Введение

ТСП является базовой дисциплиной и охватывает широкий круг процессов, происходящих при сварке металлов.

Теория сварочных процессов включает в себя 4 раздела:

1. источники энергии при сварке;

2. тепловые процессы при сварке;

3. физико-химический и металлургический процессы при сварке;

4. термодиформационные процессы и превращения при сварке.

При описании процессов, которые сопутствуют образованию сварных соединений, используется ряд вопросов из фундаментальных дисциплин, такие как физика, химия, термодинамика, электротехника и т.д.

В 1-ом разделе рассматриваются физические и химические явления, происходящие при подготовке свариваемого материала и образованию прочных связей между отдельными частями свариваемой детали. Эти явления связаны с преобразованием различных энергий в тепловую. Чаще всего для сварки используют электрическую энергию, но имеются много способов сварки, где используют энергию, выделяющуюся при горении газа, лучевую энергию, механическую, а также различные их сочетания.

Явление распределения теплоты, переданной источником тепла свариваемому телу, рассматривается во 2-ом разделе.

Металл изменяет свои механические и физические свойства при повышении температуры.

Изучение температурных процессов в металле шва и вблизи него необходимо по двум причинам:

1. для количественного описания многочисленных реакций, которые происходят между жидким металлом и шлаком или газом;

2. для определения условий кристаллизации различных структурных превращений.

Закономерности формирования химического состава металла изложена в 3-м разделе.

Вопросы защиты металла шва и масса обменов на границе металл-шлак и металл-газ - это основные вопросы первого раздела.

Эти процессы определяют химический состав металла шва, а отсюда его механические свойства. Характер кристаллизации шва также во многом влияет на его свойства. Свойства околошовной зоны и металла шва зависят от температурного и термомеханического цикла, которые сопровождают процесс сварки.

Для многих легких сталей и сплавов эта фаза определяет их механические свойства. Образование сварных соединений сопровождается пластическими деформациями металла и возникновением собственных напряжений. Эти вопросы рассматриваются в 4-ом разделе.

Таким образом ТСП – это теоретический фундамент о науке сварки, в частности, формирования свойств сварных соединений.

ТСП закладывает необходимую теоретическую основу для изучения технологических процессов создания сварочных материалов и объяснения ряда вопросов в области прочности сварных соединений.

ТСП рассматриваются общие вопросы для многих видов сварки.

Виды элементарных связей в твердых телах и монолитных соединениях

В технике используют как разъемные, так и неразъемные соединения.

Неразъемные:

1. монолитные (сплошные);

2. немонолитные (заклепочные).

Монолитные получают сваркой, склеиванием, пайкой. Сваркой и пайкой можно соединять между собой как металлические, так и неметаллические материалы. Монолитность сварных соединений твердых тел обеспечивается появлением атомно-молекулярных связей между элементарными частицами материала.

Прежде чем изучать природу сварных соединений, необходимо рассмотреть некоторые вопросы физики твердого тела.

Существует 4 типа элементарных связей:

1. ковалентная (химическая);

2. ионная;

3. межмолекулярная;

4. металлическая.

Ковалентная связь (валентная, атомная или обменная) образуется путем взаимодействия валентных электронов. Если атомы одинаковы и образуют ковалентную связь в виде Н₂, Li₂, Cl₂ и т.д., то связь – неполярная. В данном случае каждый электрон принадлежит обоим атомам. При взаимодействии разных атомов типа HCl – связь полярная. Энергия образования ковалентной связи составляет 10⁵ Дж/моль. Эта энергия определяет высокую температуру сплавления и прочность кристаллов в соединении.

Ковалентной связью образованы атомы алмаза, кремния, серого олова и т.д.

Ионная или гетерополярная связь – это связь типична для молекулы кристаллов, образованных из разных ионов (анионов, катионов), например, Na⁺Cl^-. Образование катиона – результат потери атомом электрона. Образование аниона происходит в результате присоединения электронов к атомам. Гетерополярная связь также относится к категории сильной. Ее энергия достигает 10⁵ – 10⁷ Дж/моль.

Межмолекулярные связи возникают вследствие действия универсальных сил. Ван-Дер-Ваальса. Они действуют между любыми атомами или молекулами, но очень слабые, энергия достигает 10³ Дж/моль. Поэтому молекулярные кристаллы, образованные этими силами (твердые инертные газы, молекулы кислорода О₂, N₂ и т.д.), имеют низкую температуру плавления.

Таким образом, силы Ван-Дер-Ваальса служат лишь небольшой добавкой к сильным ковалентным и ионным связям. Силы Ван-Дер-Ваальса обеспечивают адгезионные связи при склеивании, пайке.

Металлические связи образуют структуры путем взаимодействия положительных ионов решетки и обобществленных электронов. Они не относятся к химическим связям, так как металлы не имеет молекулярного строения, а их атомы соединяются в кристаллические образования. Эта связь обеспечивает высокую прочность, пластичность и электропроводимость металлов. По своей силе данная связь очень похожа на ковалентную. Энергия связи составляет 10⁵ Дж/моль, и отличие металлической связи от ковалентной заключается в том, что в металле обобществляются все электроны (не на отдельных, а на всех валентных электронных орбитах). Энергетические уровни электронов в твердом теле объединяются в серии и образуют энергетические зоны. Число уровней в каждой зоне равно числу атомов, объединенных в кристалл. Поскольку в металле существует как бы «облако» обобщенных электронов, металлическая связь допускает большее смещение атомов, чем другие типы связей. Этим обуславливается высокая пластичность металла по сравнению с валентными или ионными кристаллами.

Все 4 типа редко существует в чистом виде. Обычно они сочетаются друг с другом. Самые слабые связи – молекулярные.

Таким образом, для образования прочного монолитного соединения необходимо обеспечить условие, при котором могла бы проявиться металлическая связь.