Сварка, резка, пайка металлов

Сварка и пайка металлов предназначаются для получения неразъемных соединений заготовок.

Простейший способ сварки (ручная дуговая) основан на использовании электрической дуги. К одному полюсу источника тока гибким проводом присоединяется держатель, к другому – свариваемое изделие. В держатель вставляется металлический электрод. При коротком прикосновении электрода к изделию зажигается дуга, которая плавит основной металл и стержень электрода, образуя сварочную ванну, дающую при затвердении сварочный шов.

При дуговой сварке кислород и азот воздуха активно взаимодействуют с расплавленным металлом, образуя оксиды и нитриды, снижающие прочность сварного шва. Существуют внутренние и внешние способы защиты места сварки: введение различных веществ в материал электрода и электродного покрытия (внутренняя защита); введение в зону сварки инертных газов, покрытие места сварки сварочными флюсами (внешняя защита).

Наибольшее значение имеет электродуговая сварка без внешней защиты покрытыми плавящимися электродами. Обмазки электродов бывают стабилизирующими, защитными и легирующими. Стабилизирующие обмазки способствуют устойчивому горению дуги (в состав обмазки входит мел, из которого в плазме дуги выделяется кальций, способствующий устойчивому горению дуги). Состав защитных обмазок подбирается так, чтобы вокруг электрода создавалась газовая среда, защищающая металл от окисления и растворения в нем газов. По мере плавления электродов обмазка шлакуется, и шлак, покрывая шов, защищает его от окисления и насыщения азотом.
Таким образом, в состав обмазок входят ионизирующие (мел), газообразующие (мука), шлакообразующие (полевой шпат) вещества и легирующие
компоненты.

Дуговая сварка в среде защитных газов (диоксида углерода, аргона, гелия) обеспечивает лучшую, чем при сварке покрытыми электродами, защиту шва от воздействия кислорода и азота воздуха, лучшее использование тепла дуги.

Автоматическая сварка под слоем флюса, защищающего наплавляемый металл от воздуха, в 5-10 раз производительнее ручной сварки.

Пайка, как и сварка, предназначена для получения неразъемных соединений заготовок. Особенность пайки состоит в применении припоя, имеющего температуру плавления ниже температуры плавления припаиваемых частей. Части заготовки соединяются вследствие смачивания, взаимного растворения и диффузии припоя и основного материала в зоне шва. Для защиты припаиваемых поверхностей от окисления служат флюсы. Припои для низкотемпературной пайки (до 400 ^оС) ‑ олово, свинец, сурьма, цинк, сплав олова и свинца, сплав олова, свинца, висмута и кадмия; для высокотемпературной (выше 400 ^оС) ‑ медь (Т _пл.=1083 ^оС), серебро (Т _пл.=635-870 ^оС). В зависимости от спаиваемых поверхностей применяют различные флюсы, температура плавления флюса ниже температуры плавления припоя:

для пайки стали, меди, никеля используются пасты на основе вазелина, содержащие 10-15 % хлористого цинка или хлористого аммония;

для высокотемпературной пайки стали, чугуна требуются флюсы, содержащие химически активные вещества для удаления оксидов и защиты зоны шва при температурах пайки ‑ флюсы, содержащие буру Na₂B₄O₇, борную кислоту H₃BO₃, фтористый кальций или калий и др. соли.

Резка технологически отлична от сварки и противоположна ей по смыслу; но оборудование, материалы, приемы выполнения операций близки к применяемой сварочной технике. Под термической или огневой резкой подразумевают процессы, при которых металл в зоне резки нагревается до высокой температуры и самопроизвольно вытекает или удаляется в виде размягченных шлаков и оксидов. Наиболее важный и практически распространенный способ – кислородная резка, основанная на способности железа сгорать в кислороде. Дуговая резка производится угольным или металлическим электродом, резка осуществляется за счет плавления, а не выжигания металла. Плазменная резка ‑ наиболее производительный вид термической резки, при котором носителем тепловой энергии являются потоки ионов, а также потоки нейтральных молекул и атомов, образующихся при пропускании аргона, азота, аммиака, воздуха через дуговой разряд в плазменных горелках, называемых плазмотронами. Плазменная струя имеет температуру 5 000 - 30 000 ^оС.

На участках сварки и резки металлов состав и масса выделяющихся вредных веществ зависят от вида и режимов технологического процесса, свойств применяемых сварочных и свариваемых материалов. Наибольшие выделения вредных веществ характерны для процесса ручной электродуговой сварки покрытыми электродами. При расходе 1 кг электродов в процессе ручной дуговой сварки образуется до 40 г пыли, 2 г фтористого водорода,
1, 5 г оксидов углерода и азота, в процессе сварки чугунов ‑ до 45 г пыли и
1, 9 г фтористого водорода.

При полуавтоматической и автоматической сварке (в защитной среде
и без нее) общая масса выделяемых вредных веществ меньше в 1, 5-2, 0 раза,
а при сварке под флюсом ‑ в 4-6 раз.

Сварочная пыль на 99 % состоит из частиц размером от 10^-3 до 1 мкм. Химический состав выделяющихся при сварке загрязняющих веществ зависит в основном от состава сварочных материалов (проволоки, покрытий, флюсов) и в меньшей степени от состава свариваемых металлов. Сварочный аэрозоль включает соединения марганца, оксиды хрома, оксид кремния,
фториды и др.

В вентиляционный воздух на участках пайки выделяются токсичные газы (оксид углерода, фтористый водород), аэрозоли (свинец и его соединения), продукты сгорания изоляции проводов (оксиды углерода) и других веществ на поверхности соединяемых деталей (при обжиге фторопластовой изоляции выделяется на 1 г изоляции 3 мг фтористого водорода).

Газовая и плазменная резка металлов сопровождаются выделением пыли и вредных газов. Пыль представляет собой конденсат оксидов металлов, размер частиц которого не превышает 2 мкм. Химический состав определяется в основном маркой разрезаемого материала. При резке обычно выделяются токсичные соединения хрома, никеля, марганеца, оксиды углерода
и азота, а при плазменной резке образуется еще и озон.

Следует отметить, что в сварочных, монтажных, сборочных цехах сточные воды содержат механические примеси, маслопродукты, кислоты в значительно меньших концентрациях, чем в ранее рассмотренных цехах.