Напомним, что получение неразъемного соединения твердых материалов в процессе их местного плавления или пластического деформирования называется сваркой. Металлы и сплавы, как уже было сказано, являются твердыми кристаллическими телами, состоящими из кристаллитов, между которыми существуют межатомные и межмолекулярные силы взаимодействия. При обычных условиях между силами отталкивания и притяжения наблюдается равновесие. Под воздействием энергии, направленной извне (это энергия активации), оно нарушается. В зависимости от того, как именно активируются межатомные связи для формирования неразъемного соединения, сварка подразделяется на:

– сварку плавлением. В соответствии со способом нагрева электросварка плавлением представлена таким видами, как электродуговая, электрошлаковая, электроконтактная, электронно-лучевая. При этом жидкий металл расплавленных кромок перемешивается с образованием общего объема (сварочной ванны), из которого образуется металл шва. Это происходит и в результате использования присадочного металла. Источники локального нагрева бывают различными. Например, это могут быть электрическая дуга, плазма, горелка, энергия электронного или плазменного излучения, печь и др.;

– сварку давлением, при которой сварное соединение образуется благодаря исключительно деформированию свариваемых частей (в некоторых случаях нагрузка может сочетаться с местным нагреванием). Это возможно за счет применения статической или ударной нагрузки, например при сварке взрывом, ультразвуком или в процессе холодной сварки. В ходе пластической деформации на участке свариваемых кромок (он называется зоной соединения) возникает трение, которое способствует формированию межатомных связей между частями.

Для соединения двух металлов в единое целое необходимо, чтобы расстояние между их атомами сократилось настолько, чтобы силы взаимного притяжения начали активизироваться. Это достижимо при условии, что промежуток между атомами составляет 4 х 10-8 см, что возможно, если:

– не нагревая детали, сжать их с приложением больших усилий, что характерно исключительно для пластичных металлов, например для алюминия;

– одновременно нагреть и сжать детали, прикладывая умеренное усилие;

– в зоне соединения нагреть детали до расплавления, не прибегая к сжатию, что и происходит при сварке металлов и сплавов.

В соответствии с этим сварка металлов классифицируется на основе различных признаков:

– физических;

– технических;

– технологических.

В основе классификации по физическим признакам лежит форма энергии, которая применяется для создания сварного соединения. Согласно ГОСТу 19521-74 выделяют 3 класса сварочных процессов:

1. Термический, при котором в зоне сварки под воздействием тепловой энергии рабочие части металла соединяются посредством плавления. Сюда входят следующие разновидности сварки:

а) дуговая. Этот вид сварки классифицируется по различным признакам (Ручная дуговая сварка. М.: Высшая школа, 1981), представленным на рис. 1.

Рис. 1. Классификация дуговой сварки

С применением электродуговой сварки осуществляется примерно 65 % сварочных работ, при которых могут использоваться как плавящиеся (металлические), так и неплавящиеся (угольные) электроды (рис. 2). Первый способ был разработан Н. Г. Славяновым, а второй – Н. Н. Бенардосом.

Рис. 2. Электродуговая сварка: а – плавящимся электродом: 1 – деталь; 2 – сварочная дуга; 3 – зажим; 4 – электрод; 5 – электродержатель; 6 – провод; 7 – кромка; б – неплавящимся электродом: 1 – деталь; 2 – присадочный материал; 3 – электрод; 4 – электродержатель; 5, 6 – провод; 7 – сварочная дуга

Участок на границе расплавленной кромки называется зоной плавления. Ее ширина измеряется микрометрами, но несмотря на такие размеры прочность сварного соединения во многом зависит от нее.

По Славянову, кромки и электрод под воздействием сварочной дуги расплавляются одновременно. Образующаяся при этом сварочная ванна заполняет зазор между соединяемыми деталями, а после кристаллизации превращается в сварной шов. Чтобы улучшить качество наплавляемого металла, на электрод наносится особое покрытие, которое, расплавившись, превращается в слой шлака, покрывающий жидкий металл. В результате этого, во-первых, в шлак переходят вредные примеси, присутствующие в расплавленном металле, а во-вторых, шлак защищает сварочную ванну от проникновения в нее кислорода и азота из атмосферного воздуха.

К электроду, зафиксированному в электродержателе, ток (при этом способе дуговой сварки он может быть как постоянным, так и переменным) поступает по электрическому проводу, а к деталям – через второй провод, закрепленный зажимом.

В методе, разработанном Бенардосом, используется неплавящийся электрод, сварочная ванная создается за счет металлического прутка, расплавляющегося под воздействием сварочной дуги. В отличие от первого способа здесь используется постоянный ток. При сварке стали он не всегда дает результат нужного качества, поэтому в основном находит применение при сварке алюминия, меди, тонколистовой стали и наплавке твердых сплавов;

б) электронно-лучевая. Для ее осуществления необходима особая камера, в которой создается вакуум. Кромки свариваемых деталей расплавляются сфокусированным пучком электронов, которые ударяются в так называемое пятно нагрева, в результате чего кинетическая энергия их торможения переходит в теплоту. При этом температура в фокусе достигает 10 000 °C;

в) электрошлаковая, при которой основной и присадочный материалы расплавляются теплом, которое выделяется при пропускании электрического тока через расплавленный шлак на протяжении всего процесса. Этот вид сварки различается по виду и количеству электродов, наличию его колебаний и т. д. Данный способ используется для сварки крупногабаритных заготовок;

г) плазменная. При сварке в столб дуги постоянно поступает неионизированный газ. Под ее воздействием он последовательно нагревается, ионизируется и трансформируется в плазменную струю, которая уплотняется вихревым потоком газа. Образуется источник тепловой энергии, концентрация которого такова, что достаточна для сваривания металла;

д) световая, при которой сваривание деталей (металлов и отдельных неметаллических материалов) обеспечивает концентрированный луч – монохроматический (при лазерной сварке), солнечный (при гелиосварке) или искусственный полихроматический;

е) индукционная, при которой металл, нагретый токами высокой частоты, сдавливается. Данный способ практикуется при сварке труб;

ж) термитная. Для ее осуществления свариваемые части кладут в огнеупорную форму, на них ставят тигель, в который помещают термит (порошок из смеси алюминия с железной окалиной). В процессе реакции восстановления выделяется большое количество тепла (реакция относится к экзотермическим), а температура металла достигает 2000 °C. В результате этого жидкий металл оплавляет кромки частей и затекает в промежуток между ними. Кристаллизовавшись, он дает сварочный шов;

з) газовая, основанная на том, что основной и присадочный металлы свариваются с помощью высокотемпературного газокислородного пламени. Для этой цели используются различные газы – ацетилен, природный газ, водород и др. Чаще всего применяется ацетиленокислородная сварка, в которой используется пламя инжекционной горелки. Роль присадочного материала играют прутки или проволока из металла, схожего по составу с основным. По качеству этот вид сварки уступает электродуговой;

и) литейная. Этим способом сваривают изделия из благородных металлов и пр. В современном производстве к такому виду сварки прибегают редко – только для исправления чугунных отливок. Суть сварки состоит в следующем: зону сварки заливают расплавленным в тигле металлом, после чего формуют шов.

2. Термомеханический, который включает сварку и с использованием тепловой энергии, и с применением давления. Это такие виды сварки, как:

а) контактная, осуществляемая тремя способами, например встык, что практикуется для соединения частей с малыми сечениями. Сначала гидравлический пресс сжимает кромки, потом с помощью электрического тока металл на кромках нагревается до пластического состояния и сваривается;

б) индукционно-прессовая, при которой под воздействием токов высокой частоты соединяемые части или детали, расположенные под определенным углом друг к другу и контактирующие на участке сварки, нагреваются, расплавляются, стягиваются обжимными роликами и осаживаются. Результат – прочное соединение;

в) диффузионная, основанная на способности атомов контактирующий деталей к диффузии. Их устанавливают встык, нагревают с помощью индуктора и сжимают. Процесс проходит либо в вакууме, либо в газовой среде (для этого используются инертные газы). При этом способе достаточно довести температуру до 750–800 °C;

г) газопрессовая, при которой кромки свариваемых частей нагревают с помощью ацетиленокислородной горелки и сжимают, применяя специальный осадочный механизм;

д) термокомпрессионная, для осуществления которой необходимость расплавления материалов отсутствует. Компонент, например проволочные выводы, и подложку покрывают ковким материалом (золотом), нагревают до 300 °C и сжимают примерно на полсекунды. В результате образуется соединение по типу диффузной сварки;

е) дугопрессовая, которая находит применение при необходимости присоединить к пластине детали вроде болтов или шпилек. Когда шпилька или болт отводится от пластины, между ними возникает дуговой разряд, из-за которого температура их торцов и металла пластины повышается, они нагреваются и расплавляются. В тот момент, когда при отключенном токе шпилька или болт ударяются о пластину, они свариваются;

ж) печная, практикующаяся, например, для приваривания фланцев к трубам. Для этого стыки покрывают специальным составом (вставка между ними латунного или бронзового кольца – еще один вариант). В таком виде все помещают в электропечь, в которой при температуре 1100–1500 °C происходит сваривание;

и) термитно-прессовая, при которой соединяемые части или детали нагревают газовым пламенем и сжимают.

3. Механический, в него входят виды сварки, для осуществления которых используется комбинация механической энергии и давления. Эту группу составляют следующие виды сварки:

а) холодная, в основе которой лежит способность кристаллитов металла срастаться под воздействием высокого давления. Таким способом соединяют исключительно пластичные материалы, такие как алюминий, свинец и др.;

б) ультразвуковая, при которой свариваемые части сближают и стягивают вибрирующим зажимом, через который поступают высокочастотные колебания от магнитострикционного генератора. Благодаря колебаниям состыкованные части нагреваются, после чего свариваются в процессе диффузии атомов контактирующих материалов;

в) магнитно-импульсная, для проведения которой под воздействием импульсного тока индуктора и наведенных им вихревыми токами в соединяемых частях, деталях и ином свариваемые поверхности соударяются;

г) сварка взрывом, которая используется для соединения тонких листов с более массивными (процесс называется «плакирование»), например стали с латунью. Детали укладывают друг на друга, на поверхность помещают взрывчатое вещество, которое при детонировании взрывается и соединяет их в результате соударения;

д) сварка трением, практикуемая для соединения мелких деталей, одна из которых неподвижна, а другая вращается вокруг нее (или они вращаются в разные стороны). При трении выделяется тепло, которое нагревает и сваривает детали.

Техническими признаками, на которые опирается классификация сварки металлов, являются:

– способы защиты металла на участке сварки. Среди используемых представлена сварка в вакууме, защитных газах (в углекислом газе, водяных парах, инертных газах и др.), воздухе, пене, по флюсу и под ним. Кроме того, возможно комбинирование способов;

– степень непрерывности сварочных работ. По этому признаку различаются как прерывистые, так и непрерывные способы сварки;

– наличие механизации процесса сварки. Сюда входят ручные, автоматизированные, механизированные и автоматические способы сварки.

О технологических признаках следует сказать, что для каждого вида сварки они разрабатываются отдельно.