ОСНОВЫ СВАРОЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССА СВАРКИ МЕ­ТАЛЛОВ. КЛАССИФИКАЦИЯ ВИДОВ СВАРКИ. ВИДЫ СВАР­КИ

Рассмотрим физические основы процесса соединения двух по - ликристаллических тел из одного материала в единое, монолитное те­ло.

1.1. Основы процесса соединения двух металлов

Всякое твердое или жидкое тело представляет собой систему атомов, ионов или молекул, связанных между собой внутренними си­лами притяжения. У кристаллических или поликристаллических тел эти частички расположены в узлах кристаллической решетки. Боль­шинство металлов характеризуется объемно центрированной, гране - центрированной, гексагональной плотноупакованной решетками.

Для соединения двух твердых тел с получением общего моноли­та необходимо установить между их поверхностными атомами непо­средственную связь, т. е. сблизить их на расстояния, сопоставимые с величиной параметра кристаллической решетки. Современные мето­ды механической обработки (финишное полирование) позволяют обеспечить сближение поверхностей на величину 10-5 мм. Но, даже такая обработка не обеспечит получение монолита по нескольким причинам: Расстояние между поверхностями несопоставимо больше величины параметра кристаллической решетки. Из-за наличия на по­верхностях загрязнений (окисные и масляные пленки). Из-за наличия энергетического барьера потенциальной энергии системы атомов по­верхностных слоев. Для преодоления этого барьера необходимо за­тратить дополнительную энергию (энергию активации поверхности).

В зону сварки такую энергию можно внести различными спосо­бами: в виде теплоты (термическая активация); в виде упруго - пла­стической деформации (механическая активация); в виде электронно­го или ионного облучения (радиационная активация).

При сварке, наиболее распространенными способами внесения энергии активации являются нагрев и деформирование, характеризуе­мые технологическими режимами сварки: температурой нагрева и ве­личиной давления.

Для различных свариваемых материалов взаимосвязь техноло­гических режимов может быть различна. Рассмотрим эту связь для технически чистого железа (без учета загрязнения свариваемых по­верхностей) (рис. 1.1). Кривая А-Б-В-Г-Д разделяет поле технологиче­ских параметров на две области: Область сваривания - область, в ко­торой получается качественное сварное соединение, со свойствами сварного шва, близкими к свойствам основного металла заготовок. Область отсутствия сваривания - область, в которой сварное соедине­ние или не получится, или сварной шов будет низкого качества. Об­ласть сваривания содержит три температурных участка (I, II, III). На участке I (температурах до Т1 « 850ОС) для получения качественного сварного шва необходимы высокие давления (более 350 МПа). Этот участок называют областью ограниченного сваривания. На участке II для получения качественного сварного шва необходимо прикладывать внешнее давление. Причем, чем выше температура, тем меньше необ­ходимое давление. Этот участок называют областью сварки давлени­ем. На участке III для получения качественного сварного шва нет не­обходимости прикладывать внешнее давление, поскольку металл пе­реходит в расплавленное состояние. Этот участок называют областью сварки плавлением.

Температурные области сварки различных металлов и сплавов отличаются друг от друга. Например: алюминий, свинец и медь при больших пластических деформациях могут свариваться при комнат­ной температуре. Для сплава «железо - углерод» интервалы темпера­тур сварки давлением зависят от содержания в них углерода (рис. 1. 2). По мере увеличения содержания углерода температурный интервал, обеспечивающий хорошее качество сварки давлением уменьшается. Так, сварку чугуна (содержание углерода более 2,14%) можно осуще­ствлять только при наличии жидкой фазы (сварка плавлением или с частичным оплавлением). При сварке разнородных металлов и спла­вов возможны три варианта сварного шва. Соединяемые металлы об­разуют непрерывные твердые растворы (железо - никель, железо - хром, никель - олово). При этом совместная кристаллизация обеспе­чивает установление межатомных связей как внутри кристалла, так и по границам зерен. Соединяемые металлы или составляющие соеди­няемых металлов имеют ограниченную растворимость друг в друге (железо - медь, медь - олово). В этом случае возрастает роль связей между отдельными кристаллами (межкристаллитных связей). Соеди­няемые металлы практически не растворяются друг в друге (железо - свинец, железо - магний). При этом связь может устанавливаться только по границам кристаллов.

Следовательно: сварка - это технологический процесс получе­ния монолитных неразъемных соединений посредством установления внутренних меж частичных (меж атомных, меж ионных, меж молеку­лярных) связей, при их местном или общем нагреве, или пластиче­ском деформировании, или совместным воздействии этих факторов. Сварные соединения характеризуются структурной непрерывной свя­зью. Сварка может производиться с использованием дополнительного объема металла (применение электрода или присадочной проволоки) или без него.

Обычно к сварочным операциям относят и наплавку, т. е. нане­сение посредством сварки плавлением дополнительного слоя рас­плавленного металла на нагретую или доведенную до состояния плав­ления поверхность изделия. Целью наплавки является создание на по­верхности детали слоя металла с особыми свойствами (износостойкое, антикоррозионное или иное покрытие) или восстановление размеров детали при ее ремонте.

Иногда, как частный случай сварки, рассматривается и пайка. При пайке соединение двух деталей, нагреваемых до температуры ниже температуры их плавления, производится с помощью дополни­тельного расплавленного слоя (припоя). При этом температура плав­ления припоя всегда ниже температуры плавления соединяемых ме­таллов. В результате взаимодействия припоя с поверхностными слоя­ми соединяемых металлов может происходить: образование твердых растворов, или химических соединений, или бездиффузионное сцеп­ление (адгезия). В последнем случае пайку можно рассматривать, как частный случай склеивания.