2

Министерство образования и науки РФ

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Тульский государственный университет»

Политехнический институт

Кафедра «Сварка, литье и технология конструкционных материалов»

Теоретические материалы для самостоятельного изучения

по дисциплине

Технология конструкционных материалов Раздел №7 «Сварочное производство»

Направление подготовки:

Специальность:

Формы обучения очная

Тула 2011 г.

Раздел №7. Сварочное производство

План:

7.1. Физико-химические основы образования сварного соединения

7.2. Классификация процессов сварки

7.3. Основоположники сварки

7.4. Дуговая сварка

7.4.1. Сущность процесса дуговой сварки

7.4.2. Понятие об электрической дуге и ее свойствах

7.4.3. Ручная дуговая сварка

7.4.4. Автоматическая дуговая сварка

7.4.5. Полуавтоматическая дуговая сварка

7.4.6.. Дуговая сварка в защитных газах

7.5. Электрошлаковая сварка

7.6. Электрическая контактная сварка

7.6.1. Стыковая контактная сварка

7.6.2. Точечная контактная сварка

7.6.3. Шовная контактная сварка

7.6.4. Оборудование для контактной сварки

7.7. Холодная сварка

7.8. Сварка трением

7.9. Ультразвуковая сварка

7.10. Сварка взрывом

7.11. Диффузионная сварка

7.12. Газовая сварка

7.13. Электронно-лучевая сварка (ЭЛС)

7.14. Плазменная сварка

7.1. Физико-химические основы образования сварного соединения

Сварка– это процесс получения неразъемных соединений посредством установления межатомных связей между свариваемыми частями при их местном нагреве или пластическом деформировании, или совместным действием того и другого.

Получение монолитного соединения неорганических веществ (металлов, неметаллов или металлов с неметаллами) посредством образования межатомных связей между соединяемыми материалами – сложный физико-химический процесс, состоящий из следующих стадий: образование физического контакта; активация контактных поверхностей; объемное взаимодействие.

Физический контакт – состояние, при котором между свариваемыми частями становятся возможны процессы обменного электронного взаимодействия. Такое состояние является необходимым условием для протекания химической реакции.

Активация контактных поверхностей – стадия процесса сварки, на которой атомам контактирующих поверхностей сообщается энергия, необходимая для химического взаимодействия.

Объемное взаимодействие – стадия, на которой в плоскости контакта образуются химические связи, а в приконтактном объеме протекают физические процессы формирования эксплуатационных характеристик сварного соединения (требуемые прочность, пластичность, вязкость, работоспособность при различных температурно-временных и силовых условиях, коррозионная стойкость и т.д.).

Физическая сущность процесса сварки заключается в образовании прочных связей между атомами или молекулами на соединяемых поверхностях заготовок. Для образования соединений необходимо выполнение следующих условий: освобождение свариваемых поверхностей от загрязнений, оксидов и адсорбированных на них инородных атомов; энергетическая активация поверхностных атомов, облегчающая их взаимодействие друг с другом; сближение свариваемых поверхностей на расстояния, сопоставимые с межатомным расстоянием в свариваемых заготовках.

В зависимости от агрегатного состояния свариваемых материалов сварка может протекать в твердой, твердожидкой и жидкой фазах. Рассмотрим два крайних случая.

Рис. 7.2. Зависимость потенциальной энергии Е двух монокристаллов от расстояния R между ними; Е₁ – энергия ван-дер-ваальсовой связи; Е₂ – энергия химической связи; Е_а – энергия активации образования химической (металлической) связи

Рис. 7.1. Строение поверхности металла в воздушной атмосфере

Сварка в жидкой фазе. Физический контакт возникает в момент слияния расплавленных металлов (при условии разрыва поверхностных оксидных пленок в месте слияния). Металлические расплавы образуются при плавлении металла изделия – основного металла и электродного металла.

Атомы жидкости термически активированы и имеют энергию, достаточную для преодоления кулоновского барьера отталкивания. Поэтому при сварке в жидкой фазе активация контактных поверхностей не выделяется в отдельную стадию и практически одновременно с образованием физического контакта между атомами контактирующих жидкостей самопроизвольно возникают общие химические связи.

Окончательное формирование физико-химических свойств и структуры металла сварного соединения осуществляется на стадии объемного взаимодействия в ходе процессов кристаллизации и охлаждения металла.

Сварка в твердой фазе. Поверхность металла 1 (рис. 7.1) в воздушной атмосфере покрыта слоями оксида 2, адсорбированных кислородных анионов и нейтральных молекул воздуха 3, водяных молекул 4, жировых молекул 5 и ионизированных пылевых частиц 6.

Пластическое деформирование состыкованных частей свариваемого соединения вызывает смятие микровыступов и вытеснение металла вместе с загрязнениями на его поверхности из зоны стыка за его пределы. При этом обнажаются внутренние слои металла, имеющие чистые (ювенильные) поверхности.

Потенциальная энергия идеализированной системы, состоящей из двух монокристаллов с ювенильными поверхностями, изменяется при их сближении (рис. 7.2).

Кривая 1 показывает изменение потенциальной энергия системы, обусловленное действием сил Ван-дер-Ваальса. В точке R₁ энергия достигает минимального значения Е₁, что соответствует образованию физического контакта. При дальнейшем сближении кристаллов между ними начнут действовать силы отталкивания. Для того чтобы в точке А между атомами на поверхности кристаллов началось химическое взаимодействие, атомы необходимо активировать, причем на необходимой для процесса степени свободы. При сообщении данным атомам энергии активации Е_а начнется процесс образования химической связи. Изменение E иллюстрирует кривая 2, характеризующая химическую связь. Потенциальная энергия системы достигнет минимума в положении равновесия R₁. При этом граница между поверхностями кристаллов исчезает и образуется монолитное соединение.

Образование физического контакта в реальных металлах обусловливается, в основном, упругопластической и пластической деформациями частей сварного соединения в зоне стыка. При этом протекают процессы образования ювенильных поверхностей и их сближения до расстояния R₁ (см. рис. 7.2).

Одновременно с формированием физического контакта в стыке начинается стадия активации контактных поверхностей.

Стадия активации контактных поверхностей. При сварке реальных металлов (поликристаллов) активация атомов возникает на локальных участках в области физического контакта – активных центрах (очагах взаимодействия).

Энергия активации, в общем случае, может сообщаться атомам очагов взаимодействия передачей теплоты (термическая активация), упругопластической деформацией (механическая активация), электронным, ионным и другими видами излучения (радиационная активация).

При механической активации активные центры образуются в полях упругих искажений кристаллической решетки, возникающих, например, в местах выхода на поверхность винтовых дислокаций.

При сварке разноименных материалов необходимо образование активных центров на поверхности более твердого из соединяемых материалов.

Стадия объемного взаимодействия наступает с момента образования активных центров и начинается с подстадии – схватывания.

Схватывание – процесс сшивания связей (ионных, ковалентных или металлических) на контактных поверхностях, протекающий по бездиффузионному механизму. В очаге взаимодействия химические связи образуются со скоростью звука в материале. Скорость формирования химических связей по всей плоскости контакта определяется кинетикой слияния активных центров и обусловливается температурно-силовыми условиями протекания сварочного процесса.

Полученное в результате схватывания соединение имеет в плоскости контакта значительное количество микроскопических дефектов (вакансии и их комплексы, микронепровары, оксидные включения и т. д.), закрепляющих дислокации. Это обусловливает низкую пластичность металла в зоне сварки, а также недостаточную прочность при работе соединения на удар, изгиб и циклическое нагружение. Поэтому, несмотря на то, что общие химические связи между частями сварного соединения уже образованы, соединение продолжают подвергать (если это возможно) температурно-силовому воздействию. В результате дефекты перераспределяются из стыка в глубь металла. Развиваются процессы рекристаллизации (сварка однородных металлов), гетеродиффузии (сварка разнородных материалов). Избыточные дислокации аннигилируют или уходят из зоны сварки и механические характеристики металла сварного соединений достигают требуемого эксплуатационного уровня.