Классификация процессов сварки

При классификации процессов сварки целесообразно выделить три основных физических признака: наличие давления, форму вводимой энергии и вид инструмента — носителя энергии. Остальные признаки можно условно отнести к техническим или технологическим (табл. 1.1). Признак классификации по наличию давления применим только к сварке и пайке. По виду вводимой в изделие энергии все сварочные процессы, включая сварку, пайку, резку и другие, могут быть разделены на термические, термомеханические, механические и особые.

Таблица 1.1 Признаки и ступени классификации процессов сварки

Термические процессы идут без давления (сварка плавлением), остальные - обычно с давлением (сварка давлением).

Термины «класс», «метод», «вид», «способ» являются условными, но, войдя в классификацию, они позволяют в дальнейшем вести четкую систему типизации процессов сварки. Термин «процесс» используется как независимый от классификационных групп.

Классификация методов сварки по физическим признакам приведена в табл. 1.2. Физические признаки являются общими для всех методов сварки. Технические признаки могут быть определены только для отдельных методов сварки. Разделение наиболее распространенных методов сварки по видам и способам дано в табл. 1.3 - 1.7. Схемы основных методов и видов сварки показаны на рис. 1.8.

Таблица 1.2 Классификация методов сварки металлов по физическим признакам

* Рекомендуется дополнительная классификация по техническим и технологическим признакам (табл. 1.3 - 1.7).

** Промышленного применения метод пока не нашел.

Энергетический анализ показывает, что все известные в настоящее время процессы сварки металлов осуществляются введением только двух видов энергии - термической и механической или их сочетания. Поэтому в группу особых процессов пока могут быть включены только нейтронная сварка пластмасс и (условно) склеивание, которое практически происходит без введения энергии. Сварка вакуумным схватыванием (не в отдель­ных точках, а по всему стыку) возможна только при наличии сдавливания, поэтому она также отнесена к механическим про­цессам, хотя при сварке здесь энергия может даже выделяться, а не вводиться извне.

Сложившийся годами термин «сварка давлением» не совсем точен, так как давление в этих процессах не является единственным внешним воздействием. Давление необходимо всегда, когда при сварке отсутствует ванна расплавленного металла, и сближение атомов (их активация) достигается за счет упруго-пластической деформации материала поверхностей. Поэтому давление обусловливает обычно, при каком фазовом состоянии материала осуществляется процесс соединения.

Следует отметить, что и при наличии давления может происходить расплавление металла, например, при термитной сварке с давлением, контактной точечной и шовной сварке с образованием литого ядра, стыковой сварке оплавлением, сварке трением и др.

Таблица 1.3 Классификация видов дуговой сварки по техническим признакам

Таблица 1.4 Классификация способов дуговой сварки

Таблица 1.5 Классификация способов контактной сварки

Таблица 1.6 Классификация способов диффузионной сварки

Таблица 1.7 Классификация способов электрошлаковой сварки и печной сварки с давлением

Весьма желательно, чтобы порядок расположения процессов в классификационных таблицах определялся какими-либо количественными технико-экономическими признаками. Такими приз­наками могут быть:

величины удельных энергий - сварочной e_св или введенной в изделие e_и (дж/м²);

удельные затраты на сварку С (руб/м²).

Удельные показатели могут подсчитываться отдельно по каждой группе соединений, свариваемых материалов и т. д. Затраты следует относить к так называемой рабочей площади соединения S, которая в случае сварки встык соответствует продольному сечению шва без усиления. Для нахлесточных соединений площадь S соответствует сечению меньшего из соединяемых элементов (см. рис. 1.7). Для дуговой сварки в один проход материала толщиной d (м) при токе, напряжении и скорости сварки соответственно I (А), и (В), u (м/с) удельная энергия будет

(дж/м²).

Расчеты величин удельных энергий e_св и e_и показывают, что удельная энергоемкость процесса сварки единицы площади стыка имеет тенденцию уменьшаться при переходе от термических к механическим процессам (см. рис. 1.11). Величина e_и = e_свh_и характеризует также количество переплавленного или разогретого материала на единицу площади шва, а следовательно, величину активной зоны сварного соединения, в которой произошли существенные изменения в состоянии материала, деформацию соединения и т. д. Этот показатель может быть использован наряду с погонной энергией q/u.

Далее дается анализ типовых структурных схем передачи энергии при разных сварочных процессах (табл. 1.8), позволяю­щий обосновать предлагаемую выше классификацию. Например, при дуговой сварке электрическая энергия ЭЛ из сети проходит следующий путь:

· трансформируется в сварочном трансформаторе или генераторе для получения нужных параметров тока и напряжения;

· преобразуется в дуговом разряде в термическую Т, электромагнитную ЭМ, электрическую ЭЛ энергии плазмы;

· термическая энергия плазмы и потенциальная энергия электронов преобразуются на поверхности анода - из­делия в термическую энергию расплавленного материала сварочной ванны;

· изменяет внутреннюю энергию соединения, расходуясь на образование новых атомных связей, новых структур материала, деформацию и нагрев изделия и т. д.

Следует отметить, что дуга, луч, газовое пламя являются внешними носителями энергии, от которых энергия передается в изделие конвекционным или контактным путем. При тер­митной сварке разогрев происходит за счет внутреннего источника путем преобразования в теплоту химической энергии термита.

Однако для всехтермических процессов сварки, независимо от вида носителя энергии (инструмента), в стык она вводится в конечном итоге всегда через расплавленный материал. Энергия хаотически движущихся частиц расплавленного материала носит в термодинамике название термической, чем и обосновано наименование этих процессов.

В термомеханических и механических процессах преобладают внутренние носители энергии, так как ее преобразование в теплоту происходит главным образом вблизи контакта соединяемых изделий - стыка.

Давление энергетического потока - луча или дуги - на сварочную ванну также оказывает весьма большое влия­ние на формирование соединения. Однако в энергетическом балансе влияние энергии сил давления невелико.

К термомеханическим процессам относятся процессы, идущие с введением теплоты и механической энергии сил давления при осадке. Теплота может выделяться при протекании электрического тока, газопламенном или индукционном нагреве, введении в зону сварки горячего инструмента и т. п. Сварка может вестись как с плавлением металла (частичным или по всему соединению), так и без плавления, в твердом состоянии. Эти процессы подробно описаны в технологических курсах. Здесь отме­тим только некоторые особенности контактной сварки.

Контактная сварка применяется только для металлов. Основной источник энергии - теплота, выделяемая электрическим током в зоне контакта соединяемых деталей, электрическое сопротивление которой выше сопротивления основного металла. Давление, сжимающее детали, формирует сварное соединение, на что затрачивается всего несколько процентов от общей вводимой энергии.

В зависимости от особенностей соединения различают контактную сварку: стыковую, точечную и шовную (роликовую). Стыковая и точечная сварка стержней может идти как сварка сопротивлением в твердой фазе. При стыковой сварке оплавлением соединение также образуется в процессе пластической деформации, однако стыкуемые поверхности активируются оплавлением и находятся под защитой пленки расплавленного металла до начала осадки. Точечная сварка листов обычно сопровождается образованием расплавленного ядра металла. При расплавлении ядра под действием электродинамических сил происходит движение - перемешивание жидкого металла и граница раздела соединяемых деталей исчезает, т. е. появляется непрерывная межатомная связь жидкой и твердой фаз. Поэтому факт появления ядра можно рассматривать как известную гарантию качественного соединения. Давление в этом процессе создает электрический контакт и некоторую деформацию точки в момент кристаллизации, а также удерживает жидкий металл от вытекания.

Механические процессы обычно идут без нагрева. Отметим их основные особенности.

Холодная сварка(деформированием) основана на использовании пластической деформации материалов в месте соединения при сдавливании или сдвиге. Пока она нашла широкое применение только для достаточно пластичных материалов, таких как алюминий, медь и др. Процесс сварки идет при комнатной и даже отрицательной температуре; в месте соединения теплота выделяется за счет энергии пластической деформации металла. Необходима зачистка соединяемых элементов от жира и удаление оксидных пленок в процессе деформации. Холодная сварка - процесс практически бездиффузионный основанный только на явлении схватывания.

Перспективна импульсная холодная сварка взрывом, выстрелом, электрогидравлическим эффектом, электромагнитным полем.

Сварка трением используется обычно для стержневых изделий. При сварке одна часть изделия остается неподвижной, а другая вращается. При сведении обеих частей и приложении осевого усилия Р вследствие сил трения происходит разогрев и пластическая деформация металла. Расплавленный и нагретый металл частично выдавливается из стыка. Сварку применяют как для металлов, так и для пластмасс [12].

Ультразвуковая сварка может рассматриваться как частный случай холодной сварки с наложением пульсирующего усилия. При сварке материалов обычно толщиной £1 мм волновод, в котором возбуждены стоячие волны (продольные, изгибные, крутильные или другого вида), вводит эти ультразвуковые колебания (УЗК) частотой 18…80 кГц в зону контакта изделий. Для сварки металлов применяют обычно сдвиговые ультразвуковые колебания, а для пластмасс - колебания, нормальные поверхности изделий. Для возбуждения ультразвуковых колебаний волновода используют высокочастотные генераторы и магнитострикционные преобразователи.

Сварка взрывом. При сварке взрывом энергия от детонации взрывчатых веществ (ВВ, рис. 1.8) подается на расположенные с зазором D и под некоторым углом a друг к другу свариваемые поверхности изделий (И). Запал (3) расположен в вершине угла. При соударении поверхностей между ними образуется кумулятивная струя Р_к , очищающая детали от загрязнений и окислов. Взаимные тангенциальные перемещения свариваемых поверхностей и образование «волн» в точках соударения обеспечивают прочное соединение деталей.

Сварка вакуумным схватыванием может идти с наименьшей затратой энергии и даже теоретически с выделением энергии в месте соединения. Схватывание металлов возможно при глубоком вакууме порядка 10^-10…10^-14 мм.рт.ст. при условии тщательной подгонки и соприкосновения деталей по значительной поверхности. Практически необходимо также небольшое давление, так как идеальная подгонка трудно осуществима. Окисные пленки и загрязнения в вакууме испаряются и в контакт вступают чистые поверхности деталей.