Фізико-механічні процеси встановлення міжатомних
зв'язків у зварних з'єднаннях
Існують три основні форми встановлення міжатомних зв'язків при зварюванні металів, кожна з яких є основною для свого класу зварювальних процесів.
Всі зварювальні процеси, що входять до механічного класу зварювання, за винятком зварювання тертям, здійснюються без попереднього нагрівання деталей.
Холодне зварювання – один з видів зварювання у стані твердої фази зі значною об'ємною пластичною деформацією. Основним технологічним варіантом цього типу зварювання є спільна пластична деформація деталей, які з'єднують, у результаті прикладення сил, нормальних до поверхні з'єднання. В основі холодного зварювання лежить явище, що одержало назву «схоплювання». Досить часто це явище також називають адгезією (для різнорідних металів) або когезією (для однорідних металів). Для одержання якісного з'єднання є необхідним значне розтікання металу в місці з'єднання, що сприятиме руйнуванню й виносу окісних плівок із зони контакту, згладжуванню поверхневих мікронерівностей та утворенню активних центрів схоплювання в місцях виходу дислокацій та їхніх скупчень.
Ступінь деформації при холодному зварюванні досягає 80…90 %. Для цього необхідно прикладати тиск, що у чотири – п’ять разів перевищує межу плинності зварюваних металів. Тривалість процесу макрооб'ємної деформації звичайно становить 1…2 секунди.
Здатність до схоплювання значною мірою визначається положенням металу в періодичній системі елементів і будовою кристалічних ґрат. В основному, холодним зварюванням з’єднують такі пластичні метали, як алюміній і мідь, хоча його застосовують і для з’єднання різнорідних металів.
При зварюванні вибухом відбувається фізичний контакт між поверхнями, що з'єднують, а наступна електронна їхня взаємодія забезпечує створення міцного металевого зв'язку. Зближення поверхонь на відстань фізичного контакту здійснюється при зварюванні вибухом за допомогою спільної пластичної деформації поверхневих шарів матеріалів.
При термомеханічних способах зварювання (а також при зварюванні тертям) зближення атомів, активація поверхонь (очищення поверхневих шарів і плинність ювенільних шарів металу) досягається завдяки спільній пружньо-пластичній деформації матеріалів, що з'єднують, одночасно з їх нагріванням. З підвищенням температури межа плинності металу зменшується, тому потрібно застосувати набагато менший тиск для забезпечення фізичного контакту деталей, що зварюють, за всією площею стику.
Протікання струму через деталі приводить до поступового нагрівання металу в стику до температури, близької до температури плавлення (0,8…0,9)Тпл. Потім збільшують зусилля стискування деталей, а струм вимикають. При цьому прискорюється переміщення рухливої деталі, відбувається пластична деформація металу в стику і утворення з'єднання у твердому стані. Безперервний структурний зв'язок здійснюється завдяки спільній (взаємній) рекристалізації металу деталей. Зварне з'єднання має зернисту структуру.
При контактному стиковому зварюванні оплавленням деталі зближують при дуже малому зусиллі й вимкненому джерелі струму. Оплавлення деталей відбувається в результаті безперервного утворення й руйнування контактів – перемичок між їхніми торцями. Перемички нагріваються значно вище температури плавлення, аж до температури кипіння.
Після утворення необхідного шару розплавленого металу на торці деталей, що зварюють, струм вимикають, застосовують осаджувальний тиск. Рідкий метал разом із забрудненнями (окисними плівками) видавлюється зі стику, утворюючи при затвердінні ґрати. З'єднання утворюється між твердими металами, нагрітими до пластичного стану знову ж внаслідок спільної (взаємної) рекристалізації металу деталей.
При точковому контактному зварюванні деталі з'єднуються за окремими зонами стикання, що називають точками. При цьому деталі складають внапуск і стискають електродами, з'єднаними зі зварювальним трансформатором, при вмиканні якого деталі нагріваються короткочасним (0,01…0,5 с) імпульсом струму до появи розплавленої зони або ядра точки. Розплавлений метал утримується в ядрі від вибризкування й надійно захищається від взаємодії з навколишнім середовищем ущільнювальним поясом, який формується в результаті значної пластичної деформації металу, що примикає до ядра.
Зусилля після вимикання струму зберігається якийсь час для того, щоб кристалізація металу відбувалася під тиском, завдяки чому метал захищається від утворення дефектів усадочного походження – тріщин, пухкості та ін.
Шовне зварювання – це утворення безперервного зварного з'єднання шляхом поставлення послідовного ряду точок, що перекривають одна одну. Таким способом досягається герметичність зварного з'єднання. При шовному зварюванні, як і при точковому, утворення міжатомних зв'язків відбувається шляхом взаємної кристалізації розплавленого металу під тиском у замкненому об’ємі.
При зварюванні в рідкій фазі (термічний клас зварювання) зближення атомів здійснюється завдяки явищу змочування й теплових коливань часток. Очищення поверхонь відбувається шляхом відновлення елементів з окислів (термічної дисоціації окислів) при нагріванні, десорбції, металургійному обробленні зварювальної ванни.
Початок контакту металів, що зварюють, тобто встановлення безперервного структурного зв'язку, відповідає моменту утворення загальної зварювальної ванни. З'єднання відбувається шляхом мимовільного змішування й взаємного розчинення рідкого металу деталей з наступною його кристалізацією на основі частково оплавлених зерен основного металу. Зварний шов має структуру литого, тобто кристалічного або дендритного металу. Отже, при зварюванні плавленням зварне з'єднання утворюється у процесі спільної кристалізації.
При зварюванні деталей з того ж самого матеріалу процеси розчинення, взаємної дифузії, утворення твердих і рідких розчинів, тобто взаємної кристалізації, нічим не обмежені. Більш складна ситуація може виникнути при зварюванні деталей з різнорідних металів. Основними труднощами, що існують при цьому є їхня металургійна несумісність: різні кристалічні будови (тип кристалічних ґраток і величина їх параметрів), температури плавлення, теплофізичні властивості (коефіцієнти лінійного розширення, теплопровідності). У першому наближенні металургійну сумісність можна оцінити за діаграмами стану сплавів. Усі можливі сполучення металів можна поділити на три види.
До першого виду сполучень належать метали, що мають гарну фізичну зварюваність, тобто однакову кристалічну структуру, можуть утворювати безперервні тверді розчини, змішуючись у різних співвідношеннях, тобто здатні створювати загальні кристалічні ґрати. Ці метали належать до тієї ж самої групи або до суміжних груп періодичної системи елементів, наприклад, залізо-нікель, нікель-мідь, хром-ванадій. Тут процеси розчинення й дифузії нічим не обмежені.
До другого виду відносять метали, розходження розмірів атомів яких перевищує 14…15 %, тобто й розчинність їх у твердому стані буде обмеженою (правило Юм-Розері). У сплаві будуть утворюватися тендітні хімічні сполуки – інтерметалоїди. При зварюванні таких пар металів установлюється структурний зв'язок внаслідок наявності як кристалічної, так і міжкристалічної взаємодії.
До третього виду належать метали і їх сплави, які практично не зварюються плавленням, тобто не можуть взаємно розчинятися в рідкому стані. Між ними встановлюється лише дуже слабкий міжкристалічний зв'язок елементів.
|