Общая характеристика сварочного производства

       В тех случаях, когда производство цельных изделий связано с большими технологическими трудностями или чрезмерными затратами материальных и финансовых средств, целесообразно изготавливать их сварными. Сварные изделия состоят из отдельных заготовок, полученных литьём (лито-сварные изделия), обработкой давлением (штампо-сварные, ковано-сварные, прокатно-сварные) или резанием. Применение сварки позволяет сильно упростить изготовление и снизить себестоимость производимой продукции сложной формы.

       Сварка представляет собой технологический метод получения неразъёмных соединений материалов путём установления межатомных связей между соединяемыми частями с помощью их нагрева или пластического деформирования, или совместного действия того и другого. Сваркой соединяют одинаковые и разнородные металлы и сплавы, пластмассы, а также металлы с неметаллическими материалами типа керамики, графита или стекла.

       При сварке различают основные и присадочный материалы. Основными сварочными материалами называются материалы соединяемых заготовок, которые могут быть как одинаковыми, так и разными. Присадочным сварочным материалом называется дополнительный материал, вводимый в жидкий основной материал для заполнения зазора между соединяемыми заготовками или для изменения состава, или свойств образуемого сварного шва. Основными видами присадочного материала являются плавящиеся электроды, а также прутки или проволока, подаваемые в зону сварки. 

       Физическая сущность процесса сварки заключается в образовании прочных связей между атомами или молекулами в соединяемых местах заготовок. Для образования таких связей необходимо выполнение следующих условий: 1) освобождение свариваемых поверхностей от загрязнений, окислов и адсорбированных инородных атомов; 2) сближение свариваемых поверхностей на расстояния, сопоставимые с межатомным расстоянием в соединяемых материалах; 3) энергетическая активация поверхностных атомов, облегчающая их взаимодействие. Но формирование межатомных связей между соединяемыми элементами ещё не определяет конечные свойства сварных соединений, на качество которых сильно влияют сопутствующие процессы, приводящие к изменения микроструктуры, химического и фазового состава, возникновению напряжений и деформаций.

       В целом прочность и другие свойства сварных соединений определяются свариваемостью материалов, которую оценивают степенью соответствия заданных свойств сварного соединения одноимённым свойствам основного материала и их склонностью к образованию различных сварочных дефектов типа трещин, пор, раковин и шлаковых включений. Как указывалось ранее, свариваемость – это способность материала образовывать при сварке надёжные неразъёмные соединения. Соединение считают высококачественным или равнопрочным, если его механические свойства близки к механическим свойствам основного материала и в нём отсутствуют вышеупомянутые дефекты. Кроме того, в некоторых случаях соединение должно иметь химические и физические свойства такие же, как свойства основного материала. Для того чтобы сварное соединение обладало теми же свойствами, что и свариваемые материалы, необходимо сформировать в зоне соединения такие же химические связи, как и в соединяемых элементах.

Свариваемость материалов в основном определяется типом и свойствами структуры, образующейся в сварном соединении. При сварке однородных материалов в месте соединения, как правило, образуется структура, идентичная или близкая структуре соединяемых материалов. Прочность соединения определяется внутрикристаллическими связями, и свариваемость в этих случаях обычно оценивается как хорошая или удовлетворительная. Но следует иметь в виду, что бывают и однородные материалы, которые относятся к категории плохо свариваемых, как, например, чугун, который образует сварной шов со структурой белого чугуна и, кроме того, закаляется в зоне, прилегающей к шву, что повышает хрупкость и обычно приводит к непрочному соединению, склонному к образованию трещин. К категории плохо свариваемых относятся и дуралюмины, которые также охрупчиваются в околошовной зоне.

При сварке разнородных материалов в месте соединения образуются твёрдые растворы, химические соединения или смесь зёрен соединяемых материалов. В этих случаях прочность соединения обеспечивается сцеплением по границам частиц и зёрен. Механические и физические свойства таких соединений могут существенно отличаться от свойств свариваемых материалов. При этом высока вероятность образования трещин и несплавлений. Поэтому свариваемость разнородных материалов обычно оценивается как ограниченная или плохая.

Следует иметь в виду, что свариваемость определяется не только свойствами самого сварного шва, но и свойствами прилегающей к нему околошовной зоны, называемой также зоной термического влияния, в которой под действием нагрева тоже происходят определённые структурные изменения.

Кроме того, следует иметь в виду, что свариваемость – это сложная характеристика, зависящая не только от свойств свариваемого материала, но и от выбранного способа сварки, его режима, а также свойств применяемых присадочных материалов.

       В зависимости от состояния материала в зоне соединения и вида основной формы энергии, используемой для образования соединения, способы сварки делят на сварку плавлением и сварку давлением.

       Сварка плавлением осуществляется без приложения давления местным сплавлением соединяемых частей с помощью тепловой энергии. К сварке плавлением относятся дуговая, плазменная, электрошлаковая, электронно-лучевая, лазерная и газовая сварка. При сварке плавлением материалы по кромкам соединяемых частей расплавляются, перемешиваются в общей жидкой ванне, затвердевают и после охлаждения образуют неразъёмное соединение. Сварочная ванна представляет собой относительно небольшой объём расплавленных материалов, на одну сторону которого воздействует источник теплоты, а другие стороны соприкасаются с твёрдым основным материалом. В сварочной ванне происходят физико-химические процессы, определяемые рассмотренными ранее основными металлургическими законами. Расплавленный металл взаимодействует с окружающей газовой средой, а также со шлаком, который образуется в результате расплавления покрытий электродов или специальных флюсов. В результате взаимодействия со шлаком происходят раскисление металла сварочной ванны, удаление вредных примесей путём их вывода в шлак, легирование шва определёнными элементами для восполнения их выгорания при сварке или придания шву специальных свойств. В расплавленном материале сохраняются связи между атомами. Такие же связи имеются и на границе расплавленного и твёрдого материала. Поэтому для формирования непрерывных межатомных связей достаточно образования общей сварочной ванны. Но следует иметь в виду, что именно при сварке плавлением наблюдаются наибольшие отклонения свойств сварного соединения от свойств основного материала, поскольку сварочная ванна нагрета выше температуры плавления и в ней происходят многочисленные химические и структурные изменения, сопровождаемые также весьма неравномерным нагревом соединяемых заготовок.

       Сварка давлением осуществляется за счёт пластической деформации соединяемых частей с помощью механической энергии, иногда дополняемой тепловой энергией. Сварка давлением преимущественно осуществляется при температуре ниже температуры плавления и в этом случае является соединением материалов, находящихся в твёрдом состоянии. Однако в некоторых разновидностях сварки давлением материал в зоне сварки доводится до оплавления. К сварке давлением относятся контактная, аккумулированной энергией, холодная, высокочастотная, трением, ультразвуковая, диффузионная, взрывом. При сварке давлением соединяемые материалы сближают друг с другом на такие расстояния, при которых возникают межатомные силы притяжения и становится возможным процесс образования металлических связей. Для увеличения способности соединяемых атомов к перемещениям и взаимной диффузии свариваемые заготовки часто подогревают до температур высокой пластичности соединяемых материалов, а иногда даже и до оплавления. Однако одного нагрева для пластической сварки недостаточно. Реальная поверхность любого, даже тщательно отполированного, твёрдого тела всегда волниста и имеет множество препятствующих сближению с другим телом микроскопических выступов, высота любого из которых на несколько порядков больше расстояния, необходимого для возникновения сил межатомного взаимодействия. Кроме того, практически любая поверхность покрыта окисной плёнкой, а также слоем молекул воды и жировых загрязнений, которые никогда не удаётся удалить полностью из-за электрической связи такого слоя с поверхностью металла. При сварке в твёрдом состоянии эти препятствия преодолевают путём приложения к свариваемым заготовкам давления, величина которого достаточна для смятия всех неровностей и выдавливания наружу или диффундирования в глубь металла окисей и загрязнений. В результате оказывается возможным образование прочных металлических связей. Аналогично сварке плавлением при сварке в твёрдом состоянии также могут происходить изменения фазового состава и микроструктуры свариваемых заготовок, поскольку в ряде способов материал нагревается выше температуры рекристаллизации и фазовых превращений. Однако эти изменения значительно менее существенны, чем при сварке плавлением и не затрагивают химического состава свариваемых материалов.