Черчение

Общие сведения

Сваркой называется процесс получения не­разъемных соединений посредством местного нагрева и расплавления кро­мок, соединяемых поверхностей металлических деталей. Сваркой можно соединять также термопластичные пластмассы (такая сварка осуществля­ется горячим воздухом или разогретым инструментом).

Сварка имеет ряд преимуществ перед клепаными соединениями:

1. Экономия металла. В сварных конструкциях стыки выполняются без вспомогательных элементов, утяжеляющих конструкцию, в клепаных — посредством накладок (см. рис. 92, II и 93). В сварных конструкциях масса наплавленного металла, как правило, составляет 1...1,5% и редко превы­шает 2% массы изделия, в то время как в клепаных масса заклепок дости­гает 3,5...4%;

2. Снижение трудоемкости изготовления. Для заклепочного соединения требуется сверлить отверстия, которые ослабляют соединяемые детали, точно размечать центры отверстий, зенковать под потайные заклепки, при­менять много разнообразных приспособлений и т. п. В сварных конструк­циях не требуется выполнять перечисленные предварительные операции и использовать сложное вспомогательное оборудование;

3. Уменьшение стоимости изделий. Стоимость сварных изделий ниже клепаных за счет уменьшения массы соединений и трудоемкости их изго­товления;

4. Увеличение качества и прочности соединения. Сварные швы создают по сравнению с клепаными абсолютно плотные и герметичные соединения, что имеет исключительно большое значение при изготовлении резервуаров, котлов, вагонов, цистерн, трубопроводов и т. д.

К технологии сварочных работ относятся различные процессы, иногда даже противоположные по своему характеру. Например: резка металлов и других материалов, наплавка, напыление и металлизация, упрочнение по­верхности. Однако основная и главная задача — получение неразъемных соединений между одинаковыми или различными металлами и неметалли­ческими материалами в самых разнообразных изделиях.

Форма и размеры таких соединений меняются в широких пределах от сварной точки в несколько микрометров (рис. 95), соединяющей полупро­водник с проводником в какой-либо микросхеме радиоэлектроники, до не­скольких километров сварных швов 1, которые выполняются при строи­тельстве морских судов. Материалы для изготовления сварных конструк­ций весьма разнообразны: алюминий и его сплавы, стали всех типов и на­значений, титан и его сплавы и даже такой тугоплавкий металл, как воль­фрам (температура плавления ~3400° С).

Рис. 95

Также различны по своим свойствам неметаллические материалы, под­вергающиеся сварке: полиэтилен, полистирол, капрон, графит, керамика из окиси алюминия и др.

Пайка, хотя и отличается по своей природе от сварки, также относит­ся к области сварочной технологии и находит очень широкое применение в приборостроении и машиностроении, кроме того ее начинают применять даже в строительных конструкциях.

С каждым годом применение сварки в народном хозяйстве расширяется, а клепки — сокращается. Однако сварные соединения имеют существенные недостатки — термические деформации, возникающие в процессе сварки (особенно тонкостенных конструкций); невозможность сваривания деталей из тугоплавких материалов.

Классификация основных видов сварки показана на рис. 96. Все способы делятся на две группы: сварка плавления и сварка давлением.

Рис. 96

Сварка плавлением

Сварка плавлением — это процесс со­единения двух деталей, или заготовок в результате кристаллизации общей сварочной ванны, полученной расплавлением соединяемых кромок. Источ­ник энергии при сварке плавлением должен быть большой мощности, высо­кой сосредоточенности, то есть концентрировать выделяющуюся энергию на малой площади сварочной ванны и успевать расплавлять все новые и но­вые участки металла, обеспечивая этим определенную скорость процесса.

Процесс сварки (2 — сварочный шов) плавлением осуществляется источ­ником энергии 1, движущимся по свариваемым кромкам 3 с заданной ско­ростью (рис. 97). Размеры и форма сварочной ванны зависят от мощности источника и от скорости его перемещения, а также от теплофизических свойств металла.

Рис. 97

В сварном соединении принято различать три области (рис. 98): основной металл — со­единяемые части будущего изде­лия, предназначенного для экс­плуатации; зона термиче­ского влияния (около­шовная зона) — участки металла, в которых он находится некото­рое время при высокой темпера­туре, доходящей на линии сплав­ления до температуры плавления металла; сварной шов — металл шва, представляющий литую структуру с характерными особеннос­тями.

Рис. 98

Каждый вид сварочного процесса имеет свои особенности и находит применение в той или иной сфере производства, где он дает необходимое качество изделия и экономически целесообразен. Наиболее широкое при­менение для сварки металлов плавлением нашли газовая и дуговая виды сварки.

При газовой (или ав­тогенной) сварке в качест­ве источника энергии используют пламя ацетиленокислородной го­релки (рис. 99), имеющей высо­кую температуру (около 3000°С) и значительную мощность, зави­сящую от количества ацетилена (8 — редуктор для регулирования ве­личины подачи газа), сгорающего в секунду. Кислород 1 из кисло­родного баллона 10 и ацетилен 2 из ацетиленового баллона 9 пода­ются по шлангам 7 в газовую го­релку, где образуется горючая смесь 3. На выходе из сопла горел­ки возникает пламя. Когда нагре­ваемое место свариваемых деталей доводится до расплавленного состоя­ния, к пламени подводят присадочный материал 4, который, расплавля­ясь вместе с кромками детали 5, образует сварочный шов 6.

Рис. 99

Дуговая сварка. При дуговой сварке (рис. 100) в качестве источника энергии 2 используется электрический дуговой разряд 3, возникающий при присо­единении свариваемых деталей 1 к одному, а электрода 4 — к другому по­люсу источника тока. Движение электрода с дуговым разрядом и подве­денным в его зону присадочным материалом (в виде прутка) 5 от­носительно кромок изделия за­ставляет перемещаться свароч­ную ванну, образующую сварной шов 6.

Рис. 100

Электрошлаковая сварка применяется для ав­томатической сварки верти­кальных швов из металла боль­шой толщины.

Электрошлако­вая сварка. При электрошлако­вой сварке (рис. 101) сва­риваемые детали устанавлива­ют вертикально и собирают под сварку с зазором между кром­ками. Электродные проволоки 5 (их может быть несколько и притом разного состава) пода­ются силовыми роликами 4 че­рез изогнутые токопроводящие мундштуки 6 в зазор между свариваемыми деталями 1. В процессе сварки автомат дви­жется вверх по направляю­щим, а мундштуки совершают колебательные движения, подавая проволоки в жидкую шлаковую ван­ну 2, в которой они расплавляются при температуре Т равной 1539°С вместе с металлом сплавляющихся кромок и образуют сварной шов 8. Жидкая шлаковая и металлическая ванны удерживаются поднимаю­щимися вместе с автоматом медными ползунами 7, охлаждаемыми из­нутри водой. Шлак 3, отделяясь от металла, всплывает.

Рис. 101

Плазменная сварка. При плазменной сварке ис­пользуют дуговой разряд в плазмотроне, который дает плазменную струю 1 с очень высокой температурой (рис. 102).

Рис. 102

Плазмотрон представляет собой прибор 2, в котором дуговой разряд 3 возбуждается в канале 4, и давлением газа (аргона, азота, воздуха) столб дуги растягивается и вырывается из сопла, охлаждаемого проточной во­дой 5, за пределы плазмотрона. Может быть два типа плазмотронов: с собственным анодом, на который замыкается разряд за счет дрейфа эле­ктронов, или дугой косвенного действия — дуговой разряд возникает между двумя электродами, но не замыкается на изделие 6. В сварочной технике чаще используют плазмотрон второго типа. Плазменная сварка и обработка материалов нашла широкое применение в промышленности.

При сварке алюминиевых сплавов качество сварных соеди­нений зависит от надежности защиты зоны сварки инертным газом и от подготовки кромок изделия.

Аргонодуговая сварка. Так для аргонодуговой сварки (3 сопло) алюминия применяют плавящийся электрод-проволоку 7, совпада­ющую по составу с основным металлом свариваемых изделий 2 или непла- вящийся вольфрамовый электрод (рис. 103). Для ответственных конструкций чаще применяют последний метод, при этом присадочный металл пода­ют сбоку непосредственно в дуговой разряд 4, 5, 6 или в сварочную ванну 1 рядом с дуговым разрядом.

Рис. 103

Аргонодуговую сварку применяют также для соединения деталей и з титана и его сплавов. Титан — металл, напоминающий по внеш­нему виду сталь, обладает также весьма высокой химической активностью, несколько уступая в этом отношении алюминия. Титан имеет температуру плавления — 1668° С.

При обычной температуре титан очень устойчив к воздействию окружа­ющей среды, так как закрыт окисной пленкой. В таком пассивном состоя­нии он даже устойчивее, чем коррозионно-стойкая сталь. При высоких тем­пературах окисный слой перестает защищать титан. При температуре выше 500° С он начинает активно реагировать с окружающей средой. Поэтому ти­тан и его сплавы можно сваривать (рис. 104) только в защитной атмосфере аргона, с которым он реагировать не может.

Рис. 104

Сварка давлением

Сварка давлением — это процесс соеди­нения поверхностных слоев деталей. При соединении происходит активная диффузия частиц, ведущая к полному исчезновению границы раздела и к прорастанию через нее кристаллов.

В современном машиностроении и приборостроении сварку давлением осуществляют несколькими путями в зависимости от типа изделий и требо­ваний, которые к ним предъявляются.

Контактная сварка широко применяется в машиностроении для изготов­ления изделий и конструкций, главным образом из сталей. Она относится к сварке с применением нагрева и давления. Нагрев осуществляется электри­ческим током, который проходит через место контакта двух свариваемых дета­лей. Давление, необходимое для сварки, создается или электродами, подводящими электрический ток, или специальными приспособлениями.

Различают три разновидности кон­тактной сварки: точечную — отдель­ными точками (рис. 105), применяемую для тонколистовых конструкций из стали (например, кузова автомашин). Сваривае­мые заготовки 1 зажимаются между элек­тродами 2, через которые проходит элект­рический ток большой силы от вторичной обмотки понижающего трансформатора 3, Место контакта свариваемых частей разо­гревается до высокой температуры, и под давлением усилия F происходит сварка; стыковую — оплавлением или давлением (рис. 106), применяемую для изготовления металлорежущего инструмента и др. В этом случае сваривае­мые детали 1 с силой стыкуются и удерживаются зажимами 2, к которым подводится электрический ток; роликовую (рис. 107, где 1 — свари­ваемые детали; 2 — ролики; 3 — электроды; 4 — источник энергии) — обес­печивающую непрерывный (герметичный) или прерывистый шов.

Рис. 105

Рис. 106

Рис. 107

В строительных конструкциях и в машиностроении сварка — основной способ получения неразъемных соединений деталей из сталей всех марок, чугуна, меди, латуни, бронзы, алюминиевых сплавов и пр.

Автоматизация процесса сварки

Широкое распространение свар­ки в промышленности стимулиро­вало создание оборудования для механизации и автоматизации сва­рочных процессов. В то же время автоматизация сварки потребова­ла коренного изменения техноло­гического процесса. В одних слу­чаях сварочный аппарат неподви­жен, а изделие перемещается отно­сительно него с заданной скоро­стью, а в других — устанавливает­ся на самодвижущуюся тележку 6 — «трактор», идущий по направ­ляющим 2, прикрепленным на не­подвижном изделии 1, или рядом с ним (рис. 108).

Рис.108

l — длина участка. Из рис. 57, II видно, что, чем дальше точка деформируемого сечения от­стоит от оси стержня, тем больше ее перемещение по дуге окружности при кручении. Следовательно, по закону Гука и напряжения в различных точ­ках будут различны. Наибольшие напряжения кручения r_mах возникают в наиболее удаленных точках, расположенных на поверхности стержня. На­пряжение в любой точке равно r = р/(R • r_mах), где: r — напряжение кручения;

Рис. 57

р — расстояние точки до оси стержня; R — радиус стержня.

На производстве нашла широкое применение полуавтоматическая ду­говая сварка, сущность которой за­ключается в следующем: механизм подачи электродной проволоки 3,4 и пульт управления 5 устанавливают отдельно от головки или инструмен­та, сварочная проволока подается по гибкому шлангу, через который так­же подводится электрическое пита­ние к сварочному инструменту 7.

Функции сварщика в этом слу­чае значительно упрощаются, так как ему нужно двигать только сва­рочную головку (инструмент) в нужном направлении и на опреде­ленной высоте от изделия.

Электронно-лучевая сварка

Этот вид сварки представляет собой резуль­тат взаимодействия пучка электронов, ускоренных электрическим полем, с по­верхностью металла которой эти элек­троны отдают накопленную в электриче­ском поле энергию (энергия торможе­ния), расплавляя и даже частично испа­ряя ее.

Прототипом оборудования для полу­чения пучка электронов служит рентге­новский аппарат для просвечивания би­ологических объектов в медицинских целях или исследований. Схема установ­ки для сварки электронным лучом пока­зана на рис. 109. В камере 2 с глубоким вакуумом (давление 1 • 10^-4 Па и менее) между катодом 3, эмитирующим (обес­печивающим электрическую связь) эле­ктроны, и анодом 4, имеющим в середи­не отверстие, создается поток электро­нов, или электронный луч 1. Для увели­чения плотности энергии электронный луч фокусируют магнитными линзами и направляют на изделие 7, соединенное с землей. Управление 8 электронным лу­чом осуществляется магнитным устрой­ством, отклоняющим луч в нуж­ном направлении.

Рис. 109

Физическая сущность этого процесса сварки заключается в том, что электроны при прохожде­нии электрического поля большой напряженности ускоряются и при­обретают большой запас энергии, которую они и передают в виде теплоты свариваемым изделиям.

Недостаток этого метода — не­обходимость надежной защиты об­служивающего персонала от рент­геновского излучения, вредно вли­яющего на живые организмы.

Лазерная сварка

Лазер, или оптический квантовый гене­ратор (ОКГ), создает мощный им­пульс монохроматического излу­чения за счет оптического воз­буждения атомов примеси в кри­сталле рубина или в газах.

Этот совершенно новый источник энергии высокой концентрации сразу нашел применение в технике связи в промышленности для обработки ме­таллов.

Сущность процесса получения мощного потока световых квантов заклю­чается в том, что атомы любого вещества могут находиться в стабильных и возбужденных состояниях и при переходе из возбужденного состояния в стабильное они выделяют энергию возбуждения в виде квантов лучистой энергии.

Возбуждение атомов может происходить различными путями, но наибо­лее часто это осуществляется в результате поглощения лучистой энергии.

Схема оптического квантового генератора, или лазера, представлена на рис. 110, где 1 — манипулятор для настройки расположения детали относи­тельно луча; 2 — газоразрядная импульсная лампа; 3 — оптический кван­товый генератор; 4 — осветитель места сварки; 5 — рубин (источник, испу­скающий фотоны); 6 — пульт управления; 7 — бинокулярный микроскоп; 8,10 — свариваемые детали; 9 — световой луч. Атомы какого-либо элемен­та возбуждаются непрерывным источником энергии (лампы накачки) и электроны этих атомов переходят в новое качество — энергию. Поток кван­тов энергии (фотонов), направленный на поверхность твердого тела, транс­формирует свою энергию в тепловую, и температура твердого тела резко возрастает, так как поток фотонов обладает очень высокой концентрацией энергии.

Рис. 110

Сварка лазером не требует вакуума и идет всегда в импульсном режиме. Режим сварки регулируется частотой импульсов и некоторым расфокуси­рованием луча до уровня плотности энергии, необходимой для сварки изде­лия.

Примечание. В промышленности используются и другие виды сварки, как, напри­мер, сварка металлов взрывом, химическо-термическая сварка, при которой использу­ется энергия химической реакции и другие.

Виды конструктивных соединений деталей сваркой

Различают следующие виды конструктивных соединений деталей сваркой (рис. 111): сты­ковое (СЗ); внахлестку (H1); тавровое (Т1); угловое (У4).

Рис. 111

Рис. 112

По форме получаемого при этом поперечного сечения шва (рис. 112) при­нято различать: усиленные (выпуклые); нормальные; ослабленные (вогну­тые).

Кромки соединяемых деталей в зависимости от технологии сварки (руч­ная или автоматическая) и расположения шва (свободный доступ к нему с одной или двух сторон) могут быть ровными или специально подготовлен­ными (срезанными) для дальнейшего соединения сваркой.

В зависимости от толщины свариваемых деталей (рис. 113) производят различную подготовку кромок: при толщине металла до 8 мм сварку про­изводят без разделок кромок; при толщине до 26 мм производят F-образную разделку кромок; при толщине более 20 мм сваривают с криволинейным скосом кромок; при толщине металла более 12 мм рекомендуется дву­сторонняя Х-образная разделка кромок.

Рис. 113

Широкое распространение получили швы с нормальным очертанием. Длина катета углового шва нормального очертания называется его толщи­ной и обозначается буквой К (рис. 114). Длина перпендикуляра, опущенно­го из вершины прямого угла на гипотенузу (сечение А—А), носит название расчетной толщины шва. В швах с формой равнобедренного треугольника расчетная толщина k₀ = k sin 45° = 0,7k.

Рис. 114

В большинстве случаев катет шва k равен толщине детали s, но может быть и меньше.

Наименьшая толщина рабочих швов в машиностроительных конструк­циях равна 3 мм. Исключение составляют конструкции, у которых толщи­на самого металла меньше 3 мм.

Верхний предел толщины соединяемой сваркой конструкции не ограни­чен, но применение швов, у которых к > 20 мм, встречается редко.