Сварка и виды сварки

Сварка - технологический процесс получения неразъёмного соединения посредством установления межатомных и межмолекулярных связей между свариваемыми частями изделия при пластическом деформировании (нагреве или комнатной температуре).

Сварка применяется для соединения металлов и их сплавов, термопластов во всех областях производства и промышленности.

При сварке используются различные источники энергии: электрическая дуга, электрический ток, газовое пламя, лазерное излучение, электронный луч, трение, ультразвук [4]. Развитие технологий позволяет в настоящее время проводить сварку не только в условиях промышленных предприятиях, но в полевых и монтажных условиях (в степи, в поле, в открытом море и т. п.), под водой и даже в космосе. Процесс сварки сопряжен с опасностью возгораний; поражений электрическим током; отравлений вредными газами; поражением глаз и других частей тела тепловым, ультрафиолетовым, инфракрасным излучением и брызгами расплавленного металла.

Под сваркой давлением понимают все виды сварки (контактная, трением, холодная и т.д.), при которых происходит пластическая деформация металлов в зоне контакта, в результате чего образуется сварное соединение. Этот процесс становится возможным при условии образования между двумя деталями межатомных связей кристаллических решеток. Для образования сварного соединения поверхности деталей сближают между собой настолько, что происходит взаимодействие атомов металла, расположенных на одной поверхности с атомами металла другой поверхности. После чего происходит объединение электронных оболочек, формируя металлургические связи. Граница соединения перестает быть барьером и происходит взаимная диффузия атомов, сопровождающаяся структурными изменениями в зоне контакта и деформацией с выделением большого количества тепла. Добиваются этого различными методами.

Сварку можно осуществлять термомеханическим способом, при которой контакт металлов в заданной точке сопровождается подачей электрического тока, вызывающего нагрев и необходимую для межатомных связей пластическую деформацию металлов.

Свариваемые детали тщательно зачищают от грязи и оксидов, закрепляют в зажимах сварочной машины и сжимают между собой с требуемым усилием. Одновременно через контакт подается электрический ток от сварочного трансформатора. В зоне контакта происходит разогрев металла до температуры близкой к плавлению. Пластичный металл под действием сжимающего усилия вытесняется вместе с образовавшимися оксидами. В результате этого бугорки и неровности, имеющиеся на свариваемых поверхностях, разрушаются, что дает возможность сближению деталей на расстояние, при котором возможны межатомные связи. Усиливая сжатие, добиваются пластической деформации поверхностей, при которой происходит взаимная диффузия атомов, что приводит к созданию неразъемного соединения. Усилие сжатия не снимают до тех пор, пока не произойдет процесс кристаллизации.

Особенностью контактной сварки является образование наплыва металла, вызванного усадкой металла. Такие наплывы, называемые гратом, удаляют механическим способом после полного остывания сваренных деталей.

Если контакт свариваемых деталей происходит не всей поверхностью, а отдельными точками, то такая сварка называется точечной. Различают одно-, двух- и многоточечные виды сварки, отличающиеся друг от друга количеством сваренных точек.

Качество контактной сварки увеличивают применением защиты свариваемой зоны средой инертных газов. Это помогает избежать появления тугоплавких оксидов, затрудняющих тесный контакт свариваемых поверхностей, увеличивая надежность сварки.

Сварка давлением является разновидностью контактной сварки, когда поверхности подвергаются высокоинтенсивному давлению, позволяющему получить соединение без сопутствующего подогрева. При этом сближение свариваемых поверхностей до возникновения межатомных связей и образования металлических связей получают путем пластических деформаций металла. В результате приложенных усилий оксидные пленки, имеющиеся на поверхностях, разрушаются и выдавливаются из зоны контакта. Качество сварного соединения, полученного давлением, во многом зависит от подготовки поверхностей, от способности металла подвергаться пластической деформации и от приложенных усилий. В некоторых случаях свариваемые поверхности подвергают предварительному нагреву до температуры меньшей, чем требуется для образования жидкой фазы. Такую сварку называют термокомпрессионной.

Максимальная прочность металлических композиционных материалов достигается, если между матрицей и арматурой происходит образование твердых растворов или химических соединений. Очевидно, что для образования новых фаз в зоне контакта двух или более металлов необходимо перераспределение их составляющих компонент, и образование сплава в локализованной области в зоне контакта. Образование сплава может быть осуществлено только диффузией. Диффузия требует времени для ее протекания, а при пластической деформации, как правило, нагрузки воздействуют очень непродолжительно. Тем не менее, процессы диффузии происходят даже при кратковременном воздействие механической нагрузки.

Диффузия - это обусловленный хаотическим тепловым движением перенос атомов. Но он может стать направленным под действием градиента концентрации или температуры. Благодаря диффузии происходят механохимические реакции. Явления, связанные со структурно-фазовыми превращениями в металлах и сплавах, протекающие в условиях экстремальных механических воздействий, до конца не изучены.

Внешние механические воздействия способны вызывать многочисленные фазовые переходы, приводить к изменениям фазового и химического состава вещества при достаточно низких температурах. Задача выявления твердофазных эффектов в сплавах на основе свинца под воздействием механической нагрузки, а также установление корреляции структуры с физическими свойствами являются актуальными.

Свинец

Свинец известный материал для защиты от радиационной опасности, но он очень плохо соединяется с другими металлами. Некоторые соединения свинца защищают металл от коррозии, поэтому создают покрытия на основе свинца. Любая добавка к свинцу увеличивает его твердость [4]. Один из лучших проводников электричества – медь – никак не удается перевести в сверхпроводящее состояние. В экспериментах по сверхпроводимости меди отведена роль электроизолятора. Но сплав меди со свинцом используют в сверхпроводниковой технике. В температурном интервале 0,1...5°K этот сплав проявляет линейную зависимость сопротивления от температуры. Поэтому его используют в приборах для измерения исключительно низких температур. Из сказанного выше следует, что задача изучения механохимических реакций в системах свинец-медь и других сплавах является актуальной.

Оловянно-свинцовые припои часто используют для пайки изделий из меди и сплавов на ее основе [5]. Для уменьшения склонности Cu к химической эрозии в указанные припои вводят паяемый металл. Кроме того, для уменьшения окисляемости жидкого оловянно-свинцового припоя его легируют третьим компонентом, образующим двойную или тройную эвтектику, более богатую оловом.

Знание термодинамических свойств и фазовых диаграмм двойных, тройных и многокомпонентных систем необходимо для разработки технологических процессов в различных областях материаловедения. Комплексное изучение фазовых равновесий и термодинамических свойств соответствующих систем позволяет не только обнаружить неизвестные раннее фазы, но и установить их термодинамическую устойчивость, границы областей гомогенности и, в конечном счете, провести оптимизацию термодинамической системы и получить ее аналитическое описание с помощью термодинамических моделей, в основе которых заложена функциональная зависимость энергии Гиббса от исследуемых параметров (температуры, концентрации, давления). Такие модели необходимы как для пополнения термодинамических банков данных, так и для совершенствования технологии получения новых материалов с заданными свойствами.

Свинец является лучшим поглотителем гамма-излучения (начальной радиации, состоящей в основном из гамма лучей) [6].

Плотность - 11,3415 г/см³ (при 20 °C)

Температура плавления - 327,4 °C (621,32 °F; 600,55 K)

Температура кипения - 1740 °C (3164 °F; 2013,15 K)

Свинец имеет довольно низкую теплопроводность, она составляет 35,1 Вт/(м·К) при температуре 0 °C. Металл мягкий, легко режется ножом. На поверхности он обычно покрыт более или менее толстой плёнкой оксидов, при разрезании открывается блестящая поверхность, которая на воздухе со временем тускнеет.

Механические и физико-химические свойства свинца сильно изменяются под влиянием примесей.

Медь увеличивает устойчивость свинца против действия серной кислоты. Благодаря своей способности защищать железо от ржавления он иногда используется для нанесения предварительного слоя при окрашивании железных предметов.

Свинец широко используется в технике. Главными потребителями свинца являются кабельная и аккумуляторная промышленности, где свинец применяется для изготовления оболочек для кабелей и пластин аккумуляторов. Хотя в кабельном производстве его всё в большей мере заменяют синтетическими материалами. Свинец идёт на изготовление пуль и выделку дроби. Он входит в состав многих сплавов, например, сплавов для подшипников (баббиты), типографского сплава, свинцовооловянного припоя, применяется для производства фольги и др. Сурик Pb3O4 используется в качестве пигмента для изготовления красок.

Распространённый антидетонатор для моторных топлив — тетраэтилсвинец Pb(C2H5)4. Используют его также для сооружений, защищающих от радиоактивных излучений [6].

Серная кислота до 80%-ной крепости, даже нагретая, не разъедает свинец. Достаточно стоек он и к действию соляной кислоты. В то же время слабые органические кислоты – муравьиная и уксусная – сильно действуют на элемент №82. Странным это кажется лишь поначалу: при действии серной и соляной кислот на поверхности свинца образуется труднорастворимая пленка сульфата или хлорида свинца, препятствующая дальнейшему разрушению металла; органические же кислоты образуют легкорастворимые свинцовые соли, которые ни в коей мере не могут защитить поверхность металла.

В сернокислотной промышленности свинец – незаменимый материал. Основное оборудование – камеры, промывные башни, трубы, холодильники, детали насосов – все это изготовляется из свинца или свинцом облицовывается. Труднее аналогичным образом защитить от агрессивной среды движущиеся детали – крыльчатки вентилятора, мешалки, вращающиеся барабаны. Эти детали должны обладать большим запасом прочности, чем имеет мягкий свинец. Выход из положения – детали из свинцово-сурьмянистого сплава гартблея. Используют также освинцованные детали, сделанные из стали, но покрытые свинцом из расплава. Чтобы получить равномерное свинцовое покрытие, детали предварительно лудят – покрывают оловом, а уже на оловянный слой наносят свинец.

Некоторые соединения свинца защищают металл от коррозии не в условиях агрессивных сред, а просто на воздухе. Эти соединения вводят в состав лакокрасочных покрытий. Свинцовые белила – это затертая на олифе основная углекислая соль свинца 2PbCO3·Pb(OH)2. Хорошая кроющая способность, прочность и долговечность образуемой пленки, устойчивость к действию воздуха и света – вот главные достоинства свинцовых белил. Но есть и антидостоинства: высокая чувствительность к сероводороду, и главное – токсичность. Именно из-за нее свинцовые белила применяют сейчас только для наружной окраски судов и металлоконструкций [6].

Особенно много свинца потребляет кабельная промышленность, где им предохраняют от коррозии телеграфные и электрические провода при подземной или подводной прокладке. Много свинца идет и на изготовление легкоплавких сплавов (с висмутом, оловом и кадмием) для электрических предохранителей, а также для точной пригонки контактирующих деталей. Но главное, видимо, – это использование свинца в химических источниках тока.

Свинцовый аккумулятор [7,8] с момента своего создания претерпел много конструктивных изменений, но основа его осталась той же: две свинцовые пластины, погруженные в сернокислый электролит. На пластины нанесена паста из окиси свинца. При зарядке аккумулятора на одной из пластин выделяется водород, восстанавливающий окись до металлического свинца, на другой – кислород, переводящий окись в перекись. Вся конструкция превращается в гальванический элемент с электродами из свинца и перекиси свинца. В процессе разрядки перекись раскисляется, а металлический свинец превращается в окись. Эти реакции сопровождаются возникновением электрического тока, который будет течь по цепи до тех пор, пока электроды не станут одинаковыми – покрытыми окисью свинца.

Производство щелочных аккумуляторов достигло в наше время гигантских размеров, но оно не вытеснило аккумуляторы свинцовые. Последние уступают щелочным в прочности, они тяжелее, но зато дают ток большего напряжения. Так, для питания автостартера нужно пять кадмиево-никелевых аккумуляторов или три свинцовых.

Аккумуляторная промышленность – один из самых емких потребителей свинца.

Можно, пожалуй, сказать и то, что свинец находился у истоков современной электронно-вычислительной техники.

Свинец был одним из первых металлов, переведенных в состояние сверхпроводимости. Кстати, температура, ниже которой этот металл приобретает способность пропускать электрический ток без малейшего сопротивления, довольно высока – 7,17°K. (Для сравнения укажем, что у олова она равна 3,72, у цинка – 0,82, у титана – всего 0,4°K). Из свинца была сделана обмотка первого сверхпроводящего трансформатора, построенного в 1961 г.

В транспорте применяют антифрикционные сплавы на основе свинца. Наряду с общеизвестными баббитами и свинцовыми бронзами, антифрикционным сплавом часто служит свинцово-кальциевая лигатура (3...4% кальция). То же назначение имеют и некоторые припои, отличающиеся низким содержанием олова и, в отдельных случаях, добавкой сурьмы. Все более важную роль начинают играть сплавы свинца с таллием. Присутствие последнего повышает теплостойкость подшипников, уменьшает коррозию свинца органическими кислотами, образующимися при физико-химическом разрушении смазочных масел.

Любая добавка к свинцу увеличивает его твердость, но количественно влияние добавок неравноценно. В свинец, идущий на изготовление шрапнели, добавляют до 12% сурьмы, а в свинец ружейной дроби – не более 1% мышьяка.

Без инициирующих взрывчатых веществ ни одно скорострельное оружие действовать не будет. Среди веществ этого класса преобладают соли тяжелых металлов. Используют, в частности, азид свинца PbN6.

Ко всем взрывчатым веществам предъявляют очень жесткие требования с точки зрения безопасности обращения с ними, мощности, химической и физической стойкости, чувствительности. Из всех известных инициирующих взрывчатых веществ по всем этим характеристикам «проходят» лишь «гремучая ртуть», азид и тринитрорезорцинат свинца (ТНРС).

В Аламогордо – место первого атомного взрыва – Энрико Ферми выехал в танке, оборудованном свинцовой защитой. Чтобы понять, почему от гамма-излучения защищаются именно свинцом, нам необходимо обратиться к сущности поглощения коротковолнового излучения.

Гамма-лучи, сопровождающие радиоактивный распад, идут из ядра, энергия которого почти в миллион раз превышает ту, что «собрана» во внешней оболочке атома. Естественно, что гамма-лучи неизмеримо энергичнее лучей световых. Встречаясь с веществом, фотон или квант любого излучения теряет свою энергию, этим-то и выражается его поглощение. Но энергия лучей различна. Чем короче их волна, тем они энергичнее, или, как принято выражаться, жестче. Чем плотнее среда, через которую проходят лучи, тем сильнее она их задерживает. Свинец плотен. Ударяясь о поверхность металла, гамма-кванты выбивают из нее электроны, на что расходуют свою энергию. Чем больше атомный номер элемента, тем труднее выбить электрон с его внешней орбиты из-за большей силы притяжения ядром.

Возможен и другой случай, когда гамма-квант сталкивается с электроном, сообщает ему часть своей энергии и продолжает свое движение. Но после встречи он стал менее энергичным, более «мягким», и в дальнейшем слою тяжелого элемента поглотить такой квант легче. Это явление носит название комптон-эффекта по имени открывшего его американского ученого.

Свинец известный материал для радиационной безопасности, но он очень плохо соединяется с другими металлами [9].

Дата добавления: 2015-07-11