Неровный В.М. Теория сварочных процессов (Неровный, Коновалов, Куркин - Теория сварочных процессов), страница 3

14 На первой стадии (А) развивается фи- еский контакт, т. е. осуществляется ближение соединяемых веществ на расстояния, требуемые для межатомного взаимодействия. При этом энергетические уровни связи соответствуют уровням, характерным для физической адсорбции (глп — — 0,04...0,4 кДж1моль). На второй стадии (Б) — стадии химического вза- Рис. 1лх Кинетика измеимодейсгвия (схватывания) — заканчива- пения прочности соелинеется процесс образования прочного ния о в зависимости от соединения. Схватывание — бездиффузи- длительности сварки 1 онный процесс и в ри ци е може происходить при любых температурах, если возможна микропластическая деформа- дий образования физичеция.

ского контакта (А) и На практике получение монолитных химического взаимодейсгсоединений осложняется тем, что свари- вия (Б) ваемые поверхности имеют: — микронеровности = 10 м даже при тщательной обработке (поэтому при совмещении поверхностей контакт возможен лишь в отдельных точках); — загрязнения, так как на любой поверхности твердого тела адсорбируются атомы внешней среды. Для монолитного соединения материалов при сварке необходимо обеспечить контакт по большей части стыкуемых поверхностей и их активацию. Энергия активации. Активация поверхности заключается в том, что поверхностным атомам твердого тела сообщается некоторая энергия, необходимая: — для разрыва старых связей между атомами тела и атомами внешней среды, обусловленных физико-химическим состоянием поверхности; — для повышения энергии поверхностных атомов до уровня потенциального барьера, при котором возможно образование новых химических связей, т.

е. схватывание. В общем случае энергия активации может быть сообщена в форме теплоты (термическая активация), упругопластической деформации (механическая активация), электронного„ионного и других видов облучения (раднационная активация). 15 1.22. Сварка плавлением и давлением При сварке плавлением (и пайке) сближение атомов твердых тел осуществляется вследствие смачивания поверхностей твердых тел жидким металлом (припоем, расплавом), а активация поверхности твердого тела (металла) обеспечивается путем сообщения частицам поверхности тепловой энергии.

Жидкий металл может растекаться по всей поверхности твердого тела, и при этом происходят соприкосновение и прилипание (или адгезия) его молекул и поверхностного слоя твердого тела. При затвердевании расплавленного металла слабые агдезионные связи заменяются прочными химическими связями, соответствующими природе соединяемых материалов и типу их кристаллической решетки.

При сварке плавлением вводимая энергия (обычно тепловая) должна обеспечивать расплавление основного и присадочного металлов, оплавление стыка, нагрев кромки и т. д. При этом происходит усиленная диффузия компонентов в расплавленном и твердом металле, их взаимное растворение. Эти процессы, а также кристаллизация расплавленного металла сварочной ванны (или припоя) обеспечивают объемное строение зоны сварки, что обычно повышает прочность сварного соединения. Сварка плавлением происходит без приложения осадочного давления, т. е, осуществляется путем спонтанного слияния объемов жидкого металла, и обычно не требуется тщательной подготовки и зачистки соединяемых поверхностей.

При сварке плавлением обе стадии процесса соединения — физический адгезионный контакт и химическое взаимодействие, сопровождаемое диффузией, — протекают достаточно быстро (см. Рис. 1.3, кривая 1), Для однородных металлов это не опасно. Но в случае разнородных материалов с ограниченной взаимной растворимостью практически трудно получить соединения без хрупких интерметаллических прослоек в зоне контакта. При быстром образовании физического контакта твердого тела с расплавом, например при сварке путем расплавления одного из соединяемых металлов, сначала на границе твердой и жидкой фаз будет наблюдаться пик межфазной энергии ш„аналогичный в в (см.

Рис. 1.2), так как переход атомной системы в новое состояние происходит не мгновенно, а за некоторый конечный промежуток времени. Длительность так называемого периода ретардации (задержки) пика поверхности раздела может быть приближенно рассчитана как время жизни атома перед потенциальным барьером или определена экспериментально. На основании этих данных можно определить допустимую длительность контакта твердой и жидкой фаз и оптимальную температуру сварки или пайки.

При сварке давлением (в твердой фазе) сближение атомов и активация поверхностей достигаются в результате совместного упругопластического деформирования соединяемых материалов в зоне контакта, часто одновременно с дополнительным нагревом. длительность стадий (см. Рис. 1.3) образования физического контакта (А) и химического взаимодействия (Б) при сварке давлением существенно больше, чем при сварке плавлением, и зависит от ряда факторов: физико-химических и механических свойств соединяемых материалов, состояния их поверхностей, состава внешней среды„температуры нагрева, схемы приложения давления или других средств активации (ультразвука, трения и т. д.). В последнее время предложены методы приближенного расчета параметров режима сварки статическим давлением, которые подтверждаются экспериментально.

Длительность процесса образования физического контакта, заключающегося в снятии микро- неровностей, рассчитывают по скорости ползучести. Длительность второй стадии — химического взаимодействия — оценивают по уравнению Больцмана как длительность периода активации. Расчеты основаны на представлениях о схватывании материалов в результате ползучести на контактных поверхностях и образовании прочных химических связей в местах выхода и перемещения вакансий, дислокаций и скоплений. Выход дислокации на контактную поверхность активирует ее путем разрыва насыщенных связей, что приводит к образованию активных центров. Вместе с тем процесс получения работоспособного соединения в большинстве случаев (особенно при наличии сопутствующего нагрева) не заканчивается схватыванием.

Дальнейшее его развитие происходит в результате диффузионных перемещений атомов чеРез границу контакта на стадии обьелзного взаимодействия, которой и завершается сварка. Ясно, что в случаях, когда сварка давлением осуществляется без внешнего нагрева (холодная сварка, сварка взрывом и др.), так называемая третья стадия (стадия объемного взаимодействия) не получает существенного развития и соединение завершается на стадии схватывания. Относительная роль схватывания и объемного взаимодействия в Разных методах соединения металлов различна и определяется в основном температурой, временем и давлением в зоне контакта.

Например, при диффузионной сварке, как правило, объемное взаимодействие получает заметное развитие и соединение завершается образованием общих зерен в зоне контакта. 16 17 1.2.3. Пайка и склеивание Пайкой называется образование соединения с межатомными связями в результате нагрева соединяемых металлов (ниже температуры их плавления), смачивания их расплавленным припоем, затекания припоя в зазор и последующей его кристаллизации. Сварку и пайку часто бывает трудно разграничить. Например, на пайку похожа сварка разнородных металлов в сочетаниях сталь и медь, вольфрам и молибден и др., когда расплавляется только один, более легкоплавкий металл.

Поэтому в дальнейшем при анализе источников энергии целесообразно объединить сварку и пайку и называть рассматриваемые процессы одним термином — сварка. Пайку можно выполнить с использованием тех же источников энергии, что и сварку. Образование непрерывной межатомной связи при пайке происходит в процессе смачивания припоем поверхности соединяемых деталей. Смачивание и связь твердого тела с жидкостью обусловлены электростатическими силами Ван-дер-Ваалъса и силами химического взаимодействия.

Адгезию и когезию между твердым н жидким веществами обычно принято называть смачиванием. Различают три типа смачивания; 1) физическое (или обратимое); 2) хемоадсорбционное; 3) химическое смачивание, при котором имеет место растворение одного вещества в другом, взаимное растворение или химическая реакция. Для осуществления химического смачивания при пайке необходим нагрев деталей и припоя, а также активация в специальных средах при обработке поверхности флюсом.

Склеивание может происходить практически без введения энергии в месте соединения благодаря силам адгезии (прилипания) между жидким клеем и молекулами поверхностных слоев твердого тела, а также в результате химических реакций. Способность клея соединять изделия объясняется силами остаточного химического сродства между находящимися на поверхности молекулами клея и склеиваемого материала. Эти силы примерно в 10 — 100 раз меньше основных снл химической связи в простых молекулах.