Неровный В.М. Теория сварочных процессов (Неровный, Коновалов, Куркин - Теория сварочных процессов)

Теория сварочных процессов Под редакцией В.М. Неровного Допущено УМО вузов по университетскому политехническому образованию в качестве учебника для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки дипломированных специалистов «Машиностроительные технологии и оборудование», специальность «Оборудование и технология сварочного производства» Москва Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана 2007 УДК 621. 791.01(075. 8) БЬК 34.641 Т338 Реиеизентыз кафедра «Оборудование и технология сварочного производства» Московского государственного индустриального университета(зав. кафедрой д-р техн. наук, проф. В31. Ластовиря) д-р техн.

наук, проф. кафедры «Технология сварки,материаловедение, износостойкость деталей машин» Московского государе~ венного университета путей сообщения С.Н. Киселев ПРЕДИСЛОВИЕ В начале третьего тысячелезия сварка продолжает оставаться одним иэ ведущих технологических процессов создания материальной основы современной цивилизации. Более половины валового национального продукта промышленно развитых стран создается с помощью сварки и родственных технологий. До 2/3 мирового потребления стального проката идет на производство сварных конструкций и сооружений. Во многих Теор случаях сварка является наиболее эффективным или единственно возТ338 А.В.

Коновал, А.С. К, Э.Л. М, В.М. Н сория сварочньзх процессов: Учебник для вузов ! можным способом создания неразъемных соединений конструкционных стуленты уже получили подготовку в области общенаучных н общетехнических дисциплин, включая высшую математику, физику. химию, сопротивление материалов, материаловедение, термодинамику, электротехнику и др. Основой данного издания послужил учебник В.Н. Волченко, В.М. Ямпольского, В.А.

Винокурова и других под редакцией В.В. Фролова «Теория сварочных процессов» (М., 1988), существенно дополненненный и переработанный. Естественно, что в нем нашли отражение главные вопросы теории сварочных процессов, которые разрабатывались как российскими учеными, так и учеными других стран. Учебник подготовлен в рамках реализации приоритетного национального проекта «Образование». Он может быть полезен также стулентам специальностей 150107 «Металлургия сварочного производства», 150206 «Машины и технология высокоэффективных процессов обработки материалов», 150207 «Реновация средств и объектов материального производства в машиностроении», бакалаврам и магистрам направления 551800 «Технологические машины и оборудование», инженерно-техническим работникам сварочного производства.

Авторы выражают глубокую благодарность рецензентам, давшим ценные указания по материалу книги. Все замечания н пожелания читателей, направленные на улучшение книги, будут восприняты авторами с благодарностью и пониманием. ОТ АВТОРОВ Конечная цель сварочного производства — выпуск экономичных сварных конструкций, отвечающих по своим конструктивным формам, механическим и физическим свойствам тому назначению и тем условиям эксплуатации, для которых они создаются.

Обеспечение рациональных форм и определение оптимальных сечений элементов конструкций относится к задачам проектирования. Получение необходимых механических и физических свойств сварных соединений — главная задача, решение которой должны обеспечить технологические процессы сварки. Теория сварочных процессов призвана дать правильное описание совокупности явлений, которые составляют сущность сварки.

Сварка является весьма сложным процессом, в особенности если иметь в виду многообразие способов сварки, основанных на использовании различных физических явлений. Первую группу явлений, которую рассматривает теория сварочных процессов, составляют физические, механические и химические явления, происходящие при подготовке свариваемого материала к образованию прочных связей между отдельными частями свариваемой детали. В большинстве случаев это явления, связанные с преобразованием различных видов энергии в тепловую. Металл, будучи натрет и расплавлен, способен образовывать сварное соединение. Чаще всего при сварке для нагрева металла используют электрическую энергию.

Однако существует много способов сварки, в которых используют энергию, выделяющуюся при горении газов, лучевую энергию, механическую, а также их сочетание. Физико-химические процессы, лежащие в основе этих способов, описаны в разд. 1 «Источники энергии для сварки».

Теплота, переданная источниками энергии свариваемому телу, распространяется в нем, подчиняясь законам теплопроводности. Эти явления рассмотрены в разд. 11 «Тепловые процессы при сварке». Если бы металл не изменял своих механических и физических свойств при повышении температуры, то задача изучения нагрева тел при сварке свелась бы только к определению условий, при которых металл в зоне сварки достигает необходимой температуры.

В действительности изучение температурных процессов в металле шва и вблизи него необходимо главным образом по двум причинам: для количественного описания многочисленных реакций, которые идут между жидким металлом и шлаком или газом и для определения условий кристаллизации металла, различных структурных превращений и термодеформационных процессов в метал- лах. В разд. Ш и 1Ч учебника рассмотрены металлургия и металловедение сварки. Закономерности формирования химического состава металла шва изложены в разд.

!П «Физико-химические и металлургические процессы при сварке». В раэд. 1 и П описаны те физические и температурные условия, которые создаются над поверхностью металла и в самом металле при сварке. В этом плане материал разд. 1 и П представляет собой как бы описание того физического фона, от которого зависит протекание реакций, перехол различных легирующих элементов в металл шва или их удаление и окисление. Вопросы защиты металла шва и массообмена на границе металл— шлак и металл — газ являются центральными в разд.

П1. Этн процессы предопределяют химический состав металла шва, а следовательно, во многом и его механические свойства. Однако формирование свойств сварного шва, а тем более сварного соединения, определяется не только химическим составом металла. Характер кристаллизации шва во многом влияет на его свойства. Свойства околошовной зоны и в определенной мере металла шва существенно зависят от температурного и термомеханического циклов сварки. Для многих легированных сталей и сплавов эта фаза формирования сварного соединения предопределяет их механические свойства. Сварочные процессы вследствие передачи теплоты по механизму теплопроводности могут создавать такие скорости нагрева и охлаждения металла, которые часто невозможно организовать при термической обработке путем поверхностной теплопередачи.

Образование сварного соединения сопровождается пластическими деформациями металла и возникновением собственных напряжений, которые также влияют на свойства соединений. Этн вопросы рассматриваются в разд. 1Ч учебника — нТермодеформационные процессы и превращения в металлах при сварке». Таким образом, теория сварочных процессов — теоретический фундамент науки о сварке в части формирования свойств сварного соединения. Разумеется, этим далеко не исчерпывается круг проблем, которые рассматриваются в области сварки. Теория сварочных процессов — один из первых курсов, который закладывает необходимую теоретическую базу для изучения различных технологических процессов, создания сварочных материалов, а также для понимания и объяснения ряла вопросов в области прочности сварных соединений.

Наиболее близко теория сварочных процессов соприкасается с курсами, в которых изучаются различные технологические процессы. Это, однако, не означает, что все вопросы, необходимые для изучения технологии сварки, сосредоточены в теории сварочных процессов. Исторически сложилось некоторое условное разделение материала между этими двумя группами курсов. В теории сварочных процессов рассматриваются, как правило, те явления и процессы, которые свойственны многим видам сварки, как бы общие для них, в то время как в технологических курсах по сварке плавлением и давлением больше внимания уделено тем конкретным вопросам, которые в значительной мере зависят от изучаемых технологических приемов. Раздел 1 ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ ДЛЯ СВАРКИ Глава 1.

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И КЛАССИФИКАЦИЯ СВАРОЧНЫХ ПРОЦЕССОВ 1.1. Виды элементарных связей в твердых телах и монолитных соединениях Монолитность сварных соединений. В технике широко используют различные виды разъемных и неразъемных соединений. Неразъемные соединения, в свою очередь, могут быть монолитными, т. е, сплошными, и немонолитными (например, заклепочные соединения). Монолитные соединения получают сваркой, пайкой или склеиванием.

Сварку и пайку используют для соединения между собой твердых тел: металлов н неметаллов. Монолитность сварных соединений обеспечивается появлением атомно-молекулярных связей между частицами соединяемых твердых тел. Твердое тело представляет собой комплекс атомов, находящихся во взаимодействии. Физико-химические и прочностные свойства твердого тела зависят от типа связи между атомами и характера их взаимного расположения, поэтому прежде чем рассматривать природу сварного соединения, следует вспомнить некоторые сведения из физики твердого тела.

Элементарные связи в твердых телах. Характер и значение энергии элементарных связей в твердых телах зависят от природы вещества и типа кристаллической решетки твердого тела. Наличие ряда кристаллических структур, разнообразие физических свойств (сжимаемость, точка плавления, электрические, оптические свойства и др.), а также различные химические свойства указывают на существование разных типов связи атомов в твердых телах.