Механизм образования сварных соединений

Создание качественного сварного соединения необходимой структуры, отвечающего требованиям надежности, прочности и минимального переходного сопротивления, а также напряженность сварного шва относительно свариваемых материалов определяют­ся физико-химическим механизмом формирования сварных соеди­нений.

Существуют следующие виды сварных соединений: гомогенное, интерметаллическое, диффузионное, адгезионное.

Гомогенное соединение происходит за счет взаимного растворе­ния свариваемых металлов в жидком состоянии (выше температуры ликвидуса) и кристаллизации твердого раствора при затвердева­нии (охлаждении) соединительного слоя.

Интерметаллическое соединение свариваемых металлов образует более сложную структуру, чем имеет каждый из них. К типичным интерметаллическим соединениям, возникающим при сварке металлов, относятся: Сu₃Sn, Сu₆Sn₅, Сu₃А1, АuСu₃, АuSn₄, АuSn, Аu₂РЬ, Ni₃Sn₂. Интерметаллические соединения обычно имеют экс­тремальные значения физико-химических и электрофизических ха­рактеристик по сравнению с компонентами, из которых они состоят.

Диффузионное соединение металлов осуществляется за счет вза­имной диффузии металлов и формирования твердого раствора ни­же температур плавления, но при высоком давлении.

Адгезионное (когезионное) соединение металлов происходит за счет адсорбционных и хемосорбционных сил межатомного взаимо­действия. Этот механизм позволяет сваривать металлы с неметал­лическими материалами.

При формировании всех видов соединений, чтобы получить до­статочно качественную межатомную связь, необходимо сблизить атомы свариваемых металлов до межатомных расстояний и затра­тить энергию на ускорение процессов растворения, диффузии, хемосорбции и т. п. Эта энергия может затрачиваться в виде тепло­ты, давления, трения, вибраций, перемешивания, которые и пред­ставляют собой основные энергетические технологические факто­ры при сварке.

Повышение температуры увеличивает подвижность атомов, сти­мулируя диффузию, ускоряя ее выше линий солидуса и особенно ликвидуса.

Давление, увеличивая степень деформации микронеровностей - на соединяемых поверхностях, разрушая изолирующие пленки и расширяя за счет этого область непосредственного касания чистых поверхностей металлов, формирует межатомную связь, благопри­ятствует диффузии.

Трение способствует перемещению металлических поверхностей друг относительно друга. В местах соприкосновения возникают об­ласти с высоким удельным давлением, которое приводит к пласти­ческому течению и даже расплавлению неровностей на поверхно­стях, что повышает качество соединения. Кроме того, трение мо­жет разрушать поверхностные пленки, стимулируя образование чистых областей на поверхности.

Вибрации и перемешивание вызывают, с одной стороны, те же эффекты, что давление и трение, а с другой - способствуют луч­шему перемешиванию частиц свариваемых металлов и их диспергированию в слое сварного соединения, что повышает его качество. В технологии РЭА для генерирования вибраций используются уль­тразвуковые колебания (ультразвуковая сварка).

Большинство технологических методов сварки основано на при­менении определенных комбинаций указанных факторов для сти­мулирования физико-химических процессов образования контакт­ного соединения высокого качества.

Наличие на поверхностях большинства металлов оксидов, обес­печивающих их защиту от коррозии, а также сульфидов, карбона­тов, жиров, полимеров, воды и т. п. препятствует непосредственному контакту и взаимодействию свариваемых металлов. Поэтому на практике необходимо учитывать влияние этих примесей на ка­чество сварки и устранять их перед формированием соединения.

Возникновение различных дефектов в сварном шве приводит к его неоднородности и резкому изменению свойств в зоне контакта металлов, особенно прочности, коррозионной стойкости, электро­проводности, пластичности и др. Характерными свойствами интер­металлических соединений являются повышенные (по сравнению с чистыми металлами) прочность, твердость, электросопротивле­ние, хрупкость. Если в зоне контакта образуются большие скопле­ния интерметаллидов, например, толщиной 1 мкм, то это может привести к образованию пор и трещин, снижающих прочность со­единения и его коррозионную стойкость.

Основными технологическими факторами сварки являются ско­рости нагрева и охлаждения. При невысоких скоростях нагрева свариваемые металлы, находящиеся в холоднодеформированном (напряженном) состоянии вследствие предварительной обработки (волочения проволоки, штамповки, плакирования, осаждения пле­нок и т. п.), могут претерпевать различные изменения, например рек­ристаллизацию, укрупнение зерен и др. Эти изменения влияют на прочностные, электрические и коррозионные свойства сварного шва. При высоких скоростях охлаждения в сварном шве могут появиться «усадочные раковины», которые возникают за счет вы­хода растворенных в металлах газов, так как в твердом металле растворимость газов значительно меньше, чем в жидком.

Определить влияние технологических факторов на качество сварных соединений можно по изменению следующих параметров в зоне контакта: усредненной микротвердости шва; фактической пло­щади контакта; переходного сопротивления; прочности сварного шва и микроструктуры его шлифов, определяемой методами опти­ческой и электронной микроскопии, и др.

Сложный механизм образования сварных соединений удобно рассматривать как результат развития и протекания нескольких последовательно-параллельных элементарных стадий процесса. Из­менение некоторых из указанных параметров на отдельных стадиях формирования сварных соединений показано на рис. 8. Первая стадия (рис. 8, стадия /)—разрушение оксидных и адсорбиро­ванных пленок и увеличение фактической площади соприкоснове­ния поверхностей металлов. Для этой стадии характерен быстрый рост температуры и незначительное изменение микронеровностей: соединяемых поверхностей в зоне контакта, увеличение относительного скольжения поверхностей, т. е. внешнего трения. Вторая стадия (рис.8, стадия //) —пластическая деформация микровыс­тупов в местах фактического касания и образование устойчивых контактных зон. Для этой стадии характерно снижение темпов роста температуры и площади в зоне контакта и увеличение тем­пов роста прочности. Микротвердость шва снижается до минимального значения. Скольжения поверхностей относительно друг друга к концу стадии уже не происходит.

Третья стадия (рис.8, стадия ///) —рост и слияние отдель­ных микропятен касания в крупные контактные пятна с появлени­ем отдельных несоприкасающихся участ­ков, которые образуют области «непро­вара». Эта стадия характеризуется су­щественным ростом площади контакта при малом увеличении прочности и тем­пературы в зоне контакта. Скольжение поверхностей относительно друг друга прекращается. Микротвердость шва ус­танавливается на минимальном уровне. Четвертая стадия (рис.8, ста­дия /V)—формирование объединенной кристаллической структуры сварного шва и соединяемых металлов вдоль пло­скостей раздела поверхностей. На этой стадии «залечиваются» пятна «непрова­ра», увеличивается прочность соедине­ния, стабилизируются площадь контакта и температура, начинается рост микро­твердости шва.

Рис. 14.8. Изменения пло­щади контакта S, проч­ности , температуры Т и микротвердости Н на различных стадиях формирования сварного шва при постоянной

энергии W

Для ряда методов сварки, использу­ющих высокие плотности энергии, на­пример лазерной или электронно-луче­вой, процессы протекают с такой боль­шой скоростью, что выделить какие-либо отдельные стадии невозможно, т. е. они осуществляются практически одновре­менно. Поэтому механизм образования соединения может оказаться более слож­ным, а данные, полученные из металло­графических (металловедческих) пред­ставлений,— недостаточными для опре­деления «свариваемости» тех или иных металлов. Например, электронно-луче­вой сваркой можно сварить керамиче­ские и металлические материалы. Надеж­ная связь при этом достигается за счет вплавления материалов друг в друга и их высокой адгезии.