Материал: Сварка и свариваемые материалы. Свариваемость материалов

АрДС — аргонодуговая сварка ЭЛС — электронно-лучевая сварка ЭШС — электрошлаковая сварка

d3—диаметр электрода и сварочной проволоки

Оо,2— условный предел текучести ов — временное сопротивление б — относительное удлинение ф — относительное сужение

K.CU, KCV, КСТ — ударная вязкость с U- и V-образным над­ резом и трещиной соответственно

Раздел 1

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СВАРКИ

Глава 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ, ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ И КЛАССИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССОВ СВАРКИ (Волченко В. Н.)

1.1. Физические основы сварки

Монолитность сварных соединений достигается обеспечением физико-химических и атомно-молекулярных связей между эле­ ментарными частицами соединяемых тел.

Элементарные связи удерживают каждый атом внутри кри­ сталла симметрично направленными силами. На свободной по­ верхности тела атом неуравновешен вследствие отсутствия или ослабления связей с внешней стороны (рис. 1.1,о). Это явление увеличивает потенциальную энергию еп поверхностного слоя. При соединении тел требуется извне механическая или тепло­ вая энергия ег для преодоления энергетического барьера (рис.

1. 1, 6).

Внешняя механическая энергия деформации будет затра­ чена на преодоление сил отталкивания, возникающих между поверхностными атомами сближаемых тел. Когда расстояния между ними будут близки к межатомным, в решетке кристал­ лов возникают квантовые процессы взаимодействия электрон­ ных оболочек атомов. После этого общая энергия системы нач­

нет снижаться до уровня, соответствующего энергии Е% атомов в решетке целого кристалла, т. е. будет получено монолитное соединение.

Тепловая энергия, сообщенная поверхностным атомам при повышении температуры, увеличивает флуктуационную вероят­ ность развития процессов электронного взаимодействия и об­ легчает процесс соединения.

Трехстадийность процесса сварки связана с тем, что ее (так же как и пайку) можно отнести к классу так называемых топохимических реакций. Последние на микроучастках отличаются двухстадийностью процесса образования прочных связей между атомами соединяемых веществ (рис. 1.2). В микрообъемах про­ цесс сварки завершается третьей стадией — диффузией.

На первой стадии А развивается физический контакт, т. е. осуществляется сближение соединяемых веществ на расстоя­

с прорастанием дислокаций при пластической деформации кон­

тактирующих поверхностей либо при наличии высокой темпе­ ратуры.

Практическое получение монолитных соединений осложнено двумя факторами:

свариваемые поверхности имеют микронеровности, поэтому

Рис. 1.1. Энергетический барьер потенциальной энергии системы ато­ мов у поверхности кристалла (а) и на границе твердой и жидкой фаз в начальный период их контактирования (б)

при совмещении поверхностей контактирование возможно лишь в отдельных точках;

свариваемые поверхности имеют загрязнения, так как на любой поверхности твердого тела адсорбируются атомы внеш­ ней среды.

Для качественного соедине­ ния изделий необходимо обеспе­ чить контакт по большей части стыкуемых поверхностей и акти­ вацию их.

Активация поверхностей со­ стоит в том, что поверхностным атомам твердого тела сообщает­ ся некоторая энергия, необходи­ мая для обрыва связей между атомами тела и атомами внеш­ ней среды, насыщающими их свободные связи; для повыше­ ния энергии поверхностных ато­ мов до уровня энергетического

барьера схватывания, т. е. для перевода их в активное состоя­ ние. Такая энергия активации может в общем случае быть сообщена в виде теплоты (термическая активация), упруго­ пластической деформации (механическая активация), элек­ тронного облучения и других видов воздействия.

Определение процесса сварки целесообразно дать, исходя из анализа физико-химических особенностей получения соеди­ нений. В зоне сварки можно установить наличие двух основных физических явлений, связанных с термодинамически необрати­ мым изменением формы энергии и состояния вещества

(рис. 1.3): введения и преобразования энергии; движения (превращения) вещества.

Исходя из сказанного, можно дать следующее термодинами­ ческое определение процесса сварки [1].

Сварка —это процесс получения монолитного соединения материалов за счет термодинамически необратимого превраще­ ния тепловой и механической энергии и вещества в стыке.

Склеивание, цементирование и другие соединительные про­ цессы, обеспечивающие монолитность соединения, в отличие от сварки и пайки, как правило, не требуют специальных источ-

Рис. 1.3. Схема-модель, поясняющая термодинамическое определение и классифика­ цию процессов сварки: Т, ТМ, ПМ — термические, термомеханические и прессово­ механические процессы

ников энергии. Они реализуются обычно только за счет вве­ дения (преобразования) вещества (клея, цемента и т. д.).

Кроме самого общего, термодинамического, возможны и другие определения сварки. Например, в технологическом ас­ пекте, согласно ГОСТ 2601—84, сварка — это процесс получе­ ния неразъемных соединений посредством установления меж­ атомных связей между свариваемыми частями при их местном нагреве или пластическом деформировании, или совместном действии того и другого.

1.2. Классификация процессов

Согласно схеме термодинамических превращений (см. рис. 1.3), целесообразно выделить при классификации процессов сварки три основных физических признака: форму вводимой энергии, наличие давления и вид инструмента — носителя энергии. Ос­ тальные признаки условно отнесены к техническим и техноло­ гическим (табл. 1.1). Такая классификация использована в ГОСТ 19521—74. По виду вводимой в изделие энергии все