1.1. Физико-химические основы образования сварного соединения

Образование сварного соединения, определение сварки

Сварочный процесс, как и пайка, направлен на получение монолитного соединения, которое возникает в случае установления связей между атомами свариваемых деталей на границе их раздела, аналогично связям, действующим в твердом теле.

Образование соединения при сварке в идеальном случае должно происходить после того, как соединяемые поверхности сблизились на межатомные расстояния. Действительно, два монокристалла в вакууме с идеально чистой поверхностью имеют атомы на поверхности, внешние связи которых не уравновешены. Когда вещества соединяемых частей одинаковы и атомы располагаются друг против друга, при сближении монокристаллов эти атомы взаимодействуют между собой. На рис. 1.1 показано, каким образом изменяются межатомные силы взаимодействия (притяжения и отталкивания), а также потенциальная энергия по мере сближения атомов. Как видно, на первой стадии сближения силы притяжения (Рпр) больше сил отталкивания (Рот) (рис. 1.1, а). Затем начинается процесс взаимного перекрытия электронных оболочек атомов и наблюдается резкое возрастание сил отталкивания. При г = г0 это приведет к тому, что силы притяжения и отталкивания сравняются. В дальнейшем сближение атомов будет сопровождаться интенсивным возрастанием сил отталкивания.

В идеальном случае атомы после некоторых колебательных движений должны установиться самопроизвольно на расстоянии, когда Рпр — — Рот = 0, т.е. г = г0. В этот момент (рис. 1.1, б) величина потенциальной энергии системы W будет минимальна, что характерно для устойчивого равновесия. Стремление системы к минимуму свободной энергии соответствует второму закону термодинамики, а минимум потенциальной энергии WB — энергии ван-дер-ваальсовской связи. Если энергию поверхности монокристалла принять за Wn, то после соединения монокристаллов между ними устанавливается одна поверхность раздела с энергией WB. Эта энергия меньше суммарной энергии двух поверхностей, т.е.

Рассмотренная схема образования монолитного соединения при сварке, не противоречащая второму закону термодинамики, возможна, однако, в случае наличия некоторой энергии активации, а не только в результате сближения соединяемых поверхностей. Необходимость в ней очевидна из графика (рис. 1.2) энергетических барьеров атомов, которые расположены в своеобразных потенциальных лунках. Поэтому в любом случае для сварки обязательно потребуется затратить энергию активации Ww например в виде теплоты (термическая активация) или упругопластической деформации (механическая активация).

Рис. 1.1. Характер изменения сил взаимодействия (а) и потенциальной энергии (б) при сближении атомов

Рис. 1.2. Энергетический барьер потенциальной энергии у поверхности

кристалла

Образование монолитного соединения в реальных условиях затруднено из-за наличия на поверхностях деталей микронеровностей, оксидных пленок, адсорбированных газов, различного рода загрязнений.

Таким образом, сварочный процесс может быть определен как процесс получения монолитного соединения материалов за счет термодинамически необратимого превращения тепловой и механической энергии и вещества в стыке. Схематично это проиллюстрировано на рис. 1.3. Как очевидно, в зависимости от характера вводимой энергии все сварочные процессы (сварку, пайку, резку) можно отнести к термическим (Т), термомеханическим (ТМ) и механическим (М) методам.

При термических методах сварки с помощью внешнего источника нагрева (дуги, пламени горелки, электронного луча и т.п.) кромки расплавляются, образуя так называемую сварочную ванну. Расплавление металла способствует его объединению в единое целое, так как оксиды на его поверхности или диссоциируют, или частично растворяются в металле, выгорают жировые загрязнения, исчезают неровности металла, и его поверхность становится идеально гладкой, как у всякой жидкости под влиянием сил поверхностного натяжения.

Рис. 1.3. Схема-модель, поясняющая термодинамическое определение и классификацию процессов сварки:

Т, ТМ, М — термические, термомеханические и механические процессы

После прекращения поступления тепла к сварочной ванне (удаление источника тепла или его отключение) происходят быстрое охлаждение и последующая кристаллизация расплавленного металла при максимальном теплоотводе в стенки ванны. Процесс кристаллизации заканчивается образованием монолитного шва, который связывает свариваемые детали в единое целое. Аналогично при пайке благодаря кристаллизации припоя, заполняющего зазор между деталями и смачивающего нагретые поверхности, образуется паяное соединение.

В данном случае сварка, особенно с присадочным материалом, и пайка происходят при наличии глубоких превращений вещества. Меньшее движение вещества наблюдается при термомеханических и механических методах.

При механических способах сварки отсутствует внешний источник тепла. В этом случае необходимо приложить давление, под влиянием которого в месте сварки возникают значительные упругопластические деформации, вызывающие разрушение оксидной пленки, смятие микронеровностей, обеспечение физического контакта и образование между атомами прочных связей, соответствующих связям при расстоянии между ними, равном параметру кристаллической решетки.

При термомеханических способах сварки металл в месте соединения деталей нагревается от внешних источников тепла до температуры плавления или пластического состояния. Нагревание позволяет снизить удельное давление, уменьшить величину минимальной относительной деформации е, необходимой для сварки (рис. 1.4).

ю

273 353 433 513 593 Т, К

Рис. 1.4. Зависимость степени деформации (emin), необходимой для сварки, от температуры:

1 — сплав Д16; 2 — алюминий; 3 — медь

В соответствии с термодинамическим определением процессов сварки основными признаками для их классификации должны служить: форма вводимой энергии, наличие давления и вид инструмента — носителя энергии (табл. 1.1).

Таблица 1.1

		Класс
	термический	термомеханический	механический
	Дуговая	Контактная	Холодная
	Электрошлаковая	Диффузионная	Взрывом
Виды	Электронно-лучевая	Индукционно-	Ультразвуковая
сварки	Плазменная	прессовая	Трением
	Ионно-лучевая	Газопрессовая	Магнитоимпульс-
	Световая Индукционная Газовая Термитная Литейная	Дугопрессовая Термокомпрессионная Печная	ная

По технологическому признаку 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.

Обычно процесс образования сварного или паяного соединения условно представляют протекающим в три стадии: образование физического контакта, химическое взаимодействие и развитие диффузионных процессов. Ясно, что при сварке плавлением первая и вторая стадии обеспечиваются расплавлением металла соединяемых кромок и наличием сварочной ванны жидкого металла.