Загальні відомості. Вперше застосував електричну дугу, відкриту академіком В.В

Вперше застосував електричну дугу, відкриту академіком В.В. Петровим в 1802 р. для зварювання металів вугільним електродом, що не плавиться, у 1882 р. російський інженер М.М. Бернардос, а в 1888 р. інженер М.Г. Славянов запропонував для зварювання металевий електрод, що плавиться. Особливі досягнення в області електродугового зварювання металів належать академіку Є.О. Патону та його учням.

Зварювання – це технологічний процес отримання нероз’ємних з’єднань металів, сплавів та різноманітних матеріалів за рахунок сил взаємодії атомів. Розрізняють два основних методи зварювання: плавленням (без тиску) та тиском (без оплавлення).

При зварюванні плавленням розплавляються кромки зварювальних заготовок та присаджувальний матеріал для заповнення зазору між ними. Внаслідок кристалізації металу зварювальної ванни з оплавленими кромками виробу та виникнення зварного шва утворюється міцне з’єднання. До зварювання плавленням відносяться дугове, електрошлакове, газове, термітне, плазмове, електронно-променеве, лазерне та ін.., до зварювання тиском – дифузійне, контактне, індукційне, газопресове, ультразвукове, холодне зварювання тертям, конденсаторне, вибухом та ін.

За видами енергії зварювання може бути електричним (всі види дугового зварювання, електрошлакове, контактне, плазмове, індуктивне та ін.), хімічним (газове та термітне), механічним (зварювання тертям, холодне пресове, ультразвукове та ін.) та променевим (лазерне, електронне, геліозварювання та ін.).

Електродугове зварювання – найбільш розповсюджений метод з’єднання металевих деталей, який використовує теплоту електричної дуги. Електрична дуга – це безперервний потік електронів та іонів, які утворюються між електродами в тому або іншому середовищі як постійним так і змінним електричними струмами. В дуговому розряді емісія електронів з катода проходить під дією двох факторів (рисунок 1.1): високої температури (термоелектронна емісія) та напруженості електричного поля (автоелектронна емісія).

На рис. 1.1 прийняті такі позначення: е₁ е₂ – швидкі електрони; А, А' – нейтральні атоми газу; е₂ - повільні електрони; -U – негативний та +U – позитивний іони.

Процес запалювання дуги при зварюванні складається з трьох етапів: короткого замикання електрода на заготовку, відведення електроду на відстань 3...5 мм та виникнення стійкого дугового розряду. При короткому замиканні внаслідок високої густини струму в місці контакту кінець електрода та ділянка заготовки, що торкається до нього, нагріваються. Це забезпечує утворення дугового розряду при відведенні електрода від поверхні виробу.

Рис.1.1. – Схема процесу об’ємної іонізації електронами

На рис. 1.2. зображена схема ручного дугового зварювання металів. Дуга виникає при пропусканні струму між металевим стержнем електрода 7 та основним металом 1. Дуговий розряд 8 має форму стовпа, що розширюється до поверхні виробу стовпа, в основі якого в товщі виробу утворюється кратер дуги або зварювальна ванна 9. При горінні дуги стержень електрод плавиться, розплавлений метал краплями стікае в металеву ванну. Разом зі стержнем плавиться і покриття (обмазка) електрода 6, утворюючи захисну газову атмосферу 5 навколо дуги та рідку шлакову ванну 4 на поверхні розплавленого металу. Металева та шлакова ванни разом утворюють зварювальну ванну. При русі дуги в напрямі зварювання зварювальна ванна твердіє з утворюванням зварювального шва 2 та шлакової кірки 3. Величину проплавлення металу називають глибиною зварювання «в».

При зварюванні металевими електродами температура на катоді дорівнює 2400°С; на аноді – 2600°С; у стовпі дуги температура сягає 6000...7000°С. При будь-якому методі зварювання та положенні шва в просторі метал завжди переходить з електрода на виріб у вигляді крапель, які переносяться в результаті спільної дії сил тяжіння, поверхневої дії електромагнітних сил на метал електрода (пінч-ефект) та ін.

Рис.1.2. – Схема зварювання металевим електродом з товстою обмазкою

Сталеві електроди для ручного дугового зварювання виготовляють зі спеціального зварювального дроту (вуглецевого, легованого та високолегованого) діаметром 1..12 мм за ГОСТ 2246-70. Для захисту розплавленого металу від насичення його киснем та азотом з повітря, створення стійкого горіння дуги та надання наплавленому металу необхідних властивостей сталеві електроди покривають спеціальними обмазками, до складу яких входять шлако- та газоутворюючі, легуючі, клеючі або зв'язуючі речовини та розкислювачі. До особливостей металургійних процесів при зварюванні плавленням відносяться високі температури та нетривалість всіх процесів.

Будова зварювального шва після затвердіння наплавленого металу в низьковуглецевій сталі показана на рисунку 1.3.

При зварюванні деяких конструкційних сталей у зоні термічного впливу утворюються гартувальні структури, які дуже зменшують пластичні властивості шва та спричиняють утворення тріщин. При зварюванні низьковуглецевої сталі структурні зміни в зоні термічного впливу слабко відображаються на механічних властивостях. Розміри зони термічного впливу залежать від методу, технології зварювання та особливостей зварюваного металу.

Рис.1.3. – Зміна структури металу в зоні термічного впливу при зварюванні низько вуглецевої сталі

Утворення зварних з'єднань відбувається в цьому випадку при нагріванні в вузькій зоні кристалізації з утворенням зварного шва за рахунок зварюваного (основного) і присадного металів. Метал зони зварного з'єднання характеризується таким же комплексом властивостей, як і зварюваний метал: малою пластичністю, в'язкістю, протикорозійною стійкістю тощо. На якість зварного шва впливають хімічний склад сталі, фізичні властивості та термічна обробка сталі перед зварюванням. Добре зварюються всіма способами вуглецеві конструкційні сталі, які містять до 0,25 % вуглецю. Підвищення вмісту вуглецю сталі вище 0,3 % призводить до самогартування перехідної зони основного металу і вона стає більш крихкою. Тому сталі з підвищеним вмістом вуглецю в більшості випадків зварюються з попереднім підігріванням, а іноді з наступною термічною обробкою-нормалізацією або відпалюванням.

При дуговому зварюванні плавленням теплота від зони зварювання поширюється в бік від шва, утворює в пришовній зоні основного металу перепад температур від температури плавлення на зварюваних кромках до початкової, при цьому в зоні утворення зварного шва можна виділити ділянки, які складаються з неоплавленого металу і зварного.

Частина металу, яка розплавляється і кристалізується під час термічного циклу, називається металом шва. Метал шва являє собою суміш в рідкому стані наплавленого (присадного) і розплавленого основного металу з урахуванням змін, які обумовлені процесами, що супроводжуються зварювання (випаровування, окислення тощо).

Метал однопрохідного шва має структуру ливарної сталі – крупнокристалічна дендритна; у більшості випадків має форму стовпчастих кристалів. Стовпчасті кристали направлені від зони неповного розплавлення в глибину шва. Вигляд будови стовпчастих кристалів дозволяє встановити, що кожний з них складається з окремих дендритів. Дендрити в межах стовпчастого кристалу мають одну спрямованість, але можуть мати різну розгалуженість, між такими дендритами немає виразної межі. Група дендритів, яка має чітку межу, являє собою стовпчастий кристал. Структура стовпчастого кристалу металу шва це ділянка з рівномірно розподіленим перлітом, обрамлена феритною сіткою.

У випадку, коли шов зварного з’єднання складеться з декількох проходів, в місцях термічного впливу на попередніх проходах є зони, в яких має місце перекристалізація. При повторному нагріванні металу шва вище 900°С і швидкому охолодженні стовпчаста структура перетворюється в дрібнозернисту рівноважну. Тому при багатошаровому електродуговому зварюванні структура наступних шарів дрібнозерниста і рівноважна, а в останньому шарі зберігається стовпчаста, що має знижені механічні властивості.

Зона основного металу, в якій в результаті нагрівання і охолодження відбуваються зміни структури і властивостей, називається зоною термічного впливу (ЗТВ). У ЗТВ можна виділити такі ділянки:

1. Ділянка неповного розплавлення. Вона включає вузьку смужку основного металу, який нагрівається при зварюванні до температурної області, що знаходиться між температурами початку і кінця плавлення сталі. Температурний інтервал ліквідус-солідус у низьковуглецевих сталей невеликий (30...40°С), тому ділянка неповного плавлення (іноді називається зоною сплавлення) має, як правило, невелику ширину: 0,08...0,1 мм – для дугового і 0,15...0,20 мм – для газового та електрошлакового зварювання. Внаслідок незначної довжини цю зону важко відрізнити від інших.

2. Ділянка перегріву. Метал, який розташований в цій ділянці, нагрівається до температур, близьких до температури плавлення (1100... 1200°С). Внаслідок перегріву метал має крупнокристалічну будову, а подальше прискорене охолодження призводить до утворення відманштеттової структури. По мірі віддалення іонів наплавленого металу ступінь перегріву зменшується, а це призводить до зменшення величини зерна і схильності до утворення відманштеттової структури.

Ділянка неповного розплавлення і ділянка перегріву називаються разом пришовною зоною. В цій зоні в результаті нагрівання та охолодження найбільш різко змінюються структура та властивості основного металу – знижуються пластичність та ударна в'язкість, утворюються гарячі тріщини. Метал цієї зони має найвищу крихкість і є найбільш слабким місцем зварного з’єднання.

З. Ділянка нормалізації. Метал цієї області нагрівається до температури, яка відповідає критичній точці А₃ (900... 1100°С). Ділянка нормалізації існує тільки в тому випадку, коли зварювана сталь мала початкову крупнозернисту структуру. Внаслідок проходження процесів перекристалізації кінцева структура цієї ділянки має дрібні рівноважні зерна фериту та перліту. Ця структура характеризується достатньо високими механічними властивостями (міцність, пластичність, в'язкість).

4. Ділянка неповної перекристалізації. Метал на цьому відрізку нагрівається до температур від А₁ до А₃ (723...900°С). Його структура надзвичайно своєрідна. Тут поряд із старими більш крупними зернами фериту, які не пройшли перекристалізацію, існують нові, значно дрібніші зерна фериту і перліту, які пройшли перекристалізацію. Внаслідок достатньо різкої різниці в розмірах зерен ця ділянка має невисокі механічні властивості.

5. Ділянка рекристалізації. Для гарячедеформованої або випаленої перед зварюванням сталі частина металу, яка нагрівалася до температур нижче Ас_ь не змінює своєї структури. Якщо метал перед зварюванням був наклепаний, то в ньому будуть спостерігатися структурні перетворення. В цьому випадку проходить рекристалізація, яка призводить до значного росту зерна. Як правило, рекристалізована структура в зварному з'єднанні спостерігається на ділянках, які нагріваються вище температури рекристалізації (450...725°С). Для ділянки рекристалізації характерні рівноважні укрупнені зерна фериту та перліту, причому розмір зерен буде залежати від ступеня пластичної деформації основного металу. Відрізнити їх від початкової структури можна по відсутності волокнистості. В литій та гарячедеформованій сталях ділянка рекристалізації відсутня.

6. Ділянка синьоламкості. Структура цієї ділянки металографічно не відрізняється від структури початкового металу. В процесі зварювання метал цієї ділянки нагрівається до температур 200... 400°С, при яких з’являться синій колір. Нагрівання до вказаних температур спричиняє у деяких сталей підвищення міцності, а також зменшення пластичності і ударної в'язкості Це обумовлено, найвірогідніше, виділенням із твердого розчину субмікроскопічних частинок по границях зерен. При зварюванні конструкційних сталей в ЗТВ можливе утворення структур гартування, які різко знижують характеристики пластичності зварного з’єднання, що часто буває причиною виникнення холодних тріщин.

Для виготовлення зварювальних конструкцій використовують такі основні методи з’єднань згідно ГОСТ 2601-88 (рисунок 1.4): стикові (1); внакладку (2), таврові (3), кутові (4), види швів по відношенню до напряму діючих на них зусиль (5) та при різних положеннях у просторі (6).

Стикові з’єднання розрізняють за видами попередньої підготовки кромок зварюваних поверхонь (рисунок 1.4а-ж). В залежності від товщини зварюваного металу стандартами регламентується різна підготовка кромок поверхонь. Так, при товщині металу до 3 мм застосовують відбортовку без зазору (рисунок 1.4а); при товщині листів від 3 до 8 мм зварюють без підготовки кромок при зазорі до 2 мм (рисунок 1.46, в); для листів товщиною до 15 мм застосовують зварювання з одностороннім У-подібним розділом кромок (рисунок 1.4г), а при товщині листа 15 мм бажано використовувати двосторонній Х-подібний розділ кромок (рисунок 1.4д). Листи товщиною понад 20 мм зварюють з чашоподібним (У-подібним) розділом кромок, який може бути одно- та двосторонім (рисунок 1.46, ж).

З’єднання внакладку (рисунок 1.4з) характеризуються наявністю перекриття країв зварюваних листів: розміри накладки дорівнюють 3-5-кратній товщині зварюваних елементів. Різновидами з’єднань внакладку є прорізні (рисунок 1.4и) та електрозаклепочні (рисунок 1.4к).

Таврові з’єднання виконуються приварюванням одного елемента виробу до іншого (рисунок 1.4л). Без скосу кромок зварюють конструкції з малим навантаженням. При виготовленні відповідальних конструкції з елементами товщиною 10...20 мм використовують односторонній скіс, а при товщині елементів понад 20 мм – двосторонній.

Рис.1.4. – Зварювальні з’єднання

Кутові з’єднання (рисунок 1.4м) при будь-якій товщині можливо отримати без підготовки кромок. Зварювання з кромками для кутових з’єднань застосовується рідко.

Залежно від розташування швів до напряму діючої на них сили Р розрізняють флангові шви 1, лобові 2 та косі 3 (рисунок 1.4н).

За положенням шва в просторі, яке він займає під час зварювання, розрізняють нижні шви 1, вертикальні 2, та стелеві 3 (рисунок 1.4о).

Шви, які накладаються горизонтально при вертикальному положенні виробу, називаються горизонтальними.

Шви виконуються безперервними або перервними залежно від діючого навантаження.

Поиск по сайту: