126

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Санкт-Петербургский институт машиностроения

(ВТУЗ-ЛМЗ)

______________________________________________________

Кафедра «Оборудование технология сварочного производства»

ТЕОРИЯ СВАРОЧНЫХ ПРОЦЕССОВ

Конспект лекций

Для студентов специальности 12.05.00

Санкт-Петербург

2006

Теория сварочных процессов. Конспект лекций для студентов специальности 12.05.00 – «Оборудование и технология сварочного производства».- СПб.: ПИМаш, 2006. с.

Конспект составлен на основе курса лекций, читаемых студентам специальности 12.05.00 в ПИМаше. В конспекте освещены вопросы физической сущности процесса сварки, даны классификация и описание основных способов сварки, рассмотрены сварочные источники тепла, процессы нагрева и распространения тепла в условиях сварки, металлургические процессы при сварке, вопросы кристаллизации и технологической прочности, основные закономерности формирования структуры и свойств сварных соединений, а также вопросы технологической свариваемости металлов и принципы выбора способа и режимов сварки для изготовления различных сварных конструкций.

Составитель – к.т.н. Н.Г.Кобецкой

Научный редактор – к.т.н. К.А.Синяков

Рецензент

Редактор

ВВЕДЕНИЕ

Родоначальником всех современных способов сварки является древний способ кузнечно-горновой сварки.

Сварог – так назывался славянский бог – кузнец, бог металлургии. Сварожичем называли огонь, считая его сыном Сварога.

Найденные в раскопках инструменты, оружие и др. 1 – 2 вв. до нашей эры, так и позднейших времен – Киевской Руси, показывают, что кузнечно-горновая сварка в древности была единственной технологией изготовления всех изделий из железа. При этом все инструменты и оружие из железа делались только сварными.

В 1802 г. русский физик и электротехник В.В. Петров открыл явление электрической дуги.

В 1882 г. русским изобретателем Н.Н. Бенардосом электрическая дуга была применена для целей сварки с использованием угольного электрода.

В 1888 г. русский инженер Н.Г. Славянов предложил выполнять электродуговую сварку металлическим электродом.

Начиная с 1935 г. широкое применение получили электроды качественными покрытиями, позволившие применять сварку в производстве ответственных конструкций.

С 1940 началось интенсивное развитие и внедрение в производство автоматической сварки под флюсом. Заслуга в создании этого процесса принадлежит акад. Е.О. Патону и созданному им Институту Электросварки (ИЭС). В том направлении работали также ЦНИИТМАШ, МВТУ, з-д «Электрик» и др.

Большой вклад в развитие мировой сварочной науки внесли наши ученые и инженеры. Выполнены фундаментальные работы в области сварочных напряжений и деформаций, теории источников теплоты и источников тока, металлургических процессов. В нашей стране было открыто явление саморегулирования дуги, электрошлаковой сварки (Г.В. Волошкевич, Б.Е. Патон, и др.) автоматической сварки плавящимся электродом в углекислом газе (К.В. Любавский, Н.М. Новожилов и др.).

Лазер также был изобретен также в нашей стране (Басов, Прохоров).

Раздел 1. Физические основы и классификация процессов сварки

1. Физические основы процесса сварки металлов

Монолитность сварных соединений твердых тел обеспечивается появлением атомно-молекулярных связей между элементарными частицами соединяемых веществ. Твердое тело представляет собой комплекс атомов, находящихся во взаимодействии. Тип связи атомов и характер их взаимного расположения определяют физико-химические и прочностные свойства твердого тела.

Связь атомов возникает в результате движения электронов внешних (валентных) оболочек атома в поле между ядрами. Каждый из этих электронов, проникая, например, в поле двух ядер, принадлежит уже обоим атомам. Силы по своей природе являются электромагнитными и действуют на расстоянии порядка 10^-8 см = 1 А.

Различают четыре вида элементарных связей: ковалентную, ионную, межмолекулярную (Ван-дер-Ваальса) и металлическую.

Ковалентную химическую связь называют еще валентной, атомной, обменной связью. Она образовывается взаимодействием или «спариванием» валентных электронов. Сильная ковалентная связь с энергией порядка 10⁵ Дж/моль определяет высокую температуру плавления и прочность кристаллов. Этой связью обусловлены структуры так называемых атомных кристаллов – алмаза, кремния, германия и др.

Ионная или гетерополярная связь типична для молекул и кристаллов, образованных из разных ионов (анионов и катионов). Образование положительного катиона – результат ионизации атома. Мерой прочности связи электрона в атоме может служить потенциал ионизации атома. Типичный представитель ионных кристаллов – соль NaCl.

Силы Ван-дер-Ваальса действуют между любыми атомами и молекулами, но они очень малы (порядка 10³ Дж/моль). Поэтому молекулярные кристаллы, обусловленные этими силами (твердые инертные газы, молекулы кислорода, азота и др.), отличаются весьма низкой температурой плавления (He – 1,8; Ar – 40⁰K).

Металлические связи образуют структуры путем взаимодействия положительных ионов решетки и делокализованных, обобществленных электронов. Они по существу не относятся к химическим. Металлы обычно не имеют молекулярного строения, а их атомы соединяются в кристаллические образования. Этот вид связи и обуславливает высокую прочность, пластичность и электропроводность металлов. Энергия связи – около 10⁵ Дж/моль.

Металлическая связь по своей природе имеет значительное сходство с ковалентной связью. В обоих случаях электронные орбиты сливаются, но в металле происходит обобщение не отдельных, а всех электронных орбит.

Кристаллическая структура металла характеризуется решетками объемно — или гранецентрированного куба, или гексагональной плотноупакованной.

Реальные металлы являются поликристаллическими, состоящими из множества отдельных кристаллов, взаимосвязанных в общее монолитное целое. Периферийные части отдельных кристаллов зерен металла сопрягаются с соседними, образуя межзеренные, межкристаллические границы. Несовершенства кристаллического строения межкристаллических границ больше, чем внутри кристаллов, в связи с нарушениями порядка расположения узлов решеток и большим количеством атомов инородных веществ – примесей и пр.

Физические свойства поликристаллического тела (металла), в частности и его прочность, зависят от соотношений свойств зерен и межзеренных границ; они зависят также от крупно — или мелкозернистости металла, что определяет преобладающее действие внутрикристаллических или межкристаллических свойств.

Для всех частиц тела, кроме находящихся на поверхности, силы сцепления использованы и взаимоуравновешены. Атомы или молекулы вещества, расположенные на поверхности, имеют свободные связи и могут присоединять к себе другие молекулы и атомы, в частности адсорбировать на поверхности различные газы или вступать в связь с поверхностными атомами другого твердого или жидкого тела.

Для соединения двух твердых тел с получением общего монолитного тела необходимо установить между их поверхностными атомами непосредственную связь или каждую из них соединить с промежуточной связкой. Для того чтобы установить связь между поверхностными атомами двух тел без промежуточной связки, необходимо их сблизить на расстояния, сопоставимые с параметром кристаллической решетки, т.е. (3 – 5)*10^-8 см.

Однако одного сближения недостаточно. Для соединения поверхностей требуется затрата энергии. Внутри кристалла каждый атом удерживается симметрично направленными силами связи. На свободной поверхности кристалла атом неуравновешен вследствие отсутствия связи с одной стороны (вакуум). Это вызывает повышение энергии поверхностного слоя кристалла. Если для перемещения внутри тела атому необходима энергия Е₀, то для выхода в окружающую среду – Е_п, причем Е_пЕ₀. Поэтому для соединения двух монокристаллов в один требуется извне деформационная или тепловая энергия.

Внешняя энергия деформации будет затрачиваться на преодоление сил отталкивания, возникающими между сближаемыми поверхностными атомами. Когда расстояния между ними будут равны межатомным расстояниям в решетке кристаллов, возникают квантовые процессы взаимодействия электронных оболочек атомов

Тепловая энергия, сообщенная поверхностным атомам при повышении температуры, увеличивает вероятность развития квантовых процессов электронного взаимодействия в соединении.

Опытный материал и теоретический анализ показывают, что сварку и пайку можно отнести к классу так называемых топохимических реакций, которые отличаются двухстадийностью процесса образования прочных связей между атомами соединяемых веществ: а) развитие физического контакта (сближение на расстояние, требуемое для установления взаимодействия); б) энергетическое взаимодействие, заканчивающееся образованием соединения.

Практически получение монолитных соединений осложняется двумя факторами:

Свариваемые поверхности имеют микронеровности (даже при самой тщательной обработке), измеряемые тысячами ангстрем.

Свариваемые поверхности имеют загрязнения.

Для качественного соединения материалов необходимо обеспечить контакт по большей части стыкуемой поверхности и активировать ее.

Активация поверхности заключается в том, что поверхностным атомам твердого тела сообщается некоторая энергия, необходимая:

Для обрыва связей между атомами тела и атомами внешней среды, насыщающими их свободные связи;

Для повышения энергии поверхностных атомов до уровня энергетического барьера схватывания, т.е. для перевода их в активное состояние.

Такая энергия активации может в лучшем случае сообщаться в виде теплоты (термическая активация), упруго-пластической деформации (механическая активация), электронного, ионного и других видов облучения (радиационная активация).

Сварка в жидкой и твердой фазах. При сварке в жидкой фазе (сварка плавлением) сближение атомов твердых тел осуществляется за счет смачивания поверхностей тел жидким материалом (расплавом), а активация поверхности твердого материала – путем сообщения ее частицам тепловой энергии. Жидкий материал растекается по поверхности твердого тела и обеспечивает соприкосновение и прилипание (или адгезию) его молекул и поверхностного слоя твердых тел.

При затвердевании расплавленного материала слабые адгезионные связи заменяются прочными химическими связями, соответствующими природе соединяемых материалов и их типу кристаллической решетки. При сварке в жидкой фазе вводимая тепловая энергия должна обеспечить расплавление основного и присадочного материалов, оплавление стыка, нагрев кромок и т.д. При этом происходит усиленная диффузия компонентов в расплавленном и твердом материалах, их взаимное растворение.

При сварке плавлением обе стадии процесса соединения – физический адгезионный контакт и химическое взаимодействие, сопровождаемое диффузией, протекают достаточно быстро.

При сварке в твердом состоянии сближение атомов и активация поверхностей достигаются за счет совместной упруго-пластической деформации соединяемых материалов в контакте, часто с дополнительным нагревом.

Длительность стадий образования физического контакта а) и химического взаимодействия б) здесь существенно больше чем при сварке плавлением.

Сварка – это технологический процесс получения монолитных неразъемных соединений посредством установления внутренних межчастичных (межатомных, межмолекулярных) связей, при их местном или общем нагреве или пластическом деформировании или совместном действии того и другого. Сварные соединения металлов характеризуются непрерывной структурной связью.

Пайка и склеивание. Пайкой называют процесс соединения материалов без их расплавления, с помощью припоя. Температуру плавления припоя ниже, чем у соединяемых материалах. Образование межатомной связи при пайке происходит в процессе смачивания припоем поверхности соединяемых деталей. Смачивание и связь твердого тела с жидкостью может определяться электростатическими силами Ван-дер-Ваальса и силами химического взаимодействия.

Для осуществления химического смачивания при пайке необходим нагрев деталей, расплавление припоя, а также активация поверхностей. Последняя достигается нагревом в вакууме, в специальных средах или обработкой поверхности флюсом.

Склеивание может происходить практически без введения энергии в место соединения благодаря силам адгезии (прилипания) между жидким клеем и молекулами поверхностных слоев твердого тела и химическим реакциям. Способность клея соединять изделия объясняется также силами остаточного химического сродства между находящимися на поверхности молекулами клея и склеиваемого материала. Эти силы примерно в 10 – 100 раз меньше основных сил химической связи в простых молекулах.