Технология, оборудование и материалы сварки плавлением

В. Е. Завьялов, И. В. Иванова





ТЕХНОЛОГИЯ, ОБОРУДОВАНИЕ И МАТЕРИАЛЫ СВАРКИ ПЛАВЛЕНИЕМ

Учебное пособие



















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 621.791
ББК 34.641
     3-13


Рецензенты: кандидат технических наук, доцент, заслуженный работник сферы образования РФ, директор ООО «Региональный Северо-Западный Межотраслевой Аттестационный Центр», научный руководитель УНТЦ «Сварка»
А. М. Левченко;
доктор технических наук, профессор Высшей школы физики и технологий материалов Института машиностроения, материалов и транспорта Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого, директор Российско-Германского центра лазерных технологий
С. ГПаршин


     Завьялов, В. Е.
3-13 Технология, оборудование и материалы сварки плавлением : учебное пособие / В. Е. Завьялов, И. В. Иванова. - Москва : Вологда ; ИнфраИнженерия, 2023. - 548 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-1292-6

           Представлены сведения по теоретическим основам сварки металлов и их сплавов, сварочным источникам тепла, тепловым и металлургическим процессам основных видов сварки, газотермического нанесения покрытий, сварке углеродистых низко- и высоколегированных сталей, чугуна, цветных металлов и сплавов, использованию аддитивных технологий в сварочном производстве. Даны рекомендации по технике и расчету режимов различных способов сварки, рассмотрены причины возникновения и меры борьбы со сварочными напряжениями и деформациями. Представлены принципы проектирования сварочного оборудования, основы методов контроля качества сварных соединений и порядок проведения контрольных операций.
           Для студентов, обучающихся по направлениям подготовки: «Машиностроение» (профиль «Оборудование и технология сварочного производства»), «Металлургия» (профиль «Металлургия сварочного производства» и «Теоретические основы процессов сварки»). Может быть полезно аспирантам и инженерно-техническим работникам, занятым в области сварочного производства.

УДК 621.791
                                                              ББК 34.641





ISBN 978-5-9729-1292-6

     © Завьялов В. Е., Иванова И. В., 2023
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

ПРЕДИСЛОВИЕ


    Технология (от греческого techne - искусство, мастерство, умение) это совокупность методов, способов и приемов получения, обработки или переработки сырья и полуфабрикатов с целью получения готовой продукции.
    Технология производства сварных конструкций включает в себя технические и организационные мероприятия. К техническим мероприятиям относятся освоение нового оборудования, применение необходимых сварочных материалов, реализация технологического процесса. В организационные мероприятия входят использование специалистов соответствующей квалификации, создание технической документации, а также вопросы подготовки производства. Выполнение сварочных работ должно соответствовать требованиям нормативных документов, в том числе, и охраны труда. При использовании способов ручной дуговой сварки индивидуальное мастерство сварщика играет первостепенную роль, что нередко может компенсировать отсутствие должной подготовки элементов конструкции под сварку.
    Увеличенные зазоры, превышение кромок, разделка, выполненная не по стандарту, в большинстве случаев приведут к дефектам сварных швов, выполняемых механизированными высокотехнологичными способами. Это особенно актуально при внедрении инновационных процессов. В сферу инновационной деятельности должны входить высокоточные технологические операции подготовки элементов конструкций, в том числе инновационные. Вместо кислородной резки следует применять плазменную или лазерную, а вместо вырубки на гильотинах использовать обработку кромок на металлорежущих станках. Повсеместно необходимо применять сборочно-сварочные приспособления.
    Разработка технологии требует знание тепловых и металлургических процессов сварки, принципов работы и устройства сварочного оборудования, представление о расчете сварочных режимов, причины образования сварочных напряжений и деформаций. Для успешного решения конкретных инженерных задач необходимо знание методов контроля качества сварных соединений и их технических возможностей. Эти вопросы отражены в предлагаемом учебном пособии. В книге представлен также материал по сварке сталей различного класса, чугуна, цветных металлов и их сплавов с использованием современных методов. Широко представлен материал по газотермическим методам нанесения покрытий, сущности и области применения аддитивных технологий.

3

ОГЛАВЛЕНИЕ


ВВЕДЕНИЕ.........................................................8
1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СВАРКИ МЕТАЛЛОВ..........................9
  1.1. Физические основы процесса сварки металлов................9
  1.2. Классификация видов сварки...............................13
  1.3. Основные виды сварки металлов............................15
2. КЛАССИФИКАЦИЯ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ И ШВОВ......................28
  2.1. Типы сварных соединений и швов...........................29
  2.2. Конструктивные элементы сварных соединений...............34
  2.3. Классификация сварных соединений и швов..................36
  2.4. Условные обозначения швов сварных соединений.............38
3. СВАРОЧНЫЕ ИСТОЧНИКИ ТЕПЛА....................................42
  3.1. Общие требования к сварочным источникам тепла............42
  3.2. Газосварочное пламя......................................42
  3.3. Электрическая сварочная дуга.............................47
    3.3.1. Особенности сварочных дуг переменного тока...........54
    3.3.2. Постоянная составляющая тока.........................55
    3.3.3. Трехфазная сварочная дуга............................57
    3.3.4. Сжатая дуга..........................................58
    3.3.5. Устойчивость сварочной дуги и требования к статическим характеристикам источников питания..........................60
    3.3.6. Саморегулирование дуги при сварке плавящимся электродом.61
    3.3.7. Перенос металла электрода в дуге и требования к динамическим характеристикам источников питания..........................66
    3.3.8. Управление переносом электродного металла наложением импульсов тока на дугу при сварке плавящимся электродом.....68
    3.3.9. Технологические свойства сварочных дуг...............74
    3.3.10. Воздействие собственных магнитных полей на сварочные процессы.......................................77
  3.4. Электрошлаковый источник тепла...........................88
  3.5. Электронный луч..........................................89
  3.6. Сравнительные характеристики различных источников тепла для сварки плавлением.........................................90
4. ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ СВАРКЕ.................................92
  4.1. Основы тепловых расчётов при сварке......................92
  4.2. Методы исследования температурных полей при сварке.......96
    4.2.1. Метод источников.....................................96
    4.2.2. Численные методы.....................................99
    4.2.3. Метод конечных разностей.............................99
    4.2.4. Метод конечных элементов............................100
    4.2.5. Экспериментальный метод определения температурных полей при сварке.................................................101

4

5. МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ СВАРКЕ ПЛАВЛЕНИЕМ.......................................................102
  5.1. Общая характеристика металлургических процессов при сварке плавлением.....................................................102
  5.2. Газовая фаза в зоне сварки плавлением.....................103
  5.3. Взаимодействие металлов с кислородом при сварке сталей плавлением.....................................................107
  5.4. Взаимодействие с азотом и водородом при сварке плавлением.111
  5.5. Особенности взаимодействия металла и шлаков при сварке....113
  5.6. Раскисление и рафинирование металла шва...................116
  5.7. Легирование наплавленного металла.........................122
6. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ СВАРКИ ПЛАВЛЕНИЕМ..............................125
  6.1. Требования к оборудованию для сварки плавлением...........125
  6.2. Источники питания сварочной дуги..........................127
    6.2.1. Сварочныетрансформаторы...............................129
    6.2.2. Серийныетрансформаторы................................141
    6.2.3. Выпрямители для дуговой сварки........................147
    6.2.4. Инверторные источники питания.........................162
    6.2.5. Оборудование для сварки неплавящимся электродом.......165
  6.3. Сварочные полуавтоматы....................................171
7. СУЩНОСТЬ И ТЕХНИКА СПОСОБОВ СВАРКИ ПЛАВЛЕНИЕМ...................179
  7.1. Технология газовой сварки.................................179
  7.2. Технология ручной сварки покрытыми электродами............186
  7.3. Технология сварки под флюсом..............................195
    7.3.1. Механизированная сварка под флюсом. Основные типы и конструктивные элементы....................................203
    7.3.2. Применение ленточного электрода.......................208
  7.4. Технология сварки в защитных газах........................214
    7.4.1. Защитные газовые смеси для сварки плавящимся электродом.246
  7.5. Сварка порошковыми проволоками............................250
    7.5.1. Активированная сварочная проволока сплошного сечения....257
  7.6. Технология электрошлаковой сварки.........................278
8. ГАЗОТЕРМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЙ.....................286
  8.1. Наплавка и напыление как основные способы восстановления и упрочнения деталей машин.....................................286
  8.2. Технологические основы различных способов наплавки........289
  8.3. Газотермическое напыление.................................331
    8.3.1. Основные способы газотермического напыления и области их рационального применения....................................331
    8.3.2. Технология напыления: подготовка изделий под напыление, применяемые материалы. Оборудование для напыления..............342
9. РАСЧЕТ РЕЖИМОВ МЕХАНИЗИРОВАНЫХ СПОСОБОВ СВАРКИ..................353
  9.1. Расчет режимов автоматической сварки под слоем флюса......353

5

  9.2. Расчёт режимов сварки угловых швов..................357
    9.2.1. Расчёт режимов сварки однопроходного шва........357
    9.2.2. Расчёт режимов сварки многопроходного шва с разделкой.358
    9.2.3. Расчёт режимов сварки в защитных газах плавящимся электродом.............................................359
    9.2.4. Расчет режимов сварки неплавящимся электродом...360
    9.2.5. Расчёт режимов электрошлаковой сварки...........361
10. ПЛАЗМЕННАЯ СВАРКА......................................365
  10.1. Микроплазменная сварка.............................367
  10.2. Плазменная сварка на средних токах.................368
  10.3. Плазменная сварка на больших токах.................368
11. ЛУЧЕВЫЕ МЕТОДЫ СВАРКИ..................................371
12. СВАРКА УГЛЕРОДИСТЫХ И НИЗКОУГЛЕРОДИСТЫХ НИЗКОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ...................................382
  12.1. Сварканизкоуглеродистых конструкционных сталей.....387
  12.2. Сварка среднеуглеродистых сталей...................388
  12.3. Особенности технологии сварки низколегированных низкоуглеродистых сталей.................................390
  12.4. Сварка перлитных жаропрочных сталей................393
  12.5. Сваркавысокохромистых мартенситных, мартенситно-ферритных и ферритных сталей.......................................394
    12.5.1. Сварка высокохромистых мартенситных сталей.....395
    12.5.2. Сварка мартенситно-ферритных сталей............396
    12.5.3. Сварка хромистых ферритных сталей..............397
13. СВАРКА ВЫСОКОЛЕГИРОВАННЫХ АУСТЕНИТНЫХ СТАЛЕЙ.................398
14. СВАРКА ЧУГУНА..........................................403
15. ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ НАИХОСНОВЕ.......................................................413
  15.1. Технология сварки алюминия и его сплавов...........413
  15.2. Технология сварки меди и ее сплавов......................418
  15.3. Сварка никеля и его сплавов........................423
  15.4. Сварка титана и его сплавов........................426
  15.5. Особенности сварки тугоплавких химически активных конструкционных материалов...............................431
16. АДДИТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ..................................436
  16.1. Основные методы и материалы........................436
  16.2. Изготовление сопел сварочных горелок с использованием аддитивных технологий...............................................442
17. КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ...................445
  17.1. Дефекты сварных соединений.........................446
  17.2. Технический контроль...............................450
  17.3. Методы неразрушающего контроля.....................453

6

  17.4. Разрушающий контроль......................................465
  17.5. Управление качеством......................................466
18. СВАРОЧНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ И ДЕФОРМАЦИИ.............................468
  18.1. Мероприятия по уменьшению остаточных напряжений...........472
    18.1.1. Технологические мероприятия, выполняемые в процессе сварки.472
    18.1.2. Технологические мероприятия, выполняемые после сварки......472
  18.2. Мероприятия по уменьшению остаточных деформаций...........473
    18.2.1. Конструктивные мероприятия, выполняемые до сварки..........473
    18.2.2. Технологические мероприятия, выполняемые до сварки.........474
    18.2.3. Технологические мероприятия, выполняемые в процессе сварки двутавровой балки угловыми швами..............................475
    18.2.4. Технологические мероприятия, выполняемые после сварки.477
19. ВОЗДЕЙСТВИЕ НАВЕДЕННЫХ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ НА СВАРОЧНЫЕ ПРОЦЕССЫ.............................................479
  19.1. Воздействие поперечных магнитных полей на процессы сварки......479
  19.2. Влияние продольных магнитных полей на процессы дуговой сварки..................................................500
20. АТТЕСТАЦИЯ СВАРОЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА В СИСТЕМЕ НАКС......526
21. ПРИЛОЖЕНИЕ. РАСЧЕТ ПЛОЩАДИ НАПЛАВЛЕННОГО МЕТАЛЛА СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ.....................................................537
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ.......................................543

7

ВВЕДЕНИЕ


    Родоначальником всех современных способов сварки является древний способ кузнечно-горновой сварки.
    Кузнечно-горновая сварка в древности была единственной технологией изготовления всех изделий из железа. При этом все инструменты и оружие из железа делались только сварными.
    В 1802 г. русский физик и электротехник В. В. Петров открыл явление электрической дуги.
    В 1882 г. русским изобретателем Н. Н. Бенардосом электрическая дуга была применена для целей сварки с использованием угольного электрода.
    В 1888 г. русский инженер Н. Г. Славянов предложил выполнять элек-тродуговую сварку металлическим электродом. Начиная с 1935 г. широкое применение получили электроды с качественными покрытиями, позволившие применять сварку в производстве ответственных конструкций. С 1940 началось интенсивное развитие и внедрение в производство автоматической сварки под флюсом. Заслуга в создании этого процесса принадлежит акад. Е. О. Патону и созданному им Институту Электросварки (ИЭС). В том направлении работали также ЦНИИТМАШ, МВТУ, завод «Электрик» и др.
    Большой вклад в развитие мировой сварочной науки внесли наши ученые и инженеры. Выполнены фундаментальные работы в области сварочных напряжений и деформаций, теории источников теплоты и источников тока, металлургических процессов. В нашей стране было открыто явление саморегулирования дуги, электрошлаковой сварки (Г. В. Волошкевич, Б. Е. Патон, и др.) автоматической сварки плавящимся электродом в углекислом газе (К. В. Любав-ский, Н. М. Новожилов и др.).

8

1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СВАРКИ МЕТАЛЛОВ


1.1. Физические основы процесса сварки металлов

    Монолитность сварных соединений твердых тел обеспечивается появлением атомно-молекулярных связей между элементарными частицами соединяемых веществ. Твердое тело представляет собой комплекс атомов, находящихся во взаимодействии. Тип связи атомов и характер их взаимного расположения определяют физико-химические и прочностные свойства твердого тела.
    Связь атомов возникает в результате движения электронов внешних (валентных) оболочек атома в поле между ядрами. Каждый из этих электронов, проникая, например, в поле двух ядер, принадлежит уже обоим атомам. Силы по своей природе являются электромагнитными и действуют на расстоянии порядка 10⁻⁸ см=1А.
    Различают четыре вида элементарных связей: ковалентную, ионную, межмолекулярную (Ван-дер-Ваальса) и металлическую.
    Ковалентную химическую связь называют еще валентной, атомной, обменной связью. Она образовывается взаимодействием или «спариванием» валентных электронов. Сильная ковалентная связь с энергией порядка 10⁵ Дж/моль определяет высокую температуру плавления и прочность кристаллов. Этой связью обусловлены структуры так называемых атомных кристаллов - алмаза, кремния, германия и др.
    Ионная или гетерополярная связь типична для молекул и кристаллов, образованных из разных ионов (анионов и катионов). Образование положительного катиона - результат ионизации атома. Мерой прочности связи электрона в атоме может служить потенциал ионизации атома. Типичный представитель ионных кристаллов - соль NaCl.
    Силы Ван-дер-Ваальса действуют между любыми атомами и молекулами, но они очень малы (порядка 10³ Дж/моль). Поэтому молекулярные кристаллы, обусловленные этими силами (твердые инертные газы, молекулы кислорода, азота и др.), отличаются весьма низкой температурой плавления (Не - 1,8; Аг - 40 °К).
    Металлические связи образуют структуры путем взаимодействия положительных ионов решетки и делокализованных, обобществленных электронов. Они по существу не относятся к химическим. Металлы обычно не имеют молекулярного строения, а их атомы соединяются в кристаллические образования. Этот вид связи и обуславливает высокую прочность, пластичность и электропроводность металлов. Энергия связи - около 10⁵ Дж/моль.
    Металлическая связь по своей природе имеет значительное сходство с ковалентной связью. В обоих случаях электронные орбиты сливаются, но в металле происходит обобщение не отдельных, а всех электронных орбит.
    Кристаллическая структура металла характеризуется решетками объемно -или гранецентрированного куба, или гексагональной плотноупакованной.
    Реальные металлы являются поликристаллическими, состоящими из множества отдельных кристаллов, взаимосвязанных в общее монолитное целое.


9

Периферийные части отдельных кристаллов зерен металла сопрягаются с соседними, образуя межзеренные, межкристаллические границы. Несовершенства кристаллического строения межкристаллических границ больше, чем внутри кристаллов, в связи с нарушениями порядка расположения узлов решеток и большим количеством атомов инородных веществ - примесей и пр. Физические свойства поликристаллического тела (металла), в частности и его прочность, зависят от соотношений свойств зерен и межзеренных границ; они зависят также от крупно - или мелкозернистости металла, что определяет преобладающее действие внутрикристаллических или межкристаллических свойств.
    Для всех частиц тела, кроме находящихся на поверхности, силы сцепления использованы и взаимоуравновешены. Атомы или молекулы вещества, расположенные на поверхности, имеют свободные связи и могут присоединять к себе другие молекулы и атомы, в частности адсорбировать на поверхности различные газы или вступать в связь с поверхностными атомами другого твердого или жидкого тела.
    Для соединения двух твердых тел с получением общего монолитного тела необходимо установить между их поверхностными атомами непосредственную связь или каждую из них соединить с промежуточной связкой. Для того чтобы установить связь между поверхностными атомами двух тел без промежуточной связки, необходимо их сблизить на расстояния, сопоставимые с параметром кристаллической решетки, т. е. (3—5)-10⁻⁸ см.
    Сближение поверхностей разобщенных частей твердого тела металлического или неметаллического строения до расстояний межатомного взаимодействия, и образование, вследствие этого, неразъемного соединения, называется сварочным процессом, а само соединение - сварным швом.
    Сблизить две твердые поверхности на такие расстояния весьма сложно по двум причинам. Во-первых, шероховатость и волнистость поверхности каждой детали должна обеспечивать возможность сближения на расстояние между ними до 0,0002-0,0003 мкм. Во-вторых, поверхности должны быть абсолютно чистыми - без влаги, адсорбционных наслоений, оксидных пленок и других загрязнений.
    Поверхность любых металлов из-за механической обработки или других форм воздействия, представляет собой полностью разрушенную и разориен-тированную кристаллическую структуру.
    Она состоит из чередующихся между собой выступов в виде пирамид различной высоты и впадин.
    Глубина поверхностного слоя (т. е. высота пирамид) зависит от способа механической обработки: после тонкого шлифования от 2 до 2,5 мкм, после точения и грубого шлифования от 75 до 250 мкм, после полирования от 0,2 до 0,5 мкм.
    В то же время, для межатомного взаимодействия поверхности металла необходимо сблизить на расстояние 0,0002-0,0003 мкм. Разрушенный кристаллический слой (поверхностный) является концентратором избыточной энергии, за счет которой весьма активно оксидируется металлическая

10

поверхность. Это оксидирование (образование поверхностных окислов) протекает весьма быстро. Так, на поверхности, образовавшейся в результате разрушения образца, за миллионные доли секунды (2,4-10⁻⁹) ч появляется мономолекулярный слой кислорода, вступающий во взаимодействие с разрушенной и деформированной кристаллической поверхностью. Кроме этого, воздушная среда помещения, где происходит обработка поверхности металла, всегда насыщена электрически полярными парами воды, масла, пылью, сварочными аэрозолями и т. д., которые, оседая на поверхности, образуют адсорбционные наслоения по оксидному слою.
    Таким образом, подготовить поверхность без шероховатостей невозможно, как невозможно обеспечить и зафиксировать удаление оксидных и адгезионных пленок на поверхности твердых металлов.
    Совместить эти два фактора можно либо в процессе сдавливания этих поверхностей, когда деформируемые пирамидки освобождаются от оксидных и адгезионных наслоений, выталкиваемых наружу из плоскости сдавливаемых поверхностей, а элементы самих поверхностей сближаются до расстояний межатомного взаимодействия.
    Второй возможностью образования сварных швов является расплавление поверхностей сближаемых твердых металлических тел. Образовавшиеся в результате этого однородные по фазе металлические жидкости соединяются в раствор, который при остывании превращается в сварной шов.
    Поэтому, все способы сварки могут классифицироваться по двум признакам протекания процесса - сварка давлением и сварка плавлением.
    Однако одного сближения недостаточно. Для соединения поверхностей требуется затрата энергии. Внутри кристалла каждый атом удерживается симметрично направленными силами связи. На свободной поверхности кристалла атом неуравновешен вследствие отсутствия связи с одной стороны (вакуум). Это вызывает повышение энергии поверхностного слоя кристалла. Если для перемещения внутри тела атому необходима энергия Ео, то для выхода в окружающую среду - Еп, причем ЕпЕо. Поэтому для соединения двух монокристаллов в один требуется извне деформационная или тепловая энергия.
    Внешняя энергия деформации будет затрачиваться на преодоление сил отталкивания, возникающими между сближаемыми поверхностными атомами. Когда расстояния между ними будут равны межатомным расстояниям в решетке кристаллов, возникают квантовые процессы взаимодействия электронных оболочек атомов.
    Тепловая энергия, сообщенная поверхностным атомам при повышении температуры, увеличивает вероятность развития квантовых процессов электронного взаимодействия в соединении.
    Опытный материал и теоретический анализ показывают, что сварку и пайку можно отнести к классу так называемых топохимических реакций, которые отличаются двухстадийностью процесса образования прочных связей между атомами соединяемых веществ: а) развитие физического контакта (сближение

11

на расстояние, требуемое для установления взаимодействия); б) энергетическое взаимодействие, заканчивающееся образованием соединения.
    Практически получение монолитных соединений осложняется двумя факторами:
    -     Свариваемые поверхности имеют микронеровности (даже при самой тщательной обработке), измеряемые тысячами ангстрем.
    -     Свариваемые поверхности имеют загрязнения.
    Для качественного соединения материалов необходимо обеспечить контакт по большей части стыкуемой поверхности и активировать ее.
    Активация поверхности заключается в том, что поверхностным атомам твердого тела сообщается некоторая энергия, необходимая:
    -     для обрыва связей между атомами тела и атомами внешней среды, насыщающими их свободные связи;
    -     для повышения энергии поверхностных атомов до уровня энергетического барьера схватывания, т. е. для перевода их в активное состояние.
    Такая энергия активации может в лучшем случае сообщаться в виде теплоты (термическая активация), упругопластической деформации (механическая активация), электронного, ионного и других видов облучения (радиационная активация).
    Сварка в жидкой и твердой фазах. При сварке в жидкой фазе (сварка плавлением) сближение атомов твердых тел осуществляется за счет смачивания поверхностей тел жидким материалом (расплавом), а активация поверхности твердого материала - путем сообщения ее частицам тепловой энергии. Жидкий материал растекается по поверхности твердого тела и обеспечивает соприкосновение и прилипание (или адгезию) его молекул и поверхностного слоя твердых тел.
    В процессе затвердевания расплавленного материала слабые адгезионные связи заменяются прочными химическими связями, соответствующими природе соединяемых материалов и их типу кристаллической решетки. В жидкой фазе вводимая тепловая энергия должна обеспечить расплавление основного и присадочного материалов, оплавление стыка, нагрев кромок и т. д. Это сопровождается усиленной диффузией компонентов в расплавленном и твердом материалах, их взаимное растворение. Обе стадии процесса соединения - физический адгезионный контакт и химическое взаимодействие, сопровождаемое диффузией, протекают достаточно быстро.
    При сварке в твердом состоянии сближение атомов и активация поверхностей достигаются за счет совместной упругопластической деформации соединяемых материалов в контакте, часто с дополнительным нагревом.
    Длительность стадий образования физического контакта а) и химического взаимодействия б) здесь существенно больше, чем при сварке плавлением.
    Сварка - это технологический процесс получения монолитных неразъемных соединений посредством установления внутренних межчастичных (межатомных, межмолекулярных) связей, при их местном или общем нагреве, или

12

пластическом деформировании или совместном действии того и другого. Сварные соединения металлов характеризуются непрерывной структурной связью.
    Пайка и склеивание. Пайкой называют процесс соединения материалов без их расплавления, с помощью припоя. Температуру плавления припоя ниже, чем у соединяемых материалах. Образование межатомной связи при пайке происходит в процессе смачивания припоем поверхности соединяемых деталей. Смачивание и связь твердого тела с жидкостью может определяться электростатическими силами Ван-дер-Ваальса и силами химического взаимодействия.
    Для осуществления химического смачивания при пайке необходим нагрев деталей, расплавление припоя, а также активация поверхностей. Последняя достигается нагревом в вакууме, в специальных средах или обработкой поверхности флюсом.
    Склеивание может происходить практически без введения энергии в место соединения благодаря силам адгезии (прилипания) между жидким клеем и молекулами поверхностных слоев твердого тела и химическим реакциям. Способность клея соединять изделия объясняется также силами остаточного химического сродства между находящимися на поверхности молекулами клея и склеиваемого материала. Эти силы примерно в 10-100 раз меньше основных сил химической связи в простых молекулах.

1.2. Классификация видов сварки
    По используемой энергии виды сварки можно разделить на следующие группы: механическая, химическая, электрическая, электромеханическая, химико-механическая.
    Примерами применения механической энергии для сварки являются холодная сварка, сварка взрывом, сварка трением.
    Виды сварки, использующие химическую энергию, характеризуются нагревом металла посредством превращения химической энергии в тепловую. Примером такого использования химической энергии является газовая сварка плавлением.
    Электрические виды сварки основаны на превращении электрической энергии в тепловую. Это превращение осуществляется при использовании дуги, выделении тепла при протекании тока через шлаки, посредством превращения в тепло кинетической энергии пучка электронов, индуктированием тока различных частот.
    Электромеханические виды сварки основаны на нагреве металла путем превращения электрической энергии в тепловую с последующим пластическим деформированием нагретого металла путем сдавливания.
    Химико-механические виды сварки известны давно. Путем превращения химической энергии в тепловую металл нагревается до пластического состояния и далее подвергается пластическому деформированию. Примером может служить кузнечная, газопрессовая сварка и др.
    По состоянию в сварочной зоне в момент сварки все ее виды разделяются на сварку давлением и сварку плавлением.


13

    Сварка давлением обычно осуществляется при температурах ниже температуры плавления (Тпл) свариваемых металлов, и их сваривание происходит в твердом состоянии посредством приложения давления, достаточного для создания необходимой пластической деформации.
    Сварка давлением имеет определенные преимущества перед сваркой плавлением: ниже температура нагрева, т. е. металл подвергается меньшему тепловому воздействию, которое может быть вредным для его свойств; более низкий нагрев позволяет затрачивать меньше энергии на сварочную операцию.
    Однако некоторые факторы ограничивают широкое применение сварки давлением. К ним относятся необходимость применения больших сдавливающих сил и соответственно довольно сложных приспособлений для зажатия и сдавливания свариваемых деталей, а также необходимость обеспечения чистоты поверхностей в момент их сваривания.
    Сварка плавлением осуществляется с местным расплавлением свариваемых частей. В сравнении со сваркой давлением она обладает рядом преимуществ, из которых основным является большая универсальность.
    Для ее выполнения требуется только достаточно мощный источник тепла, обеспечивающий локальное (местное) расплавление; в случае подвижного источника тепла расплавление происходит от участка к участку. Таким образом, общее увеличение сечения свариваемых элементов не влечет за собой необходимости создания громоздких сварочных машин.
    Если при сварке давлением в большинстве случаев для выполнения сварочных операций изделие должно подаваться к машине, то при сварке плавлением обычно источник тепла подается к изделию, что позволяет изготавливать весьма крупногабаритные сварные конструкции.
    Однако расплавление металла при сварке плавлением неизбежно сопровождается усилением взаимодействия жидкого металла с окружающей средой, приводя к ряду реакций, характерных для металлургических процессов при производстве металлов. В ряде случаев эти реакции могут значительно ухудшить свойства закристаллизовавшегося при сварке металла. В целях регулирования металлургических процессов при сварке в желаемом направлении применяют флюсы, газовую защиту места сварки.
    Основные виды сварки металлов при их классификации по технологическому признаку приведены в таблице 1.1.


Таблица 1.1 Классификация видов сварки по технологическому признаку_____

              Сварка металлов                
  Сварка плавлением      Сварка давлением   
   Термитная сварка       Холодная сварка   
    Газовая сварка     Ультразвуковая сварка
                       Газопрессовая сварка 
Электрошлаковая сварка Дугоконтактная сварка

14