НАЧАЛЬНОЕ

ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ

ОБРАЗОВАНИЕ

В.В. ОВчинникОВ

ОСНОВы тЕОРИИ

СВАРкИ И РЕЗкИ

мЕтАЛЛОВ

Рекомендовано ФГУ

«Федеральный институт развития образования»

в качестве учебника для использования

в учебном процессе образовательных учреждений,

реализующих программы

начального профессионального образования

УДК 669.017(075.32)

ББК 34.641я723

О-35

Рецензент

С.И. Феклистов, д-р техн. наук, проф.

Регистрационный номер рецензии 479 от 02.07.2009 г. ФГУ «ФИРО»

Овчинников В.В.

О-35 Основы теории сварки и резки металлов : учебник / В.В. Овчинников. — М. : КНОРУС, 2012. — 248 с. — (Начальное профессиональное образование).

ISBN 978-5-406-00879- Приведены общие сведения о сварке, сварных соединениях и швах. Рассмотрены различные способы сварки, методы оценки свариваемости металлов и сплавов, а также методы контроля сварных соединений. Описаны способы резки металлов и сплавов. Освещены вопросы возникновения деформаций и напряжений в сварных соединениях.

Для учащихся и преподавателей учреждений начального профессионального об­ разования по специальностям: газосварщик, электрогазосварщик, электросварщик на автоматических и полуавтоматических машинах, электросварщик ручной свар­ ки. Может быть полезен студентам средних специальных учебных заведений, обу­ чающимся по специальности «Сварочное производство», и техникам, занимающимся современными видами сварки.

УДК 669.017(075.32) ББК 34.641я Овчинников Виктор Васильевич ОСнОВы теОРИИ СВаРКИ И РезКИ металлОВ Санитарно-эпидемиологическое заключение № 77.99.60.953.Д.006828.04.10 от 28.04.2010 г.

Изд. № 1140. Подписано в печать 26.04.2011. Формат 6090/16.

Гарнитура «PetersburgC». Печать офсетная.

Усл. печ. л. 15,5. Уч.-изд. л. 13,5. Тираж 1500 экз. Заказ № ООО «КноРус».

129085, Москва, проспект Мира, д. 105, стр. 1.

Тел.: (495) 741-46-28.

E-mail: [email protected] http://www.knorus.ru Отпечатано в полном соответствии с качеством предоставленного издательством электронного оригинал-макета в ОАО «ТАТМЕДИА».

Полиграфическо-издательский комплекс «Идел-Пресс»

420066, Республика Татарстан, г. Казань, ул. Декабристов, д. 2.

© Овчинников В.В., © ООО «КноРус», ISBN 978-5-406-00879- Оглавление Введение................................... Глава 1. Процессы сварки 1.1. Определение сварки.......................... 1.2. Сущность и условия образования соединения.......... 1.3. Классификация способов сварки.................. 1.4. Сварка плавлением, ее виды, сущность и область применения... 1.4.1. Газопламенная сварка..................... 1.4.2. Ручная дуговая сварка покрытыми электродами..... 1.4.3. Автоматическая дуговая сварка под флюсом....... 1.4.4. Дуговая сварка в защитных газах.............. 1.4.5. Разновидности аргонодуговой сварки вольфрамовым электродом................. 1.4.6. Технология дуговой сварки плавящимся электродом в защитном газе........................ 1.4.7. Дуговая сварка порошковыми проволоками....... 1.4.8. Электрошлаковая сварка................... 1.4.9. Плазменная сварка...................... 1.4.10. Электронно-лучевая сварка................ 1.4.11. Лазерная сварка....................... 1.4.12. Сварка световым лучом................... 1.5. Сварка давлением, ее виды, сущность и область применения... 1.5.1. Контактная сварка...................... 1.5.2. Кузнечная сварка....................... 1.5.3. Ультразвуковая сварка.................... 1.5.4. Сварка токами высокой частоты.............. 1.5.5. Газопрессовая сварка..................... 1.5.6. Сварка трением........................ 1.5.7. Сварка трением с перемешиванием............ 1.5.8. Диффузионная сварка.................... Глава 2. Сварные соединения и швы 2.1. Определение сварных соединений и швов............ 2.2. Классификация сварных соединений и швов........... 2.3. Характеристика сварных соединений и швов........... 4 • оглавление 2.4. Обозначение сварных швов на чертежах.............. Глава 3. металлургические процессы при сварке 3.1. Понятие металлургических процессов и особенности 3.6. Вторичная кристаллизация и строение Глава 4. термическая резка металло Глава 5. наплавка Глава 6. напряжения и деформации при сварке 6.2. Причины возникновения напряжений и деформаций 6.3. Меры по снижению напряжений и деформаций Глава 7. Свариваемость металла 7.2.1. Определение стойкости металла против образования 7.2.2. Способы и критерии оценки склонности 7.2.3. Оценка структуры и свойств сварных соединений 7.3. Расчетная оценка свариваемости по химическому составу 7.4. Особенности сварки конструкционных и легированных Глава 8. Дефекты сварных соединений 8.1. Основные внутренние и внешние дефекты сварных 8.2.2. Определение механических свойств и структуры ввеДение Получение неразъемных соединений различных металлических деталей путем сварки и пайки был известен еще в глубокой древности.

Так, в египетских пирамидах при археологических раскопках нашли золотые изделия, которые имели паянные оловом соединения, а при раскопках итальянского города Помпеи обнаружили свинцовые водопроводные трубы с продольным паяным швом. Широко применялась в прошлом и кузнечная сварка. При этом способе сварки соединяемые металлы нагреваются до состояния пластичности, а затем проковываются в местах соединения. Широко распространена была ремонтная сварка, например ремонт каретных осей, разрушающихся от усталости.

В большинстве древних строений в качестве несущих элементов, нагруженных сжатием, применялись камень и неармированный бетон, а также древесина для балок и перекладин. В некоторых случаях требовались узлы, работающие на растяжение, и тогда использовались железные анкера, изготовленные кузнечной сваркой или ковкой.

В итальянской Венеции аркады Дворца дожей также поддерживаются стальными брусьями. И здесь горизонтальная нагрузка сводов требовала сварного крепления. Вообще, готическая архитектура и архитектура эпохи Возрождения часто требовала стальных сварных соединений несущих конструкций как на начальной стадии строительства, так и при последующем ремонте. Это было первое широко распространенное применение сварки в элементах сооружений.

С наступлением индустриализации, вследствие развития науки и техники, многие изготавливаемые ранее из дерева и камня элементы сооружений были заменены металлическими. Преобладающим металлом было и остается железо или его сплавы, называемые сталями.

В дальнейшем сварка будет оставаться одним из ведущих технологических процессов в промышленном производстве и строительстве.

До 70% мирового потребления стального проката идет на производство сварных конструкций и сооружений. Толщина листов свариваемых деталей колеблется от единиц микрон до десятков и сотен сантиметров, масса сварных конструкций — от долей грамма до сотен и тысяч тонн.

Зачастую сварка является единственно возможным или наиболее эффективным способом создания неразъемных соединений конструкционных материалов и получения заготовок, максимально приближенных к оптимальной форме готовой детали или конструкции.

Большинство современных сварочных процессов были разработаны в первой половине XX в., хотя начало свое они берут в XIX в. Так, в 1802 г. впервые в мире профессор Санкт-Петербургской медикохирургической академии Василий Владимирович Петров (1761—1834) открыл и наблюдал дуговой разряд от построенного им сверхмощного «Вольтового столба». Этот столб состоял из 2100 пар разнородных кружков (из меди и цинка), которые были проложены бумажными кружками, смоченными водным раствором нашатыря. Тогда это был наиболее мощный источник электрического тока. Проделав большое количество опытов, профессор Петров показал возможность использования электрической дуги для освещения и плавления металлов. Он первым предложил применить электрическую дугу в качестве источника теплоты для мгновенного расплавления металлов.

Изначально основным видом электросварки была сварка дугой с использованием неплавящегося угольного электрода. Впервые она была применена в 1881 г. Авгуром де Меританом. Спустя короткое время, в 1888 г., Н.Г. Славянов заменил уголь на голый металлический электрод (пруток), обычно изготавливавшийся из холоднокатаной стали.

Тем самым было положено начало дуговой сварке плавящимся электродом. Дугу от такого электрода было очень трудно зажигать и поддерживать, так как она горела на открытом воздухе, и поэтому наплавленный металл был сильно загрязнен и вспенен кислородом и азотом. Процесс сварки был не слишком благоприятен для пользователя и сопровождался образованием неровных поверхностей плавления, пористости и довольно обильным крупнокапельным переносом металла.

Первые флюсы, наносимые непосредственно на поверхность электродов, были аналогичны флюсам кузнечной сварки (песок, борат, пепел и т. п.). Учитывая то, что с помощью дуговой и кузнечной сварки решаются совершенно разные технические задачи, данный подход не был эффективным. Основной прогресс был достигнут (приблизительно в 1902 г.), когда Кельберг изготовил флюс для голых электродов.

Стержни опускали в пасту, состоящую из порошкообразных карбонатов и оксидов металлов, смешанных с водой. Покрытие высушивали при обычной температуре (от 20 до 30 °С), и электрод был готов к применению. Хотя по современным стандартам такое флюсование электрода считается сырым, с тонкой, низкокачественной обмазкой, оно давало некоторую газовую защиту при сварке и в какой-то степени обеспечивало стабилизацию дуги.

В 1903 г. французские инженеры Эдмон Фуше и Шарль Пикар сконструировали первую ацетиленокислородную сварочную горелку 8 • Введение и получили на нее патент в Германии. Предложенные ими конструкции газосварочных горелок принципиально почти не изменились до настоящего времени.

Созданию газовой сварки и резки способствовали исследования процессов горения газовых смесей французским ученым Анри Луи Ле Шателье. В 1895 г. он получил пламя температурой выше 3000 °С при сжигании ацетилена и кислорода. Хотя ацетилен был открыт еще в 1836 г., а в 1863 г. был синтезирован М. Бертло, доступным техническим продуктом он стал лишь после того, как был найден способ приготовления карбида кальция из известняка и угля.

В 1904 г. во Франции была обнаружена возможность использования ацетиленокислородной горелки для резки металлов, а в 1908—1909 гг.

во Франции и в Германии проведены первые успешные опыты по кислородной подводной резке.

С 1906 г., после появления достаточно надежных конструкций ацетиленовых генераторов, началось промышленное применение ацетиленокислородной сварки для технологического оборудования, газопроводов и других конструкций.

В 1911 г. комиссия при Министерстве торговли и промышленности России допустила применение газовой сварки для изготовления паровых котлов, разрешив сварку некоторых их неответственных частей.

Более интенсивное развитие в России газовая сварка получила в период Первой мировой войны. Поскольку газовая сварка в то время обеспечивала наиболее высококачественные сварные соединения, то с ее помощью выполнялись все ответственные работы.

В 1912 г. появилось толстое электродное покрытие, по существу представляющее собой обертку из синего асбеста, пропитанного жидким стеклом. Преимущество толстого покрытия заключалось в существенных добавках других составляющих, чего не было в тонком покрытии. Электроды с толстым покрытием, пропитанным жидким стеклом, нашли применение в таких важных областях промышленности, как изготовление вооружений и ремонт бойлеров кораблей. Впервые прочность сварного шва стала равной прочности основного металла.

Сварочная технология впервые была широко применена в 1905 г.

для ремонта русских судов, поврежденных во время войны с Японией.

Успех этих ремонтных работ обусловил идею использования сварки с самого начала сооружения судна. После ремонта небольших барж в 1915—1917 гг. и выдачи Регистром Ллойда в 1918 г. первых нормативов на сварку судов были разрешены проектирование и спуск на воду судов с цельносварными корпусами.

С внедрением в технику дуговой сварки толстопокрытых электродов появились новые способы дуговой сварки, в это же время были разработаны машины для контактной сварки, после чего на многих производствах газовая сварка постепенно начала вытесняться электрической сваркой. С увеличением использования электрической и вытеснением газовой сварки увеличилось использование кислородной резки.

В 1930-х гг. в связи с дефицитом карбида кальция широкое распространение получила резка с использованием горючих жидкостей:

сначала бензина, затем керосина, а в послевоенные годы широко стала внедряться резка с использованием пропан-бутана и природного газа.

К концу 1930-х гг. в США и СССР был разработан способ сварки под флюсом, при котором дуга и расплавленный металл защищены оболочкой из расплавленного флюса и слоем нерасплавленных частиц гранулированного флюса.

Непрерывная сварка электродом под флюсовым покрытием осуществлялась с помощью сварочной головки с автоматической подачей прутка. Этот процесс механизированной сварки известен как гравитационная сварка. С начала 1940-х гг. этот метод широко использовался на японских верфях для сварки протяженных горизонтальновертикальных угловых швов.

Преимущество данного процесса заключается в том, что для достижения глубокого провара и получения высокой скорости наплавки металла при значительной экономии затрат можно применять очень высокие сварочные токи. Шов сваривают без разбрызгивания металла и попадания воздуха, так как дуга и сварочная ванна полностью защищены.

В 1940 г. была начата сварка дугой, возбуждаемой вольфрамовым электродом в гелии, хотя идея применения защиты дуги и наплавленного металла от атмосферного загрязнения принудительной подачей газа в зону сварки известна примерно столько же, сколько и покрытый электрод. Этот процесс сварки стал началом применения дуговой сварки вольфрамовым электродом в среде инертного газа. В связи с потребностью в высокоочищенных газах для сварки алюминиевых сплавов и реактивных металлов чистота защитного газа была повышена до 99,95%. Популярность приобрел аргон как наиболее эффективный и безопасный в применении газ.

В 1948 г. был разработан новый процесс с применением защитного газа — дуговая сварка плавящимся электродом в среде защитного газа.

В данном процессе электрод имел форму проволоки, которая подаваВведение лась из бухты в дугу со скоростью, равной скорости плавления проволоки. Так как применение аргона для дуговой сварки плавящимся электродом в среде защитного газа экономически невыгодно, то после нескольких лет исследований в СССР, Великобритании, Нидерландах и Японии к концу 1950-х гг. были разработаны методы, сделавшие возможным использование в качестве защитного газа углекислый газ.

В конце 1970-х — начале 1980-х гг. началось освоение газолазерной резки. В то время ее считали наиболее перспективной среди всех способов термической резки.

В начале 1980-х гг. были разработаны и начали применяться порошковые проволоки малого диаметра (1,2—1,6 мм).

Машиностроительные заводы все больше и больше узлов производят с использованием сварки. Развитие основных отраслей промышленности, таких как судостроение, авиастроение, автомобилестроение, производство объектов космической техники, атомной энергетики и химического машиностроения, в настоящее время невозможно без широкого применения сварочных процессов и технологий.