Температура плавления металла при сварке

ФОРМЫ СВАРОЧНОЙ ВАННЫ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ СПОСОБАХ СВАРКИ

Плавление основного металла при сварке осуществляется с целью соединения между собой свариваемых деталей. Идеальным в отношении затрат теплоты представляется такое тепловыде­ление в источнике, при котором обеспечивалась бы минимальная глубина проплавления сопрягаемых поверхностей, а присадочный металл не требовался бы вовсе или входил в соединение в мини­мальном объеме. Если не рассматривать диффузионную сварку и пайку, при которых детали нагреваются полностью, и сварку трением, при которой полного плавления металла не достигается, наиболее близко этому требованию отвечает высокочастотная сварка и некоторые виды контактной сварки (точечная, шовная, рельефная). В перечисленных способах сварки существенная роль в образовании соединения принадлежит давлению, что позволяет плавить основной металл незначительно. Ограничимся рассмотрением случаев плавления основного металла в способах сварки без применения давления.

При электронно-лучевой сварке удается получить минималь­ное проплавление основного металла при сварке встык вплоть до толщин, измеряемых сотнями миллиметров. Сварочная ванна в поперечном сечении имеет форму, близкую к конусу (см. рис. 5.14, д), а в плоскостях, перпендикулярных лучу, — близкую к эллипсу.

При электрошлаковой сварке также можно получить мини­мальное проплавление основного металла (см. рис. 5.14, в), но для ведения шлакового процесса с целью получения достаточного выделения теплоты необходим зазор, который затем должен заполняться присадочным металлом. Сварочная ванна может быть мелкой или глубокой в зависимости от скорости сварки
и мощности источника. Форма ванны при электрошлаковой свар­ке зависит от соотношения между количествами теплоты, посту­пающими в основной металл непосредственно от шлака и от опускающегося в металлическую ванну перегретого электродного металла.

При использовании дуговых, плазменных и газопламенных источников теплоты при сварке встык металла небольшой толщи­ны форма ванны близка к форме изотермической линии темпера­туры плавления, рассчитанной для движущегося линейного ис­точника теплоты в пластине. С ростом толщины металла разница в размерах ванны на верхней и нижней поверхностях листа становится все более значительной, а при некоторой толщине полное проплавление уже не достигается, как показано на рис. 7.19. Для увеличения проплавляющей возможности указан­ных источников используют разделку кромок. Особенности раз­личных источников нагрева в части их проплавляющей способ-

Температура плавления металла при сварке

Рис. 7.19 Формы сварочной ванны при дуговой сварке: а — поверхностная дуга; 6 — погруженная дуга; в — дуга под флюсом

Температура плавления металла при сварке

Температура плавления металла при сварке

Температура плавления металла при сварке

ности обычно оценивают экспериментальным путем, расплавляя поверхность массивного тела или толстой пластины (рис. 7.19).

Ванну характеризуют следующими параметрами: L — длина ванны, В — ее ширина, Н — глубина проплавлення, Нк — глу­бина кратера. Очертание зоны проплавления характеризуют относительной глубиной проплавления Н/В или обратной ей величиной — коэффициентом формы проплавления Ф =В/Н, а также коэффициентом полноты проплавления ц„р= гп?/<НВ), где Fa? — площадь проплавления. Значения р обычно находятся в пределах 0,6. 0,8. Для дуговой сварки под флюсом характерно большое Н/В, но при дуговых способах сварки оно все же не превышает 3. Очертание зоны наплавки характеризуют коэффи­циент формы валика А>в = В/А, а также коэффициент полноты валика iB = FJ(AB), где А — высота шва, FH—площадь на­плавки.

Расчеты позволяют лишь приближенно оценить размеры ван­ны при дуговых способах сварки. При наплавке на поверхность массивного тела длину ванны L можно получить из уравнения (6.42), приняв г = 0, а АТ=ТП, — ТН и использовав при этом соотношение tu=L:

Формула (7.44) показывает, что длина ванны на поверхности массивного тела от скорости сварки не зависит. Опытные данные в целом указывают на справедливость этой формулы, хотя и обнаруживают некоторую зависимость длины ванны от скорости. Аналогично можно оценить и ширину ванны.

При заполнении разделки в случае многослойной сварки форма ванны имеет меньшее значение. Более существенно пол­ное сплавление наплавляемого металла с ранее уложенными слоями и отсутствие шлаковых включений.

Форма и размеры ванны при прочих равных условиях (мощности источника и скорости сварки) существенно зависят от характера подачи и температуры присадочного металла. При подаче в ванну холодной непрерывной или рубленной на мелкие части проволоки ванна становится короче. Поэтому оценка L по формуле (7.44) справедлива лишь для идеализированных ус­ловий.

ТЕМПЕРАТУРА СВАРОЧНОЙ ВАННЫ

Температуры жидкого металла в различных точках сварочной ванны могут сильно различаться между собой. У границы с твердым металлом температура жидкого металла близка к темпе­ратуре его плавления (табл. 7.2). Она может быть как несколько ниже Тпл вследствие кристаллизационного переохлаждения, так и выше при больших скоростях движения жидкого металла вдоль твердой границы. Как следует из рис. 7.19, расплавляю-

Таблица 7.2. Температуры плавления и кипения различных металлов, К, при атмосферном давлении

щийся на передней кромке ванны жидкий металл поступает в ее заднюю часть, проходя вдоль боковых поверхностей и дна ванны. При этом скорости движения металла могут превышать скорость сварки в 1,5. 10 раз. Максимальные температуры жид­кого металла существенно зависят от источника теплоты. При лучевых способах сварки, особенно при значительной концентра­ции энергии в пятне нагрева, металл может достигать температу­ры кипения (см. табл. 7.2).

Дуговые и плазменные источники энергии также способны создавать на поверхности металла довольно высокие температу­ры, например у сталей до 2300 К. При электрошлаковом про­цессе температура жидкого присадочного металла, проходящего через активную зону шлаковой ванны, где выделяется теплота, достигает температуры шлака, которая в средней по высоте части шлаковой ванны составляет 2100. 2200 К, а на поверхно­сти шлака около 2000 К-

Читать также:  Отраслевой состав металлургического комплекса

При способах сварки плавлением, особенно с использованием дуги, происходит интенсивное перемешивание жидкого металла как вследствие его движения из передней части ванны в заднюю, так и под влиянием других воздействий источника теплоты на жидкий металл. Происходит интенсивный теплообмен между отдельными порциями различно нагретого жидкого металла, а также вследствие теплоотвода в твердый металл. По этой причине энергетическое состояние ванны целесообразно характе­ризовать не только возможными максимальными и минимальны­ми температурами, но и средней температурой жидкого металла. Она зависит от режима сварки (тока, напряжения, скорости сварки), характера подачи присадочного металла, устойчивости дуги и положения ее активного пятна. Например, средняя температура ванны при аргонно-дуговой сварке алюминиевого сплава АМгб может изменяться от 920 до 1050 К при возраста­нии тока от 300 до 450 А при (/д= 14 В и от 1070 до 1200 К при 1/д= 8 В, в то время как температура плавления сплава АМгб составляет около 890 К.

Во многих случаях, в особенности при сварке легированных сталей и различных сплавов, требуется прежде всего получение определенных механических свойств и структуры металла около­шовной зоны и шва, которые зависят от длительности пребыва­ния металла выше определенной температуры, скорости охлаж­дения в необходимом интервале температур, повторного нагрева и многих других особенностей термического цикла сварки (см. разд. IV). Поэтому оценка эффективности процесса сварки по энергетическим критериям часто оказывается второстепенной. Однако для сталей, мало чувствительных к воздействию терми­ческого цикла сварки, оценка эффективности различных режимов сварки по энергетическим затратам необходима. Следует разли­чать сварные соединения двух основных крайних типов: соедине­ния, в которых преобладает наплавленный металл (заштрихо­ванные участки на рис. 7.20, вверху), и соединения, образуемые преимущественно в результате расплавления основного металла (рис. 7.20, внизу). Для последнего типа соединений, например

стыкового, тепловую эффективность процесса целесообразно ха­

рактеризовать удельной затратой количества теплоты на единицу площади свариваемой поверхности:

где Ссв1 — площадь соединения, свариваемая за 1 с; для одно­проходной сварки встык, например Ссв| = иб; UI—полная теп­ловая мощность сварочного источника.

Эффективность использования тепловой энергии движущихся источников теплоты характеризуют также так называемым тер­мическим к. п. д. процесса проплавления основного металла:

Коэффициент т)/ выражает отношение условного теплосодер­жания vFn;phn„ проплавленного за единицу времени основного металла к эффективной тепловой мощности источника теплоты. Величина теплосодержания в единице массы металла /гпл включа­ет в себя также скрытую теплоту плавления, затрачиваемую на

Температура плавления металла при сварке

Рис. 7.20. Поперечные сечения сварных соединений (штриховыми линиями пока­заны границы расплавления)

переход металла из твердого в жидкое состояние. Здесь принято, что лишь теплота, истраченная на плавление металла, израсхо­дована полезно, а остальная часть, ушедшая на подогрев метал­ла, окружающего ванну, истрачена бесполезно. Расчетное опре­деление тр для точечного и линейного источников теплоты соот­ветственно в полубесконечном массивном теле и в пластине про­водят по формулам (6.22) и (6.26). По ним определяют площадь F„р в выражении (7.46), ограниченную изотермой ДТ =Т„А — Тп. Для точечного источника т]( возрастает с ростом безразмерного критерия ез —qv/(a2phm), т. е. термический к. п. д. выше у мощ­ных дуг, движущихся с высокой скоростью. Однако при вз —оо не может быть выше 1/0 = 0,368.

Соответственно для линейного источника теплоты в пластине т], возрастает с ростом безразмерного критерия е2= q/(8aphnJ, но не может быть более У2/(ле) = 0,484 в случае предельно мощных линейных источников теплоты, т. е. при q/8-voo.

Полный тепловой к. п. д. проплавления т)пр выражает отно­шение vFBpph„„ ко всей (полной) тепловой мощности сварочного источника теплоты VI. Источники теплоты, когда они использу­ются для соединений, формирование которых происходит в ос­новном в результате наплавки металла (см. рис. 7.20, вверху), целесообразно оценивать по полному тепловому к. п. д. наплавки

Сварка плавлением — это процесс соединения двух деталей или заготовок в результате кристаллизации общей сварочной ванны, полученной расплавлением соединяемых кромок. Этот процесс наиболее распространен в сварочной технике.

Нагреть металл соединяемых кромок изделия выше температуры плавления для образования сварочной ванны можно только в том случае, если источником энергии вводится в зону сварки теплоты гораздо больше, чем отводится за это же время процессами охлаждения.

Основная часть теплоты уходит на нагрев холодного изделия, так как теплопроводность металлов очень высокая. Кроме того, большое количество теплоты теряется излучением в окружающую среду.

Поэтому источник энергии при сварке плавлением должен быть большой мощности, высокой сосредоточенности, т. е. концентрировать выделяющуюся энергию на малой площади сварочной ванны и успевать расплавлять все новые и новые порции металла, обеспечивая этим определенную скорость сварки.

Из всех источников энергии, применяемых при сварке плавлением, наибольшей плотностью энергии обладает электронный луч (10 9 Вт/см 2 ).

Однако наиболее широкое применение в качестве источников энергии для сварки плавлением получил дуговой электрический разряд, или электрическая дуга. Это связано с тем, что для возбуждения электронного луча требуется вакуум 10 -4 —10 -5 мм рт. ст.; кроме этого, применение электронного луча для сварки связано с разработкой специальной аппаратуры, высоким напряжением (

20 кВ) и с необходимостью защиты обслуживающего персонала от опасного рентгеновского излучения.

Поэтому его используют для специальных целей, главным образом для сварки тугоплавких и химически активных металлов.

Пламя ацетилено-кислородной горелки находит более ограниченное применение, главным образом при ремонтных работах.

Итак, процесс сварки плавлением осуществляется источником энергии, движущимся по свариваемым кромкам с заданной скоростью (рис. 7).

Температура плавления металла при сварке

Рис. 7. Схема сварки плавлением.

Если бы он был неподвижным, то форма сварочной ванны была бы симметричной, а ее сечение круглым. Так как источник энергии движется, то форма сварочной ванны оказывается несимметричной и имеет вид вытянутого овала. Размеры и форма сварочной ванны зависят от мощности источника и от скорости его перемещения, а также от теплофизических свойств металла.

Читать также:  Как правильно держать молоток

При сварке листовых конструкций из пластически деформированного металла (проката) зона сварки существенно отличается по структуре и свойствам от основного металла. Наличие неоднородностей металла вызывает, в свою очередь, деформацию при короблении сварного соединения.

Введение большого количества энергии при сварке для образования сварного шва вызывает существенную неоднородность в металле сварного соединения — как результат воздействия теплового поля.

Температура плавления металла при сварке

Рис. 8. Структура металла шва и околошовной зоны после сварки плавлением.

В сварном соединении резко различаются три области (рис. 8):

а) основной металл, имеющий в результате прокатки и термической обработки однородную мелкозернистую кристаллическую структуру;

б) зона термического влияния (околошовная зона), в которой металл находился некоторое время при высокой температуре, доходящей на линии сплавления до температуры плавления металла; в этих условиях может резко изменяться структура металла, особенно структура заливающихся сталей; увеличивается размер кристаллических зерен, прорастающих в процессе кристаллизации ванны за линию сплавления; по ширине зоны термического влияния структура металла тоже неоднородна в соответствии с температурным полем при сварке;

в) сварной шов — металл шва представляет собой литую структуру, но имеет характерные особенности.

Кристаллизация сварочной ванны начинается от поверхности сплавления, состоящей из оплавленных кристаллов, которые прорастают в еще жидкую сварочную ванну, как только ее температура достигнет точки плавления. Такая встречная кристаллизация с двух поверхностей сплавления (оплавленные кромки) оттесняет примеси в центр сварочной ванны, создавая неоднородность состава металла шва. Правда, эта неоднородность сглаживается в результате диффузии, идущей при высоких температурах с большой скоростью; в целом структура металла шва оказывается неблагоприятной.

Однако, регулируя процесс кристаллизации изменением скорости охлаждения и направлением отвода теплоты, можно значительно улучшить литую структуру металла шва. Академик Н. Н. Рыкалин создал стройную теорию тепловых процессов при сварке, позволяющую заранее определить оптимальные режимы сварки изделий и регулировать процессы кристаллизации в зоне сварки.

Нагрев металла при сварке до температур, превышающих температуру его плавления, вызывает окисление металла шва и изменение его химического состава. Как будет показано при рассмотрении отдельных способов сварки, существуют два основных пути сохранения требуемого качества металла шва и защиты его от окисления:

1) защита металла сварочной ванны шлаком и введение в процессе сварки легирующих компонентов, повышающих качество металла шва и предохраняющих его от окисления;

2) защита зоны сварки от воздушной атмосферы путем создания защитной атмосферы из инертных газов (аргона, гелия) или из активных газов, таких, как углекислый газ (С02), а также путем создания вакуума.

Многих начинающих мастеров интересует температура сварки, при которой происходит соединение двух элементов друг с другом. Прежде всего, необходимо четко представлять себе, что же представляет собой данный процесс.

Два металлических элемента невозможно соединить друг с другом, если их края не расплавить. Исключение составляет лишь холодная сварка. Под действием силы тока, газа либо давления металл нагревается до таких температур, что начинает плавиться.

Затем, смешиваясь с расплавленным электродом, края застывают и образуют так называемый шов, который и является главным стыковым креплением для двух свариваемых элементов.

Температура плавления металлов

Еще со школьной скамьи каждому сварщику хорошо известно, что каждый вид металла имеет свою температуру плавления. Поэтому вполне логично предположить, что и температура сварки у каждого металла своя. Тип сварки, который мгновенно соединяет между собой листы чугуна, совершенно не подойдет для сварочных работ со сталью.

И наоборот, алюминий не выдерживает температуры плавления железа, ведь из-за слишком высоких температур он полностью деформируется. Именно поэтому прежде чем определиться с видом сварочных работ, необходимо хорошо изучить все главные характеристики металла, с которым предстоит работать.

Электродуговая сварка

Самых высоких температур можно достичь, если применять электродуговую сварку. За счет того, что между электродом и свариваемой поверхностью образуется электрическая дуга, температура в месте стыка достигает иногда даже 12000 градусов. Минимальный же нагрев происходит при температуре не менее 6000 градусов.

Данный метод применяется тогда, когда необходимо расплавить прочный метал большой толщины. Чаще всего с помощью плавящихся электродов сваривают углеродистую сталь. Высокая температура позволяет мгновенно расплавлять и края металла, и внутренний стержень электрода. Данный тип сварочный работ применяется на практике наиболее часто.

Сварка неплавящимся электродом в газовой среде

Данный вид сварки предполагает разогрев детали до 6000 градусов. В качестве неплавящегося электрода чаще всего применяется вольфрам. Температура плавления данного метала достаточно высокая, поэтому во время сварочных работ стержень выдерживает большой нагрев и не плавится. Шов образуется только за счет расплавляемых кромок металла, ведь подаваемый во время сварочных работ газ надежно защищает место стыка от окисления и полностью вытесняет оттуда кислород.

В некоторых случаях, если для уплотнения шва все-таки требуется присадочный металл, используется дополнительный кусок проволоки, который с помощью держателя подносится непосредственно к месту сварочных работ. Для того, чтобы шов был более крепким лучше подбирать присадочную проволоку из того же метала, что и свариваемая деталь.

Плазменная сварка

Достаточно высокая температура достигается также при плазменной сварке. Величина нагрева может достигать даже 30000 градусов. С помощью сварочного аппарата на обрабатываемую поверхность подается ионизированный газ, именуемый плазмой.

Температура плавления металла при сварке

Для увеличения нагрева дуга дополнительно сжимается под воздействием плазмообразующего газа. Таким образом, на обрабатываемую поверхность сварщик воздействует не только тепловым методом, но и газодинамическим.

Читать также:  Особенности металлической кристаллической решетки

Электрошлаковая сварка

Довольно популярен метод сварки с помощью подогрева шлаковой ванны. Через электрод на сварочном аппарате подается ток такой силы, чтобы он смог разогреть, а затем и поддерживать постоянную температуру шлаковой ванны внутри разъема.

Суть данного способа заключается в необходимости постоянно поддерживать высокий уровень нагрева ванны, которая расплавляет кромки листов металла и соединяет их между собой. Уровень нагрева шлаковой ванны должна быть обязательно значительно выше температуры плавления самого металла, иначе сварка станет невозможной.

Обычно подаваемый ток нагревает ванну до 1700 градусов. Поэтому для некоторых металлов такой вид сварки неприемлем. Например, расплавить кромки углеродистой стали при такой низкой температуре будет достаточно сложно.

Диффузная сварка

Расплавлять кромки металла для их дальнейшего соединения между собой можно и внутри сварочного аппарата. Суть метода диффузной сварки заключается в том, что свариваемые детали необходимо поместить в специальную камеру, предварительно зачистив их кромки. Затем из камеры откачивается воздух до определенного уровня давления, а кромки металла нагреваются до 700 – 800 градусов.

Температура плавления металла при сварке

При сдавливании двух деталей и происходит их сваривание меду собой. Сходный принцип применяется при сваривании полипропиленовых труб. Две трубы просто вставляются с разных сторон в специальное закрытое устройство и после нагрева прочно соединяются друг с другом. Для спаивания полипропиленовых труб достаточно 260 градусов.

Электронно-лучевая сварка

Также в специальной вакуумной камере производится сварка с помощью пучка электронов, которые на выходе из аппарата образуют электродный луч. Благодаря тепловой энергии электронов в месте их соприкосновения с обрабатываемой поверхностью происходит нагрев кромок до 6000 градусов.

Конечно же, практически ни один металл не способен выдержать такой сильный нагрев, поэтому кромки свариваемых деталей начинают плавиться, образуя между собой крепкий и надежный сварочный шов.

Холодная сварка

Детали не подвергаются абсолютно никакому тепловому воздействию, если применяется холодная сварка. Главное – не проводить холодные сварочные работы при температуре воздуха ниже 5 градусов тепла. Сварка при отрицательных температурах может не дать нужный эффект и спустя некоторый период времени детали вновь расклеятся.

Суть холодной сварки заключается в том, что при помощи специальной замазки два материала любого состава можно легко склеить друг с другом. Замазка для холодной сварки состоит из двух составляющих, которые сами по себе не обладают никакими скрепляющими свойствами. Если же их перемешать между собой, образуется сильнейший клей.

В основном холодная сварка применяется в быту для мелкого ремонта водяных и канализационных труб. При этом качество холодной сварки абсолютно уступает другим видам, где используется мощнейший нагрев деталей.

Термитная сварка

Принцип работы термитной сварки во многом схож с холодной. Для данного вида сварочных работ используется смесь, состоящая из металлического алюминия и железной окалины, которые взаимодействуют друг с другом и вследствие химических реакций образуют термит.

После зажигания термита электродугой, он расплавляется и начинает сваривать между собой кромки металла. Воспламеняется термит при температуре не менее 1300 градусов, а металл начинает плавиться, когда разогревается до отметки в 2000 градусов. Такие виды сварочных работ очень часто проводят при сваривании рельсов.

Термокомпрессионная сварка

Холодная сварка во многом сходна с термокомпрессионной. Здесь также детали свариваются между собой посредством давления, однако место их стыка заранее разогревается до определенного уровня.

Как правило, нагрев должен быть не ниже, чем температура образования эвтектики между соединяемыми материалами. При этом разогревается либо сама поверхность, либо прикладываемый инструмент, либо вообще подсоединенная проволоку, через которую пропускают импульс тока.

Ультразвуковая сварка.

В отличие от холодной сварки ультразвуковая разогревает обрабатываемую поверхность металла до определенных температур. Величина нагрева деталей напрямую зависит от того, из какого металла они изготовлены. На место стыка листов воздействуют механическими колебаниями, за счет чего кромки постепенно начинают плавиться.

Медь нагревается до 500 градусов, а алюминий, например, может разогреться только до 400 градусов. После достижения нужной величины разогрева, обрабатываемые поверхности сдавливают между собой, за счет чего и происходит их сваривание друг с другом.

Лазерное воздействие на деталь

Если стоит задача получить высокопрочный шов, либо свариваемые металлы не поддаются холодной и другим видам сварки, на них воздействуют лазерным лучом. С помощью сварочного аппарата лазерный луч направляется на место стыка двух листов металла и туда же подносится присадочная проволока.

Под воздействием лазера детали нагревается до очень высоких температур, около 25 000 градусов, поэтому данный вид сваривания легко соединяет между собой даже высокопрочные металлы.

Способ сваривания деталей

Определять для себя нужный вид сварки необходимо на основании того, какую деталь требуется варить. Для получения высокопрочного шва имеет значение не только вид металла, но и его толщина, а также температура помещения, где будут происходить сварочные работы.

Кроме того, чрезвычайно важно знать температуру плавления метала, ведь чаще всего сварка происходит именно благодаря тепловому воздействию. В случае же с холодной сваркой потребуется тщательно подготовить поверхность соединяемых деталей, а также при необходимости зачистить их.

Чтобы прочность полученного шва была соизмерима с прочностью самого листа металла, потребуется со всей ответственностью подойти к сварочным работам. Сила тока, используемый присадочный материал, степень разогрева металла – играют важную роль в процессе сваривания деталей друг с другом, поэтому сварщику необходимо учитывать при работе каждую мелочь.

Оставить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *