Физико-технологическое содержание сварки

Сваркой называют процесс получе­ния неразъемных соединений мате­риалов с помощью металлической фа­зы либо контактированием в твердой фазе под действием давления, теплоты или их сочетаний. Процесс образова­ния сварного соединения состоит из четырех стадий: образования физиче­ского контакта между соединяемыми поверхностями, активации контакт­ных поверхностей, объемного разви­тия взаимодействия, кристаллизации.

На первой стадии контактируемые материалы сближаются на рас­стояние порядка

10-100 нм, между ними образуется физический контакт путем увеличения числа и размеров пятен схватывания по мере сминания гребешков микронеровностей. В этот период начинают действовать физиче­ские силы взаимодействия Ван-дер-Ваальса, контактная поверхность пла­стически деформированного металла активируется вследствие выхода дис­локаций, что создает условия возник­новения в контакте слабых химиче­ских связей.

На второй стадии начинается образование соединения за счет вве­дения дополнительной энергии в зону контакта, усиление активационных процессов на контактируемых поверх­ностях. В зоне, где энергия активации суммируется с энергией упругих на­пряжений (обычно в местах упругих искажений кристаллической решет­ки, дислокаций), возникает активный центр (очаг схватывания). Для актива­ции поверхностей используют различ­ные виды энергии: тепловую, дефор­мации, ультразвуковую и др. При теп­ловой активации за счет плавления и растекания жидкой фазы увеличивает­ся площадь контакта вокруг каждого активного центра. Отдельные контакт­ные пятна сливаются в более крупные очаги схватывания. Решающую роль при этом играют квантовые процессы электронного взаимодействия, проис­ходит коллективизация валентных электронов положительными ионами обеих фаз, т. е. образование металли­ческой связи в очаге схватывания.

Активирование энергией деформа­ции приводит к очистке сопрягаемых поверхностей в зоне контакта от ок­сидных и адсорбционных пленок, а также к размножению и выходу дис­локаций на контактную поверхность и увеличению числа активных центров. При воздействии УЗ-колебаний на­блюдается упрочнение поверхностных слоев в зоне сварки, что приводит к деформированию более глубоких сло­ев твердого тела с одновременным ин­тенсивным тепловыделением, вызван­ным трением сжатых контактных по­верхностей. В результате деформация увеличивается в большем объеме ме­талла, разрастаются мостики схваты­вания.

На третьей стадии процесса развивается взаимодействие соединя­емых материалов как в плоскости, так и в объеме зоны контакта, заканчи­вающееся слиянием очагов схватыва­ния, что является необходимым усло­вием возникновения Прочных хими­ческих связей между материалами. Но оно может оказаться недостаточным для получения прочного сварного со­единения, если к этому моменту не произойдет релаксация напряжений. Увеличение времени сварки усиливает гетеродиффузию, что может упрочнить соединение при образовании твердых растворов замещения либо разупрочнить при образовании хрупких интер-металлидных фаз. Стадии процесса сварки можно рассмотреть на кинети­ческой кривой изменения прочности сварного соединения (рис. 3.33).

Рис. 3.33. Зависимость прочности соединения от длительности сварки

Длительность стадии А образования физического контакта определяется уравнением:

где ε – относительная деформация: ε = а/h_max;

а – величина сближения по­верхностей;

h_max – максимальная вы­сота микровыступов;

с – коэффици­ент, учитывающий форму микроне­ровностей: с = 0,3-0,7;

m – коэффи­циент: m = 3-5; V _Ф – скорость пла­стической деформации в момент

достижения физического контакта.

При сварке разнородных металлов можно предположить, что физический контакт будет образовываться за счет более пластичного материала, поэтому длительность развития этого контакта будет зависеть в основном от скорости ползучести. Высота микронеровностей и их геометрия зависят от вида обра­ботки: при грубых видах типа точения или фрезерования отношение микро­выступа к его высоте составляет 20 – 50, а при полировке – 100–200. При этом высота микронеровностей изме­няется от 50 до 0,01 мкм соответст­венно. Приняв условно форму микро­выступа в виде конуса, получим, что скорость пластической деформации:

где l ₀ – длина основания микровы­ступа;

l _к/2 – длина образующей ко­нуса;

t – время сглаживания.

Длину образующей конуса можно определить из геометрии микровы­ступа:

где h ₀ – высота микровыступа;

n = l ₀/h_o – чистота обработки (для 5-го класса n = 10, для 7-го – 20, для 8-го – 30).

Длительность стадии В активации контактных поверхностей:

где γ – коэффициент, зависящий от типа взаимодействующих материалов;

Е_а – энергия активации;

k – постоян­ная Больцмана: k = 1,381·10^-23Дж/К;

Т – температура в зоне взаимодейст­вия;

α – коэффициент (для полупро­водников α = 3,4);

τ – контактное ка­сательное напряжение.

При сварке металлов с полупровод­никами (кремнием, германием) Е_а со­ставляет 2–3 эВ, длительность стадии активации – единицы секунд. При сварке однородных металлов в усло­виях высоких скоростей пластической деформации длительность периода ак­тивации мала

(t_В ≤ 10 ^-3с).

Анализ зависимости прочности со­единения от времени сварки показы­вает, что быстрый рост прочности происходит на стадиях А и В, в тече­ние которых генерируется избыточное количество дефектов. Для стадии уста­новившейся ползучести С характерен определенный баланс между количе­ством дефектов (вакансий и дислокаций), при этом выход дефектов в зону реакции ограничен, что замедляет рост прочности на этом этапе.

На стадии С взаимодействие разви­вается на активных центрах, которые, распространяясь в плоскости контакта и соединяясь, образуют очаги взаимо­действия. Длительность стадии опре­деляется формулой:

где r – радиус взаимодействия в плос­кости контакта;

β – коэффициент, за­висящий от рода материала;

D ₀ – предэкспоненциальный множитель;

r ₀ – радиус начала очага взаимодействия;

Е_р – энергия релаксации напряжений.

Итак, необходимым условием обра­зования сварного соединения является активирование поверхности менее пластичного из свариваемых материа­лов. Наиболее распространены следу­ющие способы активации (рис. 3.34):

Рис.3.34. Классификация способов сварки.

– тепловой энергией (Т -, Т, t -процес­сы);

– тепловой энергией и специальной атмосферой (Т, А -процессы);

– энергией деформации давлением (Р -процессы);

– тепловой и деформационной энер­гией (Р, Т -процессы);

– ультразвуковой энергией (Р, f -про­цессы);

– энергией деформации ползучести (Р, Т, t, А -процессы).

Характерная особенность сварного соединения, полученного плавлени­ем, – зональная структура (рис. 3.35).

Рис. 3.35. Структура сварного соединения:

1 - ядро; 2 - граница раздела; 3 - зона легирования;

4 - зона термического влияния

Первая зона – литое ядро, которое представляет собой закристаллизовав­шуюся жидкую фазу. Вторая зона – граница раздела между соединяемыми фазами (0,30–1,0 мкм). Третья зона – приконтактная, она имеет размеры в несколько десятков микрометров – это область диффузионного легирова­ния. Последняя – зона термического влияния, обусловленная неравномер­ным нагревом деталей (10–100 мкм).

При других методах сварки структу­ра соединения может отличаться от описанного выше. При сварке давле­нием за счет глубокой пластической деформации, при которой разрушают­ся и выдавливаются в стороны оксид­ные пленки и другие загрязнения, по­граничные зерна измельчаются и сближаются. Между ними возникают межкристаллитные силы взаимодейст­вия. Вследствие неодинаковой текуче­сти металлов и проявления сил трения пограничные зерна частично перема­лываются. Граница между металлами исчезает, а по мере протекания про­цесса диффузии растет диффузионная область.

При сварке УЗ-колебаниями между соединяемыми поверхностями деталей возникают силы трения, под действи­ем которых происходит местный разо­грев поверхностных слоев металла. Вследствие интенсивной знакопере­менной деформации металл переходит в высокопластичное состояние, что приводит к резкому измельчению зер­на и развитию дефектов в кристалли­тах. Металлы в зоне деформации на­греваются до температур, близких к температуре рекристаллизации. Одна­ко из-за относительно низкой темпе­ратуры и ограниченного времени про­цесс диффузии не успевает завер­шиться, поэтому структура соедине­ния близка к структуре металлов при сварке давлением.