Современные технологии сварки. Инженерно-физические основы


А.В. ЛЮШИНСКИЙ





                СОВРЕМЕННЫЕ
                ТЕХНОЛОГИИ СВАРКИ




ИНЖЕНЕРНО-ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ









л

Издательский Дом
ИНТЕЛЛЕКТ


ДОЛГОПРУДНЫЙ
2013

   А.В. Люшинский
      Современные технологии сварки. Инженерно-физические основы: Учебное пособие / А.В. Люшинский — Долгопрудный: Издательский Дом «Интеллект», 2013. — 240 с.
     ISBN 978-5-91559-126-3

      Учебное пособие создано на основе опыта работы передовых предприятий ОПК с учетом новейших достижений в мировой практике.
      Книга охватывает весь спектр технологий сварки разнородных материалов — металлических, полимерных, керамических, композиционных.
      Наряду с описанием процессов сварки рассмотрены физические механизмы, приведены характерные значения тепловых и механических параметров.
      Для студентов и преподавателей технических университетов, инженеров и технологов промышленности.























ISBN 978-5-91559-126-3

     © 2013, А.В. Люшинский
     © 2013, ООО Издательский Дом «Интеллект», оригинал-макет, оформление

            ОГЛАВЛЕНИЕ









Введение..................................................6

Глава 1
ОСНОВНЫЕ ВИДЫ СВАРКИ РАЗНОРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ............................................... 9

    1.1. Общие сведения и понятия.........................9
    1.2. Классификация видов сварки...................... 12
    1.3. Образование соединений при сварке в твердой фазе.... 15
    1.4. Образование соединений при сварке плавлением........ 22

Глава 2
МИКРОПЛАЗМЕННАЯ СВАРКА....................................... 28

    2.1. Основные понятия о технологии микроплазменной сварки.............................................. 29
    2.2. Технологии микроплазменной сварки.............. 34

Глава 3
ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВАЯ СВАРКА............................... 41

    3.1. Физические основы электронно-лучевой сварки.... 41
    3.2. Технология электронно-лучевой сварки............49
       3.2.1. Сварка тугоплавких металлов и их сплавов . 52
       3.2.2. Сварка титановых сплавов ................. 53
       3.2.3. Сварка конструкционных сталей............. 54
       3.2.4. Сварка с преломлением электронного луча... 55
       3.2.5. Дефекты сварных швов и их исправление..... 57
    3.3. Оборудование для электронно-лучевой сварки..... 59
    3.4. Преимущества и недостатки электронно-лучевой сварки. 61

Оглавление

Глава 4 КОНТАКТНАЯ СВАРКА.......................................... 63
   4.1. Точечная сварка.................................... 64
   4.2. Шовная сварка...................................... 68
   4.3. Основы выбора режимов сварки....................... 70
   4.4. Возможные дефекты сварных соединений............... 71

Глава 5 УЛЬТРАЗВУКОВАЯ СВАРКА...................................... 74
   5.1. Общие сведения об акустических колебаниях в твердом теле...................................... 74
   5.2. Сваркаметаллическихматериалов...................... 78
   5.3. Сварканеметаллическихматериалов.................... 80

Глава 6 ДИФФУЗИОННАЯ СВАРКА........................................ 95
   6.1. Теоретические основыдиффузионной сварки............ 95
       6.1.1. Методы интенсификации процессов диффузионного соединения........................................95
       6.1.2. Диффузионная сварка через промежуточные слои.101
       6.1.3. Свойства промежуточных слоев.................107
       6.1.4. Основы применения порошков в качестве промежуточных слоев..............................116
   6.2. Технологии диффузионной сварки.....................123
       6.2.1. Соединение магнитных материалов..............123
       6.2.2. Сварка твердых сплавов со сталями............167
       6.2.3. Сварка неметаллических материалов............171
       6.2.4. Сварка жаропрочных сталей и сплавов..........182
       6.2.5. Сварка вольфрама и его сплавов...............189
       6.2.6. Сварка в электростатическом поле.............195
   6.3. Оборудование и технологическая оснастка............197
   6.4. Масштабный фактор при диффузионной сварке..........215

Глава 7 СВАРКА ТРЕНИЕМ С ПЕРЕМЕШИВАНИЕМ............................218
   7.1. Особенности процесса СТП...........................221
   7.2. Основные параметры процесса........................223

Оглавление —I 5

    7.3. СТП с применением сдвоенных вращающихся инструментов.............................................229
    7.4. СТП с вращением рабочего инструмента под углом к поверхности............................................231
    7.5. СТП с изменением направления вращения головки.......233
    7.6. СТП с раздельным вращением корпуса инструмента и наконечника............................................234
    7.7. Материалы и конструкции инструмента.................235

Заключение...................................................237

Рекомендуемый библиографический список.......................239

            ВВЕДЕНИЕ










           Создание новых образцов техники с качественным повышением технических характеристик стало возможным за счет применения в конструкциях новых материалов, прогрессивных технологических процессов и современного оборудования при их производстве.
   Анализ существующих конструктивных решений и технологий изготовления продукции машиностроительных отраслей показывает, что одним из основных, наиболее эффективных и перспективных, путей повышения качества изделий, снижения трудоемкости производства, увеличения коэффициента использования материалов является широкое применение сварных конструкций.
   Высокоэффективные сварочные технологии позволяют создавать принципиально новые высокоточные конструкции узлов и деталей прецизионных изделий.
   Сварка — процесс получения неразъемного соединения посредством установления межатомных связей между свариваемыми частями при их местном нагреве, пластическом деформировании или совместном действии того и другого (ГОСТ 2601—74).
   Со сваркой, как процессом образования монолитных соединений металлов, человечество знакомо давно — две соединяемые заготовки нагревались в кузнечном горне, накладывались друг на друга и совместно подвергались ковке или, по современному, пластической деформации. Только в конце Х1Х — начале XX вв. начали развиваться другие методы сварки. Наибольший шаг в развитии сварки как способа прочного соединения и разъединения металлов сделал русский изобретатель Н.Н. Бенардос, осуществивший плавление металла электрической дугой угольным электродом (1882). Н.Г. Сла-вянов разработал способ дуговой сварки металлическим электродом, используя его и в качестве присадочного материала (1888). Да

Введение

Л

7

лее ведущая роль в сварке отошла методу газопламенной сварки. И только в конце 1930-х гг. в ИЭС им. Е.О.Патона появилась автоматическая сварка под слоем флюса, в частности, благодаря которой танковая промышленность СССР опередила весь мир на многие годы.
    В конце 1950-х гг. в СССР активно начались исследования в области электронно-лучевой сварки. Усилия были направлены на исследование физико-металлургических процессов при воздействии мощного (до 100 кВт) остросфокусированного пучка электронов на толстолистовые (150—200 мм) конструкционные материалы. Особенно важной задачей, с которой успешно справились специалисты-сварщики, являлась разработка технологии замыкания кольцевых швов, которая обеспечила отсутствие корневых дефектов в виде пор, раковин, несплошностей. В итоге к началу 1980-х гг. в СССР было создано и эксплуатировалось на промышленных предприятиях свыше 30 моделей электронно-лучевых установок в общей сложности более 250 единиц оборудования различной мощности и назначения.
    В 1969 г. на борту космического корабля «Союз-6» летчик-космонавт В.Н. Кубасов впервые осуществил уникальный эксперимент по сварке электронным лучом, плазмой и плавящимся электродом на установке «Вулкан», разработанной ИЭС им. Е.О. Патона. Так было положено начало космической технологии, имеющей большое значение в программе освоения космического пространства. В 1984 г. проведен очередной важный эксперимент на борту орбитальной станции в открытом космосе. Космонавты С. Савицкая и В. Джанибеков впервые с помощью универсального ручного электронно-лучевого инструмента (УРИ) выполнили процессы сварки, пайки, резки и напыления. Период с 1985 по 2000 гг. характерен ростом объема работ, выполненных в космосе. Продолжались работы по сварке металлов, проведены комплексные эксперименты по раскрытию 12-метровой ферменной конструкции, сопровождавшиеся сваркой и пайкой отдельных ее узлов с помощью УРИ.
    Дальнейшим этапом развития лучевой технологии явилось ее применение для сварки и резки лазером. Проведены систематические исследования в области импульсной и непрерывной лазерной сварки. В последние годы разработаны гибридные источники нагрева — лазер—дуга, лазер—плазма, лазер—световой луч.
    Также в конце 1950-х гг. в промышленности получили развитие исследования по основным направлениям сварки давлением —

—1 Введение

точечной и роликовой сварке, сварке трением, диффузионной сварке, а с начала XXI в. — сварка перемешиванием вращающимся инструментом.
       Работы научных центров и школ по сварочным технологиям и оборудованию не ограничиваются исследованиями в области металлических материалов. Специалистов всегда интересовали и проблемы получения неразъемных соединений полимерных, керамических, композиционных и других неметаллических материалов. Для этого практически нашли применение ультразвуковая и диффузионная технологии сварки, которые заменили в большинстве случаев трудоемкие и не отвечавшие возросшим эксплуатационным требованиям технологии склеивания и пайки, а также ряд методов сварки плавлением.
       Весь спектр проблем, охватываемых сваркой при решении задач получения качественных соединений, требует обширных знаний в таких областях, как материаловедение, металлофизика, физическая химия, квантовая механика, математическое моделирование и т. д. С уверенностью можно утверждать, что в цепи дальнейшего развития науки и техники технологии сварки являются существенным звеном, опираясь на которой можно достичь важных результатов практически во всех отраслях экономики, начиная от машиностроения и металлургии и заканчивая, казалось бы, не имеющей к сварке отрасли, как текстильная промышленность или мукомольная.
       Создание и все более широкое применение новых материалов с оригинальными рабочими характеристиками неразрывно связано с усложнением конструкции устройств и машин. И для получения работоспособных многофункциональных механизмов многое будет зависеть от сварки. Как говорит великий ученый-сварщик Б.Е. Патон: «Сварке принадлежит будущее».

ГЛАВА

1



            ОСНОВНЫЕ ВИДЫ СВАРКИ РАЗНОРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ









        1.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ И ПОНЯТИЯ


               Сварка — один из наиболее широко распространенных технологических процессов, без которых невозможно представить ни одно крупное машиностроительное производство.
       Все виды соединений, применяемые в технике, подразделяются на разъемные (резьбовые, шпоночные, шлицевые, профильные) и неразъемные (сварка, пайка, клепка ит.д.). Неразъемные соединения, в отличие от разъемных, не позволяют разбирать узел без разрушения места соединения. В свою очередь, неразъемные соединения могут быть монолитными (сварка, пайка) и немонолитными (клепка).







     Рис. 1.1. Схема образования соединения двух монокристаллов с идеально чистыми и гладкими поверхностями:
     Д — расстояние между атомами вещества; а — кристаллы до соединения; б — кристаллы после соединения


       Монолитность соединений обеспечивается появлением атомномолекулярных связей между элементарными частицами соединяемых материалов. Чтобы между атомами двух соединяемых материалов начали действовать силы межатомного сцепления, необходимо сблизить их поверхности на расстояние, соизмеримое с параметрами кристаллической решетки (рис. 1.1). Но даже в идеальном случае

¹⁰ -V

Глава 1. Основные виды сварки разнородных материалов

    для соединения поверхностей и получения неразъемного соединения необходимо затратить определенное количество энергии на так

   называемую активацию поверхностных атомов и последующую ре-

   лаксацию структуры.
       В реальности, свариваемые поверхности, даже при самой тщательной обработке (например, механической, с последующей доводкой, полировкой, электрополировкой и т. п.) имеют микроне

   ровности, величина которых значительно превосходит параметры кристаллической решетки. Поэтому при совмещении поверхностей контактирование возможно только в отдельных точках. Кроме того, свариваемые поверхности никогда не бывают ювенильными, т. е. свободными от загрязнений в виде адсорбированных атомов окружающей атмосферы. Для получения качественного соединения материалов важно обеспечить контакт большей части сближенных поверхностей, активировать этот контакт, т. е. повысить энергию поверхностных атомов до уровня энергетического барьера схватывания, а затем создать условия для развития взаимодействия. Для этого в зону сварки необходимо ввести некоторое количество энергии — тепловой или механической.

      Проанализируем известную кривую изменения потенциальной энергии при сближении двух атомов одной природы в зависимости от расстояния между ними, которую в первом приближении можно

рассматривать как кривую изменения потенциальной энергии при образовании двухатомной модели твердого тела (рис. 1.2).




Рис. 1.2. Зависимость потенциальной энергии атомов Е от расстояния между ними R (Еэ — энергия связи атомов)


       Такие кривые выражают общий закон взаимодействия частиц и подразумевают установление между атомами в точке Rₒ химической связи. Взаимодействие частиц, однако, может иметь различный характер: связь между частицами в зависимости от их природы может быть ионной, ковалентной или металлической. Следует отметить, что при построении таких кривых подразумевают подготовленность сближенных атомов к образованию химической связи, т. е. то, что они находятся в активном состоянии и по тому или иному механиз

1.1. Общие сведения и понятия

-\г ¹¹

    му образуют прочную химическую связь. Это не относится к тем случаям, когда происходит взаимодействие нейтральных в целом электрических систем (атомов или молекул), обусловленное действием сил Ван-дер-Ваальса. Поверхностные атомы твердых тел при их сближении не будут образовывать между собой химические связи, если какие-то активирующие факторы не переведут их в активное состояние, т. е. для их химического взаимодействия (независимо от того, являются ли поверхности ювенильными или на них имеется слой адсорбированного вещества) требуется некоторая избыточная энергия — энергия активацию.
       Рассмотрим гипотетическую модель схватывания двух идеальных кристаллов одной природы, решетки которых полностью когерентны (чтобы не требовалось подстройки атомов), а поверхности геометрически и атомно гладки и ювенильны. Так же примем, что процесс соединения осуществляется при столь низких температурах, что диффузионная подвижность атомов и вероятность термических флуктуаций близки к нулю — в противном смысле понятие идеального кристалла теряет смысл.


     Рис. 1.3. Зависимость потенциальной энергии Е двух кристаллов от расстояния R между ними:
     Еj — энергия ван-дер-ваальсовой связи; Еj — энергия химической (металлической) связи; Е* —энергия активации образования химической связи; Е'а — кажущаяся энергия активации образования химической связи при некоторых условиях опыта


        Оценим изменение потенциальной энергии системы при их сближении (рис. 1.3). Кривая 1 показывает изменение потенциальной энергии системы двух поверхностей кристаллов, обусловленное действием сил Ван-дер-Ваальса. В точке Rх энергия достигает минимального значения, прочность сцепления двух кристаллов в этом положении обусловливается значением энергии связи Ер которая относительно невелика. Образование такого типа связи, применительно к рассматриваемой модели схватывания, можно трактовать как установление физического контакта между соединяемыми поверхностями. При дальнейшем сближении поверхностей соединяемых кристаллов начнут действовать силы отталкивания. Предполо

¹² -V

Глава 1. Основные виды сварки разнородных материалов

    жим, что, преодолевая эти силы, будем сближать атомы поверхности. Тогда потенциальная энергия системы будет изменяться по левой части кривой 1 в направлении точки А и далее. Для того чтобы в точке А между атомами двух поверхностей произошли обменные процессы электронного взаимодействия, необходимо, чтобы в процессе сближения атомы были активированы. Если учесть, что для образования активированного состояния важно, чтобы большой запас энергии был сосредоточен на необходимой для процесса степени свободы, хотя общий запас избыточной энергии может быть и небольшим, то можно предположить, что энергия Е₁, расходуемая на преодоление сил отталкивания, может оказаться достаточной для перехода системы в состояние химического взаимодействия. Такая схема процесса наиболее вероятна при условиях, отличных от рассматриваемых (низкие температуры), ибо при относительно высоких температурах ввиду повышения среднего уровня энергии системы, процесс будет характеризоваться кажущейся энергией активации Е'я.
       В результате установления между атомами соединяемых поверхностей на расстоянии между ними R₂ (примерно равном параметру кристаллической решетки) химических связей система достигает минимума потенциальной энергии Ег и находится в равновесии. Граница раздела между двумя монокристаллами исчезает, ибо между атомами соединяемых поверхностей образуются энергетические устойчивые конфигурации электронов, присущие невозбужденным атомам внутри кристалла. Кажущаяся энергия образования химической (металлической) связи Е' для рассматриваемой гипотетической модели составила бы малую величину. Энергия, выделяющаяся при слиянии двух поверхностей, может даже превосходить энергию, необходимую для активации процессов химического взаимодействия, в связи с чем процесс представляется протекающим самопроизвольно.



        1.2.    КЛАССИФИКАЦИЯ ВИДОВ СВАРКИ

           Существующие в настоящее время способы сварки по состоянию соединяемых кромок можно подразделить на две основные группы.
     К первой группе относятся способы, при которых материалы сваривают в твердой фазе при их совместной пластической деформации, часто одновременно с дополнительным нагревом (способы

1.2. Классификация видов сварки

-\г ¹³

   сварки давлением). При этом температура в зоне соединения не превышает температуру плавления соединяемых материалов.
       Ко второй группе относятся способы, при которых металлы в месте соединения расплавляются (способы сварки плавлением).
       На рис. 1.4 показаны основные способы сварки, широко применяемые в промышленности.


Рис. 1.4. Основные способы сварки

       Внедрение способов сварки давлением значительно расширило номенклатуру материалов, которые могут быть соединены в единый узел. Помимо металлических материалов, эти способы могут сваривать и неметаллические материалы. Это исключило возникновение при сварке трещин, пор, способствовало уменьшению деформаций и поводок сварных узлов. Кроме того, сварка давлением, за счет своего низкого термодеформационного воздействия на свариваемые материалы, вызывает менее значительные изменения свойств основного металла, чем сварка плавлением. Способы сварки давлением менее универсальны, чем способы сварки плавлением, но легко поддаются автоматизации и механизации, характеризуются высокой производительностью.