Классификация способов сварки
Сварка металлов – технологический процесс соединения металла (ов) при таком нагреве и/или давлении, в результате которого получается непрерывность структуры соединяемого (ых) металла (ов) (ГОСТ Р ИСО 857-1-2009).

При сварке плавлением детали по соединяемым кромкам оплавляются под действием источника нагрева. Расплавленный металл, сливаясь в общий объем, образует жидкую сварочную ванну. При охлаждении сварочной ванны жидкий металл затвердевает и образует сварной шов.

Шов может быть образован только за счет расплавления металла свариваемых кромок или за счет металла кромок и дополнительного введения в сварочную ванну расплавляемой присадки.

Сварочные процессы классифицируются по физическим, техническим и технологическим признакам (ГОСТ 19521-74).

Основа классификации по физическим признакам — вид энергии, применяемой для получения сварного соединения. Все сварочные процессы относят к одному из трех классов: термическому, термомеханическому и механическому.

Термический класс – все виды сварки плавлением, осуществляемые с использованием тепловой энергии (газовая, дуговая, электрошлаковая, плазменная, электроннолучевая и лазерная).

Термомеханический класс – все виды сварки, осуществляемые с использованием тепловой энергии и давления (контактная, диффузионная, кузнечная, газо- и дугопрессовая).

Механический класс – все виды сварки давлением, проводимые с использованием механической энергии (холодная, трением, ультразвуковая и взрывом).

По техническим признакам сварочные процессы классифицируют:

▫ по степени механизации процессов сварки (ручные, механизированные, автоматизированные, автоматические);

▫ по непрерывности процесса (непрерывные, прерывистые);

▫ в зависимости от способа защиты металла в зоне сварки (в воздухе, в вакууме, в защитном газе, под флюсом, по флюсу, в пене, с комбинированной защитой);

▫ по типу защитного газа (в активных газах, в инертных газах, в смеси активных и инертных газов);

▫ по виду активного газа (в углекислом газе, в азоте, в водяном паре, в смеси активных газов);

▫ по виду инертного газа (в аргоне, в гелии, в смеси аргона и гелия).

По технологическим признакам сварочные процессы классифицируют:

▫ по форме сварного соединения (стыковое, угловое, тавровое, нахлесточное, торцовое);

▫ по роду и полярности тока (постоянным током, переменным током, на прямой полярности, на обратной полярности);

▫ по виду электрода (сварка плавящимся электродом, сварка неплавящимся электродом).

Такие признаки устанавливают для каждого вида сварки отдельно. Например, вид дуговой сварки может отличаться по типу электрода, характеру защиты или уровню механизации.

Виды, способы и методы сварки. Вид сварки объединяет группу сварочных процессов, в которых используется один источник теплоты, например, дуговая сварка – источником теплоты является электрическая дуга, электрошлаковая ванна – теплота аккумулируется в сварочной ванне.

Способ сварки – это вариант конкретного вида сварки, который отличается от других по ведению процесса, например, ручная дуговая сварка покрытыми электродами, дуговая сварка в защитных газах, дуговая сварка под флюсом.

Метод сварки – это разновидность способа сварки; отличается от других непринципиальными изменениями, например, ручная дуговая сварка с опиранием на козырек электродного покрытия, сварка наклонным электродом, автоматическая сварка с увеличенным вылетом электрода.

В зависимости от вида энергии активации и по состоянию металла в зоне соединения все способы сварки разделяют на две группы: сварка плавлением и сварка давлением.

Сварка плавлением. При сварке плавлением в зону соединения вводится только тепловая энергия. Металл в зоне сварки нагревается выше температуры его плавления. Здесь могут быть два способа: с плавлением основного металла и без плавления основного металла. При нагреве может быть расплавлен только вспомогательный присадочный металл с температурой плавления ниже, чему основного металла соединяемых деталей. Основной металл в этом случае не расплавляют. Жидкий присадочный металл растекается по поверхности соединения, смачивает ее и, кристаллизуясь при охлаждении, образует паяный шов. Этот процесс называют пайкой. Если для нагрева металла используется сварочная дуга, то такой процесс называют сваркопайкой.

В большинстве способов сварки плавлением с помощью различных источников тепла небольшой участок соединения деталей нагревают выше температуры плавления основного металла. Образуется ограниченный твердым металлом объем жидкого металла, который называют сварочной ванной. По мере перемещения источника тепла вдоль свариваемого стыка в головной части сварочной ванны основной металл расплавляете, а в хвостовой части ванны металл затвердевает, образуя сварной шов. Для усиления сварного шва в сварочную ванну может подаваться расплавляемый материал электрода или присадочный материал.

Способы сварки плавлением отличаются друг от друга источниками тепла и защитой зоны сварки от окружающей атмосферы.

При газопламенной (газовой) сварке источник тепла – это пламя от сжигания горючего газа или пара в кислороде. Шов от воздействия воздуха защищают продукты сгорания этого газа.

Наиболее распространена дуговая сварка – сварка плавлением, при которой нагрев осуществляется электрической дугой. В зависимости от способа защиты металла в зоне нагрева различают несколько способов дуговой сварки.

При дуговой сварке штучными электродами при плавлении покрытия образуется шлак, который покрывает металл шва. Зона сварки защищается при этом также парами металла и компонентов покрытия.

Защиту зоны сварки осуществляют инертными (аргон, гелий) или активными (углекислый газ, водяной пар и др.) газами или их смесями. Эти способы дуговой сварки называют сваркой в защитных газах, или газоэлектрической сваркой. Она может выполняться плавящимся или неплавящимся электродом.

С помощью защитного газа можно сжать электрическую дугу в узком канале горелки так, что дуга станет высококонцентрированным источником тепла. В таком случае говорят о сварке сжатой дугой, или о плазменной сварке.

Качественные швы шва и высокую производительность обеспечивает дуговая сварка под флюсом. На стык деталей заранее или в процессе сварки насыпают слой порошка флюса толщиной больше длины дуги. Дуга расплавляет флюс и горит под пленкой жидкого шлака и слоем порошка флюса в атмосфере паров металла и компонентов флюса. Шлак надежно закрывает шов, образуя шлаковую корку.

Для соединения деталей большой толщины применяют электрошлаковую сварку, при которой для расплавления основного и электродного металлов используют теплоту, выделяющуюся при прохождении электрического тока через жидкий шлак, защищающий сварочную ванну от воздуха.

При сварке плавлением используют также высококонцентрированные источники тепла: электронный луч и световой луч, излучаемый оптическим квантовым генератором-лазером.

Электронно-лучевая сварка основана на использовании теплоты, выделяющейся при торможении остро фокусированного потока ускоренных электрическим полем электронов в результате их столкновений со свариваемой поверхностью. Сварку производят в вакууме, который защищает нагретую зону.

Лазерная сварка происходит в результате передачи свариваемой поверхности энергии монохроматического когерентного луча света, сфокусированного на этой поверхности оптической системой. Защиту зоны сварки производят инертными либо активными газами.

Выделение теплоты в результате химических реакций между оксидом металла и другим металлом, более активным по отношению к кислороду, используют при термитной сварке. Термит – это смесь порошков оксида железа Fe3О4 (окалины) и алюминия или магния. Если ее подогреть до температуры воспламенения (800 °С), произойдет реакция

3Fe3O4 + 8Al = 4Al2O3 + 9Fe + 850 ккал (3559 кДж) (на 1 кг смеси).

В результате реакции образуются железо и оксид алюминия, который всплывает на поверхность, образуя шлак. Продукты реакции нагреваются до температуры 3000 °С. Термитная сварка может осуществляться методом промежуточного литья, когда расплавом железа заливают стык стальных или чугунных деталей, заключенный в литейную форму. Это сварка плавлением. Но термитную сварку выполняют еще и впритык, когда жидким металлом и шлаком только нагревают торцы соединяемых деталей, а соединение получают, сдавливая разогретые торцы и деформируя их. Это сварка давлением с нагревом без оплавления. Термитная сварка применяется в основном для соединения рельсов и проводов заземления.

Таким образом, при всех способах сварки под действием энергии активации металл в зоне соединения изменяется, происходит его деформация и (или) плавление с последующим затвердеванием, металл может взаимодействовать с окружающей атмосферой, компонентами шлаков, происходит изменение его структуры. Поэтому сварные соединения, как правило, отличаются от основного металла структурой, химическим составом металла и механическими свойствами. Особенно велики эти отличия при сварке плавлением.

Сварка давлением. К сварке давлением относят способы, при которых применяют только механическую или тепловую и механическую энергию совместно. В последнем случае сварка может происходить с оплавлением металла или без его оплавления.

К сварке давлением без нагрева относится холодная сварка, сварка взрывом, магнитно-импульсная сварка. Для этих способов характерно высокое давление на детали в зоне соединения, в несколько раз превышающее предел текучести и даже предел прочности свариваемого металла при комнатной температуре, что обеспечивает совместное пластическое деформирование соединяемых поверхностей.

Сварка давлением с нагревом без оплавления происходит при высоких температурах, переводящих металл в пластическое состояние. Это снижает предел текучести металла и позволяет получить нужную для сварки деформацию при небольшом удельном осадочном давлении, в несколько раз меньшем предела текучести металла при комнатной температуре.

Примерами способов сварки давлением с нагревом без оплавления могут служить кузнечная, диффузионная и ультразвуковая сварка, газопрессовая сварка, при которой нагрев производят пламенем от сжигания горючих газов в кислороде, сварка токами высокой частоты, нагревающими свариваемые кромки индуцируемыми в них вихревыми токами.

Сварка давлением с нагревом и оплавлением характеризуется высокой температурой нагрева зоны соединения, превышающей температуру плавления свариваемого металла. На поверхности соединяемых деталей тонкий слой металла оплавляется. Под действием прилагаемого давления жидкий металл при некоторых способах сварки может выдавливаться из зоны соединения, например при сварке трением, контактной стыковой, сварке оплавлением. С жидким металлом выносятся за пределы зоны соединения загрязнения поверхности. Вокруг соединения образуется наплыв выдавленного металла – грат, который после сварки удаляется. Соединение образуется за счет деформации нагретых, но не расплавленных слоев металла, находившихся под оплавленным слоем. При контактной точечной и роликовой (шовной) сварке расплавленный металл остается в зоне соединения и после прекращения нагрева кристаллизуется между соединяемыми поверхностями под давлением, образуя сварное соединение.

Сварка давлением незначительно изменяет химический состав, структуру и свойства металла. С ее помощью могут быть получены сварные соединения с такими же свойствами, как у основного металла без дополнительной обработки после сварки. Это одно из основных преимуществ сварки давлением перед сваркой плавлением. Но большинство способов сварки давлением (за исключением контактной сварки) требует создания особых условий (например, вакуума при диффузионной сварке, обеспечения безопасности работ при сварке взрывом), либо они применимы только для небольшой группы конструкций деталей. Поэтому сварка плавлением применяется чаще.

Способы защиты зоны сварки. Все способы защиты расплавленного металла от вредного влияния воздуха при дуговой сварке разделяют на две основные группы.

Первая группа – физические способы защиты: создание вакуума в зоне сварки или защита зоны шлаками, газами и парами.

При современных способах дуговой сварки широко используют защиту шлаками, газом и парами. Защиту шлаком применяют при сварке под флюсом.

Вторая группа объединяет физико-химические способы защиты – это снижение растворимости кислорода, азота и водорода воздуха в жидком металле, увеличение их выделения из жидкого металла перед кристаллизацией сварочной ванны, связывание в твердом металле в соединения, не ухудшающие свойств металла шва и др. Физико-химические способы защиты металла от влияния воздуха не получили широкого промышленного применения.

В качестве защитных инертных газов используют преимущественно аргон (Аг) и гелий (Не), а из активных – углекислый газ (СО2) и смеси инертных газов с углекислым и кислородом.

Газошлаковую защиту применяют при сварке покрытыми электродами и порошковой проволокой.

Выполняя свою основную функцию защиты расплавленного металла от воздуха, защитные среды оказывают огромное влияние на физические, металлургические и технологические характеристики процесса сварки: характер и стабильность дугового разряда, плавление и перенос электродного металла, плавление основного металла, формирование швов, взаимодействие металла с окружающими газами и др.

Защитная среда не только влияет на металлургические процессы, технологические характеристики, механические и другие свойства сварных соединений, но и существенно изменяет энергетические затраты. Например, известно, что эффективность использования теплоты дуги при сварке в углекислом газе выше, чем при сварке под флюсом. Это объясняется тем, что при сварке в СО2 более концентрированно распределяется теплота дуги и дуга глубже погружается в основной металл, а потери теплоты на излучение и конвекцию газов меньше, по сравнению с затратами теплоты на нагрев и плавление флюса. Покрытие электродов и флюс выступают в роли своеобразных тепловых аккумуляторов, уменьшающих количество теплоты, расходуемой на плавление металла и увеличивающих долю теплоты, идущую на его нагрев.

Особо следует выделить возможности, предоставляемые изменениями состава защитной среды за счет введения в зону дуги химических соединений, содержащих электроотрицательные элементы (галогениды, оксиды), существенно влияющие на контрагирование дуги. При сварке плавящимся электродом этого достигают использованием активированной электродной проволоки, активирующего флюса и активированных металлохимических присадок. Использование активирующего флюса при сварке в аргоне позволяет в 1,6-1,8 раза увеличить глубину проплавления, почти в три раза снизить погонную энергию; качество швов по сравнению с качеством швов при сварке в углекислом газе намного выше. Добавка к гранулированным присадкам 0,5-1,0% солей фторидов и хлоридов щелочноземельных металлов на 12-15% увеличивает глубину проплавления при сварке под флюсом без повышения мощности дуги, улучшает структуру соединений, особенно ударную вязкость при отрицательных температурах.

Литература

1. Лупачев А.В. Технология сварки плавлением учеб. пособие / А. В. Лупачев, В. Г.Лупачев. - Минск : РИПО, 2020.- 446 с.

2. Лупачев, А. В. Оборудование и технология механизированной и автоматической сварки : учеб. пособие / А. В. Лупачев, В. Г. Лупачев. - Минск : РИПО, 2016.- 387 с.