Теория сварочных процессов учебник
В учебнике изложен материал по источникам энергии, тепловым, физико-химическим и металлургическим процессам, деформациям и превращениям в металле при сварке. Большое внимание уделяется использованию для сварки лучевой энергии и энергии взрыва, расчетам температурных полей при сварке разнородных металлов, деформациям при сварке легированных и термоупрочняемых сталей и сплавов.
Предисловие
От авторов
Раздел I. Источники энергии при сварке
Глава 1. Физические основы и классификация процессов при сварке
1.1. Виды элементарных связей в твердых телах и монолитных соединениях
1.2. Физико-химические особенности получения сварных, паяных и клеевых соединений
1.3. Термодинамика и баланс энергии процесса сварки
1.4. Классификация процессов сварки
1.5. Оценка эффективности и требования к источникам энергии для сварки
Глава 2. Физико-химические процессы в дуговом разряде
2.1. Проводимость твердых тел, жидкостей и газов
2.2. Электрический разряд в газах
2.3. Элементарные процессы в плазме дуги
2.4. Элементы термодинамики плазмы
2.5. Явления переноса, баланс энергии и температура в столбе дуги
2.6. Приэлектродные области дугового разряда
2.7. Магнитогидродинамика сварочной дуги
2.8. Перенос металла в сварочной дуге
2.9. Сварочные дуги переменного тока
2.10. Сварочные дуги с плавящимся электродом
2.11. Сварочные дуги с неплавящимся электродом
2.12. Плазменные сварочные дуги
Глава 3. Термические недуговые источники энергии
3.1. Электронно-лучевые источники
3.2. Фотонно-лучевые источники
3.3. Газовое пламя
3.4. Электрошлаковая сварка (ЭШС)
3.5. Термитная сварка
Глава 4. Прессовые и механические сварочные процессы
4.1. Прессовые процессы
4.2. Механические процессы
Раздел II. Тепловые процессы при сварке
Глава 5. Основные понятия и законы в расчетах тепловых процессов при сварке
5.1. Основные понятия и определения
5.2. Поверхностная теплоотдача и краевые условия
5.3. Дифференциальное уравнение теплопроводности
5.4. Источники теплоты и их схематизация
Глава 6. Тепловые процессы при нагреве
6.1. Распространение теплоты от неподвижных источников
6.2. Движущиеся источники теплоты
6.3. Периоды теплонасыщения и выравнивания температур при нагреве движущимися источниками теплоты
6.4. Быстродвижущиеся источники теплоты
6.5. Влияние ограниченности размеров тела на процессы распространения теплоты
6.6. Нагрев тел вращения
6.7. Распределенные источники теплоты
6.8. Расчет температур при сварке разнородных металлов
6.9. Использование ЭВМ для расчетов полей температур
6.10. Экспериментальное определение температуры при сварке
Глава 7. Нагрев и плавление металла при сварке
7.1. Влияние режима сварки и теплофизических свойств металла на поле температур
7.2. Размер зоны нагрева
7.3. Термический цикл при однопроходной сварке. Максимальные температуры
7.4. Мгновенная скорость охлаждения при данной температуре
7.5. Длительность пребывания металла выше данной температуры
7.6. Термический цикл при многослойной сварке
7.7. Нагрев и плавление присадочного металла
7.8. Плавление основного металла
7.9. Тепловые процессы при электрошлаковой сварке
7.10. Тепловые процессы при контактной сварке и варке с применением давления
Раздел III. Физико-химические и металлургические процессы при сварке
Глава 8. Термодинамические и кинетические основы металлургических процессов
8.1. Приложение первого начала термодинамики к химическим процессам
8.2. Второе начало термодинамики и его применение к физико-химическим процессам
8.3. Энергия Гиббса и учение о равновесии в гомогенных системах
8.4. Равновесие в гетерогенных системах. Растворы
8.5. Элементы электрохимии
8.6. Кинетика гомогенных процессов
8.7. Кинетика гетерогенных процессов
Глава 9. Металлургические процессы при сварке
9.1. Процессы окисления металла шва
9.2. Оценка термодинамической устойчивости соединений
9.3. Окисление металлов при сварке
9.4. Раскисление металла сварочной ванны
9.5. Взаимодействие металлов с газами при сварке
9.6. Шлаковые фазы и их назначение
Глава 10. Особенности металлургических процессов при различных видах сварки
10.1. Способы защиты сварочной ванны от воздушной среды
10.2. Шлаковая защита сварочной ванны
10.3. Защитные газовые атмосферы при сварке плавлением
10.4. Смешанная газошлаковая защита сварочной ванны
10.5. Вакуумная защита сварочной ванны
10.6. Вредные примеси в металле при сварке и их удаление
Раздел IV. Термодеформационные процессы и превращения в металлах при сварке
Глава 11. Термодеформационные процессы при сварке
11.1. Понятие о сварочных деформациях и напряжениях
11.2. Свойства металлов при температурах сварочного термического цикла
11.3. Понятие о термодеформационном цикле при сварке
11.4. Теоретические методы определения сварочных деформаций и напряжений
11.5. Экспериментальные методы определения сварочных деформаций и напряжений
11.6. Типичные поля остаточных напряжений в сварных соединениях
11.7. Характер распределения временных напряжений и деформаций при сварке
Глава 12. Образование сварных соединений и формирование первичной структуры металла шва
12.1. Понятие свариваемости
12.2. Общие положения теории кристаллизации
12.3. Особенности кристаллизации и формирования первичной структуры металла шва
12.4. Химическая неоднородность сварного соединения
12.5. Дефекты кристаллической решетки в металлах при сварке
12.6. Характер изменения пластичности и прочности металлов и сплавов в области высоких температур при сварке
12.7. Природа образования горячих трещин при сварке
Глава 13. Фазовые и структурные превращения в металлах при сварке
13.1. Характерные зоны сварных соединений
13.2. Виды превращений в металле сварных соединений
13.3. Фазовые и структурные превращения при сварке сталей
13.4. Холодные трещины в сварных соединениях
13.5. Хрупкое разрушение металла сварных соединений
13.6. Трещины повторного нагрева
Теория сварочных процессов. Багрянский К.В., Добротина З.А., Хренов К.К. 1976
В учебнике описаны строение и основные свойства металлов, обрабатываемых сваркой, а также процессы деформации, разрушения и схватывания, лежащие в основе образования сварного соединения. Приведены краткие сведения об основных источниках тепла, применяемых в сварке, основы теории распространения тепла и примеры применения ее к сварочным процессам. Даны основные сведения по химической термодинамике, физической химии и диффузии, необходимые для понимания металлургических процессов при сварке и пайке. Рассмотрены основные вопросы свариваемости металлов. Учебник предназначен для студентов сварочных специальностей технических вузов.
Глава 1. Строение металлов
Агрегатные состояния вещества
Аморфное и кристаллическое строение твердых тел
Межатомные силы связи и их природа
Кристаллическая структура твердых металлов
Несовершенства в строении металлов
Монокристаллы и поликристаллические блоки
Теоретическая и техническая прочность металлов
Контрольные вопросы и задания
Глава 2. Деформация, разрушение и схватывание металлов
Деформация металла
Основные положения дислокационной теории пластической деформации металлов
Процессы разрушения твердых металлов
Схватывание металла
Контрольные вопросы и задания
Глава 3. Основные источники тепла в сварочной технике
Общие замечания
Электрический дуговой разряд
Плазменная струя
Электрическое сопротивление твердых и жидких проводников
Электрический индукционный нагрев
Химические процессы
Контрольные вопросы и задания
Глава 4. Тепловые основы сварки
Основные теплофизические величины, понятия и определения
Способы передачи тепла в твердом теле и с его поверхности
Уравнение теплопроводности
Упрощенные расчетные схемы нагреваемого тела и источников тепла
Распространение тепла в бесконечном теле
Распространение тепла в ограниченном теле
Расчетные схемы нагрева металла дугой
Расчет процесса распространения тепла при наплавке валика на массивное тело
Расчет процесса распространения тепла при однопроходной сварке пластин в стык
Влияние режима сварки и теплофизических свойств металла на температурное поле предельного состояния
Нагрев мощными быстродвижущимися источниками тепла
Термический цикл и максимальные температуры
Нагрев и плавление электрода и электродной проволоки при дуговой сварке
Нагрев и проплавление основного металла сварочной дугой
Контрольные вопросы и задания
Глава 5. Основные элементы физической химии
Элементы химической термодинамики
О химическом равновесии
Явления в жидких средах и на поверхностях раздела фаз
О химическом сродстве элементов к кислороду
Диффузия в металлах
Контрольные вопросы и задания
Глава 6. Металлургические основы сварки плавлением
Условия плавления металла и существования его в жидком состоянии
Газовая фаза в зоне сварки плавлением
Шлаковая фаза
Взаимодействие между расплавленным металлом, газовой средой и шлаком
Процессы кристаллизации металла при сварке
Контрольные вопросы и задания
Глава 7. Технологическая прочность сварных соединений
Трещины при сварке и их классификация
Термодеформационные явления в металлах при сварке
Деформационная способность металла при температурах, близких к температуре солидус
Методика оценки склонности металла шва к образованию горячих трещин
Некоторые данные испытаний металла шва на технологическую прочность по методике МВТУ и ЖдМИ
Влияние формы конструкции на образование горячих трещин при сварке
Причины возникновения холодных трещин
Пути повышения технологической прочности сварных соединений
Контрольные вопросы и задания
Глава 8. Свариваемость металлов
Свариваемость углеродистых конструкционных сталей
Свариваемость низко- и среднелегированных сталей
Свариваемость высоколегированных сталей
Свариваемость чугунов
Свариваемость меди и сплавов на основе меди
Свариваемость никеля и его сплавов
Свариваемость алюминия и его сплавов
Свариваемость титана и его сплавов
Свариваемость тугоплавких и активных металлов
Свариваемость нержавеющих жаропрочных сталей с перлитными сталями
Свариваемость стали с медью и ее сплавами
Свариваемость стали с никелем и его сплавами
Свариваемость стали с алюминием и его сплавами
Свариваемость стали с активными и тугоплавкими металлами
Контрольные вопросы и задания
Сводка перевода встречающихся в тексте различных единиц в единицы Международной системы (СИ)
Теория сварочных процессов (с основами физической химии). Петров Г.Л., Тумарев А.С. 1977
В учебнике освещены вопросы физической сущности процесса сварки, даны классификация и описание основных способов сварки, в краткой форме рассмотрены основные законы и положение физической химии, 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 для различных металлов и сплавов, а также вопросы технологической свариваемости металлов и принципы выбора способа и режимов сварки для изготовления различных сварных конструкций. Предназначен для студентов очных и заочных отделений, а так же для инженерно-технических работников, работающих в области сварочного производства.
Глава I. Физические основы сваривания металлов
§ 1. Физические основы процесса сварки металлов
§ 2. Классификация видов сварки
§ 3. Основные виды сварки металлов
Глава II. Основы физической химии
§ 4. Общие положения и первый закон термодинамики
§ 5. Второй закон термодинамики
§ 6. Характеристические функции и термодинамические потенциалы
§ 7. Растворы
§ 8. Обратимость и равновесие химических реакций
§ 9. Вычисление констант равновесия химических реакций
§ 10. Диссоциация окислов
§ 11. Кинетика химических реакций
§ 12. Некоторые явления в жидких средах и на поверхности раздела фаз
Глава III. Сварочные источники тепла
§ 13. Общие требования к сварочным источникам тепла
§ 14. Газосварочное пламя
§ 15. Сварочная дуга
§ 16. Нагрев электрическим током при наличии контактного сопротивления
§ 17. Электрошлаковый источник тепла
§ 18. Новые сварочные источники тепла
§ 19. Сравнительные характеристики различных источников тепла для сварки плавлением
Глава IV. Нагрев металла сварочными источниками тепла
§ 20. Общие положения и основы тепловых расчетов применительно к условиям сварки
§ 21. Основные расчетные схемы нагрева металла сварочными источниками тепла
§ 22. Термические расчеты применительно к сварке массивного тела точечным источником тепла
§ 23. Температурные поля в пластине при ее проплавлении на всю толщину
§ 24. Нагрев плоского слоя точечным источником тепла
§ 25. Периоды теплонасыщения и выравнивания температуры
§ 26. Температурные поля распределенных источников тепла
§ 27. Расчет нагрева и плавления электродной проволоки
§ 28. Использование тепловых расчетов применительно к условиям сварки
Глава V. Металлургические процессы при сварке плавлением
§ 29. Общая характеристика металлургических процессов при сварке плавлением
§ 30. Влияние кинетических факторов на процессы взаимодействия металла с окружающей средой в условиях сварки плавлением
§ 31. Взаимодействие металла с кислородом при сварке сталей плавлением
§ 32. Взаимодействие металла с азотом и водородом при сварке плавлением
§ 33. Взаимодействие металла при сварке со сложными газами, содержащими кислород
§ 34. Особенности состава газовой фазы при дуговой сварке плавящимся электродом и ее взаимодействие с металлом
§ 35. Особенности взаимодействия металла и шлаков при сварке
§ 36. Совместное воздействие шлака и газовой фазы на металл при сварке плавлением
§ 37. Процессы раскисления металла при сварке плавлением
§ 38. Легирование металла при сварке плавлением
§ 39. Рафинирование металла при сварке плавлением
Глава VI. Сварочная ванна, кристаллизация металла при сварке и формирование металла шва
§ 40. Сварочная ванна, ее образование и основные характеристики
§ 41. Основные закономерности процесса кристаллизации
§ 42 Особенности кристаллизации металла в сварочной ванне
§ 43. Ликвация примесей при кристаллизации металла сварочной ванны
§ 44. Характерные зоны металла шва при одно- и многопроходной сварке
§ 45. Деформирование металла при высоких температурам сварки и его деформационная способность
§ 46. Горячие трещины при сварке
§ 47. Поры и неметаллические включения в сварных швах
Глава VII. Влияние термодеформационного цикла сварки на структуру и свойства металла в сварных соединениях
§ 48. Общий характер термодеформационного воздействия на металл при сварке
§ 49. Характерные зоны металла в сварных соединениях
§ 50. Зона термического воздействия при сварке низкоуглеродистых сталей
§ 51. Структура и свойства металла зоны термического влияния при сварке закаливающихся сталей и чугуна
§ 52. Изменение свойств металла в околошовных зонах высоколегированных сталей
§ 53. Особенности изменения структуры и свойств металла в зоне термического влияния при сварке различных цветных металлов и сплавов
§ 54. Особенности структуры сварных соединений, выполненных многослойными швами
§ 55. Холодные трещины в сварных соединениях
§ 56. Влияние термической обработки сварных соединений на их структуру и свойства
Глава VIII. Технологическая свариваемость металлов и факторы, ее определяющие
§ 57. Представление о свариваемости металлов и сплавов в связи с их свойствами, размерами и назначением сварных конструкций
§ 58. Выбор вида сварки в связи с технологическое свариваемостью
§ 59. Принципы выбора сварочных материалов для различных случаев сварки
§ 60. Принципы выбора рациональных режимов сварки различных конструкций
Теория сварочных процессов учебник
Год выпуска: 1977
Автор: Г.Л. Петров., А.С. Тумарев
Жанр: Технические науки
Издательство: Высшая школа
Язык: Русский
Формат: DJVU
Количество страниц: 392
В учебнике освещены вопросы физической сущности процессе сварки, даны классификация и описание основных способов сварки, в краткой форме рассмотрены основные законы и положение физической химии, 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 для различных металлов и сплавов, а также вопросы технологической свариваемости металлов и принципы выбора способа и режимов сварки для изготовления различных сварных конструкций.
В соответствии с действующими учебными планами настоящий учебник является первым специальным курсом специальностей «Оборудование и технология сварочного производства» и «Металлургия и технология сварочного производства». Учебник охватывает все основные разделы курса.
В учебнике обобщены основные достижения отечественной и зарубежной сварочной науки и техники по вопросам теории наиболее важных сварочных процессов.
Единицы измерения основных величин выражены в системе МКСС и дублированы в СИ.
При подготовке второго издания учебника авторами переработаны все основные разделы с учетом новых научных и технических материалов и обобщений, которые за последние годы появились в советской и иностранной литературе по вопросам теории сварочных процессов, выпущенной в виде монографии и учебных пособий, в частности коллектива авторов МВТУ, Ждановского металлургического института, ЛПИ им. М. И. Калинина и др., а также ряд статей, научно-технических журналов. Учтены также отдельные замечания по уточнению изложения некоторых разделов первого издания учебника. Второе издание дополнено рядом новых видов сварки, более полным рассмотрением условий деформирования и образования трещин в сварных соединениях и более широким охватом разделов по физической химии.
Учебник рассчитан на студентов, имеющих необходимые знания по общетехническим предметам, металловедению и производству металлов и сплавов. Отдельные разделы учебника могут быть использованы студентами сварочных специальностей вузов при проработке курсов «Технология сварки плавлением», «Проектирование сварных конструкций» и др.
Учебником могут пользоваться студенты как очного, так и заочного отделений. В ряде разделов он может быть полезен для инженерно-технических работников, работающих в области сварочного производства.
Главы I, III, IV, V, VI и VII написаны проф. Г. Л. Петровым, глава II — проф. А. С. Тумаревым. В главе VIII использован материал, написанный доц. В. П. Демянцевичем для 1-го издания.
Авторы выражают благодарность рецензентам за ценные замечания, позволившие улучшить изложенный материал.
Сварка является одним из ведущих технологических процессов изготовления и ремонта многообразных конструкций различных отраслей промышленности. Ее широкое применение определяется возможностью создания наиболее целесообразных, эффективных, в эксплуатации и одновременно технологичных, удобных в изготовлении конструкций. Сварка позволяет создавать конструкции, в которых целесообразно используются разнообразные металлы и сплавы в зависимости от назначения тех или иных частей конструкции, а также детали и заготовки, полученные наиболее рациональными методами их изготовления (прокат, штамповки, литье, поковки и т. д.).
По сравнению с другими методами изготовления металлических конструкций (литых, кованых, выполненных с помощью клепки) аналогичные сварные конструкции, как правило, оказываются более легкими. Экономия в весе металла составляет при этом от 10 до 50%. Целый ряд конструкций, например в энергомашиностроении, при необходимости их длительной эксплуатации при повышенных и высоких температурах вообще невозможно создать без применения различных сварных соединений.
Использование новых конструкционных металлов и сплавов для изготовления деталей и изделий разнообразного назначения возможно только при условии разработки методов их соединения, и в частности сварки. В настоящее время сварными изготовляют изделия и конструкции не только из углеродистых, но и из различных легированных и высоколегированных сталей, никелевых и медных сплавов, легких титановых, алюминиевых и магниевых сплавов, тугоплавких металлов — ниобия, тантала, молибдена и вольфрама.
Сварка простейших металлов и пайка как методы соединения известны человечеству давно, практически с периода освоения производства металла и начала изготовления металлических изделий. Так, производство кричного железа всегда сопровождалось свариванием посредством ковки горячей крицы. Изделия, сваренные кузнечной сваркой или соединенные пайкой, найдены в раскопках, относящихся примерно к четырехтысячелетней давности.
Однако современные методы сварки, в частности связанные с местным расплавлением металла, начали появляться и разрабатываться только с конца XIX в. В изобретении и разработке большинства современных способов сварки ведущая роль принадлежит русским изобретателям, советским ученым, инженерам, новаторам.
Первым по времени из современных способов сварки появилась дуговая сварка неплавящимся электродом, созданная русским изобретателем Н. Н. Бенардосом в 1882 г. Н. Н. Бенардос в своем изобретении использовал идею русского физика В. В. Петрова, открывшего в 1802 г. электрический дуговой разряд и указавшего на возможность его применения для расплавления металлов.
Кроме дуговой сварки неплавящимся электродом Н. Н. Бенардос заложил основы газоэлектрических методов сварки, предложил в 1887 г. точечную сварку, с использованием угольных электродов.
Наиболее распространенный современный способ дуговой сварки плавящимся электродом был разработан в 1886 г. русским инженером Н. Г. Славяновым. Им все впервые осуществлены практические работы по соединению различных деталей сваркой, заложены основы металлургической обработки металлов при сварке шлаками и ферросплавами, а также созданы устройства, позволяющие механизировать процесс сварки плавящимся электродом.
Способы дуговой сварки неплавящимся и плавящимся электродами Н. Н. Бенардосом и Н. Г. Славяновым были запатентованы кроме России и в ряде других стран. По настоящее время в мировой технической литературе часто эти основные виды сварки называют по их имени — способ Бенардоса и способ Славянова.
Разработанные в 90-х годах XIX в. газовая и термитная сварки уже в начале XX в. стали широко применяться и временно обогнали в своем развитии дуговую сварку. Однако в дальнейшем, главным образом в связи с разработкой ряда вопросов металлургии сварки, дуговая сварка стала основным промышленным способом, широко используемым при изготовлении и ремонте металлических конструкций. Этому способствовала и механизация процессов дуговой сварки, особенно разработка автоматической и полуавтоматической сварки под флюсом и в защитном газе.
Впервые идея применения порошкообразных веществ для защиты дугового пространства при сварке была запатентована советским изобретателем Д. А. Дульчевским в 1929 г.
Замена горючих порошкообразных веществ расплавляющимися шлакообразующими способствовала возникновению сварки под флюсом закрытой дугой. Ведущее место в разработке оборудования и технологии сварки под флюсом занимает Институт электросварки им. Е. О. Патона АН УССР, ЦНИИТМАШ, ВНИИЭСО и др., а также некоторые высшие учебные заведения. Значительные работы по этому виду сварки проведены и за рубежом.
Год выпуска: 1976
Автор: К.В. Багрянский, З.А. Добротина, К.К. Хренов
Жанр: Технические науки
Издательство: Вища школа
Язык: Русский
Формат: DJVU
Количество страниц: 424
В учебнике описаны строение и основные свойства металлов, обрабатываемых сваркой, а также процессы деформации, разрушения и схватывания, лежащие в основе образования сварного соединения. Приведены краткие сведения об основных источниках тепла, применяемых в сварке, основы теории распространения тепла и примеры применения ее к сварочным процессам. Даны основные сведения по химической термодинамике, физической химии и диффузии, необходимые для понимания металлургических процессов при сварке и пайке. Рассмотрены основные вопросы свариваемости металлов.
Учебник предназначен для студентов сварочных специальностей технических вузов.
Для понимания роли и значения сварки в развитии производительных сил общества важно определить ее место среди других способов соединения твердых тел.
Способы соединения твердых материалов можно разделить на механические и за счет молекулярных сил сцепления. К первой группе относятся соединения болтовые, заклепочные, клиновые и т. п., ко второй — соединения сваркой, пайкой, склеиванием цементами и пр. Соединения могут быть разъемными (допускающими разборку без разрушения соединенных деталей) и неразъемными.
В настоящее время сварку широко применяют для соединения почти всех металлов и их сплавов, стекол, пластмасс и керамики. Поэтому ее можно считать важнейшим способом соединения твердых тел. В этой книге рассматривается только сварка металлов.
Всякое конденсированное вещество, твердое или жидкое, представляет собой систему атомов и молекул, связанных межатомными или межмолекулярными силами сцепления. Эти силы возникают в результате взаимодействия электронных оболочек атомов. Для всех частиц тела, кроме находящихся у его поверхности, силы сцепления взаимно уравновешены. Атомы или молекулы, расположенные у поверхности тела, имеют свободные связи и в определенных условиях могут присоединять к себе другие молекулы или атомы, например адсорбировать газы либо вступать в связь с поверхностными атомами другого твердого или жидкого тела.
Таким образом, чтобы получить прочное соединение твердых теп, нужно обеспечить взаимодействие их поверхностных атомов. Для этого последние необходимо сблизить настолько, чтобы между ними могли возникнуть межатомные связи, т. е. на расстояния порядка атомных радиусов. В жидкостях такое сближение достигается сравнительно легко за счет подвижности частиц, но для твердых тел возникают значительные трудности. Их поверхности даже при самой тщательной обработке имеют неровности — выступы и впадины, размеры которых по сравнению с размерами атома огромны. При наложении поверхностей двух тел фактическое соприкосновение произойдет лишь в отдельных физических точках. Возможность сцепления атомов соприкасающихся поверхностей затрудняется тем, что в обычных условиях они всегда покрыты пленками оксидов, адсорбированных газов, всевозможных загрязнений. Эти пленки как броней защищают поверхность металла от соприкосновения.
Рассмотрим основные способы соединения твердых материалов за счет молекулярных сил сцепления.
Сварка. Соединение может образовываться без применения промежуточного материала, отличного от соединяемого металла, или с подачей его в зону сварки. Трудности получения прочного соединения преодолеваются нагревом соединяемых частей либо механическим сдавливанием или осадкой их. Нагрев ослабляет связи между атомами, делает их более подвижными, снижает твердость металла и повышает его пластичность — способность к пластическим деформациям. Осадка создает пластические деформации, вызывает течение металла вдоль поверхности раздела и его перемешивание, разрушает поверхностные слои металла, выводит на поверхность внутренние, свежие — ювенильные (не бывшие в соприкосновении с атмосферой) слои металла, сближает соединяемые поверхности и способствует соприкосновению их атомов. Нагрев и осадка при сварке взаимосвязаны: чем выше нагрев, тем меньше давление осадки и наоборот. Если нагрев в зоне сварки ведут до расплавления металла, осадка становится излишней. Обратный случай — холодная сварка. Соединение осуществляется высоким давлением осадки, металл остается все время холодным. Большинство способов сварки используют одновременно и нагрев и осадку.
Сварное соединение возникает в тонком слое, зона сварки носит пленочный характер. Увеличению толщины слоя сварки и повышению прочности сварного соединения могут способствовать процессы взаимного растворения, диффузии и кристаллизации металла соединяемых частей, протекающие более медленно.
Применяемые способы сварки (их существует более сотни) очень разнообразны. Их можно разделить на способы сварки плавлением (сварка в жидкой фазе) и сварки давлением (сварка в твердой фазе).
При сварке плавлением металл в зоне сварки расплавляется и переходит в жидкое состояние, соединение возникает за счет самопроизвольного слияния и взаиморастворения металла соединяемых частей, осадочное давление обычно не применяется. Металл сварного соединения по химическому составу и структуре значительно отличается от металла соединяемых частей. Свариваемый металл не требует особенно тщательной очистки: расплавляются как металл, так и загрязнения его поверхности, переходящие в шлак.
Для сварки давлением достаточен нагрев до меньших температур, а иногда — при соответствующем увеличении осадочного давления — и вовсе не требуется (холодная сварка). Сварка давлением не изменяет химического состава металла, а структуру меняет лишь незначительно. При этой сварке есть возможность приблизиться к идеальному случаю полного тождества металлов в зоне сварки и вне ее, полной неразличимости зоны сварки при металлографическом исследовании. Сварка давлением требует более тщательной подготовки и зачистки соединяемых поверхностей.
Преимуществами сварки обычно являются высокая производительность процесса и хорошая прочность сварных соединений. К недостаткам сварки можно отнести довольно значительную стоимость и сложность оборудования, применение высоких температур, значительную потребную мощность установок.
Пайка — процесс, родственный сварке плавлением. Шов, соединяющий детали, заполняется особым металлом — припоем, представляющим собой специальный сплав, по составу совершенно отличный от металла соединяемых деталей и более легкоплавкий. Расплавленный припой наносится на зачищенные кромки соединяемых частей, смачивает их и по затвердевании и кристаллизации образует соединительный шов. При этом возможны также процессы взаимного растворения и диффузии.
Припои весьма разнообразны по составу и назначению. Основой припоя чаще служит олово, реже — медь, серебро. Припой должен хорошо смачивать основной металл, адгезия (прилипание) припоя к основному металлу должна превышать когезию (сцепление частиц припоя). Паяют преимущественно металлы, хотя возможна и довольно широко применяется пайка неметаллических материалов, например керамики. Наиболее характерная особенность пайки и отличие ее от сварки плавлением состоят в том, что основной металл не плавится, а в твердом состоянии смачивается жидким припоем. От клейки (см. ниже) пайка отличается наличием взаимодействия припоя с основным металлом и характером затвердевания припоя: из жидкого состояния в твердое припой переходит в узком интервале температур. Расплавленный припой практически не оказывает сопротивления сдвигу, прочность соединения возникает лишь с затвердеванием припоя. Для очистки поверхности металла от оксидов и различных загрязнений, для улучшения смачивания при пайке широко применяют флюсы.
Преимуществами пайки являются небольшой нагрев металла, возможность широкой механизации и автоматизации процесса. К недостаткам можно отнести трудности пайки изделий больших размеров, значительную стоимость и дефицитность многих припоев, необходимость тщательной пригонки и очистки соединяемых поверхностей.
Клейка (склеивание) — наиболее универсальный способ соединения твердых материалов за счет сил молекулярного сцепления. Склеивать можно различные материалы: дерево, металлы, пластмассы, бетон, стекло, резину и т. п. С помощью клеев можно образовывать разнообразные сочетания материалов, например металла с деревом, пластмассами, резиной. Наиболее известны клеи из различных органических соединений. Клей вводится между соединяемыми частями обычно в жидком виде, реже — в форме порошка или пластинок, размягчаемых нагреванием. Введенный жидкий клей постепенно затвердевает вследствие испарения растворителя, химических реакций или полимеризации. В отличие от припоев клей с самого начала обладает некоторой, хотя и незначительной, прочностью, позволяющей удерживать детали в определенном положении. По мере затвердевания прочность клея постепенно возрастает и достигает максимума при окончательном затвердевании. Склеивание основано почти исключительно на адгезии; клей, как правило, не взаимодействует с соединяемым материалом. Прочность соединения может быть довольно высокой.
Преимуществами способа являются простота, небольшая стоимость, отсутствие нагрева, высокая универсальность, позволяющая соединять большое количество материалов в разнообразных сочетаниях. Успехи в производстве полимерных материалов и синтетических смол позволяют создавать новые, все более прочные клеи, и можно ожидать расширения применений склеивания. К недостаткам относятся снижение прочности клееных соединений уже при небольшом нагреве, старение клеев, снижающее их прочность, чувствительность некоторых клеев к воздействию сырости.
Соединение цементами широко используется в строительстве. Цементы, скрепляющие камень, бетон, кирпич, затвердевают и дают прочное соединение за счет химических реакций, причем обычно цементы взаимодействуют с соединяемым материалом.
Развитие сварки. Первые способы сварки возникли у истоков цивилизации — с началом использования и обработки металлов. Известны древнейшие образцы сварки, выполненные в VIII—VII тысячелетиях до н. э. Древнейшим источником металла были случайно находимые кусочки самородных металлов— золота, меди, метеоритного железа. Ковкой их превращали в листочки, пластинки, острия. Ковка с небольшим подогревом позволяла соединять мелкие кусочки в более крупные, пригодные для изготовления простейших изделий.
Позже научились выплавлять металл из руд, плавить его и литьем изготовлять уже более крупные и часто весьма совершенные изделия из меди и бронзы.
С освоением литейного производства возникла литейная сварка по так называемому способу промежуточного литья — соединяемые детали заформовывались, и место сварки заливалось расплавленным металлом. В дальнейшем были созданы особые легкоплавкие сплавы для заполнения соединительных швов и наряду с линейной сваркой появилась пайка, имеющая большое значение п сейчас.
Весьма важным этапом стало освоение железа около 3000 лет назад. Железные руды имеются повсеместно, и восстановление железа из них производится сравнительно легко. Но в древности плавить железо не умели и из руды получали продукт, состоявший из мельчайших частиц железа, перемешанных с частицами руды, угля и шлака. Лишь многочасовой ковкой нагретого продукта удавалось отжать неметаллические примеси и сварить частицы железа » кусок плотного металла. Таким образом, древний способ производства железа включал в себя процесс сварки частиц железа в более крупные заготовки. Из полученных заготовок кузнечной сваркой изготовляли всевозможные изделия: орудия труда, оружие н др. Многовековой опыт, интуиция и чутье позволяли древним мастерам иногда получать сталь очень высокого качества (булат) и кузнечной сваркой изготовлять изделия поразительного совершенства и красоты.
Кузнечная сварка и пайка были ведущими процессами сварочной техники вплоть до конца XIX в., когда начался совершенно новый, современный период развития сварки. Несоизмеримо выросло производство металла и всевозможных изделий из него, многократно — потребность в сварочных работах, которую не могли уже удовлетворить существовавшие способы сварки. Началось стремительное развитие сварочной техники — за десятилетие она совершенствовалась больше, чем за столетие предшествующего периода. Быстро развивались и новые источники нагрева, легко расплавлявшие железо: электрический ток и газокислородное пламя.
Особо нужно отметить открытие электрического дугового разряда, на использовании которого основана электрическая дуговая сварка — важнейший вид сварки настоящего времени. Видная роль в создании этого способа принадлежит ученым и инженерам нашей страны. Само явление дугового разряда открыл и исследовал в 1802 г. русский физик и электротехник, впоследствии академик В. В. Петров. Долгое время это крупнейшее открытие не использовалось из-за отсутствия источников тока, давших бы дешевую электрическую энергию. Лишь 80 лет спустя, в 1882 г., талантливый русский изобретатель Н. Н. Бенардос впервые в мире применил дуговой разряд для сварки и резки металлов. Дальнейшее совершенствование дуговой сварки осуществил в 1888 г. выдающийся русский инженер Н. Г. Славянов. Однако царская Россия несумела реализовать возможности, открытые изобретениями Бенардоса и Славянова, и великое русское изобретение — дуговая сварка, как это случалось неоднократно, реализовано было за границей — в США, Германии и Англии.
На своей родине дуговая сварка нашла широкое применение только после Великой Октябрьской социалистической революции — в ходе восстановления хозяйства и индустриализации всей страны. На примере освоения сварочной техники ярко проявились преимущества планового социалистического хозяйства. Создание сварочной техники явилось одной из задач, которые пришлось решать молодому социалистическому государству. И задача была решена блестяще. Для производства электросварочного оборудования в Ленинграде был построен завод «Электрик» (1932 г.). В то время это был самый мощный завод Европы по электросварочному оборудованию. Созданные специальные учебные заведения занялись подготовкой кадров: рабочих, техников и инженеров-сварщиков. Большое внимание было уделено научным исследованиям: появились многочисленные лаборатории и институты по проблемам сварки. Особенно велика роль Института электросварки АН УССР им. Е. О. Патона в Киеве, Московского высшего технического училища им. Баумана и ряда других институтов в проведении глубоких научных исследований. Появилась богатая советская литература по сварке. За короткий исторический срок Советский Союз стал общепризнанным международным авторитетом по сварке и занял ведущее положение в этой области. Сейчас наше производство сварочного оборудования и материалов не только удовлетворяет потребности страны, но и позволяет экспортировать это оборудование и материалы. Чрезвычайно возрос международный авторитет Советского Союза в вопросах сварки, советская сварочная техника повсеместно изучается и заимствуется.
Роль сварки в народном хозяйстве нашей страны очень велика. Сварка широко применяется в промышленности, па транспорте, в сельском хозяйстве, во всех производствах, занятых обработкой металла и изготовлением всевозможных металлических изделий,— от мельчайших деталей, обрабатываемых при помощи микроскопов, до гигантских сварных конструкций, корпусов морских судов, трубопроводов протяженностью в сотни километров и т. п. Насколько можно предвидеть, сварка сохранит важное промышленное значение и в будущем. Применение ее непрерывно расширяется, захватывая новые области. Сваркой уже соединяют не только металлы, но и многие неметаллические материалы (даже кости скелета живого человека при лечении переломов). Сварка найдет широкое применение в просторах космоса и в глубинах мирового океана, освоение богатств которого становится очередной задачей для населения нашей планеты.
Читайте также: