Как варить металл: Как варить металл и история изобретения данного метода соединения металла.

Какая сварка подходит для тонких металлов?

Сварка ВИГ наиболее подходит для сварки тонких металлических листов. Процесс сварки TIG отличается высокой точностью и не отклоняется от того, на чем следует сосредоточить сварку. Следовательно, вы получаете гладкую и деликатную поверхность сварных деталей.

Могу ли я использовать переменный или постоянный ток для сварки алюминия в среде инертного газа?

Для алюминия подходит как сварка MIG на переменном, так и на постоянном токе. Однако сварка постоянным током, которая является типичной формой сварки MIG, выполняется намного быстрее, поскольку для нее не требуются аппараты с характеристиками переменного и постоянного тока.

Какой самый тонкий листовой металл можно сваривать?

Для сварки очень тонких металлов требуются специалисты, способные оптимально контролировать подводимое к металлу тепло. При хорошем контроле температуры можно сваривать листовой металл толщиной от 0,8 мм с помощью сварки MIG. Кроме того, TIG позволяет сваривать листы толщиной от 0,6 мм и даже меньше.

Деформация сварного шва

Начинающие сварщики и даже более опытные сварщики часто сталкиваются с проблемой искривления сварного шва (деформация базовой пластины, вызванная теплом сварочной дуги). Деформация доставляет неудобства по ряду причин, но одной из наиболее важных является потенциальное образование сварного шва, который не является структурно прочным. Эта статья поможет определить, что такое деформация сварного шва, а затем даст практическое понимание причин деформации, эффектов усадки в различных типах сварных узлов и способов ее контроля, и, наконец, рассмотрит методы контроля деформации.

Что такое искривление сварного шва?
Деформация сварного шва возникает в результате расширения и сжатия металла шва и прилегающего основного металла во время цикла нагрева и охлаждения в процессе сварки. Выполнение всех сварных швов на одной стороне детали приведет к гораздо большему искажению, чем если бы сварные швы чередовались с одной стороны на другую. Во время этого цикла нагрева и охлаждения многие факторы влияют на усадку металла и приводят к деформации, например, физические и механические свойства, которые изменяются при воздействии тепла. Например, по мере увеличения температуры в зоне сварки предел текучести, эластичность и теплопроводность стального листа снижаются, а тепловое расширение и удельная теплоемкость увеличиваются (рис. 3-1). Эти изменения, в свою очередь, влияют на тепловой поток и равномерность распределения тепла.

Рис. 3-1 Изменения свойств стали при повышении температуры усложняют анализ того, что происходит во время цикла сварки, и, таким образом, понимание факторов, способствующих деформации сварного соединения.

Причины деформации
Чтобы понять, как и почему возникает деформация при нагреве и охлаждении металла, рассмотрим стальной стержень, показанный на рис. 3-2. Поскольку стержень нагревается равномерно, он расширяется во всех направлениях, как показано на рис. 3-2 (а). Когда металл охлаждается до комнатной температуры, он равномерно сжимается до своих первоначальных размеров.

Рис. 3-2 Если стальной стержень равномерно нагреть без ограничений, как в (а), он расширится во всех направлениях и при охлаждении вернется к своим первоначальным размерам. Если его сдержать, как в (б), при нагревании он может расширяться только в вертикальном направлении — утолщаться. При охлаждении деформированный стержень равномерно сжимается, как показано на (в), и, таким образом, остается деформированным. Это упрощенное объяснение основной причины деформации сварочных узлов.

Но если стальной стержень удерживается, как в тисках, пока он нагревается, как показано на рис. 3-2(b), боковое расширение не может иметь место. Но, поскольку при нагреве должно происходить объемное расширение, стержень расширяется в вертикальном направлении (по толщине) и становится толще. Когда деформированный стержень возвращается к комнатной температуре, он по-прежнему будет иметь тенденцию к равномерному сжатию во всех направлениях, как на рис.

В сварном соединении одни и те же силы расширения и сжатия действуют на металл шва и на основной металл. Когда металл шва затвердевает и сплавляется с основным металлом, он максимально расширяется. При охлаждении он пытается сжаться до объема, который обычно занимал бы при более низкой температуре, но ему мешает соседний основной металл. Из-за этого в сварном шве и прилегающем основном металле возникают напряжения. В этот момент сварной шов растягивается (или поддается) и утончается, таким образом приспосабливаясь к требованиям объема при более низкой температуре. Но этим деформированием снимаются только те напряжения, которые превышают предел текучести металла шва. К тому времени, когда сварной шов достигает комнатной температуры, при условии полного удержания основного металла, так что он не может двигаться, сварной шов будет содержать заблокированные растягивающие напряжения, приблизительно равные пределу текучести металла. Если ограничители (зажимы, удерживающие заготовку, или противодействующая усадочная сила) снимаются, остаточные напряжения частично снимаются, поскольку они заставляют основной металл двигаться, тем самым деформируя сварной шов.

Контроль усадки – что можно сделать для минимизации деформации
Чтобы предотвратить или свести к минимуму деформацию сварного шва, необходимо использовать методы как при проектировании, так и во время сварки для преодоления эффектов цикла нагрева и охлаждения. Усадку нельзя предотвратить, но ее можно контролировать. Чтобы свести к минимуму деформацию, вызванную усадкой, можно использовать несколько способов:

1. Не переваривать
Чем больше металла помещается в соединение, тем больше силы усадки. Правильный выбор размера сварного шва в соответствии с требованиями к соединению не только сводит к минимуму деформацию, но также экономит сварочный металл и время. Количество металла шва в угловом шве может быть сведено к минимуму за счет использования плоского или слегка выпуклого валика, а в стыковом соединении — за счет надлежащей подготовки и подгонки кромок. Избыток металла шва в сильно выпуклом валике не увеличивает допустимую прочность при нормальных работах, но увеличивает силы усадки.

При сварке толстого листа (толщиной более 1 дюйма) снятие фаски или даже двойное снятие фаски может сэкономить значительное количество металла шва, что автоматически приводит к гораздо меньшему искажению.

В общем, если деформация не является проблемой, выбирайте наиболее экономичное соединение. Если деформация является проблемой, выберите либо соединение, в котором напряжения сварки уравновешивают друг друга, либо соединение, требующее наименьшего количества металла шва.

2. Используйте прерывистую сварку
Другим способом минимизировать металл шва является использование прерывистых, а не непрерывных швов, где это возможно, как на рис. 3-7(c). Например, для крепления ребер жесткости к листу прерывистая сварка может уменьшить металл сварного шва на целых 75 процентов, но при этом обеспечить необходимую прочность.

Рис. 3-7 Деформация может быть предотвращена или сведена к минимуму с помощью методов, которые устраняют или конструктивно используют эффекты цикла нагрева и охлаждения.

3. Используйте как можно меньше сварочных проходов
Меньшее количество проходов с большими электродами, рис. 3-7(d), предпочтительнее большего количества проходов с маленькими электродами, когда поперечная деформация может быть проблемой. Усадка, вызванная каждым проходом, имеет тенденцию накапливаться, тем самым увеличивая общую усадку при использовании многих проходов.

4. Разместите сварные швы вблизи нейтральной оси
Деформация сводится к минимуму за счет использования меньшего рычага для усадочных сил, вытягивающих пластины из соосности. Рисунок 3-7(e) иллюстрирует это. И конструкция сварного соединения, и последовательность сварки могут эффективно использоваться для контроля деформации.

Рис. 3-7 Деформация может быть предотвращена или сведена к минимуму с помощью методов, которые устраняют или конструктивно используют эффекты цикла нагрева и охлаждения.

5. Балансировка сварных швов вокруг нейтральной оси
Этот метод, показанный на рис. 3-7(f), компенсирует одну усадочную силу другой, чтобы эффективно минимизировать деформацию сварного соединения. Здесь также важны конструкция сборки и правильная последовательность сварки.

6. Используйте обратную ступенчатую сварку
В технике обратной ступенчатой ​​сварки общий процесс сварки может быть, скажем, слева направо, но каждый сегмент валика наплавляется справа налево, как показано на рис. 3-7(g). По мере размещения каждого сегмента шарика нагретые края расширяются, что временно разделяет пластины в точке B. Но по мере того, как тепло уходит через пластину к C, расширение вдоль внешних краев CD снова сближает пластины. Это разделение наиболее заметно при укладке первой бусины. С последовательными валиками пластины расширяются все меньше и меньше из-за ограничения предшествующих сварных швов. Возврат может быть неэффективен во всех случаях применения, и его нельзя использовать экономично при автоматической сварке.

Рис. 3-7 Деформация может быть предотвращена или сведена к минимуму с помощью методов, которые устраняют или конструктивно используют эффекты цикла нагрева и охлаждения.

7. Предвидеть усадочные силы
Предварительная настройка деталей (на первый взгляд, я подумал, что речь идет о потолочном или вертикальном положении сварки, но это не так) перед сваркой может заставить усадку выполнить конструктивную работу. Несколько сборок, предварительно настроенных таким образом, показаны на рис. 3-7(h). Необходимую величину усадки для выравнивания пластин можно определить по нескольким пробным сварным швам.

Предварительная гибка, предварительная настройка или предварительная подпружинивание деталей, подлежащих сварке, рис. 3-7(i) — это простой пример использования противоположных механических сил для противодействия деформации, вызванной сваркой. Верх разделки под сварку, в которой будет находиться основная часть металла шва, удлиняется после предварительной подготовки пластин. Таким образом, завершенный шов немного длиннее, чем если бы он был выполнен на плоской пластине. Когда зажимы отпускаются после сварки, пластины возвращаются к плоской форме, позволяя сварному шву снять свои продольные усадочные напряжения за счет укорочения до прямой линии. Оба действия совпадают, и сварные пластины приобретают желаемую плоскостность.

Еще одна распространенная практика балансировки сил усадки заключается в том, чтобы расположить идентичные сварные детали спиной к спине, рис. 3-7(j), плотно прижав их друг к другу. Сварные швы на обеих сборках завершены, и им дают остыть перед снятием зажимов. Предварительный изгиб можно комбинировать с этим методом, вставляя клинья в подходящих местах между деталями перед зажимом.

В частности, в тяжелых сварных конструкциях жесткость элементов и их расположение относительно друг друга могут обеспечить необходимые уравновешивающие усилия. Если эти естественные уравновешивающие силы отсутствуют, необходимо использовать другие средства противодействия усадочным силам в металле шва. Это может быть достигнуто путем уравновешивания одной силы усадки против другой или путем создания противодействующей силы с помощью крепления. Противодействующими силами могут быть: другие силы усадки; сдерживающие силы, создаваемые зажимами, приспособлениями или приспособлениями; сдерживающие силы, возникающие из-за расположения элементов в сборке; или сила провисания элемента под действием силы тяжести.

8. Планируйте последовательность сварки
Хорошо спланированная последовательность сварки включает в себя размещение металла шва в разных точках сборки таким образом, чтобы при усадке конструкции в одном месте он противодействовал силам усадки уже выполненных сварных швов. Примером этого является сварка попеременно с обеих сторон нейтральной оси при выполнении сварного шва с проплавлением разделки встык, как показано на рис. 3-7(k). Другой пример, угловой шов, состоит из выполнения прерывистых швов в соответствии с последовательностями, показанными на рис. 3-7 (l). В этих примерах усадка в шве № 1 уравновешивается усадкой в ​​шве № 2.

Рис. 3-7 Деформация может быть предотвращена или сведена к минимуму с помощью методов, которые устраняют или конструктивно используют эффекты цикла нагрева и охлаждения.

Зажимы, приспособления и приспособления, которые фиксируют детали в желаемом положении и удерживают их до окончания сварки, вероятно, являются наиболее широко используемыми средствами контроля деформации в небольших узлах или компонентах. Ранее в этом разделе упоминалось, что сдерживающая сила, обеспечиваемая зажимами, увеличивает внутренние напряжения в сварном шве до тех пор, пока не будет достигнут предел текучести металла шва. Для типичных сварных швов на низкоуглеродистой пластине этот уровень напряжения будет приблизительно равен 45 000 фунтов на квадратный дюйм. Можно было бы ожидать, что это напряжение вызовет значительное смещение или деформацию после того, как свариваемая деталь будет снята с приспособления или зажимов. Этого, однако, не происходит, поскольку деформация (единичное сжатие) от этого напряжения очень мала по сравнению с величиной движения, которое могло бы произойти, если бы во время сварки не использовалось ограничение.

9.  Устранение усадочных сил после сварки
Проклевка — это один из способов противодействия усадочным силам сварного шва при его охлаждении. По существу, проковка валика растягивает его и делает его тоньше, тем самым снимая (за счет пластической деформации) напряжения, вызванные усадкой при охлаждении металла. Но этот метод нужно использовать с осторожностью. Например, корневой валик никогда не следует зачищать из-за опасности либо скрыть трещину, либо вызвать ее. Как правило, упрочнение на последнем проходе не допускается из-за возможности перекрыть трещину и помешать контролю, а также из-за нежелательного эффекта упрочнения. Таким образом, полезность этого метода ограничена, даже несмотря на то, что были случаи, когда межпроходная наплавка оказывалась единственным решением проблемы деформации или растрескивания. Прежде чем приступить к работе, необходимо получить техническое разрешение.

Другим методом устранения усадочных сил является снятие термических напряжений – контролируемый нагрев сварного шва до повышенной температуры с последующим контролируемым охлаждением. Иногда две идентичные сварные детали зажимаются спиной к спине, свариваются, а затем снимаются напряжения, удерживаемые в этом прямом состоянии. Таким образом, сводятся к минимуму остаточные напряжения, которые могли бы деформировать сварные соединения.

10.  Минимизировать время сварки
Поскольку во время сварки происходят сложные циклы нагрева и охлаждения, а для передачи тепла требуется время, фактор времени влияет на деформацию. Как правило, сварку желательно закончить быстро, до того, как большой объем окружающего металла нагреется и расширится. Используемый процесс сварки, тип и размер электрода, сварочный ток и скорость перемещения, таким образом, влияют на степень усадки и деформации сварного соединения. Применение механизированного сварочного оборудования сокращает время сварки и количество металла, подверженного нагреву и, как следствие, деформации. Например, наплавка сварного шва заданного размера на толстый лист с помощью процесса, работающего при 175 ампер, 25 вольт и 3 дюйма в минуту, требует 87 500 джоулей энергии на погонный дюйм сварного шва (также известное как тепловложение). Сварной шов примерно такого же размера, полученный в процессе, работающем при 310 ампер, 35 вольт и 8 дюймов в минуту, требует 81 400 джоулей на линейный дюйм. Сварка, выполненная с более высокой погонной энергией, обычно приводит к большей деформации. (примечание: я не хочу использовать слова «чрезмерно» и «больше, чем необходимо», потому что размер сварного шва, по сути, привязан к погонной энергии. В общем случае размер углового шва (в дюймах) равен квадратный корень из количества подведенного тепла (кДж/дюйм), деленный на 500. Таким образом, эти два сварных шва, скорее всего, имеют разный размер.

Другие методы контроля деформации

Приспособление с водяным охлаждением
Были разработаны различные методы контроля деформации конкретных сварных деталей. Например, при сварке листового металла приспособление с водяным охлаждением (рис. 3-33) полезно для отвода тепла от свариваемых компонентов. Медные трубы припаяны или припаяны к медным зажимам, и во время сварки по трубам циркулирует вода. Ограничение зажимов также помогает свести к минимуму искажения.

Рис. 3-33 Приспособление с водяным охлаждением для быстрого отвода тепла при сварке листового металла.

Strongback
«Strongback» — еще один полезный метод контроля деформации при стыковой сварке пластин, как показано на рис. 3-34 (a). Зажимы привариваются к краю одной пластины, а под зажимы вбиваются клинья, чтобы совместить края и удерживать их во время сварки.

Рис. 3-34 Различные устройства усиленной дуги для предотвращения деформации при стыковой сварке.

Снятие термического напряжения
За исключением особых ситуаций, снятие напряжения путем нагревания не используется для исправления деформации. Однако бывают случаи, когда необходимо снять напряжение, чтобы предотвратить дальнейшую деформацию до завершения сварки.

Резюме: контрольный список для сведения к минимуму искажений

Следуйте этому контрольному списку, чтобы свести к минимуму искажения при проектировании и изготовлении сварных конструкций:

• Не переваривать
• Устройство управления
• По возможности используйте прерывистые сварные швы в соответствии с проектными требованиями
• При угловой сварке используйте наименьший допустимый размер полки
• Для швов с разделкой кромок используйте соединения, минимизирующие объем металла шва. Используйте двусторонние соединения вместо односторонних
• Поочередная сварка с обеих сторон стыка, если это возможно, с помощью многопроходной сварки
• Использовать минимальное количество проходов сварки
• Используйте процедуры с низким тепловложением. Как правило, это означает высокую производительность наплавки и более высокую скорость перемещения
• Используйте сварочные манипуляторы для получения максимального количества сварных швов в плоском положении. Плоское положение позволяет использовать электроды большого диаметра и процедуры сварки с высокой скоростью наплавки
  
• Уравновешивающие сварные швы вокруг нейтральной оси элемента
• Как можно более равномерно распределить сварочный нагрев с помощью запланированной последовательности сварки и расположения сварных изделий
• Приварка к свободной части элемента
• Используйте хомуты, приспособления и крепёжные элементы для поддержания подгонки и выравнивания
• Предварительно согните элементы или предварительно задайте соединения, чтобы позволить усадке вернуть их в исходное положение
• Последовательность подсборок и окончательных сборок таким образом, чтобы сварные швы постоянно уравновешивали друг друга вокруг нейтральной оси секции

Следование этим методам поможет свести к минимуму влияние деформации и остаточных напряжений.