Образование сварного соединения. Определение сварки

Сварочный процесс, как и пайка, направлен на получение монолитного соединения, которое возникает в случае установления связей между атомами свариваемых деталей на границе их раздела, аналогично связям, действую­щим в твердом теле.

В зависимости от основных признаков, которые в данном определении пре­валируют, понятия сварки могут быть различные. Например, сварка определяется как процесс получения неразъемных соединений посредством установления межатомных связей между соединяемыми частями при их нагревании и (или) пластическом деформировании. В данном определении указьшается и на физиче­скую сущность процесса, и на технологические принципы его реализации.

Наиболее общим определением процесса сварки является ссылка на его термодинамическую сущность: сварка — это процесс получения монолитно­го соединения материалов за счет термодинамически необратимого превра­щения тепловой и механической энергии и вещества в стыке.

Процесс сварки включает две стадии: образование физического контакта между соединяемыми деталями и возникновение электронного взаимодействия между их поверхностями. Далее происходит развитие диффузионных процессов.

В идеальном случае сварка должна происходить после того, как соеди­няемые поверхности сблизились на межатомные расстояния. На рис. 22.1 показано, каким образом изменяются межатомные силы взаимодействия (притяжения и отталкивания), а также потенциальная энергия по мере сбли­жения атомов. Как видно, на первой стадии сближения силы притяжения Р_пр

Рис. 22.1. Характер изменения сил взаимодействия (а) и потенциальной энергии (б) при сближении атомов

больше сил отталкивания -Р_от (рис. 22.1, а). Затем начинается процесс вза­имного перекрытия элек­тронных оболочек ато­мов и наблюдается рез­кое возрастание сил от­талкивания. При г = г₀ си­лы притяжения и отталки­вания сравняются. В даль­нейшем сближение атомов будет сопровождаться ин­тенсивным возрастанием сил отталкивания. В идеальном случае атомы после некоторых колебательных движений должны самопроизвольно установиться на расстояние г = г^ когда Р - Р_т - О.

В этот момент величина потенциальной энергии системы W будет мини­мальна, что характерно для устойчивого равновесия (рис. 22.1, б). Стремле­ние системы к минимуму свободной энергии соответствует второму закону термодинамики, а минимум потенциальной энергии W, — энергии ван-дер-ваальсовой связи. Если энергию поверхности монокристалла принять за W„, то после соединения монокристаллов между ними устанавливается одна по­верхность раздела с энергией W,. Эта энергия меньше суммарной энергии двух поверхностей, т. е. W_%«2W_n.

Рассмотренная схема образования монолитного соединения при сварке, не противоречащая второму закону термодинамики, возможна, однако, при наличии некоторой энергии активации, а не только в результате сближения соединяемых поверхностей. Поэтому в любом случае для сварки обязательно потребуется за­тратить энергию активации W_n, например в виде теплоты (термическая актива­ция) или упругопластической деформации (механическая активация).

Образование монолитного соединения в реальных условиях затруднено из-за наличия на поверхностях деталей микронеровностей, оксидных пленок, адсорбированных газов, различного рода загрязнений.

В зависимости от характера вводимой энергии все сварочные процессы (сварку, пайку, резку) можно отнести к термическим (Т), термомеханиче­ским (ТМ) и механическим (М) методам.

При термических методах сварки с помощью внешнего источника нагрева кромки расплавляются, образуя так называемую сварочную ванну. Расплавление металла способствует его объединению в единое целое.

После прекращения поступления теплоты к сварочной ванне (удаление источника теплоты или его отключение) происходит быстрое охлаждение и

последующая кристаллизация расплавленного металла при максимальном теплоотводе в стенки ванны. Процесс кристаллизации заканчивается образо­ванием монолитного шва, который связывает свариваемые детали в единое целое. Аналогично при пайке вследствие кристаллизации припоя, запол­няющего зазор между деталями и смачивающего нагретые поверхности, об­разуется паяное соединение.

При механических методах сварки необходимо приложить давле­ние, под влиянием которого в месте сварки возникают значительные упруго-пластические деформации, вызывающие разрушение оксидной пленки, смя­тие микронеровностей, обеспечение физического контакта и образование между атомами прочных связей, соответствующих связям при расстоянии между ними, равном параметру кристаллической решетки.

При термомеханических методах сварки металл в месте соеди­нения деталей нагревается от внешних источников теплоты до температуры плавления или пластического состояния. Нагревание позволяет снизить удельное давление, уменьшить величину минимальной относительной де­формации, необходимой для сварки.

В соответствии с термодинамическим определением процессов сварки основными признаками для их классификации должны служить: форма вво­димой энергии, наличие давления и вид инструмента — носителя энергии, на основании чего классифицируются виды сварки (табл. 22.1).

Таблица 22.1. Классификация видов сварки

Я о, ев» о 3ее К Я	Класс
термический	термомеханический	механический
Дуговая Электрошлаковая Электронно-лучевая Плазменная Ионно-лучевая Тлеющим разрядом Световая Индукционная Газовая Термитная Литейная	Контактная Диффузионная Индукционно-прессовая Газопрессовая Дугопрессовая Шлакопрессовая Термокомпрессионная Печная	Холодная Взрывом Ультразвуковая Трением Магнитно-импульсная

Кроме того, сварку классифицируют и по другим признакам: а) способу защиты металла в зоне сварки (сварка на воздухе, в вакууме, в защитном газе, под флюсом и т. п.);

б) непрерывности сварки (непрерывные и прерывистые, т. е. импульс­
ные процессы);

в) степени механизации (ручная, механизированная, автоматическая);

г) технологическим (вид электрода или дуги, род сварочного тока, по­
лярность, тип и количество электрических дуг и т. п.).

22.2. Особенности применения сварки плавлением и давлением

Различия в способах образования монолитного соединения при сварке плавлением и давлением в определенной степени определяют подход к их выбору при изготовлении сварных конструкций.

Методы сварки плавлением получили широкое распространение благо­даря их преимуществам по сравнению с другими методами:

1) возможностью сварки в монтажных и цеховых условиях;

2) разнообразием применяемых типов соединений;

3) возможностями сварки конструкций различных габаритов;

4) широким диапазоном свариваемых толщин металла — от нескольких микрометров, например при сварке световым лучом, до 1 м и более при электрошлаковой сварке;

5) возможностью изменения химического состава наплавленного метал­ла. При сварке можно изменить химический состав наплавленного металла, применяя сварочные проволоки различных марок и внося легирующие эле­менты в электродное покрытие или флюс. Это широко используется при сварке низколегированных и легированных сталей;

6) возможностью сварки швов в любых пространственных положениях.
Сварка плавлением, однако, имеет ряд недостатков.

1. Кристаллизация металла шва протекает при растягивающих напряже­ниях, что является одной из причин образования трещин.

2. Необходима защита металла шва от воздействия атмосферы. Если не при­нимать каких-либо мер по его защите, то наплавленный металл будет иметь по сравнению с основным весьма низкие механические свойства, прежде всего пла­стичность. Создание шлаковой и газовой защиты, применение вакуума умень­шают влияние атмосферы на металл или исключают его полностью.

3. Возможно образование (особенно при сварке разнородных металлов) в наплавленном металле хрупких интерметаллических включений, ликвации примесей в шве. Степень ликвации, как и само число включений в металле, а также их расположение в шве, влияю, на прочность сварных конструкций. Примеси часто являются причиной возникновения трещин при сварке.

4. Образуются напряжения и деформации при сварке.

5. Изменяется структура основного металла под влиянием нагрева при сварке.

Методы сварки давлением (термомеханические и механические) имеют определенные преимущества по сравнению с методами сварки плавлением.

Применение способов сварки давлением значительно расширило диапа­зон свариваемых материалов, в том числе разнородных металлов, а также неметаллических материалов, исключило в ряде случаев возникновение при сварке трещин, пористости, способствовало уменьшению деформаций свар­ных узлов. Важным является тот факт, что сварка давлением вызывает менее значительные изменения основного металла, чем сварка плавлением, хотя упругопластические деформации, необходимые при сварке без нагрева, при­водят к некоторому физическому упрочнению металла шва и прилегающих к нему участков. В результате ухудшается пластичность металла, что следует учитывать при назначении конструктором механических методов сварки.

Термомеханические и механические методы легче механизировать и ав­томатизировать, при большинстве из них достигается высокая производи­тельность. Все это предопределило достаточно широкую область примене­ния способов сварки давлением.

В то же время некоторые особенности указанных технологических про­цессов, связанные в основном с необходимостью использования при сварке давления, ограничивают их применение в ряде конструкций.

Контрольные вопросы

1. Какие основные причины препятствуют образованию монолитного сварного со­единения и каковы способы их устранения?

2. Назовите сопутствующие явления при сварке плавлением или давлением. Их влияние на свойства основного материала и сварной конструкции.

3. Какие факторы способствуют широкому применению сварки в современных конструкциях?

4. По какому принципу классифицируются методы сварки?