Сварочное производство: современные процессы сварки

В. В. Овчинников, М. А. Гуреева





                СВАРОЧНОЕ ПРОИЗВОДСТВО




СОВРЕМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ СВАРКИ

Учебник









Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 621.791
ББК 34.641 0-35


Рецензенты:
доктор технических наук, с. н. с. (АО НПО «ЦНИИТМАШ») Феклистов Станислав Ильич;
доктор технических наук, профессор (ФГБОУ ВО «Рыбинский государственный авиационный технический университет им. П. А. Соловьева») Шляпин Анатолий Дмитриевич




    Овчинников, В. В.
0-35 Сварочное производство: современные процессы сварки : учебник / В. В. Овчинников, М. А. Гуреева. - Москва ; Вологда : ИнфраИнженерия, 2023. - 496 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-1272-8

           Рассмотрены вопросы физических основ, классификации процессов сварки, свариваемости и структуры сварных соединений. Показаны технологические особенности сварки различных конструкционных материалов, а также их наплавки и резки. Большое внимание уделено описанию современных сварочных материалов.
           Для учащихся средних профессиональных учебных заведений. Может быть полезно специалистам в области сварочного производства.

УДК 621.791
                                                            ББК 34.641













ISBN 978-5-9729-1272-8

     © Овчинников В. В., Гуреева М. А., 2023
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

    ВВЕДЕНИЕ


     На сегодняшний день сварка стала одним из наиболее распространенных технологических процессов. Трудно назвать какой-либо другой процесс, который развивался бы с такой же интенсивностью, а по разнообразию и объемам применения был бы сравним со сваркой. Решение множества важнейших технических проблем современности неразрывно связано с необходимостью получения сварных соединений, способных работать в различных условиях, в том числе и экстремальных.
     Конечным продуктом сварочного производства являются сварные конструкции. Общие объемы производства сварных конструкций в мире составляют сотни миллионов тонн в год. Создание экономичных, надежных и долговечных сварных конструкций, работающих на земле и под водой, при нормальных, высоких и криогенных температурах, в агрессивных средах и при интенсивном радиационном облучении, в различных экстремальных условиях эксплуатации, является важной научно-технической проблемой.
     Сварка предоставляет широкие возможности для оптимизации конструктивных решений, снижения-трудоемкости изготовления конструкций, использования рациональных типов конструктивных элементов, позволяющих существенно уменьшить металлоемкость. Сварку, как один из видов получения неразъемных соединений, широко применяют в различных отраслях техники. За последние 20 лет разработаны и освоены новые и специальные виды (методы) сварки, которые внесли коренные изменения в технологию изготовления машин, механизмов, приборов и сооружений. Поэтому есть основания полагать, что и в XXI веке сварка по-прежнему будет интенсивно развиваться. Несомненно, сварка плавлением останется основой сварочного производства.
     Дуговая сварка - самый распространенный способ сварки плавлением, широко используемый во всех областях техники, так как позволяет создавать конструкции, отличающиеся высокой технологичностью, обеспечивает короткие сроки изготовления, ремонта, восстановления и модернизации конструкций при большой экономии труда и металла. Повышение качества и работоспособности сварных конструкций неразрывно связано с совершенствованием такого важного и трудоемкого процесса, как неразрушающий контроль качества сварных соединений.
     Непрерывное совершенствование техники и технологии сварочного производства вызывает необходимость в систематическом улучшении профессиональной подготовки сварщиков и специалистов сварочного производства, в повышении их производственной квалификации и уровня теоретических знаний. Вместе с тем специалисту сварочного производства нелегко найти книгу с ответами на интересующие его вопросы по специальности, так как обширная литература по оборудованию и технологии дуговой сварки в большинстве случаев не содержит на них ответов. В результате уровень знаний специалиста часто ограничен сведениями из нормативных документов и собственного опыта.

3

     В данном учебнике авторы пытаются ответить на максимально возможное число вопросов, возникающих как у учащихся средних профессиональных учебных заведений, так и у специалистов сварочного производства при выполнении различных видов сварки и изготовлении сварных конструкций широкой номенклатуры.
     На отборе справочных сведений, несомненно, сказались представления авторов о том, что более всего необходимо читателям для практической работы. Это отбор порой сопряжен с серьезными затруднениями и в ряде случаев не бесспорен. Авторы с благодарностью примут советы и предложения по содержанию данного учебника.

4

    Глава 1 ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И КЛАССИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССОВ СВАРКИ



    1.1. Физические основы сварки


      Если кусок металла хорошо отполировать и протравить определенным реактивом (например, кислотой), а потом рассмотреть под микроскопом, то можно увидеть картину, изображенную на рис. 1.1.
      Оказывается, перед нами не сплошное монолитное тело, а кусок, состоящий из отдельных частиц - зерен. Каждое такое зерно состоит из миллионов атомов, которые располагаются в строго определенном порядке и на определенном расстоянии друг от друга. Такое строение атомов называется

Рис. 1.1. Вид поверхности металла под микроскопом

кристаллическим. Таким образом, металл представ-
ляет собой кристаллическое тело. Из общей физики известно, что кристаллы образуют не только металлы, но и многие вещества, встречающиеся в природе

или созданные человеком. Из пересыщенного водного раствора выпадают кри

сталлики соли или сахара; красивые снежинки, падающие на землю зимой, -

это тоже кристаллические тела.
     Но металлические кристаллы обладают удивительными свойствами, которых не имеют другие вещества. С помощью рентгеновских лучей измерили расстояния между атомами в металлических и неметаллических кристаллах. И оказалось, что в металлах расстояние между атомами очень мало. Оно измеряется в ангстремах (ангстрем - А равен 10⁻⁷ мм). В металлах расстояние между атомами колеблется в пределах 2-4 ангстрем. Расстояние это настолько мало, что внешние валентные электроны движутся не только вокруг своего ядра, а начинают перескакивать на орбиты соседних ядер. Это явление, характерное только для металлов, назвали «коллективизацией электронов».
     Внешние валентные электроны из-за малого расстояния между атомами свободно переходят от одного атома к другому, теряют своего «хозяина» и становятся общими для всех атомов (а вернее, положительно заряженных ионов) данного металла. Эти электроны называются свободными, они-то и обеспечивают высокую электро- и теплопроводность металлов. Такое строение металлов обусловливает их высокую пластичность (металлам с помощью ковки можно придавать любую форму) и высокие механические свойства (сверхчистые металлы, изготовленные особым способом, имеют прочность до 10 000 МПа). Взаимодействие между атомами в металлических телах, характеризуемое коллективизацией электронов, называется металлической связью.
     Что же удерживает атомы на определенном расстоянии друг от друга?

5

Рис. 1.2. Взаимодействие положительно заряженных ионов и электронов в металлическом теле

      Известно, что разноименно заряженные частицы притягиваются друг к другу, а одноименно заряженные - отталкиваются. Так как атомы в металлах «отдают» свои внешние электроны в общий «коллектив», то они теряют свою нейтральность и превращаются в положительно заряженные ионы, вокруг которых непрерывно движутся электроны. На эти положительные ионы действуют силы отталкивания и притяжения. Два соседних

иона отталкиваются друг от друга, как одноименно заряженные частицы. А когда между ними «пробегает» отрицательно заряженный электрон, они притягиваются к нему, электрон как бы «стягивает» ионы друг с другом (рис. 1.2). Частицы притягиваются друг к другу тем сильнее, чем меньше между ними расстояние. Однако при очень малых расстояниях между атомами резко воз

растают силы отталкивания, когда проявляется отталкивание не только между

ядрами атомов, но и добавляются силы отталкивания между электронами, рас

Рис. 1.3. Силы, действующие между атомами

положенными на внутренних оболочках.
      Таким образом, при очень малых расстояниях между атомами преобладают силы отталкивания, а с увеличением расстояния проявляются силы притяжения. Если графически изобразить эти силы в зависимости от расстояния и сложить их, то окажется, что при некотором расстоянии между атомами будет проявляться максимальная сила, притягивающая атомы друг к другу и удерживающая их на расстоянии, равном rо (рис. 1.3). Эта сила и является причиной того, что металл не рассыпается на отдельные атомы.
      Значит, если сблизить поверхност

ные атомы двух кусков металла на расстояние rо, то они начнут притягиваться друг к другу. Электроны одного куска металла будут свободно переходить в другой и наоборот, - произойдет коллективизация электронов, образуются металлические связи (рис. 1.4, а), происходит сварка.
      Если бы все металлические тела состояли из одного кристалла и если было бы возможно так хорошо отполировать их поверхность, что при соприкосновении двух чистых поверхностей каждый атом на поверхности одного куска металла нашел бы себе «партнера» на поверхности другого, тогда любые детали можно было бы сваривать без нагрева и без механического воздействия.
      К сожалению - и в то же время к счастью, - на самом деле этого не происходит. В чем же причина? Причин здесь несколько. Вот первая. Как бы тща


6

тельно мы ни полировали поверхность, абсолютно ровную получить не удастся. Механическая обработка ведет к образованию на поверхности чередующихся выступов и впадин, размеры которых зависят от способов обработки. Даже на хорошо отполированном теле неровности достигают по высоте 200 атомных слоев, а при токарной обработке - 40 000 слоев.


Рис. 1.4. Контакт идеально ровных металлических тел (а) и контакт реальных тел (б): r0 - расстояние сближения атомов, на котором между ними происходит обмен электронами

      Поэтому при сближении таких поверхностей их начальное соприкосновение происходит не по всей плоскости, а в отдельных точках (рис. 1.4, б). Подсчитано, что истинные площади соприкосновения реальных тел даже при очень качественной их обработке составляют не более 1 % геометрической поверхности контакта. Понятно, что при таких размерах площади фактического контакт а, если в местах соприкосновения даже и возникнут силы взаимодействия между атомами, прочность соединения будет весьма и весьма низкой. Кроме этого, надо учесть, что каждое зерно, которое мы видим под микроскопом, представляет собой отдельный кристалл, в котором атомы ориентированы по-своему (рис. 1.5, а). Когда металл нагревается, прочность его уменьшается. Поэтому при проковке сминаются выступы, атомные слои разворачиваются, поверхность соприкосновения увеличивается, и прочность соединения возрастает.


Рис. 1.5. Расположение атомов в отдельных кристаллах реального металлического тела (а) и разворот одного из кристаллов (б) для соединения с другим кристаллом

7

     Но дело не только в этом. Посмотрим, в одинаковых ли условиях находятся атомы (ионы), расположенные внутри кристалла и на его поверхности. Оказывается, нет.
     Атомы, расположенные внутри кристалла, окружены большим количеством соседей, чем поверхностные атомы. Поэтому первые тратят всю энергию на взаимодействие с соседями, а поверхностные атомы имеют «лишнюю» энергию (рис. 1.5, б; рис. 1.6). Эта энергия расходуется на притяжение атомов и молекул газа окружающей среды, с которой контактируют поверхностные атомы. Поэтому на земле никогда не удается получить чистую металлическую поверхность. Она всегда покрыта окислами, молекулами воды, газа, толщина слоя которых достигает сотен и тысяч ангстрем. Поверхностные загрязнения препятствуют коллективизации электронов, препятствуют образованию сварного соединения. Поэтому, чтобы получить хорошее соединение, надо очистить свариваемые поверхности от посторонних примесей. В космосе, где почти абсолютная пустота (давление 10 |²...10¹⁴ мм рт. ст.), эти загрязнения моментально испаряются с поверхности тел.


Рис. 1.6. Атомы с повышенной энергией, расположенные на поверхности тела

     Сделаем некоторые промежуточные выводы.
     1. Сваркой металлов называется процесс их соединения за счет сил взаимодействия атомов. Чтобы сварить два металлических тела, надо, во-первых, тщательно очистить свариваемые поверхности; во-вторых, привести в соприкосновение эти тела, обеспечив тем самым расстояние между поверхностными атомами порядка 2-4 ангстрем.
     2. Реальные тела имеют весьма неровные поверхности и всегда покрыты слоем газов, паров воды, окислов и т. д. Поэтому реальные тела при их соприкосновении не свариваются друг с другом.
     Итак, при сварке встречаются две основные трудности: загрязнение поверхности и малая площадь соприкосновения деталей. Для борьбы с этими затруднениями техника использует два основных средства: нагрев и давление.
     Нагрев помогает размягчить металл, чтобы при сдавливании легко сминались неровности на свариваемых поверхностях, и возникало взаимодействие поверхностных атомов. Если детали в зоне сварки нагреваются до расплавления, то взаимодействие жидкого металла свариваемых деталей происходит без внешнего давления, металл сливается в один объем, как две близлежащие капли воды.

8

     В зависимости от того, прикладывается к деталям в процессе сварки давление или нет, все существующие способы сварки делятся на две большие группы:
     1) сварка давлением (рис. 1.7, а);
     2) сварка плавлением (рис. 1.7, б).
     Рассмотрим классификацию и основные видов сварки.

Рис. 1.7. Схема приложения давления при нагреве деталей при сварке давлением (а) и нагрев детали до расплавления при сварке плавлением (б)


     1.2. Классификация процессов сварки

     Многообразие свариваемых конструкций и разнообразие материалов, используемых при сварке, вызывают необходимость в применении различных способов сварки и разнообразных источников тепла для осуществления сварочного процесса.
     Для нагрева места сварки и формирования сварного соединения используется энергия, преобразованная в тепловую энергию посредством:
     •  дугового разряда,
     •  электронного луча,
     •  тока, протекающего по твердому или жидкому проводнику, и т. п.
     Все существующие способы сварки можно разделить на две основные группы: сварку давлением (контактная, газопрессовая, ультразвуком и т. п.) и сварку плавлением (газовая, термитная, электродуговая, электрошлаковая, электронно-лучевая, лазерная и т. п.).
     Сварка давлением использует пластические свойства материалов соединяемых деталей, при этом нагрев играет второстепенную роль или совсем не применяется. При сварке давлением металл нагревается до пластического состояния за счет высокого электрического сопротивления зоны контакта и затем осаживается механическим усилием, вызывающим пластическую деформацию деталей и их соединение в одно целое.
     При сварке плавлением металл нагревают до жидкого состояния (расплавления), причем кромки соединяемых деталей расплавляются одновремен

9

но, образуя общую ванну жидкого металла; при кристаллизации (затвердевании) расплавленный металл сварочной ванны образует прочное соединение, имеющее литую структуру.
      В зависимости от формы энергии, используемой для образования сварного соединения, все виды сварки разделяют на три класса: термический, термомеханический и механический.
      К термическому классу относятся виды сварки, осуществляемые плавлением с использованием тепловой энергии (дуговая, плазменная, электрошлако-вая, электронно-лучевая, лазерная, газовая и др.).
      К термомеханическому классу относятся виды сварки, осуществляемые с использованием тепловой энергии и давления (контактная, точечная, диффузионная и др.).
      К механическому классу относятся виды сварки, осуществляемые с использованием механической энергии и давления (ультразвуковая, взрывом, трением, холодная и др.).
      По виду источника энергии, используемой для нагрева, сварку плавлением можно разделить на электрическую, газовую и термитную. При газовой сварке используется энергия горения кислорода в атмосфере горючих газов -ацетилена, газов-заменителей (пропана, метана, водорода и т. д.) или паров горючих жидкостей (бензина, керосина).
      Наиболее широкое распространение получили различные способы электрической сварки плавлением, а ведущее место среди них занимает дуговая сварка, при которой источником тепла в зоне сварки служит электрическая дуга.
      При электрической дуговой сварке основная часть тепла, необходимая для нагрева и плавления металла, получается за счет дугового разряда, возникающего между свариваемым металлом и электродом. Под действием теплоты дуги кромки свариваемых деталей и торец плавящегося электрода или присадочного материала расплавляются, образуя сварочную ванну, которая некоторое время находится в жидком состоянии. При затвердевании металла образуется сварное соединение.
      Существующие методы электрической сварки плавлением могут быть классифицированы:
      • по виду источников тепла - дуговая, электрошлаковая, электроннолучевая, лазерная, плазменная;
      • по типу защиты сварочной ванны и свариваемого металла от взаимодействия с атмосферой воздуха - со шлаковой, газошлаковой и газовой защитой;
      • по особенностям нагрева - с непрерывным и импульсным нагревом;
      • по степени автоматизации процесса - на ручную, полуавтоматическую и автоматическую.
      В табл. 1.1 приведена классификация видов сварки согласно «Технологическому регламенту проведения аттестации сварщиков и специалистов сварочного производства» от 2002 года.

10