Шпаргалка по "Теория сварочных процессов"

 

13. Приведите схему сварки трением и опишите протекающие при этом процессы и особенности.

Нагрев свариваемых  деталей осуществляется засчет работы сил трения, после нагрева свариваемые детали сжимают. Обычно трение осуществляют за счет вращательного движения одной из свариваемых деталей, другая неподвижна.

 

 

При n = const; P = const момент сил трения М ≠ const, и, как следствие, потребляемая мощность W ≠ const.

t₁ – время приработки;

t₃ – продолжительность стадии глубинного вырывания;

t₃ – время выхода на процесс полирования.

      Различают три стадии процесса:

1. приработка поверхностей (t₁ ≈ 0,2…1 с);
2. переход к режиму глубинного вырывания (t₂ ≈ 10…20 с).

В этой стадии происходит разрушение окисных пленок, в пятнах контакта происходит сваривание, приповерхностный слой упрочняется за счет наклепа и относительное движение свариваемых деталей возможно только за счет вырыва материала из глубины.

3. переход к режиму полирования (t₃ ≈ 10…20 с).

Нагрев во второй стадии приводит к образованию между  трущимися поверхностями такой пленки расплавленного металла, что приводит к снижению коэффициента трения. Процесс трения выходит на режим саморегулирования: при увеличении толщины пленки часть жидкого сплава вытесняется из зоны трения, при уменьшении толщины пленки возрастает сила трения, возрастает тепло и температура и толщина жидкой пленки восстанавливается до прежнего значения.

Преимущества  сварки трением:

1. возможность соединения разнородных материалов;
2. высокая прочность сварного соединения;

Недостатки:

1. неприменим для тонких деталей;
2. большая энергоемкость процесса.

 

14. Приведите схему диффузионной сварки и опишите протекающие при этом процессы и особенности.

Р₀ – давление окружающей среды;

Р_к – давление в камере (≈ 10 Па);

Р – давление сжатия;

Т – температура нагрева  свариваемых деталей;

Свариваемые детали находятся  длительное время (5…60 мин) при высокой  температуре (Т = 0,6…0,9 Т_s) при пониженном давлении в прижатом друг другу состоянии. Различают и идут стадии:

1. очистка поверхности сплава при нагреве при пониженном давлении;
2. медленное выравнивание микронеровностей соединяемых поверхностей и образование физического контакта;
3. образование активных центров сварки;
4. рост площади сварки.

Стадии 2, 3, 4 идут одновременно с взаимной диффузией свариваемых  материалов.

 

15. Приведите схему контактной сварки и опишите протекающие при этом процессы и особенности.

 

Вначале прикладывается усилие Р, затем к электродам прикладывается напряжение. Под действием приложенного усилия микровыступы на поверхности детали приходят в соприкосновение.

Возможны три случая:

А – окисные пленки полностью раздавлены, металл контактирует с металлом;

Б – окисные пленки раздавлены частично;

В – окисные пленки целы.

Под действием приложенного электрического напряжения через контакт  двух свариваемых деталей проходит ток, выделяющий тепло Q = I²*R*t.

В результате нагрева  проходящим током и действием  проложенного усилия сжатия микровыступы деформируются, окисные пленки разрушаются, площадь контакта увеличивается, наступает момент, при котором материал начнет течь вдоль плоскости стыка, вымывая обломки окисных пленок, образуется ядро из расплавленного материала, при кристаллизации которого образуются химические связи, обеспечивающие прочность и пластичность сварного соединения. 

Зависимость сопротивления  контактов от температуры имеет  падающий характер. С увеличением давления на электродах сопротивление падает.

 

16. Изложите термодинамические условия образования сварного соединения в твердой фазе.

1. Сварка однородных материалов

1.1. Идеальный случай  – кристаллографические оси совпадают:

а) кристаллы не имеют  дефектов;

б) поверхности кристаллов абсолютно чистые и ровные; 

в) сближение кристаллов происходит в вакууме и ионы в узлах кристаллографической решетки располагаются точно друг против друга.

 

 

В результате сближения  идеальных кристаллов химические связи  между поверхностными ионами кристаллов. Поверхностные ионы окружены меньшим числом ионов и обладают избыточной энергией -F_n.

При сварке происходит уменьшение свободной энергии системы на величину 2F_n (исчезают обе поверхности):

т.е. процесс термодинамически выгоден.

1.2. Сварка  однородных кристаллов с не  совпадающими осями  

 Границы зерен с различно  ориентированными кристаллографическими  осями имеют упругие искажение  кристаллической решетки в узкой  пограничной области шириной  в несколько атомных слоев.  На эти упругие искажения расходуется энергия F_гр.

Термодинамически сварка таких  кристаллов возможна, если она ведет  к уменьшению свободной энергии ∆F < 0.

Энергия упругих искажений кристаллографической решетки:

+ F_гр

Энергия упругих искажений кристаллической решетки:

где G – модуль сдвига;

- вектор Бюргерса  ≈ d;

μ – коэффициент Пуассона;

Θ – угол между плоскостями кристаллической  решетки [радиан];

А – const (экспериментально);

Условие ∆F < 0 для кристаллов одного сплава всегда выполняется. Пример: для α – Fe при Θ = 60⁰, t = 1100⁰С, F_n = 1,95*10^-4 Дж/см², F_гр = 0,79*10^-4Дж/см².

2. Сварка разнородных материалов.

Если металлические сплавы или  полупроводники имеют разные периоды кристаллических решеток d₁ и d₂, то возникают дополнительные упругие искажения кристаллических решеток по границе их соединения.

Энергия этих дополнительно упругих  искажений определяется в теории дислокаций.

где - радиус распространения упругой деформации;

r₀ – минимальный радиус распространения упругой деформации;

- вектор Бюргера.

Пример: оценим свариваемость Al и Cu. Cu (d₁ = 3,61Á), Al (d = 4,04Á).

F_гр ≈ 10^-5Дж/см², а F_гр (Cu) = 3,3*10^-4Дж/см², то есть сварка физически возможна.

По формулам можно  определить физическую возможность  сварки любых пар твердых тел.

 

17. Дайте определение и изложите сущность понятий физической и технологической свариваемости.

 

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).

 

18. Изложите кинетику процесса сварки металлов и сплавов в твердой фазе.

 

Кинетика сварки – изменение во времени прочности соединения, то есть изменение количества атомов, вступивших в химическое взаимодействие. Скорость образования химического соединения в основном зависит от скорости создания активных центров на сближаемых поверхностях.

Активный центр – группа поверхностных атомов, имеющих повышенную энергию по сравнению с соседними поверхностными атомами.

Методы активации (уже  рассмотрели):

а) нагрев;

б) пластическая деформация;

в) облучение.

Основной механизм создания активных центров при любом методе активации – это дислокационный механизм. Именно возникновение дислокации на соединяемой поверхности ведет к возбуждению окружающих ее ионов, т. е. создание активного центра.

При сварке в твердой фазе наибольшее практическое значение имеет пластическая деформация.

Образование химических связей, начавшееся в  активном центре как «цепная реакция», поддерживаемое высвобождающимся избытком поверхностной энергии, распространяется по соединяемым поверхностям. Там, где высвобождающейся энергии недостаточно из-за удаленности соединяемых поверхностей, процесс приостанавливается. Необходимо дальнейшее сближение поверхностей и создание новых активных центров, что и происходит, если скорость деформации достаточно велика.

Т. о. кинетика процесса сварки в твердой фазе определяется скоростью деформации. Кроме того, процесс деформирования может сопровождаться дополнительным нагревом, что обеспечивает дополнительную термическую активацию ионов соединяемых поверхностей.

 

19. Приведите типовой баланс энергии процесса сварки. Напишите выражения эффективного, термического и термодинамического (полного) КПД.

 

Оценка процессов передачи и термодинамического преобразования ведется на основе обобщенной схемы  баланса энергии (абсолютной или удельной на единицу площади соединения).

ε_уст – энергия получаемая сварочной установкой от сети;

ε_вх – энергия на входе источника (преобразователя энергии);

П₁ – потери энергии в источнике (преобразователе энергии);

ε_вых (ε_св) – энергия, передаваемая источником инструменту;

П₂ – потери при передачи энергии изделию;

ε_{н –} энергия, введенная в изделие;

ε_ст – энергия, аккумулированная в стыке;

ε_всп – энргия вспомогательных операций;

П₃ – потери энергии на теплопроводность;

П₄ – потери уноса (с испарившимся или выплавленным материалом), характерны для резки и лучевых видах сварки.

ε_ст = ε_уст – ε_всп – П₁ – П₂ – П₃ – П₄.

КПД сварочных  процессов

Каждая ступень передачи энергии от источника к изделию  имеет свой коэффициент полезного действия.

 эффективный КПД;

- термический КПД;

- термодинамический КПД или  КПД проплавления.

 

20. Дайте характеристику  сварочной дуге и видам эмиссии  электронов с катода в дугу.

Электрическая дуга- это самостоятельный устойчивый электрический разряд в газе, характеризующийся высокой плотностью тока (1-100 А/мм²), низким напряжением (8-50 В) и высокой температурой (5-50) 10³К.

1. Катод;
2. анод;
3. столб дуги;
4. катодная область;
5. анодная область.

;

.

Причина катодного и  анодного падений напряжения есть объёмные электрические разряды вблизи электродов дуги: у катода – скопление положительных ионов , у анода – скопление (облако) электронов, поступающих из столба.