Главная  Классификация процессов сварки 

[ 1 ] 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83

классификация процессов сварки

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СВАРКИ

Монолитность сварных соединений достигается обеспечением физико-химических, атомно-молекулярных связей между элементарными частицами соединяемых тел.

В технике используют различные виды разъемных и неразъемных соединений твердых тел. Неразъемные соединения могут быть выполнены монолитными (сплошными) и немонолитными. К монолитным следует относить соединения, получаемые сваркой, пайкой или склеиванием, а к немонолитным - клепаные соединения.

Сварку, пайку и склеивание используют для соединения металлов и неметаллов между собой и в разнородных сочетаниях.

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, а). Это явление увеличивает потенциальную энергию £ поверхностного слоя. При соединении тел требуется извне механическая или тепловая энергия Яг Д-я преодоления энергетического барьера (рис. 1, б).

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 Ео 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. 2). В макрообъемах 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 поверхностей к взаимодействию. На второй стадии Б - стадии химического взаимодействия - заканчивается процесс образования прочного соединения на микроучастке.

Рис. 1. Энергетический барьер потенциальной энергии системы атомов у поверхности кристалла {а) и на границе твердой и жидкой фаз в начальный период их контактирования (б)




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;

свариваедше 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.

Рис. 2. Кинетика изменения прочности соединения а при быстром (/) и медленном {2) развитии физического контакта (Л) и химического взаимодействия (Б) в зависимости от длительности сварки t

Вещества

Классификация

по состоянию вещества

по давлению

[в жидкой

Г давления

- с давлением -

-I I- Энергия

Преобразование

Классификация по введенной энергии

se й

Процессы

т6врдой\.

Рис. 3. Схема-модель, поясняющая термодинамическое определение и классификацию процессов сварки: Т, ТМ, ЯМ - термические, термомеханические и прессово-механические процессы

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 вещества (рис. 3): введения и преобразования энергии; движения (превращения) вещества.

Вид, интенсивность вводимой энергии и характер ее преобразования - это главное, что определяет вид процесса сварки, причем введение энергии всегда является необходимым условием сварки, так как без этого невозможна активация соединяемых поверхностей.

Введение вещества необходимо только при некоторых видах сварки плавлением и пайки, причем энергия в этих случаях может быть введена также с расплавленным материалом. Характер движения вещества в зоне сварки сильно меняется от процесса к процессу. Движение значительно при сварке плавлением, особенно при наличии присадочного материала, и при пайке. При сварке давлением с нагревом движение материала в зоне стыка незначительное, и существенна только диффузия вещества через стык. Холодная сварка реализуется практически без движения вещества, если не учитывать переползания дислокаций и выхода их на поверхность.

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 2601-74, 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.

КЛАССИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССОВ СВАРКИ

Согласно схеме термодинамических превращений (см. рис. 3) целесообразно выделить при классификации процессов сварки три основных физических признака: форму вводимой энергии, наличие давления и вид инструмента - носителя энергии. Остальные признаки условно отнесены к техническим и технологическим (табл. 1). Такая классификация использована в ГОСТ 19521-74. По виду вводимой в изделие энергии все основные сварочные процессы, включая сварку, пайку и резку, разделены (табл. 2) на термические (Т), термомеханйческие (ТМ) (или точнее термопрессовые) и механические (М) (точнее - прессово-механические). Признак классификации по наличию давления применим только к сварке и пайке.

Форма энергии, применяемой в источнике энергии для сварки (электрическая, химическая и др.), как классификационный признак в стандарте не использована, так как она характеризует главным образом не процесс, а оборудование для сварки.

Т-процессы осуществляются без давления (сварка плавлением), остальные - обычно только с давлением (сварка давлением). Указанные в табл. 1 термины (класс, метод, вид) условные, но, войдя в классификацию, они позволяют в дальнейшем вести четкую систему типизации процессов сварки. Термин процесс использован как независимый от классификационных групп.

Все известные в настоящее время процессы сварки металлов осуществляются за счет введения только двух видов энергии - термической и механической или при их сочетании. Поэтому в четвертый подкласс особых процессов пока могут быть включены только нейтронная сварка пластмасс и (условно) склеивание, которое происходит без существенного введения энергии извне. В табл. 2 эти процессы не указаны, так же как сварка восстановлением из солей металлов, электролитическая сварка, сварка напылением и другие весьма редко используемые процессы.



1. Основные признаки и ступени классификации процессов сварки

Группы признаков

Наименование признаков

Ступени классификаций

Физические (общие для всех видов сварки)

Форма энергии, вводимой при сварке и используемой для образования соединения

Классы энергии

Наличие давления при сварке

Классы давления*

Вид источника энергии-инструмента, определяющего характер нагрева или механического воздействия непосредственно при образовании соединения

Виды

Технические

Защита зоны сварки и зависящие от нее факторы

Непрерывность процесса Степень механизации процесса

Методы и разновидности

Технологические

Признаки устанавливают для каждого метода сварки отдельно

Способы и приемы

* В ГОСТ 19521-74 классы давления не использованы, а формулировка признаков дана более сжато.

Под сварочными процессами в настоящее время понимают достаточно широкую группу технологических процессов соединения, разъединения (резки) и локальной обработки материалов, как правило, с использованием местного нагрева изделий. Примерами сварочных процессов могут служить: сварка, наплавка, пайка, пайка-сварка, сварка-склейка, напыление, спекание, термическая резка и т. д. Отличительной чертой сварочных процессов является то, что они термические и обычно идут с введением в место обработки термической или термомеханической энергии. Если же вводится только механическая энергия, то в значительной мере используется именно эффект ее преобразования в тепловую, термическую форму.

Поскольку формы вводимой энергии являются наиболее общими и существенными признаками всех сварочных процессов, эти признаки учтены в последних строках классификационной таблицы.

Дуга, луч, газовое пламя - внешние носители энергии, от которых энергия передается в изделие тем или иным способом. При термитной сварке разогрев происходит за счет внутреннего источника в результате преобразования в теплоту химической энергии, выделяемой при реакции горения термита. Для всех термических процессов сварки плавлением независимо от вида носителя энергии - инструмента-встык она вводится всегда путем расплавления металла.

В термомеханических и механических процессах преобладают внутренние носители энергии, в которых ее преобразование в теплоту происходит главным образом вблизи контакта соединяемых изделий - стыка.

ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ СВАРОЧНЫХ ПРОЦЕССОВ

Обобщенный баланс энергии необходим для количественной оценки передачи и преобразования энергии при разных видах сварочных процессов. Баланс включает следующие основные ступени передачи энергии 8 (рис. 4): сеть питания; источник энергии для сварки или трансформатор энергии ТЭ; носитель энергии - инструмент, передающий энергию от трансформатора к зоне сварки (резки или напыления); изделие -стык соединяемых изделий.

г Классификация источников энергии и процессов сварки по физическим признакам

И сточники энергии

Классы процессов

Термические Т-процессы

Термопрессовые ТП-процессы (термомеханические)

Прессовомеха-

иические ПМ-процессы (механические)

Виды сварки

Термические

А.Внешние источники: фотонный луч

электронный луч

плазменный луч

электрическая дуга тлеющий разряд

электрорасплав расплав

реакция термита газовое пламя нагретый газ

нагретый инструмент печной нагрев атомная энергия

Б. Внутренние источники:

электрическая индукция

электрическая емкость

электрический контакт

Механические

Прессовый контакт

Прессовомеха пичес-кий контакт

Трущийся контакт Вибрирующий контакт

Ударный контакт

Лазерно-лучевая Световая Электро нно-лучевая

Плазменно-лучевая

Ионно-лучевая

Дуговая

Тлеющим разрядом

Электрошлаковая Литейная Термитная Газовая

Газотепловая (пл)

Резерв

Индукционная Резерв

Резерв

Электронно-лучевая с давлением Резерв

Дугопрессовая В тлеющем разряде с давлением Резерв

Термит но-прессовая Газопрессовая Газотепловая с давлением

Термокомпрессион пая Печная с давлением Нейтронная с давлением (пл)

И ндук ционно-прессова я Электроемкостная (пл) Контактная

Вакуумным схватыванием Холодная

Трением Ультразвуковая Взрывом

Прочие сварочные процессы (подробно не классифицированы)

Т-пайка

ТП-пайка

ПМ-пайка

Термическая и термохимическая резка и напыление

Термомеханическая резка и напыление

Поимечания-1 Слово Резерв показывает, что процесс принципиально возможен но пока не реализан. Прочерк означает, что для данного источника энергии процесс принципиально не возможен.

i- .ГточнГатнойэиерГиГозГкк условно, чтобы не вводить

*4 пода°?ас оложения источников энергии в группе А примерно соответствует уменьшению их интенсивности.



[ 1 ] 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83

© 2011 - 2020 www.taginvest.ru
Копирование материалов запрещено