МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Курский государственный технический университет
Кафедра «Оборудование и технология сварочного производства»
Иванов Н.И.
СПЕЦИАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ
СВАРКИ В ТВЕРДОЙ ФАЗЕ
Конспект лекций
Специальность 120500 – Технология и оборудование
сварочного производства
КУРСК 2006
ВВЕДЕНИЕ
Традиционные, хорошо изученные и разработанные способы сварки, сопровождающиеся расплавлением соединяемых заготовок, во многих случаях не позволяют использовать в машиностроении, электротехнической и электронной промышленностях новые высокопрочные, коррозионно-стойкие, полупроводниковые, сверхпроводящие, магнитные и другие специальные материалы, так как расплавление металла, развитие рекристаллизационных процессов и фазовых превращений, обусловленных термическим циклом сварки, приводят к необратимым изменениям и потере этих свойств.
Большие затруднения возникают при решении проблемы соединения разнородных материалов с помощью сварки плавлением, из-за невозможности ограничения процессов взаимной диффузии, приводящих к развитию химической неоднородности, появлению хрупких промежуточных фаз и соединений.
Созданные в последние годы сверхжаропрочные материалы (литейные, никелевые, дисперсно-упрочненные, композиционные) практически не поддаются сварке плавлением.
Традиционные методы сварки не решают проблему создания крупногабаритных тонкостенных многослойных конструкций (представляющих собой сочетание несущих обшивок с заполнителем, например, сотовым), необходимых для снижения массы летательных аппаратов, охлаждения или обогрева их узлов, шумопоглощения и т.д.
Согласно ГОСТ 2601-84 (СТ СЭВ 5277-85) «Сварки металлов. Термины и определения основных понятий» к видам сварки давлением относятся сварка взрывом, магнитно-импульсная, кузнечная, прокаткой, газопрессования, диффузионная, трением, ультразвуковая и холодная. Процесс сварки осуществляется в твердой фазе при температурах ниже точки плавления свариваемых материалов без использования припоя и с приложением давления, достаточного для создания необходимой пластической деформации соединяемых частей.
1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СВАРКИ ДАВЛЕНИЕМ
Задача сварки - получение неразъемного соединения со свойствами, близкими к свойствам соединяемых материалов. Так как физические и химические свойства твердых тел определяются их строением и природой межатомных связей, то для получения соединения необходимо сформировать между свариваемыми поверхностями химические связи, аналогичные действующим в твердых телах. Знание природы и характера сил, действующих в свариваемых материалах, необходимо для установления механизма образования сварного соединения и принципов построения технологии сварки в твердой фазе.
1.1. Химические связи и силы, действующие в твердых телах
В узлах кристаллической решетки твердых тел находятся атомы (ионы), между которыми существует химическая связь: ионная, ковалентная, металлическая, Ван-дер-Ваальса.
В ионных кристаллах в узлах решетки находятся ионы, которые располагаются так, что силы кулоновского притяжения между ионами противоположного знака больше, чем силы отталкивания между ионами одного знака. Ионная связь обусловлена, в основном электростатическим взаимодействием противоположно заряженных ионов.
Межатомные связи могут быть обусловлены обобществлением валентных электронов. Такие связи называются ковалентными. В основе их возникновения лежит обменное взаимодействие или обменный эффект, обусловленный обменом атомов электронами и имеющий чисто квантовую природу. Ковалентная связь имеет строго направленный характер. Все ковалентные связи, исходящие от данного атома, жестко связывают его с каждым другим атомом, образуя гигантскую молекулу. Пластическая деформация кристаллов с такими связями возможна только при повышенной температуре.
При образовании металлических кристаллов атомы сближаются на такое расстояние, когда волновые функции валентных электронов существенно перекрываются. Валентные электроны получают возможность переходить от одного атома к другому и могут довольно свободно перемещаться по всему объему металла. Поэтому валентные электроны принято называть «коллективизированными». Металлическую связь в таких кристаллах можно представить как связь, возникающую за счет сил притяжения между решеткой из положительно заряженных ионов и окружающим их газом «коллективизированных» электронов, оказывающим стягивающее действие.
Все атомы, ионы и молекулы испытывают слабое взаимное притяжение друг к другу, которое обусловлено силами Ван-дер-Ваальса. Источником этих сил является поляризационный эффект, вызываемый влиянием поля электронов, движущихся вокруг ядра одного атома, на движение электронов вокруг ядра соседнего атома. Вандерваальсова связь является наиболее универсальной, она возникает между любыми частицами, но это наиболее слабая связь, энергия ее примерно на два порядка ниже энергии связи ионных и ковалентных кристаллов. Энергия металлической связи по порядку величины сравнима с энергией связи ионных и ковалентных кристаллов, но все же меньше последней в несколько раз.
Все твердые тела сопротивляются как деформации растяжения, так и деформации сжатия. То есть, между частицами твердого тела действуют как сила притяжения, так и сила отталкивания. При некотором расстоянии между частицами эти силы уравновешивают друг друга, что и соответствует равновесному состоянию кристалла.
Результирующая Р сил отталкивания - Рот и притяжения - Рпр может быть приближенно описана выражением
,
где а и b - постоянные значения; r - расстояние между частицами; m и n - постоянные, зависящие от физической природы действующих сил и вида кристалла; m < n , поэтому с уменьшением расстояния силы отталкивания возрастают быстрее сил притяжения.
Графические зависимости сил взаимодействия частиц от расстояния между ними приведены на рис. 1.1. При r = rо равнодействующая сила равна нулю. Суммарная потенциальная энергия взаимодействия двух частиц U определяется формулой
,
где
,
.
При r = rо потенциальная энергия взаимодействующих частиц минимальна.
Рис. 1.1. Зависимость сил взаимодействия частиц от расстояния между ними