Технология сварки плавлением и термической резки


В. П. КУЛИКОВ








                ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ ПЛАВЛЕНИЕМ И ТЕРМИЧЕСКОЙ РЕЗКИ




Учебное пособие












Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2021

УДК 621.791
ББК 34.641/.642
     К90




Рецензенты:
заведующий кафедрой сварки и лазерных технологий Санкт-Петербургского политехнического университета доктор технических наук, профессор С. ГПаршин; заведующий кафедрой порошковой металлургии, сварки и технологии материалов Белорусского национального технического университета, член-корреспондент НАН Беларуси, доктор технических наук, профессор Ф. И. Пантелеенко



     Куликов, В. П.
К90    Технология сварки плавлением и термической резки : учебное пособие /
     В. П. Куликов. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2021. - 388 с. : ил., табл.

        ISBN 978-5-9729-0604-8

     Рассмотрены физико-металлургические основы сварки плавлением и термической резки металлов. Дана технология сварки плавлением различными способами, показаны особенности работы с отдельными металлами и сплавами. Раскрыты меры, необходимые для обеспечения качества сварки плавлением, перечислены причины возникновения дефектов сварных соединений. Рассмотрены способы термической резки металлов.
     Для студентов вузов машиностроительных специальностей. Может быть полезно специалистам в области сварки плавлением и термической резки.

УДК 621.791
ББК 34.641/.642









ISBN 978-5-9729-0604-8   © В. П. Куликов, 2021
                         © Издательство «Инфра-Инженерия», 2021
                         © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2021

ВВЕДЕНИЕ


     Сварка наряду с литьем и обработкой давлением является древнейшей технологической операцией, освоенной человеком в бронзовом веке во время приобретения опыта работы с металлами. Ее появление связано с необходимостью соединения различных деталей при изготовлении орудий труда, боевого оружия, украшений и других изделий.
     Первым способом сварки была кузнечная, которая обеспечивала достаточно высокое по тем временам качество соединения, особенно при работе с пластичными металлами, такими, как медь. С появлением бронзы (более твердая и хуже поддается ковке) возникла литейная сварка. При литейной сварке края соединяемых деталей заформовывали специальной земляной смесью и заливали разогретым жидкими металлом. Этот присадочный металл сплавлялся с деталями и, застывая, образовывал шов. Такие соединения были обнаружены на бронзовых сосудах, сохранившихся со времени Древней Греции и Древнего Рима.
     С появлением железа увеличилась номенклатура используемых человеком изделий из металлов, поэтому расширился объем и области применения сварки. Создаются новые виды оружия, совершенствуются средства защиты воина в бою, появляются кольчуги, шлемы, латы. Например, при изготовлении кольчуги приходилось соединять кузнечной сваркой больше 10 тыс. металлических колец. Развиваются новые технологии литья, постепенно приобретаются знания, связанные с термообработкой стали и приданием ей различной твердости и прочности. Часто эти знания были получены случайно и не могли объяснить суть происходящих процессов.
     Например, в рукописи, найденной в храме Балгона в Азии, так описывается процесс, известный нам как закалка стали: «Нагревать кинжал до тех пор, пока не засветится подобно утреннему солнцу в пустыне, потом охладить его до цвета царского пурпура, втыкая лезвие в тело мускулистого раба. Сила раба, переходя в кинжал, придает ему твердость». Тем не менее несмотря на достаточно примитивные знания, еще до нашей эры были изготовлены мечи и сабли, обладавшие уникальными свойствами и получившие название дамасских. Чтобы придать оружию высокую прочность и твердость и одновременно обеспечить пластичность, не позволявшую мечу быть хрупким и ломаться от ударов, его изготавливали слоистым. Поочередно, в определенной последовательности соединяли сваркой твердые слои из средне- или высокоуглеродистой стали и мягкие полосы из низкоуглеродистой стали или чистого железа. В результате получалось оружие, обладающее новыми свойствами следствия, которые получить без применения сварки невозможно. Впоследствии, в Средние века, эта технология стала применяться для изготовления высокоэффективных самозатачивающихся плугов и других орудий труда.
     Кузнечная и литейная сварка длительное время оставались основными способами соединения металлов. Эти способы хорошо вписывались в техноло

3

гию производства того времени. Профессия кузнеца-сварщика была весьма почетной и престижной. Однако с развитием в XVIII в. машинного производства потребность в создании металлических сооружений, паровых машин, различных механизмов резко возросла. Известные способы сварки во многих случаях перестали удовлетворять требованиям, так как отсутствие мощных источников тепла не позволяло равномерно нагревать большие конструкции до необходимых для сварки температур. Основным способом получения неразъемных соединений в это время стала клепка.
      Положение стало меняться в начале XX в., после создания итальянским физиком А. Вольта источников электрической энергии. В 1802 г. русский ученый В. В. Петров открыл явление электрической дуги и доказал возможность ее использования для плавления металла. В 1881 г. русский изобретатель Н. Н. Бенардос предложил использовать электрическую дугу, горящую между угольным электродом и металлической деталью, для расплавления ее кромок и соединения с другой деталью. Он назвал этот способ соединения металлов «электрогефест» в честь древнегреческого бога-кузнеца. Металлические конструкции любых размеров и различной конфигурации стало возможным соединять прочным сварным швом. Так появилась электродуговая сварка - выдающееся изобретение XIX в. Она сразу же нашла применение в наиболее сложной в то время отрасли промышленности - паровозостроении. Открытие Н. Н. Бе-нардоса в 1888 г. усовершенствовал его современник Н. Г. Славянов, заменив неплавящийся угольный электрод плавящимся металлическим. Изобретатель предложил применять шлак, который защищал сварной шов от воздуха, делая его более плотным и прочным.
      Параллельно развивалась газовая сварка, при которой для плавления металла использовалось пламя, образующееся при сгорании горючего газа (например, ацетилена) в смеси с кислородом. В конце XIX в. этот способ сварки считался даже более перспективным, чем дуговая, так как не требовал мощных источников энергии, а пламя одновременно с плавлением металла защищало его от окружающего воздуха. Это позволяло получать достаточно хорошее качество сварных соединений. Примерно в это же время для соединения стыков рельсовых путей стали применять термитную сварку. При сгорании термитов (смеси алюминия или магния с оксидом железа) образуется чистое железо и выделяется большое количество тепла. Порцию термита сжигали в огнеупорном тигле и расплав выливали в зазор между свариваемыми стыками.
      Важным этапом в развитии дуговой сварки стали работы шведского ученого О. Кельберга, предложившего в 1907 г. наносить на металлический электрод покрытие, которое, разлагаясь при горении дуги, обеспечивало хорошую защиту расплавленного металла от воздуха и его легирование необходимыми для качественной сварки элементами. После этого изобретения сварка стала находить все большое применение в различных отраслях промышленности. Особое значение в это время имели работы русского ученого В. П. Вологдина, который создал первую кафедру сварки в политехническом институте г. Владивостока. В 1921 г. на Дальнем Востоке был открыт первый сварочный цех по

4

ремонту судов, в 1924 г. с применением сварки отремонтирован крупнейший мост через реку Амур. В это же время создаются цистерны для хранения масла емкостью 2000 т, изготавливается с помощью сварки генератор для Днепрогэса, который был в два раза легче клепаного. В 1926 г. проводится первая Всесоюзная конференция по сварке. В 1928 г. в СССР насчитывалось 1200 агрегатов для дуговой сварки.
      В 1929 г. в Киеве при АН УССР открылась лаборатория сварки, которая в 1934 г. преобразована в Институт электросварки. Возглавил институт известный ученый в области строительства мостов профессор Е. О. Патон, именем которого впоследствии назван институт. Одной из первых крупных работ института была разработка в 1939 г. автоматической сварки под флюсом. Она позволила повысить производительность процесса сварки в 6-8 раз, улучшить качество соединения, существенно упростить труд сварщика, превратив его в оператора по управлению сварочной установкой. Эта работа института в 1941 г. получила Государственную премию. Огромную роль автоматическая сварка под флюсом сыграла в годы Великой Отечественной войны, впервые в мире став основным способом соединения броневых листов толщиной до 45 мм при изготовлении танка Т34 и до 120 мм при изготовлении танка ИС-2. В условиях дефицита во время войны квалифицированных сварщиков повышение производительности сварки за счет автоматизации позволило в короткий срок существенно увеличить производство танков для фронта.
      Значительным достижением сварочной науки и техники явилась разработка в 1949 г. принципиально нового способа сварки плавлением, получившего название электрошлаковой. Электрошлаковая сварка играет огромную роль в развитии тяжелого машиностроения, так как позволяет сваривать металл очень большой толщины (больше 1 м).
      В 50-е гг.прошлого века промышленностью освоен способ дуговой сварки в среде углекислого газа, который является одним из самых распространенных способов сварки и применяется практически на всех машиностроительных предприятиях.
      Активно идет развитие сварки и в последующие годы. С 1965 по 1985 г. объем производства сварных конструкций в СССР возрос в 7,5 раза, парк сварочного оборудования - в 3,5 раза, выпуск инженеров-сварщиков - в пять раз. Сварка стала применяться для изготовления практически всех металлических конструкций, машин и сооружений, полностью вытеснив клепку. Например, обычный легковой автомобиль имеет больше 5 тыс. сварных соединений. Трубопровод, по которому поставляется газ из Сибири в Европу, также сварная конструкция, имеющая больше 5 тыс. километров сварных швов. Без сварки не изготавливается ни одно высотное здание, телебашня или атомный реактор.
      В 70-80-е гг. развиваются новые способы сварки и термические резки: электронно-лучевая, плазменная, лазерная. Эти способы вносят огромный вклад в развитие различных отраслей промышленности. Например, лазерная сварка позволяет качественно соединять мельчайшие детали в микроэлектронике диаметром и толщиной 0,01-0,1 мм. Качество обеспечивается за счет

5

острой фокусировки монохроматического лазерного луча и точнейшей дозировки времени сварки, которое может длиться 10⁻⁶ секунды. Освоение лазерной сварки позволило создать целую серию новой элементной базы, что в свою очередь дало возможность изготовить новые поколения цветных телевизоров, компьютеров, систем управления и навигации. Электронно-лучевая сварка стала незаменимым технологическим процессом при изготовлении самолетов сверхзвуковой авиации и аэрокосмических средств. Электронный луч позволяет сваривать металлы толщиной до 400 мм с минимальными деформациями конструкции и небольшой зоной термического влияния. Сварка является основным технологическим процессом при изготовлении морских судов, платформ для добычи нефти, подводных лодок. Современная атомная подводная лодка, представляет собой полностью сварную конструкцию, изготовленную из высокопрочных сталей и титановых сплавов.
      Без сварки невозможны были бы нынешние достижения в космической области. Например, окончательная сборка ракетного комплекса ведется в сварном монтажном цехе весом около 60 тыс. т и высотой 160 м. Система удержания ракеты состоит из сварных башен и мачт общим весом около 5 тыс. т. Все ответственные конструкции на стартовой площадке также сварные. Некоторым из них приходится работать в очень тяжелых условиях. Естественно, что сам космический корабль - также сварная конструкция, где сваркой соединяются самые разные современные материалы. Данные примеры свидетельствуют о том, что сваркой выполняются очень ответственные работы, к качеству сварных соединений предъявляются чрезвычайно высокие требования, сваривать иногда приходится тугоплавки, высокоактивные и редкие металлы. С помощью сварки на современном этапе ее развития эти задачи вполне успешно решаются.
      Сварка была одной из первых технологических операций, опробованных в космосе. В 1969 г. космонавтами Г. Шониным и В. Кубасовым во время полета на корабле «Союз-6» проведены эксперименты по сварке в условиях невесомости на установке «Вулкан». Работы по электронно-лучевой сварке за пределами космического корабля были успешно продолжены в 1984 г. космонавтами В. Джанибековым и С. Савицкой.
      Успешно развивается сварочное производство и в нашей республике. На его долю приходится больше 50 % металла, перерабатываемого в Беларуси. Сварка позволяет соединять практически любые применяющиеся в промышленности материалы - металлы, пластмассы, керамику. Различные способы сварки плавлением можно встретить на любом предприятии республики. С помощью сварки изготавливаются многотонные БелАЗы и МАЗы, тракторы, троллейбусы, лифты, краны, скреперы, холодильники, телевизоры и другие изделия промышленности и товары народного потребления.
      Курс «Технология сварки плавлением и термической резки» является важнейшим в подготовке инженеров по специальности «Оборудование и технология сварочного производства». На нем базируются многие другие дисциплины специальности, курсовое и дипломное проектирование.

6

ГЛАВА 1

КЛАССИФИКАЦИЯ СПОСОБОВ СВАРКИ, СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ И ШВОВ

    1.1. Классификация способов сварки плавлением

    Для получения неразъемного соединения свариваемые детали необходимо сблизить на расстояние (R ® 4’10⁻¹⁰ м), близкое к межатомному расстоянию кристаллической решетки, при котором между ними произойдет преодоление энергетического барьера системы атомов поверхностных слоев и образуются общие межатомные, межионные и металлические связи. Сближению деталей до нужного расстояния препятствуют неровности поверхности, а также находящиеся на них загрязнения и оксидные пленки. Для преодоления их влияния необходимо затратить энергию, которая при сварке передается свариваемым поверхностям двумя физическими процессами: нагревом и давлением.
    Диапазон соотношений температуры и давления, при которых возможно образование сварного соединения (конкретные численные значения зависят от характеристик свариваемого металла), достаточно велик. Можно вообще не нагревать металл извне, а создать в зоне сварки высокое давление (рис. 1.1, точка 1). При этом активация поверхностей свариваемых деталей и образование сварного соединения происходят за счет значительных пластических деформаций. По этой схеме образуются соединения при холодной сварке, сварке взрывом. Если металл нагреть до определенной температуры, то для образования сварного соединения можно приложить меньшее давление (рис. 1.1, точка 2). Этой точке, например, соответствует сварка трением, при которой тепло выделяется за счет трения при вращении одной из деталей и одновременном их сдавливании. При дальнейшем увеличении температуры, усилие сжатия деталей, необходимое для сварки, продолжает уменьшаться. Например, при относительно невысоких давлениях и температуре нагрева Тя = 0,7 Тпл осуществляется диффузионная сварка (рис. 1.1, точка 3). При нагреве металла до температуры плавления (рис. 1.1, точка 4) для получения сварного соединения прикладывать давление нет необходимости. Расплавленный жидкий металл растекается по активированной нагревом поверхности твердого металла, смачивает ее и приближается на расстояние, достаточное для установления общих связей. После охлаждения образуется неразъемное соединение.
    Таким образом, все способы сварки делятся на две большие группы: сварка давлением и сварка плавлением. Для первой группы (рис. 1.1, область I) характерно наличие усилия сжатия свариваемых деталей, которое обеспечивает пластическое деформирование металла в зоне сварки. Для второй группы (рис. 1.1, область II) сварка производится без давления, а металл нагревается выше температуры плавления.


7

Рис. 1.1. Соотношения между температурой и давлением, при которых возможно образование сварного соединения

     Способы сварки плавлением обычно классифицируются по трем признакам: источнику нагрева металла; способу защиты расплавленного металла от окружающей атмосферы; степени механизации процесса сварки.
     В зависимости от источника нагрева металла способы сварки плавлением делятся:
     -  на дуговую - свободно горящая между электродом и изделием электрическая дуга;
     -  газовую - высокотемпературное пламя, образующееся при сгорании газа в смеси с кислородом.
     -  плазменную - сжатая электрическая дуга, через которую со сверхзвуковой скоростью продувается газ, приобретающий свойства плазмы;
     -  электрошлаковую - расплавленный флюс (шлак), по которому протекает электрический ток;
     -  электронно-лучевую - кинетическая энергия электронов, движущихся в вакууме под действием мощного электрического поля;
     -  лазерную - луч оптического квантового генератора (лазера) в световом или инфракрасном диапазоне;
     В зависимости от применяемой защиты различают следующие способы сварки:
     -  покрытыми электродами - роль защиты выполняет покрытие электрода, разлагающееся при нагреве;
     -  под флюсом - защита осуществляется с помощью газа, который, как правило, подается через сопло сварочной горелки;
     -  в защитных газах - защита осуществляется с помощью газа, который, как правило, подается через сопло сварочной горелки;

8

     -  порошковой проволокой - функцию защиты выполняет предварительно засыпанный в трубчатую сварочную проволоку порошок, который при нагреве разлагается с образованием газа и шлака;
     -  в вакууме - расплавленный металл изолирован от окружающей атмосферы вакуумом, который создается в камере, где осуществляется сварка.
     Для каждого способа сварки в классификации по источнику нагрева обычно применяется тот или иной способ защиты. Для дуговой сварки могут применяться все пять способов защиты расплавленного металла от атмосферы. Электронно-лучевая сварка выполняется только в вакууме; электрошлаковая -только под флюсом; плазменная - в защитных газах.
     Еще одним признаком классификации, который чаще всего используется применительно к дуговой сварке, является степень механизации процесса. В процессе сварки основными операциями являются подача электрода или проволоки в зону сварки и перемещение дуги вдоль свариваемых кромок. Если обе операции выполняются сварщиком вручную, сварка называется ручной. Если механизирована подача проволоки, сварку называют механизированной (иногда полуавтоматической). Если механизированы обе операции (подача проволоки и перемещение дуги), сварку называют автоматической .
     Таким образом, полное название способа ручной сварки будет таковыми: ручная дуговая сварка покрытыми электродами. В полное название включены все три признака классификации: по степени механизации - ручная; по способу защиты - покрытыми электродами; по источнику нагрева - дуговая.

     1.2. Типы сварных швов и соединений


     Сварным швом называется закристаллизовавшийся металл, который в процессе сварки находился в расплавленном состоянии.

     Сварным соединением называют ограниченный участок конструкции, содержащий один или несколько сварных швов.

Рис. 1.2. Типы сварных швов: а - стыковой; б - угловой; в - прорезной

      Сварные швы подразделяют по форме сечения (рис. 1.2) на стыковые, угловые, прорезные (электрозаклепочные).


9

     Тип сварного соединения определяется характером взаимного расположения свариваемых деталей. Сварные соединения бывают, стыковыми, угловыми, нахлесточными, тавровыми, торцевыми (рис. 1.3). Подробные характеристики различных типов сварных соединений приведены в стандартах СТБ ISO 17659-2005 и ГОСТ Р 17659-2009.


Рис. 1.3. Типы сварных соединений: 1 - торцевое; 2 - угловое; 3 - нахлесточное;
4 - тавровое; 5 - стыковое

Основные геометрические параметры стыковых швов приведены на рис. 1.4.



Рис. 1.4. Стыковой шов:
е - ширина шва; g - высота валика; Нпр - глубина проплавления;
6 - толщина свариваемого металла; b - зазор между деталями

10