Сварка в твердом состоянии

В сварочной практике длительное время применяются процессы сварки с использованием высокотемпературных источников теплоты, при этом металл изделия в местах сварки доводится до плавления или тестообразного состояния. В последнее время показано, что металлы можно сваривать и при комнатных температурах без нагрева металла до высоких температур. Соединение металлов происходит в твердом состоянии вследствие образования металлических связей на свариваемых поверхностях при их совместном деформировании.

Для идеального случая процесс образования металлического соединения при холодной сварке можно представить следующем образом. Предположим, что имеются два куска металла с абсолютно гладкими и чистыми поверхностями. Так как металлы представляют собой конгломерат из положительно заряженных ионов и электронов, то взаимодействие между облаками электронов и ионами, находящимися в узлах кристаллической решетки, определяет монолитность и прочность кусков металла. При сближении двух металлических поверхностей происходит коллективизация электронов, вылетающих из поверхностей, в результате чего возникают силы взаимодействия между поверхностями. При достаточном сближении двух кусков металла образуется общее электронное облако и, следовательно, единый агрегат.

Из приведенных выше рассуждений следует, что при сближении идеально гладких и идеально чистых поверхностей между ними самопроизвольно возникают межатомные силы взаимодействия, т.е. происходит образование прочного соединения.

Однако строение реальной металлической поверхности весьма сложно и в значительной степени отличается от идеальной – ювенильной поверхности. Геометрия реальной металлической поверхности определяется ее волнистостью и шероховатостью. Волнистость характеризует геометрию поверхности в макроскопическом, а шероховатость – в микроскопическом масштабе. Нужно также отличать ультрамикронеровности. Геометрию поверхности можно представить в виде двух кривых: кривой волны (1) и частотной кривой шероховатостей (2), которые накладываются на кривую волны (Рис. 1).

Шероховатости могут быть весьма разнообразны по высоте микровыступов и расстоянию между их вершинами. Образование прочного сварного соедине -

ния реальных металлов при сварке в твердой фазе совместным деформированием происходит в три условных этапа: 1) сближение свариваемых поверхностей; 2) возникновение металлического контакта; 3) создание прочного сварного соединения.

Первый этап – сближение свариваемых поверхностей – характеризуется деформацией как микрошероховатостей, так и волнистостей. При сближении поверхностей с неровностями вначале возникает контакт в отдельных наиболее высоких точках. Для получения контакта по большей поверхности необходимо деформирование уже соприкасающихся участков. Чем больше должна быть площадь соприкосновения на поверхности сжимаемых металлов, тем, очевидно, больше нужно деформировать неровности, вступившие в контакт, и тем больше должна быть сжимающая сила.

Фактором, затрудняющим сварку реальных металлов, являются окисные пленки, пленки жидкостей, газов и различного рода органических и иных загрязнений. Вследствие высокой относительной твердости окисных пленок образование между ними контакта значительной площади потребовало бы очень больших усилий. Соединение может возникнуть между окисными пленками, но из-за их высокой хрупкости оно обладает плохими прочностными свойствами – малой пластичностью, низким сопротивлением ударным нагрузкам и т.п. и обычно легко разрушается. Поэтому для получения прочных соединений окисные пленки должны быть удалены из места сварки

Второй этап начинается в процессе сближения и деформирования поверхностных слоев и неровностей. Этот этап характеризуется увеличением площади металлического контакта свариваемых поверхностей и возникновением общих кристаллов на них. В начале формирования металлического контакта кристаллы разделены пленками сложного состава. При деформировании сжатые свариваемые поверхности не контактируют с атмосферой, поэтому новых пленок не образуется, а имеющиеся хрупкие окисные пленки вследствие увеличения площади контакта разрушаются, жидкие и газовые пленки вытесняются и частично диффундируют в глубь металла, в результате ювенильные поверхности приходят в непосредственное соприкосновение.

В контактах двух металлических поверхностей действие межатомных сил притяжения начинается на расстояниях 4÷5•10^-8 см. при достижении таких расстояний уже возможно образование металлических связей, т.е. возможен процесс, который мы называем сваркой. Т.о., только при значительном сближении, разрушении и удалении поверхностных пленок границы раздела становятся сходными по структуре и природе с межкристаллитными прослойками.

Третий этап характеризуется различного рода перемещениями на определенные расстояния относительно больших масс частиц вследствие диффузии. Этот процесс требует значительного времени.

Рассмотренные этапы образования сварного соединения относятся главным образом к таким процессам сварки в твердой фазе, при которых можно выделить этапы: сближения, образования физического контакта и создания прочного сварного соединения. Очевидно, это имеет отношение к холодной и диффузионной сварке и к сварке трением.

Процесс сварки при действии импульсных давлений – сварка взрывом, электромагнитным импульсом, ультразвуковая – будет проходить в те же три этапа, однако отличия состоят в том, что отдельные этапы в этих методах сварки трудно различимы вследствие малого времени образования сварного соединения.