Волченко В.Н. - Сварка и свариваемые материалы. Справочник

УДК 621 791(031)

Сварка и свариваемые материалы: В 3-х т Т 1 Свариваемость материалов. Справ изд. /Под ред. Э Л Макарова *-М.: Металлургия, 1991, с 528.

Справочное издание состоит из трех томов Первый том включает общие положения по свариваемости материалов, а также конкретные данные о составе углеродистых сталей и особенностях их сварки, низко- и высоколегированных сталей, стального и чугунного литья цветных металлов и сплавов, неметаллических материалов Приведены сведения о выборе вспомогательных материалов (флюсов, защитных газов, электродов) и режимов сварки. Второй и третий тома выйдут в свет в 1992 и 1993 гг  Для инженерно-технических работников и специалистов металлургической, машиностроительной и других отраслей промышленности

Предисловие

(Настоящий справочник — пособие для читателя, занимающегося сварочной техникой. Три тома данного издания включают: вопросы сваримости материалов (I том), технологию и оборудование (II том), автоматизацию, контроль и математические методы оценки качества (III том). Там же (в томе III) освещены вопросы экономики, охраны труда и среды, стандартизация. Расчеты сварных конструкций даны в небольшом объеме (II том), поскольку в настоящее время выходит специальный справочник по этой теме в Киевском издательстве. Сварочное производство включает в себя множество областей техники, поэтому составить справочник по сварке нелегкая задача. Соответственно авторы — специалисты из ведущих организаций страны, которые в курсе как современных взглядов, так и фундаментальных положений науки. Насколько справочник удался — судить читателю. Хотим отметить, что архитектоника данного справочника существенно отличается от четырехтомника «Сварка в машиностроении», 1978 г.* Мы старались использовать опыт последних изданий зарубежных справочников. Это справочники на немецком языке: «Техника сварки» в двух томах, под ред. Ю Руге, М., Металлургия, 1984 г., справочник под ред А. Ноймана, там же, 1985 г. и пятитомник Welding Handbook, 8-е издание американского общества сварщиков (AWS). В отношении рубрикации предпочтение отдано немецкому стилю. Нам представляется, что читателю так будет удобнее искать нужный материал.

В I и II томах неизбежны некоторые повторения, поскольку свариваемость и технология весьма связаны. Однако читатель должен легко получить оба ответа: как сварить тот или иной металл и что может дать та или иная технология. Данный справочник может быть полезен не только инженерам и техникам, но и студентам, занимающимся сварочным производством.

Предисловие к т. I

В настоящее время для производства сварных конструкций находят применение широкий круг материалов: различные типы сталей, сплавы цветных и тугоплавких металлов, пластмассы, композитные и неметаллические материалы. В перспективе эта тенденция будет усиливаться. Одной из важных проблем сварки становится обеспечение свариваемости многих материалов. Поэтому эти вопросы вынесены в отдельный том справочника. 

В справочнике с современных позиций рассмотрены теоретические и практические аспекты сварки почти всех упомянутых выше материалов. Прежде всего обращено внимание на прикладной характер оценки свариваемости, достаточность которой определяется из условия удовлетворения эксплуатационных свойств, требуемых от сварных соединений. Рассмотрены наиболее эффективные экспериментальные методы оценки показателей свариваемости с помощью сварочных технологических проб, специализированных машинных испытаний, сопоставления уровня механических свойств сварных соединений с требуемыми по техническим условиям. Показана возможность использования расчетных методов, подробное изложение которых из-за ограниченности объема перенесено в III том справочника. На основании анализа процессов металлургических взаимодействий в сварочной ванне, кристаллизации металла шва, фазовых и структурных превращений в твердом металле в условиях сварочного термического цикла трактуются результаты оценки свариваемости. Приведены принципиальные металлургические и технологические способы обеспечения достаточной свариваемости материалов.

Можно надеяться, что изложенные в справочнике материалы будут полезны разработчикам хорошо свариваемых материалов, технологам при проектировании технологии сварки конструкций, студентам и аспирантам, изучающим курс теории сварочных процессов. Э. Л: Макаров

Раздел 1

§ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СВАРКИ

Глава 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ, ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ И КЛАССИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССОВ СВАРКИ (Волченко В. Н.)

1.1. Физические основы сварки

Монолитность сварных соединений достигается обеспечением) физико-химических и атомно-молекулярных связей между элементарными частицами соединяемых тел. Элементарные связи удерживают каждый атом внутри кристалла симметрично направленными силами. На свободной поверхности тела атом неуравновешен вследствие отсутствия или ослабления связей с внешней стороны (рис. 1.1,а). Это явление увеличивает потенциальную энергию поверхностного слоя. При соединении тел требуется извне механическая или тепловая энергия  для преодоления энергетического барьера (рис. 1.1,6).

Внешняя механическая энергия деформации будет затрачена на преодоление сил отталкивания, возникающих между поверхностными атомами сближаемых тел. Когда расстояния между ними будут близки к межатомным, в решетке кристаллов возникают квантовые процессы взаимодействия электронных оболочек атомов. После этого общая энергия системы начнет снижаться до уровня, соответствующего энергии  атомов в решетке целого кристалла, т. е. будет получено монолитное соединение.

Тепловая энергия, сообщенная поверхностным атомам при повышении температуры, увеличивает флуктуационную вероятность развития процессов электронного взаимодействия и облегчает процесс соединения. Трехстадийность процесса сварки связана с тем, что ее (так же как и пайку) можно отнести к классу так называемых топохимических реакций. Последние на микроучастках отличаются двухстадийностью процесса образования прочных связей между атомами соединяемых веществ (рис. 1 2). В микрообъемах процесс сварки завершается третьей стадией — диффузией На первой стадии А развивается физический контакт, т. е. осуществляется сближение соединяемых веществ на расстояния, требуемые для межатомного взаимодействия, а также происходит подготовка к взаимодействию. На второй стадии Б — стадии химического взаимодействия — заканчивается процесс образования прочного соединения на микроучастке. Диффузионные процессы развиваются почти одновременно с прорастанием дислокаций при пластической деформации контактирующих поверхностей либо при наличии высокой температуры.

Практическое получение монолитных соединений осложнено двумя факторами: свариваемые поверхности имеют микронеровности, поэтому при совмещении поверхностей контактирование возможно лишь в отдельных точках; свариваемые поверхности имеют загрязнения, так как на любой поверхности твердого тела адсорбируются атомы внешней среды.

Для качественного соединения изделий необходимо обеспечить контакт по большей части стыкуемых поверхностей и активацию их. Активация поверхностей состоит 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 общем случае быть сообщена в виде теплоты (термическая активация), упругопластической деформации (механическая активация), электронного облучения и других видов воздействия. Определение процесса сварки целесообразно дать, исходя из анализа физико-химических особенностей получения соединений. В зоне сварки можно установить наличие двух основных физических явлений, связанных с термодинамически необратимым изменением формы энергии и состояния (рис 1 3) введения и преобразования энергии; движения (превращения) вещества. Исходя из сказанного, можно дать следующее термодинамическое определение процесса сварки [1]. Сварка — это процесс получения монолитного соединения материалов за счет термодинамически необратимого превращения тепловой и механической энергии и вещества в стыке. Склеивание, цементирование и другие соединительные процессы, обеспечивающие 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.). Кроме самого общего, термодинамического, возможны и другие определения сварки. Например, в технологическом аспекте, согласно ГОСТ 2601—84, сварка —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.