Внедрению сварочного производства во многие отрасли промышленности и строительства способствовала интенсификация производства в годы Великой Отечественной войны. В настоящее время сварка и резка металлов являются важнейшими технологическими процессами. Получение неразъемных соединений методом сварки — технологичный, экономически выгодный, высокопроизводительный и в значительной степени механизированный процесс. Она широко применяется практически во всех отраслях машиностроения и строительного производства. Сварные конструкции по сравнению с литыми, коваными, клепаными и т. п. являются более легкими и менее трудоемкими. Организация сварочного поста не требует значительных затрат. Сваркой получают неразъемные соединения деталей, выполненных из самых различных металлов и сплавов, широкого диапазона размеров. Сварные соединения, в отличие от клепанных, обеспечивают герметичность при деформации под внешним механическим воздействием, имеют высокую прочность и надежность.
Понятие о сварке и ее сущность
Металлы имеют кристаллическое строение. Атомы металлов (ионы) образуют так называемую кристаллическую решетку, то есть занимают свои строго фиксированные места с определенным межатомным расстоянием или параметром решетки, который определяет систему взаимного геометрического расположения частиц. Для большинства металлов параметр кристаллической решетки составляет (3—5) 10 10 м. Ионы в узлах кристаллической решетки колеблются около своего среднего положения. Размах этих колебаний зависит от температуры тела — с повышением температуры размах колебаний увеличивается. При этом увеличиваются параметры решетки, что в целом приводит к ослаблению взаимосвязи между частицами.
Каждый атом удерживают в узлах кристаллической решетки элементарные связи. При этом силы притяжения и отталкивания между атомами направлены симметрично и уравновешиваются.
Реальные металлы являются материалами поликристаллическими, состоящими из множества отдельных кристаллов, связанных в общее монолитное целое. Каждый металлический кристалл представляет собой решетку из положительных ионов, между которыми свободно перемещаются электроны (рис. 1.1). Металлическая связь возникает благодаря взаимодействию между ионами и всей совокупностью «обобществленных свободных» электронов внешних электронных орбиталей атомов. «Обобществленные» электроны, находящиеся между ионами, обеспечивают равновесие сил отталкивания, действующих между положительными ионами.
Внутри зерна направления кристаллографических осей, определяющих порядок расположения атомов на много межатомных расстояний, сохраняются неизменными. В поликристаллах одинаковые кристаллографические направления отдельных кристаллитов — зерен оказываются повернутыми относительно друг друга на всевозможные случайные углы (рис. 1.2).
Зерна отделены друг от друга поверхностью раздела или границей, представляющей собой переходной слой, толщиной порядка 5—10 межатомных расстояний. При этом имеет место взаимодействие внешних орбиталей атомов соседних зерен. Свободные электроны от ионов одного зерна переходят в кристаллическую решетку другого зерна. На протяжении межзеренной границы кристаллическая структура одного зерна плавно переходит в кристаллическую структуру соседнего зерна. Это обусловливает металлические свойства: пластичность, повышенную тепло-и электропроводимость, низкое значение потенциала ионизации.
Разные металлы имеют различные плотноупакованные кристаллические решетки: объемно-центрированную ОЦК, гранецентрированную ГЦК, гексагональную плотноупакованную ГПУ. Но поскольку характер межатомных связей в этих кристаллах — одинаковый, металлический, то при сближении поверхности зерен металлов с разным атомно-кристаллическим строением на расстояние того же порядка, что и межатомное расстояние в кристаллах, между атомами сблизившихся кристаллов возникает взаимодействие свободных электронов — образуются металлические сплавы.
При механическом контакте металлических деталей в процессе их производства и эксплуатации условий для взаимодействия атомов на поверхности деталей, однако, не возникает и сварки их поверхностей не происходит.
Для установления межатомной связи между кристаллами двух металлических тел необходимо их сближение на расстояние, сопоставимое с параметром кристаллической решетки (3—5) 10-10м.
Такому сближению препятствует, во-первых, недостаточная точность и чистота обработки поверхностей деталей. Схематически состояние поверхности деталей показано на рисунке 1.3.
Геометрия реальной металлической поверхности определяется ее волнистостью и шероховатостью. Волнистость характеризует геометрию поверхности в макроскопическом масштабе, шероховатость имеет микроскопические размерности. Шероховатости могут быть весьма разнообразны по высоте микровыступов и расстоянию между их вершинами.
Волнистость элементов сварных конструкций измеряется величинами порядка миллиметров на метр длины конструкции, шероховатость оценивается в микрометрах. То есть самые тонкие методы обработки поверхности (даже такие как хонингование, суперфиниш, притирка) обеспечивают микронеровность поверхности, в тысячи раз превышающие параметр кристаллической решетки металла.
Следовательно, механическая обработка металлических поверхностей не обеспечивает сближение частей двух деталей на расстояние порядка 10 1,1 м. Межчастичные связи возникают лишь в отдельных точках соприкасающихся поверхностей. Точечный контакт деталей при эксплуатации механизмов может приводить к так называемому схватыванию поверхностей и образованию задиров трущихся деталей. Образование монолитного металла в зоне такого контакта не происходит.
Вследствие наличия главным образом микронеровностей действительная площадь поверхностей металла во много раз превышает расчетную площадь, определенную по замерам габаритов деталей. В верхних слоях металла сосредоточена значительная поверхностная энергия, обусловленная наличием некомпенсированных металлических связей, дислокаций, вакансий. Это в совокупности с развитой поверхностью с ее микро- и субмикронеровностями вызывает активное взаимодействие атомов металла, расположенных на поверхности, с внешней средой.
Над металлической поверхностью существует облако непрерывно движущихся свободных электронов, покидающих металл и снова возвращающихся в него. Вследствие высокой активности поверхностных слоев металла она всегда покрыта оксидами, жидкими и газовыми пленками. Идеально чистая (ювенильная) металлическая поверхность, свободная от оксидных пленок и адсорбированных слоев жидкостных и газовых молекул, может быть создана только в очень глубоком вакууме.
Наличие на поверхности адсорбированных газов, оксидных пленок и других загрязнений также мешает установлению связей. В связи
с этим суть сварки состоит в том, чтобы освободить металлические поверхности от загрязнений и, преодолевая макро- и микрошероховатости, сблизить поверхности до физического контакта на параметр действия межатомных сил кристаллической решетки.
Для этого применяются различные технологии с приложением к зоне контакта деталей механической и (или) тепловой энергии. Активация соединяемых поверхностей за счет тепловой энергии (термическая активация) либо за счет упругопластической деформации способствует удалению с них загрязнений.
Фактором, затрудняющим сварку реальных металлов, как показано выше, являются оксидные пленки, пленки жидкостей, газов и различного рода органических и иных загрязнений. Вследствие высокой относительной твердости оксидных пленок образование между ними контакта значительной площади потребовало бы очень больших усилий.
Соединение может возникнуть между оксидными пленками, но из-за их высокой хрупкости оно обладает плохими прочностными свойствами — малой пластичностью, низким сопротивлением ударным нагрузкам ит. п., обычно легко разрушается. Поэтому для получения прочных соединений оксидные пленки должны быть удалены из места сварки.
Еще более нежелательное влияние оказывают загрязняющие поверхность органические пленки (масла). Органические пленки достаточной толщины предотвращают возможность сварки контактирующих металлов и поэтому они также должны быть предварительно удалены со свариваемых поверхностей.
