Види зварювання металів: основні технології та сфери застосування
У промисловому машинобудуванні, будівництві та виготовленні металоконструкцій вироби практично завжди збирають з окремих заготовок і вузлів. Щоб отримати потрібні габарити, геометрію та працездатність, елементи необхідно надійно з’єднати встик і забезпечити передавання навантажень через зону з’єднання.
З’єднання металів і сплавів виконують роз’ємними та нероз’ємними методами. До роз’ємних відносять, наприклад, болтові вузли: зусилля затягування формує притиск деталей і забезпечує роботу стику за рахунок тертя та/або сприйняття навантажень кріпленням. Нероз’ємні з’єднання отримують зварюванням, паянням, клейовими складами та заклепками. Нижче розглянемо, які види зварювання застосовують у промисловості та як підібрати технологію під матеріал і завдання.
Зварювання: визначення та принцип формування з’єднання
Зварювання — це технологічний процес отримання нероз’ємного з’єднання однорідних або різнорідних матеріалів за рахунок локального впливу теплом та/або пластичною деформацією. Міцність забезпечується утворенням фізико-хімічних зв’язків на рівні частинок матеріалу в зоні контакту деталей.
Для металевих виробів використовують два базові підходи: зварювання в твердому стані та зварювання плавленням. У першому випадку кромки нагрівають до стану, за якого матеріал здатний до пластичної деформації, потім прикладають тиск і після формування контакту охолоджують. У другому випадку метал у зоні з’єднання розплавляють, формують зварювальну ванну і після кристалізації отримують монолітний шов.
Зварювання плавленням може виконуватися із застосуванням електродів і присадкових матеріалів або без них — залежно від процесу та вимог до шва. Для зварювання в твердому стані характерна спільна локальна деформація деталей під дією статичного зусилля, імпульсного впливу, вибуху тощо. Для низки пластичних металів застосовують і холодне зварювання тиском: з’єднання формується за кімнатної температури завдяки інтенсивній пластичній течії в зоні високого локального тиску.
Класифікація зварювальних процесів за фізичними ознаками
Класифікацію зварювання будують, виходячи з фізико-хімічної природи процесу формування з’єднання. У зоні зварювання відбуваються незворотні зміни, пов’язані з перенесенням/перетворенням речовини та з підведенням/перетворенням енергії. За фізичними ознаками виділяють такі класи процесів:
- Термічний клас (зварювання плавленням без тиску): з’єднання формується за рахунок розплавлення металу в зварювальній ванні.
- Термомеханічний клас (зварювання тиском з нагрівом): поєднуються локальний нагрів і обов’язкове механічне зусилля, що забезпечує контакт і деформацію.
- Механічний клас: з’єднання отримують у твердому стані без зовнішнього нагріву — за рахунок тертя, ударного впливу або пластичної деформації.
Термічні процеси, як правило, не потребують прикладання тиску, тоді як для термомеханічних і механічних методів тиск/осадка є ключовими. Зварювання також поділяють за технологічними, технічними та техніко-економічними ознаками. При цьому тип енергії (електрична, хімічна тощо) зазвичай розглядають як характеристику обладнання, а не як основний критерій опису процесу.
У практиці контролю та проєктування додатково класифікують параметри шва і кінцевого з’єднання. Наприклад, у нормативній документації поширений поділ зварних швів за такими ознаками:
- За призначенням — робочий або конструктивний шов;
- За конструкцією — кутовий або стиковий;
- За просторовим положенням — горизонтальний, вертикальний, стельовий тощо;
- За місцем виконання — заводський або монтажний;
- За формою — опуклий, увігнутий, нормальний;
- За кількістю шарів/проходів — одношаровий (однопрохідний) або багатошаровий (багатопрохідний);
- За протяжністю — суцільний або переривчастий.
Ключові методи зварювання металів і сплавів
Вибір процесу та його технологічні показники залежать від марки й товщини металу, потрібних характеристик міцності, а також від умов експлуатації виробу. Додатково враховують бюджет, виробничу програму (одиничне виготовлення чи серія) і доступність обладнання. Найпоширеніші технології зварювання сталі та інших металів зведено в таблицю.
Способи зварювання металів і сплавів — приклади та коротка суть процесів
| Найменування | Опис процесу |
|---|---|
| Термічні види зварювання металів (Т-процеси) | |
| Ручне дугове зварювання (ММА) | Електродугове зварювання вручну з використанням штучних електродів із захисним покриттям |
| Напівавтоматичне MIG/MAG зварювання | Електродугове з’єднання плавким електродом (дротом) у середовищі захисних газів: MIG – інертних (аргон, гелій), MAG – активних (CO₂) |
| Аргонодугове TIG зварювання | Процес зварювання неплавким вольфрамовим електродом у середовищі аргону, що забезпечує високу якість шва |
| Газове зварювання | Нагрів металу полум’ям від згоряння горючого газу (ацетилену, пропану) у суміші з киснем |
| Плазмове зварювання | Розплавлення спрямованим струменем іонізованого газу (плазми) |
| Лазерне зварювання | Точкове або шовне з’єднання висококонцентрованим променем лазера |
| Термомеханічні види зварювання (ТМ-процеси) | |
| Газопресове зварювання | Нагрів газовим полум’ям із подальшим механічним стисканням деталей до утворення моноліту |
| Контактне зварювання | Нагрів електричним струмом із подальшим пластичним деформуванням стисканням |
| Механічні види зварювання (М-процеси) | |
| Ультразвукове зварювання | З’єднання матеріалів високочастотними коливаннями |
| Зварювання тертям | Нагрів деталей здійснюється завдяки механічній роботі тертя їхніх поверхонь, після чого відбувається процес кування (осадки) |
| Зварювання вибухом | З’єднання плакованих шарів металу енергією детонації вибухових речовин |
| Холодне зварювання | Стикування пластичних металів (наприклад, алюмінію, міді) за кімнатної температури під дією значного локального тиску |
Як підібрати вид зварювання під матеріал, товщину та умови
Підбір технології зазвичай не викликає складнощів, якщо коректно зібрані вихідні вимоги та обмеження проєкту. На практиці критичні такі параметри:
- Хімічний склад і група зварюваності матеріалів майбутнього виробу (низьковуглецеві сталі, нержавіючі сплави, алюміній, титан тощо);
- Товщина та підготовка кромок елементів, що з’єднуються;
- Вимоги до шва (міцність, герметичність, зовнішній вигляд) та умови роботи конструкції (навантаження, температура, корозія, вібрації);
- Виробничі умови виконання робіт (цех/монтаж, доступ до стику, положення шва, наявність газу та електроживлення).
Для вуглецевих сталей у ремонтних і монтажних роботах часто обирають ММА як найуніверсальніший варіант із помірними вимогами до оснащення. Якщо пріоритет — висока продуктивність, повторюваність і акуратна геометрія шва, раціонально застосовувати напівавтоматичне MIG/MAG зварювання в захисних газах.
Для тонколистових виробів, нержавіючих сталей та алюмінієвих сплавів у більшості випадків переважним є TIG зварювання: воно забезпечує контрольований тепловклад і високу якість, але висуває підвищені вимоги до кваліфікації персоналу та підготовки поверхні. У серійному виробництві, де важливі швидкість і стабільність, широко використовують автоматизацію та роботизацію, зокрема лазерні комплекси.
Під час вибору також оцінюють сукупну вартість: ціну обладнання, витратних матеріалів, трудомісткість, вимоги до кваліфікації та доступність джерел живлення/газів. Грамотно обраний процес знижує ризик браку, підвищує ресурс з’єднання й допомагає утримувати собівартість у заданих межах.
Поширені запитання про зварювання
Що називають зварюванням металу?
Це спосіб отримання нероз’ємного з’єднання металевих деталей за рахунок локального розплавлення з подальшою кристалізацією або за рахунок спільної пластичної деформації у твердому стані.
У чому різниця між MIG/MAG і TIG?
Обидва процеси використовують дугу та захисний газ для захисту розплавленого металу від впливу повітря. Відмінність в електроді: у MIG/MAG застосовується плавкий дріт (одночасно електрод і присадка), а в TIG — неплавкий вольфрамовий електрод, за потреби з окремим присадковим дротом.
Яке зварювання підходить для тонкого металу?
Для тонколистових матеріалів найуніверсальніше TIG зварювання — воно дає змогу точно керувати тепловкладом і якісно працювати як зі сталями, так і з кольоровими металами. Імпульсні режими сучасних джерел знижують ризик перегріву та пропалювання. MIG/MAG також застосовують для тонких деталей із вуглецевої сталі за коректного налаштування режимів і підбору дроту/газу.
Як це впливає на якість металу?
Обраний вид зварювання безпосередньо визначає тепловклад, швидкість охолодження та структуру металу в зоні термічного впливу (ЗТВ). За помилок підбору режиму або технології можливі дефекти: непровар і несплавлення (недостатня міцність), пористість (волога, забруднення, неправильний газовий захист), гарячі й холодні тріщини (невідповідний тепловклад, жорсткість конструкції, водень), шлакові включення (порушення техніки та очищення), підрізи й пропалювання (надмірний струм/швидкість), а також деформації та залишкові напруження (нерівномірний нагрів).
З погляду ризиків для виробництва це проявляється зростанням браку, збільшенням витрат на виправлення, зниженням ресурсу виробу, а у відповідальних конструкціях — ризиком відмови в експлуатації. Для керованої якості важливо контролювати: відповідність присадки та захисних газів марці металу, підготовку кромок і чистоту поверхні, режими (струм/напруга, швидкість, тепловклад), міжшарову температуру, попередній і супровідний підігрів (за потреби), а також геометрію шва й фактичні дефекти за результатами неруйнівного контролю. У серійному виробництві додатково критична стабільність параметрів джерела, подавального механізму та газової системи, оскільки дрейф налаштувань швидко призводить до відхилень якості.
Лабораторний контроль металу
Щоб підтвердити відповідність металу та зварних з’єднань вимогам проєкту й стандартів, застосовують комплексний контроль. Хімічний аналіз допомагає перевірити марку та оцінити ризик утворення тріщин/зниження зварюваності (зокрема за критичними елементами та домішками). Механічні випробування (міцність, пластичність, ударна в’язкість тощо) дають змогу об’єктивно оцінити властивості основного металу, ЗТВ і шва. Ультразвуковий контроль використовують для виявлення внутрішніх дефектів (непровари, включення, несплошності) без руйнування виробу. За потреби фахівці допомагають підібрати технологію зварювання, витратні матеріали та режими, а також сформувати програму контролю під конкретну конструкцію й умови експлуатації.