д) термокомпрессионная, для осуществления которой необходимость расплавления материалов отсутствует. Компонент, например проволочные выводы, и подложку покрывают ковким материалом (золотом), нагревают до 300 °C и сжимают примерно на полсекунды. В результате образуется соединение по типу диффузной сварки;
е) дугопрессовая, которая находит применение при необходимости присоединить к пластине детали вроде болтов или шпилек. Когда шпилька или болт отводится от пластины, между ними возникает дуговой разряд, из-за которого температура их торцов и металла пластины повышается, они нагреваются и расплавляются. В тот момент, когда при отключенном токе шпилька или болт ударяются о пластину, они свариваются;
ж) печная, практикующаяся, например, для приваривания фланцев к трубам. Для этого стыки покрывают специальным составом (вставка между ними латунного или бронзового кольца – еще один вариант). В таком виде все помещают в электропечь, в которой при температуре 1100–1500 °C происходит сваривание;
и) термитно-прессовая, при которой соединяемые части или детали нагревают газовым пламенем и сжимают.
3. Механический, в него входят виды сварки, для осуществления которых используется комбинация механической энергии и давления. Эту группу составляют следующие виды сварки: а) холодная, в основе которой лежит способность кристаллитов металла срастаться под воздействием высокого давления. Таким способом соединяют исключительно пластичные материалы, такие как алюминий, свинец и др.;
б) ультразвуковая, при которой свариваемые части сближают и стягивают вибрирующим зажимом, через который поступают высокочастотные колебания от магнитострикционного генератора. Благодаря колебаниям состыкованные части нагреваются, после чего свариваются в процессе диффузии атомов контактирующих материалов;
в) магнитно-импульсная, для проведения которой под воздействием импульсного тока индуктора и наведенных им вихревыми токами в соединяемых частях, деталях и ином свариваемые поверхности соударяются;
г) сварка взрывом, которая используется для соединения тонких листов с более массивными (процесс называется «плакирование»), например стали с латунью. Детали укладывают друг на друга, на поверхность помещают взрывчатое вещество, которое при детонировании взрывается и соединяет их в результате соударения;
д) сварка трением, практикуемая для соединения мелких деталей, одна из которых неподвижна, а другая вращается вокруг нее (или они вращаются в разные стороны). При трении выделяется тепло, которое нагревает и сваривает детали.
Техническими признаками, на которые опирается классификация сварки металлов, являются:
✓ способы защиты металла на участке сварки. Среди используемых представлена сварка в вакууме, защитных газах (в углекислом газе, водяных парах, инертных газах и др.), воздухе, пене, по флюсу и под ним. Кроме того, возможно комбинирование способов;
✓ степень непрерывности сварочных работ. По этому признаку различаются как прерывистые, так и непрерывные способы сварки;
✓ наличие механизации процесса сварки. Сюда входят ручные, автоматизированные, механизированные и автоматические способы сварки.
О технологических признаках следует сказать, что для каждого вида сварки они разрабатываются отдельно.
Деформации и напряжения при сварке
Процесс, при котором в результате воздействия силы форма и размер твердого тела изменяют свою форму, называется деформацией.
Различаются следующие ее виды:
✓ упругая, при которой тело восстанавливает исходную форму, как только действие силы прекращается. Такая деформация, как правило, бывает незначительной, например для низкоуглеродистых сталей она составляет не более 0,2 %.
✓ остаточная (пластическая), возникающая в том случае, если тело после устранения воздействия не возвращается в первоначальное состояние. Этот вид деформации характерен для пластичных тел, а также отмечается при приложении к телу очень значительной силы. Для пластической деформации нагретого металла, в отличие от холодного, требуется меньше нагрузки.
Степень деформации зависит от величины приложенной силы, т. е. между ними прослеживается прямо пропорциональная зависимость: чем больше сила, тем сильнее деформация.
Силы, которые действуют на изделие, делятся на:
✓ внешние, к которым относятся собственно вес изделия, давление
газа на стенки сосуда и проч. Такие нагрузки могут быть статическими (не изменяющимися по величине и направлению), динамическими (переменными) или ударными;
✓ внутренние, возникающие в результате изменения структуры металла, которое возможно под воздействием внешней нагрузки или, например, сварки и др. Рассчитывая прочность изделия, внутреннюю силу обычно называют усилием.
Величину усилия характеризует и напряжение, которое возникает в теле в результате этого усилия. Таким образом, между напряжением и деформацией имеется тесная связь.
Относительно сечения металла действующие на него силы могут иметь разное направление. В соответствии с этим возникает напряжение растяжения, сжатия, кручения, среза или изгиба (рис. 3).
Появление деформации в сварных конструкциях объясняется возникновением внутренних напряжений, причины которых могут быть разными и подразделяются на две группы.
Рис. 3. Виды напряжения, изменяющие форму металла и сплава (стрелки указывают направление уравновешивающих сил): а – растяжение; б – сжатие; в – кручение; г – срез; д – изгиб
К первой относятся неизбежные причины, которые обязательно возникают в ходе обработки изделия. При сварке это:
1. Кристаллизационная усадка наплавленного металла. Когда он переходит из жидкого состояния в твердое, его плотность возрастает, поэтому изменяется и его объем (это и называется усадкой), например уменьшение объема олова в таком случае может достигать 26 %. Данный процесс сопровождается растягивающими напряжениями, которые развиваются в соседних участках и влекут за собой соответствующие им напряжения и деформации. Усадка измеряется в процентах от первоначального линейного размера, а каждый металл или сплав имеет собственные показатели (табл. 1).
Таблица 1
Линейная усадка некоторых металлов и сплавов
Напряжения, причиной которых является усадка, увеличиваются до тех пор, пока не наступает момент перехода упругих деформаций в пластические. При низкой пластичности металла на наиболее слабом участке может образоваться трещина. Чаще всего таким местом бывает околошовная зона.
При сварке наблюдаются два вида усадки, которые вызывают соответствующие деформации:
а) продольная (рис. 4), которая приводит к уменьшению длины листов при выполнении продольных швов. При несовпадении центров тяжести поперечного сечения шва и сечения свариваемой детали усадка вызывает ее коробление;
б) поперечная (рис. 5), следствием которой всегда является коробление листов в сторону более значительного объема наплавленного металла, т. е. листы коробятся вверх, в направлении утолщения шва. Фиксация детали воспрепятствует деформации от усадки, но станет причиной возникновения напряжений в закрепленных участках.
Рис. 4. Продольная усадка и деформации при различном расположении шва по отношению к центру тяжести сечения элемента: а – при симметричном; б, в – при несимметричном; 1 – график напряжений; 2 – шов; ΔL – деформация; b – ширина зоны нагрева; – напряжение сжатия; + – напряжение растяжения; г – при несимметричном; 2 – шов
Величина деформаций при сварке зависит, во-первых, от размера зоны нагрева: чем больший объем металла подвергается нагреванию, тем значительнее деформации. Следует отметить, что для различных видов сварки характерны разные по размеру зоны нагрева и деформации, в частности при газовой сварке кислородно-ацетиленовым пламенем она больше, чем при дуговой сварке.
Рис. 5. Поперечная усадка и деформации: а – деформации до и после сварки; б – график распределения напряжения (О – центр тяжести поперечного сечения шва; – напряжение сжатия; + – напряжение растяжения)
Во-вторых, имеют значение размер и положение сварного шва. Величина деформации тем существеннее, чем длиннее шов и больше его сечение, определенную роль играют также несимметричность шва и главной оси сечения свариваемого изделия.
В-третьих, если деталь сложна по своей форме, то швов на ней бывает больше, поэтому можно предположить, что напряжения и деформация обязательно проявятся.
2. Неравномерный нагрев свариваемых частей или деталей. Как известно, при нагревании тела расширяются, а при охлаждении – сужаются. При сварке используется сосредоточенный источник тепла, например сварочная дуга или сварочное пламя, который с определенной скоростью перемещается вдоль шва и поэтому неравномерно нагревает его. Если свободному расширению или сокращению мешают какие-либо препятствия, то в изделии развиваются внутренние напряжения. Более холодные соседние участки и становятся такой помехой, поскольку их расширение выражено в меньшей степени, чем у нагретых участков. Поскольку термические напряжения, ставшие следствием неравномерного нагревания, развиваются без внешнего воздействия, то они называются внутренними, или собственными. Наиболее важными являются те из них, которые возникают при охлаждении изделия, причем напряжения, действующие вдоль шва, менее опасны, поскольку не меняют прочности сварного соединения, в отличие от напряжений, перпендикулярных шву, которые приводят к образованию трещин в околошовной зоне;
3. Структурные трансформации, которые развиваются в околошовной зоне или металле шва. В процессе нагревания и охлаждения металла размер и расположение зерен относительно друг друга изменяются, что отражается на объеме металла и становится причиной возникновения внутренних напряжений со всеми вытекающими последствиями, представленными в первом пункте. В наибольшей степени этому подвержены легированные и высокоуглеродистые стали, предрасположенные к закалке; низкоуглеродистые – в меньшей. В последнем случае при изготовлении сварных конструкций это явление может не приниматься в расчет.