4.5 Зварювання в електричному полі

В першому наближенні можна розглядати цей спосіб як різновид дифузійного зварювання.

Можна зварювати:

1) метал + метал;

2) метал + діелектрик;

3) діелектрик + діелектрик;

4) діелектрик + напівпровідник.

Проте розроблені технологічні процеси тільки для з’єднань типу:

1. діелектрик + діелектрик;

2) метал + діелектрик;

3) діелектрик + напівпровідник.

В основі зварювання в електричному полі лежить процес поляризації діелектрика.

Принципова схема зварювання в електричному полі приведена на рисунку 4.8.

1 — вакуумна камера (коли процес ведеться в вакуумі чи в

захисних газах); 2 — шток для передачі механічного зусилля

(зварювання може вестися без зовнішнього зусилля тиску);

3 — електроди; 4 — нагрівний пристрій (радіаційний нагрів); 5 — деталі, що зварюються; 6 — ізолятори; 7 — високовольтне джерело живлення

Рисунок 4.8 — Схема зварювання в електричному полі

Процес зварювання проводять в вакуумі, атмосфері повітря чи захисних газів. Вид атмосфери, в якій відбувається зварювання, вибирають з технологічних особливостей. Вид атмосфери не впливає на механізм утворення з’єднання. При зварюванні в атмосфері повітря процес можна вести в електропечі чи в будь–якому приладі, який

дозволяє зменшити (ліквідувати) збитки тепла при нагріві.

Механізм утворення зварного з’єднання містить в собі нагрів деталей, що зварюються, до температури Т_зв= (0.1 – 0.3)Т_п (Т_п — температура плавлення найбільш легкоплавкого із матеріалів, що зварюються), яка забезпечує електропровідність діелектрика та його поляризацію. Рекомендується позитивний потенціал подавати на метал.

На межі контакту утворюється подвійний електричний шар

, (4.1)

де F — сила притягання;

q₁, q₂ — величина заряду на кожній поверхні, що з’єднуються;

r — відстань між зарядами (поверхнями, що зварюються).

1 — метал; 2 — діелектрик; 3 — подвійний електричний шар

Рисунок 4.9 — Схема розташування подвійного електричного шару

Діелектрики перед зварюванням піддають оптичному поліруванню. Сили F достатньо для того, щоб по найбільшій частині площини контакту утворився фізичний контакт. Під дією сили F відбувається руйнування мікровиступів. Цим закінчується перший етап зварювання. На другому етапі між двома поверхнями встановлюються хімічні зв’язки (енергія активації — термоелектрична). Коли метал не має достатньої пластичності, використовується зовнішня механічна сила (енергія активації — механічна з термоелектричною). Внаслідок подальшої витримки при температурі зварювання Т_зв та під напругою відбуваються електрохімічні процеси, які ведуть до утворення перехідного шару — матеріалу зовсім нової природи.

Міцність зварного з’єднання визначається:

1) силою електростатичного притягання F двох тіл;

2) міцністю хімічних зв’язків;

3) електродифузійними та електрохімічними процесами.

Припускають, що головну частину міцності дає сила F.

Час зварювання від кількох до десятків хвилин. Установлення сили F відбувається за 10^–10 – 10^-16 с.

Позитивний заряд на метал подається для того, щоб зменшити розвиток електророзрядних процесів в мікропорожнинах зони контакту матеріалів на початковому етапі зварювання. Розвиток таких процесів веде до стікання зарядів із зони подвійного електричного шару, та його нейтралізації.

Позитивні якості (в порівнянні з дифузійним зварюванням):

1) відпадає необхідність вакууму, отже нижча вартість обладнання, підвищується надійність зварювального обладнання;

2) зменшується час зварювання, отже збільшується продуктивність;

3) на 50 – 100 % вища міцність зварного з’єднання.

Негативні якості:

1) вища вартість зварювального вузла за рахунок попередньої підготовки матеріалів;

2) електронебезпечність (електрична напруга кілька тисяч вольт).