ТЕОРИЯ сварочных процессов

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.