Неровный В.М. Теория сварочных процессов (Неровный, Коновалов, Куркин - Теория сварочных процессов), страница 4

Они, например, обусловливают у жидкостей явление поверхностного натяжения, способность смачивать или не смачивать поверхности различных материалов. В случае высокомолекулярных соединений, когда мономерная молекула, повторяясь в полимере тысячи раз, образует макро- молекулу, силы адгезии возрастают прямо пропорционально росту молекулярной массы. Эти силы, имея электрическую природу, в значительной степени зависят от химической структуры клея и склеиваемого материала. Полярные группы — карбоксильные, спиртовые, эпоксидные, аминогруппы и другие — значительно увеличивают адгезию клея к полярным материалам.

Для увеличения адгезионных сил при склеивании некоторые неполярные материалы подвергают термической или химической обработке с целью получения на нх поверхности полярных групп. Наличие или отсутствие адгезии клея к склеиваемому материалу легко определить по смачиваемости клеем этого материала. Для улучшения агдезии во всех случаях склеиваемую поверхность подвергают тщательной очистке и обезжириванию (иногда искусственно повышают степень ее шероховатости). Однако прочность клеевого соединения определяется не только адгезией, но и когезией, т. е. силами взаимодействия между молекулами самого клея.

Силы когезии термопластических клеев имеют ту же природу, что и силы адгезин. У клеев на основе термореактивных связующих когезионные силы внутри клеевого шва после его отвердевания будут усиливаться также благодаря образованию обычных химических связей. Таким образом, прочность клеевых соединений определяется химическими и межмолекулярными силами притяжения частиц клея и склеиваемого материала.

В начальной стадии процесса, когда силы взаимодействия, обусловленные смачиванием и межмолекулярным взаимодействием частиц, в основном слабы, прочность клеевого соединения мала. Далее при возникновении химических связей прочность увеличивается. Существенное отличие склеивания от большинства сварочных процессов и пайки заключается в том, что при затвердевании клея вследствие охлаждения, полимеризации и других физико-химических явлений взаимное растворение и диффузия соединяемых материалов„как правило, полностью отсутствуют. 1.3. Термодинамика сварки и баланс энергии при сварке 1.3.1.

Термодннамическое определение сварки Анализ физико-химических особенностей получения сварных и паяных соединений позволяет установить наличие в зоне сварки двух основных физических явлений, связанных с необратимым изменением энергии и вещества (рис. 1.4): введение и преобразование энергии; движение (превращение) вещества. Вид, интенсивность вводимой энергии и характер ее преобразования — вот главное, что определяет способ сварки. Введение энергии — всегда необходимое условие сварки, так как без этого невозможна активация соединяемых поверхностей; введение 19 соединение Рис. 1.4. Схема термодинамическнх преврашений энергии и вешества при сварке вещества необходимо только при некоторых видах сварки плавлением и пайки, причем энергия в этих случаях может быть введена также с расплавленным металлом.

Характер движения (переноса) вещества в зоне сварки сильно меняется от процесса к процессу. Движение значительно при сварке плавлением и пайке, особенно прн наличии присадочного материала. При сварке давлением с нагревом металл в зоне стыка испытывает незначительные превращения и существенно только движение вешества через стык в результате диффузии. Холодная сварка реализуется практически без движения вещества, если не учитывать переползания дислокаций и выхода их на поверхность.

Исходя из сказанного, можно дать так называемое термодинамическое определение сварки: сварка — это процесс получения монолитного соединения материалов за счет термодинамического необратимого преобразования тепловой и механической энергии и вещества в месте соединения. Склеивание, цементирование и другие соединительные процессы, обеспечивающие монолитность соединения, в отличие от сварки и пайки, как правило, не требуют специальных источников энергии. Они реализуются обычно только за счет введения (превращения) вешества: клея, цемента и т.

д. (рис. 1.5). Кроме самого общего, термодинамического, возможны и другие определения сварки. Например, в технологическом аспекте согласно ГОСТ 2601 — 84: сварка — это процесс получения неразьемных соединений посредством установления межатомных связей между свариваемыми частями при их местном нагреве или пласти- 20 Рис. 1.5. Схема получения монолитного соединения при сварке, пайке и склеивании ческом деформировании либо при совместном действии того и другого. Вместе с тем именно энергия и пути ее преобразования являются доминирующими факторами, которые определяют сварку как физико-химическое явление.

Рассмотрение термодинамической структуры сварочных процессов позволяет подразделить их по виду введенной энергии на термические, термомеханические и механические процессы. На основании первого закона термодинамики можно подсчитать изменение внутренней энергии системы соединяемых элементов, теоретически необходимое для образования монолитного соединения при данных конкретных условиях, в которые входят источник энергии, материал изделий, конструкция соединения и т. д. 1.3.2. Типовой баланс энергии при сварке Для количественной оценки процессов передачи и термодннамического преобразования энергии при разных видах сварки необходимо наметить обобщенную схему баланса энергии.

В нее входят следующие основные ступени передачи энергии (рис. 1.6): сеть питания; источник энергии для сварки или преобразователь энергии ПЭ; носитель энергии — инструмент, передающий энергию от источника энергии к зоне сварки (резки или напыления); изделие — зона сварки (стык соединяемых деталей). При изучении преобразования энергии в сварочных процессах удобно использовать удельную энергию е, определяемую в расчете на единицу площади сварного соединения Я (рис.

1.7). 21 В 51 г)и ь аи~асв' Чс = ест~си. 22 23 Рис. 1.6. Обобщенная схема баланса энергии сварочного процесса Рис. 1.7. Схема выбора рабочей площади бадая расчета удельной энергии сварки стыковых (а), нахлесточных (б) и крестообразных (в) соединений Обозначения удельной энергии на различных стадиях преобразования в схеме баланса энергии (см. рис. !.6) приняты следующие: а,„— энергия, получаемая сварочной установкой от сети питания; она может использоваться непосредственно на сварку (с,) и вспомогательные операции (еи,и); П1 — потери энергии в сварочном источнике, с их учетом энергия с„составит: оси = аих П1; П2 — потеРи в инстРУменте пРи пеРедаче энеРгии изделию; аи— энеРгиЯ, введеннаЯ в изделие: еи = сси — П2; Пз — потери энергии в изделии на теплопроводность; П4 — потери уноса (с испарившимся или выплавленным материалом); — энергия, аккумулированная в зоне стыка; е„= аи — (Пз + + П4). Потери уноса характерны главным образом для резки, но могут возникать и при высокоинтенсивных процессах лучевой сварки.

Отдельные ступени передачи энергии в схеме ее базанса в зависимости от вида сварочного процесса могут существенно изменяться и даже отсутствовать совсем. Например, носитель энергии (инструмент) в термических процессах — это луч, дуга или пламя, а при контактной сварке — сам нагретый металл в зоне контакта. 1.3.3. КПД сварочных процессов Каждая ступень передачи энергии от источника к изделию может иметь свой коэффициент полезного действия (КПД). Из теории распространения теплоты при сварке известны эффективный (ци) и термический (~,) КПД сварочного процесса, которые принято выражать так; Кроме того, по мере накопления данных по анализу энергетического баланса для всех сварочных процессов в дальнейшем целесообразно ввести термодинамический КПД сварочного процесса 1)тд е„! сси = циць который по форме аналогичен КПД процесса проплавления (например, при дуговой сварке листов), однако имеет более общий характер.

Термодинамический КПД сварочного процесса показывает отношение минимальной удельной энергии а „необходимой в зоне сварки для выполнения данного соединения, к требуемой энергии сварочного источника, передаваемой инструменту. Удельная энергия с„ соответствует в данном случае изменению энергосодержания зоны стыка, отнесенному к площади получаемого сварного соединения. Представляет интерес сравнение введенной в изделие удельной энергии си и удельной энергии ер, необходимой для разрушения полученного сварного соединения. Их отношение будет приближенно характеризовать некоторый физический КПД процесса со- единениЯ матеРиалов: г)ф = ер! еи. Наименование признаков Ступени классификации и порядок расположения процессов Содержание признаков Методы сварки Класс сварки Световая' Индукционная Газовая Термитная Литейная Дуговая' Электрошлаковая' Электронно-лучевая Плазменно-лучевая Ионно-лучевая Тлеюшнм аз ядом Сварка плавлением (термический процесс) Наличие давления при сварке Класс Физические Вид энергии, вводимой при сварке Подкласс Сварка давлением: термомеханический процесс Вид нагрева или механи- ческого воздействия (вил инструмента) Метод Дугопрессовая Шлакопрессовая Термитно-прессовая Печная Контактная* Диффузионная"' Инлукцнонно-прессовая Газопрессовая Термокомпрессионная Холодная Взрывом Ультразвуковая Технические Устанавливаются для каждого метода отдельно Группа Подгруппа Вил Разновидность Трением Магиитоимпульсная Вакуумным схватыва- нием" механический процесс То же Технологиче- ские Способ Прием Удельная энергия, необ- ходимая для получения соединения, удельные затраты и т.