Определение сварки. Физические основы и классификация процессов сварки . Виды элементарных связей.
Сварка – процесс получения монолитного неразъемного соединения за счет термодинамически необратимого процесса превращения энергии и вещества в стыке. В отличие от сварки склеивание и цементирование происходит без приложения энергии и монолитность достигается за счет введения вещества (клея, цемента) с последующим превращением. Монолитности сварного соединения обеспечивается образованием атомно-молекулярных связей.
При сварке наибольшее распространение получили четыре основных типа атомно-молекулярных связей.
1. Полярная (молекулярные силы Ван дер Ваальса). При полярной связи не происходит электронного обмена между атомами и не требуется отрыв электронов от атомов. В данном случае имеет место смещение электронов в преимущественном направлении с образованием электрических диполей, что создает предпосылки для электромагнитного взаимодействия.
Такая связь непрочна (энергия связи порядка 0,1 эВ). Силы Ван дер Ваальса характерны для склеивания и смачивания твердых тел жидкостями.
2
.
Ионная связь (гетерополярная). При
ионной связи происходит электронный
обмен – электроны с одного атома
переходят на другой с образованием
катионов и анионов.
Энергия связи весьма велика (порядка 8 эВ). Ионная связь имеет место в соединениях Si, Sn, Pb, Al c Se, Te, O, S, H.
3. Ковалентная связь – имеет место переход электронов внешних оболочек соседних атомов и объединение их на общих орбитах. Энергия связи весьма велика (порядка 6 эВ). Характерна для соединений Cu, Ag, Zn c Li, Cr, mg.
4. Металлическая связь – имеет место образование кристаллической решетки из положительных ионов, между которыми перемещаются делокализованные (свободные) электроны.
Т.к. в металлах имеет место «обмен электронами», то допускается большая подвижность атомов, чем при других видах связей. Этим объясняется высокая пластичность, тепло- и электропроводность металлов. Энергия металлической связи весьма велика (порядка 8 эВ).
Все четыре типа атомно-молекулярных связей редко существуют в чистом виде. Более вероятна их комбинация.
Стадии процесса сварки. Сварка давлением. Сварка плавлением
Теоретически образование монолитного соединения при сварке происходит в две стадии:
сближение на расстояние, обеспечивающее межатомное взаимодействие;
образование атомно-молекулярных связей.
Практически образование монолитного соединения осложняется двумя факторами:
свариваемые поверхности имеют микронеровности и контакт возможен в отдельных точках;
свариваемые кромки имеют загрязнения (окислы, жировые и углеводородные пленки и т.п.).
Для качественного монолитного соединения необходимо увеличить площадь контакта и сообщить энергию активации с целью:
обрыва связей между поверхностными атомами и окружающей средой;
перевод поверхностных атомов в активное состояние.
Энергия активации может быть в виде теплоты, упругопластической деформации и излучения.
При сварке плавлением и пайке сближение поверхностей происходит за счет смачивания соединяемых поверхностей жидким металлом, а активация – за счет сообщения тепловой энергии. При кристаллизации слабые адгезионные связи заменяются прочными химическими в соответствии с типом материала сварного соединения. Вводимая тепловая (реже лучевая) энергия обеспечивает расплавление основного и присадочного материалов и оплавление поверхности стыка. Сварка плавление происходит без приложения давления путем спонтанного слияния объемов металла и не требует тщательной подготовки кромок.
При сварке давлением сближение атомов и активация(очистка) поверхностей идет за счет энергии упруго-пластической деформации с дополнительным вложением тепловой энергии. Тепловая энергия способствует повышению интенсивности взаимной диффузии при повышенных температурах. Некоторые высокопластичные сплавы (свинец, алюминий) свариваются давлением без дополнительного нагрева (холодная сварка).