Физические основы сваривания металлов 11. Физические основы процесса сварки металлов icon

Физические основы сваривания металлов 11. Физические основы процесса сварки металлов




НазваФизические основы сваривания металлов 11. Физические основы процесса сварки металлов
Сторінка1/4
Дата23.06.2012
Розмір0.74 Mb.
ТипДокументи
  1   2   3   4

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
  1   2   3   4

Схожі:

Физические основы сваривания металлов 11. Физические основы процесса сварки металлов iconМонографии
А. А. Металлургия: учебное пособие в 3-х кн. Книга Металловедение и основы термической обработки металлов. Теоретические основы обработки...
Физические основы сваривания металлов 11. Физические основы процесса сварки металлов iconМетодические указания для самостоятельной работы студентов при подготовке к практическому (семинарскому) занятию
Звук. Физические и слуховые характеристики. Звуковые измерения. Физические основы звуковых методов исследования в клинике
Физические основы сваривания металлов 11. Физические основы процесса сварки металлов iconМеталловедение и физические основы сварки относятся к числу, основополагающих учебных дисциплин для специальностей газотеплоснабжения и энергетики высших учебных заведений страны
Изложенный материал может быть использован не только студентами и преподавателями втузов, но и широкими кругами инженерно-технических...
Физические основы сваривания металлов 11. Физические основы процесса сварки металлов iconДокументи
1. /Физические основы микроэлектроники В.И.Марголин.djvu
Физические основы сваривания металлов 11. Физические основы процесса сварки металлов iconДокументи
1. /Физические основы микроэлектроники В.И.Марголин.djvu
Физические основы сваривания металлов 11. Физические основы процесса сварки металлов iconВ. В. Масловский Материалы и физические основы сварки Рекомендовано Министерством образования и науки Украины как учебное пособие
...
Физические основы сваривания металлов 11. Физические основы процесса сварки металлов iconДокументи
1. /5 курс/Конспект лекций Основы менеджмента.doc
2. /5...

Физические основы сваривания металлов 11. Физические основы процесса сварки металлов iconРабочая программа по курсу «Механика»
Предмет и задачи физики. Пространство и время как формы существования материи. Методы физического эксперимента. Физические модели....
Физические основы сваривания металлов 11. Физические основы процесса сварки металлов iconМетодические указания для студентов по теме
Физические основы действия постоянного, переменного и импульсного токов на организм человека. Эквивалентные электрические схемы биотканей....
Физические основы сваривания металлов 11. Физические основы процесса сварки металлов iconДокументи
1. /met/Лит.произв.черн.и цв.металлов/1.1Общ.стр.обр-проф программ.doc
2. /met/Лит.произв.черн.и...

Додайте кнопку на своєму сайті:
Документи


База даних захищена авторським правом ©zavantag.com 2000-2013
При копіюванні матеріалу обов'язкове зазначення активного посилання відкритою для індексації.
звернутися до адміністрації
Документи