Виды сварки: классификация технологий и обзор популярных методов

Сварочные работы применяются везде, где необходимо надежно соединить детали конструкции. Человек, далекий от строительных процессов, не подозревает, насколько разнообразны виды сварки, применяемые в промышленности, строительстве и ремонтных работах. Поэтому хочу провести небольшой ликбез и познакомить читателей с огромным и увлекательным миром сварочных технологий, накопленных человечеством к настоящему времени.

Что важно знать о сварке: история и принцип действия

Сварочные технологии в современном понимании начали оформляться в конце 19 века, когда ученые принялись разрабатывать методы соединения металлических деталей с помощью сварки постоянным током. В 1919 году была запатентована сварка с использованием переменного тока, после чего, как грибы после дождя, по всему миру стали строится высотные здания со стальным сварным каркасом.

Чуть позже сварочные работы стали использоваться в промышленности и многоэтажном строительстве; к этому времени появились новые виды сварки. Возведение частных домов мало чем отличается от строительства высоток: независимо от габаритов постройки технологические приемы будут одинаковыми. В частном доме сварке находится много применений, от изготовления каркаса для ленточного фундамента до монтажа коммуникаций (водопровод, канализация, отопление).

Сегодня существуют разнообразные виды сварки, с помощью которых соединяют не только металлы, но и другие материалы. Для многих это неожиданность, но сварочный процесс помогает скреплять стекло и керамику.

Технология приобрела широкую популярность благодаря прочности и надежности получаемых соединений. Я начну рассказ о том, что такое сварка, через определение ее особенностей, а именно:

• Сваркой называют процесс получения неразъемных соединений. 
  
• Соединение (сварной шов) получается очень надежным, так как между свариваемыми деталями устанавливаются крепкая связь на межатомном уровне. 
  
• Такая связь создается путем нагрева, пластического деформирования или комбинацией этих методов. Каждый метод включает несколько видов сварки. Нагрев может быть общим или локальным, в зависимости от условий и материала. 
  
• При сварке нередко используется защитный газ. Газовая среда нужна, чтобы уберечь зону плавления от проникновения вредных веществ из окружающей среды. 
  
• В процессе остывания зона нагрева кристаллизуется, с образованием на стыке сварочного шва.
  

Как классифицируют сварку: классы и виды

Сегодня существует более 150 способов создания сварочных соединений. Их классифицируют по-разному, ориентируясь на физические, технические и технологические признаки (в чем можно убедиться, если ознакомиться с нормами ГОСТ 19521-74).

В зависимости от того, какой критерий более важен, сварочные процессы делят на группы по материалу, способу защиты зоны плавления от кислорода, технологическим особенностям. Наиболее наглядной является классификация по виду используемой энергии (основной физический признак). В этом случае выделяют три класса сварочных процессов, и вопрос, какие виды сварки существуют, имеет следующий ответ:

• Термический класс. Плавление соединяемых материалов происходит под действием тепловой энергии. Источники энергии различаются, поэтому и сварка называется газовой, дуговой, лазерной (есть и другие источники). 
  
• Термомеханический. Материалы соединяются за счет комбинации тепловой энергии и давления (их нагревают и сжимают). Примером послужит контактная, кузнечная, диффузионная и другие разновидности.
  

• Механический. Образование соединения происходит под действием механической энергии давления. Различают сварку взрывом, холодную, ультразвуковую, другие.
  

Термический класс сварки

К этому классу относится большинство видов ручной сварки, применяемых в быту (источник теплоты – электрический ток). Процесс начинается с подведения энергии к кромкам соединяемых деталей. Кромки материалов нагреваются выше температуры плавления, образуется общая сварочная ванна – место, где металлы обеих кромок плавятся и сливаются.

Процесс обычно проходит с использованием электрода и присадочного материала (сварочной проволоки). Кроме электрической существует химическая сварка плавлением.

Дуговая сварка: №1 в частном секторе

Это один из старейших видов электросварки; нагревание и плавление проходит благодаря образованию дуги – сильнейшего разряда (протекания тока) в воздухе. Локальному плавлению подвергаются три предмета: кромки соединяемых деталей и электрод; по сути, металлические заготовки играют роль второго электрода.

Технология ручной дуговой сварки (ДС) заключается в кратковременном зажигании дуги, для чего электродом прикасаются к металлу, а затем отводят его на 2-5 мм. Чем меньше расстояние, тем короче получается дуга, тем выше ее температура. Качество результата (надежность шва) зависит от исполнителя: в процессе работы он должен тщательно перемешивать продукты плавки при помощи движений электрода.

ДС выполняют при помощи плавящихся и неплавящихся электродов, вид электрода выбирают в зависимости от металла. Чтобы шов получился качественным, в рабочую зону вводят присадочную проволоку. Кроме ручного метода, когда все манипуляции выполняются человеком, существует еще две разновидности ДС:

• Полуавтоматическая. Усовершенствованная технология электросварочных работ, когда электродная проволока подается в сварочную зону механическим способом, остальные операции выполняются сварщиком вручную.
  

• Автоматическая. Полностью механизированный процесс, когда все операции, включая перемещение дуги по линии сварки, выполняются без вмешательства человека. Сварка по алгоритму используется в машино- и мостостроении. Зону плавления защищают от контакта с воздухом при помощи флюса или среды инертного газа.
  

Ручная ДС наша широкое применение в быту благодаря серьезным преимуществам перед остальными методами. Она простая в освоении, малозатратная и практически универсальная, поскольку позволяет варить разные металлы. Важные плюсы – транспортабельность и возможность варки в любых пространственных положениях.

Газовая: №2 в быту

Даже человек, далекий от строительства, с ходу отличит этот вид сварки металлов: сварочное оборудование, которое возят с собой сварщики, обязательно включает газовые баллоны голубого, серого, черного и других цветов.

Физика процесса совпадает с ДС, но нагрев и плавление стыков происходит не за счет тепла электрода, а благодаря факелу горелки. Факел образуется при сгорании пропана, или другого горючего газа. Все процессы происходят медленнее, шов формируется плавлением присадочного материала.

Газовая сварка подходит для сваривания цветных металлов, тонкостенной стали или для выполнения наплавки; она популярна по следующим причинам:

• Простое оборудование, которое позволяет контролировать расход газовой смеси и пламя. Чтобы начать варить, нужны два баллона: с окислителем (кислород) и с тем газом, который будет гореть (бутан, метан, пропан). 
  
• Автономность метода, исполнитель не привязан к источнику энергии. 
  
• Идеально подходит для варки цветных металлов.
  

Минус использование газа заключается в том, что поверхности нагреваются медленно, так как тепло частично рассеивается в воздухе. Также сваривание газом требует высокой квалификации и знания техники безопасности, тогда как электросварка проще в освоении для начинающих.

Лучевые разновидности

Высокотехнологичные технологии обладают следующими особенностями:

• Пучок энергии передается к заготовке двумя способами: потоком электронов (источник – электронная пушка) или световым лучом лазера. 
  
• Материал получает достаточно энергии, чтобы быстро разогреться и достичь необходимой температуры плавления. При этом прилегающие участки материала практически не нагреваются; даже если он очень тонкий; деформация исключена. 
  
• С помощью лазерной сварки выполняются высокоточные швы, ведь диаметр луча можно уменьшать до микронных размеров.
  

Данные категории сварочных технологий нашли применение в радиоэлектронной отрасли, где приходится работать с микроэлементами, соединять и фиксировать их на основании. Если работа выполняется в труднодоступном месте, направление луча меняют при помощи призмы. Сваривание выполняют в вакууме (традиционный вариант, чтобы луч не рассеивался) или в инертной газовой среде.

Термитная

Среди различных способов сварки металлов термитная разновидность выделяется использованием для нагрева специального материала. Термит – это смесь металла и оксидов металла в виде порошка. Термитные смеси различаются составом; в зависимости от назначения в него может входить окисел железа или, например, меди.

Процесс сварки запускают дистанционно, для чего термит поджигают, используя бикфордов шнур, электрическую дугу или пиропатрон. Термит загорается, и его тепло плавит кромки деталей. Температура горения достигает 2700⁰C, что превышает точку плавления многих металлов. Расплавленный термит заливает участок сварки соединяемых деталей, и после кристаллизации образует крепкое соединение.

С помощью термита на основе алюминия соединяют стальные и чугунные заготовки, трубы и рельсы, заделывают трещины. Термит на основе магния подходит для стыковки жил кабелей, проводов на линиях электропередач, телефонных проводов.

Электрошлаковая сварка плавлением

Специфический сварочный процесс, разработанный для соединения стальных элементов, а также для переплавки стали из отходов (таким способом получают отливки). Метод обладает следующими особенностями:

• Главное преимущество – самая высокая производительность при соединении металлов значительной толщины – от 15 до 600 мм. Например, она применяется при изготовлении брони для танков и бронированных корпусов кораблей. 
  
• Процесс проходит в замкнутом объеме, который обеспечивают формующие устройства. Особенность процесса заключается в том, что варочная ванна располагается вертикально (можно выполнять только вертикальные швы). За один проход можно сварить детали практически любой толщины. 
  
• Чтобы получить шов, соединяемые детали устанавливают впритык, место стыка изолируют, засыпают флюс. Под флюсом разжигают дугу; флюс плавится и образует шлак, через который проходит электрический ток. 
  
• Формующие устройства постепенно передвигаются вдоль кромок. Расплав образуется в варочной ванне, благодаря чему получающийся шов обладает высоким качеством.
  

Термомеханический класс сварки

Эта технология включает комбинированные способы соединения деталей. Как правило, она используется для стыковки небольших частей, если другие способы не подходят. В число основных термомеханических методов входит кузнечный, контактный, диффузионный процесс. В каждом из них на металл воздействуют высокой температурой в сочетании с механическими усилиями.

Кузнечная

Сварка ковкой (давлением) – способ, которым кузнецы пользуются тысячелетиями. С ее помощью получают прочное неразъемное соединение; технология заключается в нагревании деталей в горне и последующей обработке. Дальнейшая обработка может выполняться двумя способами:

• Вручную. Детали складывают в нужное положение и скрепляют ударами молота. 
  
• Механизированный вариант. Детали сдавливают прессом (прессовая сварка).
  

У кузнечной сварки имеются следующие ограничения:

• Низкая производительность и зависимость качества соединения от опыта исполнителя. 
  
• Для сваривания ковкой подходят только металлы с хорошей пластичностью.
  

О кузнечной сварке в следующем видео:

Контактная

Контактная сварка – это процесс, который нашел широкое применение в машиностроении. Связано это с тем, что контактную технологию получилось автоматизировать, и теперь она включена в состав роботизированных линий на большинстве машиностроительных предприятий.

Неразъемное сварное соединение образуется благодаря комбинированному воздействию нагрева металла и сжимающего усилия, вызывающего пластическую деформацию места стыковки. Для нагревания металла используют ток, а сама технология, в зависимости от решаемых задач, делится на следующие подвиды:

• Точечная. Применяется, если нужно соединить самые тонкие детали. Соединение выполняется в одной или одновременно в нескольких точках. 
  
• Рельефная. Разновидность точечной технологии. Заготовки соединяются на рельефах (выступах), причем выступы могут быть естественными или подготовленными (нанесенными).
  

• Стыковая. Свариванию подвергается вся площадь соприкосновения. 
  
• Шовная. Используется при соединении заготовок внахлест (при помощи роликовых электродов).
  

О распространенных видах сварки в следующем видео:

Диффузионная

В число современных видов сварки входит диффузионная технология. Метод стал возможным благодаря явлению диффузии – взаимного проникновения атомов плотно прижатых материалов. Технология используется при следующих условиях:

• Сварка проводится в защитной среде инертных газов или в вакуумной камере. 
  
• Поверхность деталей отшлифовывают, обезжиривают, а затем нагревают до 0,5 – 0,7 от температуры расплавления данного металла (это увеличивают скорость диффузии). 
  
• Заготовки прижимают друг к другу с давлением 1-4 кгс/мм². Это позволяет разрушить и удалить загрязнения поверхности и образовавшиеся на ней окисные пленки. 
  
• Через некоторое время формируется структура сварного соединения. Диффузионным способом сваривают детали самых разных толщин, от долей микрометра до нескольких метров.
  

О термитной сварке ж/д рельс в следующем видео:

Механический класс сварки

Детали можно сваривать за счет механической энергии, выделяемой в разнообразных физических процессах, от трения и взрыва до ультразвука. К механическим относятся следующие процессы:

• Сварка взрывом. Энергия взрыва обеспечивает сближение атомов заготовок на расстояние, на котором начинают действовать межатомные силы. Одна деталь закрепляется стационарно, другая ударяется об нее под действием ударной волны, образуя соединение. Так как процесс очень короткий, диффузия затрагивает только поверхностные слои. Способ подходит для получения биметаллов.
  

• Ультразвуком. К сравнительно новым видам сварки металла относится использование энергии ультразвуковых колебаний. Ее преобразуют в механические колебания и комбинируют с небольшим давлением. Технология полезна не только в производстве микросхем, но и там, где нужно соединять металлы с неметаллами (так сваривают стекло и керамику с металлической фольгой или пластмассой). 
  
• Холодная. Заготовки прижимают пуансоном (подвижная деталь пресса), что приводит к образованию пластической деформации и формированию соединения. Давление может быть статичным или вибрационным, простым или со сдвигом. Для создания шва используют ролики, для точечной сварки – стержни. Холодная технология подходит для металлов с низкой температурой плавления (алюминий, цинк, медь, серебро).
  

Об электрошлаковой сварке в следующем видео:

Коротко о главном

Огромное количество технических и строительных задач невозможно выполнить без применения сварки. Неудивительно, что сварочное дело усовершенствовалось и разделилось на множество отдельных технологий, для которых используются разнообразные инструменты и приспособления. Методы сварки не стоят на месте; их постоянно меняют, дорабатывают и улучшают. За изменениями полезно следить и профессиональным сварщикам, и домашним мастерам; многое может пригодиться на практике.