ДАВЛЕНИЕМ ВЕЗ ЗАЩИТЫ (ПРИ Р, Г-ПРОЦЕССАХ)
При сварке давлением необходимо сблизить поверхности металла до физического контакта, создать на них активные центры и предупредить разрушение образовавшихся узлов схватывания после снятия сварочного давления. Эти требования в одинаковой мере справедливы и при холодной сварке и при сварке с нагревом.
Нагрев — важнейший фактор, влияющий на процесс сварки давлением, так как он активно воздействует на все его элементы: на условия образования физического контакта (изменяются параметры пластической деформации); на условия очистки поверхностей металла (растет скорость окисления и изменяются свойства окисных пленок); на условия образования активных центров (вследствие термической активации и других причин) и, наконец, на условия сохранения соединения при снятии нагрузки (в результате уменьшения склонности материала к хрупкому разрушению).
Термомеханический цикл сварки может также существенно влиять на свойства соединения (стыка и зоны термического влияния сварки).
В настоящей главе рассмотрены только процессы сварки, в которых совместное действие температуры и давления ограничено малыми отрезками времени (обычно до нескольких секунд).
Прочность большинства металлов и сплавов с ростом температуры монотонно понижается (рис.
45). У железа и сталей перлитного класса при Т—200 -5- 400° С прочность несколько увеличивается.
Сопротивление пластической деформации зависит от схемы деформирования (оно растет с увеличением составляющей гидростатического давления) и от условий его выполнения: при адиабатическом 6*
процессе, когда все тепло, выделяемое в ходе деформации, идет на нагрев металла, необходимое напряжение повышается с увеличением степени деформации медленнее, чем при изотермическом процессе, осуществляемом при постоянной температуре (рис. 46).
В условиях Р, Г-процессов пластическая деформация осуществляется с различной скоростью — от нескольких миллиметров в секунду (при сварке сопротивлением ) до 100 мм/сек и более (при сварке оплавлением). При сварке взрывом скорость деформации может достигать 2000—4000 м/сек.
Сопротивление пластической деформации растет с увеличением ее скорости при всех температурах, однако степень этого повышения зависит от температуры. При Т <0,37’„л К наклеп, вызываемый пластической деформацией, не сопровождается разупрочнением и скорость деформирования мало влияет на сопротивление деформации (табл. 20). При Т — (0,3 - s - 0,5) Тпл К деформирование сопровождается частичным упрочнением (в силу того, что параллельно с наклепом возможен процесс возврата и, в некоторой степени, рекристаллизация). В этих условиях увеличение скорости деформации сокращает время действия разупрочняющих факторов, что повышает скоростной коэффициент. В интервале температур (0,5 - г - 0,7) Т°пл К заметнее проявляется рекристаллизация, что вызывает дальнейший рост скоростного коэффициента. Наконец, при Т > 0,7 Т°пл К медленная деформация сопровождается полным разупрочнением, а при большой ее скорости сохраняется наклеп, как следствие скоростной коэффициент резко
Таблица 20 Скоростной коэффициент сопротивления деформации [54]
|
возрастает. Это может иметь существенное значение при некоторых Р, 7-процессах сварки, в которых деформации нагретой зоны
идет с высокой скоростью.
Роль нагрева при выравнивании поверхностей и образовании физического контакта не ограничивается чисто механическим уменьшением сопротивления пластической деформации. При высокой температуре возможно некоторое сглаживание неровностей (см. § 1, гл. 11) вследствие стремления тела к уменьшению поверхностной энергии. Этот процесс диффузионный и протекает относительно медленно. Однако поскольку при Р, Т-процессах сварки часто наблюдается значительный рост зерна, некоторое диффузионное сглаживание поверхности, тем более при действии значительных напряжений, вполне вероятно.
При сварке давлением большое значение имеет пластичность металла, которая, в частности, определяет его способность выдерживать без повреждений значительные деформации, необходимые для осуществления сварки. Пластичность технических металлов и сплавов часто находится в сложной зависимости от температуры. В наиболее общем случае имеются три зоны хрупкости [54]; при низких, средних и высоких температурах (рис. 47). Основная причина низкотемпературной хрупкости или хладнохрупкости связана с затрудненным движением дислокаций при низких температурах, особенно при преобладании в металле направленных межатомных связей (см. § 1, гл. I и § 3, гл. III). Среднетемпературная зона хрупкости появляется в результате выпадания из твердого раствора дисперсных выделений (старения), возможно, до или в процессе пластической деформации. Высокотемпературная хрупкость, обычно возникающая вблизи температуры солидуса, вызывается ослаблением границ зерен из-за выделения эвтектик, частичного оплавления и др.
Нагрев резко ускоряет окисление (см. § 3, гл. II). При высоких температурах на незащищенных поверхностях металла могут образовываться относительно толстые пленки даже при кратковременном контакте с воздухом. Например, на чистом железе за 1 сек - при 7=600 - ь 1350° С образуется окисная пленка толщиной от 1 до 40 мкм (рис. 48). Ее толщина рассчитана, исходя из параболического закона окисления, по привесу Ат — VKnt, где t — время в сек и Кп — константа скорости окисления в га/сж4 сек. Для железа (при 7 = 500 - 1100° С) Кп =
= 0,37ехр (—33000/к7) [89]. Впервой приближении принято, что и
при Т — 1100 - ь 1350° С величина Кп может быть определена по этой формуле. Характерно, что при Т = 1350° С (т. е. вблизи температуры плавления эвтектики Fe—FeO) уже за 0,01 сек на железе образуется окисная пленка толщиной около 4 мкм или 40 000 А. Такая пленка, безусловно, затрудняет образование соединения и должна быть при сварке давлением разрушена.
Углерод в стали тормозит окисление (рис. 49), особенно при высокой температуре (Г 2s 1000° С). Легирование железа, как правило, замедляет его окисление (см. § 3, гл. II). В этом отношении наиболее эффективен хром (при 18% Сг скорость окисления уменьшается почти в 100 раз, а при 12% Сг — приблизительно в 15 раз). Однако при малой толщине 'пленки (до 1000 А) хромистые стали в силу большого сродства хрома к кислороду окисляются даже быстрее углеродистых, и только после образования такой пленки начинает проявляться ее защитное, пассивирующее действие.
Таким образом, в условиях сварки давлением с нагревом без защиты углеродистых и легированных сталей возможно образование пленок окислов в сотни и тысячи атомных слоев, мешающих получению металлической связи между соединяемыми поверхностями.
Аналогичная картина наблюдается металлов; например, на меди при Т - 800° С за 1 сек образуется пленка окисла толщиной 2,80 мкм (на чистом железе в этих условиях ее толщина достигает 6,3 мкм). К этому необходимо добавить, что скорость образования пленки для большинства (см. § 3, гл. II) металлов, образующих окислы ч-типа, практически не зависит от парциального давления кислорода в газовой фазе, а для металлов, образующих окислы д-типа, константа скорости окисления изменяется с давлением сравнительно медленно.
Условия разрушения и удаления окислов в зоне сварки зависят от температуры сварки и свойств окислов, При сварке давлением принципиально возможны следующие случаи (р ис. 50):
а) сварка в твердой фазе (рис.
50, А) при температуре плавления
окисла, значительно превышающей точку плавления металла (например, А1); сростом температуры твердость алюминия понижается, а твердость А1203 изменяется мало; уменьшение отношения
ЇІСК
с нагревом может облегчить разрушение пленки;
б) сварка в твердой фазе, но при наличии легкоплавкого твердого окисла (рис. 50, Б), например, при сварке низкоуглеродистой стали T:=sl200o С, отношение - тг^
неблагоприятно и разрушение пленки при пластической деформации затруднено (см. рис. 113, а);
в) сварка в твердой фазе, но с расплавлением легкоплавкой окисной пленки (рис. 50, В), например, сварка низкоуглеродистой стали при температуре выше точки плавления эвтектики Fe—- FeO (1370° С); жидкие окислы сравнительно легко удаляются из стыка;
г) сварка с оплавлением поверхности металла (рис. 50, Г), но с образованием пленки твердого окисла (например, стыковая сварка оплавлением высокохромистых сталей, дающих тугоплавкую пленку FeCr2Oi); удаление твердых окислов вместе с оплавленным металлом, по-видимому, легче, чем удаление твердого окисла на твердом неоплавленном металле;
д) сварка с оплавлением металла (рис. 50, Д) и расплавлением окисла, например, при стыковой сварке оплавлением конструкционных сталей; окислы легко удаляются вместе с жидким металлом.
Однако пленка жидкого металла сама по себе не защищает от окисления расположенный под ней твердый металл. Кислород успевает заметно диффундировать из жидкого металла в твердый, если скорость оплавления (скорость перемещения границы раздела жидкая — твердая фаза) мала. Например, при дугоконтактной сварке, когда эта скорость близка к нулю, несмотря на наличие на торцах равномерного слоя жидкого металла, в стыке после осадки часто наблюдается полоска окисленного феррита [160].
Итак, с повышением температуры резко увеличивается скорость окисления, а условия удаления окислов существенно облегчаются только при нагреве выше температуры их плавления (что при сварке давлением осуществимо для материалов, дающих легкоплавкие окислы).
Нагрев существенно не влияет на термодинамические условия схватывания (и сварки) в твердой фазе. Оба члена в уравнении (1): энергия поверхности Fn и энергия межзеренной границы Fep мало изменяются с ростом температуры. Температурный коэффициент Fn (для меди, серебра и золота) составляет (0,43 - ь 0,6) эрг/см2 X X град — повышение температуры на 100° С ведет к снижению Fn на 43—60 эрг! см2, или на 3—4%. Д. Мак Лин [102] считает, что температурный коэффициент для Fep должен быть того же порядка, что и для Fn. Поэтому нет оснований ожидать, что как для одноименных, так и для разноименных металлов знак AF в уравнении (1) изменится при изменении температуры и процесс сварки, экзотермический при одной температуре, станет эндотермическим при другой. Иногда при нагреве двух металлов выше температуры плавления одного из них энергия межфазной границы может, в виде исключения, резко возрасти. Такое аномальное поведение наблюдается в сочетании железа с серебром, для которых энергия границы Agw —Fem в 4 раза выше энергии границы Agm —. Fem [102]. В связи с этим жидкое серебро не смачивает железо, но прекрасно сваривается с ним в твердом состоянии.
Очевидно, что повышение температуры резко ускоряет все процессы образования активных центров, связанные с термической активацией (см. § 3, гл. I). При оценке роли нагрева надо иметь в виду, что энергия активации объемной и поверхностной само- диффузии относительно велика и заметное проявление диффузии начинается только при температуре начала рекристаллизации (приблизительно 0,4 Тпл К)- Однако перемещение вакансий и дислоцированных атомов, требующее значительно меньшей энергии активации и также способное создавать активные центры, может быть заметным и при значительно более низких температурах. Энергия активации в ккал/моль различных '"процессов, происходящих в меди, приведена ниже [20].
Объемная самодиффузия......................................................... 47
Перемещение вакансии............................................................ 23
Перемещение парной вакансии................................................ 9,2
Перемещение дислоцированного атома................................. 1,6—6,2
Количество дислоцированных атомов в металле (в частности, в меди) обычно мало, и нет данных, подтверждающих возможность их появления при пластической деформации [20]. Однако концентрация вакансий, в особенности в закаленном или наклепанном металле, может быть высокой. Перемещение вакансий при нагреве металла с неравновесной их концентрацией, по-видимому, может
быть одним из важных источников образования активных Центров. Так, в работе [190] неблагоприятное влияние малых добавок меди на условия холодной сварки серебра (рис. 32, б) связывается с понижением подвижности вакансий. Небольшая энергия активации движения вакансий может приводить к тому, что нагрев существенно ниже температуры рекристаллизации уже изменит условия сварки (необходимую степень пластической деформации).
Создание активных центров возможно и без пластической деформации в результате термической активации (см. гл. I). Однако в условиях сварки давлением металлов важнейшее значение, вероятно, имеет дислокационный механизм. Повышение температуры существенно влияет на зарождение, движение и уничтожение (аннигиляцию) дислокаций при пластической деформации, а при высоких температурах — и без нее. Степень пластической деформации є связана с суммарным пробегом дислокаций (Л//) зависимостью
є = Nib,
где N — плотность дислокаций в 1 /см2,1 — средняя длина пробега дислокаций в см; b — вектор Бюргерса в см. Поэтому при любой температуре и любой плотности дислокаций, которая при холодной деформации металла в результате наклепа значительно выше, чем в условиях деформации при Т > Триер, одинаковой деформации будет соответствовать одинаковый суммарный пробег дислокаций (вектор b близок к периоду кристаллической решетки и с нагревом мало изменяется). Однако в целом скорость образования активных центров с повышением температуры, безусловно, растет за счет увеличивающейся роли процесса термической активации.
^ Образование прочного соединения затрудняется, если металл склонен в условиях сварки к хрупкому разрушению (см.§ 3, гл. III). С нагревом опасность такого разрушения уменьшается. Температура перехода от вязкого к хрупкому разрушению (температура хладнохрупкости Тх) зависит от рода металла (или сплава), его состояния (структуры, степени наклепа) и от схемы напряженного состояния. Если для железа и его сплавов Тх изменяется от Т = = 100° С (для кремнистого железа) до —250° С (для аустенитной стали), то для чистого хрома Т як 80° С, молибдена — 70° С и вольфрама — 340° С. Температура Тх сильно зависит от чистоты металла, в первую очередь по примесям внедрения. Очень высокая чистота позволяет, например, получить хром и молибден, пластичные при комнатной температуре. В кристаллах с чисто ковалентной связью (германий, кремний) движение дислокаций без разрушения этих связей возможно только при нагреве выше температуры рекристаллизации [143].
Температура выше Тх облегчает сохранение узлов схватывания, а при нагреве существенно выше температуры рекристаллизации релаксация остаточных напряжений в еще большей степени облегчает получение прочного соединения. Например, нагрев уже до 180° С резко улучшает условия сварки давлением стали [190].
Итак, нагрев одновременно благоприятно и неблагоприятно влияет на образование соединения. С ростом, температуры облегчается выравнивание поверхностей, ускоряется образование активных центров (заметно при Трекр), облегчается сохранение
прочного соединения после снятия сварочного давления. Неблагоприятное действие нагрева связано с ускорением окисления и трудностью удаления окислов из стыка, однако высокотемпературный нагрев, сопровождаемый оплавлением металла или расплавлением окисла, может облегчать удаление окислов из зоны сварки.
Нагрев и связанный с ним термический цикл, а при сварке давлением термомеханический цикл могут существенно влиять на свойства сварного соединения. В зависимости от исходного состояния, природы и фазового состава свариваемого материала их действие различно. Рассмотрим характерные случаи (рис. 51) в предположении, что химический состав металла при сварке давлением не изменяется (иногда его изменение возможно в результате взаимодействия с окружающей средой, особенно при оплавлении):
а) сваривается отожженный металл, не претерпевающий при нагреве структурных или фазовых превращений (например, медь или алюминий); при Т'св <0,5Т^Л К зона сварки в результате пластической деформации и наклепа упрочняется, а при Т'св > > 0,7Тпл наклепа практически нет и твердость (прочность) соединения соответствует исходной твердости металла (рис. 51, А, I и //); с увеличением сдорости деформирования при сварке Т'св и Т" повышаются;
б) сваривается металл в неупрочненном состоянии, но претерпевающий при нагреве (выше Тпр) структурные или фазовые превращения; сварка давлением при Т'сд < Т обычно сопровождается наклепом и упрочнением зоны соединения (рис. 51, Б, /); сварка при Т"в> Тпр может сопровождаться упрочнением, например при сварке стали, склонной к закалке (рис. 51, Б, II), или не сопровождаться упрочнением, например при сварке низкоуглеродистой стали (рис. 51. Б, III); степень упрочнения зависит от характера превращений и термомеханического цикла (фактической температуры и продолжительности нагрева, скорости охлаждения, степени пластической деформации);
в) сваривается металл в механически или термически упрочненном состоянии; сварка при Т'св < Т, где Т — температура начала заметного разупрочнения, сопровождается наклепом и некоторым дополнительным упрочнением (рис. 51. В, /); сварка при Т"сд^> Траз приводит к местному разупрочнению, которое в зависимости от рода свариваемого металла может идти одновременно с упрочнением наиболее нагретой зоны соединения (где Тсв > 90
> Т„р), например при сварке предварительно закаленной и отпущенной стали (рис. 51, В, II), или без него например при сварке термически упрочняемых алюминиевых сплавов (рис. 51, В, III); ширина разупрочненной зоны 1раЭ зависит от свойств и исходного состояния металла и от термомеханического цикла сварки.
При изучении холодной сварки свариваемость оценивали по степени деформации emln, обеспечивающей получение прочного соединения. Чтобы проследить влияние температуры на этот количественный критерий, целесообразно по возможности исключить фактор окисления, так как с повышением температуры резко растет его скорость, а толщина пленки зависит от продолжительности нагрева. Поэтому в большинстве исследований влияния температуры на процесс сварки давлением, во всяком случае при температурах, не приводящих к оплавлению металла или расплавлению окисла, применяли те или иные приемы для борьбы с окислением. Таким путем пытались оценить влияние на условия сварки изменяющихся при нагреве свойств самого металла, а не его окислов.
А. П. Семенов определял єга1п при Т = 18 -;- 380° С для алюминия А1, меди МО и дуралюмина Діб на образцах, заключенных в герметичные капсули из фольги [130]. Капсули продували азотом, из которого остатки кислорода удаляли нагревом с медными или чугунными опилками (для алюминия 30—40 мш при 450° С; для меди 40—50 мин при 500—510° С). Вряд ли медь и чугун в присутствии алюминия являются эффективными геттерамц по кислороду.
Алюминий окисляется относительно медленно. Однако при 450° С за 30"мин при'Р (02) = 76 мм pm. cm. на нем образуется пленка толщиной около 170А (привес 3-Ю-® г/см2). Характерно, что в опытах [1301 при сварке предварительно прокаленных на воздухе (при Т — 450° С) образцов алюминия значение emln оказалось практически таким же, как и при сварке капсулированных образцов (при Т = 18° С в обоих случаях 62%; при Т = 100° С 60 и 62%; при Т = 380° С — 48 и 47%). Нагрев образцов, очищенных стальной щеткой, непосредственно в сварочном приспособлении, после их сдавливания (т. е. в условиях затрудненного доступа воздуха к контактирующим поверхностям), позволил существенно снизить ет1п (например, при Т = 200° С с 57 до 46%).
Температурная зависимость emln имеет участки медленного снижения єтІп (при Т < ТреКр) и быстрого уменьшения emln (при ТреКр). Значительное облегчение условий сварки при нагреве выше температуры рекристаллизации установил также Д. К. Паркс [2081 (см. рис. 33).
При холодной сварке степень деформации еп1Ш (см. § 3, гл. Ill) в зависимости от свойств свариваемого металла определяется либо условиями разрушения окисных пленок (на металлах с высокой пластичностью, например алюминии и меди), либо условиями сохранения узлов схватывания после снятия сварочного давления (например, при сварке железа). Сначала рассмотрим влияние нагрева до Т < TptKp на условия сварки металлов. Малое количество экспериментальных данных позволяет лишь высказать некоторые предположения о роли низкотемпературного нагрева (Т < Трекр). Таких предположений может быть три;
1. Изменение механических свойств свариваемого металла при нагреве приводит к благоприятному изменению условий его растекания в плоскости соединения; при повышении температуры степень растекания, необходимая для разрушения окислов, достигается при меньшем em)n (прямого подтверждения этой гипотезы нет, наоборот, опыты при комнатной температуре показали, что условия растекания мягкого металла менее благоприятны, чем наклепанного [132].
2. Даже при сварке высокопластичных металлов с чистой поверхностью в глубоком вакууме для ее выравнивания и образования активных центров требуется некоторая деформация (в опытах [211 порядка 10%); эта деформация должна уменьшаться с повышением температуры вследствие возрастающей роли термической активации; вероятно, после разрушения и удаления из зоны стыка окисной пленки соединяемые поверхности должны быть еще немного продеформированы совместно для образования на них активных центров; необходимая степень такой деформации понизится с ростом температуры, что может немного уменьшить emln, однако этим трудно обяснить снижение ега1пгболее чем на 10% при повышении температуры сварки алюминия на воздухе с 18 до 2Q0° С, 92
3. При нагреве благоприятно изменяется отношение твердостей окисла и металла (металл становится мягче, а твердость окислов почти не снижается), вследствие чего облегчается разрушение окисных пленок и уменьшается необходимая для сварки степень пластической деформации, это объяснение, по-видимому, наиболее вероятное.
Характерными представителями металлов, условия холодной сварки которых определяются собственными их свойствами, являются железо и перлитная сталь.
Дж. Хем показал на низкоуглеродистой стали (образцы с кольцевым надрезом разрывали в вакууме 5- Ю~10мм pm. cm., затем через интервал времени t сдавливали их концы при напряжении асж — саТ и вновь разрывали), что повышение температуры заметно повышает прочность образующегося при сжатии соединения (растет
р'
отношение -рРа3 , где Р'раз и Р прочность соединения и исходного образца). С повышением температуры (табл. 21) не только рас-
р'
тет - Раз (при Тсв — 500° С, близкое к единице), но и увеличи-
“ раз
вается произведение pt, при котором удается получить относительно прочное соединение.
Таблица 21 Показатели прочности соединения после разрыва и повторного сдавливания образцов в вакууме [188]
|
Увеличение предельного значения pt с ростом температуры можно объяснить уменьшением опасности образования на стали окисных пленок, так как адсорбирующийся на поверхности свежего излома кислород будет взаимодействовать с углеродом, скорость диффузии которого в стали быстро растет с нагревом. Увеличение относительной прочности соединения (с 0,15 до 0,95) с повышением температуры, по-видимому связано с уменьшением склонности стали к хрупкому разрушению и с понижением уровня напряжений, остающихся после снятия сварочного давления.
Нагрев выше температуры 7реКр резко уменьшает effln для металлов, поверхность которых защищена от окисления в процессе нагрева. Особенно заметно влияние нагрева выше ТреКр при сварке капсулированных образцов меди (см. рис. 28). При нагреве до '400° С emln снижается с 72% (при комнатной температуре) до 25%. Снижение emm в этом случае можно связать с первичной рекристаллизацией, интенсивно протекающей в зоне пластически деформируемого соединения и сопровождаемой движением границ зерен и, по-видимому, коалесценцией тонких окисных пленок. Для ряда металлов возможны и процессы восстановления или растворения окисных пленок.
Хотя растворимость кислорода в меди растет с повышением температуры и в результате этого при нагреве медь может растворить некоторое дополнительное количество кислорода из окисной пленки и имеющихся в самом металле окисных включений, процесс такого растворения, связанный с диффузией кислорода, идет при низкой температуре (100—400° С) очень медленно (энергия активации диффузии кислорода в меди достигает 46 000 кал! моль). По-видимому, при сварке давлением меди с нагревом ненамного выше Трекр основным фактором, облегчающим сварку, является сам процесс рекристаллизации, так как в глубоком вакууме (10-9 — 10*10) мм pm. cm., когда пленки окислов отсутствуют полностью, медь уже при 200° С способна быстро давать соединение и без заметной пластической деформации [179]. В опытах [130] для получения прочного соединения при температуре 200° С требовалась степень деформации emln = 48%.
В конечном счете условия сварки давлением с нагревом без оплавления высокопластичных металлов определяются результирующим действием процессов образования и разрушения окисных пленок. При сварке металлов с чистой поверхностью в глубоком вакууме (пленок нет, и они не появляются при нагреве) или при сварке металлов в менее глубоком вакууме, но с легко восстанавливающимися окислами, повышение температуры, в особенности выше ТреКр, быстро понижает необходимую степень деформации. При сварке металлов с трудно восстановимыми окислами, особенно в условиях, способствующих росту пленок при нагреве, при некоторой температуре достигается минимальная величина єт1п, а дальнейшее повышение температуры приводит не к снижению, а наоборот, к росту необходимой степени деформации. Например, при сварке на. воздухе алюминия повышение температуры до 300° С снижает emln до 44%, а дальнейший нагрев до 400° С повышает a min ДО 46%.
При сварке металлов, склонных к хрупкому разрушению, нагрев выше Трекр дополнительно облегчает условия сварки в связи с устранением опасности такого разрушения и резким понижением уровня остаточных напряжений. Кроме того, при Трекр процесс сварки должен облегчаться благодаря возрастающей роли термической активации.