1.2 Физическая сущность сварки

В технике используют различные виды разъемных и неразъемных соединений твердых тел. Разъемные соединения, которые можно разбирать и снова собирать, бывают в виде резьбовых, клиновых, шпоночных и других соединений.

Неразъемные соединения могут быть выполнены монолитными (сплошными) и немонолитными. К монолитным относятся соединения, получаемые сваркой, пайкой или склеиванием, а к немонолитным -клепаные соединения.

Для образования монолитных неразъемных соединений твердых тел требуются определенные условия.

Всякое конденсированное вещество, находящееся в твердом или жидком состоянии, представляет собой систему атомов или молекул, связанных между собой межатомными или межмолекулярными силами сцепления. Эти силы можно рассматривать как результат взаимодействия электронных оболочек частиц, составляющих тело.

Для всех частиц тела, кроме находящихся на его поверхности, силы сцепления взаимно уравновешены. Атомы же или молекулы расположенные на поверхности тела имеют свободные связи и могут присоединять к себе, при определенных условиях, другие молекулы или атомы, например, адсорбировать на поверхности газы или вступать в связь с поверхностными атомами другого твердого или жидкого тела.

Таким образом, для получения неразъемного соединения твердых тел необходимо обеспечить взаимодействие между их поверхностными атомами. С этой целью нужно сблизить поверхностные атомы соединяемых частей на расстояние, близкое к межатомному, т.е. порядка нескольких ангстрем^*(3-510^-8 см), чтобы между ними по всей плоскости соприкосновения установился физический контакт, тогда возникнут межатомные связи. Такой процесс сближения атомов сопровождается их активацией, т.е. повышением энергии.

Если для жидкостей сближение атомов достигается сравнительно легко, за счет большой подвижности частиц и смачивания ею поверхности, то при попытке соединить указанным способом твердые тела возникают значительные трудности. Поверхности твердых тел, даже после самой тщательной механической обработки (шлифовки, полировки, и т.п.) имеют микроскопические неровности, бугорки и впадины, вследствие чего при их сближении нужный контакт осуществится лишь в отдельных физических точках. На всех же остальных участках, отклонение в рельефе поверхности лежит в пределах 10^-410^-5 см, что значительно более требуемого.

Возможность непосредственного взаимодействия электронных оболочек поверхностных атомов затрудняется еще и тем, что поверхность тела не бывает свободной от окислов, жировых пленок и других загрязнений, а также слоя адсорбированных газов и паров, образующегося в атмосфере воздуха. Поэтому атомы соединяемых поверхностей твердых тел в обычных условиях не могут беспрепятственно войти в контакт друг с другом^* . Все сказанное весьма типично для металлов и их сплавов, из которых изготавливаются сварные конструкции самого различного назначения. Для преодоления отмеченных трудностей в сварочной технике используются два основных приема: нагрев и давление.

Если соединяемые части металла нагревать до расплавления, то самопроизвольно образуется сварочная ванна жидкого металла, в процессе затвердевания которой легко устанавливаются необходимые межатомные связи и формируется сварной шов прочно соединяющий две металлические части в монолит.

Однако для получения сварного соединения можно использовать нагрев и без расплавления металла. В процессе нагрева, с повышением температуры металла, связи между атомами ослабляются, они становятся подвижнее, металл приобретает мягкость, возрастают его пластические свойства. Если далее произвести сдавливание соединяемых частей (их осадку), то возникнут пластические деформации, "течение" металла в месте соединения, поверхностные слои окислов и загрязнений разрушаться: тогда на соединяемые поверхности выйдут внутренние, свежие, "ювенильные" (не бывшие в контакте с внешней средой) слои металла, осуществится их физический контакт и установятся необходимые межатомные связи.

Следовательно, нагрев и осадка при сварке в рассмотренном случае дополняют друг друга. Большему нагреву отвечает меньшая осадка и наоборот. Для каждого металла существует определенное соотношение между минимально необходимым давлением и температурой нагрева достаточное, чтобы осуществить его сварку. Такая зависимость, например, для технически чистого железа, в условиях исключающих загрязнения соединяемых поверхностей, показана на рис.1.7.

Поле рисунка разделяется кривой на две области: сваривания (выше кривой) и отсутствия качественного сваривания (заштрихованная область ниже кривой). Штриховые вертикальные линии позволяют установить температурные границы по сварке железа. Так, при температуре металла ниже , для получения качественных сварных соединений требуется очень большое, практически не применяемое осадочное давление.

Рис. 1.7. Зависимость между температурой и давлением, необходимыми для сварки железа. I – область ограниченного сваривания; II – область сварки давлением; III – область сварки плавлением.

Поэтому область (I) названа областью ограниченного сваривания железа. При нагреве железа до более высоких температур в пределах …, чтобы осуществить сварку, требуется приложить осадочное давление тем меньшее, чем до более высокой температуры нагрет металл. Отвечающая этому интервалу температур область сварки железа (II) названа областью сварки давлением. И, наконец, при достижении железом температуры его плавления () и более, осадочное давление прикладывать нет необходимости (Р=0). Сварка железа при таких параметрах процесса относится к области сварки плавлением (область III).

Сварное соединение можно получить и без какого-либо нагрева свариваемых частей металла, т.е. в холодном состоянии, осуществляя их значительное сдавливание. При высоком удельном давлении в металле развиваются большие пластические деформации, приводящие к "течению" металла вдоль поверхностей раздела и обнажению новых ювенильных поверхностей металла. Это приводит к установлению необходимого физического контакта и возникновению прочных межатомных связей.

Однако для такой сварки соединяемые металлы должны обладать высокими пластическими свойствами. Такими свойствами обладают алюминий, медь, свинец и некоторые другие металлы. Установление межчастичных связей между соединяемыми частями металла является необходимым, но не единственным процессом протекающим при их сварке. Этому важнейшему процессу сопутствует второй, когда используется нагрев при сварке, - формирование в зоне соединения непрерывной структурной связи с образованием общих зерен металла. Чтобы понять смысл сказанного, необходимо иметь хотя бы самое общее представление о строении (или структуре) металла.

Все металлы (и сплавы) имеют кристаллическое строение, т.е. состоят из множества отдельных кристаллов или зерен, связанных между собой межкристаллическими иди межзеренными границами. Определенный порядок в расположении атомов свойственный металлическим телам вообще, более выдержан в самих кристаллах, в отличии от границ между ними. От соотношения свойств зерен и межзеренных границ в значительной степени зависят свойства металла в целом.

Возьмем два металлических бруска (рис.1.8) и осуществим их нагрев и сдавливание так, чтобы за счет совместной пластической деформации образовалось соединение. Нетрудно себе представить, что вначале произойдет соприкосновение брусков в отдельных точках (рис.1.8,а), затем смятие всех микровыступов и установится физический контакт поверхностей с дальнейшим установлением межатомных связей. Границы же между зернами металла, вступившими в контакт окажутся в одном сечении как это показано на рис.1.8,б (сеч.I-I).

По этому сечению следует ожидать худших свойств металла чем в любом другом, напр.2-2, вне места соединения двух брусков, пересекающего как границы зерен, так и тела самих

а

б

в

1а

Рис.1.8. Схема сопряжения и сварки в твердом состоянии двух кусков металла: а – в состоянии исходного сопряжения торцов соединяемых кусков; б – после приложения давления и установления взаимосвязи граничных зерен по всей поверхности; в – после диффузии и образования общих зерен за счет перекристаллизации.

зерен, свойства которых, в общем случае, выше чем границ. Однако этим не ограничивается процесс образования сварного соединения. Вследствие взаимодиффузии (т.е. перемещения частиц через поверхность взаимосоприкосновения частей металла) и последующий перекристаллизации зерен образуются общие зерна (рис.1.8,в), благодаря чему свойства металла в месте соединения станут близкими к свойствам самих брусков.

В сварном соединении подученном расплавлением металла, можно увидеть ту же характерную непрерывность структур в зоне соединения: шов - граница сплавления - исходный металл. Как видно из рис.1.9, на котором показано поперечное сечение сварного соединения, кристаллы шва, имеющие столбчатую форму вырастают от оплавленных зерен свариваемого металла, составляя с ними одно целое.

Рис. 1.9. Схема сварки плавлением: а – в момент расплавления соединяемых кромок (А – жидкий металл сварочной ванны); б – после кристаллизации жидкого металла (Б – сварной шов; В – граница сплавления).

В некоторых частных случаях, при сварке значительна роль процесса диффузии, т.е. перемещения в зоне сварки атомов металла или отдельных элементов, входящих в состав свариваемого сплава,– под влиянием различных причин - неравномерного нагрева, разности содержания диффундирующих элементов в отдельных участках сварного соединения, способности элементов к диффузии и пр. Однако в общем случае степень развития этого явления в зоне сварки незначительна, не является решающей для получения сварного соединения и поэтому не служит его отличительным признаком.

Таким образом, рассмотренное позволяет дать следующее определение сварки с учетом физической природы этого процесса:

Сваркой называется процесс получения неразъемных соединений посредством установления межатомных связей между свариваемыми частями при их местном или общем нагреве или пластическом деформировании, или совместном действии того и другого.

Сварные соединения характеризуются непрерывной структурной связью.

Близким по свойствам к сварке является процесс пайки. При пайке зазор между соединяемыми твердыми поверхностями заполняется жидким сплавом-припоем, температура плавления которого ниже температуры плавления соединяемых металлов. В результате взаимодействия припоя с поверхностными слоями нагретых паяемых деталей могут образоваться твердые растворы, либо химические соединения, либо устанавливается бездиффузионное сцепление (адгезия).

Последний случай сближает пайку со склеиванием, которое находит все большее применение для получения неразъемных соединений металлов и др. материалов.