Раздел I. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССА СВАРКИ МЕТАЛЛОВ

НАЗАД: ВВЕДЕНИЕ

1.1. Принципиальные трудности, препятствующие образованию сварных соединений

В соответствии со вторым законом термодинамики каждая система стремится прийти в состояние, при котором она обладает минимальным запасом внутренней энергии. Одной из составляющих внутренней энергии является поверхностная энергия. Чем меньше величина поверхностной энергии, тем более устойчива система. При образовании сварного соединения уменьшается величина поверхности деталей, следовательно, и величина поверхностной энергии. Поэтому теоретически процесс образования сварного соединения должен идти самопроизвольно и с выделением энергии. Однако на практике для образования сварного соединения приходится затрачивать энергию величиной до 10³-10⁴ Дж/моль.

Рассмотрим причины кажущегося несоответствия теории и практики образования неразъемных соединений.

В твердом металле атомы располагаются в определенном порядке, образуя кристаллическую решетку. Каждый вид кристаллической решетки металла характеризуется ее параметром а (см. рис. 2), т. е. расстоянием между соседними атомами. Для большинства металлов параметр кристаллической решетки составляет (3-5)А⁰ (1А⁰=10^-10м). Следовательно, для получения межатомных связей между поверхностными атомами свариваемых деталей необходимо их сблизить на величину параметра кристаллической решетки, т. е. примерно на 1А⁰.

Рис. 2. Схема образования соединения двух монокристаллов с идеально чистыми и гладкими поверхностями: а – кристаллы до соединения; б – кристаллы после соединения

Однако даже при самой качественной механической обработке поверхности металлов (шлифование, полирование) высота микронеровностей поверхности составляет (10³-10⁴)А ⁰. В этих условиях физический контакт свариваемых деталей осуществляется только по отдельным микронеровностям, что не обеспечит требуемой прочности соединения.

Кроме того, образованию сварного соединения препятствуют наличие окисных пленок, загрязнений на поверхности свариваемых деталей. Внутри металла каждый атом удерживается в своем положении силами связи, симметрично расположенными относительно окружающих его со всех сторон соединений атомом. На свободной поверхности кристалла или жидкости атом оказывается неуравновешенным вследствие отсутствия связи с одной или двух сторон.

Это обстоятельство вызывает повышение энергии поверхностного слоя. Достаточно времени порядка (10^-6-10^-7)с, чтобы валентные связи поверхностных атомов оказались насыщенными за счет взаимодействия с окружающей средой (см. рис. 3). Величина этих поверхностных загрязнений, удерживаемых за счет молекулярных сил взаимодействия поверхностных атомов (сил Ван-дер-Ваальса) составляет тоже величину (10³-10⁴)А⁰. Следовательно, помимо необходимости обеспечить физический контакт по всей стыкуемой поверхности свариваемых деталей, надо предварительно очистить эти поверхности от различных загрязнений.

Рис.3. Состояние поверхностей свариваемых деталей:

а – наличие микронеровностей; б - наличие поверхностных загрязнений

Существует еще и третья проблема в установлении межатомного взаимодействия соединяемых деталей. Для этого рассмотрим энергетическую модель процесса (см. рис. 4). Каждый атом, находящийся внутри кристалла, удерживается симметрично направленными силами. Его энергетический уровень соответствует положению 3 с энергией h₀. На свободной поверхности тела, как уже было отмечено выше, атом неуравновешен вследствие отсутствия или ослабления связей с внешней средой. Поэтому поверхностный атом будет обладать большим запасом потенциальной энергии h.

Соединение деталей с уничтожением свободной поверхности должно сопровождаться освобождением энергии, что составит на один атом Δh = h–h₀. Но чтобы переместиться из положения 1 в положение 3, атом должен преодолеть энергетический барьер и пройти положение 2 с энергией Н. Для этого атому нужно добавить энергию не менее ΔН = Н–h. Эта энергия называется энергией активации. За счет этой энергии повышается энергия атомов до уровня «барьера» схватывания.

Рис. 4. Энергетическая модель процесса сварки:

1 – Положение поверхностного атома с энергией h; 2 - Энергетический «барьер» схватывания с энергией H; 3 – Положение внутреннего атома с энергией h₀;

DH = H-h; - энергия активации

Энергия активации расходуется на преодоление сил отталкивания, возникающих между сближаемыми поверхностными атомами. Когда расстояние между ними будут равны межатомным расстояниям в решетке кристаллов, возникнут квантовые процессы взаимодействия электронных оболочек атомов. После этого общая энергия системы начнет снижаться до уровня, соответствующего энергии атомов в решетке целого кристалла. Чем выше температура, тем меньше требуемая энергия активации.

Итак, процесс сварки имеет несколько стадий. На первой стадии развивается физический контакт до уровня, требуемого для межатомного взаимодействия. На второй стадии происходит химическое взаимодействие с образованием соединения. В макрообъемах процесс сварки завершается третьей стадией – диффузией атомов вглубь тела.

Все существующие способы сварки – это, по существу, различные технологические приемы преодоления принципиальных трудностей, препятствующих объединению кристаллов.

Энергия активации может сообщаться свариваемым деталям в виде:

а) теплоты (термическая активация);

б) упруго-пластической деформации (механическая активация);

в) электронного, ионного и других видов облучения (радиационная активация).

Чаще всего применяется какой-либо из первых двух видов активации или совместно оба. Энергия, расходуемая при сварке, затрачивается на:

а) упругую и пластическую деформацию, необходимую для сближения соединяемых поверхностей;

б) обрыв связей между атомами тела и молекулами (атомами) внешней среды, насыщающими их свободные связи;

в) на повышение энергии поверхностных атомов до уровня энергетического «барьера» схватывания, т. е. для перехода их в активное состояние.

ДАЛЕЕ: 1.2. Классификация процессов сварки