1. Физические основы сварки

Сваркой металлов называется процесс их соединения за счет сил взаимодействия атомов. Кусок твердого металла можно рассматривать как гигантскую молекулу из атомов, размещенных в определенном, очень сложном порядке и прочно связанных в одно целое силами межатомного взаимодействия.

Принципиальная сущность очень проста. Поверхностные атомы куска металла имеют свободные, ненасыщенные связи, которые захватывают всякий атом или молекулу, приблизившиеся на расстояние действия межатомных сил. Сблизив поверхности двух кусков металла на расстояние действия межатомных сил или, говоря несколько упрощенно, до соприкосновения поверхностных атомов, получим по поверхности соприкосновения сращивание обоих кусков металла в одно монолитное целое с прочностью соединения, равной прочности цельного металла, поскольку внутри металла и по поверхности соединения действуют те же межатомные силы. Процесс соединения после соприкосновения протекает самопроизвольно, без затрат энергии и весьма быстро, практически мгновенно.

Металлы с малой твердостью достаточно прочно соединяются уже при сдавливании незначительными усилиями. У наиболее важных для техники металлов твердость настолько велика, что поверхность действительного соприкосновения очень мала по сравнению с общей кажущейся поверхностью соприкосновения, даже на тщательно обработанных и пригнанных поверхностях.

При нагреве с повышением температуры снижается твердость металла и возрастает его пластичность. Металл, твердый и малопластичный при комнатной температуре, при достаточном нагреве может стать очень мягким и пластичным. Дальнейшим повышением температуры можно довести металл до расплавления; в этом случае отпадают все затруднения, связанные с твердостью металла; объемы жидкого металла самопроизвольно сливаются в общую сварочную ванну.

Противоречие между теоретической возможностью сварки без затрат энергии и практической необходимостью затрат энергии и затрат значительных может быть объяснено энергетической моделью процесса сварки, схематически показанной на рис. 1.1.

Рис 1.1

Атом на свободной поверхности металла в положении 1 имеет энергию h, атом в объеме металла в положении 3 - меньшую энергию h₀; соединение объемов металла с уничтожением свободной поверхности сопровождается освобождением энергии на атом. Но для перемещения из положения 1 в положение 3 атом должен преодолеть энергетический порог и пройти положение 2 с энергией H. Для преодоления энергетического порога атому нужно подвести энергию , без чего невозможно преодоление порога и соединение объемов металла. Энергия расходуется на упругую и пластическую деформацию металла, необходимую для сближения поверхностей металла, на нагрев его, разрушение пленки адсорбированных газов и т.д. Нагрев снижает энергетический порог, препятствующий соединению твердых металлов, а расплавление сводит высоту порога почти к нулю, делая возможным соединение без затрат энергии.

Соединение атомов при сварке металлов происходит в очень тонком спое, толщиной в несколько атомных диаметров, и зона сварки имеет пленочный характер. Увеличение толщины зоны сварки может быть произведено за счет таких процессов как диффузия, растворение, кристаллизация, которые протекают очень медленно.