Обзор специальных способов сварки

Специальные способы сварки появились в 1960 – 1970 г.г. в СССР и США. Их разработка была связана с развитием атомной энергетики, созданием космических летательных аппаратов, когда возникла необходимость соединить элементы конструкции больших толщин из разнородных материалов.

Появление специальных способов сварки связано с большими успехами в области физики и химии, позволившими выяснить природу процесса сварки и разработать концентрированные источники энергии.

Появлению специальных способов сварки способствовали труды многих ученых и инженеров: Ю.Л. Красулина, В.И. Виля, М.Х. Шоршорова, Н.Ф. Казакова, Н.Г.Басова, А.М. Прохорова, Ч.Туанса, Б.М. Вула, А.Шавлова доказавших, что природа образования сварного соединения во всех случаях, как плавлением, так и давлением, одна – это результат взаимодействия электронных оболочек активированных атомов соединяемых поверхностей.

В целом сварка – это химический процесс и, как всякий химический процесс, проходит три стадии:

· на первой стадии образуется физический контакт, происходит активация поверхностей, которые сближаются на расстояние, равное параметру кристаллической решетки;

· второй стадии образуется химическое соединение активированных поверхностей, происходит процесс сварки – сближение электронных оболочек атомов на расстоянии их взаимодействия. Ширина границы раздела между соединяемыми поверхностями становится соизмеримой с шириной межзеренной границы, а прочность достигает прочности основного металла;

· третьей стадии происходит диффузионный обмен масс через общую поверхность соединения, при этом поверхность раздела размывается или расчленяется продуктами взаимодействия.

Все искусство сварщика направленно на обеспечение этих трех стадий при минимальном расходе энергии, минимальных материальных затратах и побочных нежелательных явлений. Многолетний опыт показал, что наиболее сложной проблемой является физический контакт. Сближению, физическому контактированию препятствуют два обстоятельства: техническая природа поверхности и окружающая среда.

В связи с этим перед сварщиками всегда стоят основные проблемы:

· как, преодолевая макро- и микрошероховатости, сблизить поверхности до физического контакта на параметр действия межатомных сил кристаллической решетки;

Как после физического контактирования убрать из плоскости контакта все загрязнения, нейтрализующие межатомные связи.

При сварке плавлением, как и при сварке давлением, применяют термические, механические, гравитационные и электромагнитные способы сближения и контактирования атомов на поверхности деталей. Все способы сварки и контактирования атомов на поверхности деталей. Все способы сварки отличаются друг от друга только способом активации и сближения атомов. Например, при сварке плавлением активацию и сближение достигают простейшим термическим способом с вынужденным расплавлением большого объема металла, что приводит к другой неразрешимой проблеме – снижению прочности сварного шва, представляющего собой крупнокристаллическую структуру с большой концентрацией сидящих дислокаций.

При сварке давлением сближение и активацию обеспечивают за счет механической энергии, при этом в процесс соединения вовлекается также большой объем металла, что сопровождается большой остаточной вынужденной деформацией. Значение вынужденной деформации e_в определяется, в основном, четырьмя показателями:

где e_к – показатель полного сближения поверхностей; К_у – деформационное упрочнение в контакте; Л_н – показатель локального нагрева; С – показаьель напряженного состояния в контакте.

Анализ этой формулы показал, что размер остаточной деформации при сварке давлением или объем расплавленного металла в шве при сварке плавлением в зависимости от условий физического контактирования может находиться в пределах 1- 80% от толщины или объема деталей.

Как следует из формулы вынужденного деформирования и расплавления, для получения соединения без значительного расплавления или значительной остаточной деформации необходимо организовать процесс сварки так, чтобы e_к было менее 10%; К_у ®0; С®max; Л_н <<1.

Исходя из этих требований, появились новые виды сварки;

· лазерная ( К_у ®0; С®max; Л_н <<1);

· плазменная (К_у ®0; С®max );

· электронно-лучевая (К_у ®0; Л_н <<1);

· диффузионная (e_к£10%; К_у ®0);

· трением (С®max; Л_н <<1);

· ульразвуковая ((e_к®0);

· взрывом и импульсом магнитной энергии (Л_н <<1; С®max; e_к®0).

Эти способы выделены в специальную группу, отличительной особенностью которой является возможность получения соединения без значительного расплавления или значительной остаточной деформации при любых сочетаниях материалов и их толщин. Три первых способа сварки (лазерная, плазменная и электронно-лучевая) относятся к сварке плавлением с использованием концентрированного пучка энергии мощностью 10⁶-10¹²Вт/см² при минимальном расплавлении металла для формирования сварного шва.

Этими способами сваривают детали толщиной 1 – 100 мм. Основное их достоинство – возможность сварки без присадочной проволки и защитных газов со скоростью 10-50 м/ч. При этом достигают незначительного коробления. Ширина расплавления металла не превышает 2 мм, зона термического влияния (ЗТВ) не превышает 5 мм.

Остальные методы относят к сварке давлением. Основная их сущность состоит в обеспечении минимальной вынужденной деформации детали. Например, при сварке взрывом остаточная деформация не превышает 2 %, что достигается большим значением С и малым Л_н .

При сварке трением за счет тепловыделения в узкой зоне контакта между трущимися поверхностями деформация (грат) не превышает 10%.

При диффузионной сварке удается сваривать детали из однородных и разнородных материалов с остаточной деформацией в пределах 1 -5 %. Однако при диффузионной сварке такого эффекта достигают при увеличении времени процесса сварки до несколько десятков минут.

При ультразвуковой сварке удается получить соединение с остаточной деформацией не более 5%. Но при этом процессе оператор подвергается действию вредных для здоровья ультразвуковых колебаний.

Основным достоинством новых способов сварки является возможность получения соединения высокой точности (прецизионного) для любых сочетаниях материалов и их толщин.

Новые способы сварки находят применение в атомной энергетике, электронике, химическом машиностроении, ракетостроении, т.е. там, где необходимы высокие скорости процессов, где на изделия действуют большие давления и высокие температуры.

При этом на конструкционные материалы воздействуют жидкие агрессивные среды, пары свинца, фтора, висмута и жидкого натрия. Важно, чтобы конструкционный материал был устойчив к быстрой смене температур и напряжений, незначительно испарялся в вакууме, не менял своих свойств от продуктов ядерного распада.

Специальные методы сварки незаменимы в перспективных конструкциях новой техники, в которых используют тугоплавкие и редкие металлы, такие как вольфрам, молибден, тантал, ниобий, цирконий и другие редкоземельные металлы. Эти металлы обладают высокой жаростойкостью, жаропрочностью, исключительным сопротивлением коррозии, а также искусственные материалы.