Основные принципы сварки

Сварной шов можно определить как соединение металлов, полученное путем нагрева до подходящей температуры с приложением давления или без него, с использованием или без использования присадочного материала.

При сварке плавлением источник тепла генерирует достаточно тепла для создания и поддержания ванны расплавленного металла необходимого размера. Нагрев может осуществляться электричеством или газовым пламенем. Электрическую сварку сопротивлением можно считать сваркой плавлением, поскольку при этом образуется некоторое количество расплавленного металла.

---

Твердофазные процессы позволяют получить сварные швы без плавления основного материала и без добавления присадочного металла. Всегда используется давление и обычно выделяется некоторое количество тепла. Теплота трения выделяется при ультразвуковой сварке и сварке трением, а при диффузионной сварке обычно используется печной нагрев.

Электрическая дуга, используемая при сварке, представляет собой сильноточный разряд низкого напряжения, обычно в диапазоне 10–2000 ампер при напряжении 10–50 вольт. Столб дуги сложен, но, вообще говоря, состоит из катода, который испускает электроны, газовой плазмы, обеспечивающей проводимость тока, и анодной области, которая становится сравнительно более горячей, чем катод, из-за бомбардировки электронами. Обычно используется дуга постоянного тока (DC), но можно использовать дуги переменного тока (AC).

Общий расход энергии во всех сварочных процессах превышает тот, который необходим для создания соединения, поскольку не все выделяемое тепло может быть эффективно использовано. Эффективность варьируется от 60 до 90 процентов, в зависимости от процесса; некоторые специальные процессы сильно отклоняются от этой цифры. Тепло теряется за счет проводимости через основной металл и излучения в окружающую среду.

Большинство металлов при нагревании вступают в реакцию с атмосферой или другими близлежащими металлами. Эти реакции могут оказаться чрезвычайно вредными для свойств сварного соединения. Большинство металлов, например, быстро окисляются при плавлении. Слой оксида может помешать правильному склеиванию металла. Капли расплавленного металла, покрытые оксидом, попадают в сварной шов и делают соединение хрупким. Некоторые ценные материалы, добавленные для определенных свойств, настолько быстро реагируют на воздействие воздуха, что наносимый металл не имеет того состава, который был изначально. Эти проблемы привели к использованию флюсов и инертных атмосфер.

При сварке плавлением флюс играет защитную роль, способствуя контролируемой реакции металла и затем предотвращая окисление, образуя слой поверх расплавленного материала. Флюсы могут быть активными и помогать в процессе, или неактивными и просто защищать поверхности во время соединения.

Инертная атмосфера играет защитную роль, аналогичную роли флюсов. При сварке металлической дугой в среде защитного газа и вольфрамовой дуговой сварке в среде защитного газа инертный газ — обычно аргон — течет из кольцевого пространства, окружающего горелку, непрерывным потоком, вытесняя воздух вокруг дуги. Газ не вступает в химическую реакцию с металлом, а просто защищает его от контакта с кислородом воздуха.

Металлургия соединения металлов важна для функциональных возможностей соединения. Дуговая сварка иллюстрирует все основные особенности соединения. В результате прохождения сварочной дуги образуются три зоны: (1) металл шва, или зона плавления, (2) зона термического влияния и (3) незатронутая зона. Металл шва – это та часть соединения, которая расплавилась во время сварки. Зона термического влияния — это область, прилегающая к металлу шва, которая не была сварена, но претерпела изменение микроструктуры или механических свойств под воздействием тепла сварки. Незатронутым материалом является тот, который не был нагрет достаточно, чтобы изменить его свойства.

Состав металла сварного шва и условия его замерзания (затвердевания) существенно влияют на способность соединения отвечать эксплуатационным требованиям. При дуговой сварке металл сварного шва состоит из присадочного материала и расплавленного основного металла. После прохождения дуги происходит быстрое охлаждение металла шва. Однопроходной сварной шов имеет литую структуру со столбчатыми зернами, простирающимися от края ванны расплава к центру сварного шва. При многопроходной сварке эта литая структура может видоизменяться в зависимости от конкретного свариваемого металла.

Основной металл, прилегающий к сварному шву, или зона термического влияния, подвергается ряду температурных циклов, и изменение его структуры напрямую связано с пиковой температурой в любой заданной точке, временем воздействия и скоростью охлаждения. Типов основного металла слишком много, чтобы обсуждать здесь, но их можно сгруппировать в три класса: (1) материалы, на которые не влияет тепло сварки, (2) материалы, упрочненные в результате структурных изменений, (3) материалы, упрочненные в результате процессов выделения.

Сварка вызывает напряжения в материалах. Эти силы возникают за счет сжатия металла сварного шва и расширения, а затем сжатия зоны термического влияния. Ненагретый металл ограничивает вышеуказанное, и, поскольку преобладает сжатие, металл сварного шва не может свободно сжиматься, и в соединении создается напряжение. Это обычно известно как остаточное напряжение, и в некоторых критических случаях его необходимо удалять путем термической обработки всей конструкции. Остаточные напряжения неизбежны во всех сварных конструкциях, и если их не контролировать, произойдет изгиб или деформация сварного соединения. Контроль осуществляется техникой сварки, приспособлениями и приспособлениями, технологическими процессами изготовления и окончательной термообработкой.