Многие люди не понаслышке знакомы со сваркой, однако далеко не все знают, что она позволяет надежно скреплять не только металлы, но и термопласты: в обоих случаях процесс основан на межатомном и межмолекулярном взаимодействии стыкуемых поверхностей, возникающем за счет нагрева и/или пластической деформации материалов. Между прочим, на сегодняшний день это самый распространенный и надежный способ неразъемного соединения деталей.
С физической точки зрения, сварка есть не что иное, как взаимное проникновение атомов и молекул двух соединяемых деталей под воздействием высокой температуры и/или пластической деформации. Химия процесса несколько сложнее: он может сопровождаться разнообразными реакциями окисления, восстановления и даже возникновением интерметаллических соединений. В любом случае данная технология позволяет прочно и достаточно надежно соединять металлы (в том числе разнородные), сплавы и термопластичные полимеры. Основные виды сварных соединений – встык, вскос (или косо-стыковое), внахлест, втавр (т. е. впритык) и в угол.
Виды сварки
Хорошо знакомая всем горновая, или кузнечная, сварка разогретого до пластичного состояния (1100–1300 °С) железа и его низколегированных сплавов основана на горячей пластической деформации. Вплоть до конца XIX века другой технологии просто не существовало, зато потом возникло множество методов сварного соединения деталей. Вот некоторые наиболее распространенные из них.
Холодная сварка. Благодаря пластической деформации сжатием или сдвигом она позволяет соединять разнородные металлы, например, алюминиевый провод с медным контактным наконечником. Метод именуется холодным, поскольку температура в рабочей зоне не достигает минимально необходимого уровня для рекристаллизации. Давление здесь может прикладываться статично (постоянно) или с высокой частотой (такой способ называется ультразвуковым). Для всех разновидностей холодной сварки критична высокая степень очистки соединяемых поверхностей, и по понятным причинам в условиях домашней мастерской подобная технология неприменима, она годится только для промышленного производства различного масштаба.
Для сварки пластиковых пленок, а также тонкой алюминиевой или медной фольги применяются ультразвуковые аппараты. Сварочной головкой в них является достаточно мощный магнитострикционный излучатель, преобразующий электрические колебания в механические (с частотой 20–40 кГц) и передающий их на крепко прижатые друг к другу поверхности свариваемых деталей через волновод или концентратор, усиливающийамплитуду (до 20–30 мкм). Высокочастотные механические колебания в сочетании с относительно небольшим статичным давлением вызывают в рабочей зоне поверхностный нагрев, выравнивание микронеровностей и разрушение оксидного слоя, что обеспечивает прочность соединения. Такие установки применяются, в частности, для запечатывания полиэтиленовых пакетов, подобное оборудование можно увидеть во многих магазинах.
Довольно экзотической разновидностью холодной сварки является разработанная полвека назад сварка направленным взрывом. Возникающая здесь ударная волна и кумулятивная струя создают волнообразное взаимопроникновение и сплавление плоских поверхностей разнородных металлов, чаще всего для получения биметаллических пластин и плакирования (например, стали алюминием).
Диффузионная сварка происходит за счет диффузии одного из свариваемых материалов в другой под воздействием относительно небольшого давления и незначительного нагрева (ниже температуры плавления). Обычно этот процесс происходит в вакуумной камере и продолжается от нескольких минут до часов. Такая технология позволяет работать с тугоплавкими металлами и сплавами, а также соблюдать очень жесткие допуски на линейные размеры. И она, разумеется, чисто промышленная.
Лазерная сварка – тоже технология совершенно не бытовая, но привычная для ювелиров и мастеров по ремонту пластиковых изделий, к примеру, оправ для очков. Мощность используемых лазеров относительно невелика, но концентрация энергии на очень малой площади позволяет добиться высокой скорости нагрева, локализовать его на небольшом пятне сварочной ванны и расплавить практически любой материал. Серьезным плюсом лазерной сварки является малая остаточная деформация соединяемых деталей.
Сварка сопротивлением, она же контактная – это один из основных способов соединения тонколистового металла. Чаще всего используется точечный метод, когда скрепляемые детали зажимаются между электродами, через которые подается мощный импульс тока. Под его воздействием металл в месте контакта быстро разогревается и начинает сплавляться, после чего ток отключается, а электроды на время кристаллизации материала в сварной точке сжимаются еще сильнее. Казалось бы, подобная технология годится только для промышленного производства, но такой вывод ошибочен: она вполне применима и в бытовых условиях. К слову, ручные сварочные клещи весят всего 14 кг, запросто справляются с листовой низкоуглеродистой сталью толщиной до 1,5 мм, а их цена при этом ниже, чем у иного сварочного трансформатора. На самом деле человечество разработало целый ряд технологий сварки, однако в условиях домашних, гаражных и прочих небольших мастерских широко используются всего две – газопламенная и электродуговая. Чаще всего применяются аппараты именно для электродуговой сварки, но об их семействе будет рассказано чуть ниже. А пока – несколько слов о газопламенной методике.
Газопламенная сварка
В данном случае тепловая энергия в зону плавления соединяемых материалов поступает от газового факела, возникающего при сжигании горючего газа (ацетилена, пропана, бутана, светильного газа, водорода, метилацетилен-алленовой фракции МАФ) либо паров горючей жидкости (керосина, бензина и спирта, при горении которых температура пламени достигает 1200 °С) в атмосфере кислорода. Изменяя соотношение компонентов, факелу можно придавать различные свойства – от окислительных до восстановительных (науглероживающих). Соединение деталей происходит за счет плавления проволоки, вводимой в зону разогрева, иногда туда же добавляется присадочный материал. Уже более века газовая сварка используется при работе со сталью толщиной до 5 мм, инструментальными и цветными металлами (включая твердую пайку), чугуном. Данная технология позволяет не только сваривать металл, но и резать его. Наиболее широкое распространение получила ацетилено-кислородная методика с ручной горелкой, дающей температуру факела около 3000 °С. Чаще всего газопламенный способ используется при сантехнических работах для соединения стальных труб небольшого диаметра, а также пайки цветных и черных металлов твердым припоем.
Аппарат для газовой сварки состоит из двух баллонов высокого давления с понижающими редукторами и подключенными к ним через обратный клапан (для защиты от обратного удара) длинными гибкими шлангами газовой горелки, на которой предусмотрены регуляторы подачи двух газов и сменные наконечники. Кстати, горелки бывают адаптированными под пропан или ацетилен, а также универсальными. Для резки металлов обычную горелку меняют на специализированную, называемую резаком.
Существуют и необычные агрегаты. Например, электролитический аппарат газовой резки и сварки заправляется не привычными ацетиленом и кислородом, а дистиллированной водой. Под действием электрического тока происходит ее электролиз, после чего образующаяся кислородно-водородная смесь сжигается в горелке – температура пламени достигает здесь 2600 °С.
С некоторой натяжкой к газопламенной можно отнести и термитную сварку. Она выполняется так называемым сварочным карандашом – это спрессованная в длинный тонкий цилиндр термитная смесь, при горении выделяющая кислород и поддерживающая температуру до 2700 °С в течение порядка 30 секунд. Такой способ позволяет быстро сварить сталь, чугун и цветные металлы толщиной до 6 мм (сварной материал для шва уже входит в состав термитной смеси) в полевых и прочих непростых условиях. Однако следует помнить, что горящий сварочный карандаш потушить невозможно, он должен выгореть до конца.
Электродуговая сварка
Электросварка основана на расплавлении кромок соединяемых деталей теплом от электрического дугового разряда, возникающего между одной из них и электродом (в ряде технологий – между двумя электродами). При ручной сварке (классический вариант) соприкосновение плавящегося электрода со свариваемой конструкцией замыкает цепь, и проходящийток быстро разогревает точку касания. Если в этот момент отвести кончик электрода на несколько миллиметров от детали, здесь образуется плазмообразный дуговой разряд, по которому в дальнейшем и протекает ток. Выделение значительного количества тепла в зоне дугового разряда плавит как электрод, так и материал соединяемых деталей, создавая сварочную ванну, куда добавляется жидкий металл стержня электрода.
Для получения качественного сварного шва в процессе работы его необходимо максимально изолировать от атмосферных газов, стабилизировать плазму, а иногда еще и подвести легирующие соединения или раскислители. Эти задачи возлагаются на обмазку электрода, представляющую собой флюс и содержащую все необходимые компоненты для решения конкретной задачи. Если обмазки или насыпного флюса недостаточно, применяется обдув сварочной зоны инертным газом – аргоном, азотом, гелием, углекислым газом или их комбинацией. При этом используется нерасплавляемый (например, вольфрамовый) электрод, а шов формируется присадочной проволокой или прутком. Газ подводится из баллона непосредственно в сварочную головку.
По способу предохранения сварной зоны от воздействия атмосферного воздуха сварка бывает:
- без защиты (электрод голый или с тонким стабилизирующим покрытием);
- со шлаковой защитой (электрод с толстым покрытием или под флюсом);
- со шлакогазовой защитой (электрод с толстым покрытием);
- с газовой защитой (в атмосфере защитных газов);
- с комбинированной защитой (в атмосфере защитных газов или под флюсом).
В первых электросварочных аппаратах электрод был угольным, и лишь в самом конце XIX века появился металлический плавящийся аналог, капли которого делали сварной шов прочнее. Чуть более полувека назад появилась технология, оберегающая сварной шов от окисления (сварка в атмосфере защитного газа): сперва с плавящимся, а затем и с неплавящимся электродом. Все эти методики основаны на зажигании и поддержании электрического дугового разряда, расплавляющего кромки соединяемых деталей и, в ряде случаев, присадочный пруток. Для создания дуги используется как переменный, так и постоянный ток силой от 10 до 250 А при напряжении холостого хода примерно от 45 до 70 В.
Полуавтоматы
Электродуговая сварка может быть ручной, полуавтоматической и автоматической. Сварочные автоматы используются только в промышленном производстве, а вот полуавтоматы вполне доступны даже для домашней мастерской. Разница между ручной и полуавтоматической сваркой заключается в том, что в первом случае плавящийся электрод с обмазкой зажимается в сварочных клещах или вилкообразном держателе, а во втором роль электрода играет подаваемая с катушки проволока, при этом флюс поступает в зону сварки отдельно. Впрочем, некоторые полуавтоматы могут работать в обоих перечисленных режимах (MMA и MIG/MAG соответственно). Дуга бывает зависимого (между электродом и основным металлом, входящим в сварочную цепь) или независимого (между двумя электродами) типа, а ее длина определяется силой протекающего тока. При ручной сварке (в том числе в атмосфере защитного газа) дуга открыта, т. е. хорошо видна оператору, зато при работе с флюсом она полностью скрыта под слоем расплавленной смеси присадок и шлака, значит, визуально контролировать процесс невозможно. Второй вариант в большей степени характерен для сварочных автоматов, используемых на производстве. Дуга может создаваться постоянным (имеет значение полярность), переменным (промышленной частоты), импульсным (с переменной скважностью) и знакопеременным (изменяемой частоты) током, нужный вид напряжения питания выбирается в соответствии с поставленными задачами. Постоянный ток дает более стабильную дугу и меньшее разбрызгивание металла из сварочной ванны, чем переменный. Впрочем, такой же стабильности можно добиться при переменном токе и пониженном напряжении: в некоторых современных аппаратах за это отвечает высокочастотный электронный блок. Дуга может питаться от сварочного трансформатора с выпрямителем (трансформаторный аппарат постоянного тока) либо инвертора. Регулировка выходного тока сварочных аппаратов бывает ступенчатой или плавной, причем чем выше его максимальная сила, тем шире возможности аппарата: можно использовать электроды (проволоку) большего диаметра, увеличивать производительность, варить более толстый металл.
Сегодня сварочные трансформаторы постепенно вытесняются с рынка появившимися относительно недавно инверторами, имеющими ряд неоспоримых преимуществ. Прежде всего, многие из них многофункциональны и совмещают возможности сварки покрытым электродом, вольфрамовым электродом в атмосфере защитного газа (TIG), а также плазменной резки. В целом ряде моделей имеются функции, всерьез облегчающие работу оператора. Однако старые добрые трансформаторы тоже нельзя окончательно списывать со счетов, т. к. у них есть три серьезных плюса – дешевизна, простота и надежность.
Еще недавно покупку сварочных полуавтоматов могли себе позволить лишь достаточно крупные предприятия, но сегодня подобная техника вполне доступна даже для личного пользования. В продаже имеются модели для работы со сварочной проволокой, покрытыми электродами, в среде защитных газов или под флюсом, питающиеся от трансформатора (как вариант – с выпрямителем) илиинвертора. Конечно, полуавтоматы дороже обычных сварочных аппаратов, зато они обладают более широкими возможностями и лучшей производительностью, позволяя получить шов высокого качества на тонколистовом железе, высоколегированной стали, чугуне и цветных металлах.
Самым удобным в эксплуатации считается инверторный полуавтомат, дающий стабильную дугу даже при пониженном напряжении. Кроме того, он компактен и легок, поддерживает функции вроде быстрого старта или импульсной сварки.
Однако аналогичное устройство на базе сварочного выпрямителя дешевле и одновременно оно не столь чувствительно к воздействию высоких и низких температур, пыли, загрязнениям.
При выборе сварочного полуавтомата следует рассматривать модели, дающие сварочный ток хотя бы на 50 А больше, чем тот, который необходим для решения предполагаемых задач. К примеру, при толщине свариваемых деталей до 10 мм желателен максимальный ток порядка 200 А, значит, лучше взять модель на 250 А. Важная оговорка: при работе от бытовой электросети нет смысла приобретать оборудование с током потребления более 16 А, сеть просто не выдержит такой нагрузки.
Муки выбора
Еще недавно выбор сварочного аппарата был прост и понятен: газовая горелка или сварочный трансформатор. Ну, или трансформатор с выпрямителем. Теперь же на рынке представлено множество вполне доступных моделей разнообразных типов и конструкций, каждая со своей специализацией и кругом решаемых задач. Есть над чем задуматься, стоя перед полкой в магазине! Но не все так сложно.
Для начала следует определиться с видами предстоящих сварочных работ и интенсивностью их выполнения. Не помешает и трезво оценить свою квалификацию, ведь сварка алюминия вольфрамовым электродом под аргоном и, к примеру, скрепление тонколистового металла аппаратом точечной сварки – это очень разные задачи, требующие определенных навыков. Опираясь на список потенциальных задач, можно переходить к выбору оборудования. Кстати, а с какими материалами предстоит работать? Уточним, что для сварки цветных металлов и нержавеющей стали необходим аппарат, позволяющий работать в атмосфере защитного газа (технологии TIG или MIG/MAG), в то время как для черных низколегированных металлов можно обойтись недорогим и вполне простым в использовании трансформатором или инвертором для дуговой сварки штучными электродами с покрытием (технология MMA).
В современных сварочных аппаратах имеются три очень полезные функции, к которым при выборе устройства следует присмотреться. Это Hot Start («горячий старт»), Arc Force («форсирование дуги») и Anti-Stick («антиприлипание» или «антизалип электрода»). Что же они дают потребителю? Пройдемся по всему списку:
- Hot Start обеспечивает хорошее зажигание дуги путем кратковременной подачи тока увеличенной силы.
- Arc Force стабилизирует горение короткой дуги и минимизирует вероятность залипания, поскольку в момент отрыва капли металла от электрода сила тока автоматически возрастает до оптимальной.
- Anti-Stick облегчает отделение приварившегося электрода от детали, при этом возникает короткое замыкание, вызывающее автоматическое снижение сварочного тока вплоть до нулевого значения. После разрыва цепи, когда электрод отведен от детали, сварочный аппарат автоматически возвращается в заданный рабочий режим. Чтобы не возникало неожиданностей с автоотключением аппарата из-за перегрева, рекомендуется выбирать модели хотя бы с 25-процентным запасом по номинальному напряжению холостого хода и максимальному сварочному току.
И еще один важный совет. Новичкам лучше начинать с инвертора, который не столь требователен к мастерству сварщика и позволяет получить качественный шов даже без набитой в этом деле руки. Кроме того, подобные аппараты не боятся колебаний сетевого напряжения в пределах 10% в обе стороны от номинального значения. Немаловажно и то, что все они намного компактнее и легче сварочных трансформаторов, сопоставимых по возможностям: средняя масса инвертора составляет 3–7 кг, а у сварочного трансформатора с аналогичными характеристиками она доходит до 20–30 кг. Наконец, функции Hot Start, Arc Force и Anti-Stick встречаются только у инверторов.
Вместе с тем у сварочных трансформаторов есть свои преимущества. Прежде всего это низкая стоимость, долговечность, простота конструкции и техобслуживания. Но, как всегда, любые плюсы уравновешиваются минусами (такой вот досадный баланс): в данном случае это нестабильность дуги переменного тока, разбрызгивание металла из сварочной ванны, чувствительность к перепадам сетевого напряжения, большая масса. Поэтому «трансформаторники» чаще всего покупаются опытными сварщиками для постоянного интенсивного использования в мастерской или небольшом цеху, реже – для эпизодических работ в гараже или по дому: здесь ключевым доводом «за» выступает цена оборудования.
Электроды
Качество сварного шва и удобство работы со сварочным аппаратом во многом зависят от правильного выбора электродов, которые различаются по толщине, типу тока (постоянный или переменный), полярности (для постоянного тока), материалу и составу покрытия. При этом важнейшая характеристика – тип покрытия, которое может быть стабилизирующим или защитным. Первое представляет собой тонкий слой специальных веществ, способствующих ионизации дуги (тонкопокрытые электроды), а второе является смесью компонентов, обеспечивающих изоляцию расплава от воздуха, стабилизацию дуги, легирование и рафинирование металла в сварочном шве (средне- и толстопокрытые электроды).
Для решения большинства повседневных задач годятся электроды с рутиловым (на основе минерала рутила с добавлением алюмосиликатов и карбонатов) или основным (фтористо-кальциевым) покрытием. Кроме них, встречаются кислотное (включает окиси железа, марганца и кремния) и целлюлозное (мука и подобные органические компоненты для создания газовой защиты) покрытия, они лучше подходят для более специфических задач. Рутиловые электроды не склонны к разбрызгиванию металла, не требуют повышенного напряжения холостого хода и, соответственно, могут использоваться для работы с менее мощными аппаратами, что делает их экономичнее. Основные электроды дают более качественный сварной шов, ими можно варить высокопрочные легированные стали. Однако аппарат здесь потребуется более мощный, т. е. с напряжением холостого хода порядка 70 В.
Для подавляющего большинства сварочных работ достаточно электродов диаметром от 1,5 до 4,0 мм, хотя вообще данный параметр колеблется от 0,5 до 6,0 мм при длине до 450 мм. Приходится с сожалением констатировать, что изделия российского производства, увы, неважные конкуренты зарубежным, но со своими задачами вполне справляются и при покупке обходятся заметно дешевле. Не так давно появились специальные электроды, предназначенные не для сварки, а для резки металла: они создают стабильную дугу и выделяют много тепла. С ними управится и неопытный сварщик, а в руках мастера скорость реза увеличивается почти вдвое. Для аргоно-дуговой сварки и плазменной резки используются неплавящиеся вольфрамовые электроды, хотя все еще встречаются угольные и графитные аналоги.
В сварочных полуавтоматах вместо электродов применяется намотанная на катушки сварочная проволока диаметром от 0,6 до 1,2 мм, обычно омедненная стальная с различной степенью легирования. Полуавтоматическая сварка ведется в среде защитного газа: для железа рекомендуется использовать углекислый газ (CO2), для алюминия – чистый аргон (Ar), а для стали – смесь углекислоты и аргона.
Средства защиты
Сварочные аппараты любой конструкции – источники повышенной опасности. При работе с ними необходимо воспользоваться средствами защиты глаз, лица, рук, органов дыхания, а еще не допускать воздействия высокой температуры, брызг расплавленного металла и электрического тока на человека.
При работе с аппаратом лазерной и газопламенной сварки обязательно надо защищать глаза очками со специальными стеклами, а при электродуговой никак не обойтись без щитка (или более удобной сварочной маски либо шлема) со встроенным стеклом высокой степени затемнения. В ряде моделей последних предусмотрен подвод воздуха, что необходимо при работе в агрессивной среде и при высоких температурах. Все современные маски и шлемы либо оборудованы защитными стеклопакетами переменного затемнения на основе жидких кристаллов, либо выполненных по технологии «хамелеон». Первые управляются простой электронной схемой на базе фотоэлемента и отличаются очень высокой скоростью изменения прозрачности, однако здесь необходим элемент питания (батарейка). Вторым она не нужна, но быстрота реакции на изменение освещенности намного ниже.
Следует избегать слишком тяжелых масок: они создают значительную нагрузку на шейный отдел позвоночника, что совсем не полезно для здоровья. Для эпизодических сварочных работ лучше выбрать универсальное средство защиты, нежели специализированное, рассчитанное только на один вид сварки. Репутация китайских, индийских и турецких масок и шлемов довольно противоречива, по возможности с ними лучше не связываться.
И напоследок – пара слов о спецодежде. Куртку и брюки сварщика обычно делают из брезента с накладками из спилка – эта ткань устойчива к прожиганию искрами и брызгами металла. Для защиты рук можно пользоваться традиционными брезентовыми рукавицами или перчатками из современных синтетических огнестойких материалов.
Текст: Иван Калашников
