Физические основы процесса сварки и пайки.

Существует несколько определений понятия сварки. Наиболее полным можно считать следующее определение.

Сваркой называется технологический процесс получения неразъемных соединений, характеризующийся установлением межчастичных (межатомных) связей, диффузией частиц и непрерывностью структур.

В отличие от сварки процесс пайки не характеризуется непрерывностью структур.

кристаллы до (а) и после (б) сое­динения Рис. 1.1 – Схема образования соединения двух монокристаллов с идеально чистыми и гладкими поверхностями Рис. 1.2 – Энергетический барьер потенциальной энергии системы атомов у поверхности кристалла (а) и на границе твердой и жидкой фаз в начальный период их контакта (б)

Любое твердое тело можно предоставить как агрегат атомов, находящихся во взаимодействии. Тип химической связи атомов и характер их взаимного расположения в твердом теле определяют его физико–химические и прочностные свойства. Поэтому получение неразъемного соединения со свойствами, близкими к свойствам соединяемых тел, прежде всего, определяется установлением связей между атомами, находящимися на поверхностях соединяемых тел.

На первый взгляд кажется, что образование монолитного соединения двух одинаковых монокристаллов с идеально гладкими и чистыми поверхностями возможно при любой температуре и без приложения внешней энергии. Для этого достаточно сблизить их поверхности на расстояние D (D = 345.10^{-8 см), соизмеримое с параметрами кристаллической решетки. Тогда между сопряженными атомами возникнут связи аналогичные действующим в самом монокристалле, и граница раздела исчезнет – произойдет сварка. (Рис. 1.1) Термодинамическая вероятность этого процесса подтверждается уменьшением свободной энергии системы на величину энергии двух исчезнувших поверхностей раздела.}

В действительности даже и в этом идеальном случае для соединения поверхностей требуется затрата энергии. Дело в том, что любому устойчивому состоянию системы соответствует определенный минимум энергии атома. Каждый атом находится как бы в потенциальной лунке и переход из одного устойчивого состояния в другое возможен только путем преодоления энергетического барьера (Рис. 1.2). Для преодоления этого барьера необходимо сообщить атомам дополнительную энергию, называемую энергией активации.

Внутри кристалла каждый атом удерживается симметрично направленными силами связи. На свободной поверхности кристалла или жидкости атом неуравновешен вследствие отсутствия связи с одной стороны (вакуум) или из-за её ослабления. Это вызывает повышение энергии поверхностного слоя кристалла w_n. Если для перемещения внутри тела атому необходима энергия w_о (см. Рис. 1.2), то для выхода в окружающую среду, w_n причем w_n > w_о. Поэтому для соединения двух монокристаллов в один требуется деформационная, или тепловая, энергия извне, превышающая граничную энергию w_n.

Рассматриваемый случай образования соединения между двумя идеальными монокристаллами не являются исключением. Два монокристалла до образования неразъемного соединения и полученный после образования соединения один монокристалл представляют собой устойчивые состояния с разной энергией на атом. Поэтому для соединения двух монокристаллов в один. Требуется затрата внешней энергии. Эта энергия может быть сообщена соединяемым телам при сжатии внешней силой (энергия деформации), а также при сопутствующем подогреве (тепловая энергия).

При этом внешняя энергия будет затрачиваться на преодоление сил отталкивания, вызываемых взаимодействием электростатических полей поверхностных атомов, до тех пор, пока расстояния между этими атомами не станут близкими к межатомным в решетке кристаллов, т. е. пока не начнутся квантовые процессы взаимодействия электронных оболочек атомов.

Как только последний процесс станет вероятным, общая энергия системы начнет снижаться до уровня энергии атомов в решетке целого кристалла, и в результате будет достигнут выигрыш на величину, равную избыточной энергии поверхностных атомов кристаллов до их соединения.

Практическое решение задачи получения неразъемных соединений реальных твердых тел осложняются двумя обстоятельствами:

Реальные поверхности не бывают идеально гладкими. Даже при самой тщательной обработке поверхности, имеющейся на ней микронеровности, измеряются сотнями и тысячами атомных слоев, поэтому при совмещении поверхностей возможно возникновение контактов лишь в отдельных точках.

Реальные поверхности не бывают идеально чистыми. На любой поверхности твердого тела обязательно присутствуют атомы внешней среды (либо физически адсорбированные, то есть связанные с поверхностными атомами относительно слабыми силами Ван-дер-Ваальса, или же атомы, образующие прочные химические связи, например, кислород, образующий окислы на поверхности металлов).

Для того чтобы получить неразъемное соединение реальных тел, необходимо преодолеть эти препятствия – обеспечить контакт на большей части соединяемой поверхности и активизировать её. Под активацией поверхности в общем случае следует понимать сообщение поверхностным атомам твердого тела некоторой энергии (энергии активации), необходимой:

во-первых, для обрыва связей между поверхностными атомами твердого тела и атомами внешней среды, насыщающими их свободные связи (очистка поверхности);

во-вторых, для повышения энергии поверхностных атомов до уровня энергетического «барьера» схватывания, то есть перевода их в активное состояние, при котором возможно возникновение между ними связей.

а) и б) – Установление физического контакта между телами

в) – Развитие активного пластического течения по поверхности контакта

г) – Образование неразъемного сварного соединения

Рис. 1.3 – Схема образования неразъемного соединения в твердом состоянии

Все существующие методы сварки и пайки по сути дела представляют собой технологические приемы, направленные на решение этих задач и создание условий для образования связей между поверхностными атомами соединяемых тел.

Одним из распространенных приемов, используемых в практике для образования неразъемного соединения, является взаимное деформирование соединяемых материалов под действием приложенной внешней силы (Рис. 1.3). В начальные стадии сжатия и деформирования {а) и б)} обеспечивается образование физического контакта по большей части соединяемых поверхностей в результате смятия неровностей. На этих же начальных стадиях деформации появляются первые активные центры схватывания, образованию которых способствует перемещение вакансий и дислокаций и их скопление. В результате сближения атомов в процессе деформации они приобретают повышенную энергию (энергию активации). На более поздних стадиях деформирования {в)}, характеризующихся развитием активного пластического течения металла на поверхности контакта, появляются макроскопические участки схватывания, возникающие в местах образования новых чистых (ювенильных) поверхностей. В результате пластического течения, имеющиеся на поверхностях посторонние атомы и молекулы (оксиды, масла, грязь и т.п.) вытесняются из места стыка и образуют так называемый грат {г)}, а между поверхностными атомами образовавшихся ювенильных (чистых) поверхностей устанавливаются металлические связи аналогичные действующим в твердом теле.

Такой принцип образования соединений используются при холодной сварке глубокой деформацией, при точечной сварке без расплавления ядра, при стыковой сварке без оплавления, при сварке кузнечной, газопрессовой и др.

В рассмотренном случае сближение атомов (создание физического контакта) и активация поверхности достигалась за счет пластической деформации соединяемых тел под действием внешней силы. Но это не единственный путь. Активация поверхности может достигаться, если к границе поверхности раздела подвести тепловую энергию, например, подогреть соединяемые части. При этом увеличивается амплитуда тепловых колебаний атомов. Усиливаются процессы диффузии, облегчается сцепление. Повышение температуры активизирует процессы сцепления в силу таких причин:

1 – в результате нагрева повышается энергетический уровень атомов, благодаря чему перестройка решетки при контакте различно ориентированных монокристаллов облегчается;

2 – повышение температуры облегчает пластическую деформацию металлов и снижает величину усилий, нужных для сдавливания образцов;

3 – уменьшаются собственные напряжения, которые иногда могут разрывать уже образовавшиеся соединения;

4 – при достаточно высоких температурах в некоторых случаях возможно растворение окисных пленок в металле или в специальных флюсах.

Для различных металлов взаимосвязь между рассмотренными технологическими параметрами (давлением и температурой) процесса сварки является различной. Качественно эта связь для технически чистого железа в условиях, исключающих загрязненность соединяемых поверхностей, представлена в виде графика на Рис. 1.4.

Рис. 1.4 – Зависимость между температурой и давлением,

необходимыми для сварки технически чистого железа

Кривая ABCDE разделяет поле технологических параметров Р и Т на области получения сварного соединения со свойствами, близкими к свойствам свариваемого металла, (выше этой кривой) и соединений с низкими свойствами или полным отсутствием сваривания (ниже кривой ABCDE), условно названной областью отсутствия сваривания.

Штриховыми вертикальными линиями разделены температурные области. Так, при температуре металла ниже Т₁ для получения качественных сварных соединений требуются очень большие, практически не применяемые давления. Поэтому область 1 можно назвать областью ограниченного сваривания.

В пределах температур Т₁ и Т₂ для осуществления сварки необходимо прикладывать внешнюю сдавливающую силу (область II), причем давление Р по мере увеличения температуры может снижаться. Это область практически применяемых режимов сварки давлением.

Выше температуры Т₂ кривая совпадает с осью абсцисс – никакого внешнего давления прикладывать не надо (Р = 0). При этих условиях металл переходит в расплавленное состояние. Сварка при таких параметрах носит название сварки плавлением.

а) исходое сопряжение торцов двух металлических кусков (пунктирная линия) и область их местного расплавления (заштрихованная зона);

б) сварное соединение после затвердевания (кристаллизации) жидкого металла

Рис. 1.5 – Схема сваркиплавлением

При сварке плавлением установление непрерывной связи между атомами происходит в момент, когда образовалась общая ванна и исчезли ранее существовавшие границы раздела соединяемых деталей.

Необходимым условием установления металлической связи между атомами твердого и жидкого металла является сближение атомов, которое достигается при смачивании твердого тела жидким. С энергетической точки зрения самопроизвольно такое смачивание будет происходить только в том случае, если работа сил притяжения между жидкостью и твердым металлом (работа адгезии) будет равна или больше сил притяжения частиц жидкости друг к другу (работа когезии).

А адгезии / Акогезии

Для большинства расплавленных металлов поверхностное натяжение измеряется величиной 10²÷10³ эрг/см² (работа когезии). Для растекания и смачивания такой жидкостью твердого тела энергия (работа) адгезии должна быть такого же порядка, то есть 10²410³ эрг/см².

Смачивание зависит от химического средства между контактирующими металлами, и в первую очередь, от их взаимной растворимости. Металлы, образующие взаимные растворы или химические соединения и имеющие общие фазы на диаграмме состояний, обычно обладают хорошей смачиваемостью. Как правило, металлы хорошо смачиваются собственным расплавом. Нерастворимые друг в друге металлы чаще всего обладают плохой взаимной смачиваемостью (Fe – Pb, Al – Pb, Cu – Pb). Отмечено также, что смачивание улучшается при меньшей разнице температур плавления.

Растекание расплава по поверхности или смачивание осуществляется главным образом за счет поверхностной диффузии и потому облегчается при повышении температуры.

Кроме смачиваемости и некоторых литейных свойств (таких как жидкотекучесть расплава), больше влияние на качество соединения оказывают физико-химические процессы, протекающие по границам раздела твердой и жидкой фаз, а также структура зоны схватывания.

Для осуществления физико-химического взаимодействия между твердым и жидким металлом нужно, чтобы температура твердого металла была выше или равна температуре плавления расплава. В противном случае кристаллизация, начавшаяся у границ холодного твердого тела, затруднит взаимодействие металлов и возникновение металлической связи. При соблюдении указанного условия на границе жидкость – твердое тело возможно растворение одного металла в другом или прямое образование химических соединений.

Если после осуществления нагрева источник тепла убрать (удалить), то в результате охлаждения жидкий металл затвердевает, кристаллизируется, причем в первую очередь вблизи стенок, отводящих тепло. При этом в процессе затвердевания между твердым металлом и закристаллизовавшимся слоем жидкого металла устанавливаются обычные металлические связи. Такая кристаллизация жидкого металла, однородного с подплавленными стенками сварочной ванны, приводит к образованию общих кристаллов, пересекающих начальную границу не расплавлявшегося и расплавлявшегося металлов.

Кроме того, взаимодействие твердого и жидкого металлов, а также взаимодействие твердого и затвердевшего металлов при высоких температурах характеризуется протеканием процессов диффузии и взаимодиффузии. Если при сварке одинаковых металлов развитие диффузии в целом является фактором, способствующим получение соединений с достаточно хорошими свойствами, то при сварке разнородных металлов и пайке диффузия из одного металла в другой может привести к ухудшению свойств соединения вследствие образования промежуточных слоев хрупких химических соединений (интерметаллидов) или прослоек с нежелательными свойствами (мартенсит).

Контрольные вопросы:

1. Назовите основные преимущества соединения твердых тел с помощью сварки и пайки по сравнению с другими видами соединений.

2. В каких отраслях промышленности применяется сварка и пайка?

3. Назовите какие и чьи открытия легли в основу современных способов сварки

4. Какие способы сварки были открыты и исследованы в СССР?

5. Когда началось широкое применение и развитие сварки в нашей стране? Покажите на примерах вклад отдельных ученых в развитие сварки.

6. Дайте определение сварки металлов.

7. Дайте определение пайки металлов.

8. Поясните на примере двух монокристаллов как осуществляется установление межчастичных связей в твердом состоянии.

9. Что такое энергия активизации? Как она может быть сообщена поверхностям соединяемых тел и на что она затрачивается при сварке?

10. Как осуществляется установление межчастичных связей твердого тела и жидкости?

11. Что мешает установлению межчастичных связей при получении неразъёмных соединений твердых тел?

12. Опишите механизм установления межчастичных связей при получении неразъемных соединений твердых тел сваркой давлением.

13. Назовите причины, в силу которых повышение температуры активизирует процессы сцепления атомов.

14. На примере железа покажите зависимость получения сварного соединения от температуры и давления.

15. Поясните понятие непрерывности структуры при сварке.

16. Какую роль играют процессы диффузии при сварке и пайке?