Глава 1
Термический класс сварки

Классификация видов сварки плавлением

Термический класс сварки включает все виды сварки с использованием тепловой энергии.

Сварку плавлением в зависимости от различных способов, характера источников нагрева и расплавления свариваемых кромок деталей можно разделить на следующие основные виды:

• газовая сварка;

• электрическая дуговая сварка;

• электрошлаковая сварка;

• электронно-лучевая сварка;

• плазменная сварка;

• лазерная сварка;

• термитная сварка.

Этот класс характеризуется тем, что сварка осуществляется плавлением кромок соединяемых частей. При этом образуется ванна расплавленного металла. После отвода источника нагрева металл сварочной ванны кристаллизуется и образуется сварной шов, соединяющий свариваемые части. Сварка – сложный и быстропротекающий физико-химический процесс образования соединения материалов. Подготовка заготовок и продуманная технология делают сварку легкой, быстрой.

Из курса физики нам известно, что состояние любого вещества характеризуется взаимосвязью молекул и атомов. Различают четыре основные состояния материи:

• твердое;

• жидкое;

• газообразное;

• плазму.

Твердое тело представляет собой «агрегат» атомов, находящихся во взаимодействии, а его физические характеристики определяются их взаимным расположением (кристаллической решеткой) и химическими связями, действующими между ними.

Соединение сваркой твердых тел можно представить как образование прочных и устойчивых химических связей между атомами соединяемых элементов. Для получения прочного соединения твердых тел необходимо их сблизить до возникновения межатомных связей.

В твердом и жидком состоянии расстояние между молекулами и атомами очень мало. Этим объясняется малая сжимаемость этих веществ и их общее название – «конденсированное состояние».

В газах расстояние между молекулами значительно больше, поэтому газы сравнительно легко сжимать под воздействием внешнего давления.

Различие в электропроводности твердых, жидких и газообразных веществ также объясняется различием расстояний между атомами и молекулами. В твердых и жидких веществах крайние электроны, далеко отстоящие от ядер своих атомов, легко теряют связь с ядром. Благодаря этому появляются свободные электроны, легко перемещающиеся по объему вещества. Такие свободные электроны называются электронами проводимости и являются носителями тока в проводниках. В газах электроны притягиваются только к своим ядрам, поэтому при нормальных условиях газы электрический ток не проводят.

Вся история человечества связана с освоением энергии, в частности тепловой энергии. От древнего пламени костра до управления потоками света в лазерном луче – вот история технологии. В таблице 1 приведены данные о плотности потоков тепловой энергии и минимально достижимых площадях нагрева материалов, т. е. фокусировке потоков энергии в пятно нагрева.

Таблица 1

Энергетические свойства источников тепла

Классификацию сварки можно провести по степени механизации процессов. Тогда выделяют сварку: ручную, механизированную (полуавтоматическую), автоматическую.

Ручная сварка производится оператором (сварщиком) с помощью инструмента вручную, без применения механизмов.

Механизированная сварка выполняется оператором при помощи устройства (машины или механизма), подающего электродную проволоку в зону сварки.

Автоматическая сварка осуществляется без участия человека. При этом механизируются операции по получению сварного шва по заданной программе.

По способу защиты металла различают: сварку в воздухе, в вакууме, в среде защитных газов, под слоем флюса, в пене и т. п.

Общая схема методов сварки плавления (рис. 1) может быть представлена рядом последовательных стадий состояния металла в зоне сварки:

1 – элементы собраны под сварку и закреплены в необходимом положении относительно друг друга. Между элементами остается зазор. В зоне стыка полностью отсутствуют химические связи;

2 – на поверхность металла в зоне стыка воздействуют мощным концентрированным потоком тепловой энергии Q. Подведенный тепловой поток нагревает кромки материала выше температуры плавления. Расплавленный металл обеих кромок сливается, образуется общая ванночка из жидкого металла (сварочная ванна). Ванночка удерживается на частично оплавленных кромках. Зазор между заготовками исчезает. Химические связи в жидком металле близки к химическим связям твердого тела, поэтому эту стадию принято называть образованием физического контакта;

3 – при прекращении теплового воздействия на кромки свариваемых элементов (выключение источника тепла или перемещение его вдоль кромок) зона сварки охлаждается за счет передачи теплоты вглубь свариваемых элементов и в окружающую среду. Происходит кристаллизация сварочной ванны с образованием литой структуры шва, т. е. создание химических связей по сечению свариваемого соединения. Частично оплавленные зерна основного металла на границе сварочной ванны являются основанием для «пристройки» атомов из жидкости для кристаллизации шва.

Рис. 1. Схема стадий образования соединения сваркой плавлением:

1 – сборка под сварку;

2 – образование сварочной ванны под воздействием теплоты;

3 – кристаллизация ванны с образованием сварного соединения;

4 – макроструктура зерен на границе шва.

Рассмотрим основные виды сварки плавлением.

Газовая сварка

Газовой сваркой называется сварка плавлением с использованием теплоты горючих газов.

Для плавления металлов используют тепло пламени смеси газов и кислорода, сжигаемых с помощью специальной горелки.

Газовая сварка классифицируется по виду применяемого горючего газа:

• ацетилено-кислородная сварка;

• керосино-кислородная сварка;

• бензино-кислородная сварка;

• пропанобутано-кислородная сварка.

Сущность процесса газовой сварки (см. схему газовой сварки, рис. 2) заключается в том, что свариваемый и присадочный металлы расплавляются за счет тепла пламени (4) горелки. При этом кромки свариваемых заготовок (1) расплавляются, а зазор между ними заполняется присадочным металлом (2), который вводят в пламя горелки (3) извне. В качестве горючих газов применяются природные газы, нефтяные газы, а также водород, ацетилен, пары керосина и бензина и др. Наибольшее распространение получили сварка с использованием ацетилена, паров бензина, паров керосина, пропанобутана.

Рис. 2.

Схема газовой сварки

В процессе сварки металл соприкасается с газами пламени, а вне пламени – с окружающей средой (воздухом) или специально созданной газовой средой. В результате металл подвергается значительным изменениям. Наибольшим изменениям подвергается металл, расположенный в зоне сварочной ванны. При этом изменяется содержание примесей и легирующих добавок в металле. Одновременно металл в зоне сварки обогащается кислородом, водородом, азотом, углеродом. Для предотвращения процессов окисления и извлечения из жидкого металла сварочной ванны окислов и неметаллических включений применяются флюсы.

Расплавленный металл сварочной ванны представляет сплав основного и присадочного металлов. По мере удаления пламени горелки металл кристаллизуется в остывающей части ванны. Закристаллизовавшийся металл сварочной ванны образует металл шва. Шов имеет структуру литого металла с вытянутыми укрупненными кристаллами, направленными к центру шва.

В настоящее время в промышленности из множества видов газопламенной обработки металлов наибольшее применение получили газовая сварка, газовая пайка, кислородная резка.

Газы, применяемые при газовой сварке, резке и пайке

Кислород (О₂)

При нормальном атмосферном давлении и обычной температуре кислород представляет собой газ без запаха, цвета и вкуса. Он несколько тяжелее атмосферного воздуха. При нормальном атмосферном давлении и температуре 20 °C масса 1 м³ кислорода равна 1,33 кг. Горючие газы при сгорании с кислородом дают высокую температуру. Сам кислород не горюч, не токсичен, не взрывоопасен, но является сильнейшим окислителем, резко увеличивающим способность других веществ к горению, а при определенных условиях – к взрыву.

В земной атмосфере находится около 20 % кислорода. Поэтому кислород получают из атмосферного воздуха на специальных установках методом ректификации. Например, на кислородных станциях воздух очищают от пыли, влаги и углекислоты. Далее очищенный воздух сжимается компрессором до высокого давления и охлаждается в теплообменниках до сжиженного состояния. Жидкий воздух разделяют на кислород и азот. Процесс разделения происходит вследствие того, что температура кипения жидкого азота (–195,8 °C) ниже температуры кипения жидкого кислорода (–182,96 °C). Азот, являясь более легкокипящим, испаряется первым. С помощью кислородного компрессора чистый кислород подают под давлением 15 МПа (150 кгс/см²) в специальные кислородные баллоны. Полученный технический кислород должен соответствовать ГОСТу 5583–78. В зависимости от сорта содержание чистого кислорода колеблется от 99,5 до 99,7 %. Баллоны с кислородом окрашивают в синий цвет с черной надписью «кислород» и используют только для кислорода. Температурный диапазон использования сжатого кислорода от –50 до +30 °C. Запрещается хранение и транспортировка наполненных баллонов при температуре выше 60 °C.

Баллоны возвращают на заполнение с остаточным давлением не ниже 0,05 МПа (0,5 кгс/см²).

Водород (H₂)

Газ без цвета и запаха. В смеси с кислородом водород образует взрывчатую смесь – гремучий газ. Водород требует строгого соблюдения правил техники безопасности, т. к. он способен проникать через мельчайшие поры, образовывая с воздухом взрывчатые смеси. Водород получают электролизом воды или в специальных водородных генераторах путем воздействия серной кислоты на железную стружку или цинк. Водород хранится и транспортируется в стальных баллонах при максимальном давлении 15 МПа (150 кгс/см²). Температура его сжижения –253 °C. При сгорании водорода пламя не светится, и его зоны не имеют четких границ.

Пиролизный газ

Пиролизный газ представляет собой смесь газообразных продуктов термического разложения нефти, нефтепродуктов или мазута. Содержит вредные сернистые соединения, которые вызывают коррозию мундштука горелки. Эта смесь пиролизного газа требует тщательной очистки от сернистых соединений.

Нефтяной газ

Нефтяной газ представляет собой смесь горючих газов, являющихся побочным продуктом нефтеперерабатывающих заводов. Его применяют для сварки, резки и пайки сталей толщиной до 3 мм, а также сварки цветных металлов.