Новые виды сварки металла

Современные технологии сварки и их применение

Автор: Александр Ситников, специально для Equipnet.ru
Фотографии с сайта aztpa.ru, tehsovet.ru

И стория неразъемного соединения металлов путём их нагревания и динамического воздействия друг на друга, начинается с бронзового века. Такой процесс сейчас мы называем сваркой, которая стала обретать современные черты в конце XVIII века благодаря итальянцу А. Вольту, впервые получившему вольтов столб. Впоследствии он был усовершенствован русским физиком В.В.Петровым в электрическую дугу. Но только 80 лет спустя Н. Н. Бенардосу удалось воплотить их достижения в дуговую сварку угольным электродом. С этого момента начинается неразрывная череда изобретений новых методов.

В наше время сварку классифицируют по категориям: термическая (сварочная дуга, электродуговая, газопламенная, электрошлаковая, плазменная, электронно-лучевая, лазерная), термомеханическая (точечная, стыковая, рельефная, диффузионная, кузнечная, сварка высокочастотными токами, трением) и механическая (сварка взрывом и ультразвуком).

Качество швов при гибридной лазерной сварке конструкционных сталей объемных сотовых панелей в СО2 с параллельным использованием плавящего электрода несоизмеримо выше, чем в традиционных технологиях; существенной является и скорость сварки – 40. 450 м/ч при управляемом лазерном излучении от 1,5 до 4,0 квт. Безусловным преимуществом данного метода можно считать режим высокоскоростной сварки тонких листов стали, что представляет интерес для автомобильной промышленности.

Для высокопроизводительной сварки крупногабаритных конструкций из толстолистовой (d> 30мм) закаливающейся стали 30ХГСА был разработан метод двухдуговой сварки, который основан на совместном использовании двух высоколегированных сварочных проволок различного состава диаметром 5 мм. Сварка производится под керамическим флюсом марки АНК-51А. Как показали результаты испытаний, этот метод резко улучшает качество сварного соединения.

Еще одним стимулом разработки и внедрения новых методов сварки является сварочное соединение композиционных материалов, основанием которых служит металлическая матрица с волокнистым или дисперсным упрочнением. Но особую сложность представляет собой сварочное соединение последних со сталью или титаном. В этом плане интересен метод сварки-пайки, при котором на поверхность деталей наносят промежуточный сплав, а сварка производится сжатием под напряжением на точечных, рельефных или конденсаторных машинах. Для сварки тонколистовых композитов на алюминиевой подошве с волокнистым упрочнением или дисперсно-упрочненных частиц SiC, Аl2O3 и С используют аргоно-дуговую сварку с промежуточными вставками.

Прочность сварочных нахлесточных швов составляет 70% от прочности композита, но учитывая высокую прочность самого композита (до 1500 МПа) в сравнении с высокопрочными алюминиевыми сплавами (>700 МПа), следует отметить, что метод сварки-пайки позволяет создавать надежные и, что важно, легкие конструкции. Это делает его незаменимым в авиационной и аэрокосмической промышленности.

Достаточно сложным материалом для качественной и герметичной сварки является конструкционный чугун. Современные технологии его сварки базируются на применении специальной тонкой проволоки марки ПАHЧ-11из сплава на никелевой основе, главным достижением которых является низкое тепловыделение. Особенно это актуально для тонкостенных деталей, учитывая хрупкость чугуна, как материала. Поскольку сварочный шов, получаемый при этой технологии, представляет собой высокопластичный железоникелевый сплав, то разрушение конструкции, как правило, происходит по чугуну, а не по шву, что характерно для традиционной дуговой сварки. Подобный метод позволяет изготавливать чугунные конструкции ответственного назначения.

Другим металлом представляющим сложность при сварочных работах, безусловно, является титан, его альфа и альфа+бета сплавы. Очевидным прорывом в этой области стала разработка метода магнитоуправляемой электрошлаковой сварки (МЭС), позволяющего соединять крупногабаритные детали при изготовлении центропланов самолетов, кареток крыла, траверс шасси, шпангоутов и силовых переборок морских судов. Такая сварка осуществляется в шлаковых и металлических ваннах током до 12000А и напряжением на электродах до 36 В и обеспечивает высокое качество швов при толщине свариваемых кромок 30-600 мм, благодаря очистке метала шва от примесей и газовых пор. Это позволяет использовать технику, изготовленную с помощью метода МЭС, в условиях гигантских динамических и статических нагрузок.

Большое будущее инженеры сулят программированию сварки и, прежде всего, тепловложению. Этот метод базируется на электроннолучевом принципе, успешно применяется для соединения высокопрочных алюминиевых сплавов. Программирование тепловложения производится в контуре разверстки пучка, что позволяет контролировать и управлять проплавление, форму, исключить образование трещин и пор в металле шва. Очевидным преимуществом является гарантированный шов при соединении алюминиевых сплавов в ответственных высоконагруженных машинах и узлах, что особенно важно в самолётостроении.

К новым технологиям, которые являются предметом настоящего обзора EquipNet.ru, следует отнести инновационный метод орбитальной аргонодуговой сварки вольфрамовым электродом (ОАСВЭ) сложных деталей, к примеру, неповоротных стыков труб диаметром от 20 до 1440 мм. Активирующий флюс наносится 1 г/м шва, что способствует решению ряда важных технологических задач: во-первых, сварка ведётся пониженным током, позволяющим уменьшить объем и вес сварочной ванны; во-вторых, качественный шов в любом пространственном положении обеспечивается регулированием давления дуги на жидкий металл; в-третьих, сварка может быть автоматизирована без разделки кромки. Этот метод (ОАСВЭ) эффективен для стыков труб с толщиной до 6мм, свыше – его использует в комбинации с другими методами и только для формирования корневого шва.

Интересным представляются щадящие технологии сварки в смесях защитных газов Ar+CO2 и Ar+O2+CO2. Шов получается более качественным в сравнении со сваркой в СО2, расход проволоки на 20 % экономичнее стандартных схем, переход к свариваемым деталям становится плавным, при этом резко снижается набрызгивание электродного металла.

Среди новых методов, получивших широкое практическое распространение, является метод двухкомпонентной сварки для бесстыкового железнодорожного пути, основанный на литьевом способе сварки, что позволяет решать достаточно противоречивые задачи, т.е. обеспечить заданную пластичность металла шва при необходимой износостойкости.

Подобная технология сложна, поскольку требует использования расплавленной стали, которая заливается в зазор рельсового стыка. Для обеспечения высокой вязкости используется низколегированная плавка, а вот для придания требуемой износостойкости применяют специальные керамические накладки, отделяющие легирующие добавки от основного металла. После заполнения стыка расплавленной сталью, керамические накладки разрушаются, и легирующие добавки расплавляются в верхней части стыка, придавая головке шва повышенную износостойкость.

Идея обуздать «короткое замыкание» и запрячь его для сварки не нова, однако только специалистам компанией «Линкольн Электрик» удалось ее реализовать на практике. Этот метод сварки корней шва получил название «Перенос силами Поверхностного Натяжения» (STT) и базируется на высокоскоростных инверторных источников тока и микропроцессорах. В процессе сварки переменным, но управляемым является и ток, и напряжение, что существенно расширяет возможности данного метода.

Современная наука является многогранной, позволяет использовать преимущества нанотехнологий, поэтому будущее сварки видится в совершенствовании схем компьютерного управления и внедрении новых сварочных материалов.

Основные виды сварки

Сварка электротоком делится на 2 принципиальных класса: недуговая и дуговая.

Недуговую сварку чаще называют контактной. В контактной сварке электроды, подающие ток, прикладываются непосредственно к металлу, который сваривают. Сквозь метал, расположенный между поднесенными электродами, подается короткий, но очень мощный разряд тока (тысячи ампер). Сплавление при этом получается только между приложенными электродами. Если электроды расположены прямо друг против друга, то сварное соединение получается точечным. Хотя точечная сварка – не единственный вид контактной сварки, но зато самый распространенный. Поэтому понятия «точечной сварки» и «контактной сварки» часто используют в виде синонимов. Напряжение точечной сварки составляет считанные вольты. Поэтому контактная сварка применяется преимущественно для скрепления тонколистового металла. Например, в автомобилестроении.

В строительстве гораздо большее распространение получила сварка электродуговая. При электродуговой сварке между источником тока (электродом) и свариваемым металлом находится небольшой промежуток, заполняемый электрической дугой. Ошибочно предполагать, что это промежуток воздуха. Это промежуток ионизированного газа, проводящего ток. Дуговая сварка, как мы ее представляем сегодня, без газа невозможна. Просто газ может подаваться из отдельного баллона, а может образовываться в результате горения обмазки электрода.

Самыми распространенными в строительстве являются следующие технологии:

• ММА (в отечественной классификации – ручная дуговая сварка, или РДС)
• TIG (аргоно-дуговая)
• MIG-MAG (полуавтоматическая, проволокой).

Популярность данного вида сварки предопределена как раз отсутствием необходимости таскать с собой баллон с газом. Обмазка электрода – и есть «застывшее» газовое облако. Как только электрод коснется металла и полученный ток короткого замыкания расплавит металл электрода, расплавится и обмазка вокруг него. Образовавшееся облако газа обеспечит проводящую ионизированную среду для дуги и защиту расплавляемого металла от доступа кислорода.

Электроды подбираются по типу металла и диаметру. Тип металла важен, так как в процессе работы метал стержня электрода капля по капле перетекает в свариваемый метал и сплавляется с ним. Для крепкого соединения металл стержня электрода и свариваемый метал должны быть идентичны. На упаковке электродов всегда указывается, для каких металлов подходят данные электроды.

После того, как определились с типом электрода, необходимо определиться с его толщиной. Вопрос новичка: зачем нужны электроды разных диаметров? Все просто. Чем толще электрод, тем больше сила тока, которая его может расплавить. То же и с кромками свариваемого металла. Поэтому толщина электрода подбирается под толщину свариваемого металла. Для черных металлов рекомендуется:

Технология ММА позволяет работать с большинством распространенных металлов, за исключением алюминия и сплавов на его основе. Хотя теоретически и это возможно при наличии помощника, если добиться, чтобы зачищенные алюминиевые поверхности не успевали покрыться пленкой до расплавления. Но правильнее, конечно, просто использовать подходящие для этого сварочные технологии.

Потребители сварки TIG – сплошь профессионалы и продвинутые пользователи, причем почти поголовно не строительного направления. TIG обеспечивает более аккуратные швы, но сильно уступает ММА в производительности и простоте использования.

Например, многие «любители», отточив свое мастерство на аппаратах ММА, испытывают досаду от неудач при первом опыте с TIG. Оказывается, в отличие от ММА, зажечь дугу аппаратом TIG, если только он не оборудован таким устройством, как осциллятор, непросто. (А практически все аппараты «2 в 1» не оборудованы, конечно). Чиркает сварщик вольфрамовым электродом – искра есть, а дугу поднять не получается. Но вот бывалый сварщик подкладывает под электрод кусочек угля – и дуга пошла без проблем. Не случайно, что в продажах розничных магазинов специализированные аппараты TIG редко превышают долю в 1%.

Отдельного упоминания в сварке TIG заслуживают аппараты с возможностью переключения на режим переменного сварочного тока, т.н. AC/DC. Вот эти аппараты и являются основным оборудованием для сварки алюминия. Именно они преимущественно и составляют этот самый 1% TIG в розничных продажах сварочного оборудования.

MIG-MAG

Полуавтоматическая сварка проволокой применяется в основном для сварки листового металла. Поэтому традиционно ее основная сфера применения – кузовной ремонт, а также строительство конструкций из черного тонколистового металла. Использование проволоки вместо сменных электродов сильно повышает производительность. На бытовых аппаратах используются катушки емкостью 1 и 5 кг, а на профессиональных – 5 или 15 кг.

Проволока может использоваться как обычная (без обмазки), так и с обмазкой (т.н. флюсовая). В первом случае обязательно применение баллона с газом (режим GAS). Во втором баллон не требуется (NO GAS). Несмотря на то, что работать без баллона удобнее, в продажах с большим отрывом лидирует проволока без обмазки. Причина банальна: она гораздо дешевле флюсовой. Кроме того, многие профессионалы считают, что аккуратность швов в среде газа от баллона получается выше.

Несмотря на то, что данный вид сварки тоже относится к электродуговой, принцип устройства у MIG-MAG принципиально отличается от принципов MMA и TIG. В ММА и TIG важно поддерживать стабильность тока, несмотря на колебания электрода, в MIG-MAG важно поддерживать стабильность напряжения дуги. А сила сварочного тока в аппаратах MIG-MAG – показатель условный (хотя по привычке, выработанной в ММА, большинство ориентируется именно на него). Сила сварочного тока в MIG-MAG будет зависеть от выставленного напряжения, диаметра используемой проволоки, применяемого газа и скорости подачи проволоки. Так что сделать из аппарата ММА полуавтомат MIG-MAG путем приделывания блока подачи проволоки и горелки не получится.

Виды сварок

Сварочные работы по металлу – один из самых надежных способов соединения деталей и конструкций. Как технологический процесс сварка известна практически со времен, когда человек научился выплавлять металлы из руды и соединять части самородков драгоценных металлов. Если сделать краткий экскурс в историю, то виды сварки по хронологии будет размещены так:

• соединение способом промежуточного литья;

• контактная (стыковая) сварка – 1856 г., лорд Кельвин;

• ручная электродуговая сварка – 1882 г., российский изобретатель Н.Бернардос;

• электрическая дуговая сварка – 1890 г., российский ученый Н. Славянов;

• сварка флюсом – 1929 г. советский ученый Д.Дульчевский;

• остальные современные способы: порошковыми материалами, электрошлаковая, контактная, плазменная, сварка под водой – почти все были изобретены и внедрены в Институте электросварки им. Е.О.Патона.

Самые востребованные виды сварки

Компания Азмен специализируется на предоставлении услуг по обработке металла – все виды сварки на заказ. Наша компания располагает всем необходимым современным оборудованием и специалистами самой высокой квалификации в этой области. В зависимости от требований, которые выдвигаются параметрами сварочных швов и типа материалов для соединения, мы выбираем наиболее эффективный из существующих видов сварки.

Сварка электрической дугой

Это самый распространенный способ соединения металлов и применяется в двух видах: ручной режим и на сварочных автоматах. Принцип действия основан на свойствах электрической дуги с очень высокой температурой, которая возникает при прохождении электрического тока через электроды и свариваемую поверхность вследствие существующей разности потенциалов. Электрическая дуга сильно нагревает поверхность металла и соединяет его сварочным швом. При этом образуется окалина, которую и последствии обивают, а шов шлифуют.

Заказать сварку электрической дугой Вы можете в нашей компании по доступной цене.

Сферы применения: выполнение коротких и криволинейных швов различной сложности, в труднодоступных местах, например, при изготовлении металлоконструкций и каркасов для строительства и промышленности, соединение закладных деталей, сварка трубопроводов и пр.

Газовая сварка

Выполняется с использованием обогащенной кислородной смеси в среде горючих газов (ацетилен – чаще всего, водород, метан, пропан). Этот способ больше подходит для сварки деталей из цветных металлов, тонкостенных деталей и легкоплавких марок стали, так как газовая сварка позволяет легко регулировать температуру горения, а значит, и нагрева свариваемых поверхностей.

Сферы применения: чаще всего этот тип сварки применяют в бытовых нуждах, для ремонта автомобилей, резервуаров и инженерных сетей из цветных металлов и стали толщиной до 3 мм.

Электрошлаковая сварка

По сути, это один из видов электродуговой сварки, но в процессе работы металлы соединяются в образующейся сварной ванне. Это дает более широкое поле для соединения и позволяется проваривать даже толстые заготовки и детали.

Сфера применения: целесообразно применять для заготовок толщиной больше 40 мм. Этот способ – самый эффективный для деталей свыше 100 мм толщиной. Кстати, рекордная толщина свариваемых электрошлаковой сваркой изделий – 2600 мм.

Сварка под флюсом

Усовершенствованной разновидностью электрошлакового способа является сварка под флюсом, то есть, когда расплавление конца электрода и свариваемых поверхностей происходит под слоем гранулированного флюса, который от нагревания дугой образует газовый пузырь, в котором образуется сварной шов. По мере остывания флюс образует сварную корку, которая легко отделяется от шва. Сварка под флюсом бывает автоматической и полуавтоматической. В сравнении с обычной электродуговой сваркой этот вариант имеет намного большую производительность – в 5-10 раз, а благодаря повышенным температурам в области сваривания резко увеличивается глубина проплавления металла. Еще одним огромным плюсом можно назвать высокую экономичность – потери материалов уменьшаются на 5-15% (за счет полного отсутствия разбрызгивания), а экономия электроэнергии – до 30-40%.

Сфера применения: в виду того, что этот способ возможно выполнять только в цеховых условиях, его применяют в массовых производствах для соединения деталей с прямолинейными и кольцевыми швами большой длины на деталях с достаточной толщиной. Пример – сваривание труб большого диаметра, изготовление балок для кранов, в кораблестроении.

Контактная сварка

Еще ее называют точечной сваркой, осуществляется путем нагревания током металла до размягчения и далее под действием усилия осуществляется соединение частей точками. Скорость этого процесса очень высокая – до 600 точек в минуту.

Сфера применения. Используется для сваривания очень тонких деталей (от 0,01 мкм), а также, для листов стали толщиной не больше 20 мм. Находит применение в изготовлении электроники, авиационной промышленности и судостроении, машиностроении.

Сварка неплавящимся электродом

Суть этого способа соединения в том, что процесс сваривания осуществляется в среде инертного газа, который защищает неплавящийся электрод и металл от кислорода в воздухе. Инертный газ подается через специальное сопло, а его вид выбирается в зависимости от материала электрода:

• для вольфрамового электрода применяется аргон, гелий, или их смесь;

• для медных электродов и со вставками гафния или циркония берут азот;

• для графитовых электродов со вставками тугоплавких металлов также применяют аргон.

Сфера применения. Этим способом можно отлично соединять все виды стали, цветные металлы, а также, разнородные сплавы металлов. Неплавящимся электродом лучше всех других способов сваривать тонколистовой металл – швы практически незаметны.

Плазменная сварка

Такой способ – это проведение работ в среде ионизированного газа, а специальная методика сжатия электрической дуги в плазмотроне позволяет достигать очень высоких температур – до 30 тысяч градусов (против 5-7 тысяч в парах аргона, например). Благодаря этому происходит более глубокое проплавление металла. А шов получается очень тонкий и аккуратный.

Сфера применения. Соединение деталей из самых различных сплавов, в том числе очень тугоплавких, в изготовлении толстостенных деталей, габаритный конструкций.

Мы предлагаем сварочные работы всех видов на заказ в Москве.

Новые виды сварки металла

K-TIG (Keyhole TIG) – это высокотехнологичная версия сварки TIG / GTAW. Слово Keyhole в переводе с английского означает «замочная скважина». Такое название метод получил благодаря технологическим особенностям, о которых мы расскажем чуть позже.

Этот новый процесс сварки был разработан и запатентован несколько лет назад Австралийской правительственной организацией по научным и промышленным исследованиям (CSIRO). K-TIG в настоящее время используется в производстве в Австралии, США, Великобритании, Норвегии, Швеции, Дании, Тайване, Индии, Малайзии, Аргентине, Китае и ряде других стран.

Эта технология уже широко используется в судостроении и производстве цистерн, криогенной технике, нефтегазовой отрасли, производстве электроэнергии, очистке воды, возобновляемых источниках энергии, ядерной и оборонной продукции, трубопроводах. В целом же, спектр применяя обширен. Например, GE (General Electric) развернула технологию в нескольких местах и использует её при изготовлении самых больших и самых современных газовых турбин в мире.

Отличия K-TIG от привычных видов сварки действительно впечатляют:

Однопроходные швы
K-TIG выполняет очень быстрые, однопроходные, полностью проникающие сварные швы диаметром до 16 мм в титане, 13 мм в нержавеющей стали и 9 мм в сплавах.

Широкий спектр материалов сварки
Процесс K-TIG хорошо подходит для материалов с низкой теплопроводностью, таких как нержавеющие стали, никелевые сплавы, титановые сплавы и действительно большинство коррозионно-стойких и экзотических материалов, включая нержавеющую сталь серии 300, дуплекс, супердуплекс, хастеллой, инконель, нимоник, цирконий и другие материалы.

Большая скорость сварки
Сварные швы выполняются со скоростью до 100 раз быстрее по сравнению с обычной сваркой TIG / GTAW и в соответствии со стандартом качества, который отвечает самым строгим требованиям ядерной, аэрокосмической и оборонной промышленности.

Типовые примеры скорости К-TIG сварки:
12 мм аустенитная нержавеющая сталь – скорость 250 мм / мин
8 мм сталь C-Mn – скорость 400 мм / мин
3 мм ферритная нержавеющая сталь – скорость 1000 мм / мин
Все в одном полном прохождении, при этом указаны средние скорости процесса K-TIG сварки, которые могут быть увеличены (в некоторых случаях значительно), если целью является оптимизация скорости.

А также технология K-TIG:
– снижает потребление энергии и газа до 95%;
– потребление проволоки снижается более чем на 90% или полностью исключается;
– не требует обработки кромок;
– используется только один сварочный газ и его расход экономичен;
– работает в очень широком диапазоне сварочных токов;
– обеспечивает для сотрудников безопасную и чистую среду с низким уровнем задымления.

Такой перечень технологических особенностей обусловлен решением главных задач – существенного сокращения затрат на производство и повышение производительности.

Как работает K-TIG сварка?

Технология K-TIG обеспечивает преимущества, доступные ранее только дорогостоящим лазерным, или электронно-лучевым установкам.

Этот простой процесс обеспечивает автоматическую, высококачественную глубокую сварку, доступную для любого мелкого и среднего размера.

Запатентованная технология основана на обширном научном исследовании процесса газово-вольфрамовой дуги и является результатом многих нововведений, связанных с характеристиками дуги, стабилизацией сварочной ванны, снижением теплообмена и эффективностью процесса сварки.

По сути, вариант K-TIG является решением проблем с неустойчивостью сварного шва, которые характерны для GTAW. В данном случае используется самоиндуцированные эффекты для создания плазменной струи. Там нет отверстия, что делает процесс намного проще, чем плазменная дуговая сварка.

Фундаментальной характеристикой процесса является преднамеренное увеличение дугового давления до того момента, когда происходит расширение кратера на дне сварочной ванны. В этот момент дно кратера прорывается через корневую поверхность сварного шва, образуя так называемую «замочную скважину» и позволяя дуговым газам уходить. Самое главное, чтобы отверстия на лицевой и корневой поверхностях сварного шва закрепились на жидкой поверхности сварочной ванны. Помогая понять, как это выглядит, можно визуализировать упругие свойства пленки мыльного пузыря, как показано на изображении справа.

Минимизация поверхностной энергии, связанная с геометрией «замочной скважины» и относительно беспрепятственный выход газов, создают в совокупности очень прочную и спокойную сварочную ванну. Кроме того, поверхностное натяжение не дает расплавленному металлу в сварочной ванне выпадать с поверхности корня шва.

Способ сварки K-TIG уникален, потому что он не зависит от очень высокой плотности энергии как при использовании, например, лазера и плазмы, что приводит к более широкой зоне слияния на лицевой поверхности.