Основные принципы сварки

Сварной шов можно определить как коалесценцию металлов, полученную путем нагревания до подходящей температуры с приложением давления или без него, а также с использованием или без использования присадочного материала.

При сварке плавлением источник тепла выделяет достаточно тепла для создания и поддержания ванны расплавленного металла требуемого размера.Тепло может подаваться электричеством или газовым пламенем.Сварку электрическим сопротивлением можно рассматривать как сварку плавлением, потому что образуется некоторое количество расплавленного металла.

Твердофазные процессы производят сварные швы без плавления основного материала и без добавления присадочного металла.Всегда используется давление, и обычно обеспечивается некоторое количество тепла.Теплота трения выделяется при ультразвуковом соединении и соединении трением, а нагрев в печи обычно используется при диффузионном соединении.

Электрическая дуга, используемая при сварке, представляет собой сильноточный низковольтный разряд, обычно в диапазоне 10–2000 ампер при напряжении 10–50 вольт.Столб дуги сложен, но, вообще говоря, состоит из катода, испускающего электроны, газовой плазмы для проведения тока и анодной области, которая становится сравнительно более горячей, чем катод, из-за бомбардировки электронами.Обычно используется дуга постоянного тока (DC), но могут использоваться дуги переменного тока (AC).

Суммарная энергозатратность во всех сварочных процессах превышает ту, которая требуется для изготовления соединения, поскольку не все выделяющееся тепло может быть эффективно использовано.Эффективность варьируется от 60 до 90 процентов, в зависимости от процесса;некоторые специальные процессы сильно отклоняются от этой цифры.Тепло теряется за счет теплопроводности через основной металл и за счет излучения в окружающую среду.

Большинство металлов при нагревании вступают в реакцию с атмосферой или другими близлежащими металлами.Эти реакции могут быть чрезвычайно вредными для свойств сварного соединения.Например, большинство металлов быстро окисляются в расплавленном состоянии.Слой оксида может помешать правильному соединению металла.Капли расплавленного металла, покрытые оксидом, захватываются сварным швом и делают соединение хрупким.Некоторые ценные материалы, добавленные для определенных свойств, так быстро реагируют на воздухе, что осаждаемый металл не имеет того состава, который был изначально.Эти проблемы привели к использованию флюсов и инертных атмосфер.

При сварке плавлением флюс играет защитную роль, облегчая контролируемую реакцию металла, а затем предотвращая окисление, образуя защитный слой над расплавленным материалом.Флюсы могут быть активными и помогать в процессе или неактивными и просто защищать поверхности во время соединения.

Инертные атмосферы играют такую ​​же защитную роль, как и флюсы.При дуговой сварке металлическим электродом в среде защитных газов и дуговой сварке вольфрамовым электродом в защитных газах инертный газ — обычно аргон — вытекает из кольцевого пространства, окружающего горелку, непрерывным потоком, вытесняя воздух вокруг дуги.Газ не вступает в химическую реакцию с металлом, а просто защищает его от контакта с кислородом воздуха.

Металлургия соединения металлов важна для функциональных возможностей соединения.Дуговая сварка иллюстрирует все основные особенности соединения.В результате прохождения сварочной дуги образуются три зоны: (1) металл шва, или зона сплавления, (2) зона термического влияния и (3) незатронутая зона.Металл шва – это та часть соединения, которая расплавилась во время сварки.Зона термического влияния – это область, прилегающая к металлу шва, которая не подвергалась сварке, но претерпела изменение микроструктуры или механических свойств под действием тепла сварки.Незатронутый материал - это тот, который не был нагрет достаточно, чтобы изменить свои свойства.

Состав металла шва и условия его замерзания (затвердевания) существенно влияют на способность соединения соответствовать эксплуатационным требованиям.При дуговой сварке металл шва состоит из присадочного материала и расплавленного основного металла.После прохождения дуги происходит быстрое охлаждение металла шва.Однопроходный шов имеет литую структуру со столбчатыми зернами, простирающимися от края ванны расплава к центру сварного шва.При многопроходном сварном шве эта литая структура может быть изменена в зависимости от конкретного свариваемого металла.

Основной металл, прилегающий к сварному шву или зоне термического влияния, подвергается ряду температурных циклов, и изменение его структуры напрямую связано с пиковой температурой в любой заданной точке, временем воздействия и скоростью охлаждения. .Типов основного металла слишком много, чтобы обсуждать их здесь, но их можно сгруппировать в три класса: (1) материалы, не подверженные воздействию тепла сварки, (2) материалы, упрочненные структурными изменениями, (3) материалы, упрочненные процессами осаждения.

Сварка создает напряжения в материалах.Эти силы вызываются сжатием металла шва и расширением, а затем сжатием околошовной зоны.Ненагретый металл накладывает ограничения на вышеперечисленное, а поскольку преобладает усадка, металл шва не может свободно сжиматься, и в соединении накапливаются напряжения.Это обычно известно как остаточное напряжение, и для некоторых критических применений его необходимо устранить путем термической обработки всего изготовления.Остаточные напряжения неизбежны во всех сварных конструкциях, и если их не контролировать, произойдет изгиб или деформация сварного соединения.Контроль осуществляется методом сварки, приспособлениями и приспособлениями, технологиями изготовления и конечной термической обработкой.