Сваркой называется процесс получения неразъёмного соединения отдельных частей из твёрдых материалов за счёт междуатомных сил сцепления как с применением нагрева, так и без него.

Сварка в промышленности особенно широко применяется для соединения металлов, но могут свариваться и многие другие материалы: стёкла, пластмассы, смолы, некоторые горные породы и т. д. В настоящей книге рассматривается только сварка металлов.

Силы сцепления, связывающие в одно целое элементарные частицы, из которых состоят твёрдые или жидкие тела, могут быть объяснены взаимодействием электронных оболочек атомов, составляющих тело. Для осуществления сварки, т. е. соединения твёрдых металлических частей в одно целое, необходимо привести в действие силы сцепления. Для этого прежде всего нужно достаточно сблизить атомы соединяемых частей на расстояние порядка атомного радиуса, а затем активизировать силы сцепления, т. е. заставить взаимодействовать электронные оболочки соединяемых частиц.

По общим законам термодинамики частицы взаимодействуют так, что в конечном счёте уменьшают свободную энергию системы. К процессам, уменьшающим свободную энергию системы, относя-т-ся, например, распределение атомов в определённом правильном порядке пространственной кристаллической решётки, которая обладает известной прочностью. Для деформирования решётки необходимо затратить определённую работу, т. е. подвести к твёрдому кристаллическому телу достаточное количество энергии. Деформированная клисталлическая решётка при подходящих условиях возвращается к нормальному состоянию, уменьшая свободную энергию системы и возвращая работу, затраченную на её деформирование. Во время перестройки деформированной кристаллической решётки частицы приходят во взаимодействие, вызывая срастание в одно целое соединяемых металлических частей.

К процессам, идущим самопроизвольно, с уменьшением свободной энергии системы, относятся, например, растворение и диффузия, которые часто играют основную роль в процессе сварки. Важным фактором увеличения свободной энергии системы является нагрев свариваемых тел. С повышением температуры сначала происходит уменьшение прочности твёрдого тела, ослабляются упругие свойства, растёт способность к пластическим деформациям, а затем про-

исходит плавление металла. При дальнейшем повышении температуры металл переходит в газообразное состояние. Способность объёмов вещества к объединению в одно целое меняется с температурой, возрастая с её повышением. Любые газы, приведённые в соприкосновение и находящиеся в любых соотношениях, самопроизвольно образуют смесь, однородную по всему объёму, с наиболее вероятным равномерным распределением различных газовых молекул по всему объёму. В жидком состоянии способность к диффузии частиц уже сильно ограничена; существуют многочисленные примеры взаимно нерастворимых жидкостей и жидкостей с ограниченной взаимной растворимостью. Все расплавленные металлы являются достаточно однородными жидкостями и обладают хоть и очень ограниченной, но достаточной для осуществления сварки взаимной растворимостью.

Нагрев металла облегчает выполнение процесса сварки и применяется в широких размерах и разнообразнейших формах в сварочной технике, поэтому в обычном представлении сварка неразрывно связана с нагревом металла до высоких температур его плавления или перехода в пластическое состояние. Однако нагрев не является необходимым для осуществления процесса сварки и применяется из соображений практического удобства. Принципиально сварка возможна при низких температурах и в некоторых случаях осуществляется в промышленных масштабах. Срастание частиц металла в монолитное твёрдое тело при низких температурах наблюдается достаточно часто, так, например, при комнатной температуре формируются плотные и прочные массы металла при электролитическом его осаждении из водных растворов.

Нанося гальваническим путём осадок металла на соединяемые части, дюжио их соединить в одно целое и принимать осуществляемый таким образом процесс за сварку. Плотные прочные осадки металлов могут быть получены иногда и посредством химических реакцш ! восстановления металла из его соединений, протекающих при низких температурах. При комнатной температуре возможно превращение металлических порошков в монолитный металл приложением значительного давления. За счёт пластической деформации осуществляется холодная сварка многих металлов при комнатной температуре, находящая промышленное применение.

КЛАССИФИКАЦИЯ СПОСОБОВ СВАРКИ

Современная промышленность располагает несколькими десятками видов и разновидностей способов сварки металлов, для изучения, оценки и определения рациональных областей применения которых целесообразно классифицировать их, разделив на две основные группы: ]) сварка давлением (пластическая); 2) сварка плавлением.

В первой группе весьма важную, доминирующую роль играет давление, прилагаемое к месту сварки, создающее пластическую деформацию и возбуждающее силы сцепления. Нагрев металла при

этом играет хотя и важную, но всё же подчинённую роль; в ряде случаев сварка может быть осуществлена и без применения нагрева.

Во второй группе процесс сварки основан на расплавлении металла местным нагревом. Давление к месту сварки не прилагается, а если иногда и применяется, то играет второстепенную роль.

Группу способов сварки давлением можно, в свою очередь, разделить на три подгруппы, в зависимости от степени нагрева места сварки. Первая - холодная сварка давлением, при которой металл в зоне сварки остаётся всё время холодным, например сварка при нормальной комнатной температуре. Вторая - сварка давлением без оплавления, при которой металл не доводится до расплавления, а лишь подогревается до температуры так называемого сварочного жара, при этом несколько снижаются механическая прочность, упругие свойства и повышается пластичность. Процесс сварки давлением при этой температуре протекает успешно и даёт хорошие результаты. Понятие сварочный жар выработано практикой и является довольно неопределённым. Вообще говоря, любой металл или любая пара разнородных металлов при подходящих условиях (достаточном удельном давлении и пр.) могут быть сварены и при комнатной температуре без всякого подогрева.

Переходя от принципиальной возможности сварки к достаточно удобным процессам сварки давлением, пригодным для промышленного использования, следует отметить, что подогрев металла значительно облегчает процесс сварки давлением и в большинстве случаев является практически необходимым. При этом, чем выше температура подогрева, тем лучше протекает процесс сварки, однако повышение температуры ограничивается различными дополнительными соображениями.

Обычно металл нагревают до так называемых сварочных тедг-ператур, т. е. температур, лежащих лишь немного ниже температуры плавления металла. Дальнейшее повышение температуры не допускается, так как начавшееся плавление металла может нарушить нормальный процесс сварки, ухудшить структуру металла и т. п. Иногда температура нагрева ограничивается невозможностью дальнейшего её повышения при нагреве в разных горнах, печах и т. п.

Во многих случаях оказывается целесообразным усилить подогрев металла в зоне сварки до оплавления. При этом расплавленный металл в процессе осадки может полностью выдавливаться наружу из зоны сварки, и в соприкосновение войдут и будут свариваться слои металла, нагретые лишь до перехода в пластическое состояние. В этом случае при последующем металлографическом исследовании в сварном соединении литого металла не обнаруживается. Иногда расплавленный металл удаляется из зоны сварки осадкой не полностью или совсем не удаляется, например при точечной контактной электросварке. В этом случае при металлографическом исследовании сварного соединения обнаруживается литой металл.