1.1. Источники энергии при сварке

В настоящее время под сварочными процессами понимают большую группу технологических процессов соединения, разъединения (резки) и локальной обработки материалов. Примерами сварочных процессов могут служить: собственно сварка, наплавка, пайка, резка, напыление, склеивание, спекание и т. п.

Отличительной особенностью сварочных процессов является то, что в место обработки вводится термическая, механическая или термомеханическая энергия (во втором случае в значительной ме­ре используется эффект преобразования механической энергии в термическую).

Особенности получения сварных соединений характеризуются наличием в зоне сварки двух основных физических явлений, связан­ных с термодинамическим необратимым изменением состояния вещест­ва и энергии (рис. 1.): введением и преобразованием энергии; пре­вращением (движением) вещества.

Рис. 1. К термодинамическому определению процесса сварки

Для получения качественного сварного соединения необходимо:

а) обеспечить контакт по возможно большей части соединяемых поверхностей;

б) активировать соединяемые поверхности.

Активация поверхности состоит в том, что поверхностным ато­мам твердого тела сообщается энергия, необходимая, во-первых, для разрыва связей между атомами тела и атомами внешней среды, насыщающими их свободные связи, и, во-вторых, для повышения энер­гии поверхностных атомов до уровня энергетического барьера схва­тывания (т. е. для перевода их в активное состояние).

Энергия активации может сообщаться в виде теплоты (термическая активация), упругопластической деформации (механическая активация), электронного, ионного и других видов облучения (радиационная активация).

Главное, что определяют вид процесса сварки — это вид, ин­тенсивность вводимой энергии и характер её преобразования. При этом введение энергии всегда является необходимым условием свар­ки, так как без этого невозможна активация соединяемых поверхностей.

Введение вещества необходимо только при некоторых видах сварки плавлением и пайки, причем в этих случаях может быть вве­дена также энергия с расплавленным материалом. Характер движения вещества в зоне сварки сильно меняется от процесса к процессу. Движение вещества значительно при сварке плавлением, особенно при наличии присадочного материала, и при пайке. При сварке дав­лением с нагревом движение материала в зоне образования соедине­ния незначительное. Холодная сварка реализуется практически без движения вещества.

На основе анализа схемы термодинамических превращений вещества и энергии при сварке можно сделать вывод, что результатом этих превращений является монолитность сварных соединений, обусловленная физико-химическими, атомно-молекулярными связями элементарных частиц, соединяемых тел.

Склеивание, цементирование и ряд других соединительных про­цессов, обеспечивающих монолитность соединения, в отличие от сварки и пайки, как правило, не требуют специальных источников энергии. Они реализуются обычно только за счет введения (преобразования) вещества (клея, цемента и т. д.).

Анализ физических основ образования сварного соединения позволяет дать наиболее общее термодинамическое определение про­цесса сварки.

Сварка — это процесс получения монолитного соедине­ния материалов за счет введения и термодинамического необратимого преобразования вещества и энергии в месте соединения.

Возможны также и другие определения сварки, характеризующие конкретные стороны процесса (технологический процесс, металлургический процесс и т. д.). Например, согласно ГОСТ 2601-74, сварка, в технологическом аспекте, — это процесс получения неразъемных соединений посредством установления межатомных связей между свариваемыми частями при их местном нагреве или пластичес­ком деформировании, или совместном действии того и другого,

В зависимости от агрегатного состояния вещества, из которого формируется сварное соединение (шов), различают сварку в жидкой и твердой фазе.

При сварке в жидкой фазе (сварка плавлением, пайка) сближе­ние атомов твердых тел осуществляется за счет смачивания поверх­ностей тел жидким материалом (расплавом), а активация поверхности твердого тела — путем сообщения частицам поверхности теплоты. Вводимая энергия должна обеспечивать расплавление основ­ного и присадочного материалов, оплавление стыка, нагрев кромок. Одновременно происходит усиленная диффузия компонентов в расплав­ленном и твердом материалах, их взаимное растворение. В процессе затвердевания расплавленного материала образуются прочные химические связи, соответствующие природе и типу кристаллической ре­шетки соединяемых материалов.

Сварка в жидкой фазе протекает достаточно быстро, без приложения давления, за счет слияния объемов жидких металлов, что для однородных материалов не опасно. В случае же разнородных ма­териалов с ограниченной растворимостью в контакте могут образоваться интерметаллические прослойки, что, как правило, снижает прочностные характеристики сварного соединения.

При сварке в твердой фазе (пластическом состоянии) сближение атомов и активация поверхностей достигается за счет упругопластической деформации соединяемых поверхностей в контакте (часто одновременно с дополнительным нагревом).

В основе образования сварного соединения при сварке в твер­дой фазе лежит схватывание материалов в результате ползучести на контактных поверхностях с последующим образованием прочных хими­ческих связей. Схватывание — процесс бездиффузионный, основанный на объединении кристаллических решеток контактируемых тел в результате их совместного деформирования. Длительность сварки в твердой фазе значительно больше, чем при сварке плавлением, и зависит от ряда факторов, в частности: от физико-химических и механических свойств соединяемых материалов, состояния их поверх­ности, состава внешней среды, характера приложения давления, средств активации (взрыв, ультразвук, трение и т. п.) и других.

Вместе с тем считают, что в ряде случаев при сварке в твердой фазе наряду со схватыванием существенную роль играет спекание — комплекс диффузионных процессов, протекающих во времени при повышенных температурах. Относительная роль схватывания и спека­ния при различных методах сварки в твердой фазе различна и опре­деляется в основном температурой, временем и давлением в контак­те. Так, например, можно считать, что диффузионная сварка при большом времени выдержки основана на явлении спекания. Во всех остальных случаях схватывание первично, а диффузионные и рекристаллизационные процессы (если они вообще происходят) — вторичны.

Основываясь на современных представлениях о классификацион­ных признаках различных процессов и явлений, согласно ГОСТ 19521-74, классификацию процессов сварки рекомендуется проводить по следующим признакам: физическим, техническим, технологическим и технико-экономическим.

Физические признаки являются наиболее общими для всех видов сварки и включают: наличие давления, вид вводимой энергии, вид носителя энергии.

Классификационный признак по наличию давления применим толь­ко к сварке и пайке.

По виду вводимой энергии все сварочные процессы могут быть разделены на термические (Т), механичес­кие (М) и термомеханические (ТМ).

Термические процессы (сварка в жидкой фазе) протекают без приложения внешнего давления и общим для всех термических процес­сов является то, что энергия в изделие всегда вводится через рас­плавленный материал.

Механические процессы протекают без нагрева от постороннего источника. Необходимая теплота выделяется за счет пластической деформации материалов в месте соединения в результате сдавливания, сдвига, трения, удара, взрыва.

Термомеханические процессы сопровождаются введением теплоты в изделие и механической энергии внешних сил (давление при осадке).

Таким образом, все известные в настоящее время процессы сварки металлов осуществляются за счет только двух видов энергии — термической или механической (или при их сочетании). Поэтому в подкласс особых процессов пока могут быть включены только нейтрон­ная сварка пластмасс и склеивание (условно), которое происходит без существенного введения энергии извне.

Форма энергии, применяемой в источнике энергии для сварки (электрическая, химическая и др.), как классификационный признак в стандарте не используется, так как она характеризует главным образом не процесс, а оборудование для сварки.

Носители энергии могут быть внешними (электрическая дуга, газовое пламя, луч и т. д.), от которых энергия в изделие передается конвективным или контактным путем, и внутренними (термитная сварка, контактная сварка и т. д.), при которых использу­ется теплота химических реакций (т. е. преобразование в теплоту химической энергии вещества) или теплота, выделяемая электрическим током за счет внутреннего сопротивления свариваемых материалов.

Технические признаки могут быть определены только для каж­дого ме-тода отдельно. Они устанавливают особенность носителя энергии, свойства защитной среды, отличительные характеристики и особенности электрода или присадочного материала, непрерывность процесса и степень его механизации.

Технологические признаки характеризуют способы и приемы, обеспечивающие получение высококачественного сварного соединения.

Технико-экономические признаки (показатели) учитывают раз­личные количественные характеристики процесса. Такими признака­ми могут быть:

а) величины удельных энергий — сварочной  или введенной в изделие  , Дж/м2;

б) удельные затраты на сварку.

Удельные затраты могут подсчитываться отдельно по каждой группе соединений, свариваемых материалов и т. д. Например, удель­ные затраты на сварку 1 погонного метра шва, 1стыка и т. п.

Расчеты показывают, что удельная энергоемкость процессов сварки ( и ) имеет тенденцию уменьшаться при переходе от термических процессов к механическим.

К термическим видам сварки относятся: дуговая, импульсно-дуговая, электрошлаковая, электронно-лучевая, плазменная, ионно-лучевая, световая, тлеющим разрядом, индукционная, газовая, термитная, литейная.

К механическим видам сварки относятся: холодная, взрывом, ультра-звуковая, трением, магнито-импульсная, кузнечная (горновая).

К термомеханическим видам сварки относятся: все виды контактной сварки, дугоконтактная, дугопрессовая, газопрессовая, индукционно-прессовая, печная и др.

В практике сварочного производства применяют различные ис­точники нагрева, основанные на превращении электрической, хими­ческой, механической, лучистой, атомной и других видов энергии в энергию тепловую. Особенно широко применяются источники, основанные на различных превращениях электрического тока, из которых наиболее распространеными являются: электрический дуговой разряд (электрическая дуга), плаз-менно-дуговой разряд (проникающая дуга, плазменная струя), джоулево тепло, индукционные токи, электронный луч. Этот факт объясняется тем, что нагрев, связанный с превращениями электрического тока, обеспечивает ряд преимуществ, в частности: чистоту процесса, возможность точно регулировать нагрев, создавать тепловые мощности от очень малых значений до очень больших, получать высокие температуры, а в ря­де случаев такие источники нагрева являются и самыми экономичными. Анализ характерных особенностей различных источников энергии при сварке позволяет установить общие и дополнительные требования, которым они должны отвечать.

Общие требования к источникам энергии при сварке:

а) должен отвечать требованиям технологической и конструктивной целесообразности его применения;

б) должен обладать достаточной тепловой мощностью, высокой концентрацией тепла, высокой эффективностью (КПД), высокой экономичностью;

в) должен быть удобным в эксплуатации и не вызывать значитель­ных побочных явлений при сварке.

Кроме того, источники энергии термических процессов не долж­ны вызывать интенсивного испарения материалов, а источники энергии термомеханических и механических процессов должны обеспечивать внешнее давление, достаточное для создания физического контакта, активации и химического взаимодействия соединяемых поверх­ностей.

При выборе источника нагрева следует провести анализ целесообразности его применения в конкретном случае. При этом учитывают техническую возможность его использования, эффективность процесса (энергетическую и экономическую), а также качество и на­дежность получаемых соединений.

Для сравнения различных источников и видов сварки используют различные критерии, характеризующие их, например, погонную энергию, различные КПД процессов, технологические коэффициенты плавления электрода и т. п. Однако наиболее общими для всех случаев критериями могут служить величины удельной энергии и , затрачиваемые при получении конкретного сварного соединения. Расчеты и опыты показывают, что для многих видов соедине­ний и материалов механические и термомеханические процессы требу­ют значительно меньше энергии, чем сварка плавлением (термические процессы). Например, при сварке пластин встык толщиной 5,0 мм из алюминиевого сплава требуется:

а) при аргонодуговой сварке (Т) — 300 Дж/мм2;

б) при контактной сварке (ТМ) — 200 Дж/мм2;

в) при холодной сварке (М) — 30 Дж/мм2.

Однако, несмотря на относительно высокие энергозатраты, уни­версальность сварочной дуги, как инструмента, делает её одним из наиболее широко используемых источников энергии при сварке.