2 (Конспект лекций (Свариваемость металлов и сплавов))

Занятие 2 – лекция №2. Физико-химические процессы сварки плавлением, давлением, пайки и их влияние на свариваемость.

Трудоемкость _2__ часов.

Физико-химические особенности получения сварных и паяных соединений. Все физико-химические образования на границе двух соединяемых частей материалов. Механизм возникновения, законы и особенности сил, вызывающих образование соединений. Основы физического строения металлов и его значение для сварки. Возникновение сил сцепления при сварке в жидкой фазе. Возникновение сил сцепления при сварке металлов в твёрдой фазе. Сцепление твёрдых металлов с расплавленным припоем.

2 Основы физического строения металлов и его значение для сварки.

Свойства металлов определяются следующими основными факторами:

1. Характером и величиной сил связей между атомами;

2. Типом решетки, в которой кристаллизуется данный металл;

3. Наличием несовершенств структуры, их количеством и типом;

4. Формой и размером зёрен;

5. Составом и свойствами межкристалитных прослоек.

Физико-химические особенности получения сварных и паяных соединений.

Все физико-химические образования на границе соприкасания двух соединяемых частей могут развиваться по-разному, но их можно свести к следующим трём случая:

1. они происходят в жидком материале, т.е. в процессе совместного расплавления свариваемых частей и последующей кристаллизации металла шва, что соответствует сварке плавлением;

2. они происходят в материалах, находящихся в твёрдом, пластическом состоянии между поверхностными частицами твёрдых тел, этот случай соответствует сварке с приложением давления;

3. физико-химические образования происходят на границе соприкасания между жидкой и твёрдой фазами, этот случай соответствует пайке и горячему покрытию.

Механизм возникновения, законы и особенности сил, вызывающих образование соединений, весьма своеобразны.

2.1 Возникновение сил сцепления при сварке в жидкой фазе.

Одним из широко применяемых способов создания межатомных связей между свариваемыми твёрдыми телами является расплавление части объема металла, создание общей для обоих тел ванны расплавленного металла (с перемешиванием) и последующей кристаллизацией металла шва. Возникновение связей при сварке плавлением существенно зависит от взаимодействия компонентов, входящих в состав свариваемых материалов – их взаимной растворимости, физических свойств и т.д. Характер взаимной растворимости в жидком состоянии:

1. Компоненты образуют неограниченные взаимные растворы в твёрдом и жидком состоянии. К этой группе относятся все случаи соединения одинаковых металлов, а так же таких пар, как: Fe-Ni; Fe-Cr; Ni-Mn; Ag-Au и др. Происходят процессы растворения и диффузии. Прочность соединений высокая.

2. Ограниченная растворимость компонентов друг в друге. Относятся пары: Fe-Cu, Cu-Zn, и т.д. Процесс кристаллизации каждой из фаз происходит раздельно. Структура металла шва – основные + избыточные фазы.

3. Невозможность образования свариваемыми металлами взаимных растворов. Относятся пары разнородных металлов: Fe- Ag, Fe-Mg, Fe-Pb. Расплавленные металлы кристаллизуются в виде отдельно расположенных зёрен компонентов, не имеющих общих кристаллов и соединяемых между собой только силами сцепления. Это характерно для различных процессов пайки.

2.2 Возникновение сил сцепления при сварке металлов в твёрдой фазе.

Поверхности двух тел первоначально соприкасаются друг с другом отдельными выступами. С приложением давления суммарная площадь соприкасания выступов увеличивается, стремясь к полной площади соприкасания соединяемых частей. Это происходит под действием двух основных факторов: приложенного давления и физико-химических процессов на границе соприкасания. Роль давления – увеличение давления при данной температуре вызывает пластическое деформирование выступов, увеличивает поверхность соприкасания. Процесс сваривания заканчивается образованием на месте бывшей границы соприкасания кристаллического монолитного соединения. Получению прочного монолитного соединения препятствуют: наличие окисных плёнок на поверхности соединяемых металлов, слишком большие неровности, выступы и впадины, а так же возникновение на соединяемых поверхностях слоя адсорбированных газовых молекул. Повышение температуры активизирует процессы сцепления в силу таких причин:

1. при нагреве повышается энергетический уровень атомов, благодаря чему перестройка решётки при контакте различно ориентированных монокристаллов облегчается;

2. повышение температуры обеспечивает пластическую деформацию металлов и снижает величину усилий, нужных для сдавливания образцов;

3. уменьшает собственные напряжения, которые могут разрывать уже образовавшиеся соединения;

4. при высоких температурах возможно растворение окисных плёнок специальными флюсами (окисные плёнки выгорают, если они жировые, частично выгорают в металле).

В результате нагрева изменяется принцип образования соединения по-сравнению со сваркой при низких температурах. Резко возрастает скорость диффузии, причём атомы могут диффузировать не только по объему металла, но и через слой оксидов и тонкие зазоры между поверхностями. Диффузия расширяет зону соединения и делает её объёмней.

К числу процессов, улучшающих сцепление металлов, следует отнести диффузию, растворение, смачивание, рекристаллизацию и т.д. Повышается прочность соединения.

2.3 Сцепление твёрдых металлов с расплавленными.

Эти процессы занимают промежуточное положение. Пайка, омеднение, алитирование, и др. Для их осуществления решающую роль играет сцепление между жидким расплавом и твёрдым металлом. Необходимое условие образования соединения – сближение атомов, которое достигается при смачивании твёрдого тела жидким. Смачивание зависит от химического свойства между контактируемыми металлами, и в первую очередь, от их взаимной растворимости. Смачивание и растекание расплава по поверхности осуществляется за счёт поверхностной диффузии и поэтому обеспечивается при повышении температуры. Для осуществления физико-химического взаимодействия между твёрдым и жидким металлами нужно, чтобы температура твёрдого металла была выше или равна температуре плавления расплава. В данном случае на границе возможно растворение одного металла в другом или образование химических соединений.

Процессы пайки осуществляют с помощью припоев. Для осуществления процесса смачивания иногда применяют нагрев металла в вакууме, в специальных средах или с применением флюсов.