Главная » Литература » Стальные конструкции » Соколов Е. В. - Справочник по сварке. Том 1

Соколов Е. В. - Справочник по сварке. Том 1


Справочник содержит сведения по всем основным видам сварки и резки, представляющие общий интерес для различных отраслей народного хозяйства.

В книге освещаются вопросы теории сварки, оборудования, сварочных материалов, технологии сварки и др.

В первом томе изложены теоретические основы сварочных процессов, приведены данные по оборудованию и инструменту для сварки и резки.

Книга предназначена для инженеров и техников, работающих в области сварочного производства на заводах, в проектных и исследовательских организациях. Книга может быть также полезна для преподавателей и студентов втузов.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Данный «Справочник по сварке» отличается от ранее опубликованных справочников по этой тематике более полным изложением всех основных вопросов сварочного производства. Значительное внимание уделено сведениям по новым видам сварки и сварочным материалам, а также новейшему сварочному оборудованию.

Весь материал разделен в справочнике на соответствующие разделы: теоретические основы сварочных процессов, сварочное оборудование, приборы и инструмент, сварочные материалы, основы технологии разных видов сварки и резки и т, п. Однако, по некоторым специальным вопросам оказалось целесообразным изложить материал комплексно. Так, по сварке в среде защитных газов, вследствие большой специфичности этого способа, такие вопросы, как физические основы процесса, оборудование, материалы, технология и особенности сварки различных материалов объединены в одну главу в разделе «Основы технологии. Но тем же соображениям необходимые данные по электродам для дуговой сварки чугуна и цветных металлов отнесены к главам, посвященным технологии сварки этих металлов.

В справочник не включены вопросы сварки, специфичные для отдельных отраслей народного хозяйства или для отдельных видов конструкций. Эти вопросы должны найти  отражение в специализированных справочниках.

РАЗДЕЛ 1

ОСНОВЫ СВАРОЧНЫХ ПРОЦЕССОВ

ГЛАВА 1

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССА СВАРКИ МЕТАЛЛОВ И КЛАССИФИКАЦИЯ СПОСОБОВ СВАРКИ

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССА СВАРКИ МЕТАЛЛОВ

Наибольшее промышленное значение имеет сварка металлов, но возможна и находит практическое применение сварка и неметаллических материалов, таких, как стекло, пластмассы, смола, некоторые минералы, горные породы и т. п. возможна также сварка разнородных материалов, например, стекла с металлами. В дальнейшем рассматривается только сварка металлов.

Соединение отдельных объемов твердых тел часто связано с применением сложных технических приемов и затратами большого количества энергии. Это обусловлено, прежде всего, их твердостью, загрязнением поверхности и особыми свойствами поверхностного слоя. Чем выше твердость и меньше пластичность твердого тела, тем труднее соединение отдельных объемов такого твердого вещества.

Соприкосновение твердых тел происходит лишь в отдельных физических точках, и площадь действительного соприкосновения ничтожно мала по сравнению с общей кажущейся площадью  соприкосновения даже на наиболее тщательно обработанных и пригнанных поверхностях. Малая площадь действительного соприкосновения твердых тел сильно затрудняет получение прочного монолитного соединения.

На возможность соединения объемов металла значительно влияют загрязнения его поверхности, почти всегда покрытой окислами металла, жирами' и т. п.  При самой тщательной зачистке на поверхности металла всегда имеется пленка адсорбированных молекул газов из окружающей атмосферы; эта пленка может быть устранена лишь в высоком вакууме, что трудно осуществимо при обычных способах сварки. Поверхностный слой твердого или жидкого тела и сам по Себе, независимо от загрязнений, может затруднить выполнение соединения отдельных его объемов.

Для уменьшения влияния отмеченных факторов при сварке обычно пользуются следующими основными средствами: нагревом, давлением, а также зачисткой соединяемых поверхностей.

Нагрев дает возможность снизить твердость металла вплоть до полного его  расплавления и перевода в жидкое состояние. Как средство перевода металла в  «сварочное состояние», нагрев находит широкое применение в сварочной технике.

Способ нагрева металла является важнейшей характеристикой способа уварки и основным признаком для классификации видов и разновидностей сварки. Нагрев является настолько характерным процессом, сопровождающим сварку металлов, что в обычном представлении сварка металлов неотделима от нагрева и является типичным видом горячей  обработки металла. Однако сварка может  быть выполнена и без применения нагрева. Способы сварки без нагрева по мере усовершенствования технических приемов, вероятно, найдут довольно широкое применение.

Очень большое значение для процесса сварки металлов может иметь давление, прилагаемое к соединяемым частям. Оно необходимо при сварке без расплавления и перевода металла в жидкое состояние. Давление сминает неровности на поверхности металла и увеличивает площадь действительного соприкосновении соединяемых частей. Оно разрушает поверхностный слой и раздробляет пленку окислов и загрязнений на поверхности металла, текстурирует металл, может вызывать рекристаллизацию в зоне сварки, ведущую к образованию новых кристаллов и изменению структуры. Пластическая деформация металла, вызываемая давлением, обычно определяет собой результат сварки. При отсутствии условий для необходимой деформации даже очень большие удельные давления не создают прочного сварного соединения. В процессе пластической деформации металл течет и по своим свойствам уподобляется жидкости; разрушается поверхностный слой, из зоны сварки удаляются поверхностные окислы и загрязнения, нижележащие слои входят в соприкосновение со свежеобразованной «ювенильной» поверхностью, происходит тесное соприкосновение и перемешивание атомов соединяемых частей.

Чем больше соответственная направленная пластическая деформация, тем совершеннее и монолитнее возникающее сварное соединение.

Процесс пластической деформации металла при сварке называется осадкой, а давление, производящее осадку, — осадочным. Для процесса сварки обычно наиболее важна величина пластической деформации, которая и служит основной характеристикой процесса; осадочное давление, необходимое для осуществления заданной деформации, является менее определенной величиной, которая может значительно изменяться при небольших отклонениях в составе, структуре и свойствах металла и его температуры.

Перспективным и уже получающим применение является приложение переменного вибрационного осадочного давления с различной частотой колебаний, вплоть до ультразвуковых.

В большинстве случаев осадочное давление применяется совместно с нагревом металла, причем величина необходимого давления в значительной степени зависит от температуры нагрева. Здесь возможны самые различные соотношения: от полного отсутствия нагрева и выполнения сварки за счет одного давления (холодная сварка) до полного расплавления металла при нагреве, делают его ненужным приложением  давления (различные виды сварки плавлением). Промежуточные соотношения между температурой нагрева и удельным осадочным давлением используются в различных способах сварки металлов давлением с нагревом.

Давление, вызывающее пластическую деформацию, является важным средством устранения поверхностных загрязнений металла. При сварке с оплавлением загрязнения всплывают на поверхность ванны. Для улучшения очистки поверхности металла от загрязнений и защиты металла от окисления в процессе сварки довольно часто изменяются флюсы, растворяющие окислы или переводящие их в легкоплавкие соединения. Роль флюсов особенно велика при пайке, которую можно рассматривать как один из видов сварки.

Жидкая фаза играет большую роль во многих процессах сварки. Жидкость отличается от твердого тела в первую очередь отсутствием длительного сопротивления сдвигу. Поэтому жидкость способна растекаться по поверхности твердого тела, и если она смачивает его, то по всей этой поверхности происходит соприкосновение и взаимодействие молекул жидкости и молекул поверхностного слоя твердого тела и прилипание или адгезия жидкости к твердому телу

Тонкая пленка жидкости между соединяемыми твердыми телами может создавать прочное соединение, так как в тонкой прослойке жидкости затруднен сдвиг, а растяжению жидкости могут оказывать сопротивление того же порядка, что и твердые тела. Давно известны опыты с применением точно доведенных плоскопараллельных концевых мер длины (плиток), которые при чистой сухой поверхности прилипают очень слабо и легко разъединяются. Достаточно следов жидкости (воды, масла), чтобы вызвать прочное соединение. Если введенная в зазор между твердыми телами жидкость затем затвердевает вследствие охлаждения, испарения растворителя, полимеризации и других физико-химических процессов, то таким путем может быть получено длительное прочное соединение даже при полном отсутствии диффузии и взаимного растворения жидкости и твердого тела, как, например, при многих случаях склеивания. При этом наблюдается повышение прочности клееного соединения с уменьшением толщины слоя клея.

Типичным примером соединения исключительно за счет адгезии может служить склеивание металлов органическими клеями; здесь взаимная диффузия и растворение полностью отсутствуют, несмотря на это в некоторых случаях получается соединение, по прочности не уступающее сварке и пайке, например, для алюминия. Дальнейшая разработка новых органических клеев и методов склеивания, интенсивно ведущаяся в настоящее время, может дать еще более прочные клееные соединения металлов.

Для получения прочного соединения достаточно бывает лишь соприкосновении соединяемых поверхностей, что хорошо проявляется в таких процессах как склеивание и холодная сварка металлов, когда слои, в котором происходит соприкосновение атомов соединяемых частей, весьма тонок. По надежность н прочность соединения возрастают, если зона соединения расширяется и приобретает объемный характер.

К процессам, расширяющим объем зоны сварки, можно отнести растворение, диффузию, кристаллизацию. Эти процессы протекают во времени, и ход их в значительной степени зависит от температуры, с возрастанием которой взаимная растворимость и диффузия металлов обычно повышаются. Особенно большую роль играет растворимость при пайке. Образование сплава в зоне сварки расширяет объем зоны и повышает надежность сварного соединения. Отрицательное влияние взаимного растворения может наблюдаться при образовании хрупких интерметаллических соединений, например при сварке меди с алюминием, где образование хрупкого интерметаллического соединения  часто создает значительные затруднения для получения прочной сварки. В процессе растворения при сварке могут образовываться эвтектики с температурой плавления ниже, чем у каждого из соединяемых металлов, которые могут, находясь в отдельности в твердом состоянии, давать жидкую эвтектику.

Диффузия в твердых металлах обычно протекает довольно медленно, но с повышением температуры коэффициент диффузии растет очень быстро; поэтому при сварке, несмотря на кратковременность процесса, диффузия может иметь Существенное значение. В металлах диффузия может протекать как в объеме отдельного зерна — кристаллита (объемная диффузия), так и по границам между зерен (поверхностная диффузия). Очень часто поверхностная диффузия по границам зерен протекает во много раз быстрее объемной диффузии, и в этом случае поверхностная диффузия при сварке проявляется наиболее заметно.

При неравномерном нагреве металла большинство составляющих его компонентов и примесей диффундирует в направлении градиента температуры против теплового потока, т. е. от менее нагретых к более нагретым местам. Это можно проследить, например, на углероде, концентрация которого у сварного шва заметно повышается  по сравнению с остальной массой металла. Диффузия может значительно расширять зону  сварки и повышать надежность сварного соединения. Она может быть использована для улучшения паяных и сварных соединений. Например, соединение, выполненное холодной сваркой, может быть заметно улучшено длительным нагревом до температур, обеспечивающих значительную скорость диффузии.

В последнее время предложен способ сварки, состоящий в длительном нагреве плотно сжатых частей с хорошо зачищенными соединяемыми поверхностями.

В создании сварного соединения значительное место занимают процессы кристаллизации. Для сварки, осуществляемой в твердом состоянии, рекристаллизация вызывается значительной пластической деформацией и нагревом с последующим охлаждением. Вновь образующиеся кристаллы в процессе роста могут  переходить ранее существовавшую поверхность раздела, физически, уничтожая ее и образуй монолитный сплошной металл.  Еще более важна кристаллизация для сварки плавлением. Образование и рост кристаллов в сварочной ванне начинается с нерасплавленной поверхности основного металла, и кристаллизация ванны начинается как рост пограничных кристаллов основного металла в направлении градиента температуры.  Если росту кристаллов ничто не мешает, то они имеют тенденцию приобретать столбчатую форму и значительные размеры, образуя шестоватую или грубо дендритную структуру.

Дендриты, растущие от противоположных сторон сварного шва навстречу друг другу, могут встречаться в средней части сечения шва (транскристаллизация), что может создать здесь ослабленную зону, уменьшающую прочность сварного соединения. Ослабленная зона может образоваться из-за плохого срастания концов дендритов, растущих в противоположных направлениях, скопления загрязнений, все время оттесняемых к концу дендрита по мере его роста, и  из-за часто наблюдаемого в ослабленной зоне образования пустот, усадочных раковин и горячих трещин. Ослабленная зона может быть уменьшена или совсем устранена целесообразным выбором формы поперечного сечения сварного шва. Важной задачей является измельчение структуры наплавленного металла с заменой крупных вытянутых дендритов мелкими, приблизительно равноосными зернами металла

Обычные методы улучшения структуры металла — термическая и механическая обработка — во многих случаях не могут быть применены к сварным изделиям из-за сложности, высокой стоимости и т. д.  Поэтому для сварки плавлением очень важную роль играет модификация наплавленного металла различными присадками, вводимыми в сварочную ванну и создающими новые центры кристаллизации, что позволяет устранить крупные дендриты, транскристаллизацию и образование зоны слабины.

На процесс кристаллизации можно также воздействовать через тепловой режим сварки. Ускорение процесса сварки и сокращение времени выдержки металла при высоких температурах измельчает структуру. Значительное улучшение структуры при сварке плавлением часто может быть получено выполнением сварки в несколько слоев за несколько проходов. Каждый последующий слой улучшает и измельчает структуру нижележащего слоя.

...


Архивариус Бизнес-планы Типовые серии Норм. документы Литература Технол. карты Программы Серии в DWG, XLS