ОСНОВЫ СВАРОЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА

Механизм образования соединения при сварке давлением

Механизм соединения при сварке давлением состоит из не­скольких взаимосвязанных стадий: соприкосновение свариваемых по­верхностей; ликвидация поверхностных окисных и адсорбированных пленок; активирование поверхностных слоев (за счет деформировании свариваемых материалов, объемных диффузионных процессов, рекри­сталлизации); возникновение вначале поверхностных, а затем и объ­емных металлических связей. Любой металл можно представить, как совокупность положительно заряженных ионов (в идеальном случае расположенных в узлах кристаллической решетки) и свободных элек­тронов, находящихся в постоянном взаимодействии с ионами. Это взаимодействие и определяет целостность металлического тела.

При сближении поверхностей двух металлических тел на рас­стояния, при которых действуют межатомные силы, возможно воз­никновение такого взаимодействия между этими поверхностями. Атомы металла одного тела стремятся к соединению с атомами друго­го тела. Срастаясь, они образуют достаточно большие единые ком­плексы. При сближении идеально чистых, гладких и параллельных поверхностей теоретически возможно самопроизвольное (без введе­ния дополнительной энергии) возникновение металлических связей. В результате, возможно получение соединения, не уступающего по ме­ханическим свойствам основному металлу. Реальные поверхности всегда покрыты пленками окислов, адсорбированных жиров и газов, препятствующих возникновению металлических связей. Любые, даже полированные, поверхности не могут быть выставлены строго парал­лельно и имеют выступы (высотой 0,01.0,1 мкм) и впадины микро­неровностей. Поэтому невозможно обеспечить полное соприкоснове­ние при контакте реальных поверхностей.

Начальное соприкосновение реальных поверхностей происхо­дит по отдельным точкам, расположенным на гребнях микронеровно­стей. Контакт между поверхностями носит дискретный характер Раз­меры суммарной площади контакта зависят от физико-химических свойств и микрогеометрии поверхностей, и составляют 0,01.1% от теоретической площади контакта. При такой площади реального кон­такта, возникшие единичные металлические связи (единичные очаги схватывания) не могут обеспечить требуемой прочности соединения. Эти очаги нельзя называть сварным соединением их можно рассмат­ривать как начальную стадию сварного соединения. Для получения полноценного сварного соединения поверхности необходимо сбли­зить на расстояние r0 (r0 = 0,0001. 0,0005 мкм) (рис. 1.5), достаточное для образования устойчивой связи. Энергия взаимодействия атомов должна быть минимальной. Уравнение энергетического баланса сис­темы имеет вид:

E=U-TS,

где: E - свободная энергия; U - внутренняя энергия системы; T - тем­пература соединения; S - энтропия. Из уравнения баланса следует, что если атомы располагаются на расстояниях, соответствующих мини­муму потенциальной энергии, то система наиболее устойчива. Увели­чение или уменьшение этого расстояния приведет к увеличению энер­гии межатомного взаимодействия. При начальном соприкосновении реальных поверхностей в зазорах между поверхностями устанавлива­ются только адгезионные связи между металлом и газовыми или жид­костными молекулами адсорбированных наслоений, находящихся на поверхности реальных металлических поверхностей. Для развития схватывания и дальнейшего сваривания поверхностей необходимо воздействовать на поверхности давлением, позволяющим пластически деформировать микровыступы, или нагреть поверхности, что приве­дет к увеличению активности и подвижности частиц кристаллической решетки. Пластическое деформирование и нагрев создают в зоне со­единения такую концентрацию энергии, что обеспечивается пере­стройка поверхностных слоев контактирующих тел.

Для получения прочного и надежного сварного соединения не­обходимо расширение зоны соединения, как по площади, так и по глубине. Расширение зоны соединения реальных поверхностей осу­ществляется за счет взаимной диффузии. При значительной разнице в физико-химических свойствах соединяемых поверхностей эта зона может стать зоной перестройки химических связей и состава. В зоне может произойти изменение типа и параметров кристаллической ре­шетки, а, следовательно, и изменение физико-химических свойств сварного шва.