ТЕОРИЯ сварочных процессов

Физико-химические особенности получения сварных, паяных и клеевых соединений

МЕХАНИЗМ ОБРАЗОВАНИЯ МОНОЛИТНЫХ

СОЕДИНЕНИЙ ТВЕРДЫХ ТЕЛ

На первый взгляд кажется, что образование монолитного соединения двух одинаковых монокристаллов с идеально глад­кими и чистыми поверхностями возможно при любой темпера­туре и без приложения внешней энергии. Для этого достаточно сблизить их поверхности на расстояние, соизмеримое с парамет­рами кристаллической решетки (порядка долей нанометра). Тогда между сопряженными атомами возникнут связи, граница раздела Д (рис. 1.1) исчезнет и произойдет сварка. Такой про­цесс кажется вероятным и не противоречит второму началу термодинамики, так как свободная энергия системы при этом должна уменьшиться на величину энергии двух исчезнувших поверхностей раздела.

В действительности даже в идеальном случае для соединения поверхностей требуется затрата энергии. Дело в том, что любому
устойчивому состоянию системы соответствует определенный минимум энергии атома. Каждый атом находится как бы в потен­циальной лунке и переход из одного устойчивого состояния в другое возможен только путем преодоления энергетического барьера (рис. 1.2).

Внутри кристалла каждый атом удерживается симметрично направленными силами связи. На свободной поверхности кри­сталла или жидкости атом неуравновешен вследствие отсутствия связи с одной стороны (вакуум) или из-за ее ослабления. Это вызывает повышение энергии поверхностного слоя кристалла ш„. Если для перемещения внутри тела атому необходима энергия wo (см. рис. 1.2), то для выхода в окружающую среду ш„, причем w„>wо. Поэтому для соединения двух монокристаллов в один требуется деформационная, или тепловая, энергия извне, превы­шающая граничную энергию wr.

Внешняя энергия деформации будет затрачиваться на преодо­ление сил отталкивания, возникающих между сближаемыми поверхностными атомами. Когда расстояния между ними будут равны межатомному расстоянию в решетке кристаллов, возни­кают квантовые процессы взаимодействия электронных оболочек атомов. После этого общая энергия системы начнет снижаться до уровня, соответствующего энергии атомов в решетке целого кристалла, и появится выигрыш энергии, равный избыточной энергии поверхностных атомов кристаллов до их соединения — энергии активации.

Тепловая энергия, сообщенная поверхностным атомам при повышении температуры, увеличивает вероятность развития квантовых процессов электронного взаимодействия в соединении.

Стадийность процесса сварки. Опытный материал и теорети­ческий анализ показызают, что сварку и пайку можно отнести

к классу так называемых топохими - ческих реакций, которые отличаются двухстадийностью процесса образо­вания прочных связей между атома­ми соединяемых веществ (рис. 1.3). Двухстадийность характерна только для микроучастков соединяемых по­верхностей.

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

Практически получение монолитных соединений осложняется двумя факторами:

свариваемые поверхности имеют микронеровности (даже при тщательной обработке), высота которых измеряется микромет­рами. Поэтому при совмещении поверхностей контакт возможен лишь в отдельных точках;

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

Для качественного соединения материалов необходимо обес­печить контакт по большей части стыкуемой поверхности и активизировать ее.

Энергия активации. Активация поверхности заключается в том, что поверхностным атомам твердого тела сообщается неко­торая энергия, необходимая:

а) для обрыва связей между атомами тела и атомами внеш­ней среды, насыщающими их свободные связи;

б) для повышения энергии поверхностных атомов до уровня энергетического барьера охватывания, т. е. для перехода их в активное состояние.

Такая энергия активации может в общем случае сообщаться в виде теплоты (термическая активация), упругопластической деформации (механическая активация), электронного, ионного и других видов облучения (радиационная активация).

СВАРКА ПЛАВЛЕНИЕМ И ДАВЛЕНИЕМ

При сварке плавлением и пайке сближение атомов твердых тел осуществляется вследствие смачивания поверхностей тел жидким металлом (припоем, расплавом), а активация поверх­ности твердого металла — путем сообщения ее частицам тепло­вой энергии. Жидкий металл может растекаться по всей поверх­ности тела и обеспечивать соприкосновение и прилипание (или адгезию) его молекул и поверхностного слоя твердых тел.

При затвердевании расплавленного материала слабые адге­зионные связи заменяются прочными химическими связями, соответствующими природе соединяемых материалов и типу их кристаллической решетки. При сварке плавлением вводимая энергия (обычно тепловая) должна обеспечивать расплавление основного и присадочного материалов, оплавление стыка, нагрев кромки и т. д. При этом происходит усиленная диффузия компо­нентов в расплавленном и твердом материалах, их взаимное растворение. Эти процессы, а также кристаллизация расплав­ленного металла сварочной ванны (или припоя) обеспечивают объемное строение зоны сварки, что обычно повышает прочность сварного соединения.

Сварка плавлением происходит без приложения осадочного давления путем спонтанного слияния объемов жидкого металла.

Она обычно не требует тщательной подготовки и зачистки соеди­няемых поверхностей.

При сварке плавлением обе стадии процесса соединения — физический адгезионный контакт и химическое взаимодействие, сопровождаемое диффузией, — протекают достаточно быстро (см. рис. 1.3, кривая 1). Для однородных металлов это не опасно. Но в случае разнородных материалов с ограниченной взаимной растворимостью практически трудно получить соединения без хрупких интерметаллических прослоек в контакте.

При быстром образовании физического контакта твердого тела с расплавом, например при сварке путем расплавления одного из соединяемых материалов, сначала на границе твердой и жидкой фаз будет наблюдаться пик межфазной энергии wr, аналогичный шп (см. рис. 1.2,6), так как переход атомной систе­мы в новое состояние происходит не мгновенно, а за некоторый конечный промежуток времени. Длительность ретардации (за­держки) пика поверхности раздела, как называют этот период, может быть приближенно рассчитана как время жизни атома перед потенциальным барьером или определена опытным путем. На основании этих данных можно определить допустимую дли­тельность контакта твердой и жидкой фаз и оптимальную темпе­ратуру сварки или пайки.

При сварке давлением (в твердом состоянии) сближение ато­мов и активация (очистка) поверхностей достигаются в резуль­тате совместной упругопластической деформации соединяемых материалов в контакте, часто одновременно с дополнительным нагревом.

Длительность стадий образования физического контакта А и химического взаимодействия Б здесь существенно больше, чем при сварке плавлением, и зависит от ряда факторов: физико­химических и механических свойств соединяемых материалов, состояния их поверхности, состава внешней среды, характера приложения давления н других средств активации (ультразвук, трение и т. д.).

В последнее время предложены методы приближенного рас­чета параметров режима сварки статическим давлением, кото­рые подтверждаются опытом. Длительность процесса образова­ния физического контакта, заключающегося в смятии микро­неровностей, рассчитывают по скорости ползучести. Длитель­ность второй стадии — химического взаимодействия — оцени­вают по уравнению Больцмана как длительность периода акти­вации.

Расчеты основаны на представлениях о схватывании мате­риалов в результате ползучести на контактных поверхностях и образовании прочных химических связей в местах выхода и перемещения вакансий, дислокаций и скоплений. Выход дислока­ций на контактную поверхность активирует ее путем разрыва насыщенных связей, что приводит к образованию активных центров.

Однако принято считать, что при соединении металлов в твер­дом состоянии имеет значение не только схватывание, но и спе­кание. Спекание — комплекс диффузионных процессов, проте­кающих во времени при повышенных температурах. Схватыва­ние — бездиффузионное явление — объединение кристаллических решеток, находящихся в контакте тел в результате их совмест­ного пластического деформирования. Относительная роль схва­тывания и спекания в разных методах соединения металлов различна и определяется в основном температурой, временем и давлением в контакте. Например, диффузионную сварку при большом времени выдержки можно считать основанной на явле­нии спекания. Во всех остальных случаях схватывание первично, а диффузионные и рекристаллизационные процессы, если они вообще происходят, вторичны.

ПАЙКА И СКЛЕИВАНИЕ

Пайкой обычно называют процесс соединения материалов с помощью припоя без их расплавления. Процессы сварки и пай­ки часто бывает трудно разграничить, например при сварке 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 объединять сварку и пайку одним терми­ном — сварка. Пайку можно выполнить с использованием тех же энергетических процессов, что и сварку.

Образование непрерывной межатомной связи при пайке про­исходит в процессе смачивания припоем поверхности соединяе­мых деталей. Смачивание и связь твердого тела с жидкостью может определяться электростатическими силами Ван-дер-Вааль - са и силами химического взаимодействия.

Подобно физической адсорбции, первый тип контакта назы­вают физическим (обратимым) смачиванием. Второй тип кон­такта, подобно хемосорбции, называют химическим (необрати­мым) смачиванием. Работа адгезии во втором случае в ты­сячи раз больше, чем в первом, и составляет около 5 • 102... ...5- 103 Дж/моль.

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 химическим реакциям. Способность клея соединять изделия объясняется силами остаточного химического сродства между находящимися на поверхности молекулами клея и склеиваемого материала. Эти силы примерно в Ю...100 раз меньше основных сил химической связи в простых молекулах.

Они, например, порождают 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 пропорционально росту молекулярной массы. Эти силы, имея электрическую природу, в значительной степени зависят от химической структуры клея и склеиваемого материала.

Полярные группы — карбоксильные, спиртовые, амино-, эпок­сидные и другие — значительно увеличивают адгезию клея к по­лярным материалам. Для увеличения адгезионных сил при склеи­вании некоторых неполярных материалов последние подвергают термической или химической обработке в целях получения на их поверхности некоторого количества полярных групп. Наличие или отсутствие адгезии клея к склеиваемому материалу легко опре­делить по смачиваемости клеем этого материала.

Для улучшения адгезии во всех случаях склеиваемая поверх­ность подвергается тщательной очистке и обезжириванию (иног­да искусственно повышается 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 элемен­тарных частиц клея и склеиваемого материала. В начальной стадии процесса, когда силы взаимодействия, обусловленные смачиванием и межмолекулярным взаимодействием частиц, в основном слабы, прочность клеевого соединения мала. Далее при возникновении химических связей прочность увеличива­ется.

Например, при контакте полиамидного клея со сталью возни­кают химические соединения, где атом азота (полиамида) делит свои два электрона с атомами железа (стали). Одновременно между атомами кетогруппы С=0 и атомом кислорода в оксиде железа возникает дополнительная ионная связь. Таким образом, возникает так называемое хелатное соединение. Другие клеи (на основе толуилендиизоцианитов) при взаимодействии с атомами кремния (стекла) образуют ковалентные связи.

Существенное отличие склеивания от большинства процессов сварки и пайки — то, что при затвердевании клея вследствие охлаждения, полимеризации и других физико-химических явле­ний взаимное растворение и диффузия соединяемых материалов, как правило, полностью отсутствуют.