Физическая и технологическая свариваемость

Билет №1

Сущность процесса сварки. Определение понятия сварки по ГОСТ 2601-84.

Сваркой называется процесс получения неразъемных соединений посредством установления межатомных связей между соединяемыми частями при их нагревании и (или) пластическом деформировании (ГОСТ 2601—84). Определение сварки относится к металлам, неметаллическим материалам (пластмассы, стекло и т. д.) и к их сочетаниям.

Энергия активации.Для образования неразъемного соединения одного соприкосновения частей с зачищенными поверхностями недостаточно. Межатомные связи могут установиться между частями (деталями) только тогда, когда соединяемые атомы получат энергию извне. В результате затраченной энергии атомы получат соответствующее смещение (движение), позволяющее им занять в общей атомной решетке устойчивое положение, т. е. достигнуть равновесия между силами притяжения и отталкивания. Энергию извне называют энергией активации. Ее при сварке вводят путем нагрева (термическая активация) или пластического деформирования (механическая активация).Соприкосновение свариваемых частей и применение при сварке энергии активации являются необходимыми условиями для образования неразъемных сварных соединений из однородных частей. Эти условия совмещаются при выполнении процесса сварки.

По признаку применяемого вида активации в момент образования межатомных связей в неразъемном соединении различают два вида сварки: сварку плавлением и сварку давлением.

Билет №2-3

Физическая и технологическая свариваемость

Понятие физической свариваемости – материалы физически свариваемы, если процесс образования соединения термодинамически выгоден, то есть сопровождается уменьшением свободной энергии системы.

Если энергии, освобождающейся при уничтожении двух соединяемых поверхностей, для перестройки и искажения решеток в граничном слое будет достаточно, то соединение может произойти самопроизвольно, без дополнительного внешнего воздействия. В противном случае к границе раздела нужно подвести некоторую энергию активации.

Необходимым условием установления металлической связи между атомами твердого и жидкого металла является сближение атомов, которое достигается при смачивании твердого тела жидким. С энергетической точки зрения самопроизвольно такое смачивание будет происходить только в том случае, если работа сил притяжения между жидкостью и твердым металлом (работа адгезии) будет равна или больше работы сил притяжения частиц жидкости друг к другу (работа когезии).

Смачивание зависит от химического сродства между контактирующими металлами, и в первую очередь, от их взаимной растворимости. Металлы, образующие взаимные растворы или химические соединения и имеющие общие фазы на диаграмме состояний, обычно обладают хорошей взаимной смачиваемостью и наоборот. Смачивание улучшается при меньшей разнице температур плавления.

Технологическая свариваемость – материалы свариваемы технологически, если при существующем уровне технологии можно получить работоспособное сварное соединение.

Физическая свариваемость не всегда совпадает с технологической по следующим причинам:

1) воздействие условий внешней среды (O₂, H₂, CO₂, N₂, орг.вещества);

2) малая пластичность одного или обоих свариваемых материалов;

3) большие остаточные напряжения после сварки (большие упругие деформации кристаллических решеток) свариваемых материалов.

Задача инженеров – сварщиков – приблизить технологическую свариваемость к физической. Пример (МВТУ) – УЗК (кость – п/проводник СаО и др. + белковое вещество сложного строения с молекулой ≈ 10⁴ атомов).

БИЛЕТ №4

Сущьность сварочной дуги

Сварочной дугой называют дугу, представляющую собой длительный устойчивый электрический разряд в газовой среде между электродом и изделием либо между электродами, отличающуюся большим количеством тепловой энергии и сильным световым излучением.
Сварочные дуги квалифицируют по следующим признакам:
• по среде, в которой происходит дуговой разряд; на воздухе - открытая дуга, под флюсом – закрытая дуга; в среде защитных газов;
• по роду применяемого электрического тока - постоянная, переменная;
• по типу электрода - плавящаяся, неплавящаяся;
• по длительности горения - непрерывная, импульсная дуга;
• по принципу работы - прямого действия, косвенная дуга, комбинированная или трехфазная.
Для сварки металлов наиболее широко используют сварочную дугу прямого действия, в которой одним электродом служит металлический стержень (плавящийся или неплавящийся электрод), а вторым – свариваемая деталь. К электродам подведен электрический ток - постоянный или переменный.
Теплота, выделяемая сварочной дугой, не вся переходит в сварной шов. Часть теплоты теряется бесполезно на нагрев окружающего воздуха, плавление электродного покрытия.
Мощность сварочной дуги Q зависит от сварочного тока I и напряжения дуги U:
Q=I∙ U (Вт).

Зажигание дуги.

В начале сварки и после каждого короткого замыкания, а для дуг переменного тока и при переходе тока через нуль, дуга должна возбуждаться.

Применяются следующие способы возбуждения дуги:

1) коротким замыканием (в основном для СПЭ);

2) бесконтактное (высокочастотная, высоковольтная осцилляция);

3) применение дежурной дуги.

1) При возбуждении коротким замыканием эффективная поверхность мала (от 0, 1 до 1% кажущейся контактной поверхности), а плотность тока соответственно велика. Поэтому конец электрода быстро нагревается теплом, выделяющимся в контактном сопротивлении, и при его отведении образуются перемычки жидкого металла, которые стягиваются в один общий мостик, испаряющийся при достижении температуры кипения. Пары ионизируются под действием высокого напряжения холостого хода источника питания, и напряжение на дуге становится меньше последнего, что создает условия для протекания тока и возбуждения дуги. Устанавливаются параметры дуги: U_a, U_k, U_ст, j, T.

2) При бесконтактном возбуждении на дуговой промежуток накладывают большое напряжение высокой частоты (1-10 кВ, 0, 2-5 мГЦ). Вследствие этого увеличиваются эффективные соударения и зарядоносители, возникает маломощная высокочастотная дуга, которая, обладая проводимостью, способствует возбуждению собственно сварочной дуги при относительно низком напряжении холостого хода источника питания. Для дуг переменного тока в момент перехода тока через нуль подают стабилизирующие импульсы, обеспечивающие возбуждение дуги в каждый полупериод.

Для плазмотронов, генерирующих мощные плазменные струи, применяют дежурную дугу, горящую между электродом и соплом. Оно является источником и поставщиком зарядоносителей в основной дуговой промежуток, в котором возбуждается рабочая дуга при включении основного источника питания.

Виды эмиссии электронов с катода в дугу.

1) Термоэлектронная эмиссия.

J_тэ= , где

Т- температура катода,

А=120 - коэффициент, Ф- работа выхода электрона Ме.

При высоких температурах энергии теплового движения некоторых электронов оказывается достаточно для преодоления потенциального барьера притяжения электростатического поля ядер атомов кристаллической решетки.

2) Электростатическая (автоэлектронная) эмиссия.

Под действием напряженности Е электрического поля, электроны вытягиваются из катода, преодолевая потенциальный барьер у поверхности.

Электростатическое поле изменяет работу выхода электрона, , что при совместном действии термо- и автоэлектронной эмиссий увеличивает величину плотности тока термоэлектронной эмиссии.

J_ат=