МЕЖДУНАРОДНЫЙ ИНЖЕНЕР-СВАРЩИК

Общие представления о сварке. Физическая сущность сварки

Сваркой принято называть неразъёмное соединение деталей, получаемое путём вве­дения и термодинамически необратимого превращения вещества и энергии в месте соеди­нения. при этом получаемое соединение - монолит, т. е. в нём отсутствуют поверхности раз­дела. Для получения такого соединения необходимо любым способом активизировать (то есть предоставить энергию) поверхностные атомы, или молекулы соединяемых поверхно­стей до вепичины, достаточной для возникновения между ними сил атомного или молеку­лярного взаимодействия.

Всякое конденсированное тело (твердое, или жидкое) является системой атомов, или молекул, связанных между собой соответствующими силами (межатомными или меж- молекулярными). Эти силы есть результат взаимодействия электронных оболочек атомов или молекул, которые составляют конденсированное тело.

Для всех атомов, кроме поверхностных, силы взаимодействия с другими атомами обоюдно уравновешены.

Поверхностные атомы не находятся в равновесии. Они могут вступать в взаимодейст­вие с другими атомами (адсорбция, смачивание).

Для получения неразъемного соединения необходимо взаимодействие между поверх­ностными атомами. Для металлов: каждый поверхностный атом втягивается внутрь (потен­циальная яма), для взаимодействия его нужно освободить из ямы, раскачать

Для возникновения взаимодействия между атомами нужно преодолеть энергетический барьер.

В реальных условиях соединение осложняется двумя факторами: Неровность поверхностей (макронеровность или микронеровность).

- Загрязнение поверхностей (адсорбция, окислы и тому подобное),

Для жидкостей соединение атомов, или молекул легко достигается за счет подвижно­сти частиц и смачивания.

Трудности соединения твердых тел преодолеваются специальными приемами:

1. Жидкость на поверхностях тел:

1.1. Дополнительная жидкость (пайка, литейная сварка, склеивание)

1.2. Расплавление поверхностей и взаимодействие двух жидкостей с после­дующим затвердеванием зоны взаимодейст­вия (сварка плавлением).

2. Активация поверхностных атомов без расплавления (сварка давлением, сварка трением):

2.1. Нагрев соединяющихся деталей.

2.2. Сдавливание поверхностей (осадка)

Нагревание - ослабляет связи между атомами делает атомы более подвижными, на­деляет материал пластичностью.

Осадка — создает пластические деформации, вызывает течение материала вдоль по­верхностей разрушает и выдавливает поверхностные оксиды и другие загрязнения. Нагрев и осадка дополняют друг друга.

Чем больше нагреваем, тем меньшая необходима осадка и наоборот.

В процессы формирования неразъёмного соединения могут быть включены, в отдель­ных случаях, явления обоюдной диффузии., но в любом случае необходим нагрев и осадка. Дерево, графит - невозможно сваривать - нет стадии плавления и разрушаются ранее,

взаимодействия. Такие материалы соединяют склеиванием, пайкой.

Классифицировать способы и виды сварки можно по разнообразным критериям:

- Плавлением - давлением;

- Холодная - горячая;

- Дуговая - лучевая Ручная - механизированная и т. д.

Например, хорошую классификацию можно дать по виду энергии, которая применяется для активации поверхностных атомов:

Источники сварочного нагрева.

В большинстве случаев сварка выполняется с местным нагревом изделия до темпера­туры. которая необходима для соединения и зависит от свойств свариваемого материала и вида (способа) сварки.

При сварке плавлением температура местного нагрева Тм > Тпл

При сварке давлением Тми„ < Т„ < TM

Тми„ - наименьшая температура, при которой возможны пластические деформации и диффузия.

Для эффективного использования тепла необходимо, чтобы свариваемый материал только в минимально необходимой мере (объеме) доводился до нужной для сварки темпе­ратуры. (Чтобы сварить детали, можно их и полностью расплавить: нагреть до Т™).

Для сварочного нагрева испопьзуют преобразование разных видов энергии в тепловую

(электрическую, механическую, химическую и т. п., и их комбинации). Согласно термоди­намическим представлениям (Карно) пере­ход и преобразование энергии сопровожда­ется неизбежными потерями (энтропия). Теплота источника сварочного нагрева используется тем полнее (тем эффективнее), чем меньше температура нагрева металла и чем больше температура самого источника тепа.

Необходимо, кроме того, компенсировать тепло, которое отводится в массу основного металла.

Чем больше интенсивность ввода теппа тем меньшие потери и высший КПД.

Понятие интенсивности ввода тепла характеризуют такие величины:

Концентрация энергии Дж/см2 - по площади; Дж/сек - по времени Мощности:

Дж/см3/сек, (Вт/см3) - на единицу объема;

Дж/см2/сек, (Вт/см2) - на единицу площади - для основных видов сварки;

Дж/см/сек (Вт/см) - на единицу длины (погонная энергия).

Примерная мощность тепловых источников для разных видов сварки: Элекгрошлаковая сварка = 250 кВт;

Электродуговая «150 кВт;

Газовая *10 кВт;

Электронно-лучевая « 1... 50 кВт. Важная характеристика источников тепла - технологическая гибкость: охват источни­ком тепла широкого диапазона возможных концентраций мощности при высоком значении коэффициента полезного действия (КПД).

При этом нужно стремиться использовать минимум энергии и минимально возможную ее часть вводить в основной металл (структурные изменения, деформации, напряжения).

Например, можно соединить между собой с такими энергетическими затратами:

два стальных стержня 0 20 мм:

- Ванно-шлаковой сваркой (литейной) * 1800 Дж/мм2

- Контактной сваркой * 400 Дж/мм2

- Холодной сваркой (трением) * 130 Дж/мм. Пластины из алюминия 8 = 5 мм

- аргоно-дуговой сваркой * 300 Дж/мм2

- контактной сваркой * 200 Дж/мм2

- холодной сваркой (давлением) * 30 Дж/мм2

При этом нужно учитывать и общие расходы энергии (вакуум для ЭЛС. КПД лазера 0.1 % и проч.).