- -
- 100%
- +
ГЛАВА 1. ВВЕДЕНИЕ В СВАРКУ И ПАЙКУ МЕТАЛЛОВ
Сварка и пайка являются фундаментальными технологическими процессами
современного промышленного производства. Без них невозможно представить
машиностроение, строительство, энергетику, транспорт, авиацию, космонавтику,
судостроение, нефтегазовую отрасль и множество других сфер человеческой
деятельности. Эти процессы позволяют создавать неразъёмные соединения деталей
и конструкций, обеспечивающие необходимую прочность, герметичность,
электропроводность и долговечность.
Под сваркой понимают процесс получения неразъёмных соединений посредством
установления межатомных связей между соединяемыми частями при их местном или
общем нагреве, пластическом деформировании либо при совместном действии того
и другого. Ключевым признаком сварки является то, что основной металл в зоне
соединения либо расплавляется, либо доводится до состояния высокой пластичности.
Пайка принципиально отличается от сварки. При пайке соединяемые детали
нагреваются до температуры ниже температуры плавления основного металла.
Соединение образуется за счёт введения расплавленного припоя — металла или
сплава, температура плавления которого ниже, чем у соединяемых материалов.
Припой смачивает поверхности, заполняет зазор под действием капиллярных сил
и после затвердевания образует прочное соединение.
История сварки насчитывает тысячелетия. Кузнечная сварка железа применялась
ещё в Древнем Египте и Месопотамии. В Средние века кузнецы достигали высокого
мастерства в соединении полос металла для изготовления клинков. Современная
эра сварки началась в конце XIX века. В 1882 году русский изобретатель Николай
Николаевич Бенардос запатентовал способ дуговой сварки угольным электродом
(«Электрогефест»). В 1888 году Николай Гаврилович Славянов предложил дуговую
сварку металлическим электродом. Эти изобретения заложили основу современной
электродуговой сварки.
Газовая сварка получила развитие после изобретения ацетиленового генератора
и появления надёжных способов получения кислорода. В начале XX века широкое
распространение получила ацетиленокислородная сварка. В 1930–1950-е годы были
разработаны сварка под флюсом, сварка в защитных газах, электрошлаковая сварка.
Вторая половина XX века принесла электронно-лучевую, лазерную, плазменную сварку,
сварку трением с перемешиванием. Пайка как технология известна ещё дольше —
ювелирные изделия с паяными швами находят в археологических раскопках возрастом
более 5000 лет.
В современной классификации существует более ста различных способов сварки
и десятки разновидностей пайки. Выбор конкретного метода определяется множеством
факторов: материалом и толщиной соединяемых деталей, требованиями к прочности
и качеству шва, условиями эксплуатации конструкции (температура, коррозионная
среда, динамические нагрузки), производительностью, доступностью оборудования,
квалификацией персонала и экономической целесообразностью.
Особое значение имеет понятие свариваемости металла. Свариваемость — это
комплексная технологическая характеристика, отражающая способность металла
образовывать качественные сварные соединения без образования трещин, пор,
шлаковых включений и без существенного ухудшения механических свойств в зоне
термического влияния. Свариваемость зависит от химического состава, структуры,
теплофизических свойств металла, а также от выбранного способа и режима сварки.
Чёрные металлы (стали и чугуны) и цветные металлы (алюминий, медь, титан,
магний, никель, цинк, свинец и их сплавы) существенно различаются по свойствам.
Высокая теплопроводность меди и алюминия требует применения мощных источников
нагрева. Тугоплавкие оксидные плёнки на алюминии и титане затрудняют сплавление.
Активность титана по отношению к газам атмосферы вынуждает вести сварку в
инертных газах высокой чистоты или в вакууме. Хрупкость чугуна и склонность
высокоуглеродистых сталей к закалке диктуют необходимость подогрева и
специальных сварочных материалов.
Практический пример. При изготовлении рамы грузового автомобиля из
низкоуглеродистой стали Ст3 применяют полуавтоматическую сварку в среде
углекислого газа (MAG) проволокой Св-08Г2С. Толщина металла 4–8 мм, ток
180–250 А, скорость сварки 20–40 м/ч. Такое соединение выдерживает
многолетнюю эксплуатацию при вибрационных нагрузках. Если ту же раму
изготовить из алюминиевого сплава АМг5, потребуется аргонодуговая сварка
неплавящимся электродом (TIG) или плавящимся (MIG) с соблюдением особых
требований к чистоте поверхностей и защите сварочной ванны.
Другой пример. В производстве теплообменников из меди применяют как
газовую сварку, так и пайку медно-фосфорными или серебряными припоями.
Пайка часто предпочтительнее, поскольку не вызывает сильного перегрева
тонкостенных труб и обеспечивает герметичность при меньших деформациях.
Ещё один пример из судостроения. При сборке корпуса судна из листовой
стали толщиной 12–20 мм применяют автоматическую сварку под флюсом для
длинных прямолинейных швов и полуавтоматическую MAG-сварку для коротких
и криволинейных участков. Корневые проходы часто выполняют аргонодуговой
сваркой для гарантии провара и плотности. Такой комбинированный подход
обеспечивает высокую производительность и качество, требуемое правилами
классификационных обществ.
В авиационной промышленности при изготовлении узлов из титановых сплавов
используют аргонодуговую сварку в камерах с контролируемой атмосферой или
электронно-лучевую сварку в вакууме. Любое нарушение газовой защиты приводит
к наводороживанию и резкому падению пластичности, что недопустимо для
летательных аппаратов.
Цель настоящего пособия — дать читателю системные знания о процессах
сварки и пайки чёрных и цветных металлов, научить выбирать рациональный
способ соединения, понимать причины возникновения дефектов и способы их
предупреждения, соблюдать требования безопасности. Материал изложен с
опорой на действующие стандарты (ГОСТ, ISO, AWS), практический опыт
производства и современные научные данные.
Книга построена по принципу «от общего к частному». Сначала рассмотрены
общие основы и классификация, затем подробно разобраны основные способы
сварки, после чего изложены особенности работы с конкретными группами
металлов и сплавов. Отдельные главы посвящены пайке, оборудованию, контролю
качества и технике безопасности. В заключительной главе показаны области
применения и перспективы развития технологий.
ГЛАВА 2. КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТАЛЛОВ: ЧЁРНЫЕ И ЦВЕТНЫЕ
2.1. Общие сведения о классификации
В технике металлы и сплавы принято делить на две большие группы: чёрные
и цветные. К чёрным металлам относят железо и все сплавы на его основе —
стали и чугуны. Все остальные металлы и сплавы называют цветными. Такое
деление исторически сложилось и имеет практический смысл, поскольку
технологии обработки, сварки и пайки этих групп существенно различаются.
Кроме того, металлы классифицируют по плотности (лёгкие и тяжёлые),
по температуре плавления (легкоплавкие и тугоплавкие), по химической
активности, по электропроводности и другим признакам. Для сварщика
наибольшее значение имеют теплофизические свойства (теплопроводность,
теплоёмкость, температура плавления), химическая активность по отношению
к кислороду, азоту и водороду, а также склонность к образованию горячих
и холодных трещин.
Знание классификации необходимо для правильного выбора сварочных
материалов, режимов, способов защиты и термической обработки. Ошибка
в определении группы металла часто приводит к появлению трещин, пор,
непроваров и преждевременному разрушению конструкции.
2.2. Чёрные металлы — стали
Сталь — это сплав железа с углеродом (как правило, до 2,14 %) и другими
элементами. По содержанию углерода стали делят на:
• низкоуглеродистые (до 0,25 % C) — отлично свариваются почти всеми способами;
• среднеуглеродистые (0,25–0,60 % C) — свариваемость удовлетворительная,
часто требуется подогрев;
• высокоуглеродистые (более 0,60 % C) — свариваемость ограниченная,
обязателен подогрев и последующая термообработка.
По химическому составу различают углеродистые и легированные стали.
Легирующие элементы (Cr, Ni, Mo, V, Ti, Nb, W, Cu, Mn, Si и др.) вводят
для повышения прочности, вязкости, коррозионной стойкости, жаропрочности,
износостойкости.
Конструкционные стали общего назначения (Ст3, Ст3сп, 20, 20кп) обладают
хорошей свариваемостью. Их широко применяют в строительстве, машиностроении,
судостроении. Низколегированные стали повышенной прочности (09Г2С, 10ХСНД,
15ХСНД, 16Г2АФ) также свариваются удовлетворительно, но требуют контроля
углеродного эквивалента и иногда подогрева.
Углеродный эквивалент (по Международному институту сварки) приближённо
рассчитывают по формуле:
Cэкв = C + Mn/6 + (Cr + Mo + V)/5 + (Ni + Cu)/15
Если Cэкв > 0,45 %, рекомендуется предварительный подогрев.
Высоколегированные стали делят на:
• коррозионностойкие (нержавеющие) — аустенитные (12Х18Н10Т, 08Х18Н10),
ферритные (08Х13, 12Х17), мартенситные (20Х13, 40Х13), дуплексные,
супердуплексные;
• жаропрочные и жаростойкие;
• износостойкие;
• инструментальные.
Аустенитные нержавеющие стали хорошо свариваются аргонодуговой сваркой,
но чувствительны к горячим трещинам и межкристаллитной коррозии. Ферритные
стали склонны к росту зерна и охрупчиванию. Мартенситные стали закаливаются
на воздухе и требуют подогрева и отпуска.
Практический пример расчёта. Сталь 15ХСНД: C=0,15 %, Si=0,5 %, Mn=0,6 %,
Cr=0,7 %, Ni=0,5 %, Cu=0,3 %.
Cэкв ≈ 0,15 + 0,6/6 + (0,7)/5 + (0,5+0,3)/15 ≈ 0,15 + 0,10 + 0,14 + 0,05 = 0,44.
При толщине до 20 мм подогрев обычно не требуется; при большей толщине
или жёсткой конструкции — подогрев 80–120 °C.
2.3. Чёрные металлы — чугуны
Чугун — сплав железа с углеродом (обычно 2,14–4,5 %) и другими элементами
(Si, Mn, S, P, а также легирующими). По форме графита и структуре различают:
• серый чугун — графит пластинчатый, хорошо обрабатывается резанием,
но хрупок;
• высокопрочный чугун с шаровидным графитом (ВЧ) — прочность и пластичность
выше;
• ковкий чугун — получают из белого чугуна длительным отжигом;
• белый чугун — углерод в виде цементита, очень твёрдый и хрупкий;
• специальные чугуны (антифрикционные, жаростойкие, коррозионностойкие).
Сварка чугуна представляет значительные трудности из-за высокой хрупкости,
склонности к образованию отбелённых зон (цементитных структур) при быстром
охлаждении и высоких внутренних напряжений. Тем не менее существуют
отработанные технологии горячей, полугорячей и холодной сварки чугуна,
которые широко применяются при ремонте.
Пример из практики ремонта. Трещина в корпусе насоса из серого чугуна.
Применяют холодную сварку электродами на никелевой основе (типа ОЗЧ-3 или
импортными Ni-Fe). Разделка трещины, сверление отверстий на концах, короткие
валики с проковкой, перерывы для охлаждения. После заварки — проверка
герметичности. Такой ремонт позволяет вернуть деталь в эксплуатацию без
замены дорогостоящего корпуса.
2.4. Цветные металлы — алюминий и его сплавы
Алюминий — лёгкий металл (плотность 2,7 г/см³), с высокой тепло- и
электропроводностью, хорошей коррозионной стойкостью благодаря плотной
оксидной плёнке. Температура плавления чистого алюминия 660 °C, однако
оксид Al₂O₃ плавится при температуре около 2050 °C. Именно тугоплавкая
оксидная плёнка является главной трудностью при сварке и пайке алюминия.
Алюминиевые сплавы делят на:
• деформируемые (не упрочняемые термообработкой — АД1, АМц, АМг;
упрочняемые — Д16, В95, АК6, АД31 и др.);
• литейные (АЛ2, АЛ4, АЛ9, АК12 и др.).
Сплавы системы Al-Mg (АМг2, АМг3, АМг5, АМг6) обладают хорошей
свариваемостью. Сплавы системы Al-Cu (дюралюмины) и Al-Zn-Mg (высокопрочные)
склонны к горячим трещинам и требуют особого подхода. Термически упрочняемые
сплавы в зоне термического влияния теряют прочность.
Важное замечание по обозначениям. В российской практике широко используют
обозначения типа АМг5, Д16, В95. В международной практике — AA 5052, AA 2024,
AA 7075 и т.д. При работе с импортными материалами необходимо пользоваться
таблицами соответствия и сертификатами.
2.5. Цветные металлы — медь и медные сплавы
Медь обладает исключительно высокой электро- и теплопроводностью (среди
конструкционных металлов уступает только серебру). Температура плавления
1083 °C. Высокая теплопроводность требует применения мощных источников
тепла и часто предварительного подогрева. Медь в жидком состоянии активно
растворяет кислород и водород, что приводит к пористости и «водородной
болезни».
Медные сплавы:
• латуни (Cu-Zn) — Л63, ЛС59-1, ЛО70-1 и др. При сварке цинк интенсивно
испаряется, образуя токсичные пары и поры;
• бронзы — оловянные, алюминиевые, кремнистые, бериллиевые, свинцовистые.
Алюминиевые бронзы имеют стойкую оксидную плёнку;
• медно-никелевые сплавы (мельхиор, нейзильбер) — хорошо свариваются;
• специальные сплавы (с хромом, цирконием, серебром) для электротехники.
2.6. Цветные металлы — титан, магний, никель и другие
Титан и титановые сплавы (ВТ1-0, ВТ5, ВТ6, ВТ14, ВТ20, ОТ4 и др.)
характеризуются высокой удельной прочностью и исключительной коррозионной
стойкостью. При нагреве выше 400–500 °C титан активно взаимодействует с
кислородом, азотом и водородом, образуя хрупкие твёрдые растворы и соединения.
Поэтому сварка титана возможна только при надёжной защите инертными газами
высокой чистоты или в вакууме.
Магний — самый лёгкий конструкционный металл (плотность 1,74 г/см³).
Сплавы МА2, МА5, МЛ5 и др. применяют в авиации и транспорте. Магний легко
воспламеняется, имеет низкую температуру плавления и тугоплавкую оксидную
плёнку. Сварка требует специальных мер пожарной безопасности.
Никель и никелевые сплавы (нихром, инконель, хастеллой, монель) обладают
высокой жаропрочностью и коррозионной стойкостью. Хорошо свариваются
большинством способов, но чувствительны к загрязнениям серой и свинцом,
которые вызывают горячие трещины.
К другим цветным металлам, с которыми приходится работать сварщику,
относятся цинк, свинец, олово, кадмий (в припоях), тугоплавкие металлы
(вольфрам, молибден, ниобий, тантал), благородные металлы (серебро, золото,
платина) в специальных применениях.
2.7. Практические рекомендации по идентификации металлов
На практике сварщику часто приходится определять материал детали.
Простейшие способы:
• Искра при обработке наждаком: низкоуглеродистая сталь даёт длинные
жёлтые искры с малым количеством звёздочек; высокоуглеродистая —
пучок коротких искр с большим числом звёздочек; чугун — красноватые
искры, обрывающиеся близко; нержавеющая аустенитная сталь — мало искр,
тонкие, светлые.
• Цвет излома, магнитные свойства (аустенитные стали и большинство цветных
металлов немагнитны).
• Химические капельные пробы, портативные анализаторы (рентгенофлуоресцентные,
оптико-эмиссионные).
Правильное определение материала — необходимое условие выбора технологии
сварки или пайки.
Пример из практики. При ремонте теплообменника из неизвестного
«нержавеющего» металла сварщик применил обычные электроды для углеродистой
стали. Шов покрылся трещинами. Анализ показал, что это была аустенитная
сталь 12Х18Н10Т. После замены электродов на ЦТ-15 и соблюдения режима
без подогрева соединение получилось качественным. Этот случай подчёркивает
важность правильной идентификации материала.
ГЛАВА 3. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССОВ СВАРКИ И ПАЙКИ
3.1. Природа образования сварного соединения
Для образования неразъёмного металлического соединения необходимо, чтобы
атомы соединяемых поверхностей сблизились на расстояние действия межатомных
сил (порядка 0,1–0,3 нм). В обычных условиях этому препятствуют шероховатость
поверхностей, оксидные и адсорбционные плёнки, загрязнения (масла, влага, пыль).
Чтобы преодолеть эти барьеры, применяют нагрев (увеличивает подвижность
атомов, растворяет или разрушает плёнки) и/или пластическое деформирование
(сближает поверхности, разрушает плёнки механически).
По характеру процессов сварку делят на сварку плавлением (металл переходит
в жидкое состояние, образуется сварочная ванна) и сварку давлением (в твёрдой
фазе за счёт пластической деформации). Существуют и комбинированные процессы.
На атомном уровне образование соединения можно рассматривать как процесс
возникновения металлической связи. Для этого атомы должны преодолеть
потенциальный барьер, связанный с отталкиванием электронных оболочек и
наличием поверхностных плёнок. Энергия активации поставляется либо теплом,
либо механической работой, либо тем и другим вместе.
3.2. Тепловые процессы при сварке
Источник сварочного нагрева характеризуется высокой концентрацией энергии.
Температура в столбе сварочной дуги достигает 5000–7000 °C, в плазменной
струе — 10 000–30 000 °C, в фокусе лазерного луча — ещё выше.
Температурное поле в свариваемом изделии зависит от мощности и концентрации
источника тепла, скорости перемещения источника, теплофизических свойств
металла (коэффициент теплопроводности λ, удельная теплоёмкость c, плотность ρ,
температура плавления), толщины и формы изделия, начальной температуры (подогрев).
Высокая теплопроводность меди и алюминия приводит к быстрому отводу тепла
от зоны сварки, поэтому для этих металлов требуются источники большей
мощности или предварительный подогрев. У титана и нержавеющих сталей
теплопроводность ниже, чем у углеродистой стали, поэтому зона термического
влияния получается более узкой при прочих равных условиях.
Погонная энергия сварки (тепловая энергия, вводимая на единицу длины шва)
является важнейшим параметром:
qп = (η · U · I) / v
где η — эффективный КПД источника, U — напряжение, I — ток, v — скорость
сварки. От погонной энергии зависят глубина проплавления, ширина шва,
структура и свойства металла шва и ЗТВ, величина деформаций и напряжений.
Типичные значения эффективного КПД: ручная дуговая сварка 0,7–0,8;
сварка под флюсом 0,8–0,95; TIG 0,6–0,7; лазерная сварка 0,3–0,5
(в зависимости от типа лазера и режима); электронно-лучевая — до 0,9 и выше.
3.3. Металлургические процессы в сварочной ванне
В сварочной ванне протекают сложные физико-химические процессы: взаимодействие
расплавленного металла с газами атмосферы или защитной среды (растворение O₂,
N₂, H₂, образование оксидов, нитридов, пор); взаимодействие с шлаком
(раскисление, легирование, рафинирование); испарение легколетучих элементов
(Zn, Mg, Mn и др.); кристаллизация в условиях направленного теплоотвода.
Раскисление металла шва — обязательная операция при сварке большинства
сталей. В качестве раскислителей используют Mn, Si, Ti, Al, V. Легирование
шва осуществляется через электродную проволоку, покрытие, флюс или порошковую
проволоку.
Водород является одной из главных причин появления пор и холодных трещин.
Источники водорода — влага в покрытии электродов, флюсе, на поверхности
кромок, масло, ржавчина. Поэтому электроды основного типа прокаливают,
кромки тщательно очищают, применяют низководородистые материалы.
Кристаллизация сварочной ванны начинается от границ сплавления. Растут
столбчатые кристаллы (дендроиты), ориентированные по направлению теплоотвода.
В центре шва часто формируется зона равноосных зёрен. При неблагоприятных
условиях (широкий интервал кристаллизации, примеси S, P, легкоплавкие
эвтектики) возникают горячие трещины.
Для оценки склонности к горячим трещинам используют технологические пробы
(проба на жёсткость, Houldcroft, MVT и др.) и расчётные критерии, учитывающие
состав и форму ванны.
3.4. Зона термического влияния
Зона термического влияния (ЗТВ) — участок основного металла, прилегающий
к шву, в котором под действием сварочного нагрева произошли структурные
и фазовые превращения, но металл не расплавлялся. В ЗТВ различают участки
неполного расплавления, перегрева (крупное зерно), нормализации (мелкое зерно),
неполной перекристаллизации, рекристаллизации, синеломкости.
Свойства металла в ЗТВ часто определяют работоспособность всего соединения.
У закаливающихся сталей в ЗТВ может образоваться хрупкий мартенсит.
У термически упрочнённых алюминиевых сплавов происходит разупрочнение.
У титана возможен рост зерна и наводороживание.
Ширина ЗТВ зависит от погонной энергии, теплофизических свойств металла
и толщины. При высококонцентрированных источниках (лазер, электронный луч)
ЗТВ минимальна.
3.5. Физико-химические основы пайки
При пайке основной металл не расплавляется. Расплавленный припой должен
смачивать поверхности соединяемых деталей, растекаться по ним и заполнять
капиллярный зазор, взаимодействовать с основным металлом (растворять его
в небольшой степени, образовывать твёрдые растворы или интерметаллиды) и
после кристаллизации образовывать прочное соединение.
Смачивание зависит от природы металлов, чистоты поверхности, наличия
оксидных плёнок, температуры, состава газовой среды. Флюсы удаляют оксиды,
снижают поверхностное натяжение припоя и защищают от повторного окисления.
Капиллярное давление определяется формулой Жюрена. Оптимальный зазор для
большинства припоев составляет 0,05–0,2 мм. Слишком малый зазор затрудняет
заполнение, слишком большой — снижает капиллярное давление и прочность.
На границе припой–основной металл могут образовываться интерметаллидные
соединения. В умеренном количестве они обеспечивают хорошую связь, в
избытке — приводят к хрупкости. Особенно это важно при пайке алюминия,
титана, разнородных металлов.
Диффузионные процессы при пайке (особенно при длительной выдержке в печи)
могут существенно изменять состав и свойства как шва, так и приграничных
зон основного металла.
3.6. Свариваемость и паяемость
Свариваемость оценивают по стойкости против образования горячих и холодных
трещин, склонности к образованию пор и шлаковых включений, изменению свойств
металла в ЗТВ, соответствию свойств металла шва требованиям.
Для количественной оценки используют технологические пробы, расчёт углеродного
эквивалента, диаграммы свариваемости.
Паяемость — способность материала образовывать качественные паяные
соединения. Она зависит от смачиваемости поверхности припоем, устойчивости
оксидных плёнок, склонности к образованию хрупких интерметаллидов,
совместимости коэффициентов термического расширения.
Практический совет. Перед внедрением новой технологии сварки или пайки
на ответственном изделии обязательно проводят квалификационные испытания:
сваривают образцы-свидетели, выполняют разрушающий и неразрушающий контроль,
механические испытания, металлографию. Только после положительных результатов
технологию допускают к производству.
ГЛАВА 4. КЛАССИФИКАЦИЯ СПОСОБОВ СВАРКИ
4.1. Основные системы классификации
Существует несколько взаимодополняющих систем классификации сварочных