2. Атомно-кристаллическое строение металла и его значение для сварки

Получение качественного соединения металлов (Ме) как сваркой давлением, так и сваркой плавлением зависит от атомно-кристаллического строения свариваемых Ме.

При сварке давлением качественное соединение образуется при сближении свариваемых поверхностей на расстоянии межатомных взаимодействий, при которых устанавливается электронный обмен у активированных атомов на свариваемых поверхностях. То есть для данного вида сварки имеют значение природа атомов, вступающих в контакт, условия активации, характер межатомных связей свариваемых поверхностей.

При сварке плавлением для совместной кристаллизации шва и кромок оплавленного Ме имеет значение характер взаимодействия атомно-кристаллических решёток в твёрдожидком и твёрдом состояниях, природа связей и другие особенности атомно-кристаллического строения этих Ме.

2.1. Роль атомного строения металлов

Для сварки наибольшее значение имеют следующие особенности атомного строения Ме:

- прочность связи наиболее легко отделяемых электронов внешней оболочки с ядром или ионом;

- тип и прочность связи между атомами;

- показатель свободной энергии поверхности.

Электроны внешней оболочки наименее прочно связаны с ядром из-за удалённости от ядра и экранирующего влияния силовых полей электронов промежуточных оболочек. Прочность связи электронов внешней оболочки возрастает по мере заполнения внешнего электронного уровня электронами. Элементы с полностью достроенной внешней электронной оболочкой инертны.

Для установления между свариваемыми поверхностями межатомного взаимодействия (электронного обмена) необходимо, чтобы слабо связанные с ядром электроны внешних оболочек были способны отделиться от своего атома и перейти на внешнюю оболочку атома другой свариваемой поверхности (или одновременное владение разноповерхностными атомами одними и теми же электронами).

В этом случае атомы свариваемых поверхностей объединяются и образуется прочная связь.

О способности Ме образовывать сварное соединение в результате сближения поверхностей до расстояний межатомных взаимодействий можно, в определённой мере, судить по энергии связи внешних электронов с ядром атома. То есть свариваемость Ме при сварке давлением можно пытаться оценить по особенностям строения атома и величине энергии, которую надо затратить на отрыв электрона внешней оболочки от атома.

К такой особенности можно отнести атомный радиус – расстояние от центра ядра до внешней оболочки. Чем больше это расстояние, тем выше способность электрона к отрыву от атома. Величины атомных радиусов некоторых элементов приведены в табл.2.

Таблица 2

Элемент	Mg	Al	Ti	Cr	Fe	Ni	Cu	Zn	Ag	Au
Атомный r, нм	1,60	1,43	1,47	1,30	1,26	1,25	1,28	1,37	1,44	1,46

Об экранирующем влиянии силовых полей промежуточных оболочек можно судить по их электронному строению, которое определяется энергетическим состоянием атомов промежуточных электронных уровней (табл.3). Энергия электронных групп на различных электронных уровнях определяется главным квантовым числом от 1 до 6 (энергетический уровень электронной оболочки будем называть группой).

С увеличением этого числа свободная энергия возрастает (подгруппы s-p-d-f; от s к f свободная энергия, возрастает). Учитывая число электронов в каждой подгруппе, можно судить об экранирующем влиянии промежуточных электронных уровней на прочность связи внешних электронов с ядром.

Таблица 3

Элемент	Внешний уровень	Экранирование
Mg	2	10
Al	3	10
Fe	2	26
Au	1	78

Общее число электронов (порядковый номер в периодической таблице) равно положительному заряду ядра. Если сравнивать атомные радиусы, число оболочек и электронов, то видно, что при близких радиусах заполнение объёма атома оболочками и электронами сильно разнится и возрастает с увеличением атомной массы элемента.

Поэтому ориентировочно атомную массу можно считать показателем плотности экранирующего поля внутренних оболочек атома.

Для учёта плотности экранирующего поля вводят условные показатели–общий удельный заряд:

;

и экранирующий удельный заряд:

.

Если а₁ – а₂  0, то внешние электроны прочно связаны с ядром. Чем больше это разница, тем легче свариваются лементы.

Второй показатель, от которого зависит свариваемость при сварке давлением – величина энергии, которую надо затратить на отрыв электрона.

Физическими показателями энергии связи могут служить потенциал ионизации и энергия выхода электронов при образовании двойного электрического слоя (табл. 4). Потенциал ионизации – силовой показатель связи электрона внешней оболочки с остальной частью атома. Он определяется внешним напряжением поля, которое надо приложить, чтобы оторвать электрон от атома. Электроны по-разному связаны с ядром, поэтому может быть несколько потенциалов ионизации – для отрыва первого электрона, второго и т.д. Наиболее легко отделяется первый электрон, его отделения достаточно для начала электронного обмена. Чем ниже ионизационный потенциал, тем легче устанавливается электронный обмен и лучше свариваются Ме.

Другим физическим показателем связи е с атомом является энергия выхода е, равная разности энергии внутреннего и внешнего электронов.

Таблица 4

Элемент	Mg	Al	Ti	Fe	Ni	Cu	Zn	Zr
Потенциал ионизации, эВ	7,64	5,98	6,82	7,87	7,63	7,72	9,39	6,84
Энергия выхода е, эВ	3,60	4,20	4,10	4,70	4,50	4,50	4,20	13,90

Учитывая изложенные выше данные, можно судить о способности металлов к образованию сварного соединения в результате установления электронного обмена и создания металлической связи.