Возникновение электрического контакта при формировании сварного соединения

Наиболее распространенным методом сварки в технологии РЭА является сварка давлением, стимулируемая различными физиче­скими и физико-химическими факторами, главные из ко­торых виб­рация и температура. Различают следующие виды сварки давле­нием: термоком­прессионную, ультразвуковую, токами высокой час­тоты, диффузионную, контактную, им­пульсным нагревом и др. Для этих видов характерны деформация свариваемых поверхностей при осуществлении сцепления материалов и образование соединения за счет взаимного рас­творения и диффузии соединяемых матери­алов. Давление и температура ускоряют эти про­цессы.

В технологии МЭУ сварка в большинстве случаев производится на специальных контактных площадках, а в технологии объемных изделий РЭА широко применяются стыковая сварка, сварка вна­хлестку и др. (рис. 3). Сжатые поверхности не контактируют всей площадью, а соприкасаются только отдельными ее элементами.

Сопротивление участка l проводника

R=pl/S,

где р - удельное сопротивление проводника; S - площадь сечения проводника.

Сопротивления монолита и сварного паяного шва различны. С ростом давления и темпера­туры в результате деформации поверх­ности контакта, разрушения оксидных пленок и взаим­ной диффузии металлов площадь поверхности соприкосновения увеличивается пропорцио­нально степеням пластичности материалов и разрушения пленок.

При возникновении сварного соединения (рис. 4а) из всей контактируемой поверхности металлов S1 механический контакт осуществляется поверхностью S2. Однако только через часть S3 этой поверхности, содержащей проводящие, полупроводящие и су­пертонкие диэлек­трические пленки, может протекать ток. Микроповерхность контакта для простоты анализа можно принять круг­лой радиусом г_к. Для двух соединяемых поверхностей с радиуса­ми кривизны Г] и г₂ радиус г_к можно вычислить по урав­нению Герца:

Рис. 3. Виды сварных соединений:

а - параллельных плоских поверхностей; б - плоской и цилинд­рической поверхностей; в - встык с образованием гантели; г - параллельных цилиндрических поверхностей;

д - крестообраз­ное; е, ж - угловое

где F_д - усилие сжатия; µ₁, µ₂ — коэффициенты Пуассона контак­тирующих материалов; Е₁, Е₂— модули упругости.

Для медных контактирующих круглой и плоской (1/г₂ = 0) по­верхностей (см. рис. 3, б)

Рис. 4. Сечение (а) и профиль (б) сварного соединения:

S₁ - контактируемая площадь поверхности металлов; S₂ - площадь механического (несущего) контакта; S₃ - площадь электрического контакта.

Переходное сопротивление такого соединения можно рассчитать, исходя из следующих соображений. Линии тока имеют радиальное направление, а эквипотенциальные поверхности представляют собой концентрические полусферы.

Ток проходит через полусферу, и ее сопротивление R_п при радиусе r. Толщине d_r и удельном сопротивлении р описывается соотношением

Проинтегрировав это уравнение в пределах от r=r_k до г = ∞,

получим

Переходное сопротивление двух контактирующих поверхностей

Рис. 5. Сферическая модель соединения (контакта) двух металлов:

1 - сферический контакт;

2 - линии тока; г - радиус, полусферы

Рис. 6. Изменение относительного сопротивления сварного соединения в

зависимости от числа микроконтактных площадок

Предполагая, что число контактных микроплощадок радиусом г_к на всей поверхности контактной площадки равно n, результирующее переходное сопротивление

Поскольку суммарная площадь поверхности контакта ,

где г_пр — радиус проводника.

Или

График уравнения, представленный на рис. 6, пока­зывает, что увеличение числа микроконтактных площадок т выше определенного значения не может существенно снизить сопротив­ление контакта.

Приведенные рассуждения позволяют связать значение переход­ного сопротивления с давлением, ока­зываемым на контакт при фор­мировании электрических соединений, и с твердостью соединяемых ма­териалов. Например, при соединении круглых поверхностей на­ибольшее давление возникает в центре контакта:

Сопротивление контакта прямо пропорционально кубическому корню модуля упругости металлов Е и обратно пропорционально кубическому корню усилия сжатия Fд. Для оценочных расчетов можно использовать эмпирическую формулу, справедливую при вы­соких значениях контактного давления:

Полученные соотношения имеют большое значение при создании неразъемных соединений сваркой и накруткой, а также упругих электрических соединений (контактов).