Выше отмечалось (см. § 2, гл. I), что при сварке в твердом со­стоянии любых металлов с чистой поверхностью всегда умень­шается свободная энергия системы, приближающейся к термодина­мическому равновесию. Поэтому при диффузионной сварке одно­именных металлов, когда длительный нагрев благоприятствует достижению такого равновесия, основной интерес представляет анализ кинетики формирования соединения. Такой анализ, как правило, основывается на изучении зависимости свойств соедине­ния от продолжительности сварочного нагрева. При этом считают, что достижение контролируемым свойством высокого и установив­шегося значения свидетельствует о завершении формирования со­единения. Однако характер кинетической кривой заметно зависит

от принимаемого за основу свойства. Например, при сварке в вакууме 5-ІСГ5 мм pm. cm. (Т = 1000° С,

р = 2 кГ/мм2) образцов из стали Ст. З с предваритель­но окисленной поверхно­стью стабильные значения пределов прочности и те­кучести соединения дости­гались за 4—8 мин (рис. 162, а), в то время как его относительное удлинение росло вплоть до /=16 мин.

Что же следует считать при анализе кинетических зависимостей моментом за­вершения физического про­цесса сварки? Г. А. Кораб и др. показали на примере диффузионной сварки арм - ко-железа, что после пре­кращения преимуществен­ной пластической дефор­мации в зоне соединения в нем отсутствуют дефекты (обнар уживаемые под опти­ческим микроскопом) и до­стигается высокая проч­ность [84]. При этом пре­кращение преимуществен­ной деформации отожде-

ствляется с завершением образования физического контакта, т. е. по существу с окончанием физического процесса сварки. Это положение не носит общего характера, так как, с одной сто­роны, соединение с высокими механическими свойствами воз­можно даже при наличии в нем дефектов, например при сварке в вакууме (Т = 1100°, р = 2,5кГ/ммг, t = 16/шн) стали Х18Н10Т с недостаточно чистой поверхностью (табл. 37), а с другой — вы­сокая прочность соединения и отсутствие в нем видимых дефектов еще не гарантируют завершения физического процесса сварки. Так, в наших опытах при сварке в вакууме стали Ст. З (Т = 1100° С, р — 0,25 кГ1ммй) уже через 3 мин получили прочное соединение, представляющее сплошную границу зерен без видимых дефектов (рис. 163, а). Однако и после нормализации, при которой в соеди­нении образовались общие зерна, сохранились следы границы раздела (рис. 163, б), свидетельствующие о незавершенности фи­зического процесса сварки. Увеличение длительности сварки до 5 мин не устранило общей границы зерен по линии соединения; однако нормализация в этом случае уже привела к ликвидации такой границы (рис. 163, в). По-видимому, физический процесс сварки заканчивается где-то между моментами достижения высо­кой прочности и пластичности соединения. При анализе кине­тики Р, Т, А, ^-процессов в первом приближении можно основы­ваться на более изученных зависимостях типа ов = / (/), поскольку «дозревание» соединения, в частности при рекристаллизации, идет уже после завершения сварки как процесса образования металли­ческих связей между соединяемыми поверхностями.

Кинетику диффузионной сварки металлов (и неметаллов) Н. Н. Рыкалин, М. X. Шоршоров и др. рассматривают исходя из двухстадийной схемы процесса: образование физического контакта в результате ползучести сопровождается созданием активных цен­тров с квантовомеханическим взаимодействием между атомами на сближенных поверхностях [122]. Время, необходимое для завер­шения сварки, определяете^ как сумма:

t =

Рис. 163. Микроструктура зоны
соединения при диффузионно-ваку-
умной сварке стали Ст. 3 с кратко-
временным нагревом; Х500:

а__ после сварки; бив — после вор-

мализации

Расчетные методы определения времени сглаживания неров­ностей /ф были рассмотрены в § 3 [162]. Длительность активации поверхности можно ориентировочно оценить по уравнению [162]

tx = v (р, с)' ехр {ит~) ’ (62)

где v — частота собственных колебаний атомов или частота перемещения дислокаций при скорости ползучести порядка 1СГ5 сек-1 (что соответствует условиям диф­фузионной сварки); р — давление (напряжение); с — величина, зависящая от свойств металла;

N,

д?--- доля поверхностных атомов, которые должны быть

активированы для получения прочного соединения;

обычно ~1~ — 0,7-г-0,9;

Еа — энергия единичной связи, энергия активации движе­ния дислокации или образования и движения вакансий (в зависимости от природы вещества, типа химической связи, а также механизма активации).

В табл. 38 приведены опытные данные по длительности сварки некоторых металлов и отдельные результаты по сварке неметаллов с расчетными значениями 1Ф и tx (tx определяли по предельным

Таблица 38 Параметры процесса диффузионной сварки некоторых металлов и неметаллов в вакууме Свариваемые материалы Параметры режима сварки Расчетные значения в сек Т в °С Р в кГ/мм2 t в сек <ф Медь МБ+МБ.............................. 850 0,7 1200 1000 5-10 3—65 Никель НП1+НЛ1 . . 1000 1,5 600 500 7-Ю 2 17 Ниобиевый сплав ВН1+ВН1 1200 2,0 900 1000 — Молибденовый сплав ВМ2-(- + ВМ2...................................... 1500 2,0 900 1150 — Никель НП1+керамика А995 (99,5А1203; 0,5% MgO) . . 1300 1,5 6600 3,7 6600—21 600 Медь МБ-Ткерамика 22ХС (94% А1203; 3,5% Si02; 2,35% МпО) * ........................................... 1000 1,6 700 -900 0,9 670—4 200 * Сварка в среде водорода.

2

=5;—з J и удельному давлению в степени т (т = 4-5-5) [162]. Фак­тическая скорость сварки растет с повышением чистоты обработки поверхности, а также с ростом давления и температуры, однако имеющиеся ограниченные по объему опыты подтверждают теоре­тическую зависимость t = / (п, р, Т) только качественно, без ко­личественной корреляции.

Образцы из стали Ст. З сваривали при Т = 1000° Си р — *= 2 кГ/мм2 с различной чистотой обработки поверхности (грубое и чистое точение, полирование соответственно при п ~ 10; 20 и 280; см. § 3). До приложения нагрузки образцы выдерживали 2,5 мин в вакууме при 1000° С для удаления окислов. Длитель­ность сварки изменяли от 6 до 240 сек. Полученные зависимости о = / (t) и 6 = ф (t), приведенные на рис. 164, а, показали зна­чительное влияние шероховатости поверхности на кинетику про­цесса. Например, установившиеся значения предела прочности и удлинения на полированных образцах были достигнуты соответ­ственно через 6 и 15 сек, в то время как при грубой обработке (V3) для этого потребовалось около 120 сек. В предположении, что главным процессом, определяющим время выравнивания поверх­ности (іф, а также і), является ползучесть, 1ф должно изменяться обратно пропорционально «2. Если п — 10 соответствует іф = = 120 сек, то для п — 20 время іф должно было бы понизиться приблизительно в 4 раза, т. е. до 30 сек. В действительности при переходе от обработки V3 к уб іф сократилось всего на 25% (со 120 до 90 сек). Расхождение расчетных и экспериментальных дан­ных связано либо с не вполне удовлетворительной методикой

17 А. С. Гельман

Рис. 164. Кинетические зависимости прочности и относительного удлинения соединений стали Ст. 3: а — при различной частоте обработки поверхности; б — при проведении всего процесса или только его части (штриховая линия) с приложением р—2 кГ/мм‘

расчета, либо с существенной ролью в механизме образования физического контакта помимо ползучести еще и спекания.

Для прямой оценки роли спекания при формировании соеди­нения поставим опыты, в которых часть образцов из стали Ст. 3, обработанных по V6 и V8, сваривали в вакууме при Т = 1000е С, р — 2 кГ/мм2 и различных значениях t и по кинетическим кривым (рис. 164, б) находили /п, соответствующее незавершенной стадии формирования соединения. После этого аналогичные образцы сваривали в течение /с при тех же значениях Т и р, а затем выдерживали различное время в вакууме при Т — 1000е С, но без нагрузки. Как видно на рис. 164, б, и после снятия нагрузки, т. е. в результате спекания (пунктирные линии), продолжается формирование соединения, но оно идет значительно медленнее, чем при наличии внешнего давления. Если в момент снятия на­грузки формирование соединения близко к завершению (напри­мер, при / = 30 сек и обработке по V8) и в нем, по-видимому, уже имеется много сваренных микроучастков, дальнейшее его формирование в результате спекания протекает сравнительно быстро. Проведенные опыты показывают, что процесс спекания наряду с ползучестью может влиять на кинетику диффузионной сварки. Однако роль спекания в этих опытах очень незначитель­ная; она должна расти с уменьшением давления и с повышением чистоты обработки. На нее может влиять и род свариваемого ме­талла. Автором книги совместно с М. С. Барышевым была по­строена экспериментальная зависимость ав — / (t) для низко­углеродистой стали при сварке в вакууме (Т = 1000 ’ С, р = = 0,25 кГ/мм2), на которой при t = 3-ь7 сек обнаружена пло­щадка. Одновременно измеряли увеличение диаметра D образцов в зоне сварки, характеризующего ход процесса ползучести на кривой ДD = ф (0; типичный для кривой ползучести перегиб в интервале t — З-т-7 сек подтверждает основную роль ползучести р изученных условиях сварки.

Влияние давления на кинетику диффузионной сварки изучено полнее. Характерная зависимость предела прочности соединения (сталь Ст. З, Т = 800° С, вакуум 5-Ю”6 мм pm. cm.) от времени при различных давлениях приведена на рис. 165 [31]. В этих опытах образцы предварительно нагревали 16 мин в вакууме при температуре 900° С для очистки поверхности от окислов, а затем сжимали заданным усилием (1 и 2 кГ/мм2). При уменьшении давле­ния вдвое необходимое время сварки увеличивалось также вдвое (с 8 до 16 мин), тогда как в соответствии с формулой (52) оно должно увеличиться в 16—32 раза. Сварку проводили на образцах с очи­щенной в вакууме поверхностью, поэтому полученная зависи­мость — / (р) непосредственно характеризует кинетику вырав­нивания микровыступов и не связана с процессом очистки по­верхности от окислов.

Относительно небольшое влияние давления на скорость обра­зования соединения наблюдалось и при сварке в вакууме (10_0— 10 ®) мм pm. cm. алюминия [26] при Т = 300^600° С. Например, с увеличением р в 4 раза (1—4 кГ/мм2) при Т = 400° Си t ■ 1 ч (рис. 166) прочность соединения повышалась всего вдвое (3— 6 кГ/мм2). Здесь могло сказаться влияние окисных пленок, прак­тически не удаляемых на алюминии.

Отсутствие резко выраженного влияния давления на кинетику диффузионной сварки титана подчеркивают Г. Кинг и В. Овчар - ский [196]. Они пришли к выводу, что при диффузионной сварке титана (Т = 760-^870° С) формирование соединения идет в три этапа: создание местных микроконтактов в момент начального сжатия; образование общих зерен в результате рекристаллизации с залечиванием несплошностей за счет стока вакансий по границам зерен и с сохранением отдельных, наиболее крупных пор внутри образовавшихся общих зерен и, наконец, медленное зарастание этих внутризеренных пор путем объемной диффузии вакансий

к ближайшим границам. При этом температура является главным, а давление второстепенным параметрами процесса, и он идет, в ос­новном подчиняясь закономерностям спекания.

Некоторые кинетические зависимости при сварке сталей тре­буют для объяснения привлечения трехстадийной схемы процесса, по которой диффузионная сварка металлов начинается с очистки их поверхности от окислов; до завершения очистки (или образо­вания соединения между окисными пленками за счет медленного процесса трансляции связей в окислах) образование полноценного соединения невозможно [31].

Влияние окисных пленок на кинетику процесса специально изучали при сварке в вакууме ~5-10“6 мм pm. cm. углеродистой и аустенитной стали [31]. Образцы из стали Ст. З сваривали при р — 2 кГІим2, Т = 1000° Си / = l-r-16 мин по двум вариантам: а) после предварительного окисления на воздухе при Т = 400° С с образованием окисной пленки толщиной около 600 А образцы нагревали в вакууме в зажатом состоянии (см. рис. 162, а и б) с естественной окисной пленкой, образовавшейся после механической обработки торцов и вылеживания на воздухе (см. рис. 162, б).

Во втором варианте образцы при сварке зажимали после пред­варительного их вакуумного нагрева в разведенном состоянии для полной по возможности очистки соединяемых поверхностей до начала сварки. Если при сварке предварительно очищенных образцов установившиеся значения механических свойств, и в част­ности относительного удлинения, достигаются уже за t < 1 мин, то при сварке предварительно окисленных образцов для этого требуется 4—12 мин (меньшее значение t соответствует получению установившихся показателей прочности). Наличие на соединяемых поверхностях в исходном состоянии сравнительно толстой пленки окислов не сказалось на установившихся значениях ни показате­лей прочности, ни относительного удлинения. Это указывает на то, что в ходе достаточно длительного нагрева (в проведенных опытах ~16 мин) окислы успевают полностью восстановиться и, как след­ствие, не влияют на свойства соединения.

Влияние процесса очистки поверхности от окислов на кинетику формирования соединения отчетливо выявилось при сварке пред­варительно окисленных образцов из сталей Ст. З и Х18Н9Т. Для этого сопоставляли кинетические зависимости R = f (t), где R — контактное электросопротивление образцов (см. § 2), с зависи­мостями предела прочности и ударной вязкости от t. На рис. 167 представлены зависимости R, ов и ан от t для стали Ст. З, сварен­ной при температуре 1000° С. Нагрев производили при зажатых торцах, так как ранее было показано (см. § 2), что восстановление окислов на низкоуглеродистой стали при ее нагреве в вакууме идет с близкими скоростями на свободной и зажатой поверхностях. Равнопрочность соединения достигается задолго до достижения 260

установившегося значения сопротивления, т. е. до полной очистки поверхно­сти от окислов. Однако установившееся значение ударная вязкость приобре­тает намного позднее. Ха­рактерно, что момент до­стижения ан = const сов­падает но времени с завер­шением очистки поверхно­сти от окислов, т. е. при

R ~ ^mln-

Аналогичные опыты на стали Х18Н9Т проводили в двух вариантах: а) пред­варительно окисленные об­разцы сначала нагревали в вакууме до Тсв в неза­жатом состоянии (в течение t0 = tCo), а затем после приложения заданного давления(р=2,5к/7лш2) выдерживали приТ^ 1—32 лшн; б) такие же образцы нагревали до Тсв в зажатом состоянии. Эти эксперименты подтвердили результаты, полученные в опытах со сталью Ст. З.

В случае сварки с предварительным нагревом в незажатом со­стоянии (рис. 168, а) установившееся значение ударной вязкости было получено при t, соответствующем достижению R = Rmn. Таким образом, если предварительный нагрев (длительностью tca)

а — сварка после нагрева в незажатом состоянии (Т = 1100° С; р = 2.5 кГ/мм’; /0 =
= ‘ев1’ б — то же, сварка с нагревом в зажатом состоянии (О — разрушение по стыку;
• — разрушение по основному металлу)

был достаточным для удаления окисных пленок, то после зажатия и соответствующей выдержки обеспечивалось высокое качество соединения. При сварке с нагревом в зажатом состоянии (рис. 168, б) даже через 32 мин ударная вязкость еще оставалась существенно ниже своего предельного значения (см. рис. 168, а).

В нормальных условиях сварки в вакууме детали покрыты тон­кой естественной пленкой окислов. Возникает вопрос: может ли время восстановления такой пленки существенно влиять на кине­тику формирования сварного соединения? Принятая методика не позволила непосредственно изучить кинетику восстановления есте­ственных окисных пленок при вакуумном нагреве, так как время, протекающее между извлечением образца из вакуумной камеры и моментом измерения контактцого сопротивления, достаточно для образования новой пленки окислов. Однако ход кривых R — — f (t), асимптотически приближающихся к Rm[n, указывает на то, что восстановление тонких пленок требует относительно большого времени.

Процессы восстановления окисных пленок и выравнивания соединяемых поверхностей идут одновременно. В зависимости от толщины пленок и трудности их удаления очистка поверхности может завершаться до или после ее выравнивания. Например, при сварке предварительно окисленных образцов с пленкой тол­щиной порядка 600 Л очистка шла медленнее образования физиче­ского контакта, и длительность сварки определялась временем восстановления окисных пленок. При сварке металлов с тонкой естественной пленкой восстановление, вероятно, идет намного быстрее создания физического контакта, и факторы, влияющие на сглаживание поверхностных неровностей, имеют основное зна­чение в кинетике сварочного процесса.

Хотя окончательное установление кинетических закономер­ностей диффузионной сварки даже для стали требует дальнейших систематических исследований, приведенные данные достаточно убедительно подтверждают возможность трехстадийного процесса и существенную роль стадии очистки поверхности от окислов. В этой связи интересны результаты исследования кинетики диф­фузионной сварки алюминия, некоторые особенности которой уже отмечались [26]. Несмотря на высокую пластичность и малую жаропрочность алюминия, в результате чего время ^ должно быть очень малым, получение соединений высокой прочности по­требовало длительного времени (см. рис. 166). Окисные пленки препятствуют прямому взаимодействию поверхностных атомов алю­миния, и соединение, по существу, образуется между пленками A12Os, создание активных центров на которых идет относительно медленно, что, вероятно, объясняется низкой температурой сварки («^600° С) по сравнению с температурой плавления окисла (2030° С).

Несколько типичных кинетических кривых для диффузионной сварки металлов и сплавов представлено на рис. 169 [73]. Более 262

быстрое достижение установившихся значений ав в случае сварки стали 45 и титанового сплава, возможно, связано с относительной легкостью удаления окисных пленок на этих металлах (в первом случае за счет восстановления FeO углеродом, во втором — в ре­зультате интенсивного растворения кислорода титаном). Однако на кинетику сварки могли оказать существенное влияние и пара­метры самого процесса (температура, давление).

Иногда, в особенности для зависимостей пластичности, кине­тические кривые носят экстремальный характер, по достижении установившегося максимального значения изучаемого показателя наблюдается его более или менее резкое падение. Например, так изменяется ударная вязкость соединения стали 2X13 (пунктир­ная кривая на рис. 169). Сварка производилась в вакууме 10_3 мм pm. cm. при Т — 940° С и р = 1,6 кГ/мм2 1145].

Выше в опытах по сварке стали было показано, что при любых значениях давления в изученном диапазоне и достаточной дли­тельности процесса достигаются практически одинаковые пока­затели свойств (см. например, рис. 165). Если же длительность нагрева ограничивается и для всех исследуемых температур и дав­лений остается неизменной, то, как правило, при более низких значениях Тир процесс сварки, по существу, не завершается. В результате этого механические свойства соединения оказываются пониженными. Типичная зависимость предела прочности соедине­ния от температуры и давления (сварка в вакууме'—10 ~3 мм pm. cm с нагревом в течение 5 мин) для образцов из стали 45 дана на рис. 170 [73]. Установившееся значение предела прочности

предела прочности: 1 — сплав ВТ5; 2 — сталь 45; 3 — ковар Н29Н18А; 4—медь Ml [73]; 5—сталь 2X13 [145] и ударной вяз­кости соединения (5) стали 2ХІЗ [145]

в проведенных опытах достигалось только при р = 3-гД кПмм2, Т = 10001100° С. Это, однако, не значит, что и при более низких значениях р и Т нельзя получить высокопрочного соединения за счет удлинения времени сварки. В частности, выше было показано, что на стали Сг. З, такое соединение можно получить даже при Т — 700° С, если t достаточно велико (60 мин).

Таким образом, из анализа кинетики диффузионной сварки металлов следует, что в общем случае это трехстадийный процесс (очистка поверхности, образование физического контакта и хими­ческие взаимодействия). При этом последняя стадия у металлов протекает быстро и в общем балансе времени сварки не имеет существенного значения, а роль первой стадии зависит от толщины и свойств окисных пленок. В практических условиях сварки боль­шинства металлов (кроме алюминия и его сплавов) время сварки определяется ее второй стадией, в которой одновременно проте­кают процессы ползучести и спекания.