Механизм образования соединения при сварке давлением

Процесс соединения материалов при сварке давлением включает в себя несколько взаимосвязанных стадий: соприкосновение свариваемых поверхностей, ликвидацию поверхностных оксидных и адсорбированных пленок, активацию поверхностных слоев (за счет деформирования свариваемых материалов, объемных диффузионных процессов и рекристаллизации), возникновение сначала 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 двух металлических тел на расстояния, при которых между их поверхностями действуют межатомные силы, возможно возникновение межатомных связей. Атомы металла одного тела стремятся к соединению с атомами другого тела. При этом они объединяются в довольно большие комплексы.

При сближении идеально чистых, гладких и параллельных поверхностей теоретически возможно самопроизвольное (без введения дополнительной энергии) возникновение металлических связей и получение соединения, не уступающего по механическим свойствам основному металлу.

Реальные поверхности всегда покрыты пленками оксидов, адсорбированных жиров и газов, препятствующими возникновению металлических связей. Любые, даже полированные, поверхности не могут быть расположены строго параллельно. Они имеют микронеровности высотой 10… 100 нм. Поэтому при контакте таких поверхностей невозможно обеспечить их полное соприкосновение.

Начальное соприкосновение реальных поверхностей происходит в отдельных точках, расположенных на гребнях микронеровностей. Контакт между поверхностями носит дискретный характер. Его суммарная площадь, зависящая от физико-химических свойств и микрорельефа поверхностей, составляет 0,01… I % теоретической площади контакта. При такой площади реального кон;

Рис. 1.5. Изменение потенциальной энергии Е в зависимости от расстояния г между ядрами атомов:

г₀ — расстояние, соответствующее минимальной потенциальной энергии ?_тм

такта возникшие единичные металлические связи (очаги схватывания) не могут обеспечить требуемой прочности соединения. Эти очаги нельзя назвать сварным соединением; их можно рассматривать лишь как начальную стадию его образования.

Для получения полноценного сварного соединения поверхности необходимо сблизить на расстояние г₀ = 0,1…0,5 нм, достаточное для образования устойчивой связи. Энергия взаимодействия атомов должна быть минимальной (рис. 1.5).

При начальном соприкосновении реальных поверхностей в зазорах между ними устанавливаются адгезионные связи только между атомами металлов и молекулами адсорбированных газов или жидкостей.

Для развития схватывания и дальнейшего сваривания поверхностей необходимо воздействовать на них давлением, позволяющим пластически деформировать микровыступы, или нагреть поверхности для активизации диффузионных процессов. Пластическое деформирование и нагрев создают в зоне соединения такую концентрацию-энергии, которая обеспечивает перестройку поверхностных слоев контактирующих тел.

Для получения прочного и надежного сварного соединения необходимо расширение как его площади, так и глубины, что осуществляется за счет взаимной диффузии. При значительном различии физико-химических свойств свариваемых материалов в зоне соединения возможна перестройка химических связей и изменение состава. В этой зоне могут измениться параметры и тип кристаллической решетки, оказывающие влияние на физико-химические свойства сварного шва.

На качество и надежность сварного соединения влияет состояние поверхностей соединяемых тел. Реальная поверхность твердого тела характеризуется геометрическими и физическими параметрами.

Геометрические параметры определяют фактическую площадь контакта реальных твердых тел. Реальные поверхности характеризуются отклонениями их формы (неплоскостность, овальность, огранка и т. п.) от номинальной и совокупностью микрои макронеровностей (волнистость и шероховатость). Условно их различают по значению отношения шага неровностей к их высоте. Для отклонений формы характерны отношения более 1 000, для волнистости — 40… 1 000, а для шероховатости — менее 40.

Чистые металлические поверхности заготовок при соприкосновении контактируют по выступам и впадинам микронеровностей. Фактическая площадь контакта (опорной поверхности) значительно меньше теоретической площади. При сдавливании поверхностей выступы микронеровностей сминаются, заготовки сближаются и увеличивается площадь опорной поверхности, что приводит к расширению зоны сварного соединения.

Рис. 1.6. Поверхность металла на воздухе:

I — ионизированные частицы пыли; 2 — слой молекул жира; 3 — слой молекул воды; 4 — адсорбированный слой ионов кислорода и нейтральных молекул воздуха; 5 — оксидный слой; 6 — поверхностный слой кристаллитов с прослойками оксидов; 7 — основной металл.

Физические параметры определяются состоянием поверхности твердого тела. Над металлической поверхностью существует облако непрерывно движущихся свободных электронов, покидающих поверхность и снова возвращающихся на нее. Эти электроны и заряды противоположного знака в поверхностном слое образуют двойной электрический слой. Плотность электрического заряда в двойном слое зависит от микрорельефа поверхности тела. Наибольший заряд концентрируется на остриях микровыступов.

На воздухе все выступы и впадины поверхности покрыты оксидными пленками и слоями адсорбированных молекул воды, газов и жировых веществ. Таким образом, поверхность металла на воздухе имеет сложную систему адсорбированных слоев (рис. 1.6). На поверхности основного металла 7 имеется слой 6 кристаллитов с прослойками оксидов и рыхлый оксидный слой 5. Над ними может находиться адсорбированный слой 4 ионов кислорода и нейтральных молекул воздуха, а также слой 3 молекул воды. Далее следует слой 2 молекул жира, который прочно связан с основным металлом, глубоко проникая во все микротрещины.

Наличие трудноудаляемых адсорбированных электрически активных слоев газов, воды, жира и оксидов препятствует образованию металлических связей при механическом сближении заготовок и требует введения в зону сварки дополнительной (тепловой или механической) энергии для разрушения этих слоев.