Глава 2. Теоретические основы сварочного

Глава 2. Теоретические основы сварочного

Производства

2.1. Физико-химические основы образования сварного соединения

 

С в а р к а – это процесс получения неразъемных соединений посредством установления межатомных связей между свариваемыми частями при их местном нагреве или пластическом деформировании, или совместным действием того и другого.

Получение монолитного соединения неорганических веществ (металлов, неметаллов или металлов с неметаллами) посредством образования межатомных связей между соединяемыми материалами – сложный физико-химический процесс, состоящий из следующих стадий: образование физического контакта; активация контактных поверхностей; объемное взаимодействие.

Ф и з и ч е с к и й к о н т а к т – состояние, при котором между свариваемыми частями становятся возможны процессы обменного электронного взаимодействия. Такое состояние является необходимым условием для протекания химической реакции.

А к т и в а ц и я к о н т а к т н ы х п о в е р х н о с т е й – стадия процесса сварки, на которой атомам контактирующих поверхностей сообщается энергия, необходимая для химического взаимодействия.

О б ъ е м н о е в з а и м о д е й с т в и е – стадия, на которой в плоскости контакта образуются химические связи, а в приконтактном объеме протекают физические процессы формирования эксплуатационных характеристик сварного соединения (требуемые прочность, пластичность, вязкость, работоспособность при различных температурно-временных и силовых условиях, коррозионная стойкость и т.д.).

В зависимости от агрегатного состояния свариваемых материалов сварка может протекать в твердой, твердожидкой и жидкой фазах. Рассмотрим два крайних случая.

Сварка в жидкой фазе. Физический контакт возникает в момент слияния расплавленных металлов (при условии разрыва поверхностных оксидных пленок в месте слияния). Металлические расплавы образуются при плавлении металла изделия – о с н о в н о г о м е т а л л а и электродного металла.

Атомы жидкости термически активированы и имеют энергию, достаточную для преодоления кулоновского барьера отталкивания. Поэтому при сварке в жидкой фазе активация контактных поверхностей не выделяется в отдельную стадию и практически одновременно с образованием физического контакта между атомами контактирующих жидкостей самопроизвольно возникают общие химические связи.

Окончательное формирование физико-химических свойств и структуры металла сварного соединения осуществляется на стадии объемного взаимодействия в ходе процессов кристаллизации и охлаждения металла.

Сварка в твердой фазе. Поверхность металла 1 (рис. 2.1) в воздушной атмосфере покрыта слоями оксида 2, адсорбированных кислородных анионов и нейтральных молекул воздуха 3, водяных молекул 4, жировых молекул 5 и ионизированных пылевых частиц 6.

Рис. 2.1.Строение поверхности металла в воздушной атмосфере

Пластическое деформирование состыкованных частей свариваемого соединения вызывает смятие микровыступов и вытеснение металла вместе с загрязнениями на его поверхности из зоны стыка за его пределы. При этом обнажаются внутренние слои металла, имеющие чистые (ю в е н и л ь н ы е) поверхности.

Потенциальная энергия идеализированной системы, состоящей из двух монокристаллов с ювенильными поверхностями, изменяется при их сближении (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Зависимость потенциальной энергии Е двух монокристаллов от расстояния R между ними; Е1 – энергия ван-дер-ваальсовой связи; Е2 – энергия химической связи; Еа – энергия активации образования химической (металлической) связи

Кривая 1 показывает изменение потенциальной энергия системы, обусловленное действием сил Ван-дер-Ваальса. В точке R ₁ энергия достигает минимального значения Е ₁, что соответствует образованию физического контакта. При дальнейшем сближении кристаллов между ними начнут действовать силы отталкивания. Для того чтобы в точке А между атомами на поверхности кристаллов началось химическое взаимодействие, атомы необходимо активировать, причем на необходимой для процесса степени свободы. При сообщении данным атомам энергии активации Е_а начнется процесс образования химической связи. Изменение E иллюстрирует кривая 2, характеризующая химическую связь. Потенциальная энергия системы достигнет минимума в положении равновесия R ₁. При этом граница между поверхностями кристаллов исчезает и образуется монолитное соединение.

Образование физического контакта в реальных металлах обусловливается, в основном, упругопластической и пластической деформациями частей сварного соединения в зоне стыка. При этом протекают процессы образования ювенильных поверхностей и их сближения до расстояния R ₁ (см. рис. 2.2).

Одновременно с формированием физического контакта в стыке начинается стадия активации контактных поверхностей.

Стадия активации контактных поверхностей. При сварке реальных металлов (поликристаллов) активация атомов возникает на локальных участках в области физического контакта – а к т и в н ы х ц е н т р а х (очагах взаимодействия).

Энергия активации, в общем случае, может сообщаться атомам очагов взаимодействия передачей теплоты (термическая активация), упругопластической деформацией (механическая активация), электронным, ионным и другими видами излучения (радиационная активация).

При механической активации активные центры образуются в полях упругих искажений кристаллической решетки, возникающих, например, в местах выхода на поверхность винтовых дислокаций.

При сварке разноименных материалов необходимо образование активных центров на поверхности более твердого из соединяемых материалов.

Стадия объемного взаимодействия наступает с момента образования активных центров и начинается с подстадии – схватывания.

С х в а т ы в а н и е – процесс сшивания связей (ионных, ковалентных или металлических) на контактных поверхностях, протекающий по бездиффузионному механизму. В очаге взаимодействия химические связи образуются со скоростью звука в материале. Скорость формирования химических связей по всей плоскости контакта определяется кинетикой слияния активных центров и обусловливается температурно-силовыми условиями протекания сварочного процесса.

Полученное в результате схватывания соединение имеет в плоскости контакта значительное количество микроскопических дефектов (вакансии и их комплексы, микронепровары, оксидные включения и т. д.), закрепляющих дислокации. Это обусловливает низкую пластичность металла в зоне сварки, а также недостаточную прочность при работе соединения на удар, изгиб и циклическое нагружение. Поэтому, несмотря на то, что общие химические связи между частями сварного соединения уже образованы, соединение продолжают подвергать (если это возможно) температурно-силовому воздействию. В результате дефекты перераспределяются из стыка в глубь металла. Развиваются процессы рекристаллизации (сварка однородных металлов), гетеродиффузии (сварка разнородных материалов). Избыточные дислокации аннигилируют или уходят из зоны сварки и механические характеристики металла сварного соединений достигают требуемого эксплуатационного уровня.

Вопросы для самоконтроля

1. Приведите определение сварки.

2. Какие стадии можно выделить в процессе образования сварного соединения?

3. В чем отличия между ювенильной поверхностью и поверхностью металла в воздушной атмосфере?

4. В чем отличие стадий образования физического контакта и активации контактных поверхностей при сварке в твердой или жидкой фазах?

5. В связи с чем процесс температурно-силового воздействия на металл свариваемого в твердой фазе изделия, как правило, не прекращают, несмотря на завершение схватывания?

 

Вопросы для самоконтроля

 

1. Как соотносятся между собой следующие понятия: Т-, ТМ- и М-процес-сы, сварка плавлением и сварка давлением.

2. Укажите основные признаки, лежащие в основе классификации сварочных процессов и приведите примеры их использования.

3. Сопоставьте между собой основные источники сварочного нагрева.

Вопросы для самоконтроля

 

1. Как классифицируют сварочные дуги?

2. Дайте характеристику методов возбуждения дуги.

3. Приведите основные параметры областей дугового промежутка.

4. Как соответствуют различные участки статической вольт-амперной характеристики дуги внешним вольт-амперным характеристикам источников питания и чем обусловлено данное соответствие?

5. Предложите практические мероприятия по уменьшению или предотвращению магнитного дутья.

 

Вопросы для самоконтроля

1. Дайте определение погонной энергии сварки.

2. Какие составляющие определяют тепловой баланс при дуговой сварке и как различаются эффективные коэффициенты полезного действия нагрева металла при различных дуговых и лучевых способах сварки плавлением?

3. Охарактеризуйте стадии процесса распространения теплоты в изделии при сварке.

4. Представьте примеры различных термических циклов сварки.

5. Приведите показатели, характеризующие сварочную ванну, и укажите основные параметры сварного шва (в поперечном сечении).

6. Какими показателями определяются технологические характеристики плавления электрода?

7. Сравните между собой различные типы переноса электродного металла через дуговой промежуток.

Вопросы для самоконтроля

 

1. Какова роль металлургических (химических) реакций при сварке в формировании физико-химических и эксплуатационных свойств сварного шва.

2. Охарактеризуйте роль шлака в физических и химических процессах, протекающих при сварке плавлением.

3. Приведите характеристику процессов окисления и раскисления металла сварного шва и обоснуйте необходимость применения раскислителей при сварке.

4. В чем проявляется негативное воздействие водорода на механические свойства сварного соединения и как на практике можно уменьшить данное воздействие?

5. Как проявляет себя азот при попадании в сварной шов?

6. С какой целью и каким образом производится легирование сварного шва?

7. В чем состоит сущность расчета состава металла сварного шва через доли участия основного, электродного металлов и флюса (покрытия) в образовании шва?

8. Приведите примеры случайных и постоянных примесей в сталях и укажите способы снижения их концентрации в процессе сварки.

Вопросы для самоконтроля

1. В чем отличия между первичной и вторичной кристаллизациями?

2. Каким образом в сварочной ванне образуются центры кристаллизации?

3. Объясните физический смысл концентрационного переохлаждения.

4. Опишите различные типы кристаллитов, образующихся в сварочной ванне, и условия, необходимые для их образования.

5. Чем отличаются понятия "первичная структура" и "вторичная структура" и существует ли связь между первичной и вторичной структурами металла сварного шва?

6. Охарактеризуйте методы измельчения первичной структуры.

7. Опишите механизмы образования химической неоднородности и ее влияние на металл сварного шва.

8. В чем отличия между диффузионным, сдвиговым и промежуточным механизмами фазовых превращений металла в условиях сварки?

9. Что представляют собой зоны сварного соединения?

10. Как изменяются размеры участков зоны термического влияния в зависимости от применяемого способа сварки?

11. Охарактеризуйте методы упрочнения основного металла и металла сварного шва.

 

Вопросы для самоконтроля

1. Охарактеризуйте нагрузки и усилия, обусловливающие деформации сварной конструкции.

2. Какие виды перемещений наблюдаются в элементах сварных изделий?

3. Опишите разновидности деформаций изделия при сварке.

4. Что такое коробление сварной конструкции и с помощью каких мероприятий оно может быть уменьшено?

5. Как классифицируются напряжения в сварных конструкциях и чем обусловлено их возникновение?

6. Приведите примеры эпюр остаточных поперечных и продольных напряжений в различных сварных соединениях.

7. В чем заключается отрицательное действие остаточных сварочных напряжений и какие мероприятия применяют для их снижения?

 

 

Вопросы для самоконтроля

 

1. Дайте характеристику понятий "свариваемость", "физическая свариваемость" и "технологическая свариваемость".

2. Что характеризуют и как определяются степени свариваемости?

4. Что называют горячими трещинами?

4. Каким образом и в каком месте соединения, полученного дуговой или лучевой сваркой плавлением, могут возникнуть горячие трещины?

5. Охарактеризуйте методы оценки стойкости сварного соединения против образования горячих трещин.

6. Каким образом можно предотвратить появление горячих трещин?

7. Что называют холодными трещинами?

8. По каким признакам в изломе отличают холодную трещину от горячей?

9. Приведите характеристику основных факторов, обусловливающих возникновение холодных трещин в сталях и титановых сплавах.

10. Охарактеризуйте методы оценки стойкости сварного соединения против образования холодных трещин.

11. Каким образом можно предотвратить появление в сварных соединениях холодных трещин?

Глава 2. Теоретические основы сварочного

Производства

2.1. Физико-химические основы образования сварного соединения

 

С в а р к а – это процесс получения неразъемных соединений посредством установления межатомных связей между свариваемыми частями при их местном нагреве или пластическом деформировании, или совместным действием того и другого.

Получение монолитного соединения неорганических веществ (металлов, неметаллов или металлов с неметаллами) посредством образования межатомных связей между соединяемыми материалами – сложный физико-химический процесс, состоящий из следующих стадий: образование физического контакта; активация контактных поверхностей; объемное взаимодействие.

Ф и з и ч е с к и й к о н т а к т – состояние, при котором между свариваемыми частями становятся возможны процессы обменного электронного взаимодействия. Такое состояние является необходимым условием для протекания химической реакции.

А к т и в а ц и я к о н т а к т н ы х п о в е р х н о с т е й – стадия процесса сварки, на которой атомам контактирующих поверхностей сообщается энергия, необходимая для химического взаимодействия.

О б ъ е м н о е в з а и м о д е й с т в и е – стадия, на которой в плоскости контакта образуются химические связи, а в приконтактном объеме протекают физические процессы формирования эксплуатационных характеристик сварного соединения (требуемые прочность, пластичность, вязкость, работоспособность при различных температурно-временных и силовых условиях, коррозионная стойкость и т.д.).

В зависимости от агрегатного состояния свариваемых материалов сварка может протекать в твердой, твердожидкой и жидкой фазах. Рассмотрим два крайних случая.

Сварка в жидкой фазе. Физический контакт возникает в момент слияния расплавленных металлов (при условии разрыва поверхностных оксидных пленок в месте слияния). Металлические расплавы образуются при плавлении металла изделия – о с н о в н о г о м е т а л л а и электродного металла.

Атомы жидкости термически активированы и имеют энергию, достаточную для преодоления кулоновского барьера отталкивания. Поэтому при сварке в жидкой фазе активация контактных поверхностей не выделяется в отдельную стадию и практически одновременно с образованием физического контакта между атомами контактирующих жидкостей самопроизвольно возникают общие химические связи.

Окончательное формирование физико-химических свойств и структуры металла сварного соединения осуществляется на стадии объемного взаимодействия в ходе процессов кристаллизации и охлаждения металла.

Сварка в твердой фазе. Поверхность металла 1 (рис. 2.1) в воздушной атмосфере покрыта слоями оксида 2, адсорбированных кислородных анионов и нейтральных молекул воздуха 3, водяных молекул 4, жировых молекул 5 и ионизированных пылевых частиц 6.

Рис. 2.1.Строение поверхности металла в воздушной атмосфере

Пластическое деформирование состыкованных частей свариваемого соединения вызывает смятие микровыступов и вытеснение металла вместе с загрязнениями на его поверхности из зоны стыка за его пределы. При этом обнажаются внутренние слои металла, имеющие чистые (ю в е н и л ь н ы е) поверхности.

Потенциальная энергия идеализированной системы, состоящей из двух монокристаллов с ювенильными поверхностями, изменяется при их сближении (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Зависимость потенциальной энергии Е двух монокристаллов от расстояния R между ними; Е1 – энергия ван-дер-ваальсовой связи; Е2 – энергия химической связи; Еа – энергия активации образования химической (металлической) связи

Кривая 1 показывает изменение потенциальной энергия системы, обусловленное действием сил Ван-дер-Ваальса. В точке R ₁ энергия достигает минимального значения Е ₁, что соответствует образованию физического контакта. При дальнейшем сближении кристаллов между ними начнут действовать силы отталкивания. Для того чтобы в точке А между атомами на поверхности кристаллов началось химическое взаимодействие, атомы необходимо активировать, причем на необходимой для процесса степени свободы. При сообщении данным атомам энергии активации Е_а начнется процесс образования химической связи. Изменение E иллюстрирует кривая 2, характеризующая химическую связь. Потенциальная энергия системы достигнет минимума в положении равновесия R ₁. При этом граница между поверхностями кристаллов исчезает и образуется монолитное соединение.

Образование физического контакта в реальных металлах обусловливается, в основном, упругопластической и пластической деформациями частей сварного соединения в зоне стыка. При этом протекают процессы образования ювенильных поверхностей и их сближения до расстояния R ₁ (см. рис. 2.2).

Одновременно с формированием физического контакта в стыке начинается стадия активации контактных поверхностей.

Стадия активации контактных поверхностей. При сварке реальных металлов (поликристаллов) активация атомов возникает на локальных участках в области физического контакта – а к т и в н ы х ц е н т р а х (очагах взаимодействия).

Энергия активации, в общем случае, может сообщаться атомам очагов взаимодействия передачей теплоты (термическая активация), упругопластической деформацией (механическая активация), электронным, ионным и другими видами излучения (радиационная активация).

При механической активации активные центры образуются в полях упругих искажений кристаллической решетки, возникающих, например, в местах выхода на поверхность винтовых дислокаций.

При сварке разноименных материалов необходимо образование активных центров на поверхности более твердого из соединяемых материалов.

Стадия объемного взаимодействия наступает с момента образования активных центров и начинается с подстадии – схватывания.

С х в а т ы в а н и е – процесс сшивания связей (ионных, ковалентных или металлических) на контактных поверхностях, протекающий по бездиффузионному механизму. В очаге взаимодействия химические связи образуются со скоростью звука в материале. Скорость формирования химических связей по всей плоскости контакта определяется кинетикой слияния активных центров и обусловливается температурно-силовыми условиями протекания сварочного процесса.

Полученное в результате схватывания соединение имеет в плоскости контакта значительное количество микроскопических дефектов (вакансии и их комплексы, микронепровары, оксидные включения и т. д.), закрепляющих дислокации. Это обусловливает низкую пластичность металла в зоне сварки, а также недостаточную прочность при работе соединения на удар, изгиб и циклическое нагружение. Поэтому, несмотря на то, что общие химические связи между частями сварного соединения уже образованы, соединение продолжают подвергать (если это возможно) температурно-силовому воздействию. В результате дефекты перераспределяются из стыка в глубь металла. Развиваются процессы рекристаллизации (сварка однородных металлов), гетеродиффузии (сварка разнородных материалов). Избыточные дислокации аннигилируют или уходят из зоны сварки и механические характеристики металла сварного соединений достигают требуемого эксплуатационного уровня.

Вопросы для самоконтроля

1. Приведите определение сварки.

2. Какие стадии можно выделить в процессе образования сварного соединения?

3. В чем отличия между ювенильной поверхностью и поверхностью металла в воздушной атмосфере?

4. В чем отличие стадий образования физического контакта и активации контактных поверхностей при сварке в твердой или жидкой фазах?

5. В связи с чем процесс температурно-силового воздействия на металл свариваемого в твердой фазе изделия, как правило, не прекращают, несмотря на завершение схватывания?