Физические основы и классификация процессов сварки.

§ 1.1. Виды элементарных связей в твердых телах.

В технике используют различные виды разъемных и неразъемных соединений твердых тел. Неразъемные соединения могут быть выполнены монолитными (полученные сваркой, пайкой, клейкой) и немонолитными (клепаные).

Сварку, пайку, склеивание используют для соединения металлов и неметаллов между собой и в разнородных сочетаниях.

Известно, что всякое твердое или жидкое тело представляет систему атомов, ионов или молекул, связанных между собой внутренними силами. Силы межатомной связи состоят из гравитационных, магнитных и электрических, причем последние являются в металлах наиболее сильными. 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 (энергия ~ 10⁵ Дж/моль) или ионизацией с получением противоположных зарядов при переходе от одного атома к другому (10⁵- 10⁷ Дж/моль). Применительно к сварке и пайке ковалентные связи устанавливаются при соединении металлов с неметаллами.

Нехарактерные для металлов наиболее слабые (10³ Дж/моль) межмолекулярные (Ван-дер-ваальсовы) силы используются при сварке, например, пластмасс (склеивание).

Металлические связи образуют кристаллические структуры путем взаимодействия положительных ионов узлов кристаллической решетки и поля обобществленных во всем объеме металла электронов наружных орбит ранее нейтральных атомов (~ 10⁵ Дж/моль).

§ 1.2. Физико-химические особенности получения сварных, паяных и клееных соединений.

Элементарные связи удерживают каждый атом внутри кристалла симметрично направленным силам. На свободной поверхности атом не уравновешен (а) из-за отсутствия или ослабления связей с внешней стороны. Это явление увеличивает потенциальную энергию поверхностного слоя. При соединении тел требуется извне энергия для преодоления энергетического барьера.

Рис.1. Кристаллы до соединения

Рис.2. Потенциальная энергия взаимодействия разноименно заряженных частиц имеет минимум при некотором расстоянии

а)

б)

Рис.3. Энергетический барьер потенциальной энергии системы атомов у поверхности кристалла (а) и на границе твердой и жидкой фаз в начальный период их контактирования (б)

Внешняя механическая энергия деформации будет затрачена на преодоление сил отталкивания, возникающих между поверхностными атомами сближаемых тел. Когда расстояния между ними будут близки к межатомным, в решетке кристаллов возникают квантовые процессы взаимодействия электронных оболочек атомов. После этого общая энергия системы начнет снижаться до уровня, соответствующего энергии атомов в решетке целого кристалла→ т.е. будет получено монолитное соединение.

Тепловая энергия, сообщенная поверхностным атомам, способствует развитию процессов электронного взаимодействия и облегчает процесс соединения.

Стадийность процесса сварки (пайки) связана с тем, что ее можно отнести к классу так называемых топохимических реакций. Последние на микроучастках отличаются двухстадийностью процесса образования прочных связей между атомами соединяемых веществ (рис.4). В микрообъемах процесс сварки завершается третьей стадией – диффузией.

Рис. 4. Кинетика изменения прочности соединения при быстром (1) и медленном (2) развитии физического контакта (А) и химического взаимодействия (Б) в зависимости от длительности сварки.

I стадия А- развивается физический контакт- сближение соединяемых веществ на расстояния, требуемые для межатомного взаимодействия, и подготовка поверхностей к взаимодействию.

II стадия Б- химическое взаимодействие- заканчивается процесс образования прочного соединения на микроучастке.

Диффузионные процессы развиваются одновременно с прорастанием дислокаций при пластической деформации контактирующих поверхностей либо при наличии высокой температуры.

Получение монолитных соединений осложняется в случае, если:

- свариваемые поверхности имеют значительные микронеровности (полировка- 200 ат. слоев, токарная обработка- 40 000 ат. слоев)

- свариваемые поверхности имеют загрязнения (адсорбированные атомы внешней среды)

Для качественного соединения изделий необходимо обеспечить контакт по большей части стыкуемых поверхностей и их активацию.

Активация поверхности при сварке состоит в сообщении поверхностным атомам некоторой энергии, необходимой для обрыва связей с атомами внешней среды, для повышения энергии поверхностных атомов до уровня энергетического барьера схватывания.

Энергия активации может быть сообщена в виде теплоты (термическая активация), упругопластической деформации (механическая активация), электронного облучения и др.

В зоне сварки можно установить наличие двух основных физических явлений, связанных с термодинамически необратимым изменением формы энергии и состояния вещества (рис.5): 1- введения и преобразования энергии; 2- движения (превращения) вещества.

Рис.5. Схема-модель классификации процессов сварки.

Вид, интенсивность вводимой энергии и характер ее преобразования- это главное, что определяет вид процесса сварки, причем введение энергии всегда является необходимым условием сварки, т.к. без этого невозможна активация соединяемых поверхностей.

Введение вещества необходимо только при некоторых видах сварки плавлением и пайки, причем энергия в этих случаях может быть введена также с расплавленным материалом. Характер движения вещества зависит от процесса. Движение вещества значительно при сварке плавлением (особенно с присадкой), пайке. При сварке давлением с нагревом движение вещества в зоне стыка незначительное (существенна только диффузия через стык). Холодная сварка реализуется практически без движения вещества.

Сварка – это процесс получения монолитного соединения материалов за счет термодинамически необратимого превращения тепловой и механической энергии и вещества в стыке.

Согласно ГОСТ 2601-74, сварка – это процесс получения неразъемных соединений посредством установления межатомных связей между свариваемыми частями при их местном нагреве, или пластическом деформировании, или совместном действии того и другого.

С точки зрения механизма образования соединения процесс пайки не отличается от сварки. Отличие пайки заключается в том, что обеспечение физического контакта и образование химических связей при пайке происходит через промежуточный слой более легкоплавкого, чем детали, металла, называемого припоем.

Склеивание, цементирование и другие процессы, в отличие от сварки и пайки, как правило, не требуют специальных источников энергии. Они реализовываются только за счет введения (преобразования) вещества.

Клей является металлоидом.

Существенным отличием склеивания от сварки и пайки является отсутствие металлической связи и, как следствие, отсутствие процессов растворения и диффузии соединяемых материалов (отсутствует III стадия).

§ 1.3. Классификация процессов сварки.

Таблица 1- Классификация методов сварки металлов по физическим признакам

§ 1.4. Типы источников тепла, применяемых при сварке.

Анализ физико-химических особенностей процесса образования сварных и паяных соединений показал, что для активации свариваемых поверхностных и обеспечения физического контакта между ними в свариваемое изделие необходимо вводить энергию. Т.е. для осуществления процесса сварки необходимы:

1. Источник энергии

2. Носитель энергии - инструмент, передающий энергию в зону сварки

3. Преобразователь подводимой к изделию энергии в тепловую.

Рис.6. Схема процесса получения сварного соединения: а) общая схема; б) дуговая сварка; в) точечная контактная электросварка

В зависимости от способа сварки, отдельные элементы этой схемы могут существенно изменяться или даже отсутствовать совсем. Например, инструментом для подвода энергии в зону сварки являются электроды, а преобразователем энергии в первом случае служит электрическая дуга, во втором- сам свариваемый металл.

При термической активации свариваемых поверхностей необходимое тепло получается за счет превращения в тепловую различных видов энергии: электрической, химической, механической, лучистой и др.

а)

б)

в)

г)

Рис.7. Схемы преобразования различных видов энергии в тепловую.

Электрические источники тепла.

В сварочной технике наибольшее распространение получили источники тепла, основанные на превращении электрической энергии в тепловую.

Наиболее важными из них являются:

1. Электрический дуговой разряд (электрическая дуга).

2. Плазменная струя.

3. Джоулево тепло, выделяющееся в твердых и жидких проводниках при протекании через них электрического тока.

4. Электронный луч.

Достоинства: чистота процесса, возможность точного регулирования нагрева деталей, возможность автоматизации и программирования процесса, экономичность.

В химических источниках тепла используется тепло, выделяемое в процессе экзотермической реакции:

- сжигание газов, жидких или твердых горючих веществ в атмосфере кислорода:

- сжигание обрабатываемого металла в кислороде (при резке):

- взаимодействие порошков химически активных металлов с окислами менее активных (термитные реакции):

§ 1.5. Баланс энергии процесса сварки.

Для количественной оценки процессов передачи и термодинамического преобразования энергии при разных видах сварки рассмотрим обобщенную схему баланса энергии (рис. 8) сварочного процесса. Удобно использовать удельную энергию Дж/мм², определяемую в расчете на единицу площади соединения.

Рис.8. Обобщенная схема баланса энергии сварочного процесса

- энергия, получаемая сварочной установкой от сети питания;

- энергия, используемая непосредственно на сварку;

- вспомогательные операции;

- энергия на входе трансформатора энергии

- потери энергии в трансформаторе;

- энергия на выходе трансформатора энергии, вводимая в зону сварки ( )

- потери при передаче энергии к изделию

- энергия, введенная в изделие

- потери энергии на теплопроводность в изделие

- энергия, аккумулированная в зоне стыка

- потери уноса (испарение металла, брызги, выплавление металла) (в основном при резке)

Каждая ступень передачи энергии от источника к изделию имеет свой к.п.д. В теории распространения теплоты при сварке часть используют:

- эффективный к.п.д.:

- термический к.п.д.:

§ 1.6. Оценка энергетической эффективности процесса сварки.

Выбор источника энергии для сварки конкретного изделия основывается на учете:

- технической возможности применения данного источника;

- энергетической и экономической эффективности процесса;

- качества и надежности полученных соединений.

Концентрация энергии термических источников может оцениваться удельной мощностью в пятне нагрева. Максимальные значения этого показателя могут достигать до 10⁶÷10⁸ Вт/см² и выше при пятне нагрева порядка 10^-7 см² (фотонный, электронный лучи). Однако, сварка реализуется в диапазоне удельной мощности порядка 10⁴÷10⁶ Вт/см², т.к. большие удельные мощности приводят к значительному испарению металла и переходу к режимам резки и размерной обработки.

Таблица 2- Плотность энергии различных источников тепла

Источник тепла	Минимальная площадь пятна нагрева , см2	Максимальная плотность энергии, Вт/см2	Температура плавления, °К
Ацетилено-кислородное пламя	1·10-2	5·104	до 3500
Электрическая сварочная дуга (в парах железа)	1·10-3	105÷107	5000÷6000
Электронный луч	1·10-7	108	-*
Луч ОКГ (лазера) Фотонный луч	1·10-8	~109	-*

*- Понятие температуры в луче не характерно, т.к. движение частиц в основном направленное, а не хаотичное.

Для оценки эффективности разных классов сварочных процессов целесообразно использовать величины удельной энергии ( ) Дж/мм², необходимой при сварке данного соединения.

Оказывается, что для многих видов соединений и материалов прессовые и термопрессовые процессы сварки требуют значительно меньше энергии, чем сварка плавлением. Например, для сварки встык пластин из алюминиевого сплава толщиной 5 мм требуется :

1) при аргоно-дуговой ~ 300 Дж/мм²

2) при контактной ~ 200 Дж/мм²

3) при холодной ~ 30 Дж/мм²

Расчет значений (удельной энергии) для разных методов сварки плавлением нержавеющей стали типа 18-8 показал, что с увеличением толщины изделия удельная сварочная энергия резко возрастает при использовании многопроходной сварки. ЭЛС благодаря кинжальному проплавлению и однопроходной сварке позволяет соединить встык листы толщиной 10-50 мм практически при неизменной удельной энергии порядка 20-60 Дж/мм².

Рис. 9. Средние значения Дж/мм² при сварке стали 18-8: АДС – аргоно-дуговой сваркой; ДФ – сваркой под флюсом; ПД – плазменно-дуговой сваркой; ЭЛС – электронно-лучевой сваркой

Рис. 10. Порядок величин удельной энергии и , необходимой для однопроходной сварки стали разными методами

Сравнение критериев и для однопроходной сварки стали показывает, что с уменьшением интенсивности источника возрастает от единиц (3÷5 Дж/мм²) для лазерной сварки до сотен (200÷400 Дж/мм²) для газового пламени. В то же время общие затраты энергии (с учетом вакуумирования ЭЛ, к.п.д. процесса лазерной сварки ~ 0,1 %) в сотни и тысячи раз выше для этих источников, чем для свободной дуги в аргоне или газового пламени.

§ 1.7. Требования к источникам энергии для сварки.

Для выполнения качественного процесса соединения материалов источник энергии должен отвечать требованиям технологической и конструктивной целесообразности применения, экономичности преобразования энергии, ограничения разных побочных эффектов при сварке и другим подобным требованиям.

Источники энергии термических процессов сварки (луч, дуга, пламя и др.) должны обеспечивать концентрацию тепловой энергии и температуру в зоне сварки, достаточные для плавления материала и провара его на требуемую глубину, но без интенсивного его испарения.

Источники энергии термопрессовых и прессовых процессов сварки (контактная, ТП, холодная и др.) должны обеспечивать концентрацию тепловой и механической энергии в зоне сварки, а также давление, достаточное для создания физического контакта, активации и химического взаимодействия атомов соединяемых поверхностей.

Кроме того, во всех случаях необходимо осуществлять физическую или физико-химическую защиту зоны сварки от окружающего воздуха и другие технологические условия, соответствующие каждому методу сварки.