Лекция 2. Физические основы и классификация процессов сварки.

   План лекции. Виды элементарных связей в твёрдых телах и монолитных соединениях. Физико-химические особенности получения сварных, паяных и клеевых соединений. Сварка в твёрдой и жидкой фазах. Пайка и склеивание.

Физические основы процесса сварки металлов. Монолитность сварных соединений твердых тел обеспечивается появлением атомно-молекулярных связей между элементарными частицами соединяемых веществ. Твердое тело представляет собой комплекс атомов, находящихся во взаимодействии. Тип связи атомов и характер их взаимного расположения определяют физико-химические и прочностные свойства твердого тела.

Связь атомов возникает в результате движения электронов внешних (валентных) оболочек атома в поле между ядрами. Каждый из этих электронов, проникая, например, в поле двух ядер, принадлежит уже обоим атомам. Силы по своей природе являются электромагнитными и действуют на расстоянии порядка 10^{-8 см = 1 А.}

Различают четыре вида элементарных связей: ковалентную, ионную, межмолекулярную (Ван-дер-Вааяъса) и металлическую.

Ковалентную химическую связь называют еще валентной, атомной, обменной связью. Она образовывается взаимодействием или «спариванием» валентных электронов. Сильная ковалентная связь с энергией порядка 10⁵ Дж/моль определяет высокую температуру плавления и прочность кристаллов. Этой связью обусловлены структуры так называемых атомных кристаллов - алмаза, кремния, германия и др.

Ионная или гетеропо л яр н ая связь типична для молекул и кристаллов, образованных из разных ионов (анионов и катионов). Образование положительного катиона - результат ионизации атома. Мерой прочности связи электрона в атоме может служить потенциал ионизации атома. Типичный представитель ионных кристаллов - соль NaCl.

Силы Ван-дер-Ваальса действуют между любыми атомами и молекулами, но они очень малы (порядка 10³ Дж/моль). Поэтому молекулярные кристаллы, обусловленные этими силами (твердые инертные газы, молекулы кислорода, азота и др.), отличаются весьма низкой температурой плавления (Не - 1,8; Аг - 40°К).

Металлические связи образуют структуры путем взаимодействия положительных ионов решетки и делокализованных, обобществленных электронов. Они по существу не относятся к химическим. Металлы обычно не имеют молекулярного строения, а их атомы соединяются в кристаллические образования. Этот вид связи и обуславливает высокую прочность, пластичность и электропроводность металлов. Энергия связи - около 10⁵ Дж/моль.

Кристаллическая структура металла характеризуется решетками объемно — или гранецентрированного куба, или гексагональной плотно упакованной.

Реальные металлы являются поликристаллическими, состоящими из множества отдельных кристаллов, взаимосвязанных в общее монолитное целое. Периферийные части отдельных кристаллов зерен металла сопрягаются с соседними, образуя межзеренные, межкристалличес-кие границы. Несовершенства кристаллического строения межкристаляических границ больше, чем внутри кристаллов, в связи с нарушениями порядка расположения узлов решеток и большим количеством атомов инородных веществ - примесей и пр.

Физические свойства поликристаллического тела (металла), в частности и его прочность, зависят от соотношений свойств зерен и межзеренных границ; они зависят также от крупно — или мелкозернистости металла, что определяет преобладающее действие внутрикристалличес-ких или межкристаллических свойств.

Для соединения двух твердых тел с получением общего монолитного тела необходимо установить между их поверхностными атомами непосредственную связь или каждую из них соединить с промежуточной связкой. Для того чтобы установить связь между поверхностными атомами двух тел без промежуточной связки, необходимо их сблизить на расстояния, сопоставимые с параметром кристаллической решетки, т.е. (3 - 5)*10^{-8 см.}

  Рисунок  2.1 Энергетический барьер потенциальной энергии системы атомов у поверхности

   кристалла (а) и на границе твердой и жидкой фаз в начальный период их контактирования (б)

 

Но для соединения поверхностей требуется затрата энергии. Внутри кристалла каждый атом удерживается симметрично направленными силами связи. На свободной поверхности кристалла атом неуравновешен вследствие отсутствия связи с одной стороны (вакуум). Это вызывает повышение энергии поверхностного слоя кристалла. Если для перемещения внутри тела атому необходима энергия Ео, то для выхода в окружающую среду - Е_п, причем Ец>Ео. Поэтому для соединения двух монокристаллов в один требуется извне деформационная или тепловая энергия.

Эксперимент и теоретический анализ показывают, что сварку и пайку можно отнести к классу так называемых топохимических реакций, которые отличаются двухстадийностью процесса образования прочных связей между атомами соединяемых веществ: а) развитие физического контакта (сближение на расстояние, требуемое для установления взаимодействия); б) энергетическое взаимодействие, заканчивающееся образованием соединения.

Практически получение монолитных соединений осложняется двумя факторами:

- свариваемые поверхности имеют микронеровности (даже при самой тщательной обработке), измеряемые тысячами ангстрем;

- свариваемые поверхности имеют загрязнения.

Для качественного соединения материалов необходимо обеспечить контакт по большей части стыкуемой поверхности и активировать ее. Активация поверхности заключается в том, что поверхностным атомам твердого тела сообщается некоторая энергия, необходимая:

Для обрыва связей между атомами тела и атомами внешней среды, насыщающими их свободные связи. Для повышения энергии поверхностных атомов до уровня энергетического барьера схватывания, т.е. для перевода их в активное состояние.

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

Сварка в жидкой и твердой фазах. При сварке в жидкой фазе (сварка плавлением) сближение атомов твердых тел осуществляется за счет смачивания поверхностей тел жидким материалом (расплавом), а активация поверхности твердого материала - путем сообщения ее частицам тепловой энергии. Жидкий материал растекается по поверхности твердого тела и обеспечивает 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 их типу кристаллической решетки. При сварке в жидкой фазе вводимая тепловая энергия должна обеспечить расплавление основного и присадочного материалов, оплавление стыка, нагрев кромок и т.д. При этом происходит усиленная диффузия компонентов в расплавленном и твердом материалах, их взаимное растворение.

   При сварке плавлением обе стадии процесса соединения - физический адгезионный контакт и химическое взаимодействие, сопровождаемое диффузией, протекают достаточно быстро.

При сварке в твердом состоянии сближение атомов и активация поверхностей достигаются за счет совместной упруго-пластической деформации соединяемых материалов в контакте, часто с дополнительным нагревом.

Длительность стадий образования физического контакта а) и химического взаимодействия б) здесь существенно больше чем при сварке плавлением.

Сварка - это технологический процесс получения монолитных неразъемных соединений посредством установления внутренних межчастичных (межатомных, межмолекулярных) связей, при их местном или общем нагреве или пластическом деформировании или совместном действии того и другого. Сварные соединения металлов характеризуются непрерывной структурной связью.

Пайка и склеивание. Пайкой называют процесс соединения материалов без их расплавления, с помощью припоя. Температуру плавления припоя ниже, чем у соединяемых материалах. Образование 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-Ваальса и силами химического взаимодействия.

Для осуществления химического смачивания при пайке необходим нагрев деталей, расплавление припоя, а также активация поверхностей. Последняя достигается нагревом в вакууме, в специальных средах или обработкой поверхности флюсом.

Склеивание может происходить практически без введения энергии в место соединения благодаря силам адгезии (прилипания) между жидким клеем и молекулами поверхностных слоев твердого тела и химическим реакциям. Способность клея соединять изделия объясняется также 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.

Классификация видов сварки. По используемой энергии виды сварки можно разделить на следующие группы: механическая, химическая, электрическая, электромеханическая, химико-механическая.

Примерами применения механической энергии дая сварки являются холодная сварка, сварка взрывом сварка трением.

Виды сварки, использующие химическую энергию, характеризуются нагревом металла посредством превращения химической энергии в тепловую. Примером такого использования химической энергии является газовая сварка плавлением.

Электрические виды сварки основаны на превращении электрической энергии в тепловую. Это превращение осуществляется при использовании дуги, выделении тепла при протекании тока через шлаки, посредством превращения в тепло кинетической энергии пучка электронов, индуктированием тока различных частот.

Электромеханические виды сварки основаны на нагреве металла путем превращения электрической энергии в тепловую с последующим пластическим деформированием нагретого металла путем сдавливания.

Химико-механические виды сварки известны давно. Путем превращения химической энергии в тепловую металл нагревается до пластического состояния и далее подвергается пластическо-му деформированию. Примером может служить кузнечная, газопрессовая сварка и др.

По состоянию в сварочной зоне в момент сварки все ее виды разделяются на сварку давлением и сварку плавление, рис2.2.

  Рисунок 2.2  Классификация основных видов сварки по состоянию металла в зоне сварки.

Сварка давлением обычно осуществляется при температурах ниже Т_пп свариваемых металлов, и их сваривание происходит в твердом состоянии посредством приложения давления, достаточного для создания необходимой пластической деформации.

Сварка давлением имеет определенные преимущества перед сваркой плавлением: ниже температура нагрева, т.е. металл подвергается меньшему тепловому воздействию, которое может быть вредным для его свойств; более низкий нагрев позволяет затрачивать меньше энергии на сварочную операцию.

Однако некоторые факторы ограничивают широкое применение сварки давлением. К ним относятся необходимость применения больших сдавливающих сил и соответственно довольно сложных приспособлений для зажатия и сдавливания свариваемых деталей, а также необходимость обеспечения чистоты поверхностей в момент их сваривания.

Сварка плавлением осуществляется с местным расплавлением свариваемых частей. В сравнении со сваркой давлением она обладает рядом преимуществ, из которых основным является большая универсальность.

Для ее выполнения требуется только достаточно мощный источник тепла, обеспечивающий локальное (местное) расплавление; в случае подвижного источника тепла расплавление происходит от участка к участку. Таким образом, общее увеличение сечения свариваемых элементов не влечет за собой необходимости создания громоздких сварочных машин.

Если при сварке давлением в большинстве случаев дпя выполнения сварочных операций изделие должно подаваться к машине, то при сварке плавлением обычно источник тепла подается к изделию, что позволяет изготавливать весьма крупногабаритные сварные конструкции.

Однако расплавление металла при сварке плавлением неизбежно сопровождается усилением взаимодействия жидкого металла с окружающей средой, приводя к ряду реакций, характерных для металлургических процессов при производстве металлов. В ряде случаев эти реакции могут значительно ухудшить свойства закристаллизовавшегося при сварке металла. В целях регулирования металлургических процессов при сварке в желаемом направлении применяют флюсы, газовую защиту места сварки.

Классификация способов сварки по физическим признакам приведена в ГОСТ 19521-74 «Сварка металлов.Классификация», табл. 2.1

Таблица 2.1 Классификация способов сварки по физическим признакам

Класс сварки	Вид сварки
Термический	Дуговая Электрошлаковая Электронно-лучевая Плазменно-лучевая Ионно-лучевая Тлеющим разрядом Световая Индукционная Газовая Термитная Литейная
Термомеханический	Контактная Диффузионная Индукционно-прессовая Газопрессовая Термокомпрессионная Дугопрессовая Шлакопрессовая Термитно-прессовая Печная
Механический	Холодная Взрывом Ультразвуковая Трением Магнитоимпульсная