На образце без надреза.
Свойства соединений и слоев биметалла, в зависимости от ус-
ловий осуществления сварки и последующей термической обра-
ботки, представлены в табл. 15.3—15.5 [1].
15.3. Оборудование
Сварку прокаткой осуществляют на обычных прокатных станах, используе-
мых для получения однослойных заготовок аналогичных размеров.
Для нагрева пакетов перед сваркой используют нагревательные ко-
лодцы, методические, камерные газовые или мазутные печи обычной кон-
струкции.
15.4. Промышленное применение
В химической промышленности при изготовлении изделий, работающих в раз-
личных агрессивных средах; в машиностроении при изготовлении деталей,
подвергающихся в процессе эксплуатации сильному изнашиванию, например
плужных лемехов, лап культиваторов, дисков лущильников, ножей экска-
ваторов и других деталей, в которых должны сочетаться поверхностная твер-
дость и вязкость сердцевины. В электротехнической промышленности — для
создания сверхпроводящих материалов, в приборостроении — для термоупру-
гих материалов, предназначенных для измерений и регулирования темпера-
туры, защиты электрических цепей от перегрузки. Для получения многослой-
ных композиционных материалов, используемых для повышения жаропроч-
ности, мощности, быстроходности и производительности различных машин и
агрегатов.
286
15.5. Контроль качества
Используют визуальный или ультразвуковой контроль, механи-
ческие испытания образцов, вырезанных в шахматном порядке
по всей площади листа. При необходимости прибегают к спе-
циальным видам контроля (электросопротивление, жаропроч-
ность, окалиностойкость, температурная чувствительность, об-
щая и межкристаллитная коррозия).
Глава 16 СВАРКА ВЗРЫВОМ
Сварка взрывом (СВ) является новым революционным технологическим про-
цессом и получает в последние годы все более широкое применение в оте-
чественной и зарубежной практике благодаря ряду существенных преиму-
ществ в сравнении с традиционными методами.
По теории процесса выполнены многочисленные исследования, в кото-
рых теоретически и экспериментально установлены основные закономерности,
изучено влияние параметров на образование соединения [1—5].
В то же время практическое применение сварки взрывом в промышлен-
ности характеризуется низкой технологической оснащенностью процесса,
а также недостаточными объемами внедрения. Продолжает оставаться ак-
туальной проблема локализации побочного действия взрыва.
Дальнейшее расширение практического применения сварки взрывом свя-
зывается с созданием технологий с высокой степенью автоматизации и ме-
ханизации всех подготовительных операций и проведением процесса во взрыв-
ных камерах.
В настоящей главе излагаются общие сведения о процессе СВ и не за-
трагиваются фундаментальные вопросы теории образования соединения.
Коротко рассмотрены технологические особенности, применяемое оборудо-
вание и оснастка. Приводятся отдельные примеры промышленного приме-
нения.
16.1. Общие сведения
16.1.1. Определения и основные схемы
Сварка взрывом — один из видов сварки давлением, осуществляемый под
действием энергии, выделяющейся при взрыве заряда взрывчатого вещества
(ВВ).
Принципиальная схема осуществления сварки взрывом изображена на
рис. 16.1. Неподвижную пластину 4 и метаемую пластину 3 располагают
под утлом а на заданном расстоянии h от вершины угла. На метаемую
пластину укладывают заряд 2 ВВ. В вершине угла устанавливают детона-
тор 1. Сварка производится на опоре 5 (металл, песок и т. д.). Площадь
метаемой пластины, как правило, больше площади основной пластины. На-
висание метаемой пластины над основной необходимо для уменьшения влия-
ния эффекта бокового разлета продуктов взрыва при детонации плоского
заряда ВВ [6].
На практике чаще всего применяется более простая, так называемая
параллельная схема, когда угол а=0.
Эти базовые схемы положены в основу многочисленных технологических
схем, разработанных для СВ конкретных изделий (рис. 16.2).
287
Рис. 16.1. Схема сварки взрывом под углом
Рис. 16.2. Технологические схемы сварки взрывом:
а — параллельная для плоских изделий (многослойная); б — плакирование на-
ружной поверхности труб; в — эквидистантная; е — плакирование внутренней
поверхности труб; д — плакирование крупногабаритных обечаек с противоза-
рядом; 1 — детонатор; 2 — заряд ВВ; 3 — метаемый элемент; 4 — неподвижный
элемент; 5 — опора; 6 — установочный элемент; 7 — стержень; 8 — конус; S — матрица
16.1.2. Физические основы
При инициировании взрыва по заряду ВВ распространяется де-
тонационная волна, скорость фронта которой D измеряется
тысячами метров в секунду (см. рис. 16.1). Под действием вы-
сокого давления расширяющихся продуктов взрыва метаемая
пластина приобретает скорость v0 порядка нескольких сотен
метров в секунду и соударяется с неподвижной пластиной под
определенным углом у=р+а. В окрестности точки соударения
288
развиваются высокие давления, на порядок превосходящие пре-
делы прочности материалов, которые, согласно гидродинамиче-
ской теории, текут подобно жидкостям. Течение в зоне соуда-
рения определяется углом соударения у и скоростью точки
контакта vK, которые связаны с исходными параметрами со-
ударения и позволяют изменять режим сварки. В определен-
ном диапазоне изменения этих двух параметров впереди точки
контакта возникает стационарный поток массы соединяемых
материалов в виде кумулятивной струи или облака дисперсных
частиц. При этом производится самоочищение свариваемых по-
верхностей, а за точкой контакта создаются условия для их
сближения под действием высоких давлений соударения и со-
вместного пластического течения. Длительность процесса со-
ставляет 10 6—10-s с, поэтому диффузия на заметную глубину
происходить не успевает. В оптимальных режимах соударения
расплавы не фиксируются. При избыточной энергии соударения
наблюдаются отдельные участки с расплавами. Соединение
обычно имеет характерную волнообразную форму (рис.
16.3,а), встречаются соединения и без волн (рис. 16.3,6).
Физические явления, сопутствующие сварке взрывом, струк-
тура и свойства соединений в значительной степени зависят от
основных параметров сварки взрывом, которые классифици-
руют [2] на кинематические (скорость движения точки контакта
цк, угол соударения у, скорость метания Оо) и физические (дав-
ление, длительность и температура в зоне соударения).
Для создания в зоне соударения свариваемых пластин необ-
ходимых условий соединения их в твердой фазе (образование
физического контакта и активных центров) необходимо, чтобы
скорость точки контакта была меньше скорости распростра-
нения объемных волн сжатия с; в противном случае металл не
успевает деформироваться и сварка не произойдет. Это усло-
вие осуществляется применением ВВ с соответствующей скоро-
стью детонации.
Энергия, необходимая для сварки двух поверхностей ме-
талла и затраченная на пластическую деформацию прилегаю-
щих к ним слоев, определяется из энергетического баланса [5]
w2 = , (16.1)
2 (mt + m2) L \ c J I
где и m2 — соответственно массы метаемой и неподвижной
пластин.
Кинематические параметры. Скорость движения точки кон-
такта определяет скорость распространения зоны высокого
давления по свариваемым поверхностям. При угловой схеме
сварки
t)K=Dsin(v—a)/siny, (16.2)
Y = a +P = a + 2arcsinu0/2D. (16.3)
19—1063
289
Рис. 16.3. Форма соединения, полученного сваркой взрывом:
а — с волнами; б — без волн
При начальном параллельном расположении пластин
vK=D,
Y = 2arcsint>0/2D. (16.4)
Максимальную скорость метания пластины оценивают по
формуле [1]
»<>=- l,2DVl + ”f„r - 1/VI + зг/г1Г + 1, (16.5)
где г — отношение массы заряда ВВ к массе пластины:
г = Рвв^ вв/Рв;
Рвв, Н и р, 6 — плотность и толщины заряда ВВ и метаемой
пластины соответственно.
290
Коэффициент 1,2 применяют при работе со смесевыми ВВ,
что обеспечивает расхождение экспериментальных и расчетных
значений скоростей порядка 20 %.
Физические параметры. Теоретическое и экспериментальное
определение давления при косом соударении пластин является
весьма сложной задачей. Для оценки проще всего использо-
вать случай нормального соударения, при котором в момент
удара пластины соприкасаются по всей площади одновременно
и от контактной поверхности распространяются плоские удар-
ные волны. Расчет давления в области соударения Pv [1] про-
водится в этом случае по ударным адиабатам свариваемых ма-
териалов.
Иногда в зоне соединения наблюдаются включения литого
металла, что свидетельствует о том, что в процессе сварки
взрывом металл в этой зоне нагревается до высоких темпера-
тур. В работе [1] приведена зависимость для оценки темпера-
туры в зоне соединения.
16.1.3. Технологические возможности
Существенным преимуществом сварки взрывом является воз-
можность соединения между собой металлов и сплавов, сварка
которых другими способами затруднена. Это относится, в ча-
стности, к металлам и сплавам, образующим твердые и хруп-
кие интерметаллиды, например стали с алюминием или тита-
ном. При этом прочность соединения в большинстве случаев не
ниже прочности более слабого металла пара.
Сварка взрывом используется при получении как биметал-
лических заготовок, так и готовых деталей. При этом форма и
размеры плакируемых изделий практически не имеют ограни-
чений. Так, имеются сведения о плакировании листов пло-
щадью до 50 м2, толщиной до 460 мм и массой до 40 т. Тол-
щины плакирующих слоев могут быть от 0,01 до 45 мм.
Весьма эффективным является использовани