Физико-химические особенности сварки

Процесс образования сварного соединения можно разделить на 4 стадии:

1) образование физического контакта между поверхностями материалов;

2) активация контактных поверхностей;

3) объемное развитие взаимодействий;

4) кристаллизация.

На первой стадии сближаются материалы на расстояние порядка 10..100нм, при котором между частицами начинает проявляться физическое взаимодействие, обусловленное силами Ван-дер-Ваальса. Под действием этих сил в жидких фазах происходят дальнейшее самопроизвольное уменьшение расстояний между атомами и их поляризация на фазовых границах раздела с изменением орбит части внешних электронов, которые приводят к снижению потенциальной энергии атомов.

На 2 стадии происходит образование на поверхности более твердого из соединяемых материалов центров, активных в химическом отношении. Активный центр упрощенно - это частицы со свободными валентностями, которые могут возникнуть при разрыве связей в кристалле, в местах образования дефектов. Для активирования поверхностей вводится дополнительная энергия: тепловая, деформации, ультразвуковая.

Активирование с помощью энергии деформации приводит к тому, что все большая часть сопрягаемых поверхностей в зоне контакта включается в соприкосновение друг с другом, очищается от оксидных и адсорбционных пленок. Одновременно происходит размножение и выход дислокаций на контактную поверхность, а также химическое взаимодействие с образованием прочных связей.

При воздействии УЗ-колебаний наблюдается упрочнение поверхностных слоев в зоне сварки, что приводит к деформированию более глубоких слоев твердого тела с одновременным интенсивным тепловыделением, вызванного трением сжатых контактирующих поверхностей. В результате осуществляется релаксация напряжений вблизи поверхностных слоев, вовлечение в деформацию все больших объемов металла, разрастание мостиков схватывания.

С момента образования на контактных поверхностях активных центров наступает 3 стадия, при которой развивается взаимодействие соединяемых материалов, как в плоскости, так и в объеме зоны контакта. В плоскости контакта оно заканчивается слиянием очагов взаимодействия, что является необходимым условием возникновения прочных химических связей между материалами.

Особенности соединений

Обычно при проволочном монтаже применяются соединения встык и внахлест (рис.2).

Рис.2

При отсутствии загрязнений на соединяемых поверхностях прочность соединений зависит от площади контакта. Давление инструмента на проволоку приводит к пластической деформации материала проволоки. Однако, при этом снижается прочность проволоки в месте перехода от деформируемого участка к недеформированному. При механических воздействиях здесь возникает концентрация напряжений. В связи с этим сварку проволочных выводов внахлест целесообразно выполнять с переменной по длине сварки деформацией проволоки. Это достигается наклоном инструмента на несколько градусов в сторону, противоположную формируемой перемычке. Во избежание подреза проволоки кромка инструмента должна быть закруглена. При сварке встык, плавный переход проволоки в деформированную область обеспечивается закруглением или фаской у выхода отверстия инструмента. Площадь контакта соединения зависит от площади рабочего торца инструмента, от диаметра проволоки и степени ее деформации. Размеры сварного соединения в зависимости от этих параметров приведены в таблице 1.

Таблица 1

Особенности соединения	Деформация проволоки	Диаметр проволоки, мкм 20 30 50 100
Внахлест клиновым инструментом с шириной торца 2dпр	75 50 25	70(30) 60(40) 50(30)	110(75) 100(50) 90(40)	180(130) 160(90) 140(70)	320(250) 320(160) 270(130)
То же с шириной торца 3dпр	50 75	100(40) 110(50)	140(50) 150(75)	220(90) 260(130)	450(120) 475(250)
Встык капиллярным инструментом при диаметре шарика (2-2.5)dпр	25 50 75	60(30) 70(45) 85(75)	90(45) 100(75) 150(135)	140(60) 160(100) 200(175)	290(100) 300(200) 400(350)

P.S. Размеры без скобок обозначают длину сварного соединения, а в скобках - ширину сварного соединения.

В зависимости от материала вывода и контактной площадки используют термокомпрессионную сварку (ТКС), сварку косвенным импульсным нагревом (СКИН), электро-контактную одностороннюю сварку (ЭКОС) сдвоенным инструментом и ультразвуковую сварку (УЗС). Определяющей тенденцией развития методов микросварки от ТКС до УЗС является локализация зоны нагрева, что уменьшает тепловое воздействие на изделие в целом и повышает воспроизводимость параметров сварного соединения.