Трущийся контакт и сварка трением
При сварке трением процесс организуют так, что механическая энергия вращающихся (или поступательно перемещающихся относительно друг друга) контактирующих тел переходит в тепловую. Выделение теплоты при этом происходит непосредственно на свариваемых поверхностях. После разогрева поверхностей до требуемых температур осуществляется остановка деталей и их сдавливание (осадка), в результате которого образуется сварное соединение.
В начальный момент при сварке трением коэффициент трения имеет максимальное значение. Соответственно затраты мощности и тепловыделение в месте трущегося контакта возрастают. В процессе контакта (движения) коэффициент трения на этом участке падает и выделение теплоты уменьшается, затем при нагреве до
700.. .800 К испаряются и выгорают жировые пленки, а коэффициент трения растет. Одновременно начинает проявляться местное схватывание соединяемых поверхностей, что вызывает интенсивное тепловыделение. С повышением температуры число участков схватывания растет, а их прочность снижается. Понижается также и тепловыделение вследствие уменьшения коэффициента трения в результате появления на трущихся поверхностях жидкого металла, играющего роль смазки. На этом участке движения устанавливается квазиравновесное состояние, затем следуют резкое торможение и осадка.
Сварка трением в отличие от контактной стыковой сварки требует меньших затрат энергии (поскольку нет потерь на тепловыделение в объеме свариваемых деталей и в токоподводящих элементах) и в ряде случаев обеспечивает более благоприятное распределение температур в зоне сварки. Это особенно важно при сварке разнородных материалов (например, при изготовлении биметаллического инструмента из углеродистых и быстрорежущих сталей).
В последние годы находит все большее применение способ сварки трением с перемешиванием, позволяющий получать различные соединения листовых заготовок. Сварочный процесс (рис. 4.3)
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-Ваальса 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 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 сил химической связи в простых молекулах. Они, например, обусловливают 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 возрастают прямо пропорционально росту молекулярной массы. Эти силы, имея электрическую природу, в значительной степени зависят от химической структуры клея и склеиваемого материала.
Полярные группы - карбоксильные, спиртовые, эпоксидные, аминогруппы и другие - значительно увеличивают адгезию клея к полярным материалам. Для увеличения адгезионных сил при склеивании некоторые неполярные материалы подвергают термической или химической обработке с целью получения на их поверхности полярных групп. Наличие или отсутствие адгезии клея к склеиваемому материалу легко определить по смачиваемости клеем этого материала. Для улучшения агдезии во всех случаях склеиваемую поверхность подвергают тщательной очистке и обезжириванию (иногда искусственно повышают степень ее шероховатости).
Однако прочность клеевого соединения определяется не только адгезией, но и когезией, т. е. силами взаимодействия между молекулами самого клея. Силы когезии термопластических 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 химических связей.
Таким образом, прочность клеевых соединений определяется химическими и межмолекулярными силами притяжения частиц клея и склеиваемого материала. В начальной стадии процесса, когда силы взаимодействия, обусловленные смачиванием и межмоле - кулярным взаимодействием частиц, в основном слабы, прочность клеевого соединения мала. Далее при возникновении химических связей прочность увеличивается.
Существенное отличие склеивания от большинства сварочных процессов и пайки заключается в том, что при затвердевании клея вследствие охлаждения, полимеризации и других физико-химических явлений взаимное растворение и диффузия соединяемых материалов, как правило, полностью отсутствуют.
