Физические основы получения сварного соединения лежат в создании Металлургической связи между соединяемыми частями посредством нагрева (с применением или без применения давления) до температуры, при которой происходит Пластическая деформация и/или Расплавление металла в месте соединения.
Ключевые физические процессы, лежащие в основе сварки:
Нагрев:
Источник тепла: В зависимости от способа сварки используются различные источники тепла:
Электрическая дуга: Наиболее распространенный источник тепла в сварке плавлением. Электрическая дуга возникает между электродом и свариваемым металлом, создавая высокую температуру (до нескольких тысяч градусов Цельсия).
Газовое пламя: Используется в газовой сварке, где горение смеси горючего газа (например, ацетилена) и кислорода создает пламя высокой температуры.
Лазерное излучение: Используется в лазерной сварке, где сфокусированный лазерный луч нагревает металл до температуры плавления.
Электронный луч: Используется в электронно-лучевой сварке, где сфокусированный пучок электронов нагревает металл.
Трение: Используется в сварке трением, где нагрев происходит за счет трения соединяемых деталей друг о друга.
Теплопередача: Тепло от источника передается к свариваемым металлам посредством:
Теплопроводности: Передача тепла внутри твердых материалов.
Конвекции: Передача тепла посредством движения жидкостей или газов (например, аргона в аргонодуговой сварке).
Излучения: Передача тепла посредством электромагнитного излучения (например, инфракрасного).
Пластическая деформация:
При сварке давлением (без плавления): Детали соединяются под действием давления и температуры, недостаточной для плавления. Происходит пластическая деформация металла в зоне контакта, что приводит к образованию металлургической связи. Примеры: кузнечная сварка, холодная сварка, диффузионная сварка.
Плавление:
При сварке плавлением: Металл в зоне соединения расплавляется. После охлаждения и кристаллизации расплавленного металла образуется сварной шов, соединяющий детали.
Кристаллизация: Процесс перехода металла из жидкого состояния в твердое с образованием кристаллической структуры. Важными параметрами являются скорость охлаждения и градиент температуры, которые влияют на структуру и свойства сварного шва.
Металлургические процессы в сварочной ванне: В расплавленном металле происходят сложные металлургические процессы, такие как:
Рафинирование: Удаление вредных примесей (например, серы, фосфора) из металла.
Легирование: Введение легирующих элементов для улучшения свойств сварного шва.
Газовыделение: Выделение растворенных газов (например, водорода) из металла, что может привести к образованию пор.
Диффузия:
Перенос атомов: В процессе сварки происходит диффузия атомов между соединяемыми металлами. Диффузия способствует образованию прочной металлургической связи и выравниванию химического состава в зоне соединения.
Факторы, влияющие на диффузию: Температура, время, концентрация, кристаллическая структура.
Образование металлургической связи:
Атомное взаимодействие: На атомном уровне между атомами соединяемых металлов возникают силы межатомного взаимодействия (ковалентные, металлические или ионные связи).
Кристаллическая решетка: Образуется общая кристаллическая решетка, объединяющая соединяемые металлы.
Влияющие факторы:
Температура: Необходима для плавления или пластической деформации металла.
Давление: Используется в сварке давлением для обеспечения плотного контакта между деталями.
Время: Время нагрева и охлаждения влияет на структуру и свойства сварного соединения.
Состав металла: Состав свариваемых металлов влияет на их свариваемость и свойства сварного шва.
Сварочные материалы: Выбор сварочных материалов (электродов, присадочной проволоки, флюсов) влияет на химический состав и свойства сварного шва.
Защитная среда: Использование защитных газов (например, аргона, гелия, углекислого газа) или флюсов предотвращает окисление металла в зоне сварки и улучшает качество сварного шва.
Ключевые физические явления:
Электричество: Электрическая дуга, используемая в большинстве видов сварки, основана на законах электротехники.
Термодинамика: Тепловые процессы, происходящие при сварке, описываются законами термодинамики.
Механика деформируемого твердого тела: Процессы пластической деформации, происходящие при сварке давлением, описываются законами механики.
Металлургия: Процессы кристаллизации, диффузии и рафинирования, происходящие в сварочной ванне, описываются законами металлургии.
В заключение, физические основы сварки — это сложный комплекс процессов, включающих нагрев, плавление (или пластическую деформацию), диффузию и образование металлургической связи. Понимание этих процессов необходимо для выбора оптимального способа сварки, сварочных материалов и режимов сварки для получения качественных и надежных сварных соединений.
