1.2.2. Сварка плавлением и давлением

При сварке плавлением (и пайке) сближение атомов твердых тел осуществляется вследствие смачивания поверхностей твердых тел жидким металлом (припоем, расплавом), а активация поверх­ности твердого тела (металла) обеспечивается путем сообщения частицам поверхности тепловой энергии. Жидкий металл может растекаться по всей поверхности твердого тела, и при этом проис­ходят соприкосновение и прилипание (или адгезия) его молекул и поверхностного слоя твердого тела.

При затвердевании расплавленного металла слабые агдезионные связи заменяются прочными химическими связями, соответ­ствующими природе соединяемых материалов и типу их кристал­лической решетки. При сварке плавлением вводимая энергия (обычно тепловая) должна обеспечивать расплавление основного и присадочного металлов, оплавление стыка, нагрев кромки и т. д. При этом происходит усиленная диффузия компонентов в рас­плавленном и твердом металле, их взаимное растворение. Эти процессы, а также кристаллизация расплавленного металла сва­рочной ванны (или припоя) обеспечивают объемное строение зоны сварки, что обычно повышает прочность сварного соединения.

Сварка плавлением происходит без приложения осадочного давления, т. е. осуществляется путем спонтанного слияния объе­мов жидкого металла, и обычно не требуется тщательной подго­товки и зачистки соединяемых поверхностей. При сварке плавле­нием обе стадии процесса соединения - физический адгезионный контакт и химическое взаимодействие, сопровождаемое диффузи­ей, - протекают достаточно быстро (см. рис. 1.3, кривая 1). Для однородных металлов это не опасно. Но в случае разнородных ма­териалов с ограниченной взаимной растворимостью практически трудно получить соединения без хрупких интерметаллических прослоек в зоне контакта.

При быстром образовании физического контакта твердого тела с расплавом, например, при сварке путем расплавления одного из соединяемых металлов, сначала на границе твердой и жидкой фаз будет наблюдаться пик межфазной энергии w_г, аналогичный w_п (см. рис. 1.2), так как переход атомной системы в новое состояние происходит не мгновенно, а за некоторый конечный промежуток времени. Длительность так называемого периода ретардации (за­держки) пика поверхности раздела может быть приближенно рас­считана как время жизни атома перед потенциальным барьером или определена экспериментально. На основании этих данных можно определить допустимую длительность контакта твердой и жидкой фаз и оптимальную температуру сварки или пайки.

При сварке давлением (в твердой фазе) сближение атомов и ак­тивация поверхностей достигаются в результате совместного упругопластического деформирования соединяемых материалов в зоне контакта, часто одновременно с дополнительным нагревом. Длительность стадий (см. рис. 1.3) образования физического кон­такта (А) и химического взаимодействия (Б) при сварке давлением существенно больше, чем при сварке плавлением, и зависит от ря­да факторов: физико-химических и механических свойств соеди­няемых материалов, состояния их поверхностей, состава внешней среды, температуры нагрева, схемы приложения давления или других средств активации (ультразвука, трения и т. д.).

В последнее время предложены методы приближенного рас­чета параметров режима сварки статическим давлением, которые подтверждаются экспериментально. Длительность процесса обра­зования физического контакта, заключающегося в снятии микро­неровностей, рассчитывают по скорости ползучести. Длительность второй стадии - химического взаимодействия - оценивают по уравнению Больцмана как длительность периода активации. Рас­четы основаны на представлениях о схватывании материалов в результате ползучести на контактных поверхностях и образовании прочных химических связей в местах выхода и перемещения ва­кансий, дислокаций и скоплений. Выход дислокации на контакт­ную поверхность активирует ее путем разрыва насыщенных свя­зей, что приводит к образованию активных центров.

Вместе с тем процесс получения работоспособного соединения в большинстве случаев (особенно при наличии сопутствующего нагрева) не заканчивается схватыванием. Дальнейшее его развитие происходит в результате диффузионных перемещений атомов че­рез границу контакта на стадии объемного взаимодействия, кото­рой и завершается сварка. Ясно, что в случаях, когда сварка давле­нием осуществляется без внешнего нагрева (холодная сварка, сварка взрывом и др.), так называемая третья стадия (стадия объ­емного взаимодействия) не получает существенного развития и соединение завершается на стадии схватывания.

Относительная роль схватывания и объемного взаимодействия в разных методах соединения металлов различна и определяется в основном температурой, временем и давлением в зоне контакта. Например, при диффузионной сварке, как правило, объемное взаимодействие получает заметное развитие и соединение завер­шается образованием общих зерен в зоне контакта.