Фізична суть зварювання металів

Зварюванням називається процес виготовлення не рознімних з’єднань твердих металів, що здійснюється за рахунок використання міжмолекулярних і міжатомних сил зчеплення. Щоб привести ці сили в дію, треба зблизити атоми з’єднуваних матеріалів на відстані порядку

Нехай нам необхідно з'єднати між собою дві деталі. Відомо, що в звичайних умовах при дотику цих двох деталей між ними з'єднання не відбувається. В той же час, якщо нам потрібно одну з цих деталей розірвати на дві частини, то це не завжди вдається і при значних зусиллях. В чому ж причина? Справа в тому, що між атомами будь-якої речовини виникають сили взаємодії, які дуже великі в твердих тілах. Однак, чому ж ми не спостерігаємо виникнення сил взаємодії між атомами, коли доторкаємо дві деталі, які потрібно з'єднати в одне ціле у звичайних умовах? Причиною цього є те, що сили взаємодії між атомами виникають лише на дуже малих відстанях, порядку розмірів самих атомів, а ми на таку відстань у звичайних умовах наблизити дві деталі не можемо, навіть тоді, коли прикладемо значні зусилля стиску. Що ж нам заважає зробити це?

По-перше, з'єднанню металів заважає їх твердість. При наближенні двох металевих деталей їх дійсний контакт відбувається лише в декількох точках поверхонь дотику, як би ретельно вони не були оброблені. Тобто на поверхнях дотику завжди є виступи, впадини і інші шорсткості, які і не дають вступити в контакт атомам вздовж усієї поверхні дотику.

По-друге, на процес з'єднання також значно впливають забруднення поверхні - жирові плівки, окисли тощо.

По-третє, під дією атмосфери навіть на тих поверхнях, які тільки що оброблені, майже миттєво виникають адсорбовані плівки молекул газів і води.

Що ж потрібно зробити щоб усунути ці перешкоди? Очевидно, перш за все, потрібно метал перевести в пластичний стан. Найбільш просто це можна зробити за допомогою нагрівання. З підвищенням температури нагрівання метал стає все більш пластичним. Подальшим підвищенням температури його можна нагріти до температури плавлення, тобто перевести в рідкий стан.
Рухливість атомів матеріалу в рідкому стані призводить до самовільного об'єднання об'ємів рідких металів і утворення, як говорять, спільної зварювальної ванни. В результаті кристалізації металу зварювальної ванни (при наступному охолодженні) сумісно з розплавленими краями з'єднуваних деталей та виникнення зварювального шва і утворюється нерознімне з'єднання.

Можливий і інший шлях, коли з'єднання заготовок досягається шляхом сумісної пластичної деформації з'єднуваних заготовок. В цьому випадку дві деталі, що з'єднуються, сильно стискуються. Прикладений тиск викликає значнупластичну деформацію металу. В процесі деформації відбувається руйнування нерівностей, окисних плівок. У результаті цього збільшується площа дотику поверхонь. При цьому метал повинен переміщуватися вздовж поверхні поділу, виносячи з собою поверхневий шар із забрудненнями і плівками адсорбованих газів. Тоді в тісний контакт вступають свіжі шари металу, що виходять на поверхню, і утворюють одне ціле.

Отже, суть технологічного процесу зварювання полягає в отриманні нерознімних з'єднань металевих виробів шляхом використання міжатомних сил зчеплення і виникнення міцних металевих зв'язків між атомами поверхневих шарів зварюваних деталей. Для здійснення міжатомної взаємодії необхідно, щоб атоми зварюваних поверхонь знаходились в межах дії міжатомних сил, сумірних з параметрами кристалічної ґратки.

Виходячи із вище сказаного, можна зробити висновок, що зварювальні з'єднання можна отримати двома принципово різними шляхами — зварюванням плавленням і зварюванням тиском.

При зварюванні плавленням атомно-молекулярні зв'язки між деталями створюють, розплавляючи їх суміжні краї, так щоб утворилася їх спільна змочувальна ванна. Ця ванна при охолодженні кристалізується, утворюючи зварювальний шов, який і з'єднує деталі в одне ціле.

Як правило, в рідку ванну вводять додатково метал, щоб повністю заповнити щілину між деталями, але можливе зварювання і без додаткового металу.

При зварюванні тиском обов'язковою є сумісна пластична деформація деталей стисненням зони з'єднання. Цим забезпечується очищення зварюваних поверхонь від плівок забруднень, зміна їх рельєфу і утворення атомно-молекулярних зв'язків. Перед пластичною деформацією метал, як правило, нагрівається, оскільки із збільшенням температури підвищується його пластичність, а отже, зменшується значення деформації, необхідної для зварювання. В деяких випадках зварювання тиском можливе і без нагрівання. Так можна зварити, наприклад, мідь, алюміній, свинець і інші м'які метали. Існують і комбіновані процеси.

Нагрів зварюваних деталей здійснюється різними способами: електричною дугою, прямим пропусканням струму, лазером тощо. По-різному здійснюється примусова деформація зони зварювання і її захист від впливу повітря і інших середовищ. Звідси різноманітність технологічних процесів зварювання. Зараз їх відомо більше 70. Одні процеси застосовуються широко, інші обмежено, але зварювання, в цілому, є найбільш важливим способом одержання нерознімних з'єднань. Воно застосовується практично у всіх областях техніки. Зварюються однорідні метали між собою, різнорідні метали (наприклад, сталь з міддю, мідь з алюмінієм) і сплави, метали з неметалами (керамікою, склом, графітом, керметиками тощо), пластмаси, деякі гірські породи, смоли тощо. Зварювання здійснюється на землі, під водою і в космосі.