В 2. Сварка в твердом состоянии: условия образования сварного соединения, примеры

В последнее время показано, что металлы можно сваривать и при комнатных температурах без нагрева металла до высоких температур. Соединение металлов происходит в твердом состоянии вследствие образования металлических связей на свариваемых поверхностях при их совместном деформировании.

Сварка в твердом состоянии – это ряд сварочных процессов, при температурах существенно ниже точек плавления основного металла, без добавления присадочного металла или пайки твердого припоя. Давление к соединению может как прикладываться, так и нет. Например, холодная сварка, диффузионная сварка, кузнечная сварка, горячая сварка под давлением и сварка прокаткой.

Для идеального случая процесс образования металли­ческого соединения при холодной сварке можно предста­вить следующим образом. Предположим, что имеются два куска металла с абсолютно гладкими и чистыми по­верхностями. Так как металлы представляют собой кон­гломерат из положительно заряженных ионов и электро­нов, то взаимодействие между облаками электронов и ионами, находящимися в узлах кристаллической решетки, определяет монолитность и прочность кусков металла. При сближении двух металлических поверхностей проис­ходит коллективизация электронов, вылетающих из по­верхностей, в результате чего возникают силы взаимо­действия между поверхностями. При достаточном сбли­жении двух кусков металла образуется общее электрон­ное облако и, следовательно, единый агрегат.

Из приведенных выше рассуждений следует, что при сближении идеально гладких и идеально чистых поверх­ностей между ними самопроизвольно возникают межатом­ные силы взаимодействия, т. е. происходит образование прочного соединения.

Однако строение реальной металлической поверхно­сти весьма сложно и в значительной степени отличается от идеальной — ювенильной поверхности. Геометрия реальной металлической поверхности определяется ее волнистостью и шероховатостью. Волнистость характе­ризует геометрию поверхности в макроскопическом, а ше­роховатость — в микроскопическом масштабе. Нужно также отличать ультрамикронеровности. Геометрию по­верхности можно представить в виде двух кривых: кривой волны и частотной кривой шероховатостей, которые накладыва­ются на кривую волны.

Шероховатости могут быть очень разнообразны по вы­соте микровыступов и расстоянию между их вершинами. Вследствие наличия главным образом микронеровностей действительная площадь поверхностей металла во много раз превышает площадь, замеренную обычными ме­тодами. В верхних слоях металла сосредоточена значи­тельная поверхностная энергия, обусловленная наличием некомпенсированных металлических связей, дислока­ций, вакансий, что в совокупности с развитой поверхно­стью в микро- и ультрамикронеровности вызывает активное взаимодействие атомов металла, расположенных на по­верхности, с внешней средой.

Над металлической поверхностью существует облако непрерывно движущихся свободных электронов, покидаю­щих металл и снова возвращающихся в него. Благодаря этому процессу поверхность металла покрыта двойным электрическим слоем: минус — облако электронов и плюс — дырки верхних слоев металла (за счет покинув­ших металл свободных электронов). Плотность электри­ческого заряда двойного электрического слоя непостоянна по всей поверхности и зависит от ее микрогеометрии. Наибольший потенциал концентрируется на остриях микровыступов. Поэтому микровыступы — наиболее активные участки поверхности.

Вследствие высокой активности поверхностных слоев металла она всегда покрыта окислами, жидкими и газо­выми пленками. Идеально чистая (ювенильная) металли­ческая поверхность, свободная от окисных пленок и адсор­бированных слоев жидкостных и газовых молекул, мо­жет быть создана только в очень глубоком вакууме.

Вакуум 10^-9 мм рт. ст. не предохраняет поверхности металла от возникновения на них слоев из молекул газа. Ювенильная металлическая поверхность может существовать очень короткие моменты времени в изломе металла при совместном деформировании двух частей металла в местах их соприкосновения или после его механической обработки. После механической зачистки поверхности металла в атмосфере сухого воздуха на ней образуется оксидная пленка.

На воздухе микровыступы и впадины поверхности многих металлов, кроме так называемых благородных (золото, платина и др.), мгновенно покрываются пленками окислов, а также слоями адсорбированных молекул газов, воды и жировых веществ. Толщина и последовательность расположения таких пленок может быть различной. Однако непосредственно на поверхности металла обычно находится пленка окислов (рис.02-04, слой А).

Рис. 02-04. Строение поверхности металла в воздушной атмосфере:

А — глубинный слой металла, не затронутый пластическими деформациями;

Б — поверхностный слой полностью разориентированных кристаллитов с про­слойкам окислов;

В — окисный слой, характерная полярность внутренних и внешних границ, а также полярность верхних слоев металла показаны зна­ками «+» и «-»;

Г — адсорбированный слой кислородных анионов и нейтраль­ных молекул воздуха;

Д — слой водяных молекул;

Е — слой жировых моле­кул;

Ж — ионизированные пылевые частицы

Слой окислов сохраняет на границе с металлом отри­цательный потенциал против положительного потенциала самого металла. Наружная поверхность слоя окислов имеет положительный потенциал и они адсорбируют ки­слород, имеющий отрицательный потенциал. Таким обра зом, поверхность металла покрывается двумя двойными электрическими слоями. Окисные пленки обычно очень хрупкие и обладают высокой твердостью.

Кроме пленки окислов, поверхность металлов покрыта газовыми молекулами, жировыми пленками и парами воды. Толщина этих пленок различна. Например, толщина пленки паров воды составляет 50 - 100 молекул. Жировые слои имеют большую толщину. Полностью удалить масляные пленки с металла практи­чески невозможно никакими растворителями, поскольку адсорбционная связь жировых молекул и металла пред­ставляет собой чисто электрическую связь. Полярные жировые молекулы образуют с металлом двойной элек­трический слой, что и обеспечивает весьма прочную связь металла и пленки одномолекулярной толщины. После промывки металла бензином слой органических молекул составляет 1 - 5 мкм, и только при особо тщательной обра­ботке растворителями сохраняется жировая пленка тол­щиной 10 - 100 молекулярных слоев.

Сложное строение реальной металлической поверх­ности существенно меняет картину взаимодействия поверх­ностей при их сближении.

Образование прочного сварного соединения реальных металлов при сварке в твердой фазе совместным деформи­рованием происходит в три условных этапа:

1) сближе­ние свариваемых поверхностей;

2) возникновение метал­лического контакта;

3) создание прочного сварного соеди­нения.

Первый этап — сближение свариваемых поверхностей — характеризуется деформацией как микрошерохо­ватостей, так и волнистостей. При сближении поверхностей с неровностями вначале возникает контакт в отдель­ных наиболее высоких точках. Для получения контакта по большей поверхности необходимо деформирование уже соприкасающихся участков. Чем больше должна быть площадь соприкосновения на поверхности сжимаемых ме­таллов, тем, очевидно, больше нужно деформировать не­ровности, вступившие в контакт, и тем больше должна быть сжимающая сила.

Фактором, затрудняющим сварку реальных металлов, являются окисные пленки, пленки жидкостей, газов и различного рода органических и иных загрязнений. Вслед­ствие высокой относительной твердости окисных пленок образование между ними контакта значительной площади потребовало бы очень больших усилий. Соединение мо­жет возникнуть между окисными пленками, но из-за их высокой хрупкости оно обладает плохими прочностными свойствами — малой пластичностью, низким сопротивле­нием ударным нагрузкам и т. п. и обычно легко разру­шается. Поэтому для получения прочных соединений окисные пленки должны быть удалены из места сварки.

Еще более нежелательное влияние оказывают загряз­няющие поверхность органические пленки (масла). Ор­ганические пленки достаточной толщины предотвращают возможность сварки контактирующих металлов и поэтому они также должны быть предварительно удалены со свариваемых поверхностей. Однако в зависимости от тол­щины слоев окислов и адсорбционных пленок в процессе сближения металлические связи могут создаваться на немногих микроскопических островках.

Второй этап начинается в процессе сближения и дефор­мирования поверхностных слоев и неровностей. Этот этап характеризуется увеличением площади металличе­ского контакта свариваемых поверхностей и возникнове­нием общих кристаллов на них. В начале формирования металлического контакта кристаллиты разделены пленками сложного состава. При деформировании сжатые свари­ваемые поверхности не контактируют с атмосферой, по­этому новых пленок не образуется, а имеющиеся хрупкие окисные пленки вследствие увеличения площади контакта разрушаются, жидкие и газовые пленки вытесняются и частично диффундируют в глубь металла, в результате ювенильные поверхности приходят в непосредственное соприкосновение.

В контактах двух металлических поверхностей дей­ствие межатомных сил притяжения начинается на расстоя­ниях 4÷5·10^-8 см. При достижении таких расстояний уже возможно образование металлических связей, т. е. возможен процесс, который мы называем сваркой. Та­ким образом, только при значительном сближении, раз­рушении и удалении поверхностных пленок границы раздела становятся сходными по структуре и природе с межкристаллитными прослойками.

Третий этап характеризуется различного рода переме­щениями на определенные расстояния относительно больших масс частиц вследствие диффузии. Этот процесс требует значительного времени.

Рассмотренные этапы образования сварного соедине­ния относятся главным образом к таким процессам сварки в твердой фазе, при которых можно выделить этапы: сбли­жения, образования физического контакта и создания прочного сварного соединения. Очевидно, это имеет от­ношение к холодной и диффузионной сварке и к сварке трением.

Процесс сварки при действии импульсных давлений — сварка взрывом, электромагнитным импульсом, ультра­звуковая — будет проходить в те же три этапа, однако отличия состоят в том, что отдельные этапы в этих мето­дах сварки трудно различимы вследствие малого времени образования сварного соединения.

Поиск по сайту: