Физические основы сварки

Лекция 13 (лектор Дрижов В.С.)

Сварочное производство

Сварочное производство - одна из отраслей промышленности, продукцией которой являются сварные заготовки или сварные конструкции.

Сварка металлов** - технологический процесс соединения металла(ов) при таком нагреве и/или давлении, в результате которого получается непрерывность структуры соединяемого(ых) металла(ов).

КУЗНЕЧНАЯ СВАРКА

Первым известным способом сварки была кузнечная, простейшие приёмы которой были известны еще в 8-7-м тыс. до н. э. В основном сваривались изделия из меди, которые предварительно подогревались, а затем сдавливались. Соединялись с помощью этого вида сварки и другие пластичные металлы. Так, например, в 5 веке н.э. была изготовлена колонна из железа, которая сохранилась и до наших дней.

Справка: железная колонна — изготовлена в 415 году, весит около 6,5 т, высота ее 7,3 м, диаметр у основания 41,6 см, у верха 29,5 см. Колонна состоит из отдельных элементов – криц 36кг. Находится примерно в 20 километрах южнее Старого Дели. Изготовлена из железа чистотой до 98 % с низким содержанием серы и повышенным содержанием фосфора. Широкую известность колонна приобрела благодаря тому, что за 1600 лет своего существования практически избежала коррозии.

Позже, в результате разработки и успешного применения более прочных, но менее пластичных сплавов - таких как бронза, которая была прочнее, но менее пластична чем медь, а, следовательно, хуже поддается ковке, применять кузнечную сварку было затруднительно. Для изготовления изделий из таких материалов стали применять литейную сварку.

Литейная сварка -осуществляется путем заливки жидкого металла между свариваемыми кромками, которые помещались в специальную форму. Этот присадочный металл сплавлялся с изделием. Такие соединения обнаружены на бронзовых сосудах Древней Греции и Рима.

Эти два вида сварки только и применялись при изготовлении сварных изделий вплоть до 19 века, в котором благодаря ряду открытий были предложены и реализованы другие виды сварки.

Одно из таких открытий, было сделано русским инженером Василий Владимировичем Петровым в 1802 г. Он впервые наблюдался и описан стабильный электрический разряд, который назвал – дуговой (позже английский учёный Г. Дэви в1808г также наблюдал такой разряд и назвал его «вольтовой дугой»).

Фото электрической дуги

Название «дуга» он получил за форму ярко светящегося плазменного шнура (столба) разряда, который в первых опытах со слаботочными разрядами изгибался вверх серповидной дужкой под действием восходящих конвективных потоков нагретого разрядом воздуха.

Хотя в большинстве случаев, например, между вертикальными электродами, аналогичный разряд не имеет дугообразной формы, первоначальное название его сохранилось.

Электрическая дуга (вольтова дуга) – один из видов самостоятельного электрического разряда в газе, в котором разрядные явления сосредоточены в узком ярко светящемся плазменном шнуре.

Степень ионизации газа в столбе дуги составляет несколько процентов. Такой ионизированный газ называется низкотемпературной плазмой.

Данное открытие позволило русскому инженеру Николай Николаевичу Бенардосу в 1882г использовать электрическую дугу в качестве источника тепла при сварке. Так, впервые был предложен и реализован способ сварки - ручная дуговая сварка. В качестве материала для электрода использовался графит. Чуть позже, в 1888г также русский инженер Николай Гаврилович Славянов реализовал ручную дуговую сварку уже металлическим электродом.

Родоначальниками дуговой сварки считаются русские инженеры!

В настоящее время комплексная технология (технология с применением сварки) является одним из основных заготовительных процессов, 30 % всех заготовок изготавливают с применением сварки и доля постоянно увеличивается. Данное обстоятельство обусловлено тем, что данные технологии позволяют существенно повысить эффективность производства.

При внедрении прогрессивных технологических процессов на основе сварки удаётся:

- уменьшить вес конструкции;

- уменьшить расход металла (КИМ увеличивается с 0,5 до 0,9);

- снизить трудоемкость изготовления (до 50%);

- улучшить условия труда (повышение уровня автоматизации и механизации).

Физические основы сварки.

Физическая сущность процесса сварки заключается в формировании неразъемного монолитного соединения путем образования прочных связей между атомами, расположенными на поверхности соединяемых заготовок.

Виды соединений:

- разъемные соединения;

Пример – соединение рельсов при прокладке железнодорожных путей с помощью металлических накладок и болтов;

- неразъемные соединения;

Неразъемные соединения могут быть выполнены как монолитными (сплошными), так и немонолитными. Монолитное соединения получают сваркой, а немонолитное – клепкой.

Пример неразъемного соединения (немонолитного) – изготовление фюзеляжа самолета (обшивка подсоединяется к каркасу с помощью кленки)

Фюзеляж самолета

Пример неразъемного соединения (монолитного) – соединение рельсов

Вид сварного шва рельсов

Справка: Впервые замысел устройства железнодорожного пути без стыков высказал в России инженер И. Ф. Стецевич еще в 1896 году. В Германии первый бесстыковой путь был проложен в 1924 году, в СШA — в 1930 году. В 1932 году на направлении Купянск-Валуйки были впервые в России уложены рельсы длиной 37,5 метра.

При формировании соединения при сварке атомы, расположенные на поверхности заготовок, сближаются. В процессе сближения на них действуют как силы притяжения – силы между отрицательно заряженными электронами – оболочкой и положительно заряженным ядром, а также силы отталкивания – межу положительно заряженными ядрами.

Схема изменения результирующей силы взаимодействия – F выглядит следующим образом.

Схема изменения сил взаимодействия между атомами (F)

в зависимости от расстояния между ними (r)

Система становится термодинамически стабильной, когда энергия связи между атомами будет минимальной. Это достигается при сближении атомов на расстояние r_o - расстояние между атомами в кристаллической решетке 0,2-0,6 нм (2-6Å).

К факторам, препятствующим сближению атомов на такое расстояние – расстояние, необходимое для образование прочных связей следует отнести:

- наличие на поверхности соединяемых заготовок микронеровностей;

Высота микронеровностей – сотни ангстрем (Å = 10^-10м)

- наличие на поверхности оксидов, инородных атомов и различного рода загрязнений.

Вывод: при сварке необходимо исключить действие этих факторов – факторов, которые препятствуют сближению атомов на необходимое расстояние и сообщить атомам энергию для преодоления барьера схватывания. Такая энергия называется энергией активации и может сообщаться в общем случае в виде теплоты (термическая активация), и в виде упругопластической деформации (механическая активация). В зависимости от способа активации поверхности, виды сварки подразделяются на классы

Классы видов сварки в зависимости от способа активации поверхности

Термин	Определение
Термический класс сварки	Виды сварки, осуществляемые плавлением с использованием тепловой энергии
Термомеханический класс сварки	Виды сварки, осуществляемые с использованием тепловой энергии и давления
Механический класс сварки	Виды сварки, осуществляемые с использованием механической энергии и давления

Виды сварки, относящиеся к термическому классу, входят в группу способов сварки плавлением, а виды сварки, относящиеся к термомеханическому и механическому классу – к способам сварки давлением