Для чего физика сварщику
Презентация «Физика в профессии сварщика» (9-11 класс)
Описание презентации по отдельным слайдам:
Физика в профессии сварщика
Сварщик – универсальная профессия. Несколько десятков рабочих операций он может выполнять!
Среди них: гнутье труб, газовая, дуговая и кислородная сварка и резка металла, монтаж систем отопления, теплоснабжения, водоснабжения, канализации и газоснабжения.
Эта профессия требует большого запаса навыков и знаний!
Базисным разделом спецтехнологии сварщиков является молекулярная физика, немалое внимание приходится уделять механике, электродинамике, колебаниям и волнам, оптике и квантовой физике.
Молекулярная физика Конвекция Будущим рабочим необходимо знать, что в производственных помещениях отсутствует тепловое равновесие. В частности, воздух у батарей отопления работающего технологического оборудования более теплый, чем у наружных стен и окон, что обусловливает конвекцию воздуха в помещениях, которая учитывается при проектировании производственных помещений, разработке технологических процессов и размещении рабочих мест.
Молекулярная физика Влажность воздуха От влажности воздуха зависит интенсивность испарения влаги с поверхности кожи человека, которое имеет большое значение для поддержания постоянной температуры тела. В производственных помещениях наряду с температурой воздуха поддерживается также наиболее благоприятная для человека влажность (относительная влажность 40-60%).
Свойства жидкостей. Капиллярные явления. Смачиваемость. Сварщики должны знать, что шелк и шерсть не смачиваются водой, следовательно, они не впитывают ее, и потому эти ткани при эксплуатации оборудования не применяются в качестве обтирочного материала.
Свойства твердых тел. Пластические деформации. Почему сплавы (сталь, чугун, латунь и др.) меньше подвержены пластическим деформациям, чем чистые металлы (железо, цинк)? На это можно ответить: потому что пластическая деформация связана со скольжением атомных слоев один относительно другого. В сплаве атомный порядок нарушается вследствие присутствия атомов примеси между атомами основного металла. Это затрудняет скольжение атомных плоскостей одна относительно другой.
Свойства твердых тел. Пластичность. Уместно также провести анализ условий, когда сварной шов следует заменить соединениями на заклепках. В этом случае используется пластичность металлов.
Молекулярная физика. Диффузия. При сжатии соединяемых деталей, находящихся в пластическом состоянии, с поверхностей их соприкосновения выжимается (удаляется) пленка оксидов, и при этом зерна одной детали взаимно проникают в зерна другой. Происходит диффузия. Это обеспечивает состояние, при котором начинают действовать силы межмолекулярного сцепления соединяющихся деталей, достаточные для их прочного соединения.
Термодинамика. Теплоемкость. В чем причины потери тепла зданием? В частности, чем больше разница между температурами наружного воздуха и воздуха помещения и чем больше площадь ограждающих конструкций, тем больше тепла теряет здание. Потеря тепла зданием зависит также от материала, из которого выполнена ограждающая конструкция.
Термодинамика. Теплоотдача. Основным элементом систем отопления, служащим для передачи тепла от теплоносителя (пар, вода) воздуху помещения, является нагревательный прибор. Теплоотдача нагревательными приборами осуществляется конвекцией и излучением.
Электродинамика. Электрическая дуга. Электри́ческая дуга́ (во́льтова дуга́, дугово́й разря́д) — физическое явление, один из видов электрического разряда в газе.
Электродинамика. Магнитное поле. Магнитные методы контроля основаны на обнаружении магнитных потоков рассеяния, возникающих при наличии различных дефектов, в намагниченных изделиях из ферромагнитных материалов (железа, никеля, кобальта и некоторых сплавов).
Электродинамика. Трансформаторы. Сварочный трансформатор предназначен для создания электрической дуги, с помощью которой осуществляется дальнейший процесс ручной сварки или сварки под флюсом. Он преобразуют высокое напряжение сети в низкое во вторичной цепи до необходимого для сварки уровня.
Звуковые явления. Ультразвук. Ультразвуковая дефектоскопия получила широкое применение при изготовлении сварных конструкций в следствии того что она является одним из неразрушающих способов контроля сварных соединений.
Излучение и спектры. Рентгеновские лучи. Гамма-излучение. Метод контроля сварных соединений рентгеновскими и гамма-лучами основан на различной проницаемости для коротковолновых электромагнитных колебаний сплошного металла и различных неоднородности, в нём находящихся, заполненных шлаками, окислами и газами.
Инфракрасное, ультрафиолетовое излучения. Сварка-источник инфракрасного, ультрафиолетового излучений.
Спасибо за внимание!
Курс повышения квалификации
Дистанционное обучение как современный формат преподавания
Курс профессиональной переподготовки
Физика: теория и методика преподавания в образовательной организации
Курс профессиональной переподготовки
Методическая работа в онлайн-образовании
Ищем педагогов в команду «Инфоурок»
Номер материала: ДБ-239723
Не нашли то что искали?
Вам будут интересны эти курсы:
Оставьте свой комментарий
Авторизуйтесь, чтобы задавать вопросы.
Безлимитный доступ к занятиям с онлайн-репетиторами
Выгоднее, чем оплачивать каждое занятие отдельно
Путин поручил не считать выплаты за классное руководство в средней зарплате
Время чтения: 1 минута
Петербургский Политех создал отдельное меню для вегетарианцев в своих столовых
Время чтения: 1 минута
Учителям предлагают 1,5 миллиона рублей за переезд в Златоуст
Время чтения: 1 минута
Минпросвещения сформирует новый федеральный перечень учебников
Время чтения: 2 минуты
Бельгийский город будет платить детям виртуальные деньги за отказ от неэкологичного транспорта
Время чтения: 0 минут
Учителя Кубани смогут получить миллион рублей на взнос по ипотеке
Время чтения: 1 минута
Подарочные сертификаты
Ответственность за разрешение любых спорных моментов, касающихся самих материалов и их содержания, берут на себя пользователи, разместившие материал на сайте. Однако администрация сайта готова оказать всяческую поддержку в решении любых вопросов, связанных с работой и содержанием сайта. Если Вы заметили, что на данном сайте незаконно используются материалы, сообщите об этом администрации сайта через форму обратной связи.
Все материалы, размещенные на сайте, созданы авторами сайта либо размещены пользователями сайта и представлены на сайте исключительно для ознакомления. Авторские права на материалы принадлежат их законным авторам. Частичное или полное копирование материалов сайта без письменного разрешения администрации сайта запрещено! Мнение администрации может не совпадать с точкой зрения авторов.
Презентация «Физика в профессии сварщика»
Описание презентации по отдельным слайдам:
ФИЗИКА в профессии СВАРЩИКА
Проектное задание «Физика в профессии сварщика» выполнил студент группы С-17 Амельченков Дмитрий Преподаватель Кожевина Н.М. 2018 г.
Цель проекта: использовать понятия и законы физики для объяснения процессов, встречающихся в профессиональной деятельности сварщика.
МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА. Основы молекулярно-кинетической теории. Диффузия. Температура. Сваркой называется процесс получения неразъѐмных соединений посредством установления межатомных связей между соединяемыми частями при их нагревании и расплавлении или пластическом деформировании.
Расплавленный дугой жидкий металл детали, электрода или присадочного прутка смешивается, образуя общую ванночку. При ее охлаждении металл затвердевает, и укрепляются его металлические связи.
Для сварки используют три вида энергии: 1. термическую (сварка плавлением) 2. термомеханическую (плавлением и давлением) 3. механическую (давлением). Классификация сварки по физическому признаку.
Например, к термомеханическому классу относят все виды контактной, диффузионной, кузнечной сварки.
К термическому классу относятся все виды дуговой, газовой, электрошлаковой, плазменной, электронно-лучевой, лазерной, термитной и световой сварки. К механическому классу относят холодную, ультразвуковую, магнитно – импульсную сварку, сварку трением и взрывом.
ДАВЛЕНИЕ, ОБЪЕМ, ТЕМПЕРАТУРА Контактная сварка – сварка с применением давления, при которой используется тепло, выделяющееся в контакте свариваемых частей при прохождении электрического тока.
Для сварки кислород поставляется в газообразном виде в баллонах объемом 40 дм3, содержащих 6 м3 кислорода при давлении 15 МПа Температура ацетиленового пламени 3100 – 3200 С, пропано-кислородного 2600 – 3750 С, водородно-кислородного 2400 – 2600 С. Температура при сварке угольным электродом: Вкатоднойзоне32000С В анодной зоне3900С В столбе дуги60000С.
ПОВЕРХНОСТНОЕ НАТЯЖЕНИЕ, СМАЧИВАНИЕ, КАПИЛЛЯРНОСТЬ. Металл плавящегося электрода переходит в виде капель в сварочную ванну. Форма и размеры капель металла определяются силой тяжести и силой поверхностного натяжения. Некоторые металлы, например железо и свинец не смешиваются, при расплавлении не образуют сварного соединения (несмачивание.) На капиллярности основан способ проверки качества сварного шва (мел, керосин). Керосин поднимается по трещинам, как по капиллярам, образуя на обратной стороне, промазанной меловым раствором, жирные пятна.
СОЗДАНИЕ МАТЕРИАЛОВ С ЗАДАННЫМИ СВОЙСТВАМИ. КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ, ПЛАВЛЕНИЕ. Дуговая сварка плавлением является своеобразным металлургическим процессом, протекающим в небольшом объеме сварочной ванны в течении 15с, после чего металл кристаллизуется.
ДЕФОРМАЦИЯ. 1. Неравномерное нагревание и охлаждение при сварке вызывают тепловые напряжения и деформации. 2. Нагрев стали при сварке, резко снижает предел текучести, увеличивает удлинение, что вызывает необратимые пластические деформации и, как следствие, растягивающие и сжимающие напряжения в сварном соединении.
Необходимо учитывать влажность воздуха при хранении электродов. Неплавящиеся электроды – вольфрамовая проволока (4500 С – температура плавления). Полная тепловая мощность дуги – количество теплоты, выделяемое дугой в единицу времени (Дж/с).
ЭЛЕКТРОДИНАМИКА. Основным рабочим инструментом электросварщика является электрододержатель, рукоятка которого покрыта электро – и теплоизоляционными материалами. Электропроводность повышается за счет нагревания. При сварке на постоянном токе источниками питания служат сварочные преобразователи, На переменном токе – сварочные трансформаторы.
ПРОВОДНИКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА. СОПРОТИВЛЕНИЕ. Гибкий медный кабель используют на напряжение до 220В, длина кабеля до 40м. При более длинном кабеле ухудшается процесс сварки.
Отклонение дуги под действием электромагнитных сил называется магнитным дутьем. МАГНИТНОЕ ПОЛЕ. ФЕРРОМАГНЕТИКИ. СИЛА АМПЕРА.
МАГНИТНАЯ ДЕФЕКТОСКОПИЯ – МЕТОД ПРОВЕРКИ КАЧЕСТВА СВАРНОГО ШВА. МАГНИТОПОРОШКОВЫЙ МЕТОД МАГНИТОГРАФИЧЕСКИЙ МЕТОД
СВАРКА В ВАКУУМЕ Простейший способ применения вакуума состоит в том, что полость сварочной камеры скачивается до давления
0,005 мм рт. ст., после чего камера заполняется аргоном под давлением 1 атм.
ЛАЗЕРНАЯ СВАРКА. ИЗЛУЧЕНИЕ. Процесс лазерной сварки состоит в расплавлении металла под действием высококонцентрированного источника световой энергии.
Действие трансформаторов основано на явлении электромагнитной индукции. Сварочные трансформаторы – это специальные понижающие трансформаторы, обеспечивающие питание сварочной дуги и регулирование сварочного тока.
УЛЬТРАЗВУК. Ультразвуковая дефектоскопия Ультразвуковая сварка
УЛЬТРАФИОЛЕТОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ. Для защиты глаз от вредных ультрафиолетовых излучений, возникающих при горении дуги, применяют щитки и шлемы, снабженные светофильтрами темно- зеленого цвета. При электродуговой сварке применяют светофильтры различных марок из темно – синего стекла. Люминесцентный контроль, применяемый для выявления поверхностных дефектов, преимущественно трещин, а также для контроля на непроницаемость, основан на свойстве некоторых жидкостей флюоресцировать ( светиться) под действием ультрафиолетовых лучей.
РЕНТГЕНОВСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ. РАДИАЦИОННЫЙ КОНТРОЛЬ. При отсутствии дефектов излучение будет поглощаться сплошным металлом, и на пленке шов будет фиксироваться в виде более светлой полосы. Дефекты не будут поглощать излучение так интенсивно, как металл, поэтому на фотобумаге они будут фиксироваться более темными пятнами.
ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЕ Радиационный метод контроля. Излучение направляется на шов и фиксируется пленкой, фотобумагой. Дефекты не поглощают излучение, а на пленке это более темные участки. Используют изотоп цезия – 137 (период полураспада 30 лет).
СПЕКТРЫ. СПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ. Раскаленные пары металла дают линейчатые спектры, это фиксирует прибор стилоскоп.
вывод. Сварщику необходимы прочные знания по физике и практические навыки работы с оборудованием. Профессия сварщика – незаменима На стройке, при изготовлении трубопроводов, цистерн, Вагонов, котлов высокого давления, мостовых кранов, на машиностроительных заводах и в коммунальном хозяйстве. Сегодня диапазоны применения сварочных технологий простираются от подводной до космической сварки!.
Славные парни в брезентовых робах, Сила, богатство и гордость страны, Опыт и ум, мастерство высшей пробы, Сварщиков руки повсюду нужны.
Успехов всем в профессиональной деятельности!
УЧИТЕ ФИЗИКУ! Литература: 1. Большая Советская Энциклопедия. 2. Б. Васильев Электрон – умелец // Юный техник, Изд. ЦК ВЛКСМ «Молодая гвардия», 1986, с. 14. 3. В. А. Лосев и др. Иллюстрированное пособие сварщика, СОУЭЛО, 2001 год, 60 стр. 4. Интернет-ресурсы
Спасибо за внимание!
Курс повышения квалификации
Дистанционное обучение как современный формат преподавания
Курс профессиональной переподготовки
Физика: теория и методика преподавания в образовательной организации
Курс профессиональной переподготовки
Методическая работа в онлайн-образовании
Ищем педагогов в команду «Инфоурок»
Номер материала: ДБ-1382424
Не нашли то что искали?
Вам будут интересны эти курсы:
Оставьте свой комментарий
Авторизуйтесь, чтобы задавать вопросы.
Безлимитный доступ к занятиям с онлайн-репетиторами
Выгоднее, чем оплачивать каждое занятие отдельно
Учителям предлагают 1,5 миллиона рублей за переезд в Златоуст
Время чтения: 1 минута
В России утвердили квоты приема на целевое обучение в вузах на 2022 год
Время чтения: 3 минуты
Путин поручил не считать выплаты за классное руководство в средней зарплате
Время чтения: 1 минута
В России стартовал прием заявок на конкурс для журналистов-школьников «Медиабум»
Время чтения: 2 минуты
Учителя Кубани смогут получить миллион рублей на взнос по ипотеке
Время чтения: 1 минута
В России предложили учредить День семейного волонтерства
Время чтения: 2 минуты
Подарочные сертификаты
Ответственность за разрешение любых спорных моментов, касающихся самих материалов и их содержания, берут на себя пользователи, разместившие материал на сайте. Однако администрация сайта готова оказать всяческую поддержку в решении любых вопросов, связанных с работой и содержанием сайта. Если Вы заметили, что на данном сайте незаконно используются материалы, сообщите об этом администрации сайта через форму обратной связи.
Все материалы, размещенные на сайте, созданы авторами сайта либо размещены пользователями сайта и представлены на сайте исключительно для ознакомления. Авторские права на материалы принадлежат их законным авторам. Частичное или полное копирование материалов сайта без письменного разрешения администрации сайта запрещено! Мнение администрации может не совпадать с точкой зрения авторов.
Реферат «Физика в профессии сварщика»
Муниципальное образовательное учреждение
«средняя /полная/ общеобразовательная Мортовская школа»
Елабужского муниципального района
Выполнил: ученик 9 класса
Мортовской средней школы
Руководитель: учитель физики
Смехова Светлана Михайловна
3. Физические процессы, происходящие при сварке материалов……………. 6
4. Классификация видов сварки ………………………………………………. 8
4.1. Электро – дуговая сварка ……………………………………………….…. 9
4.2. Ручная дуговая сварка ……………………………………………………. 11
4.5. Электронно – лучевая сварка ……………………………………… ………15
4.6. Контактная электросварка..….………………………………………….…. 17
4.9. Холодная молекулярная сварка ………………………………………… …24
6. Список используемой литературы ……………………………………………31
Целью данной работы стало изучение физических процессов, протекающих при сварке металлов. Задача работы – сбор, изучение и обобщение материалов по выбранной теме.
Аналитическая часть работы представляет собой подборку материалов об истории развития сварочного производства, о классах сварки, особенностях протекания процессов, с точки зрения физики. В работе подробно рассмотрены особенности различных видов сварки, преимущества и недостатки сварочного производства. В качестве основной литературы при изучении данной темы были взяты справочники, материалы из Большой Советской Энциклопедии, статьи из журнала «Юный техник», а также материалы из Интернета.
2. История развития сварочного производства.
С применением сварки создаются серийные и уникальные машины. Сварка внесла коренные изменения в конструкцию и технологию производства многих изделий. При изготовлении металлоконструкций, прокладке трубопроводов, установке технологического оборудования, на сварку приходится четвертая часть всех строительно-монтажных работ. Основным видом сварки является дуговая сварка.
Основоположниками сварки являются русские ученые и инженеры – В.В. Петров, Н.Н. Бенардос и Н.Г.Славянов.
Бенардос в 1882 г. изобрёл «Способ соединения и разъединения металлов непосредственным действием электрического тока». Этот способ, названный им «электрогефест», в 1885—86 был запатентован в России, Франции, Бельгии, Великобритании, Германии, Италии, США и в других странах. Сварка металлов осуществлялась Бенардосом электрической дугой, образованной между концом угольного электрода, укреплённого в электродержателе, и свариваемым изделием; источником тока служили мощные аккумуляторные батареи.
При необходимости вводился присадочный металл-пруток. Бенардосу принадлежат также идеи сварки металлическим электродом, сварка на переменном токе и многие другие. Он изобрёл способ сварки «косвенно действующей дугой, горящей между двумя или несколькими электродами» 1 (рис. 1),— электромагнит 2 здесь служит для выдувания дуги в острый факел; сварку в струе защитного газа; несколько систем автоматов для дуговой электросварки; дуговую резку под водой.
Рис. 1 Сварка косвенно действующей дугой
Однако, несмотря на первоначальные успехи русских изобретателей в деле разработки и внедрения дуговой сварки, к началу XX века страны Европы опередили Россию.
Только после революции 1917г. сварка получила интенсивное развитие. В нашей стране тогда впервые в мире были разработаны новые высокопроизводительные виды сварки: это электрошлаковая, в углекислом газе, диффузная и другие. Фундаментальные исследования по разработке новых процессов и технологии сварки проводятся в ряде научно-исследовательских организаций, на крупных предприятиях.
На современном этапе развития сварочного производства в связи с развитием научно-технической революции резко возрос диапазон толщин свариваемых материалов. В настоящее время сваривают материалы толщиной от несколько микрон (в микроэлектронике) до нескольких метров (в тяжелом машиностроении).
3. Физические процессы, происходящие при сварке материалов.
Сварка – технологический процесс неразъемного соединения твердых тел путем их местного сплавления или совместного деформирования, в результате чего возникают прочные связи между атомами (молекулами) соединяемых тел. Подвергаются сварке различные материалы, одноко наибольшее значение имеет место сварка металлов.
Для осуществления сварки необходимо привести в действие силы сцепления, связывающие в одно целое элементарные частицы, из которых состоят свариваемые части. Действие сил сцепления объясняется взаимодействием электронных оболочек атомов, составляющих тело. Поэтому в процессе сварки необходимо прежде всего сблизить атомы свариваемых частей на расстояние порядка, атомного радиуса, а затем заставить взаимодействовать электронные оболочки атомов, т. е. активизировать силы сцепления.
Поверхности твёрдых металлов неровны, покрыты окислами и другими загрязнениями и молекулами адсорбированных газов; поэтому при соприкосновении металлов даже под значительным давлением сближается и сцепляется очень, малое число атомов, образующих соединение с ничтожной прочностью. Для получения прочной сварки необходимо, чтобы металл в зоне сварки находился в жидком или подобном жидкому (пластическом) состоянии и мог течь вдоль поверхности раздела, смывая и заполняя неровности, разрушая поверхностный слой с его загрязнениями и выводя на поверхиость свежие слои металла. В этом случае поверхность раздела исчезнет и возникнет прочное соединение.
Сваривают металлы двумя основными способами — сплавлением и пластическим деформированием. Иногда комбинируют оба способа. Нагрев металла в зоне сварки можно довести до расплавления металла. Жидкий металл соединяемых частей, находящихся в соприкосновении, самопроизвольно сливается в общую сварочную ванну, по затвердевании образующую прочное соединение. Процессы смешивания, взаимного растворения, диффузии и последующей кристаллизации расширяют зону атомных сцеплений и придают ей объёмный характер, что повышает прочность и надёжность сварного соединения. Сварка плавлением пригодна почти для всех металлов, в том числе для самых твёрдых и хрупких; в широких размерах возможна сварка разнородных металлов. Сварка плавлением не требует особо тщательной зачистки соединяемых поверхностей, загрязнения удаляются из металла, всплывая на поверхность сварочной ванны. К недостаткам этих методов сварки относятся возможный перегрев металла и резкое изменение структуры и состава металла, вызываемое плавлением.
Металлы можно заставить течь вдоль поверхности раздела, создавая пластическую деформацию механическими усилиями. Пластическую деформацию без нагрева использует холодная сварка металлов. Зона сцепления атомов при холодной сварке большинства металлов имеет поверхностный характер, взаимное растворение и диффузия отсутствуют. Обширное применение имеет сварка давлением, или пластическая сварка с нагревом, осуществляемая комбинированием нагрева и пластической деформации. Нагрев ведётся до «сварочного жара», т. е. температурного интервала, в котором металл остаётся еще твёрдым, но уже хорошо сваривается приложением незначительных давлений. Нагрев придаёт зоне сцепления атомов объёмный характер за счет развития процессов взаимной диффузии, растворения и кристаллизации. Нагрев делает металл мягким и пластичным, облегчая развитие достаточной пластической деформации и упрощая технику сварки.
4. Классификация видов сварки.
Сварка классифицируется в первую очередь по физическому признаку – форме энергии, используемой для образования сварного соединения. Для сварки используют три формы энергии: термическую, термомеханическую и механическую, и аналогично этому называют классы сварки.
Поскольку нагрев применяется во всех способах сварки, кроме холодной, он является удобным признаком для классификация способов сварки. Обычно нагрев металла при сварке производится или за счет энергии химической реакции горения, или за счет электрической энергии. К химическим способам относятся горновая, газовая и термитная сварка. При горновой сварке металл нагревается в горнах и печах, отапливаемых различными горючими. При газовой сварке пользуются пламенем различных горючих, сжигаемых в специальных сварочных горелках; наибольшее значение имеет газовая ацетилено-кислородная сварка, при которой горючий газ ацетилен сжигается в технически чистом кислороде и даёт сварочное пламя с максимальной температурой около 3200°.
Электрическую сварку плавлением в зависимости от характера источников нагрева и расплавления свариваемых кромок можно разделить на следующие основные виды сварки:
1. электрическая дуговая, где источником тепла является электрическая дуга;
2. электрошлаковая, где основным источником теплоты является расплавленный шлак, через который протекает электрический ток;
3. электронно-лучевая, при которой нагрев и расплавление кромок соединяемых деталей производят направленным потоком электронов, излучаемых раскалённым катодом;
4. лазерная, при которой нагрев и расплавление кромок соединяемых деталей производят направленным сфокусированным мощным световым лучом микрочастиц-фотонов.
4.1 Электродуговая сварка
При электрической дуговой сварке основная часть теплоты, необходимая для нагрева и плавления металла, получается за счет дугового разряда, возникающего между свариваемым металлом и электродом. Под действием теплоты дуги кромки свариваемых деталей и торец плавящегося электрода расплавляются, образуя сварочную ванну, которая некоторое время находится в расплавленном состоянии. При затвердевании металла образуется сварное соединение. Энергия, необходимая для образования и поддержания дугового разряда, получается от источников питания дуги постоянного или переменного тока. Дуга, представляющая вид электрического разряда в газах, является весьма высокотемпературным источником тепла. Температура столба дуги 1 (рис. 2) превышает 5000°; максимальная температура катода 2 при металлических электродах близка к температуре кипения металлов, из которых сделаны электроды; температура анода 3, как правило, выше. Тепловая мощность дуги легко регулируется изменением тока. Эти особенности дуги позволяют применять дуговую электросварку для соединения разнообразных материалов — металлов и их сплавов, стекла, фарфора, некоторых пластмасс, различных минералов и др. Наибольшее распространение в промышленности получила дуговая электросварка металлов и их сплавов.
Рис2. Схема электрической дуги.
а) Сварка неплавящимся (графитным или вольфрамовым) электродом, дугой прямого действия, при которой соединение выполняется путем расплавления только основного металла, либо с применением присадочного металла.
б) Сварка плавящимся (металлическим) электродом, дугой прямого действия, с одновременным расплавлением основного металла и электрода, который пополняет сварочную ванну жидким металлом.
в) Сварка косвенной дугой, горящей между двумя, как правило, неплавящимися электродами. При этом основной металл нагревается и расплавляется теплотой столба дуги.
г) Сварка трехфазной дугой, при которой дуга горит между электродами, а также между каждым электродом и основным металлом.
По степени механизации различают сварку вручную, полуавтоматическую и автоматическую сварку. Отнесение процессов к тому или иному способу зависит от того, как выполняются зажигание и поддержание определенной длины дуги, манипуляция электродом для придания шву нужной формы, перемещение электрода по линии наложения шва и прекращения процесса сварки.
4. 2 Ручная дуговая сварка
Производительность процесса в основном определяется сварочным током. Однако ток при ручной сварке покрытыми электродами ограничен, так как повышение тока сверх рекомендованного значения приводит к разогреву стержня электрода, отслаиванию покрытия, сильному разбрызгиванию и угару расплавленного металла. Ручную сварку постепенно заменяют полуавтоматической в атмосфере защитных газов.
Рис. 3 Ручная дуговая сварка
4.3 Газопламенная сварка
Рис. 4 Газопламенная сварка Рис. 5 Ацетилено – кислородное пламя
(температура «ядра» 3100 0 С)
В последние годы в качестве заменителя ацетилена применяется новый вид топлива — МАФ (метилацетилен-алленовая фракция). МАФ обеспечивает высокую скорость сварки и высокое качество сварочного шва. МАФ гораздо безопаснее ацетилена, в 2-3 раза дешевле, и значительно плотнее. Газовая резка с использованием МАФ гораздо эффективнее других газов и значительно эффективнее применения ацетилена при резке.
Огромный интерес представляет применение для газовой сварки использование дициана ввиду весьма высокой температуры сгорания (4500°С). Препятствием к расширенному применению использования дициана для сварки и резки является его повышенная токсичность. С другой стороны эффективность дициана весьма высока и сравнима с электрической дугой, и потому дициан имеет значительную перспективу для дальнейшего прогресса в развитии газопламенной обработки. Пламя дициана с кислородом истекающее из сварочной горелки имеет резкие очертания, очень инертно к обрабатываемому металлу, короткое и имеющее пурпурно-фиолетовый оттенок. Обрабатываемый металл (сталь) буквально «течет», и при использовании дициана допустимы очень большие скорости сварки и резки металла.
Значительным прогрессом в развитии газопламенной обработки с использованием жидких горючих может дать применение ацетилендинитрила и его смесей с углеводородами ввиду самой высокой температуры сгорания (5000°С). Ацетилендинитрил склонен при сильном нагреве к взрывному разложению, но в составе смесей с углеводородами гораздо более стабилен. В настоящее время производство ацетилендинитрила очень ограниченное и продукт дорогой, но при развитии производства ацетилендинитрил может весьма ощутимо развить области применения газопламенной обработки во всех ее областях применения.
4.4 Термитная сварка
Это способ сварки металлов, при котором нагрев соединяемых металлов, а также образование расплавленного присадочного, металла нужного состава осуществляются в результате химической реакции в термите. Термитная сварка применяется, главным образом, для сварки стали, реже для сварки чугуна и наплавки твёрдых сплавов. Различают два вида термитной сварки: давлением и плавлением. При сварке давлением используется лишь теплота шлаков и термитного металла для нагрева соединяемых деталей. После нагрева до требуемой температуры соединяемые поверхности под значительным давлением прижимают друг к другу, в зоне соединения развивается пластическая деформация, шлаки и термитный металл вытесняются из зазора между соединяемыми поверхностями. Свариваемые встык концы деталей заключают при этом в огнеупорную форму. Термитная реакция осуществляется в отдельном тигле, из которого шлаки и термитный металл выливаются в форму и разогревают свариваемые концы.
На свариваемые встык концы проводов, зажатые в специальных ручных клещах, надеваются большого размера термитный брикет и запал в виде шайбы из прессованной массы. Запальная шайба зажигается спичкой и, сгорая, возбуждает реакцию окисления. Особенность процесса состоит в том, что после реакции брикет остаётся твёрдым и служит формой, которая легко удаляется после сварки. Длительность сварки — несколько секунд.
4.5 Электронно – лучевая сварка.
Как видим, оснастка электронно-лучевой техники действительно скупа — набор основных деталей очень невелик. А возможности — они столь же скромны? Отвечая, попробуем только перечислить профессии, которые обеими руками голосуют за новые электронно-лучевые аппараты,— это металлурги и агрономы, горняки и медики, часовщики и химики, сварщики, энергетики, буровики. Инструмент новой технологии — пучок заряженных элементарных частиц. Для конструктора он предел мечтаний! Невесомый, легкоуправляемый, послушный малейшему изменению электро-магнитного поля, словно солнечный зайчик повороту зеркала. Ни инерции, как, например, у традиционных резцов, сверл, ударников. Ни накапливающейся у обычных инструментов усталости, которая рано или поздно выводит их из строя. Электронный луч всегда, в любую секунду нов, свеж, готов работать без устали. Надо, чтобы он был остер, словно игла. А в следующее мгновение его можно сделать похожим на освещающий дорогу прожектор. Вдобавок манипулировать электронным пучком можно с быстротой и точностью, какие недостижимы ни для одного из обычных инструментов.
Итак, отметим первое уникальное достоинство новой технологии — небывалую гибкость, управляемость.
Второе из главных достоинств не менее ценно и очевидно — это универсальность. Для электронного пучка нет никакой разницы, с каким материалем работать. Камень, металл, дерево, пластмасса — всё ему одинаково подвластно. Только в зависимости от материале и поставленной задачи надо «вылепить» пучок с определеннои геометрией и мощью.
Наконец, третье, в фундаменте новой технологии — чистота. Здесь исчезает даже само понятие отходов. Работа электронного пучка не просто чиста, она в буквальном смысле стерильна.
Рис. 6 Схема электронной пушки: 1 — катод; 2 — модулятор; 3 — первый анод; 4 — второй анод; 5 — траектории электронов. Электроны вылетают из катода и ускоряются электрическим полем.
При электронно – лучевой сварке энергию подводят очень короткими импульсами, что помогает экономно расходовать энергию. Пучок прогревает во время своего действия лишь узенький канал в металле. К примеру, при толщине свариваемых листов в 25 мм зона пргреваемого металла составляет всего 1,5 мм. При этом металл практически не теряет своих первоначальных свойств, а энергии на такую сварку идет в 20 раз меньше, чем на обычную, электродуговую. Электронно – лучевой сваркой можно сваривать любые металлы, камни, керамику, даже два куска металлической фольги; делать сварные швы длиной до ста метров! Например, электронно – лучевые установки, предназначенные для сварки несущих полостей самолетов, имеют весьма внушительные размеры: диаметр их вакуумных камер превышает 10 м. А для сварки корпусов ракет, деталей подводных кораблей, тепловыделяющих элементов атомных электростанций вакуумная камера имеет диаметр 13 м. В ней соединяют детали весом до 25 т.
4.6 Контактная электросварка
Это способ сварки, при котором для нагрева свариваемых деталей пользуется тепло, выделяемое в месте соприкосновения свариваемых частей изделия при прохождении через него электрического тока. Сварка производится с применением сжимающего усилия, под действием которого детали, нагретые в месте соединения до необходимой температуры, образуют жёсткое неразъемное соединение. Применение повышенных давлений осадки при контактной электросварке улучшает структуру свариваемого металла, благодаря чему прочность шва в большинстве случаев оказывается равной прочности основного металла. В процессе сварки изделие помещается между электродами машины, к которым прикладывается давление осадки. Ток большой силы при низком напряжении вторичной цепи подводится от сварочного трансформатора через электроды к изделию. Вследствие повышенного сопротивления участка сварочной цепи, заключённого между электродами, в месте соприкосновения свариваемого материала выделяется тепло, которое и используется для сварки. Количество выделенного тепла прямо пропорционально квадрату силы тока, активному сопротивлению свариваемого металла и времени сварки.
Контактная электросварка основана на «способе соединения металлов непосредственным действием электрического тока», предложенном выдающимся русским изобретателем Н. И. Бернардосом в 1882, бывает следующих основных видов: точечная, роликовая, стыковая. Контактная сварка широко применяется в автомобильной промышленности, самолётостроении, судостроении, транспортном машиностроении, строительстве, в ламповом производстве, при сварке труб, цепей, составного инструмента и ряда других металлических изделий. Широкое внедрение контактной электросварки объясняется высокой производительностью процесса, возможностью полной его автоматизации. Современные контактно-сварочные машины выпускаются с применением электронной аппаратуры управления, игнитронных прерывателей, пневматических и гидравлических механизмов, обеспечивающих автоматическое управление всем циклом работы машины и получение высокого и стабильного качества сварки. Многие металлы (сталь, никель и др.) могут свариваться на стандартных сварочных машинах при упрощённой технологии подготовки деталей и в широком диапазоне режимов сварки. Машины для контактной электросварки по их применению подразделяются на следующие основные виды: для сварки особо тонких изделий; для сварки чёрных металлов; для сварки цветных металлов и на машины индивидуального назначения.
Первый тип машин применяется в электроламповой промышленности для сварки нитей ламп, сеток, в приборостроении для приварки серебряных контактов т. п. Для сварки подобных изделий служат стандартные машины мощностью от 0,5 до 3 кВт и миниатюрные автоматы, снабжённые электронным управлением и импульсной подачей тока от источника акумулированной энергии. Второй тип машин широко применяется почти во всех отраслях промышленности. Машины третьего типа отличаются от предыдущих наличием специальных синхронных регуляторов времени и более точным контролем жима сварки. Большинство машин работает от системы аккумулированной энергии. К четвёртому типу машин относится специальное оборудование, большей частью пригодное только для сварки тех деталей, для которых оно изготовлено. Успешно применится трубосварочные машины, машины для сварки цепей, железнодорожных рельсов, многоточечные машины и другое аналогичное оборудование. Из всех видов контактной электросварки наиболее распространена точечная сварка. Большой ассортимент оборудования позволяет сваривать разнообразные детали из полосового материала, стальных листов и деталей сложного профиля. Точечные машины изготовляют мощностью от 0,5 кВт до 100 кВт и выше — стационарные, передвижные, подвесные (типа клещей), также многоточечные (многоэлектродные) агрегаты для одновременной сварки (за один цикл работы машины) более чем в 200 точках. Точечная сварка чёрных металлов небольших толщин (около 4 мм) может производиться асинхронным или синхронным включением и выключением, а сварка повышенных толщин (примерно до 15мм) — с пульсирующей подачей тока.
Для сварки цветных металлов применяются импульсные точечные машины.
На рис. 3 показана стандартная стационарная машина для точечной сварки. Подвесные машины (сварочные клещи) применяются преимущественно для сварки крупногабаритных деталей, которые невозможно или нерационально сваривать на стандартной точечной машине. Подвесные машины имеют широкое применение в автомобильной промышленности. Рельефная сварка находит применение преимущественно в массовом производстве, например для сварки металлических радиоламп, при изготовлении деталей автомобиля, сепараторов, шарикоподшипников и другого. Во время сварки ток проходит одновременно через все выступы, выштампованные на свариваемой детали. Выступы делаются круглой, овальной, кольцевой и других форм, в зависимости от характера свариваемых 
деталей. Конструкция и принцип работы стандартных машин для рельефной сварки и машин для точечной сварки аналогичны.
Роликовая сварка применяется, когда помимо прочности требуется также герметичность шва, например при сварке бензобаков, труб или сосудов, работающих под давлением. Конструктивное отличие роликовых машин от точечных заключается в замене электродов роликами. Ролики, имеющие принудительное вращение, одновременно осуществляют сжатие детали, подвод тока и перемещение детали. Наиболее распространена роликовая сварка с прерывистой подачей тока, т. е. периодическим чередованием импульсов тока с кратковременными паузами. Менее распространены сварки с непрерывной подачей тока и шаговая сварка. На рис. 4 показан общий вид стандартной роликовой машины для поперечной сварки. Прерывистая подача тока особенно необходима при сварке легированных сталей и легких сплавов для возможности получения стабильного провара и избежания перегрева поверхности свариваемых деталей. Прерывание тока в этом случае производится синхронным игнитронным прерывателем (ионным выключателем).
Существуют 4 основные разновидности стыковой контактной электросварки: сварка сопротивлением, сварка непрерывным оплавлением, сварка оплавлением с подогревом и импульсная сварка.
Рис.8. Машина для точечной сварки.
Стыковая сварка сопротивлением
Заготовки, установленные и закреплённые в стыковой машине, прижимают одну к другой усилием определённой величины, после чего по ним пропускают электрический ток. При нагревании металла в зоне сварки до пластического состояния происходит осадка. Ток выключают до окончания осадки. Данный способ сварки требует механической обработки и тщательной зачистки поверхностей торцов заготовок.
Неравномерность нагрева и окисление металла на торцах заготовок понижают качество сварки сопротивлением, что ограничивает область её применения. С увеличением сечения заготовок качество сварки снижается особенно заметно, главным образом из-за образования окислов в стыке.
Стыковая сварка непрерывным оплавлением
При осадке скорость сближения заготовок резко увеличивают, осуществляя при этом пластическую деформацию на заданный припуск. Переход от оплавления к осадке должен быть мгновенным, без малейшего перерыва. Осадку начинают при включённом токе и завершают при выключенном.
Стыковая сварка непрерывным оплавлением обеспечивает равномерный прогрев заготовок по сечению и позволяет получать стабильное качество стыков. Ее существенным преимуществом является также возможность сравнительно легко автоматизировать процесс.
Рельефная сварка
Кузнечная сварка
Первый в истории вид сварки. Соединение материалов осуществляется за счёт возникновения межатомных связей при пластическом деформировании инструментом (ковочным молотом). В настоящее время в промышленности практически не используется.
Сварка высокочастотными токами
Источником теплоты служит высокочастотный ток проходящий между свариваемыми изделиями. При последующем пластическом деформировании и остывании образуется сварное соединение.
4.7 Диффузионная сварка
Процессы очистки, пригонки поверхностей и диффузии идут довольно медленно, и требуется 5-20 мин, а иногда и более для завершения процесса сварки. Нагрев деталей обычно электрический, причем в разных случаях используется излучение нагревателей, иногда теплопередача от нагревателей через теплопроводность; возможен и индукционный нагрев.
Температура нагрева и ее контроль имеют большое значение, уже небольшое ее повышение значительно ускоряет диффузию; с другой стороны, нагрев может снижать качество металла. Способ отличается большой универсальностью в отношении свариваемых металлов: возможна сварка многих сочетаний разнородных металлов, а также металлов с металлокерамическими сплавами, металлов с керамикой, с графитом и так далее. Способ получил уже достаточно широкое применение для различных случаев, часто трудновыполнимых другими способами.
Сварка трением является разновидностью сварки давлением, при которой неразъемное соединение образуется в твердой фазе в результате совместной пластической деформации свариваемых металлов. От других видов сварки давлением она отличается только источником нагрева. Суть процесса сводится к тому, что поджатые усилием торцы двух свариваемых деталей приводятся в относительное движение. В результате работы сил трения в тонких приповерхностных слоях деталей генерируется тепло, количества которого достаточно для нагрева металла до пластического состояния. После прекращения относительного движения под действием приложенного усилия происходит образование сварного соединения при совместной пластической деформации приконтактных объемов металла. При классическом способе сварки трением круглый пруток (обычно длиной не более 1 м) приводится во вращение с постоянной скоростью от электропривода, а второй усилием нагрева поджимается к нему и перемещается вдоль оси (осадка нагрева), осуществляя пластическую деформацию нагреваемых объемов металла. В заданный момент, вращающийся пруток резко тормозится, а усилие поджима возрастает до величины проковки – происходит осевая деформация проковки.
Этот способ был изобретен ленинградским токарем Чудиковым. Уже первые эксперименты, проведённые сотрудниками института В.И. Виллем и Л.А. Штерниным, показали, что такие особенности процесса как малая энергоемкость, высокие КПД, производительность, качество соединений и относительная простота оборудования предопределяют несомненную рациональность промышленного применения сварки изделий трением, если одна из деталей является телом вращения. Всё это и послужило толчком к началу многолетних научно-исследовательских, опытно-конструкторских работ по этому процессу. Проведенные исследования позволили разработать технологические процессы сварки трением быстрорежущих, жаропрочных сталей и сплавов с поделочными сталями, алюминия с нержавеющей сталью, титаном, никелем и медью. Следует подчеркнуть, что только этот способ сварки позволяет получать равнопрочные и вакуумно-плотные соединения алюминия со сталью. Для тех случаев, когда не удается получить работоспособное соединение конкретных разнородных металлов, предложено осуществлять сварку трением через прослойку из третьего металла, хорошо соединяющегося с каждым из первых двух. В частности, соединение легированных алюминиевых сплавов успешно осуществляется со сталью через прослойку из технически чистого алюминия.
4.9 Холодная сварка
В последние годы, значительно возрос интерес к ремонтно-восстановительным технологиям в различных областях промышленности. Связано это с двумя основными причинами — необходимостью поддерживать оборудование в рабочем состоянии и относительной дешевизной этих работ по сравнению с закупкой новой техники. Наибольшее распространение для устранения дефектов герметичных объектов получили методы сварки и склеивания, как наиболее технологичные и универсальные.
Применение адгезивных материалов (клеев и герметиков), на основе которых выполняется так называемая «холодная сварка», осуществляется сравнительно недавно. Но наравне с традиционной сваркой «холодная сварка» уже завоевала свою нишу в ремонтно-восстановительных мероприятиях, где ей отдается предпочтение.
С помощью сварки надежно устраняются различные виды сквозных и несквозных дефектов, расположенных произвольным пространственным образом. Однако, этот метод наравне с несомненными преимуществами имеет свои ограничения, которые заставили искать новые пути восстановления герметичных объектов. Для решения многих сварочных ограничений были разработаны технологии, основанные на применении адгезивных материалов.
Атомарное взаимодействие может быть обеспечено в процессе кристаллизации металла, что требует термического воздействия на ремонтируемые объекты. Поэтому при традиционных способах восстановления деталей ремонтные службы вынуждены использовать громоздкое технологическое оборудование и обеспечивать его обслуживание высококвалифицированным персоналом. Для сближения атомов на расстояние проявления сил атомарного взаимодействия можно воспользоваться энергией взрыва, однако реализация технологии сварки взрывом наряду с громоздким оборудованием и высокой квалификацией исполнителя требует также соблюдения повышенных требований по технике безопасности выполнения ремонтно-восстановительных работ. Переход от атомарного взаимодействия к молекулярному позволяет исключить отмеченные недостатки традиционных способов сварки. Расходными материалами в данном процессе служат ремонтные композиционные материалы (Реком), которые состоят из полимерной матрицы и дискретного наполнителя. Связь между поверхностями Рекомметалл осуществляется за счет молекулярного взаимодействия полимерной матрицы композиционного материала с металлом ремонтируемой поверхности. Молекулярное взаимодействие не требует нагрева, вследствие чего процесс получил название холодная молекулярная сварка (ХМС).
Современные Реком являются наукоемкой продукцией. Для создания Реком с необходимым комплексом технологических и эксплутационных свойств творчески применяют последние достижения различных отраслей науки.
В формировании адгезионного контакта молекул полимера и металла участвуют самые разнообразные силы, что предопределяет заведомо более широкий спектр технологических возможностей управления адгезионной прочностью соединения полимер-металл по сравнению с металлической связью. Свойства Реком можно целенаправленно изменять путем модифицирования полимерной матрицы, вводя в ее структуру функциональные группы различного назначения. Соотношение упругих и пластических свойств Реком и уровень внутренних напряжений можно изменять за счет природы, дисперсности и содержания наполнителя. При создании Реком учитывается также специфика механического поведения полимеров и релаксационный характер развития деформаций. В процессе затвердевания смеси компонентов Реком, входящие в их состав молекулы, соединяются в макромолекулярные цепи, которые переплетаются с дисперсными частицами дискретного наполнителя, образуя сложную трехмерную структуру. Изменение механизма упрочнения от атомарного взаимодействия (для металлов) к молекулярному (для Реком) позволяет отказаться от термического и механического воздействия на ремонтируемую поверхность в процессе восстановления изношенных деталей. ХМС обеспечивает надежность ремонтного соединения и простоту технологии ремонтно-восстановительных работ. Сварной шов ХМС получают из пастообразной смеси компонентов ремонтного композиционного материала (Реком). Полимерная матрица обеспечивает адгезию Реком к ремонтируемой поверхности, т.е. является клеевой основой материала. Большинство Реком обладают хорошей адгезией практически ко всем металлическим и неметаллическим машиностроительным материалам конструкционного и функционального назначения. Наличие наполнителя придает Реком новые свойства, предопределяющие технологические преимущества ХМС как перед клеевыми, так и термическими (традиционные сварка, пайка, наплавка и др.) способами соединения деталей в ремонтно-восстановительных работах. Основные из них:
отсутствие нагрева исключает вероятность возникновения термических напряжений и деформирования восстановленной методом ХМС детали. При термических способах ремонта трудно избежать данного дефекта работ, устранение которого сопряжено с дополнительными трудностями.
технология ХМС не нарушает заданный термической обработкой уровень физико-механических свойств материала восстанавливаемой детали. Это исключает необходимость дополнительной термической обработки восстановленных деталей, обязательной после термических способов ремонта.
толщина сварного шва ХМС имеет оптимальное значение 0,5-1,0 мм в отличие от необходимого минимальнейшего расстояния между сопрягаемыми деталями в случае клеевого соединения. Это позволяет методом ХМС соединять детали без их геометрической подгонки, в т.ч. с криволинейными поверхностями сопряжения.
в отличие от клеев Реком позволяют заполнять выработку деталей машин и оборудования глубиной 10 и более мм.
Реком обладают комплексом объемных свойств, чего в принципе не могут иметь клеи, на уровне силуминов.
из Реком может быть изготовлена целиковая деталь методами литья, пластического деформирования на определенной стадии затвердевания композита или путем механической обработки затвердевшего композита.
Рис.9. Препараты серии «холодная сварка»