СВАРКА И СВАРИВАЕМЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Физические основы сварки

под общей редакцией докт. техн. наук В. Н. Волченко ТОМ I

Монолитность сварных соединений достигается обеспечением! физико-химических и атомно-молекулярных связей между эле-j ментарными частицами соединяемых тел.

Элементарные связи удерживают каждый атом внутри кри-< сталла симметрично направленными силами. На свободной по­верхности тела атом неуравновешен вследствие отсутствия или ослабления связей с внешней стороны (рис. 1.1,а). Это явление увеличивает потенциальную энергию еп поверхностного слоя. При соединении тел требуется извне механическая или тепло­вая энергия ег для преодоления энергетического барьера (рис. 1.1,6).

Внешняя механическая энергия деформации будет затра­чена на преодоление сил отталкивания, возникающих между поверхностными атомами сближаемых тел. Когда расстояния между ними будут близки к межатомным, в решетке кристал­лов возникают квантовые процессы взаимодействия электрон­ных оболочек атомов. После этого общая энергия системы нач­нет снижаться до уровня, соответствующего энергии ЕІ атомов в решетке целого кристалла, т. е. будет получено монолитное соединение.

Тепловая энергия, сообщенная поверхностным атомам при повышении температуры, увеличивает флуктуационную вероят­ность развития процессов электронного взаимодействия и об­легчает процесс соединения.

Трехстадийность процесса сварки связана с тем, что ее (так же как и пайку) можно отнести к классу так называемых топо - химических реакций. Последние на микроучастках отличаются двухстадийностью процесса образования прочных связей между атомами соединяемых веществ (рис. 1 2). В микрообъемах про­цесс сварки завершается третьей стадией — диффузией

На первой стадии А развивается физический контакт, т. е. осуществляется сближение соединяемых веществ на расстоя­ния, требуемые для межатомного взаимодействия, а также происходит подготовка к взаимодействию. На второй стадии Б — стадии химического взаимодействия — заканчивается про­цесс образования прочного соединения на микроучастке.

Диффузионные процессы развиваются почти одновременно
с прорастанием дислокаций при пластической деформации кон­тактирующих поверхностей либо при наличии высокой темпе­ратуры.

Практическое получение монолитных соединений осложнено двумя факторами.

свариваемые поверхности имеют микронеровности, поэтому

Рис 1 1 Энергетический барьер потенциальной энергии системы ато­мов у поверхности кристалла (а) и иа границе твердой и жидкой фаз в начальный период их контактирования (б)

при совмещении поверхностей контактирование возможно лишь в отдельных точках;

свариваемые поверхности имеют загрязнения, так как иа любой поверхности твердого тела адсорбируются атомы внеш­ней среды.

Для качественного соедине­ния изделий необходимо обеспе­чить контакт по большей части стыкуемых поверхностей и акти­вацию их.

Активация поверхностей со­стоит в том, что поверхностным атомам твердого тела сообщает­ся некоторая энергия, необходи­мая для обрыва связей между атомами тела и атомами внеш­ней среды, насыщающими их свободные связи; для повыше­ния энергии поверхностных ато­мов до уровня энергетического барьера схватывания, т. е. для перевода их в активное состоя­ние. Такая энергия активации может в общем случае быть сообщена в виде теплоты (термическая активация), упруго­пластической деформации (механическая активация), элек­тронного облучения и других видов воздействия.

Определение процесса сварки целесообразно дать, исходя из анализа физико-химических особенностей получения соеди­нений. В зоне сварки можно установить наличие двух основных физических явлений, связанных с термодинамически необрати­мым изменением формы энергии и состояния вещества
(рис. 1.3): введения и преобразования энергии; движения (превращения) вещества.

Исходя из сказанного, можно дать следующее термодинами­ческое определение процесса сварки [1].

Сварка — это процесс получения монолитного соединения материалов за счет термодинамически необратимого превраще­ния тепловой и механической энергии и вещества в стыке.

Склеивание, цементирование и другие соединительные про­цессы, обеспечивающие монолитность соединения, в отличие от сварки и пайки, как правило, не требуют специальных источ-

ников энергии. Они реализуются обычно только за счет вве­дения (преобразования) вещества (клея, цемента и т. д.).

Кроме самого общего, термодинамического, возможны и другие определения сварки. Например, в технологическом ас­пекте, согласно ГОСТ 2601—84, сварка — это процесс получе­ния неразъемных соединений посредством установления меж­атомных связей между свариваемыми частями при их местном нагреве или пластическом деформировании, или совместном действии того и другого.