Физические основы получения сварного соединения. Понятие о свариваемости

Сваркой называется процесс получения неразъемных соединений посредством установления межатомных связей между соединяемыми частями: при их нагревании и расплавлении или пластическом деформировании.

Для установления межатомных связей атомы необходимо приблизить на расстояние, равное параметру кристаллической решетки металла соединяемых деталей. Однако этому препятствуют неровности, а также различные загрязнения, имеющиеся на поверхности деталей. Чтобы устранить препятствия, требуются затраты дополнительной энергии, которую называют энергией активации. При сварке она вводится путем нагрева (термическая активация) либо пластического деформирования (механическая активация).

Сварка является одним из наиболее распространенных технологических процессов соединения материалов, благодаря которому создано много новых изделий, машин и механизмов.

Сварное исполнение многих видов металлоконструкций позволило эффективно использовать заготовки, полученные прокаткой, гибкой, штамповкой, литьем и ковкой, а также металлы с различными физико-химическими свойствами. Сварные конструкции по сравнению с литыми, коваными и клепаными обладают большей прочностью, меньшей массой и менее трудоемки в изготовлении. С помощью сварки получают неразъемные соединения почти всех металлов и сплавов различной толщины. Нет такой отрасли промышленности, где бы ни применялись сварка, резка металлов или их наплавка на поверхность деталей.

Физическая сущность процесса сварки заключается в образовании прочных связей между атомами или молекулами на соединяемых поверхностях заготовок. Для образования соединений необходимо выполнение следующих условий: освобождение свариваемых поверхностей от загрязнений, оксидов и адсорбированных на них инородных атомов; энергетическая активация поверхностных атомов, облегчающая их взаимодействие друг с другом; сближение свариваемых поверхностей на расстояния, сопоставимые с межатомным расстоянием в свариваемых заготовках.

Указанные условия реализуются различными способами сварки путем энергетического воздействия на материал в зоне сварки. Энергия вводится в виде теплоты, упругопластической деформации, электронного, ионного, электромагнитного и других видов воздействия. В результате поверхностные атомы металлов и кристаллических неметаллических материалов образуют общие для соединяемых заготовок кристаллические решетки, а на поверхности пластмасс происходит объединение частей молекулярных цепей.

Свариваемость – комплексная технологическая характеристика металлов и сплавов, выражающая реакцию свариваемых материалов на процесс сварки и определяющая техническую пригодность материалов для выполнения заданных сварных соединений, удовлетворяющим условиям эксплуатации.

На свариваемость оказывают влияние различные взаимосвязанные факторы. Их можно разбить на три группы.

Фактор материала – влияние на свариваемость металлов, определяемой их химическим составом, способом выплавки, наличием вредных примесей, степенью раскисления и последующими операциями прокатки, ковки, термообработки.

Конструктивный фактор – влияние на свариваемость конструкции сварного соединения, характеризующееся сложностью формы и жесткостью. Сложность формы и жесткость конструкции оцениваются концентрацией сварных соединений, последовательностью их выполнения, состоянием напряженности элементов сварной конструкции перед монтажом, массой и толщиной свариваемых элементов.

Технологический фактор – определяет свариваемость металлов в зависимости от вида сварки, сварочных материалов, параметров режима сварки, достижения определенной степени однородности сварного соединения, раскисления металла шва и термического воздействия на основной металл.

В результате местного нагрева или расплавления в металле сварного соединения протекают физико-химические процессы, которые обуславливают степень неоднородности свойств сварного соединения по сравнению с основным металлом или влекут за собой появлении дефектов в виде пор, неметаллических включений, трещин.

Степень свариваемости представляет собой количественную или качественную характеристику, которая показывает, насколько изменяются свойства металла при сварке и выполнимо ли сварное соединение при определенных условиях. Например, ни основе механических испытаний можно установить, насколько изменились прочность, пластичность, ударная вязкость и другие свойства металла под воздействием процесса сварки. Одной из наиболее существенных характеристик свариваемости является отсутствие горячие или холодных трещин в металле шва и околошовном участке. При практической оценке свариваемости следует учитывать следующие: металл, неспособный к образованию сварного соединения одним видом сварки, можно сваривать другим видом; конструкция сварного соединения и расположение его на изделии выбраны таким образом, что образование сварного соединения исключено, в результате чего данный металл или вид сварки может быть признан непригодным; сварное соединение, полученное одним и тем же видом сварки, в одном случае может быть признано пригодным, а в другом случае – непригодным для эксплуатации.

Свариваемость сталей, чугуна, цветных металлов и сплавов

Как известно, сталь – это сплав железа с углеродом, к которому для придания определенных свойств могут добавляться легирующие элементы.

Углеродистые стали по содержанию углерода делятся на следующие группы:

низкоуглеродистые – С < 0,25 %;

среднеуглеродистые – С = 0,26 %–0,45 %;

высокоуглеродистые – С > 0,45 %.

Легированные стали по суммарному содержанию легирующих элементов делятся на:

а) низколегированные – количество легирующих элементов < 5 %;

б) среднелегированные – количество легирующих элементов 5…10 %;

в) высоколегированные – количество легирующих элементов >10 %.

Часто для характеристики легированных сталей учитывают два признака классификации – содержание легирующих элементов и углерода, например низколегированная низкоуглеродистая сталь.

С увеличением количества углерода и легирующих элементов свариваемость стали, как правило, ухудшается и технология сварки усложняется. Это объясняется тем, что увеличивается чувствительность стали к термическому циклу сварки, снижается пластичность металла шва и околошовной зоны, возрастают напряжения и деформации.

Все стали по своей свариваемости условно делятся на три группы: хорошо свариваемые, удовлетворительно свариваемые и плохо свариваемые. Хорошо свариваемыми называются стали, для которых обеспечивается равнопрочность сварного шва и основного металла без применения специальных технологических приемов. К удовлетворительно свариваемым сталям относятся такие, для которых равнопрочность обеспечивается при использовании специальных технологических приемов, например предварительного подогрева, последующей термообработки, точного соблюдения термического цикла и др. К плохо свариваемым относятся стали, для которых достичь равнопрочности шва и основного металла не удается.

Хорошо свариваемыми сталями считаются низкоуглеродистые, низколегированные низкоуглеродистые и некоторые марки высоколегированных сталей, удовлетворительно свариваемыми – среднеуглеродистые, низколегированные среднеуглеродистые, средне-легированные, высоколегированные. К плохо свариваемым сталям относятся высокоуглеродистые и некоторые марки среднелегированных сталей.

При оценке свариваемости металла учитываются наиболее важные факторы, влияющие на свариваемость:

– химический состав металла;

– скорость охлаждения металла в процессе сварки;

– характер первичной кристаллизации и последующих структурных превращений при охлаждении;

– склонность металла сварного соединения к образованию закалочных структур;

– склонность сварного соединения к образованию трещин;

– образование сварного шва требуемого химического состава, механических и других свойств.