СВАРОЧНЫЕ ПРОЦЕССЫ В ЭЛЕКТРОННОМ МАШИНОСТРОЕНИИ

Образование соединений при сварке давлением

Использование механической энергии для получения сварных соединений позволяет выделить большой класс способов сварки давлением. Приложенное давление является той силой, которая обеспечивает образование монолитного соединения из отдельных самостоятельных элементов.

Если при сварке плавлением механизм образования соединения достаточно нагляден (его можно непосредственно наблюдать по расплавлению свариваемых кромок и изменению размеров сварочной ванны), то при сварке давлением образование прочного соединения (схватывание) элементов происходит в твердой фазе, т. е. зона соединения недоступна для непосредственного наблюдения. В схватывании участвует огромное число атомов (примерно 1014 ат/см2) со стороны каждого из материалов, а на скорость образования соединения влияет большое число внешних (температура, состав среды, давление и характер его приложения) и внутренних (структура материала, его механические свойства, состояние поверхности, условия пластической деформации и др.) факторов.

В проблему объяснения механизмов схватывания материалов в твердой фазе внесли существенный вклад советские ученые: академики С. Б. Айбиндер, А. А. Бочвар, К. К. Хренов, профессора А. П. Семенов, Ю. Л. Красулин, К. А. Кочергин, М. Х. Шоршоров, Э. С. Каракозов, В. П. Алехин и многие другие.

Был выдвинут ряд гипотез о ведущем влиянии того или иного физического явления на механизм схватывания материалов в твердой фазе. Получен ряд расчетных методов, позволяющих произвести оценку влияния отдельных факторов на механизм схватывания и на этой основе с определенной степенью точности рассчитывать режимы сварки. Однако единой теории образования сварных соединений давлением не существует.

Прежде всего была обоснована энергетическая целесообразность рассматриваемого процесса. Действительно, поскольку при сварке «исчезают» в зоне стыка части поверхности соединяемых элементов, соответственно уменьшается и поверхностная энергия. Так как любая система стремится к состоянию с меньшей свободной энергией, то процесс сварки является энергетически выгодным.

С другой стороны, известно, что переход из одного устойчивого состояния в другое, более устойчивое, не может произойти самопроизвольно. Для этого необходимо активировать поверхностные атомы, т. е. затратить дополнительную энергию на их способность перехода в новое состояние. Количество энергии активации зависит от свойств материала и его энергетического состояния перед сваркой. Предварительный наклеп или подогрев частично возбуждают поверхностные атомы и поэтому требуется меньшая энергия для схватывания.

Свою гипотезу схватывания материалов профессор А. П. Семенов назвал энергетической. Он показал, что для начала процесса необходимо обеспечить контакт поверхностей, очищенных от загрязнений и окислов, т. е. таким образом провести пластическую деформацию в зоне контакта, чтобы поверхностный загрязненный слой был не только разрушен, но и вынесен (выдавлен) из зоны соединения. Одним из важнейших достижений энергетической гипотезы является введение количественного критерия процесса схватывания - относительной деформации схватывания є, т. е. той минимальной степени деформации, при которой он начинается (рис. 75).

Исследуемые материалы (пластины 2) предварительно подвергаются деформированию усилием Р в пуансонах 1, 3 (рис. 75, а), а затем полученное соединение разрушается с помощью клина 4 (рис. 75, б) с целью определения

минимальной глубины вдавливания пуансона (hmin).

Относительную деформацию схватывания є определяют по формуле

h

є =11™^. 100 % ,

8

где hmin - минимальная глубина вдавливания пуансона, при которой началось схватывание; 5 - начальная толщина пластины в месте схватывания.

Этот очень удобный показатель способности к схватыванию зависит как от свариваемого материала, так и от условий сварки и широко применяется многими исследователями, как единая характеристика способности материала образовывать сварные соединения в заданных условиях.

К сварке давлением относятся все способы, при которых металл может иметь в зоне соединения любую температуру, от комнатной и до температуры плавления, но соединение происходит под действием давления.

Физическая природа связей, обусловливающих образование прочного соединения при сварке плавлением и давлением, одинакова, однако пути создания условий для схватывания различны. Процесс схватывания в твердой
фазе представляют как химическую реакцию на поверхности (топохимическую реакцию), в результате которой между атомами соединяемых поверхностей устанавливаются связи, аналогичные связям в объеме кристаллической решетки. Обычно это взаимодействие (реакция) проходит несколько последовательных стадий.

Идеализированная схема соединения монокристаллов А и В одного и того же вещества, обладающих идеальной кристаллической решеткой с параметром «а», с одинаково ориентированными кристаллографическими осями, с абсолютно ровными и чистыми поверхностями I-I и II-II, когда процесс происходит в вакууме, показана на рис. 76. Поверхностные атомы твердого тела обладают некоторым избытком свободной энергии, так как они окружены меньшим числом соседей, и их связи не все задействованы равномерно. Поэтому поверхность твердого тела обладает способностью притягивать атомы и молекулы различных веществ из окружающей среды - способностью к адсорбции.

А

А I <—► II В

процесса схватывания носит название стадии образования физического контакта. Только после образования такого контакта можно говорить о следующей стадии - взаимодействия поверхностных атомов с целью создания единой кристаллической решетки в месте соединения двух монокристаллов. К моменту образования физического контакта на поверхности раздела существуют слабые силы притяжения - силы Ван-дер-Ваальса. Следующий этап взаимодействия - создание единой и непрерывной кристаллической решетки за счет возникновения химических связей (для металлов - металлических связей) между поверхностными атомами. Свободная энергия монолита будет меньше суммы свободных энергий монокристаллов на значение двух поверхностных энергий с исчезнувших в процессе соединения поверхностей I-I и II-II. Таким образом, процесс образования монолита приводит систему в более устойчивое состояние с меньшим запасом свободной энергии. Значит ли это, что процесс образования химических связей, процесс сварки после образования физического контакта будут происходить самопроизвольно? Конечно, нет. Как камень, устойчиво покоящийся на склоне (крыше здания), самопроизвольно не скатится в долину, не реализует избыточный запас потенциальной энергии без дополнительной энергии, выводящей его из этого устойчивого положения; так и поверхностные атомы монокристалла должны получить дополнительную энергию активации, чтобы перейти в новое устойчивое состояние.

Таким образом, следующая стадия образования соединения - образование химических связей - также требует введения энергии в соединяемые вещества.

Для соединения материалов сварщики пользуются практически всеми видами и разновидностями энергии, которые освоило человечество (солнечная, химическая, механическая, электрическая, электромагнитная, энергия возбужденных атомов и нейтронов и т. д.). Особенностью сварки материалов в твердом состоянии является то, что для образования физического контакта и создания условий для химического взаимодействия материалов без расплавления к ним необходимо приложить механическую энергию - энергию, затрачиваемую на сближение кристаллических решеток. Поэтому все способы сварки материалов в твердом состоянии в сварочной классификации относятся к способам сварки с приложенным давлением или называются просто сваркой давлением. По виду энергии активации поверхности эти способы относятся к М-процессам (механическая активация).