Физические основы процесса сварки металлов. 
Виды сварки

Рассмотрим физические основы процесса соединения двух поликристаллических тел из одного и того же материала в монолитное тело.

Основы процесса соединения двух металлов

Любое твердое или жидкое тело представляет собой систему атомов, ионов или молекул, связанных друг с другом внутренними силами притяжения. У кристаллических тел эти частицы расположены в узлах кристаллической решетки. Большинство металлов имеют кубические объемнои гранецентрированные решетки и гексагональную плотноупакованную решетку.

Для соединения двух твердых тел с получением монолита необходимо установить связь между их поверхностными атомами, т. е. сблизить их на расстояния, сопоставимые с параметром кристаллической решетки. Современные методы механической обработки (например, финишное полирование) обеспечивают сближение поверхностей на расстояние, приблизительно равное 100 нм. Но даже такая обработка не позволяет получить монолит по нескольким причинам:

• • расстояние между поверхностями несопоставимо больше параметра кристаллической решетки;
• • на поверхностях имеются загрязнения (оксидные и масляные пленки);
• • система атомов поверхностных слоев образует потенциальный барьер, для преодоления которого необходимо затратить дополнительную энергию — энергию активации поверхности.

В зону сварки такую энергию можно ввести в виде теплоты (термическая активация), упругопластической деформации (механическая активация) или посредством электронного и ионного облучения (радиационная активация). При сварке наиболее распространенными способами введения энергии являются нагрев и деформирование, характеризуемые соответственно температурой и внешним давлением.

Для разных свариваемых материалов взаимосвязь технологических параметров может быть неодинаковой. Рассмотрим эту связь для технически чистого железа без учета загрязнения свариваемых поверхностей (рис. 1.1).

Кривая на рис. 1.1 разделяет поле технологических параметров на две области. В области сваривания образуется высококачественное сварное соединение со свойствами сварного шва, близкими к свойствам основного металла заготовок. В области отсутствия сваривания сварное соединение не может быть получено или образуется сварной шов низкого качества.

Область сваривания содержит три температурных участка. На участке I (температуры до Г, = 850°С) для получения качественного сварного шва необходимы значительные давления (более 35 МПа). Этот участок называют областью ограниченного сваривания.

На участке И сварной шов хорошего качества образуется при наличии внешнего давления, причем чем выше температура, тем меньше необходимое давление. Этот участок называют областью сварки давлением.

На участке III для получения высококачественного сварного шва нет необходимости прикладывать внешнее давление, поскольку металл находится в расплавленном состоянии. Этот участок называют областью сварки плавлением.

Температурные области сварки разных металлов и сплавов отличаются друг от друга. Например, алюминий, свинец и медь при больших пластических деформациях могут свариваться при комнатной температуре. Для сплава железо—углерод интервалы температур сварки давлением зависят от содержания углерода (рис. 1.2).

Рис 1.1. Взаимосвязь технологических параметров сварки технически чистого железа:

I, II, III — области ограниченного сваривания, сварки давлением и плавлением соответственно; р — внешнее давление; Т — температура нагрева; Г, — граничная температура; Т_ш — температура плавления.

Рис. 1.2. Интервалы температур сварки давлением сплава железо—углерод:

Т — температура нагрева; С — содержание углерода; I, II, III — области сварки плавлением, возможного выполнения сварки давлением и хорошего качества сварки давлением соответственно По мере увеличения содержания углерода в этом сплаве температурный интервал, обеспечивающий хорошее качество сварки давлением, уменьшается. Так, сварку чугуна (содержание углерода в нем превышает 2,14%) можно осуществлять только при наличии жидкой фазы (сварка плавлением или с частичным оплавлением).

При сварке разнородных металлов и сплавов возможны три физических механизма формирования сварного шва.

Во-первых, соединяемые металлы могут образовывать непрерывные ряды твердых растворов (железо—никель, железо —хром, никель—олово). При этом совместная кристаллизация обеспечивает установление межатомных связей как внутри кристалла, так и по границам зерен.

Во-вторых, соединяемые металлы или их составляющие могут иметь ограниченную растворимость друг в друге (железо—медь, медь—олово). В этом случае возрастает роль связей между отдельными кристаллами — межкристаллитных связей.

В-третьих, если соединяемые металлы практически не растворяются друг в друге (железо—свинец, железо —магний), то связь может устанавливаться только по границам кристаллов.

Таким образом, сварка — это технологический процесс получения неразъемных соединений посредством установления межатомных связей между соединяемыми частями при их местном или общем нагреве, или пластическом деформировании, или совместном воздействии этих факторов. Сварные соединения имеют непрерывную структуру. Сварка может производиться с использованием дополнительного металла (применение электрода или присадочной проволоки) или без него.

Обычно к сварочным операциям относят и наплавку, т. е. нанесение посредством сварки плавлением дополнительного слоя расплавленного металла на нагретую или доведенную до состояния плавления поверхность детали. Целью наплавки является создание на этой поверхности слоя металла с особыми свойствами (износостойкое, антикоррозионное или иное покрытие) или восстановление размеров детали при ее ремонте.

Иногда как частный случай сварки рассматривается пайка. При пайке соединение двух деталей, нагретых до температуры более низкой, чем температура их плавления, производится с помощью дополнительного расплавленного слоя (припоя). При этом температура плавления припоя всегда ниже температуры плавления соединяемых металлов. В результате взаимодействия припоя с поверхностными слоями соединяемых металлов возможно образование твердых растворов и химических соединений или бездиффузионное сцепление (адгезия). В последнем случае пайку можно рассматривать как частный случай склеивания.