Сварка металла: виды и технология

Технологический процесс создания неразъемного соединения однородных материалов за счет образования атомных связей называется сваркой. При этом в месте контакта происходит плотное сплавление двух материалов в один. Несмотря на то что такое соединение используется уже длительное время, современная сварка металлов, виды и технология ее выполнения совершенствуются постоянно, что позволяет производить стыковку различных изделий с повышенной надежностью и качеством.

Особенности сваривания поверхностей

Весь процесс сварки металлов протекает в две стадии. Сначала поверхности материалов необходимо приблизить друг к другу на расстояние сил межатомного сцепления. При комнатной температуре стандартные металлы не способны соединиться даже при сжатии со значительным усилием. Виной этому служит их физическая твердость, поэтому контакт при сближении таких материалов происходит лишь в некоторых точках, независимо от качества обработки поверхностей. Именно загрязнение поверхности существенно влияет на возможность сцепления материалов, ведь пленки, окислы, а также слои примесных атомов всегда присутствуют в естественных условиях.

Поэтому создание контакта между кромками деталей может достигаться либо за счет пластических деформаций, которые возникают в результате приложенного давления, либо в случае расплавления материала.

На следующей стадии сварки металла осуществляется электронная диффузия между атомами соединяемых поверхностей. Поэтому поверхность раздела между кромками исчезает и получается или металлическая атомная связь, или ионная и ковалентная связи (в случае полупроводников или диэлектриков).

Классификация видов сварки

Технология проведения сварочных работ постоянно совершенствуется и становится разнообразнее. На сегодняшний день существует около 20 видов сварки металла, которые классифицируются на три группы:

1. Сварка давлением осуществляется приложением механической энергии, когда связи между кристаллами получаются методом пластической деформации материала. В результате металл начинает течь, перемещаясь вдоль линии стыковки деталей, унося с собой слой загрязненных примесей. Процесс деформирования и соединения поверхностей без предварительного подогрева называется холодной сваркой для металла. В этом случае образуются межатомные связи, что приводит к плотной стыковке деталей.
2. Сварка плавлением осуществляется путем соединения изделий без применения давления. Источниками тепла при такой сварке металла являются газовое пламя, электрическая дуга, энергия лучевого типа. При сваривании поверхности нагреваются и расплавляются, образуя межатомные связи между двумя металлами и электродом, объединяясь в общую сварочную ванну. После охлаждения и затвердевания состава образуется сплошной литой шов.
3. Термомеханическая сварка металла осуществляется с использованием нагрева и давления. Место стыковки материала сначала разогревается, а затем прессуется. Подогрев детали придает ей необходимую пластичность, а механическое воздействие объединяет части изделия в монолитное соединение.

Сварка плавлением

Этот вид сварочных работ находит широкое применение, как в промышленных условиях, так и в быту. К соединению металлов плавлением относятся:

1. Электродуговая сварка. Производится созданием между металлом и электродом высокотемпературной электрической дуги.
2. При плазменном соединении источником тепла служит ионизированный газ, который проходит с высокой скоростью через электрическую дугу.
3. Шлаковая сварка осуществляется благодаря нагреву расплавленного флюса (шлака) электрическим током.
4. Лазерное соединение происходит благодаря обработке металлической поверхности лазерным лучом.
5. При электронно-лучевой сварке нагревание места стыка осуществляется за счет кинетической энергии движущихся электронов в вакууме под воздействием электрического поля.
6. Газовая сварка металлов основана на нагревании точки соединения потоком огня, который образуется при сгорании кислорода и газа.

Электродуговое сварочное соединение

Дуговая сварка предполагает использование источника тока с большим номинальным значением, при этом аппарат имеет небольшое напряжение. Подключение трансформатора происходит одновременно на металлическую заготовку и сварочный электрод.

В результате сварки металла электродом образуется электрическая дуга, за счет которой происходит расплавление кромок соединяемых заготовок. В зоне действия дуги создается температура около пяти тысяч градусов. Такого нагрева вполне достаточно для расплавления любых металлов.

Во время плавления металла соединяемых деталей и электрода формируется сварочная ванна, в которой и происходят все процессы сцепления. Шлак поднимается на поверхность расплавленного состава и формирует специальную защитную пленку. В процессе дуговой сварки металла применяются электроды двух типов:

• неплавящиеся;
• плавящиеся.

При использовании неплавящегося электрода необходимо в зону действия электрической дуги вводить специальную проволоку. Плавящиеся электроды сварной шов формируют самостоятельно. В состав таких электродов добавляются специальные присадки, которые не позволяют дуге гаснуть и увеличивают ее устойчивость. Это могут быть элементы с высокой степенью ионизации (калий, натрий).

Способы соединения дугой

Электродуговая сварка осуществляется тремя способами:

1. Ручным методом. В этом случае все этапы соединения выполняются вручную, с применением простой электродуговой сварки.
2. Более производительной является сварка металла полуавтоматом. При таком способе сварной шов делается вручную, а присадочная проволока подается в автоматическом режиме.
3. Автоматическая сварка производится под наблюдением оператора, а вся работа делается сварочным станком.

Технология газосварки

Этот вид сварочных работ позволяет соединять различные металлические конструкции не только на промышленных предприятиях, но и в бытовых условиях. Технология сварки металла не очень сложная, газовая смесь при горении расплавляет кромки поверхности, которые заполняются присадочной проволокой. При остывании шов кристаллизуется и создает прочное и надежное соединение материалов.

Газовая сварка имеет много положительных аспектов:

1. Возможность соединять различные детали в автономном режиме. Причем для этой работы не требуется мощный источник энергии.
2. Простое и надежное оборудование газосварки легко поддается транспортировке.
3. Возможность осуществлять регулируемый процесс сварки, так как легко вручную изменять угол наклона огня и скорость нагрева поверхности.

Но есть и недостатки применения такого оборудования:

1. Место нагрева имеет большую площадь, что отрицательно сказывается на соседних элементах детали.
2. Отсутствие возможности автоматизировать процесс сварки.
3. Необходимость строго соблюдать меры безопасности. Работа с газовой смесью имеет высокую степень взрывоопасности.
4. Толщина металла для качественного соединения должна быть не более 5 мм.

Шлаковая сварка

Такой вид соединения считается принципиально новым способом получения сварного шва. Поверхности свариваемых деталей покрываются шлаком, который нагревается до температуры, превышающей плавление проволоки и основного металла.

На начальной стадии сварка аналогична дуговому соединению под флюсом. Затем, после образования сварочной ванны из жидкого шлака, дуга прекращает свое горение. Дальнейшее расплавление кромок детали осуществляется за счет тепла, которое выделяется при протекании тока. Особенностью этого вида сварки металла является высокая производительность процесса и качество сварочного шва.

Сварочное соединение давлением

Соединение металлических поверхностей посредством механического деформирования чаще всего производится в условиях промышленного производства, так как для выполнения такой технологии требуется дорогостоящее оборудование.

К сварке давлением относятся:

1. Ультразвуковая стыковка частей металла. Выполняется благодаря колебаниям ультразвуковой частоты.
2. Холодная сварка. Осуществляется на основе межатомного соединения двух деталей путем создания большого давления.
3. Кузнечно-горновой метод. Известен с давних времен. Материал нагревается в горне, а затем сваривается механической или ручной проковкой.
4. Газовая с прессовкой сварка. Очень похожа на кузнечный метод, только для нагрева применяется газовое оборудование.
5. Контактное электрическое соединение. Считается одним из самых популярных видов. При такой сварке нагрев металла осуществляется прохождением по нему электрического тока.
6. При диффузионной сварке сила давления на металл невысокая, но зато необходима большая температура нагрева места соединения.

Точечная контактная сварка

Соединяемые поверхности при такой сварке находятся между двумя электродами. Под действием пресса электроды сжимают детали, после чего подается напряжение. Нагрев места сварки происходит за счет прохождения тока. От размера контактной площадки электрода полностью зависит диаметр места сварки.

От того, как расположены электроды по отношению к соединяемым деталям, контактная сварка может быть односторонней или двусторонней.

Существует много видов контактной сварки, работающих по аналогичному принципу. К ним можно отнести: стыковую сварку, шовную, конденсаторную.

Техника безопасности

Работа со сварочным оборудованием сопряжена со многими опасными для здоровья оператора факторами. Высокая температура, взрывоопасная среда и вредные химические испарения требуют от человека строгого соблюдения мер безопасности:

1. Все электрические агрегаты и устройства должны быть надежно заземлены и заизолированы.
2. Работать необходимо в сухой спецодежде и рукавицах. Для защиты кожи лица и глаз обязательно нужно применять маску с темным стеклом.
3. Обязательно должна находиться на рабочем месте сварщика аптечка и огнетушитель.
4. Помещение, где проводятся сварочные работы, должно иметь хорошую вентиляцию.
5. Работы запрещено проводить в непосредственной близости к легковоспламеняющимся предметам.
6. Запрещено оставлять газовые баллоны без присмотра.

Существует большое количество видов сварки металла, какой из них выбрать решает сам сварщик, исходя из наличия оборудования и способности достичь требуемого результата работы. Сварщик должен знать устройство и принципы работы на определенном оборудовании.