ОСНОВЫ СВАРКИ СУДОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ

МЕХАНИЗМ ОБРАЗОВАНИЯ СВАРОЧНОГО СОЕДИНЕНИЯ

Металлы характеризуются кристаллической решеткой, в кото­рой атомы (ионы) занимают свои строго фиксированные места с определенным параметром решетки (который определяет систему геометрического взаимоположения частиц). Для большинства ме­таллов параметр кристаллической решетки составляет (3...5) К) н см. Это расстояние обычно представляет среднее расстояние между

частицами, которые колеблются около своего среднего положения. Размах этих колебаний зависит от температуры тела - с повышени­ем температуры размах колебаний увеличивается. При этом увели­чиваются параметры решетки, что в целом приводит к ослаблению взаимосвязи между частицами.

Наличие строгого порядка расположения узлов кристаллической решетки и их взаимодействие с полем подвижных обобществленных электронов определяют свойства твердого тела. Реальные металлы являются материалами поликристаллическими, состоящими из мно­жества отдельных кристаллов, связанных в общее монолитное целое. Физические свойства таких тел (металлов), в частности его проч­ность, зависят от соотношения свойств зерен и межзеренных границ, величины исходного зерна металла.

Если рассматривать частицы, находящиеся на поверхности тела, то их взаимосвязи не взаимоуравновешены, как в его глубине, а имеют свободные связи и при определенных условиях могут присоединять к себе другие атомы (или молекулы), например адсорбировать на повер­хности различные газы или вступать во взаимодействие с такими же поверхностными атомами другого твердого тела или газа.

Для установления такой связи между двумя металлическими те­лами необходимо их сблизить на расстояние, сопоставимое с пара­метром кристаллической решетки (3...5) 10 * см. Это можно осуще­ствить двумя путями. Первый обеспечивает установление связи между двумя поверхностями двух одинаковых по составу металлов, когда они находятся в твердом состоянии (сварка давлением). Са­мые современные способы обработки металлических поверхностей (даже такие как хонингование) не обеспечивают сближение двух ча­стей на расстояние <510 * см. Этого недостаточно для сближения, позволяющего установить надежные межчастичные связи. Такие свя­зи устанавливаются лишь в отдельных, весьма немногочисленных точках соприкасающихся поверхностей. Наличие на поверхности адсорбированных газов, окисных пленок и других загрязнений также мешает установлению связей.

При сварке давлением необходимая степень сближения соединя­емых частей происходит за счет пластической деформации в районе контакта (рис. 1.3). При сближении, таким образом, двух металли­ческих частей необходимо преодоление энергетического барьера по­тенциальной энергии системы атомов поверхностного слоя, и только после этого может произойти сближение на расстояние, равное пара­метру кристаллической решетки, возникновение условий для взаи­модействия электронных полей. Так образуется неразъемное соеди­
нение. Если процесс образования соединения сопровождается диф­фузией частиц через образовавшуюся ерошенную поверхность про­растанием через нее зерен и их перестройкой, то свойства соедине­ния сближаются со свойствами исходных материалов.

Рассматриваемый способ соединения требует активации соеди­няемых поверхностей (что способствует удалению с них загрязне­ний). Энергия активации может сообщаться за счет нагрева (терми­ческая активация) либо за счет упруго-пластической деформации.

При этом существует определенная связь между температурой и давлением. Дело в том, что нагрев металлического тела уменьшает со­противляемость металла деформированию, что способствует перекри­сталлизации и ускоряет диффузионные процессы. Иначе, увеличение температуры способствует интенсификации процессов получения ка­чественного сварного соединения. Подобная связь для чистого железа приведена на рис. 1.4.

Кривая графика разделяет поле технологических параметров Р и Т на области получения равнопрочного сварного соединения, со­единения с низкими свойствами и с полным отсутствием сваривае­мости. Если температура подогрева ниже температуры Tt, то для по­лучения сварного соединения требуются высокие, практически нереальные значения давлений (область ограниченной свариваемо­сти I). Температурная область Tf-Tn обеспечивает сварку при при­ложении внешней сдавливающей силы Р (область II). По мере уве­личения температуры необходимое для получения соединения давление уменьшается. Эта область представляет собой совокупность режимов сварки давлением. При увеличении температуры выше Тп соединение происходит и при Р= 0. Металл переходит в расплавлен­ное состояние (область III), и соединение металлических частей про­исходит сваркой плавлением. При таком виде сварки две сближен­ные металлические детали расплавляются каким-либо источником тепла. Расплавившийся металл приближается к нерасплавившимся стенкам обеих деталей очень близко вследствие смачивания, он ра­стекается по активированной нагревом поверхности твердых сте­нок, обеспечивая их соприкосновение и адгезию. При удалении ис­точника нагрева жидкий металл охлаждается и затвердевает (кристаллизуется). Кристаллизация в первую очередь происходит у стенок, отводящих тепло; именно здесь между твердым металлом и закристаллизовавшимся слоем устанавливаются металлические связи. Здесь же между твердым и кристаллизующимся металлом могут протекать процессы диффузии. Такое соединение происхо­дит без каких-либо признаков приложения внешнего давления. Любое сварное соединение, независимо от того, получено ли оно способами сварки давлением или плавлением, характеризуется не­прерывной структурной связью.