Природа образования соединений при сварке

Обновлено: 09.01.2025

Контактная сварка — это процесс образования неразъем­ных соединений конструкционных металлов в результате их крат­ковременного нагрева электрическим током и пластического де­формирования усилием сжатия.

Соединение свариваемых деталей при контактной сварке (как и при других способах сварки) происходит путем образования связей мейсду атомными агрегатами в зоне контакта этих дета­лей. ІІрй этом для образования физического контакта и актива­ции соединяемых поверхностей затрачивается тепловая и меха­ническая энергия, подводимая извне.

Образование сварных соединений происходит в условиях бы­стро меняющихся электрических й температурных полей при вы­соких скоростях нагрева и пластических деформацях.

По технологическому приему получения соединений разли­чают точечную, рельефную, шовную и стыковую сварку.

Точечная сварка—способ контактной сварки, при котором. детали свариваются по отдельным ограниченным участкам ка* сания (по ряду точек). При точечной сварке (рис. 1 Л, а) детали 1 . собирают внахлестку, сжимают усилием F электродами 2, к ко­торым подключен источник 3 электрической энергии (например, сварочный трансформатор). Детали нагреваются при кратков­ременном прохождении сварочного тока 1а до образования зоны 4 взаимного расплавления деталей, называемой ядром. Нагрев зоны сварки сопровождается пластической деформацией метал­ла в зоне контакта деталей (вокруг ядра), где образуется уплот­няющий поясок 5, надежно предохраняющий жидкий металл от выплеска и от окружающего воздуха. Поэтому специальной за­щиты зоны сварки не требуется. После выключения тока рас­плавленный металл адра быстро кристаллизуется, и образуются металлические связи между соединяемыми деталями.

Образование соединения при точечной сварке происходит с расплавлением металла. .

По способу подвода тока к свариваемым деталям различают двусторонний и односторонний способы сварки. В первом слу­чае электроды 2 (рис. 1.1, а) подводят к. каждой из деталей 1, а во втором — к одной из деталей, например, верхней, (рис. 1,1, б). Для повышения плотности тока в точках касания деталей ниж­нюю деталь прижимают к медной подкладке 6, которая одно­временно выполняет роль опоры.

За цикл сварки получают одну точку (одноточечная сварка), а также одновременно две и более точки (многоточечная свар­ка). Иногда при точечной сварке применяют комбинированные соединения (клеесварные и сварно-паяные). Клей и припой вво­дят внахлестку между деталями для повышения прочности и кор­розийной стойкости соединений.

Рельефная сварка—одна из разновидностей точечной свар­ки. При этом на поверхности одной из деталей предварительно формируют выступ—рельеф 7 (рис. 1.1,в), который ограничи­вает начальную площадь контакта деталей, в результате чего при сварке в этой зоне повышаются плотность тока и скорость тепловыделения. При нагреве рельеф постепенно деформирует­ся; на определенной стадии процесса сварки формируется ядро, как при обычной точечной сварке. Часто на поверхности дета­ли выполняют несколько рельефов или один протяженный выс­туп замкнутой формы, например, в виде кольца или острой гра­ни. После прохождения сварочного тока получают одновремен­но несколько точек или непрерывный плотный шов (контурная рельефная сварка).

Шовная сварка — способ получения герметичного соедине­ния (шва) путем образования ряда перекрывающихся точек. Подвод тока и перемещение деталей. осуществляют с помощью вращающихся дисковых электродов — роликов 8 (рис, 1.1,г). Как и при точечной сварке, детали собирают внахлестку и на­гревают кратковременными импульсами сварочного тока. Пе-

рекрытие точек достигается соответствующим выбором паузы между импульсами тока и скорости вращения роликов,

В зависимости оттого, вращаются ролики непрерывно при сварке шва или останавливаются на время прохождения сва­рочного тока, различают непрерывную и шаговую сварку.

Шаговая сварка отличается относительно небольшой произ­водительностью, однако при этой сварке уменьшается скорость износа рабочейповерхноспт роликов и вероятность образования дефектов шва (трещин, раковин) по сравнению с непрерывной сваркой, когда происхождение сварочного тока и кристаллиза­ция литого ядра осуществляется при вращающихся роликах.

Известны некоторые разновидности шовной сварки—одно­сторонняя, многошовная (одновременная сварка нескольких швов на одной машине), шовно-стыковая сварка и др.

Стыковая сварка—способ контактной сварки, когда дета­ли соединяются по всей площади касания (по всему сечению). Детали 1 (рис. 1.1,д)закрепляютв токоподводящих зажимах 9, 10, один из которых, например зажим 10, подвижный и соединен с приводом усилия сжатия машины.

По степени нагрева металла торцов деталей различают сты­ковую сварку сопротивлением и оплавлением.

При стыковой сварке сопротивлением детали 1 предвари­тельно сжимают усилием Fh включают в сеть сварочный транс­форматор 3. По деталям протекает сварочный ток/^, и происхо­дит постепенный нагрев стыка деталей до температуры, близ­кой к температуре плавления. Затем сварочный ток выключают и резко увеличивают усилие осадки деталей, которые деформи­руются в стыке. При этом из зоны сварки частично выдавлива­ются поверхностные плёнки, формируется физический контакт, и образуется соединение.

При стыковой сварке оплавлением вначале на детали пода­ют напряжение от сварочного трансформатора, а затем их сбли­жают. При соприкосновении деталей в отдельных контактах вследствие большой плотности тока металл контактов быстро нагревается и взрывообразпо разрушается. Нагрев торцов де­талей происходит за счёт непрерывного образования и разруше­ния жидких контактов—перемычек, т. е. оплавления торцов, К концу процесса на торцах образуется сплошной слой жидкого металла. В этот момент резко увеличивают скорость сближения

и усилие осадки деталей; торцы смыкаются, большая часть жид­кого металла вместе с поверхностными плёнками и частью твер­дого металла, находящегося в вязкотекучем состоянии, выдав­ливается из зоны сварки, образуя утолщение —- грат 11 (рис. 1.1, д, показан штриховой линией). Сварочный ток выключается автоматически во время осадки деталей. Для более равномер­ного нагрева деталей по сечению и получения однородных свойств соединений в ряде случаев до начала оплавления торец подогревают током способом сварки сопротивлением.

Стыковую сварку, как сопротивлением, так И оплавлением, относят по состоянию металл а в зоне сварки к сварке в твердом состоянии, хотя в отдельных случаях, особенно при стыковой сварке оплавлением деталей больших сечений, стыковое соеди — нение формируется в твердо-жидкой фазе.

Нагрев деталей при контактной сварке проводят импульса­ми переменного тока промышленной частоты 50 Гц, повышен­ной (1000 Гц) и пониженной частоты (3-5 Гц), а также импульса­ми постоянного или униполярного тока. Величина, число и фор­ма импульсов сварочного тока существенно влияют на характер нагрева.

В настоящее время контактная сваркаодин из ведущих способов получения неразъемных соединений деталей в различ­ных отраслях техники. Широкое применение различных спосо-

Рис. 1.1. Основные способы контактной сварки

бов контактной сварки обусловлено следующими ее основными достоинствами:

1. Широкой возможностью автоматизации сборочно-свароч — — ных работ. Среди механизированных и автоматизированных спо­собов сварки контактная сварка занимает первое место.

2. Высоким и стабильным качеством сварки, не зависящим от квалификации оператора-сварщика.

3. Отсутствием потребности в специальных технологичес­ких материалах (присадочная проволока, флюс, защитные газы и т. л.).

4. Широким классом свариваемых материалов. Контактной сваркой можно успешно соединять практически все известные конструкционные материалы—низкоуглеродистые и легиро­ванные стали, жаропрочные и коррозионно-стойкие сплавы, сплавы на основе алюминия, магния, титана и др.

5. Относительно высокой культурой производства и благо­приятными условиями труда.

‘ Область применения контактной сварки Чрезвычайно широка —от крупногабаритных строительных конструкций, космичес­ких аппаратов до миниатюрных полупроводниковых устройств и плёночных микросхем. Широкое применение контактная свар­ка нашла в авиа-, еудо — и автостроении, вагоностроении, сель­хозмашиностроении, св’аркс трубопроводов и рельсов и др. По имеющимся данным, в настоящее время около 30% всех сварных соединений выполняют различными способами контактной свар­ки. Максимальный объем (около 80%) приходится на точечную сварку, 10%—на стыковую, 7%—на шовную и около 3%—на рельефную.

ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ. Образование сварного соединения

Сварочный процесс, как и пайка, направлен на получение монолитного соединения, которое возникает в случае установления связей между атомами свариваемых деталей на границе их раздела, аналогично связям, действую­щим в твердом теле.

В зависимости от основных признаков, которые в данном определении пре­валируют, понятия сварки могут быть различные. Например, сварка определяется как процесс получения неразъемных соединений посредством установления межатомных связей между соединяемыми частями при их нагревании и (или) пластическом деформировании. В данном определении указывается и на физиче­скую сущность процесса, и на технологические принципы его реализации.

Наиболее общим определением процесса сварки является ссылка на его термодинамическую сущность: сварка — это процесс получения монолитно­го соединения материалов за счет термодинамически необратимого превра­щения тепловой и механической энергии и вещества в стыке.

Процесс сварки включает две стадии: образование физического контакта между соединяемыми деталями и возникновение электронного взаимодействия между их поверхностями. Далее происходит развитие диффузионных процессов.

В идеальном случае сварка должна происходить после того, как соеди­няемые поверхности сблизились на межатомные расстояния. На рис. 22.1 показано, каким образом изменяются межатомные силы взаимодействия (притяжения и отталкивания), а также потенциальная энергия по мере сбли­жения атомов. Как видно, на первой стадии сближения силы притяжения Р_пр больше сил отталкивания Р_от (1, а). Затем начинается процесс вза­имного перекрытия элек­тронных оболочек ато­мов и наблюдается рез­кое возрастание сил от­талкивания. При си­лы притяжения и отталки­вания сравняются. В даль­нейшем сближение атомов будет сопровождаться ин­тенсивным возрастанием сил отталкивания.

Рис. 1. Характер изменения сил взаимодействия (а) и потенциальной энергии (б) при сближении атомов.

В идеальном случае атомы после некоторых колебательных движений должны самопроизвольно установиться на расстояние , когда .

В этот момент величина потенциальной энергии системы W будет мини­мальна, что характерно для устойчивого равновесия (рис. 1, б). Стремле­ние системы к минимуму свободной энергии соответствует второму закону термодинамики, а минимум потенциальной энергии W_в – энергии ван-дерваальсовой связи. Если энергию поверхности монокристалла принять за W_п, то после соединения монокристаллов между ними устанавливается одна по­верхность раздела с энергией W_в. Эта энергия меньше суммарной энергии двух поверхностей, т. е. W_вW_п .

Рассмотренная схема образования монолитного соединения при сварке, не противоречащая второму закону термодинамики, возможна, однако, при наличии некоторой энергии активации, а не только в результате сближения соединяемых поверхностей. Поэтому в любом случае для сварки обязательно потребуется за­тратить энергию активации W_п, например в виде теплоты (термическая актива­ция) или упругопластаческой деформации (механическая активация).

Образование монолитного соединения в реальных условиях затруднено из-за наличия на поверхностях деталей микронеровностей, оксидных пленок, адсорбированных газов, различного рода загрязнений.

В зависимости от характера вводимой энергии все сварочные процессы (сварку, пайку, резку) можно отнести к термическим (Т), термомеханиче­ским (ТМ) и механическим (М) методам.

При термических методах сварки с помощью внешнего источника нагрева кромки расплавляются, образуя так называемую сварочную ванну. Расплавление металла способствует его объединению в единое целое.

После прекращения поступления теплоты к сварочной ванне (удаление источника теплоты или его отключение) происходит быстрое охлаждение и последующая кристаллизация расплавленного металла при максимальном теплоотводе в стенки ванны. Процесс кристаллизации заканчивается образованием монолитного шва, который связывает свариваемые детали в единое целое. Аналогично при пайке вследствие кристаллизации припоя, запол­няющего зазор между деталями и смачивающего нагретые поверхности, об­разуется паяное соединение.

При механических методах сварки необходимо приложить давле­ние, под влиянием которого в месте сварки возникают значительные упруго-пластические деформации, вызывающие разрушение оксидной пленки, смя­тие микронеровностей, обеспечение физического контакта и образование между атомами прочных связей, соответствующих связям при расстоянии между ними, равном параметру кристаллической решетки.

При термомеханических методах сварки металл в месте соеди­нения деталей нагревается от внешних источников теплоты до температуры плавления или пластического состояния. Нагревание позволяет снизить удельное давление, уменьшить величину минимальной относительной де­формации, необходимой для сварки.

Особенности применения сварки плавлением и давлением

Различия в способах образования монолитного соединения при сварке плавлением и давлением в определенной степени определяют подход к их выбору при изготовлении сварных конструкций.

Методы сварки плавлением получили широкое распространение благо­даря их преимуществам по сравнению с другими методами:

1) возможностью сварки в монтажных и цеховых условиях;

2) разнообразием применяемых типов соединений;

3) возможностями сварки конструкций различных габаритов;

4) широким диапазоном свариваемых толщин металла – от нескольких микрометров, например при сварке световым лучом, до 1 м и более при электрошлаковой сварке;

5) возможностью изменения химического состава наплавленного метал­ла. При сварке можно изменить химический состав наплавленного металла, применяя сварочные проволоки различных марок и внося легирующие эле­менты в электродное покрытие или флюс. Это широко используется при сварке низколегированных и легированных сталей;

6) возможностью сварки швов в любых пространственных положениях.

Сварка плавлением, однако, имеет ряд недостатков.

1. Кристаллизация металла шва протекает при растягивающих напряже­ниях, что является одной из причин образования трещин.

2. Необходима защита металла шва от воздействия атмосферы. Если не при­нимать каких-либо мер по его защите, то наплавленный металл будет иметь по сравнению с основным весьма низкие механические свойства, прежде всего пла­стичность. Создание шлаковой и газовой защиты, применение вакуума умень­шают влияние атмосферы на металл или исключают его полностью.

3. Возможно образование (особенно при сварке разнородных металлов) в наплавленном металле хрупких интерметаллических включений, ликвации примесей в шве. Степень ликвации, как и само число включений в металле, а также их расположение в шве, влияю, на прочность сварных конструкций. Примеси часто являются причиной возникновения трещин при сварке.

4. Образуются напряжения и деформации при сварке.

5. Изменяется структура основного металла под влиянием нагрева при

Методы сварки давлением (термомехаиические и механические) имеют определенные преимущества во сравнению с методами сварки плавлением.

Применение способов сварки давлением значительно расширило диапа­зон свариваемых материалов, в том числе разнородных металлов, а также неметаллических материалов, исключило в ряде случаев возникновение при сварке трещин, пористости, способствовало уменьшению деформаций свар­ных узлов. Важным является тот факт, что сварка давлением вызывает менее значительные изменения основного металла,чем сварка плавлением, хотя упругопластические деформации, необходимые при сварке без нагрева, при­водят к некоторому физическому упрочнению металла шва и прилегающих к нему участков. В результате ухудшается пластичность металла, что следует учитывать при назначении конструктором механических методов сварки.

Термомеханические и механические методы легче механизировать и ав­томатизировать, при большинстве из них достигается высокая производи­тельность. Все это предопределило достаточно широкую область примене­ния способов сварки давлением.

В то же время некоторые особенности указанных технологических про­цессов, связанные в основном с необходимостью использования при сварке давления, ограничивают их применение в ряде конструкций.

ЛИТЕРАТУРА

1. Лахтин Ю.М., Леонтьев В.П. Материаловедение: учебник для машиностроительных вузов – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Машиностроение, 1980. – 493 с.

2. Фетисов Г.П., Карпман М.Г., Матюнин В.М. и др. Материаловедение и технология металлов – М.: Высшая школа, 2001. – 640 с.

Образование межатомных связей при сварке

Хорошо известно, что конструкционные материалы представляют собой агрегат атомов (ионов), находящихся во взаимодействии. Физические и прочностные характеристики твёрдых тел определяются расположением атомов (ионов) и химическими связями, действующими между ними.

Все твердые тела сопротивляются как деформации растяжения, так и деформации сжатия. Следовательно, между частицами твердого тела действуют как силы притяжения, так и силы отталкивания. При определенном расстоянии между частицами эти силы уравновешиваются, что и соответствует равновесному состоянию кристалла. В грубом приближении это может быть пояснено механической моделью (рисунок 1), представляющей собой два шарика, соединенных натянутым резиновым шнуром и сжатой спиральной пружиной. Шарики находятся в равновесии, так как сила натяжения шнура уравновешена расталкивающей силой сжатия пружины.

Рисунок 1 - Модель межатомных сил в твёрдом теле

На самом же деле картина значительно сложнее, так как силы взаимодействия между частицами тела находятся в более сложной зависимости от расстояния между ними, чем упругие силы. Теория и опыт показывают, что силы притяжения между частицами твердого тела проявляются уже при таких расстояниях, при которых силы отталкивания еще не сказываются. Те и другие силы возрастают с уменьшением расстояния между частицами, но силы притяжения возрастают значительно медленнее, чем силы отталкивания.

При соединении металлов атомы сближаются на расстояние 0,0002-0,0003 мкм, когда волновые функции валентных электронов перекрываются, и эти электроны получают возможность переходить от одного атома к другому, довольно свободно перемещаясь по всему объёму металла. Валентные электроны принято называть «коллективизированными», а связь, существующую между ионами, - металлической.

Для того, чтобы сварное соединение обладало теми же свойствами, что и свариваемые материалы, необходимо в зоне соединения (между свариваемыми поверхностями) сформировать такие же химические связи, как и в соединяемых материалах.

Для пояснения процесса образования сварного соединения рассмотрим схематически соединение двух монокристаллов с идеально чистыми и идеально ровными поверхностями (рисунок 2).

а - монокристаллы до сварки; б - монокристаллы после сварки; 1 - ион кристаллической решётки; 2 - граница сварного соединения Рисунок 2 - Схема образования сварного соединения между двумя моно кристаллами

Соединение таких монокристаллов (состояние а) в единое целое (состояние б) произойдёт, если сблизить их поверхности на расстояние равное или близкое параметру кристаллической решётки 0,0002-0,0003 мкм.

Сварка реальных твёрдых тел затрудняется рядом факторов. Реальные тела - поликристаллические. Они не имеют идеально чистых и гладких поверхностей.

После механической обработки на поверхности металлов присутствует и макроскопическая, и микроскопическая геометрическая неоднородность - волнистость и шероховатость соответственно. Микровыступы располагаются на волнистой поверхности, шаг которой может составлять от 1000 до 10000 мкм, а высота микровыступов от нескольких микрометров (после шлифования) до десятков микрометров (после токарной и фрезерной обработки), что на несколько порядков больше параметра кристаллической решётки.

При сближении таких поверхностей их контактирование произойдёт не по всей поверхности, а лишь в отдельных точках (рисунок 3).

Рисунок 3 - Модель контакта твёрдых тел по макроскопической волнистости (а) и микроскопической шероховатости (б) поверхностей

Задача соединения реальных поверхностей металлов в одно целое значительно осложняется и наличием на контактных поверхностях, помимо микровыступов, оксидов, адсорбированных газов, влаги, органических (жировых) загрязнений.

Образование металлических связей возможно при условии удаления с контактных поверхностей загрязнений (наиболее прочными из которых являются оксиды) и обеспечения сплошности физического контакта, т. е. при сближении свариваемых поверхностей на расстояние параметра кристаллической решётки по всей поверхности соединения.

При всех способах сварки соединяемые поверхности предварительно подвергают обработке, обеспечивающей удаление поверхностных загрязнений и определённую геометрию поверхности. Однако в атмосфере воздуха на очищенных поверхностях уже за 2,4*10 -9 ч образуется мономолекулярный слой газа, поэтому, как бы ни очищали поверхности металла перед сваркой, они всегда оказываются покрытыми слоем оксида.

Наименьшую высоту микровыступов на свариваемых поверхностях обеспечивает их особо чистовое полирование, но и после такой трудоёмкой обработки высота микровыступов в сотни раз больше параметра кристаллической решетки. Поэтому образование сварного соединения (сближение свариваемых поверхностей, удаление оксидов и образование металлических связей) может происходить в процессе пластической деформации свариваемых поверхностей под действием приложенных сжимающих давлений или в процессе оплавления поверхностей с последующим самопроизвольным образованием общей сварочной ванны. Следовательно, все способы сварки можно условно разделить на сварку давлением и сварку плавлением.

Сварка давлением может осуществляться без подогрева (холодная сварка) и с подогревом. При холодной сварке необходима деформация более 90 %, в процессе которой происходит смятие микровыступов на свариваемых поверхностях и разрушение оксидных плёнок (рисунок 4).

	а - исходное состояние; б - после сварки; 1 - свариваемые пластины; 2 - инструмент для передачи давления (пуансоны)
Рисунок 4 - Схема холодной сварки пластин

Подогрев свариваемых заготовок облегчает процесс сварки, и соединение происходит при значительно меньшей деформации (рисунок 5).

	a - исходное состояние; б - после сварки; 1 - свариваемые заготовки; 2 - инструмент для передачи давления (пуансоны); 3 - нагреватель (индуктор)
Рисунок 5 - Схема сварки давлением с подогревом

При расплавлении металла в нём сохраняются связи между атомами (ионами). Сохраняются они и на межфазных границах твёрдый металл - жидкий, образовавшихся при плавлении кромок. Поэтому для формирования непрерывной межатомной связи достаточно образования общей сварочной ванны и, как следствие, исчезновения границы между соединяемыми поверхностями (рис. 1.6).

	а - исходное состояние; б - после сварки;1 - свариваемые заготовки; 2 - сварной шов
Рисунок 6 - Схема образования соединения при сварке плавлением

Формированию сварного соединения могут препятствовать поверхностные загрязнения, прежде всего — оксиды. При этом оксиды могут растворяться в сварочной ванне (например, при сварке сталей, титана и др.) и загрязнять сварной шов кислородом. Если же оксиды тугоплавкие и нерастворимы в жидком металле, то они препятствуют сплавлению металла и образованию общей сварочной ванны (например, при сварке алюминия). В этом случае изыскивают приёмы, обеспечивающие разрушение и удаление оксидов в процессе сварки.

Таким образом, процесс сварки следует рассматривать как совокупность технологических приёмов (расплавление свариваемых поверхностей с образованием сварочной ванны, нагрев и деформация свариваемых заготовок и пр.) для установления межатомных связей на границах раздела соединяемых заготовок.

Следует отметить, что образование металлических связей между свариваемыми поверхностями — основной и необходимый этап формирования соединения, однако он не определяет конечные свойства полученных сварных соединений. Эти свойства зависят от ряда процессов, сопутствующих образованию межатомных связей - процессов, которые изменяют в зоне сварного соединения микроструктуру, химический и фазовый состав, и формируют внутренние напряжения, а также способствуют развитию деформации.

Наибольшие отклонения свойств сварного соединения от свойств основного металла наблюдаются при сварке плавлением, так как в этом случае металл нагревается, во-первых, неравномерно по всему объёму свариваемых заготовок и, во-вторых, до наиболее высокой температуры -температуры плавления.

При сварке давлением также могут происходить изменения фазового состава и микроструктуры свариваемых заготовок, так как металл может нагреваться выше температуры рекристаллизации и фазовых превращений. Но эти изменения не столь существенны, как при сварке плавлением.

Поэтому при рассмотрении процесса образования сварного соединения в условиях сварки плавлением следует ознакомиться с закономерностями:

· изменения химического состава металла сварного шва;

· формирования структуры соединения;

образования внутренних (сварочных) напряжений, возникающих при неравномерном нагреве и способных вызывать деформации свариваемых конструкций и даже разрушение сварного соединения.

Процесс образования соединения при сварке

Процесс образования соединения при сварке происходит в три стадии. На первой стадиидостигается физический контакт, т.е. осуществляется сближение соединяемых веществ на расстояния, необходимые для межатомного взаимодействия. На второй ста­диипроисходит химическое взаимодействие и заканчивается процесс образования прочного соединения. Эти две стадии ха­рактерны для микроучастков. В микрообъемах процесс сварки завершается третьей стадией— диффузией.

Для качественного соединения материалов необходимо обес­печить контакт по большей части стыкуемых поверхностей и их активацию. Активацияповерхностей состоит в том, что поверх­ностным атомам твердого тела сообщается некоторая энергия, необходимая для обрыва связей между атомами тела и атомами внешней среды и для повышения энергии поверхностных атомов до уровня энергетического барьера схватывания, т.е. для перевода их в активное состояние. Такая энергия может быть сообщена в виде теплоты (термическая активация), упругопластической деформации (механическая активация) и других видов воздей­ствия.

При сварке плавлениемметалл соединяемых элементов (рис. 18.1, а) в месте сварки доводится до жидкого состояния теплотой, при этом происходит локальное расплавление основ­ного (свариваемого) металла по кромкам соединяемых элементов. Сварка может осуществляться за счет расплавления основного металла или основного и дополнительного (присадочного) метал­лов. В практике преимущественное применение находит второй вариант.

Расплавленные основной и дополнительный металлы само­произвольно, без приложения внешних сил, сливаются в об­щую сварочную ванну(рис. 18.1, б), смачивающую оставшуюся твердую поверхность соединяемых элементов. При этом проис­ходит сближение атомов металла сварочной ванны и основного металла до расстояния, при котором возникают атомно-молеку- лярные связи. В процессе расплавления металла устраняются неровности поверхности, органические пленки, адсорбирован­ные газы, оксиды и другие загрязнения, мешающие сближению атомов. Межатомному сцеплению способствует повышенная под­вижность атомов, обусловленная высокой температурой расплав­ленного металла.

По мере удаления источника нагрева жидкий металл остывает и происходит его затвердевание — кристаллизация.Кристалли­зация начинается на границе раздела между твердым основным металлом и расплавленным металлом сварочной ванны. Граница раздела является поверхностью охлаждения основного и приса­дочного материала.

Зародышевыми центрами кристаллизации являются оплав­ленные зерна основного металла, на которых, как на своеобразной подложке, начинают расти первичные столбчатые кристаллы сварного шва (рис. 18.1, в).Эти кристаллы растут нормально к поверхности охлаждения в глубь жидкого металла ванны и име­ют вид дендритов разной величины.

При сравнительно малой продолжительности существования сварочной ванны (малый объем ванны, повышенная скорость свар­ки) столбчатые кристаллы могут прорасти до встречи в области центральной линии шва (рис. 18.1; г).При большой ванне и мед­ленной ее кристаллизации в центральной части сварочного шва образуется небольшая зона равноосных кристаллов (рис. 18.1, д). После завершения кристаллизации сварочной ванны образует­ся монолитный, имеющий литую структуру шов, соединяющий в единое целое ранее разобщенные детали.

При сварке давлением(в твердом состоянии) сближение ато­мов и активация (очистка) поверхностей достигаются в резуль­тате совместной упругопластической деформации в месте контак­та соединяемых материалов, часто с дополнительным нагревом.

Первая стадия сварки характеризуется деформацией как мик­рошероховатостей, так и волнистостей на соединяемых поверх­ностях (рис. 18.2, а). В зависимости от количества оксидных и адсорбционных наслоений в процессе сближения могут созда­ваться металлические связи в масштабе немногих микроскопи­ческих островков, но прочной связи не наблюдается.

Под действием усилияFвозможно фактическое соприкосно­вение отдельных микровыступов. Для реального металла, дефор­мируемого на воздухе, в лучшем случае только десятитысячные доли общей площади контакта приходят в такое близкое сопри­косновение. На остальной плоскости зазоры между контакти- руемыми деталями измеряются долями микрометра или даже микрометрами. При этом даже высокие давления не способны в холодном состоянии создать через эти плоскости непосредст­венный контакт. Этот процесс происходит более эффективно при нагреве соединяемых поверхностей.

В процессе сближения, т.е. при одновременном деформиро­вании микрошероховатостей и волнистостей, начинается вторая стадия сварки — формирование физического контакта. В его ходе осуществляются схватывание отдельных атомов, их хими­ческое взаимодействие и образование общих кристаллов на гра­нице раздела соединяемых поверхностей. В дальнейшем идет процесс рекристаллизации и создания прочного сварного соеди­нения (рис. 18.2, б).

Длительность стадий образования физического контакта и хи­мического взаимодействия здесь существенно больше, чем при сварке плавлением, и зависит от ряда факторов: физико-химиче­ских и механических свойств соединяемых материалов, состояния их поверхности, состава внешней среды, характера приложения давления и других средств активации (ультразвук, трение и т.д.).

ОБЩЕЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ О ПРИРОДЕ. ОБРАЗОВАНИЯ СОЕДИНЕНИЙ. ПРИ КОНТАКТНОЙ СВАРКЕ

При сварке происходит процесс принудительного об­разования межатомных (химических) связей между атом­ными агрегатами, принадлежащими разным деталям. Для сварки металлических конструкций характерно воз­никновение преимущественно металлической формы связи, обусловленной взаимо­действием ионов и обоб­ществленных валентных

Рис. 1.1. Схема образова­ния соединения двух тел с идеально чистыми и глад­кими поверхностями: а — кристаллы до соедине­ния; б — после соединения

электронов. Металлическая связь образуется при сбли­жении атомов на расстояния, близкие к параметру кри­сталлической решетки (несколько ангстремов).

Соединение идеальных тел. Рассмотрим вначале про­цесс образования сварного соединения двух тел с совер­шенно ровными и чистыми поверхностями, а также с оди — наковым^типом и ориентацией кристаллической решетки

Если расстояние I значительно превышает параметр решетки, взаимодействия атомов не происходит. При этом силы притяжения Fnp (вызванные взаимодействием внеш­
них электронов атомов одного тела с ядрами атомов другого тела), а также силы отталкивания Fm (вызван­ные взаимодействием электронов поверхностных атомов одного тела с электронами атомов другого тела и ядер атомов обоих тел) близки нулю (рис. 1.2).

Если не учитывать небольшие силы Ван-дер-Ваальса, то по мере сближения атомов до расстояния /2 (соизме­римого с /0) появляются силы отталкивания FOT, так как начинается электростатическое взаимодействие электро­нов, находящихся на наиболее удаленных орбитах. Вну­тренняя энергия системы двух тел повышается. Возникает так называемый энергетический барьер.

Если энергия атомов (или внешняя сила) достаточна для преодоления FOT, возможно дальнейшее Сближение атомов. Тогда на расстоянии 1г начинается объединение наружных электронных оболочек, т. е. сваривание. Силы отталкивания резко уменьшаются, а силы притяжения возрастают. Энергия системы снижается.

Однако по мере сближения внутренних электронных орбит сила отталкивания вновь увеличивается и на рас­стоянии 10 становится равной F„р. Равнодействующая этих сил Fр оказывается равной нулю. Энергия системы достигает минимума и соответствует энергии атомов в кри­сталлической решетке, а расстояние 10 соответствует минимальному расстоянию между атомами в данной кри­сталлической решетке. Между поверхностными атомами обоих тел устанавливаются прочные металлические связи. Заканчивается процесс сваривания (схватывания). Со­стояние системы на расстоянии /0 устойчивое. Действи­тельно, дальнейшему сближению атомов препятствует резко возрастающая сила отталкивания (из-за перекры­тия внутренних электронных оболочек). Обратному раз­двиганию атомов препятствует сила притяжения.

Таким образом, для получения соединения необхо­димо преодолеть энергетический барьер схватывания, т. е. затратить дополнительную энергию извне, даже при сварке идеальных тел. Эта энергия называется энергией активации Еа. Ее можно вводить путем деформирования тел (механической активации) или нагрева (термическая активация). При контактной сварке часто применяют оба способа активации.

При механической активации прикладывают значи­тельные сжимающие усилия, достаточные для преодоле­ния сил отталкивания.

При термической активации систему нагревают обьїчно до температур, близких или равных температуре плавле­ния. Увеличивается потенциальная и кинетическая энер­гия атомов. Стабильность электронных конфигураций уменьшается. Повышается вероятность объединения элек­тронных оболочек на увеличенных расстояниях.

Соединение реальных тел. На поверхности реальных тел обычно находятся слои окислов, адсорбированной влаги и газа. Кроме того, поверхность деталей неровная, она имеет определенный макро — и микрорельеф. Толщина пленок и размеры шероховатости на несколько порядков превышают расстояние /0 и дополнительно препятствуют образованию металлической связи по всей площади контакта. Поэтому для соединения реальных тел кроме Еа необходимо приложить дополнительную энергию £д для устранения неровностей, а также для высвобождения наружных связей поверхностных атомов (т. е. очистки поверхностей от пленок). Обычно на практике £д » Еа. Таким образом, можно считать, что для образования соединения реальных тел нужно затратить энергию

Если неровности и поверхностные пленки удалены, то возможно дальнейшее сближение атомов с преодоле­нием энергетического барьера схватывания и образова­нием металлической связи. Однако уровень минимальной энергии системы £mln (на расстоянии /„) в случае сварки реальных тел оказывается выше, чем в случае идеальных тел. Это обусловлено несовпадением ориентировки кри­сталлической решетки, а иногда ее параметров и даже типа. Соединяемые поверхности заменяются границей соединения с более высокой энергией, чем у атомов внутри неискаженной кристаллической решетки.

Последовательность формирования соединения. В про­цессе образования сварного соединения обычно выделяют три основные стадии (рис. 1.3): А) формирование физиче­ского контакта; Б) образование химических (металли­ческих) связей; В) развитие различных релаксационных процессов на границе полученного соединения и в объеме Деталей.

В каждой элементарной точке тела эти процессы идут последовательно, а по отношению ко всей соединяемой поверхности могут развиваться одновременно.

На первой стадии А начинается сближение атомов. Устраняются неровности и поверхностные пленки. Стадия заканчивается формированием физического контакта, т. е. такого контакта тел, в котором атомы находятся на рас­стоянии 12, необходимом для начала межатомного взаимо­действия (преодоления электростатического отталкива­ния электронов внешних орбит).

На второй стадии Б происходит активация атомов, преодолевается энергетический барьер схватывания, раз­виваются квантовые процессы электронного взаимодей-

ствия, происходит объединение электронных оболочек, возникают химические (металлические) связи и образуется сварное соединение. Эти процессы сопровождаются на­гревом и деформацией деталей. Для контактной сварки характерны высокие температуры соединяемых поверх­ностей и сравнительно небольшая степень деформации.

Длительность стадий А и Б зависит от принятой формы активации тел, от физико-химических и механиче­ских свойств свариваемых металлов, режимов сварки, состояния их поверхности, состава внешней среды и дру­гих факторов.

При механической активации (например, при стыковой сварке сопротивлением) длительность формирования фи­зического контакта (от момента приложения внешнего давления) значительно больше, чем при сварке с расплав­лением. Она обусловлена необходимостью деформирова­ния микро — и макрорельефа поверхностей и зависит от
высоты неровностей, скорости ползучести металлов, ве­личины температуры, давления и др., а также сложностью удаления поверхностных пленок.

При термической активации (например, при точечной и шовной сварке) физический контакт возникает практи­чески одновременно с расплавлением и перемешиванием жидкого металла.

Переход от стадии А к стадии Б происходит не мгно­венно, а с некоторой задержкой (периодом ретардации). Величина этого периода также зависит от способа акти­вации, свойств металлов, режимов сварки. При механи­ческой активации он обычно значительно больше, чем при термической. Практически при сварке с расплавле­нием химические связи образуются одновременно с обра­зованием физического контакта.

На третьей стадии В через границу соединения начи­нается взаимная диффузия атомов, развиваются различ­ные сопутствующие сварке процессы (связанные с нагревом и деформированием металла), происходят кристаллиза­ция и охлаждение соединения. В ряде случаев на этой стадии проводят вторичный нагрев и охлаждение соеди­нений (термообработка и т. п.).

Кристаллизация и охлаждение соединений резко по­вышают прочность металлической связи (см. рис. 1.3). Однако различные сопутствующие процессы меняют строе­ние и свойства зоны сварки и в той или иной степени уменьшают прирост прочности. В некоторых случаях они приводят к разрушению соединения (штриховые линии на рис. 1.3).

Более подробно условия протекания процессов, харак­терных для формирования соединений, при различных методах сварки и разнообразных металлах, изложены в последующих разделах книги (см. гл. 2 и 3).

Читайте также:

  
• Билет 2 сварочные соединения
  
• Сварка под флюсом резервуаров
  
• Сварочный полуавтомат схема электрическая принципиальная схема
  
• Сварка днища ваз 21099
  
• Медная подкладка для сварки