Inside Arc Welding #3_ Horizontal Position - 1942 (1)

Сварка — это образование прочных связей непосредственно между атомами соединяемых тел. По своей физической природе и прочности эти связи в месте соединения одинаковы со связями между атомами самого тела. В месте сварки тел образуется как бы однородное общее тело.

При сварке оплавлением металл обеих деталей в месте соединения совместно нагревается до жидкого состояния. Атомы расплавленных участков обладают высокой подвижностью и могут тесно сближаться друг с другом. Происходит сливание обеих жидких частей в одну ванну, где атомы уже теряют свою принадлежность к деталям. В ходе последующего охлаждения жидкая ванна затвердевает, сила сцепления между атомами возрастает и соединение приобретает прочность, свойственную основному металлу. Более подробно о процессе сварки плавлением рассказано в книге из этой серии «Основы сварочных процессов», выпуск 2. Давление, прикладываемое к участку сварки в жидкой фазе, в самом процессе сваривания принципиального значения не имеет. Оно лишь способствует уплотнению металла после сварки и уменьшает напряжение в этом участке при охлаждении.

Screenshot_23
Процесс сварки металлов в твердом состоянии происходит несколько по-другому. Металлы имеют поликристаллическое строение, т. е. они составлены из множества беспорядочно расположенных групп кристаллов — зерен. В пределах каждого кристалла атомы находятся в строго определенном порядке, образуя свою пространственную решетку, узлами которой являются атомы. Если плоскости двух однородных кристаллов приблизить друг к другу на такое же расстояние между поверхностными атомами, какое отделяет их в решетке самих кристаллов, и если положение атомов и направление построения решеток совпадут, возникнут те же естественные силы притяжения, которые существуют в любом другом месте кристалла; произойдет достраивание одного кристалла другим, т. е. их сваривание. Однако практически непосредственное осуществление такого воссоединения металлических деталей, конечно, невозможно.
Поверхность сопряжения даже после самой тщательной обработки имеет местные неровности и покрыта слоем окислов и других инородных веществ. Высота неровностей и толщина окислов в тысячи раз превышают то расстояние, при котором начинают проявляться межатомные силы притяжения. Если даже устранить эту преграду и достаточно сблизить поверхности, то и тогда соединения все же не произойдет, так как направления построения кристаллов встречающихся зерен не совпадут и полноценной силовой связи между атомами не образуется. Произвольному сближению поверхностных атомов кристалла за счет смещения их с устойчивого положения, как это наблюдается в жидкости, препятствует воздействие силового поля упорядоченной системы более глубоко расположенных атомов.

Screenshot_26Screenshot_24
По современным представлениям процесс сваривания тел в твердом состоянии происходит следующим образом. Место сварки подвергается нагреву и сдавливанию. Нагретый металл под воздействием механического усилия пластически деформируется так, что все точки сопряжения входят в непосредственную близость. Окислы и другие пленки частично разрушаются, что создает условия для соприкосновения обнаженных, металлически чистых поверхностей. Высокий нагрев усиливает тепловые колебания атомов в узлах решетки, межатомные связи сцепления узлов кристаллической решетки ослабляются, и деформация металла идет очень интенсивно. Она сопровождается разрушением зерен на множество мелких «осколков», свободных от межкристаллического вещества. В результате может иметь место контактирование «осколков» с одинаковой или близкой ориентацией их решеток и их объединение в одно, более крупное образование.
Можно предположить, что под воздействием давления в тех местах поверхности, где деформация наибольшая, кристаллическая решетка полностью разрушается, и атомы располагаются беспорядочно. Не связанные силовыми воздействиями кристаллической решетки со стороны смежных слоев поверхностные атомы могут входить во взаимодействие с любыми ближайшими атомами, в том числе и с атомами другого тела. При охлаждении и снятии давления мелкие раздробленные кристаллы или беспорядочно построенные группы атомов будут стремиться к своей более устойчивой форме — к образованию крупных, правильно построенных групп кристаллов зерен, одинаково принадлежащих одному и другому из соединяемых тел.
Одновременно с появлением общих зерен идут процессы диффузии, т. е. взаимный переход атомов с одной их группы в другую —смежную. Обмен атомами между появившимися общими зернами в сварочном стыке способствует дальнейшему формированию зерен до тех пор, пока плоскость раздела между свариваемыми телами совершенно не исчезает. Образуется участок металла, в одинаковой мере принадлежащий одному и другому телу. Строение участка сварки может быть /несколько отличным от строения основного металла, но переход от одной структуры к другой плавный, непрерывный, что обеспечивает такую же прочность, как и целого металла, с аналогичным химическим составом и структурным строением.

Screenshot_25
Из приведенного краткого описания процесса сварки видно, что и нагревание и сдавливание одинаково способствуют образованию соединения. Они как бы дополняют и могут заменять друг друга. Установлено, что чем выше нагрев, тем меньше необходимое давление, и наоборот. Сварка может быть осуществлена при высоком нагреве, когда давление может отсутствовать, или наоборот — при высоком давлении, когда отпадает нужда в нагреве. В первом случае мы имеем сварку плавлением, во втором-холодную, или прессовую, сварку.