УП ФОИЭС (Учебное пособие ФОИЭС Неровный), страница 3

Для однородных металлов это неопасно. 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, сначалана границе твердой и жидкой фаз будет наблюдаться пик межфазной энергии ωг,аналогичный ωп (см. рис. 1.2,б), так как переход атомной системы в новое состояниепроисходит не мгновенно, а за некоторый конечный промежуток времени.

Длительность так называемого периода ретардации (задержки) пика поверхности разделаможет быть приближенно рассчитана как время жизни атома перед потенциальнымбарьером или определена опытным путем. На основании этих данных можно определить допустимую длительность контакта твердой и жидкой фаз и оптимальнуютемпературу сварки или пайки.При сварке давлением (в твердой фазе) сближение атомов и активация (очистка) поверхностей достигаются в результате совместной упругопластической дефор-10мации соединяемых материалов в контакте, часто одновременно с дополнительнымнагревом.Длительность стадий 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 поверхности, состава внешней среды, температуры нагрева, схемы приложения давления и других средств активации (ультразвук,трение и т.

д.).В последнее время предложены методы приближенного расчета параметроврежима сварки статическим давлением, которые подтверждаются опытом. Длительность процесса образования физического контакта, заключающегося в снятии микронеровностей, 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 результатеползучести на контактных поверхностях и образовании прочных химических связей вместах выхода и перемещения вакансий, дислокаций и скоплений.

Выход дислокациина контактную поверхность активирует ее путем разрыва насыщенных связей, чтоприводит к образованию активных центров.Вместе с тем, процесс получения работоспособного соединения в большинствеслучаев (особенно при наличии сопутствующего нагрева) не заканчивается схватыванием. Дальнейшее его развитие происходит в результате диффузионных перемещений атомов через границу контакта на стадии объемного взаимодействия, которой и завершается сварка. Ясно, что в случаях, когда сварка давлением осуществляется без внешнего нагрева (холодная сварка, сварка взрывом и др.), стадия объемного взаимодействия не получает существенного развития и соединение завершаетсяна стадии схватывания.Относительная роль схватывания и объемного взаимодействия в разных методах соединения металлов различна и определяется в основном температурой, временем и давлением в контакте.

Например, при диффузионной сварке, как правило,объемное взаимодействие получает заметное развитие и соединение завершаетсяобразованием общих зерен в зоне контакта.1.2.3. Пайка и склеиваниеПайкой называется образование соединения с межатомными связями путем 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 сваркаразнородных металлов в сочетаниях сталь и медь, вольфрам и молибден и др., когдарасплавляется только один, более легкоплавкий металл.

Поэтому в дальнейшем прианализе источников энергии целесообразно объединять сварку и пайку одним термином — сварка. Пайку можно выполнить с использованием тех же энергетических процессов, что и сварку.11Образование непрерывной межатомной связи при пайке происходит в процессесмачивания припоем поверхности соединяемых деталей. Смачивание и связь твердого тела с жидкостью может определяться электростатическими силами Ван-дерВаальса и силами химического взаимодействия.Адгезию и когезию между твердым и 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 иприпоя, 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 химическим реакциям.

Способность клеясоединять изделия объясняется силами остаточного химического сродства междунаходящимися на поверхности молекулами клея и склеиваемого материала. Эти силы примерно в 10…100 раз меньше основных сил химической связи в простых молекулах. Они, например, порождают у жидкостей явление поверхностного натяжения,способность смачивать или не смачивать поверхности различных материалов.В случае высокомолекулярных соединений, когда мономерная молекула, повторяясь в полимере тысячи раз, образует макромолекулу, силы адгезии возрастаютпропорционально росту молекулярной массы. Эти силы, имея электрическую природу, в значительной степени зависят от химической структуры клея и склеиваемогоматериала.Полярные группы — карбоксильные, спиртовые, амино-, эпоксидные и другие —значительно увеличивают адгезию клея к полярным материалам.

Для увеличения адгезионных сил при склеивании некоторых неполярных материалов последние подвергают термической или химической обработке в целях получения на их поверхности некоторого количества полярных групп. Наличие или отсутствие адгезии клея ксклеиваемому материалу легко определить по смачиваемости клеем этого материала. Для улучшения агдезии во всех случаях склеиваемая поверхность подвергаетсятщательной очистке и обезжириванию (иногда искусственно повышается степень еешероховатости).Однако прочность клеевого соединения определяется не только адгезией, но икогезией, т.е.

силами взаимодействия между молекулами самого клея. Силы когезиитермопластических клеев имеют ту же природу, что и силы адгезии. У клеев на основе термореактивных связующих когезионные силы внутри клеевого шва после его отвердевания будут усиливаться также благодаря образованию обычных химическихсвязей.Таким образом, прочность клеевых соединений определяется химическими имежмолекулярными силами притяжения элементарных частиц клея и склеиваемогоматериала. В начальной стадии процесса, когда силы взаимодействия, обусловленные смачиванием и межмолекулярным взаимодействием частиц, в основном слабы,12прочность клеевого соединения мала.

Далее при возникновении химических связейпрочность увеличивается.Существенное отличие склеивания от большинства процессов сварки и пайки —то, что при затвердевании клея вследствие охлаждения, полимеризации и других физико-химических явлений взаимное растворение и диффузия соединяемых материалов, как правило, полностью отсутствуют.1.3.

Термодинамика и баланс энергии процесса сварки1.3.1. Термодинамическое определение сваркиАнализ физико-химических особенностей получения сварных и паяных соединений позволяет установить наличие в зоне сварки двух основных физических явлений,связанных с необратимым изменением состояния энергии и вещества (рис. 1.4):введение и преобразования энергии; движение (превращение) вещества.Рис. 1.4. Схема термодинамических превращений энергии ивещества при сваркеВид, интенсивность вводимой энергии и характер ее преобразования — вотглавное, что определяет способ сварки.

Введение энергии — всегда необходимоеусловие сварки, так как без этого невозможна активация соединяемых поверхностей.Введение вещества необходимо только при некоторых видах сварки плавлением, ипайки, причем энергия в этих случаях может вводиться также с расплавленным материалом.Характер движения (переноса) вещества в зоне сварки сильно меняется от процесса к процессу. Движение значительно при сварке плавлением и пайке, особеннопри наличии присадочного материала.

При сварке давлением с нагревом материал взоне стыка испытывает незначительные превращения и существенно только движение вещества через стык в результате диффузии. Холодная сварка реализуетсяпрактически без движения вещества, если не учитывать переползания дислокаций ивыхода их на поверхность.Исходя из сказанного, можно дать так называемое термодинамическое определение процесса сварки: сварка — это процесс получения монолитного соединенияматериалов за счет термодинамически необратимого превращения тепловой и механической энергии и вещества в месте соединения.13Склеивание, цементирование и другие соединительные процессы, обеспечивающие монолитность соединения, в отличие от сварки и пайки, как правило, не требуют специальных источников энергии.

Они реализуются обычно только за счет введения (превращения) вещества (клея, цемента и т. д.) (рис. 1.5).Рис. 1.5. Схема получения монолитного соединения при сварке,пайке и склеиванииКроме самого общего, термодинамического, возможны и другие определениясварки. Например, в технологическом аспекте, согласно ГОСТ 2601-84, сварка – этопроцесс получения неразъемных соединений посредством установления межатомных связей между свариваемыми частями при их местном нагреве или пластическомдеформировании, или совместном действии того и другого.