Лекция 9. Сущность и физические основы получения сварных соединений. Классификация процессов сварки

9.1. Сущность процесса сварки

Сварка, как отмечалось выше, – это один из способов изготовления деталей и заготовок в машиностроении. Согласно ГОСТ 19521 сварка – это процесс получения неразъемных соединений посредством установления межатомных связей между сваренными частями при их нагреве и (или) пластическом деформировании.

Однако сам по себе нагрев никак не обеспечивает установление межатомных связей. Поэтому определение сварки требует некоторого уточнения. Мы предлагаем следующее определение сущности сварки:

Сварка – это технологический процесс получения неразъемных соединений посредством установления межатомных связей между свариваемыми частями при их нагревании до расплавления (с последующим затвердеванием) или пластическом деформировании (с нагревом или без).

Межатомные связи необходимы для того, чтобы (в идеале) прочность и другие физико-механические свойства сварного соединения были идентичны свойствам свариваемых материалов. На практике известные способы сварки приближаются к идеалу в разной степени.

В историческом плане сварка – молодой способ производства. Первый патент на электродуговую сварку неплавящимся электродом получил в 1892 году русский инженер Бенардос Н.Н. Несколько лет спустя другой русский инженер Словянов Н.Г. усовершенствовал этот способ, получив патент на электродуговую сварку плавящимся электродом. А в 1895 и 1902 годах французские инженеры запатентовали газовую сварку. Сварка оказалась крайне востребованна в развивающемся машиностроении и сегодня насчитывается более 150 способов сварки. Сварку применяют для соединения однородных и разнородных металлов и сплавов, для соединения металлов с неметаллами, а также – пластмасс. Зачастую сварка заменяет заклепочные соединения, литые детали и заготовки, иногда – кованые. Изготавливают также сварно-литые и ковано-сварные конструкции. При этом, как правило, сокращается трудоемкость производства, уменьшается расход металла, снижается стоимость изделий. Доля сварных соединений в конкретных изделиях машиностроения зависит от назначения изделия и объема производства.

Сфера применения сварки в машиностроении: судостроение, домны, резервуары, нефте и газопроводы, сварные трубы, цистерны, вагоны, котлы, турбины, автомобилестроение, тракторостроение, сельхозмашины, велосипеды и др.

Для установления межатомных связей между свариваемыми поверхностями необходимо их сблизить до расстояний, соизмеримых с атомными радиусами, равными для металлов порядка 2410^-10 см. Однако даже тщательно обработанные поверхности заготовок всегда имеют неровности (шероховатости), высота которых на несколько порядков больше межатомных расстояний. Кроме того, на поверхности металла всегда образуется окисная пленка, адсорбированная влага, масляная пленка. Наружные поверхности металла характерны также наличием нескомпенсированных металлических связей и дефектов кристаллической решетки. Для получения сварного соединения необходимо активировать поверхностные атомы металла за счет дополнительной энергии, удалить из зоны контакта окислы и жировые пленки, исключить шероховатость поверхности. В реальных процессах сварки это достигается либо путем расплавления соединяемых поверхностей (за счет внешней тепловой энергии), либо посредством пластической деформации соединяемых поверхностей (за счет внешней механической энергии).

При расплавлении металла в зоне сварки образуется общая для заготовок сварочная ванна, при затвердевании которой формируется общая кристаллическая структура металла, которая в свою очередь взаимодействует на межатомном уровне с основным металлом.

При сварке за счет пластической деформации соединяемые поверхности сближают до межатомных расстояний, предварительно, либо в процессе деформации, удалив из зоны сварки окисные и масляные пленки, используя внешнюю механическую, либо тепловую и механическую энергию одновременно.