Технологія зварювання

Посилання

Основи зварювання

Зварювання — це процес з’єднання матеріалу, при якому дві або більше частин з’єднуються на своїх контактних поверхнях шляхом застосування тепла та/або тиску. Після з’єднання поверхні, які потрібно з’єднати, називаються поверхнями, що з’єднуються, створюючи міцний зв’язок. Метали є найбільш часто використовуваними матеріалами в цій процедурі; однак пластик також можна використовувати. Іноді для полегшення коалесценції вводять наповнювач. Зварювання — це термін, який використовується для опису остаточного складання пов’язаних елементів. Зварювання може виконуватися лише за допомогою тепла, комбінації тепла та тиску або лише тиску без зовнішнього тепла. Спеціальні методи зварювання можна використовувати для сплавлення різнорідних металів; однак вони в основному використовуються для з'єднання частин, сформованих з того самого металу.

Види зварювальних процесів

Процеси зварювання можна розділити на дві основні групи: зварювання в твердому тілі та зварювання плавленням.

Зварювання плавленням

У процесах зварювання плавленням використовується тепло для плавлення основних металів, часто з додаванням присадочного металу для збільшення розплавленої ванни та зміцнення зварного шва. Якщо присадний метал не використовується, зварний шов називається автогенним. Найпопулярніші методи зварювання належать до категорії плавлення і часто групуються в такі категорії:

Дугове зварювання (AW)

Дугове зварювання — це група методів зварювання, при яких метали нагріваються за допомогою електричної дуги, як показано нижче. У більшості процедур дугового зварювання використовується присадний метал, а деякі також застосовують тиск під час процесу.

Посилання

Електрична дуга виникає, коли електричний струм протікає через розрив ланцюга, спричиняючи термічну іонізацію стовпа газу та підтримку дуги. Під час дугового зварювання (AW) електрод ненадовго контактує з заготівлею, перш ніж швидко відокремитися для створення дуги. Будь-який метал можна розплавити за допомогою сильного тепла, яке виробляє ця дуга, температура якого може досягати 10,000 5500°F (XNUMX°C). Плавлення основного металу та, якщо застосовно, наповнювача об’єднується, щоб утворювати купу розплавленого металу поблизу кінчика електрода. Зазвичай цей присадний метал додають для збільшення об’єму та міцності зварного з’єднання. Розплавлена ​​зварювальна ванна за електродом твердне під час руху вздовж з’єднання.

Зварювальник може вручну контролювати положення електрода щодо заготовки або використовувати механічні методи, як-от машинне, роботизоване чи автоматичне зварювання. Час роботи дуги, також відомий як час увімкнення дуги, — це відношення фактичного часу зварювання до загальної кількості витрачених годин. При ручному дуговому зварюванні якість зварного шва значною мірою залежить від умінь і відданості зварнику.

Час дуги розраховується як (відпрацьовані години) / (дуга часу увімкнена).

Як індивідуальні зварювальники, так і автоматизовані робочі станції можуть скористатися цією ідеєю. Тривалість дуги для ручного зварювання зазвичай становить близько 20%, оскільки операція вимагає значної координації рук і очей у складних умовах, а інтервали відпочинку важливі для запобігання втоми. Однак, залежно від конкретної операції, час дуги при роботизованому, автоматичному та машинному зварюванні може зрости приблизно до 50%.

Контактне зварювання (RW)

Контактне зварювання, також відоме як електричне контактне зварювання (ERW), досягає коалесценції шляхом застосування тепла, створюваного електричним опором, до потоку струму між поверхнями, що стикаються, двох компонентів, які утримуються разом під тиском. Основні компоненти, задіяні в контактному зварюванні, показані на малюнку нижче, демонструючи операцію контактного точкового зварювання, яка є найбільш часто використовуваним методом у цій категорії.

Ці компоненти складаються із заготовок, що підлягають зварюванню (зазвичай це частини з листового металу), двох протилежних електродів, механізму для застосування тиску та стиснення частин разом, а також джерела змінного струму, який забезпечує контрольований струм. Цей процес створює зону зварювання між двома частинами, відому як зварний кусок у точковому зварюванні. На відміну від дугового зварювання, для зварювання опором не потрібні захисні гази, флюс або присадний метал; а електроди, які подають електроенергію, не споживаються. Контактне зварювання вважається різновидом зварювання плавленням, оскільки прикладене тепло зазвичай розплавляє поверхні, що зливаються. Проте є винятки. У деяких зварювальних операціях із нагріванням опором використовуються температури, нижчі за температуру плавлення основних металів, що запобігає плавленню.

Газокисневе зварювання (OFW)

Кисневе газове зварювання (OFW) охоплює різноманітні зварювальні операції, які використовують різні палива в поєднанні з киснем для виконання зварювальних завдань. Ключовою відмінністю між цими процесами є тип використовуваного газу. OFW також широко використовується в різаках для розрізання та розділення металевих пластин та інших матеріалів. Найбільш значущим процесом у цій групі є оксиацетиленове зварювання.

Киснево-ацетиленове зварювання (OAW) — це техніка зварювання плавленням, у якій використовується високотемпературне полум’я, утворене спалюванням ацетилену та кисню, що спрямовується зварювальним пальником. Може бути доданий присадний метал, а іноді між контактними поверхнями під час процесу застосовується тиск. Коли використовується присадний метал, він зазвичай поставляється у формі стрижня діаметром від 1.6 до 9.5 мм (1/16 до 3/8 дюйма). Склад присадного металу повинен точно відповідати складу основних металів. Часто присадний стрижень покривають флюсом, щоб очистити поверхні та запобігти окисленню, що забезпечує міцність зварного з’єднання. Ацетилен (C2H2) є найбільш переважним паливом у групі OFW, оскільки він може досягати найвищих температур, досягаючи 3480°C (6300°F).

Електронно-променеве (ЕП) зварювання

Електронно-променеве зварювання (EBW) — це метод зварювання плавленням, при якому тепло генерується шляхом спрямування високосфокусованого інтенсивного потоку електронів на робочу поверхню. Обладнання, що використовується в EBW, подібне до того, що використовується при електронно-променевій обробці. Електронно-променева гармата працює при високій напрузі, як правило, від 10 до 150 кВ, щоб прискорити електрони, тоді як струм пучка залишається низьким, вимірюється в міліамперах. Хоча загальна потужність у EBW може бути не надзвичайно високою, щільність потужності є надзвичайно значною. Така висока щільність потужності досягається шляхом фокусування електронного променя на дуже малу ділянку робочої поверхні.

Посилання

Питома потужність (PD) в EBW може бути розрахована за формулою:

де PD представляє щільність потужності у Вт/мм² (перетворюється в Btu/с-дюйм² шляхом ділення на 1055), f₁ — коефіцієнт теплопередачі (з типовими значеннями для EBW від 0.8 до 0.95), E — прискорювальна напруга у вольтах, I — струм променя в амперах, а A — площа робочої поверхні в мм². Типова площа зварних швів для EBW коливається від 0.013 до 2.0 мм².

Лазерне зварювання

Під час лазерного зварювання, також відомого як зварювання лазерним променем (LBW), матеріали розплавляються за допомогою джерела концентрованого лазерного тепла, що дозволяє їм зливатися під час охолодження. Завдяки концентрованому теплу, яке виділяє лазер, зварювання тонких матеріалів може виконуватися на високих швидкостях (вимірюється в метрах за хвилину), а в більш товстих матеріалах можна отримати вузькі глибокі зварні шви з квадратними краями.

Посилання

Абревіатура «лазер» означає посилення світла за допомогою вимушеного випромінювання. Ще одним застосуванням цієї технології є обробка лазерним променем. Щоб уникнути окислення, LBW зазвичай виконується з використанням захисних газів, таких як вуглекислий газ, аргон, азот і гелій; присадковий метал зазвичай не входить. Подібно електронно-променевому зварюванню, цей спосіб забезпечує якісне зварювання з глибоким проваром і вузькою зоною термічного впливу. Як наслідок, порівняння між LBW та EBW є звичайним явищем.

Порівняно з EBW, LBW має ряд переваг: він не потребує вакуумної камери, не випускає рентгенівське випромінювання, його лазерні промені можна концентрувати та направляти за допомогою дзеркал та оптичних лінз. Але на відміну від EBW, LBW не може досягти такої ж глибини та високого співвідношення глибини до ширини. У той час як EBW може досягати глибини зварного шва до 50 мм (2 дюйми), лазерне зварювання може досягти максимальної глибини зварювання лише близько 19 мм (0.75 дюйма). У LBW співвідношення глибини до ширини зазвичай обмежується приблизно 5:1. LBW широко використовується для з’єднання малих компонентів через висококонцентровану енергію у вузькій зоні променя лазера.

Зварювання твердого тіла

Зварювання в твердому тілі охоплює низку методів з’єднання, коли з’єднання з’єднаних поверхонь досягається без плавлення, за допомогою тиску з додатковим нагріванням або без нього. Типові процедури зварювання в цій категорії включають наступне:

Дифузійне зварювання (DFW)

Дифузійне зварювання (DFW) передбачає утримання двох поверхонь разом під тиском при високій температурі, що дозволяє частинам зливатися за допомогою дифузії в твердому тілі.

Посилання

Використовувані температури значно нижчі, ніж температури плавлення металів, досягаючи приблизно 0.5 T_m (температура плавлення), з мінімальною пластичною деформацією на поверхнях. Основним механізмом з’єднання є дифузія в твердому тілі, коли атоми мігрують через межу контактних поверхонь. DFW часто використовується в аерокосмічній та ядерній промисловості для з’єднання високоміцних і тугоплавких металів. Він підходить для з’єднання як подібних, так і різнорідних металів, при цьому шар наповнювача часто розміщується між різними основними металами для посилення дифузії. Процес дифузії може бути тривалим, іноді займаючи більше години.

Зварювання тертям з перемішуванням (FSW)

Зварювання тертям із перемішуванням (FSW) — це техніка твердотільного зварювання, коли інструмент, що обертається, рухається вздовж лінії з’єднання двох заготовок, виробляючи тепло через тертя та механічне перемішування металу для створення зварного шва. Процес отримав свою назву від перемішування або перемішування. На відміну від звичайного зварювання тертям (FRW), де деталі самі виробляють тепло тертя, FSW використовує для цієї мети окремий зносостійкий інструмент.

Інструмент, що використовується в FSW, має циліндричне плече та менший зонд, що тягнеться під ним. Під час зварювання буртик терться об верхні поверхні двох частин, створюючи більшу частину тепла від тертя, тоді як зонд додає додаткове тепло, змішуючи метал уздовж лінії з’єднання. Конструкція зонда оптимізована для посилення дії змішування. Тепло, що утворюється від тертя та змішування, розм’якшує метал до високопластичного стану, не плавлячи його. Коли інструмент просувається вздовж з’єднання, передня кромка обертового зонда штовхає розм’якшений метал навколо нього, утворюючи метал у зварний шов. Плече допомагає утримувати пластифікований метал навколо зонда.

Посилання

FSW широко використовується в таких галузях, як аерокосмічна, автомобільна, залізнична та суднобудівна. Загальні застосування включають стикові з’єднання на великих алюмінієвих деталях. Цей процес також можна використовувати з композитами та полімерами, а також з іншими металами, такими як титан, сталь і мідь. Переваги FSW включають невелику деформацію або усадку, привабливий зовнішній вигляд зварного шва, чудові механічні якості зварного з’єднання, а також видалення шкідливих випарів, викривлення та проблем із екрануванням, загальних для дугового зварювання. Тим не менш, у процедури є певні недоліки, а саме необхідність міцного затискання частин і створення евакуаційного отвору під час видалення інструменту.

Ультразвукове зварювання (УСЗ)

Ультразвукове зварювання (УСЗ) передбачає застосування помірного тиску між двома компонентами з використанням коливального руху на ультразвукових частотах у напрямку, паралельному до контактуючих поверхонь. Цей метод коливального руху, який часто використовується при зварюванні внапуск, руйнує покриття поверхні, щоб забезпечити тісний контакт і міцний металургійний зв’язок між поверхнями. Хоча деяке нагрівання відбувається через тертя між поверхнями та пластичну деформацію, температури залишаються значно нижчими за точку плавлення, що зводить нанівець потребу в захисних газах, наповнювачах або флюсах.

Ультразвуковий перетворювач з'єднаний з сонотродом, який передає коливальний рух на верхню заготовку. З амплітудою від 0.018 до 0.13 мм (від 0.0007 до 0.005 дюйма) цей перетворювач перетворює електричну енергію у високочастотний вібраційний рух, зазвичай у діапазоні від 15 до 75 кГц. Існує менша пластична деформація, оскільки тиск затиску USW значно нижчий, ніж той, який використовується при холодному зварюванні. Зазвичай процес зварювання займає менше секунди.

Посилання

USW в основному використовується для з’єднання внахлест м’яких матеріалів, таких як алюміній і мідь. Зварювання більш твердих матеріалів може швидко зношувати сонотрод. Деталі мають бути відносно невеликими, з типовою товщиною зварювання менше 3 мм (1/8 дюйма). Застосування включають закріплення проводів і зрощування в електротехнічній та електронній промисловості, що усуває потребу в паянні, складанні панелей з алюмінієвого листового металу, зварюванні трубок до листів сонячних панелей і виконання різноманітних завдань зі складання дрібних деталей.

Автоматизація в зварюванні

Через ризики, пов’язані з ручним зварюванням, і бажання підвищити продуктивність і якість продукції, з’явилися різні форми механізації та автоматизації. Ці категорії охоплюють машинне зварювання, автоматичне зварювання та роботизоване зварювання.

Машинним зварюванням називають механізоване зварювання з використанням обладнання, яке працює під постійним наглядом працівника. Зазвичай нерухома деталь переміщується відносно зварювальної головки, яка переміщується механічно, або деталь переміщується відносно нерухомої зварювальної головки. Щоб контролювати роботу, працівник повинен постійно стежити за машиною та спілкуватися з нею.

Коли обладнання може виконати завдання без втручання людини, це називається автоматичним зварюванням. Зазвичай для контролю за процедурою та виявлення відхилень від стандартних операційних процедур присутній працівник. Використання контролера циклу зварювання для керування рухом дуги та розташуванням заготовки без постійного нагляду людини відрізняє автоматизоване зварювання від машинного зварювання. Для автоматичного зварювання виріб необхідно розташувати по відношенню до зварювальної головки за допомогою зварювального пристрою та/або позиціонера. Крім того, це вимагає більшої точності та рівномірності компонентів, які використовуються для зварювання. Через ці фактори автоматичне зварювання життєздатне лише у великосерійному виробництві.

Промисловий робот або запрограмований маніпулятор використовується в роботизованому зварюванні для автономного керування рухом зварювальної головки щодо завдання. Завдяки адаптованому радіусу дії робота та його здатності перепрограмувати для різних конфігурацій деталей, цей метод автоматизації може бути виправданим для порівняно невеликих виробничих кількостей навіть із відносно простими пристосуваннями. Два зварювальних пристосування та слюсар, який завантажує та вивантажує предмети, у той час як робот зварює, складають стандартну роботизовану комірку для дугового зварювання. Компанії, що займаються остаточним складанням автомобілів, використовують промислових роботів не лише для дугового зварювання, але й для контактного зварювання кузовів автомобілів.

Зварний шов

Існує п’ять основних типів з’єднань, які використовуються для з’єднання двох частин. Ці типи з’єднань застосовні не тільки для зварювання, але й для інших методів з’єднання та кріплення. П'ять типів суглобів визначаються таким чином:

Стикове з’єднання: у цьому типі з’єднання деталі вирівнюються в одній площині та з’єднуються по краях.

Кутове з’єднання: деталі утворюють прямий кут і з’єднуються кутом.

З’єднання внапуск: це з’єднання складається з двох частин, які перекривають одна одну.

Трійник: одна частина розташована перпендикулярно іншій, нагадуючи форму літери «Т».

Крайове з’єднання: деталі є паралельними принаймні з одним спільним краєм, і з’єднання здійснюється вздовж цього краю.

Типи зварних швів

Кожне з вищезазначених з’єднань можна сформувати за допомогою зварювання. Важливо розрізняти тип з’єднання та метод, який використовується для його зварювання, що називається типом зварювання. Різниця між типами зварних швів полягає в їх геометрії (тип з’єднання) і використовуваному процесі зварювання.

Філейне зварювання

Як показано нижче, кутове зварювання використовується для заповнення меж пластин, утворених трійником, нахлестом і кутовими з’єднаннями. Для створення поперечного перерізу, що приблизно нагадує прямокутний трикутник, використовується присадний метал. Оскільки для підготовки кромок потрібно використовувати лише основні квадратні краї деталей, це найпопулярніший тип зварювання в дуговому та кисневому зварюванні. Кутові шви можуть бути одинарними, подвійними, безперервними або переривчастими, тобто безперервним зварюванням по всій довжині з’єднання або з незавареними проміжками між ними.

Зварні шви пазів

Зварні шви з пазами зазвичай вимагають формування канавок на краях деталей для покращення проникнення зварного шва. Ці канавки можуть бути квадратними, скошеними, V, U або J-формами, і їх можна наносити на одну або обидві сторони, як показано нижче. Присадковий метал, який зазвичай наноситься за допомогою дугового або кисневого зварювання, заповнює з’єднання. Хоча ця підготовка кромки вимагає більшої обробки за межі основної прямокутної кромки, її часто роблять для зміцнення зварного з’єднання або при зварюванні більш товстих деталей. Хоча зварні шви з пазами найчастіше пов’язані зі з’єднаннями встик, вони використовуються в усіх типах з’єднань, крім з’єднань внапуск.

Зварювальні шви з пробками та щілини

Для з'єднання плоских пластин використовуються зварні шви з вставкою і щілини. Цей процес передбачає створення одного або кількох отворів або прорізів у верхній пластині, які потім заповнюються присадковим металом для з’єднання двох частин.

Точкове зварювання та шовне зварювання зазвичай використовуються для з’єднання внапуск. Точкове зварювання включає невелику сплавлену ділянку між поверхнями двох листів або пластин, причому для ефективного з’єднання частин часто необхідно виконати кілька точкових зварних швів. Цей метод найчастіше пов’язаний із контактним зварюванням. Шовний шов подібний до точкового, але складається з безперервної або майже безперервної сплавленої ділянки між двома листами або пластинами.

Фланцеві зварні шви

Фланцеві зварні шви та зварні шви наплавлення зображені нижче. Фланцеве зварювання створюється на краях двох або більше деталей, як правило, листового металу або тонкої пластини. З іншого боку, зварний шов для наплавлення призначений не для з’єднання деталей, а для нанесення присадочного металу на поверхню базової деталі за допомогою одного або кількох зварних валиків. Ці зварювальні валики можна наносити серією паралельних проходів, що перекриваються, покриваючи великі площі базової частини, щоб збільшити її товщину або забезпечити захисне покриття поверхні.

Фізика зварювання

Теплова енергія високої щільності передається поверхням, які мають сплавитися, що призводить до локалізованого плавлення основних металів для здійснення плавлення. Тепло також має бути достатньо високим, щоб розплавити будь-який використаний наповнювач. Щільність потужності (Вт/мм² або БТЕ/с-дюйм²) є одиницею вимірювання, яка використовується для опису щільності тепла. Він обернено пропорційний щільності потужності при визначенні часу плавлення. Низька густина потужності призводить до того, що плавлення відбувається повільніше, оскільки тепло зникає, як тільки воно додається, уникаючи плавлення. Більшість металів можна розплавити під час зварювання з мінімальною щільністю потужності приблизно 10 Вт/мм² (6 БТЕ/с-дюйм²). Час плавлення скорочується зі збільшенням щільності тепла. Однак метал випаровується через сильні температури, якщо щільність потужності перевищує приблизно 10⁵ Вт/мм³ (60,000 XNUMX Btu/с-дюйм³). Щоб зварювання було ефективним, щільність потужності повинна підтримуватися в певному діапазоні. Швидкість зварювання та розмір зварюваної області залежать від варіацій методів зварювання.

Хоча зварювання кисневим паливним газом виділяє багато тепла, воно має низьку щільність, оскільки охоплює велику область. Оксіацетилен, найгарячіше OFW паливо, горить приблизно при 3500°C (6300°F). На відміну від цього, дугове зварювання досягає локальних температур від 10,000 12,000 °F до 5500 6600 °F (або від XNUMX °C до XNUMX °C), доставляючи при цьому величезну енергію на меншу площу. Висока щільність потужності часто є більш бажаною, оскільки з металургійної точки зору краще розплавляти метал з якомога меншою енергією.

Щільність потужності розраховується як потужність, що надходить на поверхню, поділена на площу поверхні:

PD = P/A

де PD – це щільність потужності (Вт/мм² або БТЕ/с-дюйм²), P – потужність, що надходить на поверхню (Вт або БТЕ/с), а A – площа поверхні, на яку подається енергія (мм² або дюйм²). Цей розрахунок ускладнюється такими факторами, як рух джерела живлення (наприклад, зварювальної дуги), який попередньо нагріває область попереду та нагріває область позаду. Крім того, щільність потужності нерівномірна по всій ураженій поверхні, змінюючись залежно від площі.

Посилання

Groover, MP, 2010. Основи сучасного виробництва: матеріали, процеси та системи. 4-е вид. Гобокен, Нью-Джерсі: John Wiley & Sons, Inc.