Сварка давлением
Использование механической энергии для получения сварных соединений позволяет выделить большой класс способов сварки давлением. Приложенное давление является той силой, которая обеспечивает образование монолитного соединения из отдельных самостоятельных элементов.
При сварке давлением образование прочного соединения (схватывание) элементов происходит в твердой фазе, т.е. зона соединения недоступна для непосредственного наблюдения. В схватывании участвует огромное число атомов (примерно 1014ат/см2) со стороны каждого из материалов, а на скорость образования соединения влияет большое число внешних (температура, состав среды, давление и характер его приложения) и внутренних (структура материала, его механические свойства, состояние поверхности, условия пластической деформации и др.) факторов.
Был выдвинут ряд гипотез о ведущем влиянии того или иного физического явления на механизм схватывания материалов в твердой фазе. Получен ряд расчетных методов, позволяющих произвести оценку влияния отдельных факторов на механизм схватывания и на этой основе с определенной степенью точности рассчитывать режимы сварки. Однако единой теории образования сварочных соединений давлением не существует.
Прежде всего была обоснована энергетическая целесообразность рассматриваемого процесса. Действительно, поскольку при сварке «исчезают» в зоне стыка части поверхности соединяемых элементов, соответственно уменьшается и поверхностная энергия. Так как любая система стремится к состоянию с меньшей свободной энергией, то процесс сварки является энергетически выгодным.
С другой стороны, известно, что переход из одного устойчивого состояния в другое, более устойчивое, не может произойти самопроизвольно. Для этого необходимо активировать поверхностные атомы, т.е. затратить дополнительную энергию на способность их перехода в новое состояние. Количество энергии активации зависит от свойств материала и его энергетического состояния перед сваркой. Предварительный наклеп или подогрев частично возбуждают поверхностные атомы и поэтому требуется меньше энергии для схватывания.
Свою гипотезу схватывания материалов проф. А.П.Семенов назвал энергетической. Он показал, что для начала процесса необходимо обеспечить контакт поверхностей, очищенных от загрязнений и окислов, т.е. таким образом провести пластическую деформацию в зоне контакта, чтобы поверхностный загрязненный слой был не только разрушен, но и вынесен (выдавлен) из зоны соединения.
К сварке давлением относятся все способы, при которых металл может иметь в зоне соединения любую температуру, от комнатной и до температуры плавления, но соединение происходит под действием давления.
Физическая природа связей, обусловливающих образование прочного соединения при сварке плавлением и давлением, одинакова, однако пути создания условий для схватывания различны.
Процесс схватывания в твердой фазе представляют как химическую реакцию на поверхности (топохимическую реакцию), в результате которой между атомами соединяемых поверхностей устанавливаются связи, аналогичные связям в объеме кристаллической решетки. Обычно это взаимодействие (реакция) проходит несколько последовательных стадий.
Идеализированная схема соединения монокристаллов А иВодного и того же вещества, обладающих идеальной кристаллической решеткой с параметром а, с одинаково ориентированными кристаллографическими осями, с абсолютно ровными и чистыми поверхностямиI - IиII - II, когда процесс происходит в вакууме, показана на рис.17.6. Поверхностные атомы твердого тела обладают некоторым избытком свободной энергии, так как они окружены меньшим числом соседей и их связи не все задействованы равномерно. Поэтому поверхность твердого тела обладает способностью притягивать атомы и молекулы различных веществ из окружающей среды - способностью к адсорбции.
Рис.17.6.
Идеализированная схема схватывания
монокристаллов
одинакового
вещества с полной
когерентностью
поверхности
Для того чтобы взаимодействие между монокристаллами стало принципиально возможным, необходимо их сблизить на расстояние , соизмеримое с расстоянием между атомами кристаллической решетки. Для этого к соединяемым элементам прикладывается давление. Эта стадия процесса схватывания носит название стадии образования физического контакта. Только после образования такого контакта можно говорить о следующей стадии - взаимодействия поверхностных атомов с целью создания единой кристаллической решетки в месте соединения двух монокристаллов.
К моменту образования физического контакта на поверхности раздела существуют слабые силы притяжения - силы Ван-дер-Ваальса. Следующий этап взаимодействия - создание единой и непрерывной кристаллической решетки за счет возникновения химических связей (для металлов - металлических связей) между поверхностными атомами. Свободная энергия монолита будет меньше суммы свободных энергий монокристаллов на значение двух поверхностных энергий с исчезнувших в процессе соединения поверхностей I - IиII - II. Таким образом, процесс образования монолита приводит систему в более устойчивое состояние с меньшим запасом свободной энергии. Значит ли это, что процесс образования химических связей, процесс сварки после образования физического контакта будут происходить самопроизвольно? Конечно, нет. Поверхностные атомы монокристалла должны получить дополнительную энергию активации, чтобы перейти в новое устойчивое состояние.
Таким образом, следующая стадия образования соединения – образование химических связей – также требует введения энергии в соединяемые вещества.