1. Общие сведения о сварке

Проблема прочного соединения твердых материалов с давних пор имеет большое значение. Процессы соединения деталей из металла, дерева, камня, керамики, кирпича, пластмассы и т.п., а также разделения и дробления их дополняют друг друга и составляют основу обработки твердых материалов. Без этих процессов нельзя представить сейчас промышленность и строительство.

Существует две большие группы соединения твердых тел:

1.Механические способы соединения;

2.Способы соединения за счет молекулярных и атомных сил сцепления.

Кпервой группе относят различные виды болтовых соединений, заклепочные и клиновые соединения, плотная посадка и т.п.; ко второй - сварка, пайка, склеивание, соединение цементами и др.

Перечисленные способы соединения твердых тел различаются своими особенностями, и имеет свои области применения, дополняя друг друга, и позволяют выполнять самые различные производственные задачи.

Способы первой группы позволяют получать разъемные соединения, т.е. дающие возможность разъединять детали без их разрушения. Соединения второй группы в большинстве своем неразъемные.

Одним из основных способов второй группы является сварка, позволяющая соединять практически все металлы и их сплавы, стекло, пластмассы, керамику и т.п. Способы сварки все время совершенствуются, области применения их расширяются. Этого требует бурное развитие техники, использование новых материалов, создание новых оригинальных конструкций.

1.1.Физическая сущность сварки и ее классификация

Сварка представляет собой процесс образования неразъемного соединения однородных или разнородных тел за счет межмолекулярных или межатомных сил сцепления при нагревании и (или) пластическом деформировании.

Всякие твердые и жидкие тела представляют собой систему атомов или молекул, связанных между собой межатомными или межмолекулярными силами сцепления, ко-

4

торые являются результатом взаимодействия их электронных оболочек. Внутри объема тела эти силы сцепления взаимно уравновешены. Атомы и молекулы, находящиеся на поверхности тела, имеют свободные связи и могут при определенных условиях присоединять к себе другие атомы и молекулы(например, адсорбция газов, связь с поверхностными атомами другого твердого или жидкого тела.) Значит, для получения неразъемного соединения твердых тел необходимо обеспечить взаимодействие между поверхностными атомами тел. Для этого нужно сблизить кромки соединяемых деталей на расстояние, равное или меньшее межатомному расстоянию кристаллической решетки -со единяемых тел (3-5)×10-10м.

Для жидких тел это выполняется легко за счет подвижности, смачивания поверхности, но для твердых тел возникают трудности, т.к. их поверхность даже после тщательной обработки имеет микроскопические неровности, впадины, бугорки и при соприкосновении они будут иметь контакт только в отдельных физических точках.

Кроме того, атомному сближению и сцеплению препятствуют пленки окислов или других химических соединений, адсорбированных газов и различные загрязнения, в результате чего в обычных условиях на поверхностях соединяемых тел не могут проявиться межатомные силы сцепления из-за отсутствия свободных связей.

1.1.1. Сварка

При сварке перечисленные трудности получения прочного соединения устраняются двумя следующими основными приемами:

1.Нагревом соединяемых деталей;

2.Сдавливанием или осадкой их; нагрев ослабляет межатомные связи, снижает твердость материала и повышает его пластичность.

Сдавливание или осадка соединяемых деталей создает пластические деформации, течение материала на границе раздела, разрушает окислы и загрязнения, удаляя их из зоны сварки в грат вместе с поверхностным слоем материала и выводя«ювенильные» слои материала, что создает межатомные силы сцепления.

Нагрев и осадка при сварке дополняют друг друга: чем выше нагрев, тем меньше давление осадки, и наоборот. В предельных случаях осадочное давление или нагрев становятся ненужными.

При нагреве до расплавления металла осадочное давление не требуется, т.к. жидкий металл самопроизвольно сливается в общую сварочную ванну и после затвердевания части детали будут прочно скрепленными.

При холодной сварке к соединяемым деталям прикладывают высокое удельное давление осадки, создающее большие пластические деформации. Нагрев при этом не ну-

5

жен. Возможна холодная сварка при температуре кипения жидкого азота (-196°С). Многие другие способы сварки занимают промежуточное положение. Процессу

сварки и повышению прочности соединения способствуют взаимное растворение и диффузия металла соединяемых частей. При сварке деталей из разных металлов могут образовываться непрерывные твердые растворы(Fe-Ni; Fe-Cr; Ni-Mn и др.), металлы могут иметь неполную взаимную растворимость (Fe-Cu; Fe-Zn) или практически не растворяться друг в друге(Fe-Ag; Fe-Mg; Fe-Pb и т.д.) Следует иметь в виду, что и в последнем случае могут успешно свариваться металлы.

Все имеющееся многообразие способов сварки (более 50) по способу устранения факторов, препятствующих межатомному взаимодействию, можно разделить на две группы:

1.Сварка плавлением (в жидкой фазе)

2.Сварка давлением (в твердой фазе).

При сварке плавлением металл соединяемых частей в зоне сварки расплавляется, переходит в жидкое состояние. При этом расплавляется и присадочный материал; таким образом образуется сварочная ванна из основного и присадочного металла (рис.1.1).

а)

б)

Рис. 1.1. Сварка плавлением:

а– плавление свариваемого металла; б – сварное соединение;

1– источник тепла; 2 – свариваемый металл; 3 – жидкий металл; 4 – наплавленный металл (сварной шов); 5 – присадочный металл

При этом не требуется предварительной особо тщательной очистки поверхности металла; нагрев расплавляет металл и загрязнения поверхности, всплывающие в сварочной ванне.

Затвердевающий металл зоны сварки претерпевает значительные изменения в химическом составе и структуре, приобретая характерную структуру литого. Температура нагрева значительно превышает температуру плавления свариваемого металла, что исключает значительный нагрев обеих деталей и увеличивает скорость сварки.

В зависимости от источника нагрева сварка плавлением подразделяется на пять основных видов: дуговую, газовую, термитную, электрошлаковую и электронным лучом.

6

При дуговой сварке нагрев и плавление осуществляется за счет тепла электрической сварочной дуги; при газовой – используется тепло сгорания газа или паров жидких горючих; при термитной – тепло, выделяемое при сгорании термитной смесью; при электрошлаковом процессе тепло для сварки образуется от прохождения тока через расплавленный слой шлака; при электронно-лучевой – нагрев и плавление металла производится теплом от бомбардировки электронами луча металла изделия, помещаемого в вакуум.

Сварка давлением может производиться без предварительного или с предварительным местным нагревом деталей(рис.1.2). При этом состав металла и его структура не изменяются. Этот вид сварки требует тщательней подготовки и зачистки соединяемых поверхностей, требует обязательного приложения осадочного давления. При этом сила осадки обратно пропорциональна температуре нагрева свариваемых элементов. В зависимости от рода источника местного нагрева различают сварку: контактную (электросопротивлением), термитную давлением, газопрессовую, индукционную (электропрессовую), трением и вакуумно-диффузную.

а)

б)

Рис. 1.2. Сварное соединение, выполненное (без расплавления металла):

а – процесс нагрева; б – сварное соединение; 1 – свариваемые детали; 2 – слои металла в пластическом состоянии; 3 – сварной шов; 4 – грат

Каждый вид сварки подразделяется на способы, отличающиеся между собой технологическими особенностями.

1.1.2. Пайка

Этот процесс соединения металлов занимает промежуточное положение между сваркой и склеиванием. Соединение производится с помощью сравнительно легкоплавкого металла, называемого припоем, температура плавления которого ниже, чем соединяемого металла. Расплавленный припой наносится на хорошо зачищенные кромки соединяемых частей, смачивает их и после затвердевания образует соединение. Припой и соединяе-

7