Физические основы сварки

Группа методов сварки в твердой фазе

Введение

Традиционные способы сварки во многих случаях не могут быть применены для соединения деталей из высокопрочных, коррозионностойких, магнитных и других специальных материалов, используемых в электротехнической, электронной промышленности, а так же ядерной, космической технике, поскольку расплавление металла, протекание рекристаллизационных процессов и фазовых превращений, обусловленных термическим циклом сварки, приводит к необратимым изменениям структуры и, соответственно, потере свойств материалов и снижению качества изготовленных из них изделий в целом..

Созданные в последнее время сверхжаропрочные материалы и изделия из них практически не возможно сварить существующими способами сварки плавлением.

В этой связи в 50-х годах появилась группа специальных методов сварки выше названных материалов. Название это условно и связано с относительно редкой разновидностью видов сварки и высокой стоимостью оборудования и технической сложностью осуществления технологического процесса.

Несмотря на относительно небольшой объём применения, значение этой группы способов сварки весьма велико.

В настоящее время в сварочном производстве находят применение специальные методы сварки, которые можно разделить на две группы – сварки в твердой фазе и сварки плавлением с применением высокоэффективных источников энергии.

Особое место в производстве конструкций занимает пайка. Значительный прогресс в её развитии достигнут в самолётостроении, радиоэлектронике, ракетной технике и атомной промышленности.

В настоящее время используются способы сварки, при которых соединение деталей осуществляется в твердой фазе при температурах ниже точки плавления свариваемых материалов с приложением давления, достаточного для создания необходимой пластической деформации деталей в зоне сварки. В соответствии с ГОСТ 2601-84 к группе сварки давлением относятся следующие: сварка взрывом, магнито - импульсная, кузнечная, прокаткой, газопрессовая, диффузионная, трением, ультразвуковая, холодная и др.

Физические и химические свойства твердых тел определяются их строением и природой межатомных связей, поэтому для получения соединения необходимо сформировать между свариваемыми поверхностями химические связи, аналогичные связям в твердых телах. Для установления механизма образования сварного соединения и принципов построения технологии сварки в твердой фазе необходимо знание природы и характера сил, действующих в свариваемых материалах.

В узлах кристаллической решетки твердых тел располагаются атомы (ионы) между которыми существует химические связи — ионная, ковалентная, металлическая, силы Ван-дер-Ваальса.

В ионных кристаллах - в узлах решетки находятся ионы таким образом, что силы кулоновского притяжения между ионами противоположного знака больше, чем силы отталкивания между ионами одного знака.

Ионная связь обусловлена в основном электростатическим взаимодействием противоположно заряженных ионов.

Межатомные связи могут быть вызваны обобществлением валентных электронов. Такие связи называются ковалентными. Они возникают на основе обменного взаимодействия или обменного эффекта, обусловленного обменом атомов электронами и имеющего квантовую природу. Ковалентная связь имеет строго направленный характер. Все ковалентные связи, исходящие от данного атома, жестко связывают его с каждым другим атомом, образуя гигантскую молекулу. Пластическая деформация кристаллов с такими связями возможна только при повышенной температуре.

При образовании металлических кристаллов атомы сближаются на такое расстояние, когда волновые функции валентных электронов существенно перекрываются. Валентные электроны получают возможность переходить от одного атома к другому, поэтому валентные электроны принято называть коллективизированными. Металлическую связь в таких кристаллах можно представить как связь, возникающую вследствие действия сил притяжения между положительно заряженными ионами решетки и коллективизированными электронами, образующие так называемый электронный газ, оказывающий отталкивающее действие.

Все атомы, ионы, молекулы испытывают слабое взаимное притяжение, которое обусловлено силами Ван-дер-Ваальса. Источником этих сил является поляризационный эффект, вызываемый влиянием поля электронов, движущихся вокруг ядра одного атома на движение электронов вокруг ядра соседнего атома. Связь Ван-дер-Ваальса наиболее универсальная и возникает между новыми частицами, но это самая слабая связь, энергия которой на два порядка ниже энергии связи ионных и ковалентных кристаллов.

Процесс образования металлического соединения при холодной сварке в идеальном случае можно представить следующим образом. При сближении двух металлических элементов происходит коллективизация электронов, вылетающих с их поверхностей, в результате чего возникают силы взаимодействия между поверхностями. При достаточном сближении их образуется общее электронное облако и, следовательно, единый агрегат.

Из этих рассуждений следует, что при сближении идеально гладких и чистых поверхностей между ними самопроизвольно возникают межатомные силы взаимодействия, т.е. происходит образование соединения.

Поверхности реальных металлических тел представляют собой сложные системы, которые можно охарактеризовать геометрией рельефа и физико-химическим состоянием.

После механической обработки на поверхности металлов появляется макроскопическая (волнистость) и микроскопическая (шероховатость) геометрическая неоднородность. Микро выступы располагаются на волнистой поверхности, шаг которых может составлять от 1000 до 10000 мкм, а высота от нескольких мкм до нескольких десятков:

- черновая обработка резцом — 80 мкм;

- чистовая обработка резцом — 10 мкм;

- грубое шлифование — 6,3 мкм;

- полирование — 0,4 мкм;

- особо чистое полирование — 0,05 мкм.

При сближении таких поверхностей их контакт произойдет не по всей плоскости, а лишь в отдельных точках. Вследствие наличия микронеровностей действительная площадь поверхностей металла во много раз превышает площадь, замеренную обычными традиционными методами.

В верхних слоях металла сосредоточено значительная поверхностная энергия. Она обусловлена наличием некомпенсированных металлических связей, дислокаций, вакансий, что в совокупности с развитой поверхностью в микро- и ультрамикронеровности вызывает активное взаимодействие атомов металла, расположенных на поверхности, с внешней средой.

Над металлической поверхностью существует облако непрерывно движущихся электронов, покидающих металл и снова возвращающихся в него. Благодаря этому процессу поверхность металла покрыта двойным электрическим слоем: минус – облако электронов и плюс – дырки верхних слоев металла (за счет покинувших металл свободных электронов). Плотность энергии этого слоя непостоянна и зависит от микро-геометрии поверхности. Наибольший потенциал концентрируется на остриях микро-выступов, поэтому они являются наиболее активными участками поверхности. Вследствие высокой активности поверхностных слоев металла поверхность его всегда покрыта окислами, жидкими и газовыми пленками.

Идеально чистая поверхность, свободная от окисных пленок и адсорбированных слоев жидкостных и газовых молекул, может быть создана в очень глубоком вакууме.

Время, необходимое для адсорбированния мономолекулярного слоя газа в атмосфере воздуха при 20 ºС и различном давлении составляет:

давление, МПа 10⁵ 1,0 10^-5

время, с 2,4·10^-9 1,8·10^-4 18

Молекулы кислорода, попадая на металл, расщепляются на атомы, химически взаимодействующие с металлом и образующие очень прочные направленные связи. Такой процесс называется хемосорбцией. Она в большинстве случаев сопровождается образованием оксидной пленки по реакции:

m·Me + 0,5·n·O₂ = Me_mO_n. (1.1)

Поэтому поверхности металла мгновенно покрываются пленками окислов, а также адсорбированных молекул газа, воды и жировых веществ, что служит существенным барьером для получения качественного сварного соединения. Это связано с силами межатомного взаимодействия, которые перестают действовать уже на расстоянии порядка 1 нм. Кроме того, кислород насыщает связи поверхностных атомов металла. Полное удаление оксидов возможно только в процессе сварки, а не предварительной очистки. Газы, влага, органические загрязнения затрудняют сварку при комнатной температуре или нагреве до невысоких температур.

Существуют различные представления для объяснения сущности процессов сварки в твердой фазе: С.Б. Айнбиндер – пленочная гипотеза; А.Л. Семенов – энергетическая гипотеза; Паркс – гипотеза о рекристаллизации; Б.И. Костенко и И.П. Ивженко – деформационная гипотеза и др.

Рассмотренные гипотезы освещают лишь отдельные стороны процесса сварки.

Сущность процесса соединения металлов в твердой фазе последовательно объясняется теорией изложенной в работах Ю.Л. Красулина, М.Х. Шоршорова, Э.С. Каракозова и др. Согласно этой теории процесс характеризуется стадийностью топохимических реакций.

Различают три стадии процесса сварки:

1 образование физического контакта;

2 активация контактных поверхностей;

3 развитие объемного взаимодействия.

Однако это деление оправдано только для микроскопических участков контакта.

При сварке давлением осуществление процессов на стадиях происходит по-разному. Пластическое деформирование в зоне соединения может осуществляться с нагревом, либо без нагрева. Процесс может протекать на воздухе или в контролируемой среде, а иногда он сопровождается взаимным перемещением свариваемых деталей - трением.

Дата добавления: 2014-11-06