Лекція 15. Тема 6.1. «Загальна технологічна схема виробництва зварних труб. Способи зварювання.»

Лекція 15.

Тема 6.1. «Загальна технологічна схема виробництва зварних труб. Способи зварювання.»

      Зварювання є одним з провідних технологічних процесів сучасного машинобудування. Вона дозволяє поєднувати найрізноманітніші матеріали і заготовки - від деталей, розміри яких обчислюються частками міліметра, до гігантських багатотонних конструкцій. З'єднання можна отримувати на землі, під водою, в космосі. Сучасна зварювальна техніка налічує десятки способів зварювання. Несхожі, здавалося б, між собою, ці способи об'єднуються одним загальним поняттям - зварювання.

      Зварюванням називається технологічний процес отримання нероз'ємних з'єднань за рахунок встановлення міжатомних (міжмолекулярних) зв'язків між поверхневими атомами двох з'єднуємих заготовок.

       Щоб зрозуміти фізичну сутність зварювання, згадаємо, що в металі атоми знаходяться у вузлах кристалічної решітки, а відстань між центрами атомів становить 0,2-0,5 нм. При таких відстанях між атомами існує міжатомний зв'язок, тобто існують сили, які утримують атоми в незмінному по відношенню до сусідніх атомам положенні. При зварюванні завдання зводиться до того, щоб встановити такі ж зв'язки між поверхневими атомами з'єднуємих заготовок. 

      Уявімо собі, що нам вдалося зблизити дві заготовки на відстань, порівнянне з параметром кристалічної решітки. Між поверхневими атомами мимовільно виникнуть міжатомні зв'язки. Це повинно відбутися без витрати енергії.  І навпаки, енергія повинна виділитися, тому що при цьому зникнуть дві поверхні, а адже існування всякої поверхні пов'язано з витратами енергії. Наявність поверхневої енергії особливо добре помітно у рідин. Рідини під дією сил поверхневого натягу прагнуть придбати таку форму, при якій поверхня стає мінімальною при тому ж обсязі. Поверхні твердого тіла також мають енергію, тільки сили поверхневого натягу недостатні для того, щоб змінити форму твердого тіла. Тому в нашому уявному експерименті встановлення міжатомних зв'язків відбудеться з виділенням енергії системи. З точки зору термодинаміки такий процес можливий. Однак на практиці здійснити з'єднання двох заготовок простим їх зближенням не вдається. Дві обставини перешкоджають цьому.

       Перше. Поверхні заготовок не є ідеально рівними. Рельєф поверхні являє собою чергування виступів і западин, і висота нерівностей навіть при самій ретельній обробці в десятки і сотні тисяч разів більше межатомної відстані. Тому при зближенні поверхонь контакт настане тільки в окремих точках.

      Друге. Поверхневі атоми не мають вільних зв'язків. Поверхні покриті оксидами, а також плівками газів і рідин, що складаються з адсорбованих атомів зовнішнього середовища. Ці плівки мають товщину на кілька порядків більше, ніж міжатомні відстані. Так, після протирання бензином на поверхні залишається плівка товщиною 1-5 мкм. З цих причин спроба отримати з'єднання за рахунок зближення двох заготовок буде приречена на невдачу, якщо не вжити заходів для подолання зазначених перешкод.

     Для отримання якісного з'єднання між двома заготовками необхідно забезпечити контакт більшого стикання поверхонь і активувати їх, тобто повідомити поверхням деяку енергію. Ця енергія необхідна для обриву зв'язків між атомами заготовки і зовнішнього середовища і для підвищення енергії поверхневих атомів, які при цьому переходять в активний стан. У зварювальній техніці існують для цього два засоби. Це нагрівання і тиск, що застосовуються окремо або спільно.

Залежно від ступеня нагріву і наявності тиску всі процеси зварювання діляться на дві групи способів: зварювання плавленням і зварювання тиском.

Сам процес встановлення міжатомних зв'язків може відбуватися

в рідкій або твердій фазах. 

       Зварювання плавленням відбувається в дві стадії. 

     На першій стадії відбувається розігрів кромок до їх оплавлення. При цьому руйнується кристалічна решітка і утворюється рідка чавунна ванна , загальна для двох зварювальних заготовок, так звана зварювальна ванна. Поверхневі плівки руйнуються або спливають на поверхні зварювальної ванни. Рідкий метал змочує оплавлені поверхні, що забезпечує виникнення міжатомних зв'язків між дотичними атомами рідкої і твердої фаз. 

      На другій стадії при охолодженні відбувається кристалізація з утворенням міжатомних зв'язків. При зварюванні тиском  зближення поверхневих атомів досягається за рахунок спільної пластичної деформації в зоні з'єднання. Необхідний короткочасний механічний вплив на заготовки для їх стиснення і зближення атомів до виникнення міжатомних сил зв'язку. Очищення поверхні від плівок, а також зближення атомів досягаються шляхом спільної пластичної деформації в зоні з'єднання. Нерівність мнуть, поверхневі плівки роздроблюються. Заготовки контактують з чистими поверхонями. Сварка тиском можлива лише за тієї умови, що матеріал здатний сприймати значні місцеві пластичні деформації без руйнування.

        Часто для підвищення пластичності матеріалу місця з'єднання нагрівають.  Як при зварюванні плавленням, так і під час зварювання тиском в зоні з'єднання виникає той тип зв'язку між атомами, який має місце всередині зварюються. В обох випадках в зону, де відбувається утворення сполуки, вводиться енергія.

Класифікація способів зварювання.

     Все різноманіття способів зварювання зручно класифікувати за формою введення енергії, яка визначає клас зварювання. Всі відомі процеси зварювання йдуть з введенням тільки двох форм енергії - термічної і механічної.

     За фізичними ознаками всі процеси зварювання ділять на класи: термічний, механічний і термомеханічний.

     Наступною сходинкою класифікації є вид джерела енергії, безпосередньо використовуваної для утворення зварного з'єднання. Відповідно з ГОСТ 19521-74 до термічного класу належать :

дугова, електрошлакова, електронно-променева, плазмово-променева, іонно-променева, тліючим розрядом, світлова, індукційна, газова, термічна; ливарні види зварювання;

до термомеханічної - контактна, дифузійна, індукційно-пресова, газопресова, термокомпресіонна, дугопресова, шлакопресова, термично-пресова, пічна;

до механічного - холодна, вибухом, ультразвукова, тертям, магнітоїмпульсна.

    Кожен вид зварювання може бути розгорнуто за технічними і технологічними ознаками. Наприклад, дугове зварювання виконується дугою прямої чи непрямої дії, що плавиться або не плавиться, з захистом металу газом, флюсом або яким-небудь іншим способом. Всі ці та інші ознаки визначають конкретний зміст і особливості технологічного процесу.

Контрольні запитання.

1.Дайте визначення процесу зварювання.

2.Як ви розумієте термін "зварювання тиском"?

3.Складіть кластер про класифікацію способів зварювання.