Теория сварочных процессов

Физические основы процесса сварки металлов

В настоящее время сварка находит применение не только для соединения металлов, но и некоторых неметаллов (стекол, пластмасс и пр.), а также разнородных материалов (металлы с неметаллами). Однако наиболее широкое применение при изготовлении разнообразных промышленных изделий имеет сварка металлов. В связи с этим в дальнейшем рассматривается только сварка металлов. Конечной задачей технологической операции сварки является обеспечение между соединяемыми металлическими деталями (по определенной части их сопрягаемых поверхностей)* таких связей, которые позволили бы получить требуемые для эксплуатации свойства сварных соединений. Известно, что всякое твердое или жидкое тело представляет собой систему атомов, ионов, или молекул, связанных между собой внутренними силами. Связи элементарных частиц могут быть как ковалентными, ионными, так молекулярными и металлическими. Первые два типа связей являются химическими, связанными с образованием общих электронов для двух атомов при ковалентной связи или ионизацией с получением противоположных зарядов при переходе электрона от одного атома к другому. Применительно к сварке и пайке ковалентные связи устанавливаются при соединении металлов с неметаллами. Нехарактерные для металлов наиболее слабые межмолекулярные (ван-дер-ваальсовы) силы используются при сварке, например, пластмасс. Металлические связи образуют кристаллические структуры путем взаимодействия положительных ионов узлов кристаллической решетки (атомов, потерявших электроны) и поля обобществленных во всем объеме металла электронов наружных орбит ранее нейтральных атомов. Силы межатомной связи состоят из гравитационных, магнитных и электрических, причем последние являются в металлах наиболее сильными. Расстояние между узлами и их взаимное расположение в виде той или иной решетки определяется энергетическим взаимодействием. В виде простейшей схемы на рис. 1.1 показан характер энергетического взаимодействия двух положительно заряженных частиц,

5-Ю-8 см. Наивысшая точность обработки обеспечивает отклонение в рельефе поверхностей в пределах 10 М0-5 см. Поэтому при сближении такие поверхности могут быть подведены на расстояния, позволяющие установить заметные межчастичные связи только в отдельных точках, составляющих по площади лишь ничтожную часть всей поверхности. Если даже в этих участках, где поверхности могут быть подведены достаточно близко, не будет никаких мешающих установлению связи

для получени

Алюминий, свинец, медь и некоторые другие металлы для осуществления сварки при большой пластической деформации никакого предварительного нагрева не требуют. Исходной температурой металла перед деформацией, приводящей к свариванию, может являться комнатная температура. Углеродистые стали в зависимости от их состава имеют различные интервалы температуры сварки давлением (рис. 1.5): одинарная штриховка

область возможного выполнения сварки давлением; двойная штриховка область режимов, обеспечивающих хорошее качество сварки. По мере увеличения содержания углерода в стали температурный интервал сварки давлением, при котором свойства сварных соединений сопоставимы со свойствами свариваемой стали, уменьшается. Сварку чугуна Практически можно осуществить только при наличии жидкой фазы, т. е. плавлением или давлением с частичным расплавлением.

Свариваются не только одинаковые металлы. Возможны соединения металлов и сплавов, отличающихся друг от друга 1 по составу как в отношении концентрации входящих в них одинаковых или разных элементов, так и по принципу композиции самих сплавов. При этом возможны три различных варианта:

и др.);

и др.).

В первом случае при кристаллизации металлы могут образовывать такое же строение, как для рассмотренного случая соединения однородных металлов (рис. 1.4, б). Совместная кристаллизация обеспечивает установление связей как внутри кристаллов, так и по границам зерен. Во втором случае возрастает роль связей между отдельными кристаллитами межкристаллитных связей. В третьем случае связь может устанавливаться только по границам кристаллов.

Если при сварке одинаковых металлов развитие диффузии в целом является фактором, способствующим получению соединений с достаточно хорошими свойствами, то при сварке разнородных металлов усиление диффузии из одного металла в другой может привести к ухудшению соединения вследствие образования промежуточных слоев хрупких химических соединений или прослоек с нежелательными свойствами.

соединяемых металлов. В результате взаимодействия припоя с поверхностными слоями нагретых соединяемых деталей может происходить образование либо твердых растворов, либо химических соединений, или устанавливается бездиффузионное сцепление (адгезия). Последний случай сближает пайку со склеиванием, которое в последние годы начинает находить применение для осуществления соединений металлов и сплавов.