Физико-химические основы и классификация сварочных процессов

Сваркой называется технологический процесс изготовления неразъемных соединений посредством установления межатомных связей между свариваемыми частями изделия при их местном или общем нагреве, или пластическом деформировании, или совместном действии нагрева и пластического деформирования.

Как следует из определения, в основе любого способа сварки лежат процессы по созданию условий, при которых образуются межатомные связи на границе раздела соединяемых элементов.

В зависимости от природы соединяемых тел возможно образование трех основных типов связей: ковалентной, металлической, ионной. Кроме того, в твердых телах существует молекулярная связь Ван-дер-Ваальса. Она обусловлена явлением поляризации, при котором электроны в сближаемых атомах начинают двигаться согласованно.

На рис.1.1 показана схема взаимодействия двух атомов А и В, где σ - плотность электронной энергии каждого из атомов; r_A и r_B -расстояния, на которых наиболее вероятно пребывание электрона каждого атома. При сближении атомов волновые функции валентных электронов начинают перекрываться и они вступают во взаимодействие. При этом изменение потенциальной энергии взаимодействия представлено на рис. 1.2. На расстоянии r₁ между атомами устанавливаются молекулярные связи Ван-дер-Ваальса, что соответствует минимуму потенциальной энергии на кривой II. Дальнейшее взаимодействие связано с необходимостью введения энергии (активации) в систему, что приводит к изменению потенциальной энергии, соответствующее перемещению точки 1 кривой II в точку 2 пересечения с кривой I. В данном возбужденном состоянии возникают предпосылки образования химической связи того или иного типа в зависимости от природы атомов. При этом происходит самопроизвольное выделение энергии и её рассеяние, а система приобретает минимум потенциальной энергии, соответствующий точке 3 на кривой I. Необходимо отметить, что прочность Ван-дер-Ваальсовой связи (E₁) 0,84...8,4 кДж/моль, в то время как энергия химической связи (Е₃) лежит в пределах 84...840 кДж/моль. Энергия Е_a’ называется энергией активации процесса образования химических связей.

Большинство металлов образует простые симметричные решетки - куб, центрированный куб, гранецентрированный куб, гексагональную плотноупакованную решетку, однако некоторые металлы (галлий, индий, германий) имеют особо сложное кристаллическое строение. Энергетические спектры внутренних атомов кристалла взаимно уравновешены. Спектры наружных атомов кристалла не уравновешены. Они образуют силовое поле с повышенной потенциальной энергией. Следовательно, поверхность металла обладает дополнительной энергией, которая называется поверхностной энергией.

Строение реальной металлической поверхности весьма сложно и в значительной степени отличается от идеальной - ювенильной поверхности. Вследствие высокой активности поверхностных слоев металла поверхность всегда покрыта окислами, жидкими и газовыми пленками. Ювенильная поверхность может существовать очень, короткие промежутки времени, например, в изломе металлов при совместном деформировании или после его механической обработки.

На воздухе микровыступы и впадины поверхности многих металлов, кроме так называемых благородных (золото, платина и др.), мгновенно покрываются пленками окислов, а также слоями адсорбированных молекул газа, воды и жировых веществ. Толщина и последовательность расположения таких пленок может быть различной. Непосредственно на поверхности металла обычно находится пленка окислов.

Кроме наличия на поверхности различного рода пленок, строение реальной поверхности характеризуется её геометрией. Геометрия реальной металлической поверхности характеризуется волнистостью и шероховатостью. Волнистость характеризует геометрию поверхности в макроскопическом, а шероховатость - в микроскопическом масштабе. Нужно также отметить ультрамикронеровности. Шероховатости могут быть весьма разнообразны по высоте микровыступов и расстоянию между их вершинами. Вследствие наличия главным образом микронеровностей действительная площадь поверхностей металлов во много раз меньше площади, измеренной обычными методами.

Таким образом, соединение реальных твердых тел при сварке затрудняется рядом обстоятельств. Во-первых, реальные твердые тела поликристаллические; во-вторых, их поверхности имеют сложную форму и покрыты различными пленками. Поэтому образование прочного соединения возможно лишь при условии удаления из зоны соединения загрязнений и обеспечения сплошного физического контакта по соединяемым поверхностям. В реальных условиях для формирования неразъемного соединения необходимо затратить энергию не только на активацию поверхностных атомов, но и на очистку поверхностей в зоне соединения и формирование сплошного физического контакта.

Исходя из изложенного выше, сварку можно отнести к классу так называемых топохимических реакций. Формирование прочного сварного соединения осуществляется в три стадии. На первой стадии развивается физический контакт, на второй стадии образуются химические связи на микроучастках, на третьей стадии процесс сварки завершается диффузией. Причем диффузионные процессы развиваются почти одновременно с прорастанием дислокаций при пластическом деформировании либо при наличии высокой температуры.

В зоне сварки можно установить наличие двух основных явлений, связанных с термодинамически необратимым изменением формы энергии и состояния вещества (рис.1.3.). К первому можно отнести введение и преобразование энергии, ко второму - превращения вещества. Термодинамическое определение процесса сварки звучит следующим образом: сварка - это процесс получения монолитного соединения материалов за счет термодинамически необратимого превращения тепловой, механической энергии и вещества в стыке.

Склеивание, цементирование и другие соединительные процессы, обеспечивающие монолитность соединения, в отличие от сварки и пайки, как правило, не требуют специальных источников энергии и реализуются только за счет введения и преобразования вещества (клея, цемента и т.д.).

На основе анализа термодинамических превращений все процессы сварки классифицируются по физическим признакам: виду энергии, используемой для образования сварного соединения и состоянию вещества. По состоянию вещества все способы разделяются на сварку в жидкой фазе и сварку в твердой фазе (сварку плавлением и сварку давлением). По виду использованной энергии различают три класса сварки: термический (Т), термомеханический (ТМ) и механический (М). Причем процессы сварки термического класса, как правило, относятся к сварке плавлением, а термомеханического и механического - к сварке давлением.

Процессы сварки классифицируются и по ряду других признаков. По виду источника энергии: дуговая, плазменная, электронно-лучевая, контактная, диффузионная, ультразвуковая, сварка трением и др.). По способу защиты металла в зоне сварки: в защитных газах, в вакууме, под флюсом. По непрерывности процесса: непрерывные и импульсные способы. По степени механизации: ручная, полуавтоматическая, автоматическая, с использованием роботов. По роду сварочного тока: переменный, постоянный. По виду электрода: плавящийся, неплавящийся и т.д.