Раздел V. Технология сварочного производства

1. Физические основы получения сварного соединения

Рассмотрите физическую сущность процесса сварки, используя знания о стро­ении металлов и связи между атомами вещества.

Металл состоит из множества положительно заряженных ионов, упорядоченно расположенных в пространстве и связанных в единое целое облаком коллективизи­рованных электронов. При соприкосновении двух металлических тел обычно не происходит их объединения в единое целое; этому препятствуют неровности на поверхности и пленки оксидов, гидридов и нитридов, дезактивирующих ее. Если активизировать поверхности заготовок и сблизить поверхностные ионы до расстояний, равных расстояниям между атомами твердого металла, то происходит сварка, т.е неразъемное соединение заготовок межатомными силами связи. На практике этого достигают тепловым, силовым воздействием или их сочетанием.

При сварке плавлением происходит только тепловое воздействие - нагрев до расплавления кромок заготовок с образованием единой жидкой металлической ванны. Ее кристаллизация происходит последовательным единичным или групповым оседанием атомов жидкой фазы во впадинах кристаллической решетки твер­дой фазы, при котором устанавливаются межатомные фазы. В результате кристал­лизации в зоне сварки образуются зерна, принадлежащие одновременно основному металлу и металлу шва. В зоне сварки устанавливается такое же атомно-кристаллическое строение металла, как в основном металле, что обеспечивает равнопрочное соединение. При сварке плавлением оксиды и другие примеси на спариваемых поверхностях частично разрушаются при нагреве, а частично переводятся в легкоплавкие шлаки, всплывающие на поверхность шва.

При сварке давлением образование неразъемного соединения достигают а твердом состоянии силовым воздействием, если оно вызывает совместную пластическую деформацию заготовок в зоне сварки. При этом сминаются неровно­сти, а оксиды и другие поверхностные пленки разрушаются и вытесняются из зоны сварки при пластическом течении металла. Образовавшиеся чистые активирован­ные поверхности приводятся в соприкосновение, между ионами которых устанав­ливаются связи.

Для металлов, обладающих высокой пластичностью (медь, алюминий), сварку Давлением можно производить без нагрева (холодная сварка). Менее пластичные сплавы необходимо нагревать до температуры высокопластичного состояния, что­бы исключить местные разрушения при значительной пластической деформации в процессе сварки. Непластичные материалы (керамика, графит) образуют соеди­нение а результате диффузии при длительном нагреве.

Свариваемость металлов. Применяемость сварки определяется свариваемо­стью металлов заготовок. Под свариваемостью металла понимают его способность образовывать при сварке качественное сварное соединение, эксплуатационные свойства которого близки к свойствам свариваемого металла.

Важно понять, что свариваемость металлов и сплавов зависит от химического Состава сплава и способа сварки. Уясните принцип действия металлов по степени свариваемости. К ограниченно сваривающимся металлам относят те, которые дают качественные соединения лишь при усложнении технологии сварки (подогрев, специальные сварочные материалы).

Изучите причины ограниченной свариваемости металлов в виде дефектов, воз­никающих при сварке. Первой причиной являются напряжения и деформации в ме­талле при сварке из-за неравномерного нагрева заготовок, которые действуют как на этапе кристаллизации шва, так и после полного охлаждения.

В процессе кристаллизации сварной шов испытывает растяжение главным образом из-за того, что холодные зоны заготовки препятствуют усадке и сокраще­нию размеров остывающего шва. Этот фактор вызывает в шве образование горячих трещин, когда металл шва имеет крупнозернистое строение с повышенным содер­жанием легкоплавких примесей но границам зерен. В процессе дальнейшего охлаж­дения сварного соединения в нем накапливаются напряжения, вызывающие искаже­ние формы конструкции.

В случаях когда напряжения велики, а металл при сварке претерпел за­калку (особенно часто это бывает при сварке заготовок из среднеуглеродистых легированных сталей), в сварном соединении образуются холодные трещины, возникающие после остывания шва, а также в течение нескольких суток после сварки. Обратите внимание на основные способы борьбы с холодными и горячими трещинами. Свариваемость может быть низкой из-за снижения прочно­стных или антикоррозионных свойств сварных соединений в результате укруп­нения зерен в зоне шва и околошовной зоне при высокотемпературном нагреве.

По ряду перечисленных причин свариваемость металла увеличивается при уменьшении температуры нагрева, длительности его пребывания при высоких температурах и сужения зоны нагрева. Поэтому при сварке давлением свариваемость обеспечивается для более широкого крута материалов, чем при сварке плавлением, Выбор способов сварки производят как по свариваемости, так и по форме, размерам конструкции, экономическим критериям процесса. Усвойте основные технико-экономические показатели способов сварки и правила конструирования технологичных соединений.