Кваснiцкий Спецiальнi способи зварювання

частково передаються атомам неметалу з підвищенням в останніх статистичної маси стабільних sрх-конфігурацій, утворених локалізованими валентними електронами неметалічних атомів. Якщо в атома неметалу є надлишок електронів понад sр3, то при утворенні з'єднання підвищується статистична маса нелокалізованих електронів. Наприклад, атом азоту, який має в ізольованому стані конфігурацію s2р3, завдяки s→р переходу може набути конфігурації sр4, що потім перетвориться в sр3 з передачею електрона в усуспільнений стан. Тому при утворенні нітридів перехідних металів статистична маса нелокалізованих електронів підвищується, а стабільних конфігурацій, утворених локалізованими електронами, – відносно зменшується. При взаємодії перехідних металів із подібними тугоплавкими сполуками процеси адгезії зв'язані з такими електронними обмінами та перебудовами, які призводять до збільшення статистичної маси стабільних конфігурацій, порівняно з початковими речовинами.

Розглянемо дифузійне з'єднання карбідів титану, молібдену і вольфраму. За даними роботи [118], при тиску 5 МПа оптимальними температурами зварювання є 1973, 2173 і 2273 К для TіС + TіС, Мо2С + Mo2С і WC + WС відповідно. Відношення оптимальних температур зварювання карбідів і їх металів зменшуються від титану до молібдену і від молібдену до вольфраму, складаючи 1,56; 1,23 і 1,1 відповідно. Це обумовлено тим, що при утворенні карбідів у зазначеному ряду відносне зниження статистичної маси нелокалізованих електронів при переході від металу до карбіду зменшується. Як відзначається в роботі [118], у вольфрама цей перехід, імовірно, супроводжується навіть зниженням статистичної маси нелокалізованих електронів, а невелике зростання оптимальної температури зварювання карбіду в порівнянні з вольфрамом обумовлено тільки утворенням стійких sр3-конфігурацій атомів вуглецю, які більш стабільні, ніж d 5-конфі- гурації вольфраму.

111

При з'єднанні карбідів із металами варто розрізняти два випадки: зварювання металу з його карбідом МеС + Me і зварювання металу з карбідом іншого металу MeС + Me'.

У першому випадку процес може проходити з утворенням нижчих карбідних фаз. При цьому варто очікувати підвищення статистичної маси стабільних (у даному випадку d 5) конфігурацій локалізованої частини валентних електронів перехідного металу і атомів вуглецю при деякому збільшенні статистичної маси нелокалізованих електронів щодо металу і вуглецю. У цьому випадку температура визначається необхідністю витрат енергії для збудження стабільних електронних конфігурацій атомів у карбіді і металі. Це спостерігається в системах NbC–Nb, TaC–Ta, WC–W. Температура зварювання цих систем складає відповідно 1873, 2173 і 2273 К.

При з'єднанні Мо2С з Мо, коли утворення карбіду з меншим вмістом вуглецю неможливе, ефект зварювання визначається переходом частини нелокалізованих електронів від атомів, які входять у карбід молібдену, до атомів металевого молібдену. Цей перехід не зв'язаний з кардинальною перебудовою електронної конфігурації речовини, що і визначає відносно низьку температуру зварювання (1673 К).

При зварюванні різнойменних карбідів і металів температура процесу також істотно залежить від збудження стабільних електронних конфігурацій атомів з'єднуваних речовин, але великого значення набуває ступінь стабільності фаз, які утворюються при з'єднанні.

Аналогічні закономірності спостерігаються також при з'єднанні інших неметалів та неметалів із металами.

Зі збільшенням статистичної маси стабільних електронних конфігурацій і ростом енергетичної стійкості їх збудження ускладнюється, що вимагає підвищення температури зварювання. У ряду вуглець– кремній–германій, навпаки, зварювання полегшується внаслідок зниження енергетичної стійкості sp3-конфігурацій і зменшення їх стати-

112

стичної маси. Теж саме спостерігається при переході від бора до алюмінію, від берилію до магнію тощо. Разом із тим зварювання ускладнюється при переході від берилію (sр) до бору (sр2) і алмазу (sр3). Карбонітрид бору ВNС, всі атоми якого мають високу статистичну масу конфігурації sp3 (атом азоту здобуває конфігурацію sp3 внаслідок передачі одного електрона атому бора, який при цьому також замість sр2 здобуває конфігурацію sр3, вуглець (s2р2) утворює конфігурацію sp3 завдяки s→p переходу), не вдалося з'єднати з металами аж до температури плавлення.

З утворенням стабільних sp3-конфігурацій в атомах алмазу пов'я- зане його погане змочування розплавленими металами і сплавами. Зниження стабільності електронних конфігурацій атомів речовин шляхом уведення в них домішок поліпшує змочування та здатність до з'єднання матеріалів із великою статистичною масою стабільних конфігурацій локалізованих електронів.

Таким чином, аналіз електронних конфігурацій атомів металів і атомів елементів хімічних сполук дозволяє визначати здатність до з'єднання в твердому стані, змочування, дифузійні та інші процеси.

1.7. Узагальнена схема утворення з'єднань у твердому стані

Складні процеси утворення з'єднань у твердому стані обумовили різні трактування самого процесу і його стадій.

Наприклад, автор способу дифузійного зварювання у вакуумі М.Ф. Казаков виділив дві стадії утворення з'єднання: перша охоплює процеси видалення оксидних плівок, формування фізичного контакту і встановлення міжатомних зв'язків між з'єднуваними поверхнями; друга – процеси дифузії і рекристалізації, що визначають об'ємну взаємодію.

М.Х. Шоршоров, Ю.Л. Красулін і Е.С. Каракозов, виходячи з позиції топохімічних реакцій, виділили три стадії: перша – утворення

113

фізичного контакту; друга – активація поверхонь і їх схоплювання; третя – об'ємна взаємодія.

О.С. Гельман в окрему стадію виділив видалення оксидних плівок. Г.В. Самсонов із співробітниками виділив два етапи: перший – адгезія, другий – дифузійне проникнення контактуючих речовин. Однак перший етап розділено на дві стадії. Протягом першої, підготовчої, стадії поверхні деталей зближаються на відстані, необхідні для міжатомної взаємодії. Це зближення може здійснюватися шляхом спільного пластичного деформування або завдяки поверхневому дифузійному переміщенню атомів. На другій стадії визначальну роль

відіграє електронна взаємодія атомів контактуючих речовин. Викладені позиції різних авторів не є взаємовиключними, а під-

креслюють роль тих або інших сторін комплексного процесу. Враховуючи різноманітність способів зварювання тиском та з'єднуваних матеріалів, важко скласти єдині схеми і перелік найважливіших процесів, що забезпечують якість зварювання, але можна визначити необхідні умови якісного з'єднання. Вони випливають із необхідності забезпечення такої будови зварного з'єднання однойменних матеріалів, яка б відповідала будові основного матеріалу на будь-якому рівні структури: електронної, кристалічної, атомної, мікрота макроструктури. Для цього необхідне зближення поверхонь деталей на міжатомні відстані (утворення фізичного контакту), утворення зв'язків безпосередньо між атомами з'єднуваних металів (активація поверхонь) та фізична, хімічна і структурна однорідність. При зварюванні різнойменних матеріалів структура повинна забезпечити необхідні властивості з'єднання. Вони, як правило, визначаються структурою матеріалів у зоні стика.

Утворення фізичного контакту досягається шляхом пластичної деформації металу в зоні з'єднання при різних механізмах деформації,

що визначаються температурою та інтенсивністю силового впливу.

114

Нами розглядались активна деформація та повзучість під дією зовнішніх сил, але вони не вичерпують всіх можливостей. Наприклад, при з'єднанні матеріалів із використанням ультрадисперсних порошків, як

ів технологіях порошкової металургії, важливу роль відіграє поверхнева енергія високодисперсної системи, зближенню ковара зі склом сприяють внутрішні електростатичні сили стискування в електричному полі тощо.

Основними способами активації поверхні є: термічна (дисоціація

ісублімація оксидів, розчинення оксидів і кисню основним металом), деформаційна, хімічна (відновлення металу та перетворення оксидів у леткі з'єднання), розчинення адсорбованих плівок із видаленням зі стика. Цей перелік також не є вичерпним. Наприклад, при з'єднанні кремнія, ковара зі склом (електрохімічне зварювання) активація атомів кисню досягається під дією постійної електричної напруги [141].

Об'ємна взаємодія при зварюванні тиском включає процеси дифу-

зії, полігонізації, рекристалізації тощо.

Не для всіх способів зварювання тиском характерні перелічені процеси. Цей перелік не визначає також послідовності протікання процесів, наприклад, можлива спочатку термічна або хімічна активація поверхонь, а потім утворення фізичного контакту. Не для всіх матеріалів названі процеси при з'єднанні відіграють позитивну роль. Наприклад, дисоціація може викликати деструкцію матеріалу, дифузія призвести до утворення крихких прошарків або пористості, рекристалізація – до знеміцнення або окрихчування тощо. Тому необхідно враховувати можливість протікання тих чи інших процесів при конкретних способах зварювання, їх вплив на властивості основного матеріалу і з'єднань, контролювати та, залежно від впливу, розвивати або обмежувати їх протікання.

Будь-які процеси зварювання тиском керуються всіма або частиною наступних п'яти основних параметрів: тиск р (деформація), тем-

115

пература Т, час t, середовище А, швидкість взаємного переміщення f (тертя, удар). Іноді окремі параметри настільки тісно пов'язані, що не можуть самостійно контролюватися, наприклад, температура при зварюванні вибухом. У роботі [8], залежно від головних параметрів процесу, способи зварювання тиском поділено на p – процеси (холодне зварювання); p, Т – процеси (зварювання вибухом, пресове тощо); p, Т, А – процеси (газопресове зварювання, струмами високої частоти в контрольному середовищі); p, Т, t, А – процеси (дифузійно-вакуумне зварювання); p, Т, f – процеси (ультразвукове зварювання та зварювання тертям).

Широке застосування знайшли такі способи зварювання тиском, як холодне, вибухом, тертям, ультразвукове, дифузійне. Порівняльну оцінку інтенсивності впливу основних параметрів при деяких спеціальних способах зварювання тиском та контактному зварюванні показано на рис.1.40.

Розглядаючи конкретні способи зварювання, можна більш чітко виділити роль того чи іншого процесу. Наприклад, при холодному зварюванні головну роль відіграє активна деформація металу, що забезпечує видалення оксидних плівок, фізичний контакт та активацію поверхонь. Роль термічної активації та об'ємної взаємодії не істотна, про що свідчать результати холодного зварювання алюмінію при температурах до –150 °С.

При p, Т – процесах, незважаючи на їх швидкоплинність, істотну роль відіграє термічна активація. Об'ємна взаємодія в більшості випадків незначна. При збільшенні часу в p, Т, t – процесах вплив взаємодії матеріалів різко зростає.

Необхідною умовою всіх способів зварювання тиском є пластична деформація. Із деформацією пов'язані не лише процеси утворення фізичного контакту, очищення з'єднуваних поверхонь та їх активації, утворення активних центрів, але, як указано в п.1.5, також процеси об'ємної

116

взаємодії. Тому величина та швидкість деформації визначають формування зварного з'єднання в цілому. За інтенсивністю силової дії способи зварювання тиском умовно поділяють на три групи [41,64].

Рис.1.40. Діаграма середніх значень теплового Т, силового Р і часового t факторів при різних способах зварювання:

КЗ – контактне; ДЗ – дифузійне; УЗЗ – ультразвукове; ЗТ – тертям; ХЗ – холодне (σт – границя плинності, Тпл – температура плавлення)

До першої групи відносять способи з низькоінтенсивною силовою дією, що виконуються з низькою швидкістю деформації (10–6...10–4 с–1) за рахунок повзучості. Яскравим прикладом може бути дифузійне зварювання у вакуумі (ДЗВ) за традиційною схемою.

До другої групи відносять способи з середньоінтенсивною силовою дією і середньою швидкістю деформації (10–3...10–1 с–1). Група включає в себе холодне зварювання (ХЗ), зварювання тертям (ЗТ),

117

зварювання прокатуванням (ЗПр) та інші способи з вимушеною активною деформацією.

До третьою групи відносять способи з високоінтенсивною силовою дією і високою швидкістю деформації (10...105 с–1), зокрема, магнітноімпульсне зварювання (МІЗ), ударне зварювання у вакуумі (УЗВ), зварювання вибухом (ЗВ).

Пластична деформація суттєво впливає на дифузійні процеси. Оскільки при зварюванні тиском пластична деформація локалізується в зоні з'єднання [60,88], а залежно від інтенсивності силової дії змінюється ступінь локалізації деформації [88], то формування зварного з'єднання при різних способах зварювання має свої особливості. Авторами робіт [88,112] встановлено, що при збільшенні швидкості деформації ступінь локалізації та глибина зони деформації зростають. Наприклад, при ДЗВ локальна деформація εл = 40...60 % зосереджується в зоні зварювання глибиною менше 30...50 мкм, при УЗВ εл = 90...95 % – в зоні до 50 мкм, а при ЗВ εл = 1000 % – в зоні 150...200 мкм. При ДЗВ та УЗВ загальна деформація зразків складає 4...5 %. При ЗВ має місце значне зростання деформацій зсуву. Разом із збільшенням швидкості деформації змінюються механізми формування структури та масопереносу в зоні зварювання [13,88,112].

При низькошвидкісній деформації (наприклад, при ДЗВ) спостерігаються хаотичний розподіл дислокацій, клубково-коміркова та субзеренна структури. З підвищенням швидкості деформації (наприклад, при МІЗ) існують повороти елементів структури у вигляді фрагментації і двійникування зерен, чітка орієнтація структур у напрямку діючих напружень та повороти фрагментів субзеренних і зеренних розмірів. При швидкостях деформації 104...105 с–1 (наприклад, при ЗВ) механізми деформації зв'язані з потужними колективними формами руху дефектів кристалічної будови, при яких метал переходить в особливий аморфно-кристалічний стан.

118

Типи структур при різних швидкостях деформації вивчено в роботі [88]. Встановлено, що в процесі високотемпературної деформації разом зі збільшенням швидкості деформації (при переході від ДЗВ до ЗВ) у зоні зварювання відбувається формування структури в такій послідовності: дислокаційні плоскі скупчення та хаотичний розподіл дислокацій; клубкові, блочні, коміркові, субзеренні структури; фрагменти; двійники; смугасті структури різних типів (смуги зсуву та переорієнтації). Типи деяких із них показано на рис.1.41 [88].

Зміну долі різних типів структур при зростанні швидкості деформації показано на рис.1.42,а для металів, однорідних за складом та з високими значеннями енергії дефектів кристалічних граток (алюміній АД-1, нікель та його сплави); на рис.1.42,б – для металів з фазовими виділеннями, а також із більш низькими значеннями енергії дефектів кристалічних граток (зміцнений алюміній, мідь, нержавіюча сталь) [88].

У роботі [112] досліджено механізм масопереносу залежно від швидкості деформації. В умовах низьких швидкостей деформацій, характерних для традиційної схеми ДЗВ, дифузія реалізується за рахунок точкових та лінійних дефектів кристалічної будови, а також уздовж субта міжзеренних границь. Зі зростанням величини пластичної деформації швидкість дифузії збільшується, чим пояснюється вплив механічної обробки з'єднаних поверхонь на дифузійну рухомість атомів у приконтактних зонах певної глибини (див. рис.1.31). Зі збільшенням швидкості деформації (відповідно миттєвої концентрації дефектів) дифузія зростає. Цей ефект більш сильно виявляється при низьких температурах.

В умовах високоінтенсивної силової дії змінюються механізми як пластичної деформації, так і масопереносу. Разом із дислокаційним механізмом спостерігаються колективні форми руху дефектів кристалічних граток, переміщення потоків мас одного металу в інший, скупчень сегрегацій, окремих часток різних розмірів (порядка декількох

119

десятків нанометрів) та їх комплексів у напрямку дії зовнішніх напружень, ротаційні механізми масопереносу, а також утворення кластерного типу (групи з певною кількістю атомів, в об'ємах яких існує кристалічна упаковка, а перехід від одного кластера до іншого здійснюється через більш розупорядковані перехідні області). Зміну механізмів масопереносу від дислокаційного до механічного для різних способів зварювання показано на рис.1.43 [112].

Рис.1.41. Типи струк-

а

тур (×30000) у зоні локалізованої деформації при різних швидкостях зовнішнього навантаження та їх схеми:

а – комірково-субзерен- на структура сплаву ХН77ТЮ при ДЗВ; б –

бсмуги зсуву в нікелі при ЗВ; в – повороти та смугипереорієнтації внікелі

в

120