Наружную поверхность металла характеризует наличие нескомпенсированных металлических связей и большое число дефектов кристаллического строения, что способствует ее активному взаимодействию с внешней средой и приводит к быстрому окислению и осаждению на поверхности жидкости и газов. Практически после любой обработки поверхность мгновенно покрывается тонкой пленкой оксидов. Толщина этого слоя составляет от 100 до 200 молекул, и удалить его полностью не удается, так как этому препятствует возникшая между слоем и поверхностью электрическая связь.
Таким образом, главными причинами, препятствующими получению прочного неразъемного соединения методом диффузии, являются шероховатость поверхности и наличие оксидных пленок на поверхности соединяемых заготовок.
Получить прочное неразъемное соединение двух поверхностей в твердом состоянии можно, если удалить загрязняющие пленки и осуществить затем плотный контакт по всей соединяемой плоскости. Практически при сварке в твердом состоянии этого достигают путем приложения к свариваемым заготовкам давления, которое должно быть достаточным для смятия всех неровностей в соединяемом сечении.
Сварку в твердом состоянии с приложением давления называют сваркой давлением. Существует множество разновидностей сварки давлением, которые различаются источником нагревания либо видом энергии, применяемым для активации процесса.
К сварке давлением относится контактная электрическая сварка, при которой подогревают соединяемые поверхности проходящим электрическим током и затем их сдавливают. По виду получаемого соединения контактную сварку подразделяют на стыковую, точечную и шовную.
Конденсаторная сварка является одной из разновидностей контактной электрической сварки. Энергия, необходимая для подогревания места сварки, накапливается в конденсаторах, а затем в процессе разряда преобразуется в теплоту.
Диффузионной сваркой соединяют заготовки в твердом состоянии в вакууме приложением сдавливающих сил при повышенной температуре. Тщательно зачищенные свариваемые заготовки собирают, помещают в вакуумную камеру (при давлении от 133·10-3 до 10-6 Па), сдавливают и затем нагревают специальным источником тепла до температуры рекристаллизации, равной 0,4Тпл (температуры плавления).
Сварка трением образует соединение в результате пластического деформирования заготовок, предварительно нагретых в месте контакта теплотой, выделившейся в результате их трения.
Холодная сварка – один из способов сварки давлением без подогревания. Для ее осуществления с соединяемых поверхностей вращающейся металлической щеткой, шабрением и последующим обезжириванием тщательно удаляют оксиды и загрязнения. Детали, подлежащие сварке, помещают между неподвижным и подвижным пуансонами, которые имеют выступы, при сварке полностью вдавливаемые в поверхность металла.
3.2 Сварка плавлением
При сварке плавлением силы межатомарного взаимодействия возникают между материалами двух свариваемых заготовок, находящихся в месте соединения в жидком состоянии. Для получения неразъемного соединения кромки свариваемых заготовок расплавляют с помощью мощного источника теплоты; расплавленный металл образует общую сварочную ванну. Расплавленный металл соединяемых заготовок смешивается и образуются межмолекулярные связи. В процессе расплавления устраняются все неровности поверхностей, органические пленки, адсорбированные газы, оксиды и другие загрязнения. По мере удаления источника нагревания жидкий металл остывает, начинается кристаллизация и образование сварного шва. Сварку можно осуществлять, расплавляя только кромку свариваемых заготовок либо дополнительно к этому расплавляя присадочный металл (как правило, металл электрода).
В зависимости от типа выбранного источника теплоты сварку плавлением можно подразделять на электродуговую плавлением, электронно-лучевую плавлением, ацетилено-кислородную (газовую) и т. п.
Металл сварного шва, полученный при сварке плавлением, по своей структуре и химическому составу существенно отличается от металла свариваемых заготовок. Полученный в процессе сварки плавлением сварной шов имеет литую структуру.
Электрическая дуговая сварка является одним из наиболее распространенных способов сварки плавлением. К свариваемым заготовкам и к электроду подводится постоянный или переменный ток от специального источника тока и возбуждается электрическая сварочная дуга – стабильный электрический разряд в ионизированных парах или газах. Электропроводимость дугового промежутка обусловлена
появлением электродов и ионов в результате термической ионизации. Температура, необходимая для ионизации в момент возбуждения дуги, получается вследствие выделения теплоты при коротком замыкании электрода на деталь.
Дуговая сварка плавлением имеет разновидности в зависимости от степени автоматизации и рода защиты расплавленного металла от воздействия окружающей среды.
При ручной дуговой сварке сварщик возбуждает дугу, поддерживает ее горение, опускает электрод по мере его плавления и перемещает электрод вдоль свариваемых заготовок. В качестве электродов в этом случае применяют прутки из сварочной проволоки, покрытые специальным составом. В этот состав вводят элементы, способствующие устойчивости дуги и осуществляющие защиту расплавленного металла от вредного воздействия окружающей среды, раскисление и легирование металла шва. В зависимости от назначения различают следующие типы электродов: для сварки конструкционных углеродистых, низколегированных и легированных сталей, цветных металлов и сплавов и для наплавочных работ.
Автоматическая дуговая сварка под флюсом обеспечивает производительность, в 10–15 раз большую производительности ручной дуговой сварки и, кроме того, она не требует оператора столь высокой квалификации. При автоматической сварке зажигание дуги, подача электрода в дугу и перемещение его вдоль направления сварки осуществляются механически либо автоматами, выдерживающими заданный параметр режима. Защита расплавленного металла от воздействия воздуха осуществляется порошкообразным флюсом, ссыпаемым из бункера непосредственно перед дугой.
Разновидностью дуговой сварки под флюсом является полуавтоматическая сварка. При таком способе подача электрода осуществляется механически, а перемещение его по направлению сварки – вручную. Способ рекомендуют для получения коротких и криволинейных швов в нижнем положении.
При сварке в защитных газах в зону сварочной дуги подается инертный либо нейтральный газ, достаточно надежно защищающий расплавленный и остывающий металл сварного шва от контакта с окружающей атмосферой. В качестве защитных газов наибольшее применение получили инертные газы – аргон, гелий и более дешевый углекислый газ. Иногда применяют смеси двух газов и более. При сварке с защитой инертными газами различают сварку неплавящимся и плавящимся электродами.
Разновидностью сварки в среде инертных газов является сварка в контролируемой атмосфере. Детали помещают в специальные камеры, из которых откачивают воздух, а затем заполняют аргоном. Сварку выполняют вручную или с помощью автомата с дистанционным управлением. Для сварки крупногабаритных заготовок применяют камеры объемом до 450 м3, внутри которых работает сварщик, снабженный специальной системой обеспечения дыхания. Сварка в среде инертных газов является относительно дорогим процессом, и ее применяют в основном для сварки заготовок из цветных металлов и сплавов, из аустенитных и высокопрочных сталей, а также из тугоплавких и активных металлов.
Лучевая сварка плавлением имеет разновидность – электронно-лучевую сварку, сущность которой состоит в использовании для нагрева и расплавления свариваемых кромок кинетической энергии электронов, движущихся с высокими скоростями в вакууме. В месте соударения электронов со свариваемыми заготовками почти 99 % кинетической энергии переходит в тепловую, что сопровождается повышением температуры до 5000…6000 °С. Кромки заготовок расплавляются, и после кристаллизации образуется сварной шов.
3.3 Свариваемость металлов и сплавов и дефекты сварных
соединений
Свариваемостью металла называют совокупность его технологических свойств, определяющих его способность обеспечить при принятом технологическом процессе экономичное, надежное в эксплуатации сварное соединение. Соединение считают высококачественным или равнопрочным, если его механические свойства близки к механическим свойствам основного металла, и в нем отсутствуют поры, шлаковые включения, раковины. Кроме того, в некоторых случаях соединение должно иметь химические и физические свойства такие же, как свойства основного металла.
Рассмотренные выше способы сварки в большинстве своем связаны с нагреванием заготовок. В процессе нагревания, которое в зависимости от плотности мощности источника осуществляется со скоростью от 200…300 до 5000…10000 °С/с (лазерное воздействие), происходит нагревание, расплавление и даже испарение металла в зоне действия источника, а также подогрев металла, прилегающего к месту соединения в зоне термического влияния. Одновременно протекают фазовые изменения, диффузионные процессы, приводящие к перераспределению примесей, перемещение границ зерен, рост зерен. Формируется сварочная ванна.