Классификация процессов сварки

При классификации процессов сварки целесообразно выделить три основных физических признака: наличие давления, форму вводимой энергии и вид инструмента – носителя энергии. Остальные признаки можно условно отнести к техническим или технологическим. Признак классификации по наличию давления применим только к сварке и пайке.

По виду вводимой в изделие энергии все сварочные процессы, включая сварку, пайку, резку и другие, могут быть разделены на термические, термомеханические, механические и особые. Термические процессы идут без давления (сварка плавлением), остальные – обычно с давлением (сварка давлением). Классификация методов сварки по физическим признакам приведена в таблице 1.

Физические признаки являются общими для всех методов сварки. Технические признаки могут быть определены только для отдельных методов сварки. Схемы основных методов и видов сварки показаны на рисунке 22. Энергетический анализ показывает, что все известные в настоящее время процессы сварки металлов осуществляются введением только двух видов энергии – термической и механической или их сочетания. Поэтому в группу особых процессов пока могут быть включены только нейтронная сварка пластмасс и (условно) склеивание, которое практически происходит без введения энергии.

Следует отметить, что дуга, луч, газовое пламя являются внешними носителями энергии, от которых энергия передается в изделие конвекционным или контактным путем. При термитной сварке разогрев происходит за счет внутреннего источника путем преобразования в теплоту химической энергии термита. Однако для всех термических процессов сварки, независимо от вида носителя энергии (инструмента), в стык она вводится в конечном итоге всегда через расплавленный материал. Энергия хаотически движущихся частиц расплавленного материала носит в термодинамике название термической, чем и обосновано наименование этих процессов.

В термомеханических и механических процессах преобладают внутренние носители энергии, так как ее преобразование в теплоту происходит главным образом вблизи контакта соединяемых изделий – стыка. Давление энергетического потока – луча или дуги – на сварочную ванну также оказывает весьма большое влияние на формирование соединения. Однако в энергетическом балансе влияние энергии сил давления невелико.

Контактная сварка применяется только для металлов. Основной источник энергии – теплота, выделяемая электрическим током в зоне контакта соединяемых деталей, электрическое сопротивление которой выше сопротивления основного металла. Давление, сжимающее детали, формирует сварное соединение, на что затрачивается всего несколько процентов от общей вводимой энергии.

В зависимости от особенностей соединения различают контактную сварку: стыковую, точечную и шовную (роликовую). Стыковая и точечная сварка стержней может идти как сварка сопротивлением в твердой фазе. При стыковой сварке оплавлением соединение также образуется в процессе пластической деформации, однако стыкуемые поверхности активируются оплавлением и находятся под защитой пленки расплавленного металла до начала осадки.

Точечная сварка листов обычно сопровождается образованием расплавленного ядра металла. При расплавлении ядра под действием электродинамических сил происходит движение – перемешивание жидкого металла и граница раздела соединяемых деталей исчезает, т. е. появляется непрерывная межатомная связь жидкой и твердой фаз. Давление в этом процессе создает электрический контакт и некоторую деформацию точки в момент кристаллизации, а также удерживает жидкий металл от вытекания.

Механические процессы обычно идут без нагрева. Отметим их основные особенности. Холодная сварка (деформированием) основана на использовании пластической деформации материалов в месте соединения при сдавливании или сдвиге. Пока она нашла широкое применение только для достаточно пластичных материалов, таких как алюминий, медь и др. Процесс сварки идет при комнатной и даже отрицательной температуре; в месте соединения теплота выделяется за счет энергии пластической деформации металла. Необходима за чистка соединяемых элементов от жира и удаление оксидных пленок в процессе деформации.

Перспективна импульсная холодная сварка взрывом, выстрелом, электрогидравлическим эффектом, электромагнитным полем. Сварка трением используется обычно для стержневых изделий. При сварке одна часть изделия остается неподвижной, а другая вращается. При сведении обеих частей и приложении осевого усилия Р вследствие сил трения происходит разогрев и пластическая деформация металла. Расплавленный и нагретый металл частично выдавливается из стыка. Сварку применяют как для металлов, так и для пластмасс.

Ультразвуковая сварка может рассматриваться как частный случай холодной сварки с наложением пульсирующего усилия. При сварке материалов обычно толщиной ≤ 1 мм волновод, в котором возбуждены стоячие волны, вводит эти ультразвуковые колебания (УЗК) частотой 18–80 кГц в зону контакта изделий. Для сварки металлов применяют обычно сдвиговые ультразвуковые колебания, а для пластмасс – колебания, нормальные поверхности изделий.

Сварка взрывом. При сварке взрывом энергия от детонации взрывчатых веществ (ВВ, рис. 22) подается на расположенные с зазором Δ и под некоторым углом – друг к другу свариваемые поверхности изделий (И). Запал (3) расположен в вершине угла. При соударении поверхностей между ними образуется кумулятивная струя Рк, очищающая детали от загрязнений и окислов. Взаимные тангенциальные перемещения свариваемых поверхностей и образование «волн» в точках соударения обеспечивают прочное соединение деталей.

Сварка вакуумным схватыванием может идти с наименьшей затратой энергии и даже теоретически с выделением энергии в месте соединения. Схватывание металлов возможно при глубоком вакууме порядка 10–10–10–14 мм рт. ст. при условии тщательной подгонки и соприкосновения деталей по значительной поверхности. Практически необходимо также небольшое давление, так как идеальная подгонка трудно осуществима. Окисные пленки и загрязнения в вакууме испаряются и в контакт вступают чистые поверхности деталей.