Лекция №5. Сварка
5.1 Физические основы сварки
Монолитность сварных соединений достигается обеспечением физикохимических и атомно-молекулярных связей между элементарными частицами соединяемых тел.
Элементарные связи удерживают каждый атом внутри кристалла симметрично направленными силами. На свободной поверхности тела атом неуравновешен вследствие отсутствия или ослабления связей с внешней стороны. Это явление увеличивает потенциальную энергию εп поверхностного слоя. При соединении тел требуется извне механическая или тепловая энергия εг для преодоления энергетического барьера.
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 при повышении температуры, увеличивает флуктуационную вероятность развития процессов электронного взаимодействия и облегчает процесс соединения.
Практическое получение монолитных соединений осложнено двумя факторами:
1. Свариваемые поверхности имеют микронеровности, поэтому при совмещении поверхностей контактирование возможно лишь в отдельных точках;
2. Свариваемые поверхности имеют загрязнения, так как на любой поверхности твердого тела адсорбируются атомы внешней среды.
Для качественного соединения изделий необходимо обеспечить контакт по большей части стыкуемых поверхностей и активацию их.
Активация поверхностей состоит в том, что поверхностным атомам твердого тела сообщается некоторая энергия, необходимая для обрыва связей между атомами тела и атомами внешней среды, насыщающими их свободные связи, для повышения энергии поверхностных атомов до уровня энергетического барьера схватывания, т. е. для перевода их в активное состояние. Такая энергия активации может в общем случае быть сообщена в виде теплоты (термическая активация), упругопластической деформации (механическая активация), электронного облучения и других видов воздействия.
Исходя из сказанного, можно дать следующее термодинамическое определение процесса сварки.
Сварка - это процесс получения монолитного соединения материалов за счет термодинамически необратимого превращения тепловой и механической энергии и вещества в стыке.
Склеивание, цементирование и другие соединительные процессы, обеспечивающие монолитность соединения, в отличие от сварки и пайки, как правило, не требуют специальных источников энергии. Они реализуются обычно только за счет введения (преобразования) вещества (клея, цемента и т. д.).
Кроме самого общего, термодинамического, возможны и другие определения сварки. Например, в технологическом аспекте, согласно ГОСТ 2601-84, 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.