Теория сварочных процессов (К.В. Багрянский)

Теория сварочных процессов (К.В. Багрянский)

Год выпуска: 1976
Автор: К.В. Багрянский, З.А. Добротина, К.К. Хренов
Жанр: Технические науки
Издательство: Вища школа
Язык: Русский
Формат: DJVU
Количество страниц: 424 

В учебнике описаны строение и основные свойства металлов, обрабатываемых сваркой, а также процессы деформации, разрушения и схватывания, лежащие в основе образования сварного соединения. Приведены краткие сведения об основных источниках тепла, применяемых в сварке, основы теории распространения тепла и примеры применения ее к сварочным процессам. Даны основные сведения по химической термодинамике, физической химии и диффузии, необходимые для понимания металлургических процессов при сварке и пайке. Рассмотрены основные вопросы свариваемости металлов.
Учебник предназначен для студентов сварочных специальностей технических вузов.

 

 

Скачать

 

Для понимания роли и значения сварки в развитии производительных сил общества важно определить ее место среди других способов соединения твердых тел.

Способы соединения твердых материалов можно разделить на механические и за счет молекулярных сил сцепления. К первой группе относятся соединения болтовые, заклепочные, клиновые и т. п., ко второй — соединения сваркой, пайкой, склеиванием цементами и пр. Соединения могут быть разъемными (допускающими разборку без разрушения соединенных деталей) и неразъемными.

В настоящее время сварку широко применяют для соединения почти всех металлов и их сплавов, стекол, пластмасс и керамики. Поэтому ее можно считать важнейшим способом соединения твердых тел. В этой книге рассматривается только сварка металлов.

Всякое конденсированное вещество, твердое или жидкое, представляет собой систему атомов и молекул, связанных межатомными или межмолекулярными силами сцепления. Эти силы возникают в результате взаимодействия электронных оболочек атомов. Для всех частиц тела, кроме находящихся у его поверхности, силы сцепления взаимно уравновешены. Атомы или молекулы, расположенные у поверхности тела, имеют свободные связи и в определенных условиях могут присоединять к себе другие молекулы или атомы, например адсорбировать газы либо вступать в связь с поверхностными атомами другого твердого или жидкого тела.

Таким образом, чтобы получить прочное соединение твердых теп, нужно обеспечить взаимодействие их поверхностных атомов. Для этого последние необходимо сблизить настолько, чтобы между ними могли возникнуть межатомные связи, т. е. на расстояния порядка атомных радиусов. В жидкостях такое сближение достигается сравнительно легко за счет подвижности частиц, но для твердых тел возникают значительные трудности. Их поверхности даже при самой тщательной обработке имеют неровности — выступы и впадины, размеры которых по сравнению с размерами атома огромны. При наложении поверхностей двух тел фактическое соприкосновение произойдет лишь в отдельных физических точках. Возможность сцепления атомов соприкасающихся поверхностей затрудняется тем, что в обычных условиях они всегда покрыты пленками оксидов, адсорбированных газов, всевозможных загрязнений. Эти пленки как броней защищают поверхность металла от соприкосновения.

Рассмотрим основные способы соединения твердых материалов за счет молекулярных сил сцепления.

Сварка. Соединение может образовываться без применения промежуточного материала, отличного от соединяемого металла, или с подачей его в зону сварки. Трудности получения прочного соединения преодолеваются нагревом соединяемых частей либо механическим сдавливанием или осадкой их. Нагрев ослабляет связи между атомами, делает их более подвижными, снижает твердость металла и повышает его пластичность — способность к пластическим деформациям. Осадка создает пластические деформации, вызывает течение металла вдоль поверхности раздела и его перемешивание, разрушает поверхностные слои металла, выводит на поверхность внутренние, свежие — ювенильные (не бывшие в соприкосновении с атмосферой) слои металла, сближает соединяемые поверхности и способствует соприкосновению их атомов. Нагрев и осадка при сварке взаимосвязаны: чем выше нагрев, тем меньше давление осадки и наоборот. Если нагрев в зоне сварки ведут до расплавления металла, осадка становится излишней. Обратный случай — холодная сварка. Соединение осуществляется высоким давлением осадки, металл остается все время холодным. Большинство способов сварки используют одновременно и нагрев и осадку.

Сварное соединение возникает в тонком слое, зона сварки носит пленочный характер. Увеличению толщины слоя сварки и повышению прочности сварного соединения могут способствовать процессы взаимного растворения, диффузии и кристаллизации металла соединяемых частей, протекающие более медленно.

Применяемые способы сварки (их существует более сотни) очень разнообразны. Их можно разделить на способы сварки плавлением (сварка в жидкой фазе) и сварки давлением (сварка в твердой фазе).

При сварке плавлением металл в зоне сварки расплавляется и переходит в жидкое состояние, соединение возникает за счет самопроизвольного слияния и взаиморастворения металла соединяемых частей, осадочное давление обычно не применяется. Металл сварного соединения по химическому составу и структуре значительно отличается от металла соединяемых частей. Свариваемый металл не требует особенно тщательной очистки: расплавляются как металл, так и загрязнения его поверхности, переходящие в шлак.

Для сварки давлением достаточен нагрев до меньших температур, а иногда — при соответствующем увеличении осадочного давления — и вовсе не требуется (холодная сварка). Сварка давлением не изменяет химического состава металла, а структуру меняет лишь незначительно. При этой сварке есть возможность приблизиться к идеальному случаю полного тождества металлов в зоне сварки и вне ее, полной неразличимости зоны сварки при металлографическом исследовании. Сварка давлением требует более тщательной подготовки и зачистки соединяемых поверхностей.

Преимуществами сварки обычно являются высокая производительность процесса и хорошая прочность сварных соединений. К недостаткам сварки можно отнести довольно значительную стоимость и сложность оборудования, применение высоких температур, значительную потребную мощность установок.

Пайка — процесс, родственный сварке плавлением. Шов, соединяющий детали, заполняется особым металлом — припоем, представляющим собой специальный сплав, по составу совершенно отличный от металла соединяемых деталей и более легкоплавкий. Расплавленный припой наносится на зачищенные кромки соединяемых частей, смачивает их и по затвердевании и кристаллизации образует соединительный шов. При этом возможны также процессы взаимного растворения и диффузии.

Припои весьма разнообразны по составу и назначению. Основой припоя чаще служит олово, реже — медь, серебро. Припой должен хорошо смачивать основной металл, адгезия (прилипание) припоя к основному металлу должна превышать когезию (сцепление частиц припоя). Паяют преимущественно металлы, хотя возможна и довольно широко применяется пайка неметаллических материалов, например керамики. Наиболее характерная особенность пайки и отличие ее от сварки плавлением состоят в том, что основной металл не плавится, а в твердом состоянии смачивается жидким припоем. От клейки (см. ниже) пайка отличается наличием взаимодействия припоя с основным металлом и характером затвердевания припоя: из жидкого состояния в твердое припой переходит в узком интервале температур. Расплавленный припой практически не оказывает сопротивления сдвигу, прочность соединения возникает лишь с затвердеванием припоя. Для очистки поверхности металла от оксидов и различных загрязнений, для улучшения смачивания при пайке широко применяют флюсы.

Преимуществами пайки являются небольшой нагрев металла, возможность широкой механизации и автоматизации процесса. К недостаткам можно отнести трудности пайки изделий больших размеров, значительную стоимость и дефицитность многих припоев, необходимость тщательной пригонки и очистки соединяемых поверхностей.

Клейка (склеивание) — наиболее универсальный способ соединения твердых материалов за счет сил молекулярного сцепления. Склеивать можно различные материалы: дерево, металлы, пластмассы, бетон, стекло, резину и т. п. С помощью клеев можно образовывать разнообразные сочетания материалов, например металла с деревом, пластмассами, резиной. Наиболее известны клеи из различных органических соединений. Клей вводится между соединяемыми частями обычно в жидком виде, реже — в форме порошка или пластинок, размягчаемых нагреванием. Введенный жидкий клей постепенно затвердевает вследствие испарения растворителя, химических реакций или полимеризации. В отличие от припоев клей с самого начала обладает некоторой, хотя и незначительной, прочностью, позволяющей удерживать детали в определенном положении. По мере затвердевания прочность клея постепенно возрастает и достигает максимума при окончательном затвердевании. Склеивание основано почти исключительно на адгезии; клей, как правило, не взаимодействует с соединяемым материалом. Прочность соединения может быть довольно высокой.

Преимуществами способа являются простота, небольшая стоимость, отсутствие нагрева, высокая универсальность, позволяющая соединять большое количество материалов в разнообразных сочетаниях. Успехи в производстве полимерных материалов и синтетических смол позволяют создавать новые, все более прочные клеи, и можно ожидать расширения применений склеивания. К недостаткам относятся снижение прочности клееных соединений уже при небольшом нагреве, старение клеев, снижающее их прочность, чувствительность некоторых клеев к воздействию сырости.

Соединение цементами широко используется в строительстве. Цементы, скрепляющие камень, бетон, кирпич, затвердевают и дают прочное соединение за счет химических реакций, причем обычно цементы взаимодействуют с соединяемым материалом.

Развитие сварки. Первые способы сварки возникли у истоков цивилизации — с началом использования и обработки металлов. Известны древнейшие образцы сварки, выполненные в VIII—VII тысячелетиях до н. э. Древнейшим источником металла были случайно находимые кусочки самородных металлов— золота, меди, метеоритного железа. Ковкой их превращали в листочки, пластинки, острия. Ковка с небольшим подогревом позволяла соединять мелкие кусочки в более крупные, пригодные для изготовления простейших изделий.

Позже научились выплавлять металл из руд, плавить его и литьем изготовлять уже более крупные и часто весьма совершенные изделия из меди и бронзы.

С освоением литейного производства возникла литейная сварка по так называемому способу промежуточного литья — соединяемые детали заформовывались, и место сварки заливалось расплавленным металлом. В дальнейшем были созданы особые легкоплавкие сплавы для заполнения соединительных швов и наряду с линейной сваркой появилась пайка, имеющая большое значение п сейчас.

Весьма важным этапом стало освоение железа около 3000 лет назад. Железные руды имеются повсеместно, и восстановление железа из них производится сравнительно легко. Но в древности плавить железо не умели и из руды получали продукт, состоявший из мельчайших частиц железа, перемешанных с частицами руды, угля и шлака. Лишь многочасовой ковкой нагретого продукта удавалось отжать неметаллические примеси и сварить частицы железа » кусок плотного металла. Таким образом, древний способ производства железа включал в себя процесс сварки частиц железа в более крупные заготовки. Из полученных заготовок кузнечной сваркой изготовляли всевозможные изделия: орудия труда, оружие н др. Многовековой опыт, интуиция и чутье позволяли древним мастерам иногда получать сталь очень высокого качества (булат) и кузнечной сваркой изготовлять изделия поразительного совершенства и красоты.

Кузнечная сварка и пайка были ведущими процессами сварочной техники вплоть до конца XIX в., когда начался совершенно новый, современный период развития сварки. Несоизмеримо выросло производство металла и всевозможных изделий из него, многократно — потребность в сварочных работах, которую не могли уже удовлетворить существовавшие способы сварки. Началось стремительное развитие сварочной техники — за десятилетие она совершенствовалась больше, чем за столетие предшествующего периода. Быстро развивались и новые источники нагрева, легко расплавлявшие железо: электрический ток и газокислородное пламя.

Особо нужно отметить открытие электрического дугового разряда, на использовании которого основана электрическая дуговая сварка — важнейший вид сварки настоящего времени. Видная роль в создании этого способа принадлежит ученым и инженерам нашей страны. Само явление дугового разряда открыл и исследовал в 1802 г. русский физик и электротехник, впоследствии академик В. В. Петров. Долгое время это крупнейшее открытие не использовалось из-за отсутствия источников тока, давших бы дешевую электрическую энергию. Лишь 80 лет спустя, в 1882 г., талантливый русский изобретатель Н. Н. Бенардос впервые в мире применил дуговой разряд для сварки и резки металлов. Дальнейшее совершенствование дуговой сварки осуществил в 1888 г. выдающийся русский инженер Н. Г. Славянов. Однако царская Россия несумела реализовать возможности, открытые изобретениями Бенардоса и Славянова, и великое русское изобретение — дуговая сварка, как это случалось неоднократно, реализовано было за границей — в США, Германии и Англии.

На своей родине дуговая сварка нашла широкое применение только после Великой Октябрьской социалистической революции — в ходе восстановления хозяйства и индустриализации всей страны. На примере освоения сварочной техники ярко проявились преимущества планового социалистического хозяйства. Создание сварочной техники явилось одной из задач, которые пришлось решать молодому социалистическому государству. И задача была решена блестяще. Для производства электросварочного оборудования в Ленинграде был построен завод «Электрик» (1932 г.). В то время это был самый мощный завод Европы по электросварочному оборудованию. Созданные специальные учебные заведения занялись подготовкой кадров: рабочих, техников и инженеров-сварщиков. Большое внимание было уделено научным исследованиям: появились многочисленные лаборатории и институты по проблемам сварки. Особенно велика роль Института электросварки АН УССР им. Е. О. Патона в Киеве, Московского высшего технического училища им. Баумана и ряда других институтов в проведении глубоких научных исследований. Появилась богатая советская литература по сварке. За короткий исторический срок Советский Союз стал общепризнанным международным авторитетом по сварке и занял ведущее положение в этой области. Сейчас наше производство сварочного оборудования и материалов не только удовлетворяет потребности страны, но и позволяет экспортировать это оборудование и материалы. Чрезвычайно возрос международный авторитет Советского Союза в вопросах сварки, советская сварочная техника повсеместно изучается и заимствуется.    

Роль сварки в народном хозяйстве нашей страны очень велика. Сварка широко применяется в промышленности, па транспорте, в сельском хозяйстве, во всех производствах, занятых обработкой металла и изготовлением всевозможных металлических изделий,— от мельчайших деталей, обрабатываемых при помощи микроскопов, до гигантских сварных конструкций, корпусов морских судов, трубопроводов протяженностью в сотни километров и т. п. Насколько можно предвидеть, сварка сохранит важное промышленное значение и в будущем. Применение ее непрерывно расширяется, захватывая новые области. Сваркой уже соединяют не только металлы, но и многие неметаллические материалы (даже кости скелета живого человека при лечении переломов). Сварка найдет широкое применение в просторах космоса и в глубинах мирового океана, освоение богатств которого становится очередной задачей для населения нашей планеты.

 







Яндекс.Метрика