1.3. Строение реальных поверхностей металлов

Соединение металлов в твердой фазе осуществляется по их поверхностям, поэтому состояние контактных по­верхностей играет очень важную роль в получении качест­венного сварного соединения.

Реальные металлические тела существенно отлича­ются от рассмотренных выше идеальных кристаллов. Их поверхности, представляющие собой сложные системы, можно охарактеризовать геометрией рельефа и физико-химическим состоянием.

После механической обработки на поверхности ме­таллов появляется макроскопическая (волнистость) и мик­роскопическая (шероховатость) геометрическая неоднород­ность. Микровыступы располагаются на волнистой поверх­ности, шаг которой может составлять от 1000 до 10000 мкм, а высота - от нескольких микрон до 40 мкм. Высота микро­выступов (мкм) в зависимости от способа обработки по­верхности имеет следующие значения:

черновая обработка резцом 80

чистовая обработка резцом 10

грубое шлифование 6,3

полирование 0,4

особо чистовое полирование 0,05

При сближении таких поверхностей их контактиро­вание произойдет не по всей плоскости, а лишь в отдельных точках (рис. 1.4).

а б

Рис. 1.4. Модель контакта загото­вок: а — по макровыступам (волнис­тости);

б — по микровыступам (шероховатости)

Большинство металлов и сплавов в обычных услови­ях термодинамически неустойчиво и легко переходит в окисленное состояние. При контактировании ювенильных поверхностей (образованных, например, в изломе металла или в первые мгновения после механической обработки) с окружающей атмосферой на них образуются слои химиче­ски адсорбированного кислорода с большой скоростью. Так время, необходимое для адсорбирования мономолекулярно­го слоя газа в атмосфере воздуха при 20 ^oС и различном давлении, составляет:

Давление, Па 10⁵ 1,0 10^-5

Время, с 2,4·10^-9 1,8·10^-4 18

Молекулы кислорода, попадая на металл, расщепля­ются на атомы, химически взаимодействующие с металлом и образующие очень прочные направленные связи. Такой процесс называется хемосорбцией. Хемосорбция в боль­шинстве случаев сопровождается образованием оксидной пленки по реакции

.

Поэтому, как бы ни очищали поверхность металла перед сваркой, она всегда оказывается покрытой слоем ок­сида, который является существенным барьером для получения качественного соединения, поскольку силы межатом­ного взаимодействия перестают действовать уже на рас­стоянии порядка 1нм и, кроме того, кислород насыщает свя­зи поверхностных атомов металла. Полное удаление окси­дов со свариваемых поверхностей не может быть осуществ­лено предварительной очисткой; оно происходит в процессе сварки.

Кроме оксидов на поверхности металла, имеются слои адсорбированных газов, влаги и органических (жировых) загрязнений. Органические загрязнения особенно за­трудняют сварку при комнатной температуре или с нагре­вом до невысоких температур.

1.4. Механизм образования соединения при сварке давле­нием

Согласно современным представлениям физические основы процесса образования соединения и элементарные акты взаимодействия на границе раздела свариваемых материалов являются общими для всех видов сварки давлением (холодной, взрывом, трением, ультразвуковой, диффузион­ной, прокаткой и др.). Различия же состоят не в физике про­цесса, а лишь в его кинетике, в способах подвода внешней энергии к свариваемым материалам, в скорости и длитель­ности образования сварного соединения.

На основании экспериментальных данных по сварке материалов в твердой фазе сформулирован ряд гипотез для объяснения сущности этого процесса.

С.Б. Айнбиндером предложена пленочная гипотеза, согласно которой соединение может быть получено только после полного удаления оксидов и сближения ювенильных поверхностей на расстояние межатомного взаимодействия. Соединение образуется спонтанно. Сварка реализуется в процессе деформации контактных поверхностей, приводя­щей к растрескиванию и выносу к периферии зоны соеди­нения оксидных пленок и других загрязнений.

Присутствие оксидов и адсорбированных газо безус­ловно сильно затрудняет сварку, но ошибочно считать, что в процессе деформации при сварке получаются до конца очищенные ювенильные поверхности. Полное восстановле­ние оксидов не обязательно и практически трудно выпол­нимо. Если пленки утонены до критической минимальной толщины, равной параметру решетки, которая когерентна решетке данного металла, возможно образование соедине­ния и через пленку оксида.

А. П. Семенов на основании изучения охватывания металлов предложил энергетическую гипотезу, согласно ко­торой для реализации процесса схватывания двух поверхно­стей необходимо, чтобы энергия их атомов превышала на некоторую величину (энергетический порог схватывания) уровень энергии, характерный для данного материала. При­соединение атомов одной поверхности к атомам другой без преодоления энергетического порога считается невозможным. Существование энергетического барьера связывается с направленностью кристаллической решетки.

Гипотеза, предложенная Парксом, основана на пред­ставлении о рекристаллизации, приводящей к образованию новых, общих для соединяемых поверхностей зерен, как ос­новном факторе, определяющем соединение в твердой фазе.

Б.И. Костецким и И.П. Ивженко предложена гипоте­за, согласно которой формирование соединения контроли­руется перемещением масс в процессе диффузии на глубину порядка нескольких нанометров по вакансиям, образован­ным при деформации.

Согласно гипотезе, развиваемой Н.Ф. Казаковым, в основе образования качественного соединения между кон­тактирующими поверхностями лежат процессы взаимного перемещения атомов в глубь соединяемых тел. Получение прочного соединения при диффузионной сварке объясняет­ся возникновением металлических связей в результате ло­кальной деформации при повышенной температуре, макси­мального сближения поверхностей и взаимной диффузии в поверхностных слоях контактирующих материалов.

Существует еще целый ряд гипотез и положений, однако перечисленные выше - наиболее распространенные.

Рассмотренные гипотезы освещают лишь отдельные стороны процесса сварки в твердой фазе.

Вскрывающей сущность и последовательно объяс­няющей процесс соединения металлов в твердой фазе явля­ется теория, развиваемая в работах Ю.Л. Красулина, М.Х. Шоршорова, Э.С. Каракозова и др., согласно которой про­цесс соединения материалов в твердой фазе относят к клас­су характеризуемых стадийностью топохимических реакций развития. При сварке условно различают три стадии:

• образование физического контакта;

• активация контактных поверхностей;

• развитие объемного взаимодействия.

Образование физического контакта - это процесс сближения атомов свариваемых поверхностей на расстоя­ние, при котором возникает физическое воздействие, обу­словленное силами типа сил Ван-дер-Ваальса.

Сближение свариваемых поверхностей происходит, в первую очередь, за счет пластической деформации микро­выступов и приповерхностных слоев, обусловленной при­ложением внешних сжимающих усилий и нагревом метал­ла.

Что же такое активация контактных поверхностей? Поверхности твердых тел на воздухе инертны, так как ва­лентности их атомов насыщены связью с атомами окру­жающих газов. Классическим примером является окисление вещества в атмосфере воздуха. Между окисленными по­верхностями твердого тела могут идти процессы типа физи­ческой адсорбции, обусловленные силами притяжения Ван-дер-Ваальса.

Для химической адсорбции (образования химиче­ских связей) требуется затрата некоторой энергии на акти­вацию. Физически этот процесс обусловлен разрывом на­сыщенных связей на поверхности адсорбирующего тела, который приводит к появлению неспаренных электронов, способных участвовать в химическом взаимодействии.

Процесс схватывания твердых тел, в результате ко­торого между атомами соединяемых поверхностей устанав­ливаются химические связи, происходит на активных цен­трах.

Активный центр - это участок (в пределе - частица) со свободными валентностями на поверхности твердого те­ла, а процесс их образования - активация поверхностей.

Активными центрами при твердофазном взаимодей­ствии может быть очень широкий спектр дефектов: дисло­кации с полем упругих искажений, вакансии, геометриче­ские неоднородности структуры на поверхности и т.д.

Образование активных центров возможно:

а) механически - в процессе пластической деформации, сопровождаемой зарождением и движением дислокаций; при удалении с поверхности части самого металла или химически связанного с ним инородного вещества (например, оксидов); с помощью скола кристалла по плоскости спайности или процесса хрупкого разрушения;

б) термически - вследствие реализации термоактивируемого процесса (само- и гетеродиффузии, движения вакансий, диссоциаций и растворение оксидов и т.д.), приводящего к разрыву хотя бы части насыщенных химических связей поверхностных атомов.

При сварке, сопро­вождающейся деформацией свариваемых элементов, наибольшее практическое значение имеет дислокаци­онный механизм образова­ния активных центров.

Исследование сварки алюминиевой проволоки с монокристаллом кремния (рис. 1.5) показало, что прочное соединение образо­вывалось там, где в резуль­тате появления достаточных касательных напряжений τ, развивалась пластическая деформация, сопровождае­мая образованием и движе­нием дислокаций.

Сопоставление раз­меров участков схватывания с плотностью дислокаций в кремнии и числом атомов на поверхности, позволило сделать принципиально важный вывод о том, что активными центрами являются не только атомы, расположенные в центре дислокации, но и целые зо­ны упруго искаженной решетки вокруг центра дислокации.

При сварке одноименных или с близкими физико-механическими свойствами металлов активация контактных поверхностей происходит одновременно с образованием физического контакта в процессе их сближения при смятии отдельных микровыступов. Фактически после первой ста­дии наступает третья.

При сварке разнородных материалов с резко различ­ной сопротивляемостью пластической деформации физиче­ский контакт образуется за счет материала, обладающего в условиях сварки меньшим сопротивлением деформации. Второй материал при этом начинает испытывать силовое воздействие с некоторым запозданием, и процессы, приво­дящие к активации его поверхности, идут более медленно. Но эти процессы - по существу та же деформация, с тем же движением и выходом дислокаций и вакансий на его по­верхность.

Рис. 1.5. Распределение нормальных (σ) и каса­тельных (τ) напряжений и дислокаций (внизу) в плоскости контакта при сварке алюминиевой про­волоки (1) с монокрис­таллом кремния (2)

Третья стадия - стадия объемного взаимодействия - наступает с момента образования активных центров. На этой стадии происходит развитие взаимодействия соеди­няемых материалов как в плоскости контакта с образовани­ем прочных химических связей, так и в объеме зоны кон­такта. Этот процесс протекает на активных центрах. В плоскости контакта процесс объемного взаимодействия за­канчивается слиянием дискретных очагов взаимодействия, а в объеме - релаксацией напряжений. Для обеспечения тре­буемой прочности соединения часто необходимо дальней­шее развитие релаксационных процессов типа рекристалли­зации или гетеродиффузии. При сварке одноименных ме­таллов критерием завершения третьей стадии может служить рекристаллизация, приводящая к образованию общих зерен в зоне контакта. При сварке разноименных металлов необходимость развития или ограничения гетеродиффузии определяется свойствами диффузионной зоны и образую­щихся в ней фаз. Гетеродиффузия может приводить к уп­рочнению соединения, если при этом благоприятно меняет­ся химический состав материалов в зоне стыка, или разу­прочнению, если образуются хрупкие соединения.

Следует отметить, что деление процесса образования соединения на три стадии оправдано только для микроско­пических участков контакта. Если рассматривать макроско­пическую картину процесса, то часто могут встречаться случаи, когда, например, вследствие медленного растекания одного из соединяемых материалов по поверхности другого в первых по времени образования участках контакта уже за­канчивается третья стадия, а в последних - только еще будет протекать первая стадия.

В зависимости от особенностей того или иного спо­соба сварки без расплавления одна из указанных стадий может быть лимитирующей в общем процессе образования соединения. В основном свойства сварного соединения за­висят от того, какое развитие получила стадия объемного взаимодействия и какими процессами она закончилась при конкретных условиях сварки для конкретной пары материа­лов. При способах сварки, характеризуемых малой длитель­ностью и низкой температурой процесса (<0,5 Т_пл), релак­сационные процессы на стадии объемного взаимодействия не получают развития, и сварка заканчивается схватывани­ем контактных поверхностей. Этот процесс характерен для таких способов получения соединения, как сварка взрывом, магнитно-импульсная сварка, холодная сварка. При таких способах сварки, как диффузионная, сварка токами высокой частоты стадия объемного взаимодействия получает развитие и заканчивается образованием общих зерен или новых фаз.

При сварке давлением задачи образования физиче­ского контакта, активация контактных поверхностей и раз­вития объемного взаимодействия в зависимости от особен­ностей технологического процесса решаются по-разному. Пластическое деформирование в зоне соединения, прису­щее всем способам сварки в твердой фазе, может осуществ­ляться с нагревом или без нагрева. Процесс может идти на воздухе или в контактируемой среде. Иногда он сопровож­дается взаимным перемещением свариваемых деталей (их трением).

Процесс сварки давлением управляется следующими технологическими параметрами: давлением (деформацией), температурой, временем, средой (составом газовой фазы), скоростью взаимного перемещения (трением). В зависимо­сти от вида сварки роль этих параметров различна.