Лекция №10 Тема: Физические основы сварки материалов.

Основными способами получения неразъемных соединений являются электродуговая и газовая сварка, пайка, склеивание и клепка. Использование их для получения заготовок и деталей значительно уменьшает трудоемкость изготовления и снижает расход материала

Физическая сущность пайки и склеивания материалов

При пайке, так же как и при сварке, образованию межатомных связей по всей поверхности контакта деталей предшествует сближение частиц припоя и основного металла – образование физического контакта. Чем быстрее и надежнее протекает этот процесс, тем лучше припой смачивает поверхность металла и растекается на ней. Смачиваемость определяет такое важное свойство, как каппилярное проникновение в узкие зазоры между соединяемыми деталями. Она оценивается углом (рис 7.7). Чем меньше угол , тем выше смачиваемость. Наличие на поверхности окисных, жировых и других посторонних пленок увеличивает и резко ухудшает смачиваемость. Поэтому металлы перед пайкой обязательно проходят механическую или химическую очистку, а пайку производят либо с применением флюсов, либо в камерах с защитной нейтральной или активной атмосферой.

Рис. 7.7. Положение капли припоя на поверхности металла:

а) - припой не смачивает поверхность (металл покрыт толстой оксидной пленкой),

б) - припой плохо смачивает поверхность, в) - припой хорошо смачивает поверхность.

Качество паяных соединений (прочность, плотность, коррозионная стойкость и др.) в значительной степени зависит от следующих побочных процессов, протекающих в зоне пайки.

1. Растворение соединяемых материалов в припое и как следствие - из­менение его химического состава и температуры плавления, а также структу­ры и механических свойств паяного шва.

2. Диффузия элементов припоя в основной металл. Это приводит к из­менению химического состава и механических свойств околошовных зон.

3. Образование химических соединений из элементов, входящих в состав припоя и основного металла - интерметаллидов. Их большая хрупкость снижает пластичность и прочность паяных соединений.

4. Возможность закалки или разупрочнения металла в околошовных зонах.

При склеивании неразъемное соединение получается за счет, адгезии (прилипаемости), когезии (собственной прочности) и механического сцепле­ния клеевой пленки с поверхностями склеиваемых заготовок.

Прочность сцепления клеевых соединений зависит в основном от адгезии и когезии. Для объяснения физико-химической сущности адгезии существует три теории: адсорбционная, электрическая и диффузионная.

Адсорбционная теория рассматривает адгезию как чисто поверхностный процесс, аналогичный адсорбции; пленка удерживается на поверхности мате­риала в результате действия межмолекулярных сил.

Электрическая теория рассматривает адгезию как результат действия электростатических и ван-дер-ваальсовых сил.

Диффузионная теория предполагает, что при образовании связи между неполярными полимерами электрический механизм адгезии невозможен, и ад­гезия обусловливается переплетением макромолекул поверхностных слоев в результате их взаимодиффузии.

Качество клеевых соединений (прочность) можно повысить путем меха­нического сцепления пленки клея с шероховатой поверхностью материала; для этого перед склеиванием поверхности обрабатывают наждачной бумагой.

Электродуговая сварка является наиболее распространенным способом получения неразъемных соединений. Источником тепла при сварке является электрическая дуга. В этом случае кромки соединяемых деталей, основной и при необходимости присадочный материал, нагревается до расплавленного состояния, образуя общую сварочную ванну. После удаления источника нагрева металл ванны кристаллизуется, образуя сварной шов, соединяющий свариваемые поверхности в одно целое (рис. 7.1).

а) б)

Рис. 7.1. Электродуговая сварка при выполнении однослойного шва: а) — торцевого; б) — кромочного

На практике применяются два способа электродуговой сварки (рис. 7.2): неплавящимся а) и плавящимся б) электродами.

а) б)

Рис. 7.2. Схемы электродуговой сварки: 1-держатель, 2- электрод, 3- электрическая дуга, 4- присадочный металл, 5- свариваемая деталь, 6- гибкий провод

Сварка на постоянном токе осуществляется как при прямой, так и обрат­ной полярностях. При прямой полярности электрод присоединяют к отрица­тельному полюсу генератора, а изделие - к положительному; при обратной - наоборот: электрод присоединяют к положительному полюсу генератора, а изделие - к отрицательному (рис. 7.2, а, б). При сварке с обратной полярно­стью дуга получается менее устойчивой.

Более широкое применение имеет сварка на переменном токе, так как оборудование для сварки значительно дешевле, меньшей массы и габаритов, проще в эксплуатации. Кроме того, к.п.д. сварочных трансформаторов состав­ляет 0,8-0,85, а агрегатов постоянного тока - 0,3-0,6; расход электроэнергии почти в 3 раза меньше, чем на постоянном. Недостатком является меньшая устойчивость горения дуги. Для устойчивого горения дуги необходимо уве­личивать напряжение и частоту тока, применять специальный газ или обмазку и пр.

Физическая сущность электродуговой сварки

При сварке металлов получению неразъемного соединения за счет ис­пользования межмолекулярных и межатомных сил сцепления мешают неров­ности механической обработки и наличие окисных пленок на поверхностях заготовок, поскольку размеры этих неровностей и толщин окисных пленок даже при самой тщательной обработке на несколько порядков больше пара­метра кристаллической решетки. Поэтому для сближения заготовок на меж­атомное расстояние их либо сдавливают, обеспечивая за счет пластической деформации сближение поверхностей контакта на расстояние межатомного взаимодействия, либо расплавляют место их соединения до расплавленного состояния, которое при охлаждении кристаллизуется, образуя сварной шов, соединяющий поверхности в одно целое. Свойства металла в зоне шва опре­деляются условиями протекания процессов плавления, металлургической об­работки основного и присадочного материалов и кристаллизации полученного металла шва.

Свариваемость металлов и сплавов зависит от их физико-химических свойств. Наилучшей свариваемостью обладают металлы, образующие между собой ряд твердых растворов, хуже - с ограниченной растворимостью в твер­дом состоянии. Высокая теплопроводность, малый коэффициент линейного и объемного расширения и малая усадка также приводят к хорошей свариваемо­сти. Нельзя сваривать этим способом металлы, не растворимые в твердом со­стоянии. В этом случае применяется либо сварка давлением, либо диффузи­онная, либо подбирается промежуточный металл, растворимый в обоих сва­риваемых металлах.

При электродуговой сварке на постоянном токе катодом может быть и электрод (прямая полярность) и заготовка (обратная полярность), на переменном токе полярность постоянно изменяется.

После отрыва электрода от изделия, с разогретого катода, под воздейст­вием электрического поля начинается электронная эмиссия. Электроны, вылетавшие с поверхности катода, направляются к аноду, и сталкиваясь на своем пути с молекулами и атомами воздуха, ионизируют их. Образуемые в воздуш­ном промежутке отрицательные ионы и электроны перемещаются к аноду, а положительные ионы - к катоду. На поверхности катода и анода осуществля­ется нейтрализация заряженных частиц и преобразование электрической энер­гии в тепловую. Выделение тепловой энергии в сварочной дуге происходит неравномерно. Количество тепла, выделяемого на аноде, составляет около 43% за счет бомбардировки его электронами, имеющими кинетическую энер­гию больше, чем ионы, бомбардирующие катод. На катоде выделяется около 36% общего количества тепла сварочной дуги. Поэтому температура анода выше температуры катода, что может негативно отразиться, например, при сварке тонких листов.

При электродуговой сварке на нагревание и расплавление металла ис­пользуется 60-70% тепла. Остальное количество тепла рассеивается в окружающем пространстве.

Свойства сварного соединения в целом определяются строением сварного

шва и зоны термического влияния (рис. 7.3). Наплавленный металл 1 получа­ется в результате перевода присадочного и частично основного металлов в жидкое состояние, образования жидкой ванны и последующего охлаждения, в процессе которого происходит соединение расплавленного металла с основ­ным 2.

В узкой зоне сплавления I (зона взаимной кристаллизации) образуются зерна, в равной мере принадлежащие основному и наплавленному металлу.

За зоной сплавления располагается зона основного металла, где он нагре­вается до высоких температур, не изменяя своего первоначального химиче­ского состава. Однако структура его сильно изменяется. Эта зона получила название зоны термического влияния (ЗТВ).

Рис 7.3. Схема строения сварного шва и зоны тер­мического влияния

Структура наплавленного металла 1, независимо от способа сварки, имеет дендритную, в большинстве случаев столбчатую структуру, характерную для литой стали.

Участок II ЗТВ нагревается до температуры близкой к температуре плав­ления. Этот участок называют участком перегрева. Он имеет крупнозерни­стую и ферритно-игольчатую (Видманштеттову) структуру. Этот участок об­ладает наибольшей хрупкостью и является наиболее слабым местом сварного соединения. Чтобы устранить вредное влияние указанных структур на меха­нические свойства сварных соединений, необходимо дендритную и Видман­штеттову структуры перевести в мелкозернистую равновесную. Этого можно достичь, если сварное соединение подвергнуть полному отжигу либо норма­лизации. Однако в сварных соединениях, которые получают при газовой сварке и том же самом режиме нормализации и отжиге дендритная структура полностью не превращается в мелкозернистую. Это объясняется наличием в этих швах крупно-дендритной структуры.

На участке III ЗТВ температура металла не превышает 1100°С. Здесь на­блюдается нормализация стали, в результате которой сталь имеет мелкозерни­стое строение. Металл на этом участке имеет повышенные механические свойства по сравнению с основным металлом.

На участке IV ЗТВ происходит неполная перекристаллизация стали, так как она нагрелась до температуры, лежащей между критическими точками Ac₁ и Ас₃. На этом участке происходит лишь частичная перекристаллизация ос­новного металла, которая характеризуется тем, что наряду с крупными зерна­ми феррита, которые не подвергались перекристаллизации, образуются новые, мелкие зерна феррита и перлита.

На участке V структурных изменений в стали не происходит (если сталь перед сваркой не подвергалась пластической деформации). В противном слу­чае на этом участке наблюдается рекристаллизация.

На участке VI структура стали не претерпевает видимых структурных изменений и не отличается от основной структуры, но имеет пониженную пластичность и ударную вязкость. Этот участок получил название участка си­неломкости.

Таким образом, при электродуговой сварке стали в ЗТВ, расположенной за зоной сплавления, структура основного металла сильно изменяется. При этом размеры ЗТВ зависят от способа и технологии сварки и свойств свари­ваемого металла. Так, при ручной дуговой сварке стали тонкообмазанными электродами и при автоматической сварке стали под слоем флюса размеры ЗТВ минимальные (2...2,5 мм); при сварке электродами с толстой обмазкой протяженность ее равна 4... 10мм, а при газовой сварке-20... 25 мм.

Структурные изменения основного металла в ЗТВ мало отражаются на механических свойства малоуглеродистой стали при сварке ее любыми спосо­бами с последующим отжигом. Однако при сварке среднеуглеродистых и низ­колегированных сталей в ЗТВ может происходить образование закалочных структур, которые резко снижают пластические свойства сварных столкновений и часто являются причиной образования трещин. При сварке таких сталей, склонных к закалке, структура металла в ЗТВ будет несколько иной, чем на рис. 7.3. В этом случае за зоной сплавления будут расположены участок закалки, участок неполной закалки, зона отпуска и основной металл.