Плавковая сварка против сварки в твердом состоянии: ключевые различия

Необходимость соединения двух и более компонентов присуща любому производству. Существует множество методов соединения для сборки самых разнообразных материалов. Некоторые процессы обеспечивают постоянные соединения, другие — временные. Наряду с заклепкой, муфтовым соединением и клеевой пайкой, сварка также относится к постоянным методам соединения. По определению, сварка — это процесс соединения, при котором два или более твердых компонента соединяются навсегда за счет образования коалесценции (сращения) с применением или без внешнего давления, тепла и наплавного материала. Таким образом, и тепло, и давление не являются обязательными для сварки; они применяются альтернативно: в некоторых процессах подается внешнее тепло, в других — внешнее давление. На этом основании процессы сварки делятся на две большие группы: плавковую сварку и сварку в твердом состоянии.

Плавковая сварка

К плавковой сварке относят все процессы, где из внешнего источника подается достаточное количество тепла для плавления стыкуемых поверхностей основных деталей с образованием шва. Давление в таких процессах обычно не требуется. К плавковой сварке относятся все виды дуговой, газовой и контактной сварки. Важно отметить, что плавление стыков происходит от прямого воздействия тепла, а не вследствие давления или трения.

Сварка в твердом состоянии

При сварке в твердом состоянии тепло не подается напрямую; вместо этого в большинстве случаев приложяется достаточное давление. В зоне контакта под воздействием давления может выделяться тепло, однако температура обычно остается значительно ниже точки плавления основного металла. К этой категории относятся диффузионная, кузнечная, взрывная, контактная, тренчная сварка и др.

Сравнительная таблица отличий

Плавковая сварка	Сварка в твердом состоянии
Стыковые поверхности основных деталей плавятся с образованием шва.	Плавления не происходит; температура стыков всегда ниже точки плавления основного металла.
Тепло подается напрямую извне; давление не требуется.	Тепло не подается напрямую; применяется давление (в большинстве случаев).
Наплавной материал при необходимости легко вводится.	Процессы в основном автогенные; наплавной материал вводить сложно.
Широкая термически измененная зона (ТИЗ) вокруг шва из-за высокого теплового ввода.	ТИЗ узкая (часто пренебрежимо малая), не создает проблем для конструкции.
Интенсивный нагрев и плавление сильно влияют на механические и металлургические свойства.	Свойства меняются незначительно, в пределах допуска.
Сварка разнородных металлов проще.	Сварка разнородных металлов крайне затруднена.
Высокие остаточные деформации из-за большого теплового ввода; требуются жесткие приспособления.	Деформации малы, специальные меры обычно не нужны.
Примеры: вся дуговая, газовая, контактная сварка, сварка интенсивными пучками энергии.	Примеры: диффузионная, контактная, рулонная, холодная, тренчная, кузнечная сварка.

Подробный разбор ключевых различий

Плавление стыковых поверхностей

Как следует из названия, при плавковой сварке стыковые поверхности плавятся для образования шва. Наплавной металл тоже плавится и смешивается с расплавленным основным металлом. При сварке в твердом состоянии плавления нет — соединение происходит в твердом состоянии. Хотя под воздействием давления и трения температура может повышаться, она остается ниже точки плавления, поэтому плавления не происходит. Это и есть главное отличие.

Применение тепла и давления

При плавковой сварке тепло обязательно подается извне: электрическая дуга (дуговая сварка), горение кислород-топливной смеси (газовая сварка), тепло электрического сопротивления (контактная сварка), интенсивные пучки — плазма, лазер, электронный луч (ПЛС, ЛБС, ЭЛС). При сварке в твердом состоянии требуется давление; тепло может выделиться как побочный эффект давления, трения и т.д.

Применение наплавного материала

Наплавной материал нужен для заполнения корневого зазора. По применению наплавника и его составу сварку делят на автогенную (без наплавника), однородную (состав наплавника совпадает с основным металлом) и неоднородную (составы отличаются). Плавковая сварка может осуществляться во всех трех режимах, но для неоднородной требуются особые меры. Сварка в твердом состоянии почти всегда автогенная.

Наличие ТИЗ

Зона термического влияния (ТИЗ) — это узкий слой вокруг шва, где материал не плавился, но свойства изменились из-за нагрева и охлаждения. ТИЗ считается слабым участком, подверженным механическому и химическому разрушению. При плавковой сварке ТИЗ широкая из-за нагрева выше точки плавления; при сварке в твердом состоянии ТИЗ узкая или пренебрежимо малая.

Изменение механических и металлургических свойств

Металлургические свойства (ориентация зерен, структура, дефекты кристаллической решетки) и механические (прочность, твердость, вязкость) меняются под воздействием теплового цикла. При плавковой сварке изменения сильны; при сварке в твердом состоянии — минимальны и допустимы.

Способность к сварке разнородных металлов

Одна из главных преимуществ сварки — герметичное соединение разнородных материалов. Но не каждый процесс для этого подходит. Поскольку сварка разнородных металлов — это неоднородная сварка, только некоторые плавковые процессы способны на это при строгом соблюдении режимов. Сварка в твердом состоянии для этого не подходит.

Уровень деформаций

Из-за неравномерного расширения и сжатия при нагреве и охлаждении конструкции деформируются, что ведет к браку. Склонность к деформации растет с тепловым вводом. При плавковой сварке деформации выше, требуются приспособления и методы минимизации (перепрыгивание швов, предустановка деталей и т.д.). При сварке в твердом состоянии деформации незначительны.

Примеры процессов

Плавковая сварка: все виды дуговой сварки (РДС, ПДС, ВДС, АДС, ФКС, ЭС и др.), газовой (КГС, ОГС, АГС, ПГС и др.), контактной (ТС, ТСП, ШС, УС, НС и др.), сварка интенсивными пучками (ПЛС, ЛБС, ЭЛС).
Сварка в твердом состоянии: диффузионная (ДС), контактная (КС), рулонная (РС), холодная (ХС), тренчная (ТрС), кузнечная (КуС) и др.

В статье представлено научное сравнение плавковой сварки и сварки в твердом состоянии. Для глубокого понимания темы рекомендуется обратиться к следующим источникам:

1. Difference between fusion welding and solid state welding (difference.minaprem.com).
2. Welding Defects, M. Preto (1-е изд., Aracne).
3. Physical Chemistry of Fusion Welding, G. F. Deyev и D. G. Deyev (1-е изд., DGD Press).