Способы сварки металлов и их краткая характеристика

• Что такое сварка?
• Способы сварки
• Лазерная сварка
• Газовая сварка
• Дуговая TIG сварка
• Дуговая сварка порошковой проволокой
• Электрошлаковая сварка
• Точечная сварка сопротивлением
• Электронно-лучевая сварка
• Диффузионная сварка
• Термитная сварка
• Плазменная сварка
• Сварка трением
• Сварка взрывом
• Автоматическая и полуавтоматическая сварка
• Сферы применения сварочных станков для металла
• Какой вид сварки выбрать?
• Лазерная сварка ГОСТ

Что такое сварка? 

Сварка - это высокотемпературный процесс, который включает в себя соединение двух или более металлических частей путем их сплавления. Во время сварки происходит металлургическое соединение, основные металлы нагреваются до температуры плавления, а затем вместе застывают. Сварка может производиться различными методами, такими как:

• лазерная;
• электродуговая;
• газовая;
• контактная;
• ультразвуковая;
• сварка трением.

В процессе соединяемые металлические детали подвергаются интенсивному воздействию тепла и давления, в результате чего они претерпевают ряд физических и химических изменений. Под воздействием тепла атомы основного металла приходят в состояние сильного возбуждения, и он начинает размягчаться и плавиться. Когда металл остывает и затвердевает, он образует соединение, которое по прочности не уступает исходным металлическим частям.

Сварка используется в различных отраслях промышленности, включая строительство, автомобилестроение, аэрокосмическую промышленность и производство. Применяется для создания прочных и долговечных конструкций, оборудования и машин. Она играет важнейшую роль в ремонте и обслуживании металлических компонентов и конструкций.

Для выполнения сварочных работ требуется специализированное оборудование и инструменты, включая сварочные аппараты, электроды, шлемы, защитное снаряжение и расходные материалы, такие как присадочные прутки и проволока. Для эффективности производства сварщики должны уметь читать и интерпретировать технические чертежи, понимать металлургические принципы и владеть различными методами сварки.

Способы сварки

 Существует несколько методов сварки, включая:

• Лазерная сварка;
• Дуговая TIG;
• Дуговая с порошковой проволокой; 
• Электрошлаковая; 
• Точечная сварка сопротивлением; 
• Сварка электронным лучом;
• Диффузионная;
• Термитная;
• Плазменная; 
• Сварка трением;
• Сварка взрывом. 

Лазерная сварка 

Лазерная сварка - это тип сварочного процесса, в котором используется высокоинтенсивный лазерный луч для соединения двух или более металлических деталей вместе. Лазерный луч фокусируется на области соединения деталей, генерируя интенсивное тепло, которое сплавляет металл вместе. 

Сварка лазером используется в аэрокосмической, автомобильной, медицинской и электронной промышленности, обрабатывает широкий спектр материалов. Популярность способа возросла в последние годы благодаря развитию и мощности лазерных технологий.

Рис. 1. Сварка металла лазером 

Газовая сварка 

Газовая сварка - это технология, в которой для сваривания деталей используется горелка, заправленная газом ацетиленом. Этот метод, также известный как газоплавильная сварка, широко используется в автомобильной и металлообрабатывающей промышленности.  

Возможно появление коробления металлических деталей из-за высокой температуры, выделяемой горелкой. Однако опытные сварщики могут избежать этого, контролируя интенсивность пламени и скорость перемещения горелки. Мундштук горелки может быть перпендикулярным поверхности или находиться под наклоном к ней.

Газовая сварка остается популярной технологией для производства благодаря своей мобильности и универсальности при работе с толстыми и тонкими металлами. Использование ацетиленового газа позволяет добиться высокой теплоотдачи, что делает этот метод эффективным для сварки тяжелых деталей и ремонта машин.

Дуговая TIG сварка

Дуговая сварка вольфрамовым электродом - это тип сварочного процесса, в котором используется неплавящийся вольфрамовый электрод для получения электрической дуги, расплавляющей основной металл. Инертный газ (аргон или гелий) используется для защиты сварного шва от окружающего воздуха, предотвращая окисление и другие дефекты. 

Защита сварочной ванны осуществляется путем подачи аргона от баллона, через редуктор в горелку. Вольфрамовый электрод используется для создания электрической дуги, которая генерирует интенсивное тепло, расплавляющее металл. Сварщик вручную подает присадочный металл в сварочную ванну для усиления шва и создания прочного соединения между двумя металлическими частями. 

Рис. 2.  Аргонно-дуговая сварка TIG

На сварочный процесс негативно влияют О2 и N из воздуха. Поэтому для защиты дуги используются газообразные вещества и их смеси: активные — азот, водород; инертные — аргон и гелий.

Часто используемыми газами для защиты при дуговой сварке являются аргон, гелий и углекислый газ. Выбор газа зависит от типа свариваемого металла и желаемых свойств шва. Самые мощные аппараты для аргоновой сварки выдают 400 А, этого достаточно для проведения сварки материалов толщиной 30 мм. При такой мощности необходимо использовать горелки с водяным охлаждением.

Дуговая сварка порошковой проволокой

Дуговая сварка порошковой проволокой, также известная как дуговая сварка с порошковым покрытием (FCAW) - это процесс сварки, в котором для защиты сварного шва от окружающего воздуха используется трубчатая проволока, заполненная флюсом. 

Флюс создает газовую защиту вокруг сварного шва, предотвращая окисление и другие дефекты, которые могут ослабить соединение. В этом процессе между металлическим электродом и основным металлом возникает электрическая дуга, генерирующая интенсивное тепло, которое расплавляет металл и сплавляет его вместе. Флюс в порошковой проволоке также действует как раскислитель и удаляет примеси из сварочной ванны. FCAW используется в строительстве, судостроении и производстве тяжелого оборудования благодаря способности сваривать толстые материалы и делать сварные швы с минимальной подготовкой и очисткой. Этот процесс также подходит для наружного применения, флюс в порошковой проволоке обеспечивает защиту от ветра и других факторов окружающей среды, которые могут повлиять на качество работы.

Рис. 3. Порошковая сварка 

Электрошлаковая сварка

Электрошлаковая сварка (ESW) - это технология сварки, в которой используется расходуемый электрод и шлаковая ванна для создания сварного соединения между двумя металлическими деталями. В процессе вертикальный электрод подается в бассейн с расплавленным шлаком, который расплавляет основной металл и сплавляет его вместе. 

Суть процесса состоит в передаче тока в шлак и от него к электроду и кромкам деталей. Постоянство процесса достигается за счет стабильности температуры, которая составляет 1900-2000 °C.

Шлак действует как теплоизолятор, сварной шов медленно остывает и создает прочное соединение материалов. ESW используется для сварки толстых секций из стали и других металлов, таких как нержавеющая сталь и никелевые сплавы, в строительстве, судостроении и производстве тяжелого оборудования. Получаются высококачественные сварные швы с минимальной подготовкой и очисткой. Однако ESW требует значительного количества энергии и специализированного оборудования.

Рис. 4. Процесс электрошлаковой сварки

Точечная сварка сопротивлением

Точечная сварка сопротивлением (RSW) - в данной технологии используется электрический ток и давление для соединения двух или более металлических деталей вместе. 

Два металлических электрода сводятся вместе, а свариваемые металлические детали помещаются между ними. Затем через электроды пропускается электрический ток, в результате чего выделяется тепло, которое сплавляет металл.

Давление, оказываемое на электроды, обеспечивает плотное прижатие металлических деталей друг к другу в процессе сварки, создавая прочное и долговечное соединение. RSW применяется в автомобильной, аэрокосмической и бытовой промышленности. Однако технология ограничена работой только с тонкими материалами и неэффективна для толстых участков металла.

Рис. 5. Точечная сварка сопротивлением 

Электронно-лучевая сварка

Электронно-лучевая сварка (EBW) - это процесс сварки, в котором используется высокоскоростной пучок электронов для соединения металлических деталей вместе.

Электронная пушка генерирует пучок электронов, которые фокусируются на металлических деталях. Интенсивное тепло расплавляет металл и сплавляет его вместе, создавая прочное сварное соединение. EBW применяется в аэрокосмической, медицинской и автомобильной промышленности благодаря созданию сварных швов с минимальными искажениями и зонами термического влияния. Подходит для сварки широкого спектра металлов, включая нержавеющую сталь, титан и алюминий. 

Рис. 6. Аппарат для электронно-лучевой сварки 

Диффузионная сварка 

Диффузионная сварка - это процесс сварки в твердом состоянии, при котором два или более металлических изделия соединяются вместе под воздействием тепла и давления. Металлические детали нагреваются до температуры, при которой атомы на границе раздела начинают диффундировать через границу, образуя прочное соединение. Диффузионная сварка используется в аэрокосмической и энергетической промышленности для соединения деталей сложной формы и разнородных металлов.

Рис. 7. Результат диффузионной сварки в вакууме 

Термитная сварка

Термитная сварка - это процесс, в котором используется химическая реакция для выделения тепла и соединения двух металлических деталей вместе. Смесь алюминиевого порошка и оксида металла поджигаются, в результате чего происходит экзотермическая реакция, которая выделяет тепло и расплавляет металлические детали. Специальный порошок состоит из мелкой фракции алюминия или магния и железной окалины. Металл сплавляется вместе, образуя сварное соединение. Термитная сварка используется для соединения больших участков металла в железнодорожной и строительной промышленности, например, железнодорожных путей и мостов. Подходит для сварки углеродистых сталей и чугуна толщиной 10-15 см.

Принцип термитной сварки состоит в соединении двух сторон изделия, в промежутке между которыми предусмотрен зазор. Стороны помещаются в огнеупорную форму, изолирующую металл от внешней среды и устанавливающую ширину и высоту сварного шва. К форме подводится бункер (тигель) с термитным порошком.

Плазменная сварка 

Плазменная сварка - это дуговая сварка, в которой используется сфокусированная плазменная дуга для соединения металлических частей вместе. Оборудование состоит из источника постоянного тока, газового аргонового баллона и плазмотрона. Между электродом и свариваемыми металлическими деталями возникает высокоскоростная плазменная дуга. Интенсивное тепло, выделяемое ею, расплавляет металл и сплавляет его вместе. Плазменная сварка используется в аэрокосмической, медицинской и автомобильной промышленности для соединения тонких металлических листов.

Рис. 8. Плазменная сварка 

Сварка трением

Сварка трением - это соединение металлических частей в твердом состоянии с применением трения и давления. Металлические детали вращаются под высоким давлением, выделяя тепло, которое расплавляет металл и сплавляет его вместе. Сварка трением используется в аэрокосмической и автомобильной промышленности для соединения разнородных металлов. Данная технология подходит для работы с деталями сложной формы. 

Рис. 9. Сварка трением 

Сварка взрывом 

Сварка взрывом - это сварочная технология с использованием взрывчатых веществ для соединения двух или более металлических пластин вместе. Используется в аэрокосмической, автомобильной и судостроительной промышленности для создания композитных материалов с уникальными свойствами.

Материалы соединяются без плавления или сильного изменения их первоначальных свойств. Данная технология полезна для соединения металлов, которые трудно сварить, например, металлов с различными температурами плавления, химическими свойствами или микроструктурой.

В ходе сварки между двумя металлическими пластинами помещается слой взрывчатого вещества, который затем поджигается. В результате взрыва возникает высокоскоростная ударная волна, которая заставляет пластины столкнуться и соединиться. Этот метод позволяет соединять разнородные металлы, которые было бы трудно или невозможно сварить традиционными методами.

Рис. 10. Технология сварки взрывом

Автоматическая и полуавтоматическая сварка 

Автоматическая сварка - это метод, при котором сварочный аппарат выполняет работу без вмешательства человека или с минимальным его участием. Используется в условиях крупносерийного производства, где требуется стабильное качество и скорость. Преимущества автоматической сварки включают в себя повышение производительности, снижение трудозатрат и улучшение безопасности. Однако требует более высоких первоначальных затрат и обученных операторов. 

Разница между технологиями минимальна. Они отличаются степенью механизации операций. Полуавтоматические аппараты имеют более простое строение. Они снабжены устройствами подачи расходного материала на держатель. Сварщик отвечает за перемещение дуги, направляет ее в нужную сторону.

Полуавтоматическая сварка предполагает использование сварочного аппарата, управляемого сварщиком вручную. Сварщик контролирует подачу проволоки и движение горелки, а аппарат контролирует напряжение и силу тока. Проволока намотана на специальную бобину, скорость ее подачи является регулируемой. Используется в цехах и на мелкосерийном производстве, где требуется гибкость и индивидуальный подход. К преимуществам полуавтоматической сварки относятся более низкие первоначальные затраты, простота использования и возможность сварки широкого спектра материалов и толщин. Когда сваривание полуавтоматами происходит в углекислом газе, то такой вид носит название MAG, а если в инертном, то MIG. Сварочные полуавтоматы относятся к несложному виду оборудования. 

Сферы применения сварочных станков для металла

• Строительство: Сварка широко используется в строительной отрасли для соединения металлических компонентов для создания таких конструкций, как здания, мосты и автомагистрали;
• Автомобильная промышленность: В данной отрасли сварка используется для соединения различных металлических компонентов, шасси, детали кузова, а также при ремонте поврежденных автомобилей;
• Аэрокосмическая промышленность: В аэрокосмической промышленности необходима для соединения металлических компонентов самолетов и космических аппаратов, например, крылья, фюзеляжи и ракетные двигатели;
• Судостроение: Сварка используется в судостроении для соединения различных металлических компонентов кораблей и лодок, таких как корпуса и палубы;
• Нефтегазовая отрасль: В нефтегазовой промышленности для соединения труб и других металлических компонентов, используемых для добычи, переработки и транспортировки нефти и газа;
• Искусство и скульптура: Сварка используется при создании произведений искусства и скульптур, позволяя авторам соединять компоненты и детали их изделий.

Какой вид сварки выбрать? 

Выбор метода сварки зависит от нескольких факторов, включая свариваемые материалы, толщину материалов, желаемую прочность шва, условия производства, наличие оборудования и персонала.

Сварка тонколистового металла

Для сварки тонколистовых металлов может подойти газовая дуговая сварка вольфрамовым электродом или плазменная. Данные технологии оставляют точные и качественные швы с минимальными искажениями.

Сварка толстолистового металла

Для сварки толстых листов лучшим вариантом может быть дуговая сварка в среде защитного металла или сварка с порошковым покрытием, благодаря их высокой скорости осаждения и способности проникать в толстые материалы.

Сварка в замкнутом пространстве

Для сварки в опасных или замкнутых пространствах, где пары и газы могут представлять опасность для персонала, предпочтительнее газовая дуговая сварка проволокой, и лазерная технология, поскольку они производят минимум паров и выбросов.

Малосерийное производство

Для малосерийного производства или ремонтных работ более практичными могут быть методы ручной сварки, такие как SMAW или сварка кислородом.

В конечном итоге, выбор метода сварки зависит от конкретных потребностей и требований проекта и должен быть сделан на основе тщательной оценки всех соответствующих факторов.

Рис. 11. Результат полученных швов различными видами сварки: 1. Вертикальный стыковой шов полуавтоматом. 2. Вертикальный стыковой шов аргонно-дуговой сварки. 3. Неповоротный стык трубопровода РДС. 4.Автогенная сварка. 5. Роботизированная сварка вертикального стыка.

Каждый метод имеет свои уникальные преимущества и недостатки, а выбор конкретной технологии зависит от нескольких факторов, таких как тип материала, толщина и желаемые свойства соединения.

Лазерная сварка ГОСТ