12

I. Источники энергии при сварке

1. Физические основы и классификация процессов сварки.

§ 1.1. Виды элементарных связей в твердых телах.

В технике используют различные виды разъемных и неразъемных соединений твердых тел. Неразъемные соединения могут быть выполнены монолитными (полученные сваркой, пайкой, клейкой) и немонолитными (клепаные).

Сварку, пайку, склеивание используют для соединения металлов и неметаллов между собой и в разнородных сочетаниях.

Известно, что всякое твердое или жидкое тело представляет систему атомов, ионов или молекул, связанных между собой внутренними силами. Силы межатомной связи состоят из гравитационных, магнитных и электрических, причем последние являются в металлах наиболее сильными. Связи элементарных частиц могут быть как ковалентными, ионными, так молекулярными и металлическими. Первые два типа связей являются химическими, связанными с образованием общих электронов для двух атомов при ковалентной связи (энергия ~ 10⁵ Дж/моль) или ионизацией с получением противоположных зарядов при переходе от одного атома к другому (10⁵- 10⁷ Дж/моль). Применительно к сварке и пайке ковалентные связи устанавливаются при соединении металлов с неметаллами.

Нехарактерные для металлов наиболее слабые (10³ Дж/моль) межмолекулярные (Ван-дер-ваальсовы) силы используются при сварке, например, пластмасс (склеивание).

Металлические связи образуют кристаллические структуры путем взаимодействия положительных ионов узлов кристаллической решетки и поля обобществленных во всем объеме металла электронов наружных орбит ранее нейтральных атомов (~ 10⁵ Дж/моль).

§ 1.2. Физико-химические особенности получения сварных, паяных и клееных соединений.

Элементарные связи удерживают каждый атом внутри кристалла симметрично направленным силам. На свободной поверхности атом не уравновешен (а) из-за отсутствия или ослабления связей с внешней стороны. Это явление увеличивает потенциальную энергию поверхностного слоя. При соединении тел требуется извне энергия для преодоления энергетического барьера.

Рис.1. Кристаллы до соединения

Рис.2. Потенциальная энергия взаимодействия разноименно заряженных частиц имеет минимум при некотором расстоянии

а)

б)

Рис.3. Энергетический барьер потенциальной энергии системы атомов у поверхности кристалла (а) и на границе твердой и жидкой фаз в начальный период их контактирования (б)

Внешняя механическая энергия деформации будет затрачена на преодоление сил отталкивания, возникающих между поверхностными атомами сближаемых тел. Когда расстояния между ними будут близки к межатомным, в решетке кристаллов возникают квантовые процессы взаимодействия электронных оболочек атомов. После этого общая энергия системы начнет снижаться до уровня, соответствующего энергии атомов в решетке целого кристалла→ т.е. будет получено монолитное соединение.

Тепловая энергия, сообщенная поверхностным атомам, способствует развитию процессов электронного взаимодействия и облегчает процесс соединения.

Стадийность процесса сварки (пайки) связана с тем, что ее можно отнести к классу так называемых топохимических реакций. Последние на микроучастках отличаются двухстадийностью процесса образования прочных связей между атомами соединяемых веществ (рис.4). В микрообъемах процесс сварки завершается третьей стадией – диффузией.

Рис. 4. Кинетика изменения прочности соединения при быстром (1) и медленном (2) развитии физического контакта (А) и химического взаимодействия (Б) в зависимости от длительности сварки.

I стадия А- развивается физический контакт- сближение соединяемых веществ на расстояния, требуемые для межатомного взаимодействия, и подготовка поверхностей к взаимодействию.

II стадия Б- химическое взаимодействие- заканчивается процесс образования прочного соединения на микроучастке.

Диффузионные процессы развиваются одновременно с прорастанием дислокаций при пластической деформации контактирующих поверхностей либо при наличии высокой температуры.

Получение монолитных соединений осложняется в случае, если:

- свариваемые поверхности имеют значительные микронеровности (полировка- 200 ат. слоев, токарная обработка- 40 000 ат. слоев)

- свариваемые поверхности имеют загрязнения (адсорбированные атомы внешней среды)

Для качественного соединения изделий необходимо обеспечить контакт по большей части стыкуемых поверхностей и их активацию.

Активация поверхности при сварке состоит в сообщении поверхностным атомам некоторой энергии, необходимой для обрыва связей с атомами внешней среды, для повышения энергии поверхностных атомов до уровня энергетического барьера схватывания.

Энергия активации может быть сообщена в виде теплоты (термическая активация), упругопластической деформации (механическая активация), электронного облучения и др.

В зоне сварки можно установить наличие двух основных физических явлений, связанных с термодинамически необратимым изменением формы энергии и состояния вещества (рис.5): 1- введения и преобразования энергии; 2- движения (превращения) вещества.

Рис.5. Схема-модель классификации процессов сварки.

Вид, интенсивность вводимой энергии и характер ее преобразования- это главное, что определяет вид процесса сварки, причем введение энергии всегда является необходимым условием сварки, т.к. без этого невозможна активация соединяемых поверхностей.

Введение вещества необходимо только при некоторых видах сварки плавлением и пайки, причем энергия в этих случаях может быть введена также с расплавленным материалом. Характер движения вещества зависит от процесса. Движение вещества значительно при сварке плавлением (особенно с присадкой), пайке. При сварке давлением с нагревом движение вещества в зоне стыка незначительное (существенна только диффузия через стык). Холодная сварка реализуется практически без движения вещества.

Сварка – это процесс получения монолитного соединения материалов за счет термодинамически необратимого превращения тепловой и механической энергии и вещества в стыке.

Согласно ГОСТ 2601-74, сварка – это процесс получения неразъемных соединений посредством установления межатомных связей между свариваемыми частями при их местном нагреве, или пластическом деформировании, или совместном действии того и другого.

С точки зрения механизма образования соединения процесс пайки не отличается от сварки. Отличие пайки заключается в том, что обеспечение физического контакта и образование химических связей при пайке происходит через промежуточный слой более легкоплавкого, чем детали, металла, называемого припоем.

Склеивание, цементирование и другие процессы, в отличие от сварки и пайки, как правило, не требуют специальных источников энергии. Они реализовываются только за счет введения (преобразования) вещества.

Клей является металлоидом.

Существенным отличием склеивания от сварки и пайки является отсутствие металлической связи и, как следствие, отсутствие процессов растворения и диффузии соединяемых материалов (отсутствует III стадия).