Реферат: Пятый физические основы сваривания металлов

РАЗДЕЛ ПЯТЫЙ


Физические основы сваривания металлов


11. Физические основы процесса сварки металлов

11.1. Теоретические основы сварки

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). Наибольшее же применение при изготовлении и ремонте разнообразного промышленного оборудования и трубопроводных систем транспортирования энергоносителя 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 поверхностей) таких связей, которые позволили бы получить требуемые для эксплуатации свойства сварных соединений.

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 и молекулярными, 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 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 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 определяются энергетическим взаимодействием.

В виде простейшей схемы на рис.11.1 показан характер энергетического взаимодействия двух положительно заряженных частиц.

находящихся в поле подвижных электронов, в зависимости от рас­стояния между этими частицами. Силы притяжения (в частности, гравитационные) при сближении частиц возрастают медленнее, чем силы отталкивания (в частности, для двух одинаково заряженных частиц), и при некотором расстоянии между частицами они уравновешиваются. Потенциальная энергия имеет минимум при некотором расстоянии . На рисунке разность между Unp и Uот получена графически в виде заштрихованной площади между зеркальным переносом в верхний квадрант значений .



Рис.11.1 – Схема энергетического взаимодействия двух положительно заряженных частиц




Если рассмотреть не отдельно взятые две частицы, а значитель­ное их число с определенной си­стемой геометрического взаиморас­положения, то расстояние, подоб­ное , будет определять параметр кристаллической решетки веще­ства (металла) при определенной температуре. Обычно для боль­шинства металлов параметр кристаллической решетки составляет Ǻ).

При увеличении расстояния между такими частицами силы их взаимодействия (связи) резко уменьшаются.

Однако расстояние — параметр решетки не остается постоян­ным. Это только некоторое среднее расстояние между частицами, которые колеблются около своего среднего положения. Обычно амплитуда колебаний при нормальных температурах составляет 5—10 % среднего межатомного расстояния и имеет значительные флуктуации. С повышением температуры эти тепловые колебания увеличиваются так же, как увеличивается параметр решетки, при­водя в целом к ослаблению взаимосвязей.

У большинства металлов и сплавов, представляющих практи­ческий интерес для сварки, кристаллическая структура характери­зуется решетками объемно- или гранецентрированного куба, или гексагональной плотно упакованной.

Наличие строгого порядка расположения узлов кристаллической решетки и их взаимодействия с полем подвижных обобществленных электронов определяет свойства твердого тела (кристалла, металла), в частности, прочность — сопротивляемость полному или частичному отрыву или смещению одной группы частиц от другой под дейст­вием сил отрыва или сдвига.

Реальные кристаллы в связи с технологией их получения, в основном с условиями кристаллизации, имеют ряд несовершенств в своем строении: незаполненные узлы («дырки», вакансий в кристал­лической решетке); искажения, вызванные наличием посторонних частиц (в частности, различных примесей); единичные или систематизированные отклонения отдельных частиц от оптимальных взаиморасположений (дислокации, блочные разориентировки). Все это изменяет свойства такого кристалла, в частности его внутрикристаллическую прочность в сравнении с идеально построенным кри­сталлом.

Реальные металлы, применяемые для изготовления различных металлических изделий (исключая отдельные редкие случаи приме­нения специально приготовленных монокристаллов), являются поли­кристаллическими, состоящими из множества отдельных кристаллов, взаимосвязанных в общее монолитное целое. В этом случае пери­ферийные части отдельных кристаллов зерен металла сопрягаются с соседними, образуя межзеренные, межкристаллические границы. Несовершенства кристаллического строения межкристаллических границ больше, чем внутри кристаллов, в связи с нарушениями порядка расположения узлов решеток и, как правило, большим ко­личеством атомов инородных веществ — примесей и пр.

Физические свойства поликристаллического тела (металла), в част­ности и его прочность, зависят от соотношений свойств зерен и межзеренных границ; они зависят также от крупно- или мелкозер­нистости металла, что определяет преобладающее действие внутрикристаллических или межкристаллических свойств.

Для всех частиц тела, кроме находящихся на поверхности, силы сцепления использованы и взаимоуравновешены. Атомы или моле­кулы вещества, расположенные на поверхности, имеют свободные связи и в определенных условиях могут присоединять к себе другие молекулы и атомы, в частности адсорбировать на поверхности различные газы или вступать в связь с поверхностными атомами другого твердого или жидкого тела.

Для соединения двух твердых тел с получением общего моно­литного тела необходимо установить между их поверхностными атомами непосредственную связь или каждую из них соединить с промежуточной связкой. Для того чтобы установить связь между поверхностными атомами двух тел без промежуточной связки, необходимо их сблизить на расстояния, сопоставимые с параметром кристаллической решетки, т.е.

Рассмотрим возможность установления связи между двумя по­верхностями одинаковых по составу металлов, когда они находятся в твердом состоянии.

Современные методы обработки поверхностей, включая полирование и хонингование, не могут обеспечить получение поверхности такой точности, которая необходима для подведения всех точек одной поверхности к другой на расстояние . Наивысшая точность обработки обеспечивает отклонение в рельефе поверхностей в пределах . 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 дополнительных веществ (адсорбированных газов, пленок окислов, жиров или других загрязнений), то прочность таких связей ничтожна по сравнению с прочностью монолитного куска металла.

Для простоты исключим мешающее действие поверхностных загрязнений. Для того, чтобы поверхности двух кусков (монокристаллов или поликристаллитов) из исходного состояния, показанного на рис.11.2, а, перевести в состояние установления взаимосвязи гранич­ных кристаллов по всей поверхности, отвечающее применительно к поликристаллическому телу (рис.11.2, б), нужно приложить по стрелкам давление р, достаточное для сминания выступов, т.е. осуществить местную пластическую деформацию.

Казалось бы, что в рассматриваемых условиях нет поверхностных загрязнений, неровности поверхностей исчезли, следовало бы ожидать самопроизвольного установления связи между поверхностями, так как при этом пропадает поверхностная энергия раздела двух тел. Однако практически для осуществления соединения и в этом случае требуется затрата энергии и самопроизвольного сва­ривания не произойдет. При сближении таких поверхностей, даже двух монокристаллов с одинаковым расположением главных осей решеток, необходимо преодоление энергетического барьера потенциальной энергии системы атомов поверхностных слоев. Только когда сближение произойдет на расстояния, равные параметру кристаллической решетки, возникнут условия для взаимодействия электронных полей со снижением уровня энергии до характерного для решетки каждого из монокристаллов. Поэтому возможность осуществления сваривания металлов посредством сопряжения их твердых поверхностей можно рассматривать как топохимическую реакцию, которая характеризуется двумя стадиями образования прочных межчастичных связей: а) развитие физического контакта (сближение на расстояние, требуемое для установления взаимодействия); б) энергетическое взаимодействие, заканчивающееся образованием соединения.

В случае поликристаллического тела, даже после установления такой связи между большим количеством кристаллов, в одном се­чении (сечение сваривания) окажутся собранными все границы между зернами одного и другого свариваемых кусков металла. Такое сечение должно по свойствам отличаться, чаще в худшую сторону от любого другого сечения, например АА (рис.11.2, б), взятого внутри из любого исходного куска до их соединения и проходящего как по границам зерен, так и пересекающим зерна.



Рис.11.2 - Состояние установления взаимосвязи гранич­ных кристаллов




Если этот процесс соединения сопровождается диффузионным перемещением частиц через образовавшуюся поверхность, перестройкой и прорастанием зерен через границу раздела (рис.11.2, в), то свойства соединения сближаются со свойствами исходных кусков металла в любом другом сечении.

Таким образом, рассмотренная физическая модель сваривания даже однородных монокристаллов требует активации поверхностей, особенно при практически всегда находящихся на них тех или иных загрязнений. Такая энергия активации в общем случае может сообщаться в виде теплоты (повышения температуры — термическая активация), упруго-пластической деформации, вызывающей выход большего коли­чества несовершенств, дислокаций на соединяемые поверхности (механическая активация), электронного или ионного облучения (радиационная активация). Наиболее обычными при сварке является использование нагрева и деформирования.

При этом применение нагрева до определенных температур уменьшает сопротивляемость металла деформированию, ускоряет диффузионные процессы и способствует перекристаллизации, в част­ности собирательной рекристаллизации. В связи с этим повышение температуры способствует всем тем процессам, которые могут обе­спечить получение надежного сварного соединения как для моно­кристаллов, так и для поликристаллических тел.

Для разных металлов взаимосвязь между рассмотренными тех­нологическими параметрами (давлением и температурой) процесса сварки является различной. Количественно эта связь для техни­чески чистого железа в условиях, исключающих загрязненность соединяемых поверхностей, показана на рис.11.3. Кривая АБВГД разделяет поле технологических параметров р и Т на области по­лучения сварного соединения со свойствами, близкими к свойствам основного свариваемого металла (выше этой кривой), и соединений с низкими свойствами или полным отсутствием сваривания (ниже кривой АБВГД), условно названной областью отсутствия сварива­ния.





Рис.11.3 – Взаимосвязь между давлением и температурой процесса сварки


Штриховыми вертикальными линиями разделены температурные области. Так, при температуре металла Тм ниже Т1 для получения качественных сварных соединений требуются очень большие, прак­тически не применимые, давления. Поэтому область I называется областью ограниченного сваривания. В пределах температур для осуществления сварки необходимо прикладывать внешнюю сдавливающую силу (область II), причем давление р по мере увеличения температуры может снижаться. Это область практически приме­няемых режимов сварки дав­лением. Выше температуры кривая совпадает с осью абсцисс — никакого внешнего давления для выполнения сварки прикладывать не надо (р=0). При этих услови­ях металл переходит в расплав­ленное состояние (). Сварка при таких параметрах носит название сварки плавлением (область III).

Схематически сварку плавле­нием представим следу­ющим образом. Торцы или часть сопрягаемых поверхностей (штриховые линии на рис.11.4, а) и прилегающие к ним объемы двух кусков однородного металла расплавлены каким-то источником тепла. Тогда жидкий металл (заштрихованная зона) находится между нерасплав­ленными частями кромок металла, как в сосуде. При этом частицы жидкости приближаются к частицам стенок сосуда максимально близко вследствие смачивания в соответствии с условиями устанав­ливающегося энергетического поля их взаимодействия. Жидкий ме­талл растекается по активированной нагревом поверхности твердых стенок и обеспечивает установление соприкосновения и связи (адгезия).





Рис.11.4 – Схема сварки плавлением


Если после этого источник тепла убрать (удалить), то в резуль­тате охлаждения жидкий металл затвердевает, кристаллизуется, причем в первую очередь вблизи стенок, отводящих тепло. При этом процессе затвердевания между твердым металлом и закристаллизовывающимся слоем жидкого металла устанавливаются обычные металлические связи. Такая кристаллизация жидкого металла, одно­родного с подплавленными стенками сосуда, приводит к образова­нию общих кристаллитов, пересекающих начальную границу нера­сплавлявшегося и расплавлявшегося металлов (рис.11.4, б). Кроме того, взаимодействие твердого и жидкого металлов, а также взаимодействие твердого и затвердевшего металлов при высоких темпера­турах характеризуются протеканием процессов взаимодиффузии.

После окончания затвердевания жидкого металла образуется моно­литный, соединенный из первоначальных кусков металла, элемент. Такое сварное соединение получается без какого-либо внешнего приложения давления. Аналогичные соединения могут быть полу­чены, если торцы имеют зазор той или иной формы, который в процессе сварки заполняется жидким металлом, подобным сваривае­мому. При этом обязательно расплавление (оплавление) свариваемых торцов, чтобы получить общую сварочную ванну расплавленного металла.

Температурные области сварки различных металлов и сплавов отличаются друг от друга. Например, для технически чистого железа (рис.11.3) нижним пределом практически применяемых режимов сварки давлением является температура . 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.11.5):

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 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:

1) соединяемые металлы могут образовывать непрерывные твердые растворы (например, Fe — Ni; Fe —Сг; Ni — Сu; Ni — Мn и др.);

2) соединяемые металлы или составляющие соединяемых сплавов имеют ограниченную растворимость друг в друге (Fe — Сu; Сu — Zn и др.);

3) соединяемые металлы практически не растворяются друг в друге (Fe — Pb; Fe —Mg; Fe —Ag и др.).

В первом случае при кристаллизации металлы могут образовы­вать такое же строение, как для рассмотренного случая соединения однородных металлов (рис.11.4, 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.



Рис.11.5 - Интер­валы температуры сварки давлением для углеродистых сталей различного состава




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.

Обобщая изложенное, дадим общее определение: сварка — это технологический процесс получения монолитных неразъемных соединений посредством установления внутренних межчастичных (межатомных, межионных, межмолекулярных) связей при их местном или общем нагреве или пластическом деформировании или совместном действии того и другого; сварные соединения металлов характеризуются непрерывной структурной связью.

Близким по существу к сварке является процесс пайки, который в ряде случаев рассматривается как частный случай сварки.

При пайке зазор между соединяемыми поверхностями, которые нагреты до температуры ниже их температуры плавления, запол­няется жидким металлом — сплавом-припоем, имеющим температуру плавления ниже 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.

Таким образом, процесс сварки состоит из трех условий: формирование физического контакта; образование химических или металлических связей и создание прочного сварочного соединения.

^ 11.2. Классификация видов сварки

В основу классификации существующих видов сварки могут быть положены различные признаки. Наиболее распространенными и по существу важнейшими из них являются вид энергии, используемой при выполнении сварки, и состояние металла в сварочной зоне в момент сварки.

В зависимости от формы энергии, используемой для образования сварного соединения, все виды сварки разделяют на три класса: термиче­ский, термомеханический и механический.

В соответствии с термодинамическим определением процессов сварки основными признаками для их классификации должны служить: форма вводимой энергии, наличия давления и вид инструмента - носителя энергии.

Это учитывается ГОСТ 19521-74, на основании которого классифицируются виды сварки (табл.11.1).


^ Таблица 11.1 - Классификация видов сварки


Виды сварки

Класс

механический

термомеханический

термический

холодная

контактная

дуговая

взрывом

диффузионная

электрошлаковая

ультразвуковая

индукционно-прессовая

электронно-лучевая

трением

газопрессовая

плазменная

магнитно-импульсная

дугопрессовая

ионно-лучевая




шлакопрессовая

тлеющим разрядом




термокомпрессорная

световая




печная

индукционная







газовая







термитная







литейная


^ Химико-механические виды сварки известны давно. Путем превращения химической энергии в тепловую металл нагревается до пластичного состояния и далее подвергается пластическому дефор­мированию сдавливанием. Примером химико-механических способов сварки является кузнечная, газопрессовая и др.

Виды сварки, использующие химическую энергию, характеризу­ются нагревом металла посредством превращения химической энер­гии в тепловую. Это тепло доводит металл до расплавленного со­стояния, при котором для выполнения сварки не нужно прилагать внешних сил, т. е. осуществлять затраты механической энергии. Примером такого использования химической энергии является газо­вая сварка плавлением.

^ Электрические виды сварки основаны на превращении электриче­ской энергии в тепловую. Это превращение осуществляется при ис­пользовании дуги, выделении тепла при протекании тока через шлаки, посредством превращения в тепло кинетической энергии пучка электронов, индуктированием тока различных частот. Электрические способы нагрева металла до расплавления при сварке являются весьма эффективными и имеют наиболее широкое приме­нение в промышленности.

Электромеханические виды сварки основаны на нагреве металла до сварочного жара путем превращения электрической энергии в тепловую с последующим пластическим деформированием нагре­того металла посредством сдавливания. Характерным примером это­го вида сварки является электрическая контактная сварка. Различ­ные виды электрической контактной сварки широко применяются в промышленности, особенно в массовом производстве.

По состоянию металла в сварочной зоне в мо­мент сварки все ее виды разделяются на сварку давлением и сварку плавлением.

Если при сварке давлением в большинстве случаев для выпол­нения сварочных операций изделие должно подаваться к машине, то при сварке плавлением обычно источник тепла подается к изде­лию, что позволяет изготавливать весьма крупногабаритные сварные конструкции.

Однако расплавление металла при сварке плавлением неизбежно сопровождается усилением взаимодействия жидкого металла с окружающей его материальной средой (газами, конденсированными фазами), приводя к ряду реакций, характерных для металлургических процессов при производстве металлов. В ряде случаев эти реакции и физические процессы могут значительно ухудшить свойства закристаллизовавшегося расплавлявшегося при сварке металла. В целях регулирования металлургических процессов при сварке в желаемом направлении применяют флюсы, газовую защиту места сварки, включая и защиту инертными газами, а в некоторых случаях сварку выполняют в вакууме.

Основные виды сварки металлов при их классификации по технологическому признаку (сварка давлением и плавлением) приведены на рис.11.6.

Кроме того, сварка классифицируется и по другим признакам:

- способу защиты металла в зоне сварки (сварка на воздухе, в вакууме, в защитном газе, под флюсом и т.п.);

- непрерывности сварки (непрерывные и прерывистые, т.е. импульсные процессы);

- степени механизации (ручная, механизированная, автоматическая);

- технологическим (вид электрода или дуги, род сварочного тока, полярность, тип и кол-во электрических дуг и т.п.).

Главная задача сварки - получение прочного сварного соединения.

Прочность обеспечивается атомно-молекулярными связями между элементарными частицами соединяемых элементов. Взаимодействие наступает при сближении их на расстояния, примерно равные атомному радиусу. Поверхность металла имеет неровности, она покрыта загрязнениями, состоящими из оксидов, адсорбированных газов и пленок. Чтобы обеспечить процесс сварки, необходимо активизировать поверхностные атомы металла, выровнять поверхность или осуществить плотный контакт и удалить из зоны сварки оксиды и органические пленки. Поэтому возникновение межатомного или межмолекулярного взаимодействия при затратах механической или тепловой энергии.




11.3. Основные виды механической сварки металлов

При сваривании металла, использующего механическую энергию, необходима большая энергия, которая вызовет такую пластическую деформацию в зоне сваривания, что приведет к образованию сварного соединения.

Примерами применения механической энергии для сварки явля­ются холодная сварка пластичных металлов, сварка взрывом, ультразвуковая сварка и др.

^ Xолодная сварка. Осуществляется при значительной пластической деформации без внешнего нагрева соединяемых частей. Если две свариваемые пластины 2 и 3 (рис.11.7, а), наложенные друг на друга внахлестку, обжать шайбами 1, 4, исключающими выпучивание пластин при их деформировании, и затем вдавливать в пластины пуансоны 5, 6, изготовленные из более твердого металла, то выдав­ливаемый пуансонами объем металла приведет к значительному деформированию металла в окружающей зоне. По мере вдавливания пуансонов деформации будут увеличиваться и начнется течение ме­талла, в частности вблизи поверхностей раздела пластин 2 и 3. Если эти поверхности предварительно очищены от жировых загряз­нений, а окисные пленки окажутся разрушенными при течении металла, то во многих участках в области деформации чистые ювенильные поверхности пластин 2 и 3 придут в соприкосновение, при котором между ними возникнут металлические связи (рис.11.7, б). Степень деформации, которая приведет к такому схватыванию, зависит от свойств металлов, свойств окисных пленок, схемы деформирования. Возможны и другие схемы деформирования (например, сдвигом).

Холодной сваркой можно соединять только весьма пластичные металлы. При этом могут быть получены соединения внахлестку и встык.

Рис.11.7 – Холодная сварка:

а – схема процесса; б – металлические связи

Сварка взрывом. Осуществляется соударением быстродвижущихся частей при начальной нормальной (близкой к комнатной) температуре. Общая схема сварки показана на рис.11.8, а. Лист 4 накладывается на жесткое основание, а верхний лист 3 устанав­ливается с некоторым углом α (2—15°) и на его верхней поверхно­сти равномерно размещается необходимое количество взрывчатого вещества 2 (аммонит, гранулиты и др.). Для осуществления сварки взрыв инициируется запалом 1. Взрывная волна, распространяясь по поверхности, создает большое давление р и «метает» верхний лист на нижний, осуществляя сварку по их контактирующим по­верхностям (рис.11.8, 6). Очистка поверхностей осуществляется кумулятивной газовой струей, имеющей огромные давления рк (до 1 млн. кгс/см2 или ~1011 Н/м2) и весьма большую скорость (~6000 м/с). Зона деформации при сварке относительно невелика и составляет до 100—300 параметров кристаллической решетки. Са­мо соединение по микрорельефу часто получает волнообразный вид. Детали значительных размеров (например, листы с поверхностью сварки в м2) обычно сваривают на полигонах. Малогабаритные из­делия можно сваривать в вакуумированных камерах.



Рис.11.8 – сварка взрывом:

а – общая схема;

б – иллюстрация воздействия взрывной волны


а)

б)



^ Ультразвуковая сварка. Условия разрушения поверхностных окисных пленок и вступления в контакт ювенильных поверхностей могут быть получены не только общим деформированием значительного объема, но и местной деформацией поверхностей у границы раздела пластин, которые должны быть сварены. Это достигается введением в металл ультразвуковых колебаний.

Генератор ^ 1 и рабочий инструмент 2 (рис. 11.9) вводят ультразвуковые колебания небольшой амплитуды в свариваемое изделие (детали 3 и 4). Если мощность ультразвуковых колебаний (обычно при частоте 8000—15000 Гц) окажется достаточной, то это приво­дит к разрушению окислов, некоторому местному повышению тем­пературы (термопарами отмечается температура 200—350°С) и свариванию. Обычно ультразвуковую сварку применяют для соединения относительно тонких элементов или тонкостенного элемента с толстостенным.


Рис.11.8 – Сварка взрывная:

а – общая схема;

б – иллюстрация воздействия взрывной волны




^ 11.4. Характерные виды термомеханической сварки металлов

Для лучшего использования возможностей сварочной технологии и управления сварочным процессом необходимы глубокие знания сущности явлений и законов взаимодействия и развития. Не имея представления о сущности процессов термомеханической сварки, трудно понять о достоинствах и недостатках того или другого способа сварки. Рассмотрим сущность некоторых способов термомеханической сварки.

^ Контактная сварка. Принцип нагрева при контактной сварке заключается в выделении тепла при прохождении электрического тока по любому электрическому сопротивлению:


(^ Q — выделяющееся тепло, кал)

или


(Q-Дж),


где I — сила тока, А;

U - напряжение, В;

R — сопротивление, Ом;

t — время, с.


В последовательной цепи в участке большого сопротивления (ка­ким в применении к сварке является место контакта двух подлежа­щих сварке поверхностей) выделяется большее количество тепла. Выбором соответствующей мощности сварочной машины для разнообразных деталей можно обеспечить их сварку быстрым () нагревом и последующим сжатием. Обычно нагрев осуществляется переменным током при применении силовых понижающих трансфор­маторов. В зависимости от свариваемых элементов и требований к сварным соединениям машины для контактной сварки различают по конструкции применительно к различным видам сварки, основ­ными из которых являются стыковая, точечная и шовная.

^ Стыковая контактная сварка (рис.11.10, а). Осуществляется по двум схемам: сварка сопротивлением и сварка оплавлением. При сварке сопротивлением подлежащие сварке элементы соосно зажимают в неподвижном и подвижном зажимных устройствах (губках) машины. Под некоторым давлением р их приводят в контакт друг с другом и включением трансформатора посредством контактора обеспечивают протекание сварочного тока, отрегулированного на необходимую величину. После нагрева металла до температуры сваривания(сварочного жара) давление р увеличивают (или иногда оставляют постоянным) и осуществ­ляют осадку — пласти­ческое деформирование нагретого объема для осуществления сварки.

При сварке оплав­лением напряжение на свариваемые торцы по­дают до того как они сведены, т.е. когда между торцами есть зазор. При медленном сближении элемента (зажатого в подвижные губки ) с элементом появляется контакт то в одной, то в другой точках, приводя их к быстрому оплавлению. Такой процесс приво­дит к постепенному оплавлению всей поверхности. Металл, приле­гающий к оплавленной поверхности, нагревается до пластического состояния. В нужный момент времени контактор выключает ток и поверхности нагретых элементов сдавливают, при этом выдавли­ваются остатки жидкости и освобожденные от нее твердые, нагретые до пластического состояния объемы металла свариваются.

^ Точечная контактная сварка (рис.11.10, б) осуществляется для соединения элементов внахлестку. Свариваемые листы (де­тали) 2 и 3 зажимают неподвижным 4 и подвижным 1 электродами машины, имеющими плоскую или слегка выпуклую поверхность для контакта с наружными поверхностями свариваемых элементов. Через электроды передается и давление р. При включении тока трансфор­матора 5 контактором 6 в результате выделяемого тепла часть ме­талла вблизи внутренних контактных поверхностей элементов 2 и 3 расплавляется, образуя ядро литого металла 7. После выключения тока и увеличения давления р осуществляется сдавливание элемен­тов 2 и 3, затвердевание жидкого металла и местное сваривание в районе литой точки.




Рис.11.10 – Схемы различных видов контактной сварки:

а – стыковая: 1 – контактная плита; 2 – свариваемые детали; 3 – станина; 4 – трансформатор; 5 – электроды; б – точечная: 1 – хобот; 2 – свариваемые детали; 3 – электродержатель; 4 – трансформатор; 5 – зона термического влияния шва; 6 – пластичный слой; 7 – расплавленное ядро; в – роликовая: 1 – ролик; 2 – свариваемые детали; 3 – трансформатор; г – прерыватель


Точечная сварка весьма производительна и при соответствующем
количестве, размерах и качестве точек обеспечивает требуемую прочность сварных соединений.

^ Шовная контактная сварка (рис.11.10, в) осуществляется так же, как точечная, обеспечивая получение не только прочного, но и сплошного герметичного шва. Это достигается последователь­ной постановкой ряда точек с частичным перекрытием последующей точкой предыдущей.

В этом случае свариваемые элементы ^ 2, 3 зажимают между элек­тродами 1, 4, выполненными в виде дисков. При осуществлении сварки диски, вращаясь, протаскивают свариваемые элементы меж­ду собой, а периодическое включение и выключение тока приводит к последовательной сварке точек.

Контактная сварка может выполняться и в виде других схем, в частности, как шовно-стыковая.

^ Диффузионная сварка. При сварке различных химически активных металлов, сильно ухудшающих свои свойства в результа­те взаимодействия при повышенных температурах с кислородом, азотом и другими газами, необходимо максимально исключить воз­можность такого взаимодействия в период выполнения сварочной операции. Это достигается применением вакуума; свариваемые изделия 1 и 2 (рис.11.11) предварительно помещают в специальную камеру 5, из которой насосами 6 удаляют воздух до получе­ния вакуума мм рт.ст. (0,13— 0,0013 Н/м2). После дости­жения такого вакуума осуществляют нагрев изделия индуктором 3, питаемого источником 4, и дают сварочное давление р.

Рис.11.11 – Схема диффузионной сварки




Вакуум предохраняет от окисления свариваемые поверхности, а в ряде случаев обеспечивает распад некоторых окислов, находя­щихся на нагреваемых поверхностях. Одновременно происходит удаление адсорбированных газов. Это позволяет получать качест­венные соединения ряда металлов и металлов с неметаллами при относительно небольшой пластической деформации вблизи места соединения.

^ Индукционная сварка. Нагрев металла до сварочной тем­пературы осуществляется индуцированием тока в свариваемых изделиях 1,2 (рис.11.12) специальным индуктором 3, питаемым от источника тока 4. Обычно для такого нагрева применяют ток высокой частоты. Форма индуктора должна соответствовать форме нагреваемого изделия.

Рис.11.12 – Схема индукционной сварки



Принципиально с помощью индукционного нагрева можно на­гревать металл до расплавления и осуществлять сварку плавлением, однако практическое применение в основном получила сварка дав­лением, когда после доведения металла до сварочного жара проис­ходит сдавливание свариваемых деталей.

^ Кузнечная сварка (рис.11.13). Этот вид является самым древним. После разогрева в горне (обычно при сжигании твердого или жидкого горючего) металла 1 до температуры сварочного жара осуществляют сварочную операцию ручной (кувалдой) или механизированной (специальным устройством 2) проковкой. В результате нагрева и в течение времени между нагревом и проковкой поверх­ности, подлежащие сварке, покрываются толстым слоем окислов. Для получения хорошего соединения поверхности должны быть очи­щены. Предварительная очистка обычно осуществляется удалением окислов механическим способом. Для удалени