5 Электрошлаковая сварка (схема, сущность, особенности).

При электрошлаковой сварке основной и присадочный металлы расплавляются теплом, выделяющимся при прохождении электри­ческого тока через расплавленный шлак.

В пространство между кромками вертикально установленных деталей 7 (рис. II. 12), приставной стальной или медной планкой 1 и шлакоудерживающими медными ползунами 4 подается флюс 10 и одна или несколько сварочных проволок 6 диаметром 2...3 мм. Сварка начинается с возбуждения дуги под слоем флюса между электродными проволоками и приставной планкой. При расплавле­нии флюса и образовании шлаковой ванны 5 сварочные проволоки погружаются в расплавленный шлак, и горение дуги прекращается. Однако ток продолжает течь через расплавленный шлак и тепло, выделяющееся в нем, расходуется на дальнейшее плавление флюса, кромок свариваемых изделий и присадочного металла. При сварке по изогнутым токоподводящим мундштукам 8 с помощью системы роликов 9 непрерывно подается проволока в жидкий шлак. Авто­мат с помощью колес или специальных электромагнитов переме­щается по вертикальной плоскости вместе с ползунами. Последние, охлаждаясь проточной водой, способствуют принудительному фор­мированию сварного шва 2, образуемого из ванны расплавленного металла 3. По трубе, установленной не­сколько выше мундштуков 8, в зону свар­ки подается флюс. За один проход автома­та одной проволокой при силе тока 600...900 А сваривают металл толщиной до 60 мм. Большие толщины сваривают с по­перечным движением проволоки или с одновременной подачей в сварочную ван­ну нескольких проволок. Для этой же це­ли используют и специальной формы при­садочный металл.

В качестве источников сварочного тока при электрошлаковой сварке при­меняют сварочные трансформаторы с же­сткой внешней характеристикой. Этот метод сварки находит широкое примене­ние в тяжелом машиностроении при изго­товлении сварно-литых и сварно-кованых конструкций, в производстве толстостен­ных котлов высокого давления и пр.

Рис. II. 12. Схема электрошлаковой сварки.

6. Электродуговая сварка в среде защитных газов (схема, сущность, особенности).

Сущность способа сварки в защитных газах состоит в том, что для защиты расплавленного металла от вредного действия кис­лорода и азота воздуха в зону дуги, горящей между свариваемым изделием и плавящимся или неплавящимся электродом, через сопло горелки непрерывно подаётся струя защитного газа, оттес­няющего воздух от места сварки. В некоторых случаях сварка вы­полняется в герметических камерах, заполненных защитным (инерт­ным) газом.

В качестве защитных газов используют одноатомные, или инерт­ные, газы (аргон и гелий), которые не взаимодействуют с расплав­ленным металлом, и активные газы (углекислый газ, водород, азот, пары воды), а также их смеси (аргон с кислородом, аргон с азотом или с углекислым газом, углекислый газ с кислородом и др.), взаимодействующие в некоторой степени с расплавленным метал­лом. Наибольшее применение получили аргон и углекислый газ.

7. Электронно-лучевая сварка (схема, сущность, особенности).

При электронно-лучевой сварке металл нагревают сфокусиро­ванным пучком электронов, ускоряемых электрическим полем высокого напряжения. При падении этого пучка на изделие около 99 % кинетической энергии электронов превращается в тепловую. Температура металла в месте нагрева фокусным пятном превышает 6000 °С.

Сварку выполняют в герметических камерах 1 (рис. II. 21), в которых поддерживают высокий вакуум порядка 133 × 10-4 — 133 × 10-6 Па или создают в них среду проточного инертного газа. Источником излучения электронов служит накаливаемый катод в виде вольфрамовой спирали 2, питаемый от низковольтного транс­форматора 3. Для ускорения движения электронов от накалива­емого катода к аноду, которым является свариваемое изделие 7, подводится высокое напряжение (10...35 кВ), получаемое в спе­циальных трансформаторах с выпрямительным устройством. При нагреве катода до температуры порядка 2400 °С и под действием ускоряющего электрического поля с поверхности горячего катода излучается мощный поток электронов 4. На пути к аноду он про­ходит через фокусирующую элек­тронную линзу, представляющую собой электромагнитную катушку 5. Фокусировкой и изменением силы тока электронный луч мо­жет быть сфокусирован на площа­ди 0,1...20 мм2. Отклоняющей си­стемой, представляющей собой не­сколько электромагнитных кату­шек 6, фокусное пятно можно перемещать по поверхности в различных направлениях. Ему можно придавать также колебательные движения вдоль или поперек оси шва. Для перемещения луча по линии сварки передвигают свари­ваемое изделие внутри камеры с помощью электропривода 8, рас­положенного вне камеры. Наблюдают за сваркой через смотровое окно 9. Электронным лучом успешно сваривают низко- и высоко­легированные стали, тугоплавкие (вольфрам, молибден, тантал и др.), активные (уран, цирконий, бериллий) и разнородные (алю­миний с медью и пр.) металлы, а также различные сплавы. За один проход можно сваривать металл толщиной от 0,01 до 100 мм и более. Сварные соединения получаются высокого качества с зеркально гладкой поверхностью.

3. Электроды для ручной сварки.

1. Электроды для ручной дуговой сварки. Ручную дуговую свар­ку выполняют штучными электродами, которые сварщик подает к свариваемому изделию и перемещает в нужном направлении. При сварке по методу Бенардоса применяют угольные или графитовые электроды диаметром 6...30 мм, длиной 200...300 мм. Для сварки по методу Славянова используют металлические электроды, име­ющие диаметр 1,6... 12 мм и длину 150...450 мм. Сварку в инерт­ных газах осуществляют вольфрамовыми электродами диаметром 1...6 мм.

Для сварки сталей электроды изготавливают из стальной сва­рочной проволоки по ГОСТ 2246—70, которым предусмотрено 77 ее марок. Из них шесть изготавливают из низкоуглеродистой, 30 — из легированной и 39 — из высоколегированной сталей.

Дуговая сварка стержнями из стальной проволоки (голыми электродами) не применяется вследствие плохой устойчивости дуги. Для повышения устойчивости горения дуги на электродные стержни наносят так называемые тонкие, или стабилизирующие, покрытия. В их состав входят соединения щелочных (калия, натрия) или щелочноземельных (кальция) металлов, которые в дуге легче ионизируются, чем кислород и азот воздуха, и этим улучшают ус­тойчивость горения дуги. Однако электроды с тонкими покрытиями не обеспечивают высоких механических свойств металла шва, ко­торый сильно насыщается азотом и кислородом воздуха. Для защиты расплавленного металла от взаимодействия с воздухом на элек­тродные стержни 5 наносят толстые, или качественные, покрытия 4 (рис. II. 5). Их составляющими, кроме стабилизирующих и клеящих (жидкое стекло), являются шлако- и газообразующие вещества и раскислители. Для получения наплавленного металла специаль­ного состава и свойств в них вводят также различные легирующие элементы.

Рис. II. 5. Схема плавления электрода с толстым покрытием.

Шлакообразующими вещест­вами являются оксиды (ТiO2, SiO2, МnО), карбонаты (СаСO3, MgCO3) и другие соединения (CaF2), вносимые в покрытия в виде минералов (кремнезема, мрамора) и руд (титановой, мар­ганцевой). При плавлении по­крытия они образуют шлаки, которые покрывают капли 3 электродного металла и металл 1 шва и этим защищают расплавленный металл от азота и кис­лорода воздуха. После остывания металла шва и шлака шлаковая корка 2 легко удаляется с поверхности шва.

В качестве газообразующих веществ используют различные органические соединения, например, электродную целлюлозу, дре­весную муку и пр. При их сгорании вокруг дуги образуются защит­ные газы в виде оксидов углерода, водорода и пр., которые предо­храняют расплавленный металл от взаимодействия с воздухом.

Для раскисления применяют элементы, которые обладают большим сродством с кислородом, чем железо (марганец, титан, кремний, алюминий). Находясь в сварочной ванне, они отбирают кислород от оксидов железа, образуя нерастворимые в железе оксиды соответствующих элементов, которые затем всплывают в шлак.

Легирующими элементами являются хром, молибден, ванадий и др. В покрытия их вводят тогда, когда электроды предназначены для сварки легированных сталей, получения износостойких на­плавок и пр.

Для изготовления покрытых электродов все кусковые материа­лы шихты покрытия дробят, размалывают, просеивают и смешива­ют с жидким стеклом. Полученную массу наносят на электродные стержни. Затем электроды просушивают и прокаливают.

По назначению выделяют четыре группы покрытых электродов для сварки сталей: углеродистых (У), легированных (Л), теплоустой­чивых (Т) и высоколегированных (В). Пятую группу составляют электроды для наплавки с целью создания поверхностных слоев с особыми свойствами (Н). В зависимости от механических и дру­гих свойств наплавленного металла эти группы электродов под­разделяются на типы. Каждому типу может соответствовать одна или несколько марок электродов.

4. Автоматическая сварка под флюсом (схема, сущность, особенности).

Сущность способа сварки под флюсом. При автоматической дуговой сварке защита расплавленного металла от атмосферного воздуха в зоне сварки осуществляется с помощью порошкообраз­ного вещества, называемого флюсом, или с помощью защитных га­зов. При сварке под флюсом к свариваемому изделию 9 (рис. II. 9) подается голая проволока 1 и отдельно флюс 3. Сварочная дуга 2 горит под слоем флюса между концом сварочной проволоки и изде­лием в газовом пузыре 4, образующемся вокруг столба дуги из паров присадочного и основного металлов и продуктов диссоциации составляющих флюса. Расплавленная часть флюса 5 окружает га­зовый пузырь и покрывает сварочную ванну 6 тонким слоем шлака, препятствуя этим соприкосновению расплавленного присадочного и основного металла с кислородом и азотом воздуха. После осты­вания металла и шлака последний в виде корки 7 легко отделяется от наплавленного металла 8. Неиспользованная часть флю­са отсасывается с изделия об­ратно в бункер флюсоотсасы­вающими устройствами.

При автоматической дуго­вой сварке под флюсом по сравнению с ручной до 10...20 раз повышается про­изводительность из-за исполь­зования больших токов, до­стигается однородность и по­вышается качество металла шва, экономится сварочная проволока вследствие отсутствия огарков, меньших потерь на угар и разбрызгивание.

сущность способа наплавки под флюсом (рис. 2) зак­лючается в том, что в зону горения дуги автоматически по­даются сыпучий флюс и электродная проволока. Под дей­ствием высокой температуры образуется газовый пузырь, в котором существует дуга, расплавляющая металл. Часть флюса плавится, образуя вокруг дуги эластичную оболочку из жидкого флюса, которая защищает расплавленный металл от окисления, уменьшает разбрызгивание и угар. При кристаллизации расплавленного металла образуется сварочный шов.

Рис. 2. Схема автоматичес­кой дуговой наплавки цилиндрических деталей

под флюсом: 1 — патрон; 2 — кассета; 3 — бункер; 4 — флюс; 5 — деталь

Преимущества способа:

— возможность получения покрытия заданного состава, т. е. легирования металла через проволоку и флюс и равно­мерного по химическому составу и свойствам;

— защита сварочной дуги и ванны жидкого металла от вредного влияния кислорода и азота воздуха;

— выделение растворенных газов и шлаковых включе­ний из сварочной ванны в результате медленной кристаллизации жидкого металла под флюсом;

— возможность использования повышенных сварочных токов, которые позволяют увеличить скорость сварки, что спо­собствует повышению производительности труда в 6—8 раз;

— экономичность в отношении расхода электроэнергии и электродного металла;

— отсутствие разбрызгивания металла благодаря стати­ческому давлению флюса; возможность получения слоя на­плавленного металла большой толщины (1,5-5 мм и более);

— независимость качества наплавленного металла от ква­лификации исполнителя;

— лучшие условия труда сварщиков ввиду отсутствия ультрафиолетового излучения; возможность автоматизации технологического процесса.

8. Сварка лазерным лучом (схема, сущность, особенности).

При лазерной сварке источником тепловой энергии служит мощный сконцентрированный световой луч, получаемый в специ­альных установках, называемых лазерами. В настоящее время основное применение имеют рубиновые лазеры с искусственным рубином, содержащим оксид алюминия (А1203) и небольшую до­бавку оксида хрома (Сг203). Такой лазер состоит из цилиндриче­ского рубинового стержня 1 (рис. II. 23), ксеноновой лампы 2, линзы 4 и охлаждающей системы 3. Торцы стержня отполированы и посеребрены. Один, служащий для выхода наружу светового луча, частично прозрачен. При вспышке ксеноновой лампы, питаемой разрядным током конденсаторов, атомы хрома рубинового кристал­ла переходят из нормального в возбужденное состояние. Однако через несколько миллисекунд они снова возвращаются в исходное состояние, беспорядочно излучая фотоны красного света. Поток их вдоль оси стержня вызывает излучение новых фотонов, которые попеременно отражаются от зеркальных торцовых граней, увеличи­вая этим интенсивность общего излучения. При накоплении определенного уровня фотонов они в виде потока красного света прорываются через полупрозрачный торец стержня наружу. Пройдя через линзу 4, сфокусированный пучок 5 попа­дает на изделие 6. Продолжительность импульса излучения лазерного пучка равна тысячным и миллионным долям секунды.

Рис. II. 23. Схема лазерной сварки.

Лазерной сваркой можно сваривать различные металлы толщиной до 0,5 мм. Его применяют также для получения отверстий в твердых спла­вах, тугоплавких металлах, алмазах, рубинах и др.

9. Сварка плазменной струей (схема, сущность, особенности).

Электронной плазмой называют сильно ионизированный газ, состоящий из нейтральных атомов и молекул, ионов и электронов. Для получения плазменной дуги соосно столбу дуги, горящей меж­ду катодом и анодом, в узком канале водоохлаждаемого медного сопла 3 специальной плазменной горелки (рис. II. 24) пропускают поток газа. При увеличении тока столб дуги в ограниченном стен­ками канала сопле горелки расширяться не может, поэтому за счет его сжатия, а также сжатия газовым потоком температура столба дуги и степень ионизации газа резко повышаются. Практически почти весь газ, проходящий сквозь столб сжатой дуги, ионизирует­ся и превращается в плазму.

Различают плазменную дугу прямого и косвенного действия. Дуга 4 прямого действия (рис. II. 33, а) горит между вольфрамовым электродом 1 (катодом) и изделием 5 (анодом). Температура такой дуги достигает 20000...30000 °С.

Дуга косвенного действия (рис. II. 24, б) горит между вольфра­мовым электродом 1 и медным соплом 3 горелки. Давлением потока газа ионизированный газовый поток выдувается из сопла горелки в виде яркого концентрированного пламени 4. Его температура до­стигает 15000 °С и выше. Ток к вольфрамовому электроду подводят через мундштук 2, а к корпусу горелки — вблизи сопла. В каче­стве плазмообразующего газа для сварки используют главным об­разом аргон. Плазменной дугой сваривают углеродистые и нержа­веющие стали, тугоплавкие и цветные металлы, а также неметалли­ческие материалы толщиной от нескольких десятков микрометров и больше.

Сварка плазменной дугой в отличие от дуговой электрической имеет следующие преимущества:

в плазменной сварке процесс сварки менее чувствителен к изменению длины электрической дуги;

процесс протекает с большей температурой;

имеет меньший диаметр дуги, которая имеет цилиндрическую форму;

дуга горит на малых токах — от 0,2 до 30 А.