Применение сварки в промышленности, строительстве и ремонтном деле

Классификация сварки по физическим признакам (классы и виды), степени механизации.

Тема 3.1.1 Физическая сущность процесса сварки. Классификация видов сварки

Раздел 3. Основы технологии сварочного производства

Вопросы:

1. Физическая сущность процесса сварки. Сущность термической, термомехани-ческой и механической свар­ки.

3. Преимущества перед другими способами получе­ния неразъемного соединения деталей.

1. Сваркой называют процесс получения не­разъемных соединений посредством установления меж­атомных связей между свариваемыми частями при их местном (общем) нагреве или пластическом деформиро­вании, а также при совместном действии того и другого.

Физическая сущность процесса сварки заключается в сближении соединяемых поверхностей на расстояние, в пределах которого начинают действовать силы меж­атомного сцепления. Для необходимого сближения со­единяемых поверхностей производят тепловое или меха­ническое воздействие на металл в зоне соединения.

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 указывается 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. 60 показано, каким образом изменяются межатомные силы взаимодействия (притяжения и отталкивания), а также потенциальная энергия по мере сближения атомов.

Рис. 60. Характер изменения сил взаимодействия (а) и потенциальной энергии (б) при сближении атомов

Как видно, на первой стадии сближения силы притяжения Р _пр больше сил отталкивания Р _от(рис. 60, а).Затем начинается процесс вза­имного перекрытия элек­тронных оболочек ато­мов и наблюдается рез­кое возрастание сил от­талкивания. При r = r ₀си­лы 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 r = r ₀, когда Р _пр – Р _от = 0.

В этот момент величина потенциальной энергии системы W будет минимальна, что характерно для устойчивого равновесия (рис. 60, б).Стремление системы к минимуму свободной энергии соответствует второму закону термодинамики, а минимум потенциальной энергии W _в – энергии ван-дерваальсовой связи. Если энергию поверхности монокристалла принять за W _п, то после соединения монокристаллов между ними устанавливается одна по­верхность раздела с энергией W _в. Эта энергия меньше суммарной энергии двух поверхностей, т. е. W _в << 2 W _п.

Рассмотренная схема образования монолитного соединения при сварке, не отиворечащая второму закону термодинамики, возможна, однако, при наличии некоторой энергии активации, а не только в результате сближения соединяемых оверхностей. Поэтому в любом случае для сварки обязательно потребуется затратить энергию активации W _п,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, дсорбированных 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.

2. Способы сварки можно классифицировать, например, по виду энергии, используемой при сварке, но степени механизации процесса сварки, по виду свариваемого металла и т. п. Вполне совершенной классификации, охватывающей все способы сварки, с учетом физических процессов в зоне соединения, не существует. Принято все существующие способы сварки делить на две боль­шие группы: 1) сварка плавлением (сварка без давле­ния); 2) сварка давлением (сварка без оплавления).

Первая группа характеризуется объединением частей металла при его жидком состоянии без приложения дав­ления. К сварке плавлением примыкает пайка, отличающаяся тем, что расплавляется лишь присадочный ме­талл (припой), а основной свариваемый металл остается нерасплавленным, в то время как при сварке частично расплавляется и основной металл.