1. Физическая сущность процесса сварки. Классификация способов сварки. Основные технические задачи, решаемые с помощью сварки.

Физическая сущность процесса сварки. Сварка – процесс получения монолитного соединения материала за счёт введения и термодинамически необратимого преобразования вещества и энергии в зоне соединения.

Особенности сварочных процессов:

1. Монолитность сварного соединения.

2. Преобразование энергии.

3. Преобразование вещества.

Монолитность соединения обеспечивается появлением атомно-молекулярных связей между элементарными частицами твёрдых тел.

Классификация способов сварки: 1 – холодная сварка; 2 – ультразвуковая сварка; 3 – сварка взрывом; 4 – сварка импульсная магнитным полем; 5 – диффузионная сварка; 6 – газопрессовая сварка; 7 – прессовая сварка с нагревом дугой, вращающейся в магнитном поле; 8 – контактная сварка; 9 – сварка жидким присадочным материалом с одновременным фрезерованием свариваемых кромок; 10 – плазменное нанесение покрытий; 11 – пайка; 12 – все способы сварки плавлением (дуговая, электроннолучевая, кислородно-ацетиленовая и т.д.); 13 – парофазное нанесение покрытий.

Вид энергии активации	Агрегатное состояние вещества
	твёрдое	твёрдое+жидкое	жидкое	газообразное
Е	1, 2	3, 4		
Е+Q	5	6, 7	8, 9, 10	
Q			11, 12	13

Из таблицы видно, что большинство способов сварки основано на применении тепловой энергии. Рассмотрим примеры, соответствующие различным видам энергии активации и агрегатного состояния вещества.

Основные технические задачи, решаемые с помощью сварки. Основными факторами, определяющими возможность осуществления большинства способов сварки является введение и преобразование тепловой энергии, а так же физические и химические превращения вещества. Для достижения этой цели нужно решить следующие задачи:

1)Изучение тепловых процессов при сварке.

2)Изучение физических процессов при затвердевании и окислении Ме шва.

3)Изучение химических процессов при сварке.

2.Источники тепла при сварке. Схематизация источников тепла и нагреваемых тел, применяемая для расчета температур при сварке.

Источники тепла при сварке. В большинстве случаев тепло получают вблизи соединения или в самом соединении из других видов энергии. Классифицируем способы сварки по видам энергии и месту её преобразования в тепловую.

Место преобразования в тепловую	Виды преобразуемой энергии
	Химическая	Механическая	Излучение	Электрическая
Вблизи соединения	1, 2, 3			4, 5
В самом соединении		6	7, 8	9, 10, 11, 12

1 – газопламенная сварка; 2 – кузнечная сварка; 3 – термитная сварка; 4 – электродуговая сварка; 5 – пайка твёрдым нагретым телом; 6 – сварка трением; 7 – сварка световым лучом (лазером); 8 – сварка сфокусированным световым лучом (лампа солнце); 9 – электронно-лучевая сварка; 10 – электрошлаковая сварка; 11 – контактная сварка; 12 – высокочастотная сварка.

Химическая энергия как сварочный источник тепла.

Горение газов. Газопламенная сварка.

Горение – реакция окисления, как правило экзотермическая.

Ацетилен, пропан, бутан, природный газ, пары керосина. Эти вещества смешивают с кислородом и зажигают, идёт химическая реакция типа:

А + О₂  С + D + Q

Q – тепло плавит свариваемые кромки и присадочный материал.

Горение Ме в кислороде.

Применяется для резки и сварки металлов и неметаллов.

Газопламенная резка Ме.

Р азрезаемый Ме нагревают газовым пламенем до температуры воспламенения, подают струю режущего кислорода, Ме сгорает, выделяя дополнительное тепло Q`.

Ме + О₂  А + В + Q`

Резка кислородным копьём.

Тепло выделяется за счёт реакции горения железа в кислороде. Конец стальной трубы нагревают до воспламенения и подают кислород. По мере сгорания трубу подают в сторону разрезаемой заготовки.

Реакции между металлом и окислом другого металла.

На этой реакции основана термитная сварка. Подбирают смесь из порошков окисла Ме и другого чистого Ме (Fe₃O₄ + Al = термит). Второй металл более активен с О₂. Смесь подогревают до температуры 750С (зажигают). Идёт реакция окисления более активного Ме, из окисла восстанавливается менее активный Ме. При этом выделяется тепло, которого достаточно для расплавления свариваемого материала.

3 Fe₃O₄ + 8 Al  9 Fe + 4 Al₂O₃ + Q²

Q – тепло плавит свариваемые кромки и присадочный материал.

Превращение механической энергии в тепловую.

Количество тепла, выделяемое при переходе механической энергии в тепловую зависит от силы, с которой прижимают детали, от скорости перемещения и от времени взаимодействия поверхностей.

Q = FVt

Энергия излучения как источник тепла при сварке.

При облучении поверхности тела светом энергия квантов передаётся при торможении частицам поверхности. Температура поверхности возрастает. Если световую энергию сконцентрировать на малом участке поверхности, то можно нагреть до температуры плавления.

Пример: Световая сварка сфокусированным лучом солнца (мощной лампы).

Электрическая энергия как сварочный источник тепла.

Электронный луч.

При облучении поверхности потоком электронов их кинетическая энергия переходит в тепло, на этом основан процесс электронно-лучевой сварки, 1950 г. (ФРГ).

1 – источник ускоряющего напряжения;

2 – источник питания катода;

3 – катод;

4 – анод;

5 – фокусирующие катушки;

6 – электронный луч;

7 – изделие;

8 – вакуумная камера;

9 – потенциометр фокусировки луча.

Катод, анод и фокусирующие катушки составляют электронную пушку.

Мощность луча определяется ускоряющим напряжением (U_уск = 10⁵…10⁶ В) и током луча (I_луча = 50…500 мА). Количество электронов в луче 10¹⁷ – 10¹⁸ на см², V  200000 км/с. Высокая плотность энергии ведёт к интенсивному испарению Ме, реактивные силы паров раздвигают жидкий Ме, луч проникает внутрь.

КПД = 75…90%

Энергия теряется на аноде, затрачивается на испарения, а также на вторичную и термоэлектронную эмиссию. При температуре больше 4000К сварка невозможна из-за испарения.

Достоинства: Можно варить несколько недоступных швов за один проход. Высокая концентрация энергии позволяет получать узкие швы с соотношением высота/ширина = 15 (для дуговой сварки  1).

Недостатки: Дороговизна оборудования. Необходимость вакуума. Необходимость высокой квалификации операторов.