СПЕЦИАЛЬНЫЕ СПОСОБЫ СВАРКИ И РЕЗКИ

Обзор специальных способов сварки

Специальные способы сварки появились в 1960—1970 гг. в СССР и США. Их разработка была связана с развитием атомной энерге­тики, созданием космических летательных аппаратов, когда воз­никла необходимость получения соединений элементов конструк­ций больших толщин из разнородных материалов.

Появление специальных способов сварки связано с большими успехами в области физики и химии, позволившими выяснить природу процесса сварки и разработать концентрированные ис­точники энергии.

Появлению специальных способов сварки способствовалй тру­ды многих ученых и инженеров: Ю. Л. Красулина, В. И. Билля, М. X. Шоршорова, Н. Ф. Казакова, Н. Г. Басова, А. М. Прохорова,

Ч. Таунса, Б. М. Була, А. Шавлова доказавших, что природа обра­зования сварного соединения во всех случаях, как плавлением, так и давлением, одна — это результат взаимодействия электрон­ных оболочек активированных атомов соединяемых поверхностей.

В целом сварка — это химический процесс и, как всякий хи­мический процесс, проходит три стадии:

• на первой стадии образуется физический контакт, происхо­дит активация поверхностей, которые сближаются на расстояние, равное параметру кристаллической решетки;

• второй стадии образуется химическое соединение активиро­ванных поверхностей, происходит процесс сварки — сближение электронных оболочек атомов на расстояние их взаимодействия. Ширина границы раздела между соединяемыми поверхностями становится соизмеримой с шириной межзеренной границы, а прочность достигает прочности основного металла;

• третьей стадии происходит диффузионный обмен масс через общую поверхность соединения, при этом поверхность раздела размывается или расчленяется продуктами взаимодействия.

Все искусство сварщика направлено на обеспечение этих трех стадий при минимальном расходе энергии, минимальных мате­риальных затратах и побочных нежелательных явлений. Многолет­ний опыт показал, что наиболее сложной проблемой является физический контакт. Сближению, физическому контактированию препятствуют два обстоятельства: техническая природа поверхно­сти и окружающая среда.

В связи с этим перед сварщиками всегда стоят две основные проблемы:

• как, преодолевая макро- и микрошероховатости, сблизить поверхности до физического контакта на параметр действия меж­атомных сил кристаллической решетки;

• как после физического контактирования убрать из плоскости контакта все загрязнения, нейтрализующие межатомные связи.

При сварке плавлением, как и при сварке давлением, приме­няют термические, механические, гравитационные и электромаг­нитные способы сближения и контактирования атомов на поверх­ности деталей. Все способы сварки отличаются друг от друга толь­ко способом активации и сближения атомов. Например, при сварке плавлением активацию и сближение достигают простейшим тер­мическим способом с вынужденным расплавлением большого объема металла, что приводит к другой неразрешимой проблеме — снижению прочности сварного шва, представляющего собой круп­нокристаллическую структуру с большой концентрацией сидячих дислокаций.

При сварке давлением сближение и активацию обеспечивают за счет механической энергии, при этом в процесс соединения вовлекается также большой объем металла, что сопровождается большой остаточной вынужденной деформацией. Значение вынуж­денной деформации £в определяется в основном четырьмя пока­зателями:

~ Є. КД. С,

где 8К — показатель полного сближения поверхностей; Ку — де­формационное упрочнение в контакте; JTH — показатель локально­сти нагрева; С — показатель напряженного состояния в контакте.

Анализ этой формулы показал, что размер остаточной дефор­мации при сварке давлением или объем расплавленного металла в шве при сварке плавлением в зависимости от условий физическо­го контактирования может находиться в пределах 1... 80 % от тол­щины или объема деталей.

Как следует из формулы вынужденного деформирования и рас­плавления, для получения соединения без значительного расплав­ления или значительной остаточной деформации необходимо орга­низовать процесс сварки так, чтобы єк было менее 10 %; Ку —> 0; С —> шах; Лн « 1.

Исходя из этих требований появились новые виды сварки:

• лазерная (Ку-> 0; С max; JIH« 1);

• плазменная (Ку —> 0; С —> шах);

• электронно-лучевая (Ку-> 0; Лн« 1);

• диффузионная (єк < 10 %; Ку ^ 0);

• трением (С -» max; Лн « 1);

• ультразвуковая (єк -» 0);

• взрывом и импульсом магнитной энергии (J1H « 1; С —> шах;

ек ~> 0).

Эти способы выделены в специальную группу, отличительной особенностью которой является возможность получения соедине­ния без значительного расплавления или значительной остаточ­ной деформации при любых сочетаниях материалов и их толщин. Три первых способа сварки (лазерная, плазменная и электронно­лучевая) относят к сварке плавлением с использованием концент­рированного пучка энергии мощностью 106... 10а Вт/см2 при ми­нимальном расплавлении металла для формирования сварного шва. Этими способами сваривают детали толщиной 1... 100 мм. Основ­ное их достоинство — возможность сварки без присадочной про­волоки и защитных газов со скоростью 10... 50 м/ч. При этом дос­тигают незначительного коробления, ширина расплавления ме­талла не превышает 2 мм, зона термического влияния (ЗТВ) не превышает 5 мм.

Остальные методы относят к сварке давлением. Основная их сущ­ность состоит в обеспечении минимальной вынужденной дефор­мации детали. Например, при сварке взрывом остаточная дефор­мация не превышает 2 %, что достигается большим значением С и малым JIH.

При сварке трением за счет тепловыделения в узкой зоне кон­такта между трущимися поверхностями деформация (грат) не превышает 10%.

При диффузионной сварке удается сваривать детали из одно­родных и разнородных материалов с остаточной деформацией в пределах 1... 5 %. Однако при диффузионной сварке такого эффек­та достигают при увеличении времени процесса сварки до не­скольких десятков минут.

При ультразвуковой сварке удается получить соединение с ос­таточной деформацией не более 5 %. Но при этом процессе опера­тор подвергается действию вредных для здоровья ультразвуковых колебаний.

Основным достоинством новых способов сварки является воз­можность получения соединения высокой точности (прецизион­ного) при любых сочетаниях материалов и их толщин.

Новые способы сварки находят применение в атомной энерге­тике, электронике, химическом машиностроении, ракетострое­нии, т. е. там, где необходимы высокие скорости процессов, где на изделия действуют большие давления и высокие температуры. При этом на конструкционные материалы воздействуют жидкие агрессивные среды, пары свинца, фтора, висмута и жидкого на­трия. Важно, чтобы конструкционный материал был устойчив к быстрой смене температур и напряжений, незначительно испа­рялся в вакууме, не менял своих свойств от продуктов ядерного распада. Специальные методы сварки незаменимы в перспектив­

ных конструкциях новой техники, в которых используют тугоплавкие и редкие металлы, такие как вольфрам, молибден, тантал, нио­бий, цирконий и другие редкоземельные металлы, обладающие высокой жаростойкостью, жаропрочностью, исключительным сопротивлением коррозии, а также искусственные материалы.

Контрольные вопросы

1. В какие три стадии происходит образование сварного соединения?

2. От каких факторов зависит величина вынужденного проплавления и деформации (осадки) деталей при сварке?

3. Какие специальные способы сварки известны к настоящему времени?