Все многообразие сварочных процессов, способов и при­емов по существу преследует одну и ту же цель: создание условий для сцепления поверхностных частиц соединяемых деталей. В зави­симости от способа сварки это сцепление может возникать между частицами тел, находящимися либо в жидком, либо в твердом состоя­нии. В жидкой фазе — между жидкими компонентами в процессе совместного расплавления свариваемых частей и последующей кристаллизации металла шва, в твердой фазе — между поверхност­ными частицами твердых тел. Возможны и промежуточные случаи, когда силы сцепления возникают между твердым металлом и рас­плавом. Механизм возникновения, законы и особенности этих сил весьма своеобразны.

Возникновение сил сцепления при сварке в жидкой фазе. Одним из наиболее широко применяемых способов создания межатомных связей между свариваемыми твердыми телами является расплавле­ние объемов металла вблизи соединяемых поверхностей, создание общей для обоих тел ванны расплавленного металла и последую­щая кристаллизация из нее металла шва. Чтобы обеспечить проч­ность сцепления, в этом случае достаточно расплавить соединяе­мые детали на минимальную глубину —- несколько десятков атомных слоев. Однако на практике иногда требуют минимально допу­стимой глубины проплавления (провара), главным образом для га­рантии равномерного прогрева и сплавления деталей по всей свари­ваемой поверхности.

Возникновение связей при сварке плавлением начинается с вза­имодействия капель компонентов, расплавленных в общей ванне, и существенно зависит от их физических свойств, взаимной раствори­мости, величины поверхностного натяжения, различий в плотности и т. п. Характер взаймной растворимости жидких компонентов при сварке плавлением допускает следующие комбинации:

1)

образование неограниченных взаимных растворов в твердом и жидком состоянии;

2) ограниченная растворимость металлов друг в друге;

3) невозможность образования свариваемыми металлами взаим­ных растворов.

К первой группе относятся все случаи соединения одинаковых металлов, а также таких пар, KaKFe—Ni, Fe—Cr, Ni—Mn, Ag—Au и др. Здесь сцепление осуществляется еще в жидкой фазе, самым естественным и надежным путем — в результате диффузии и взаим­ного растворения металлов друг в друге. При последующем охлаж­дении кристаллы строятся из атомов обоих металлов, причем вблизи поверхности расплавления наблюдается гамма структур, отвечаю­щих различному процентному содержанию компонентов в растворе. Процессы растворения и диффузии в данном случае как бы увели­чивают поверхность сцепления и обеспечивают высокую прочность сварного соединения.

Ко второй группе можно отнести такие пары, как Fe—Си, Си—Zn и др. В связи с наличием некоторой взаимной растворимости этих металлов образуются растворы предельного насыщения, а также отдельные частипы избыточных фаз. Процессы кристаллизации в каждой из фаз происходят раздельно. Вследствие этого конечная структура металла шва представляет собой некоторую основу, со­держащую в виде включений конгломерат частиц избыточных фаз. В такой структуре значительную роль приобретают связи по гра­ницам между частицами, хотя вполне возможны и внутрикрисгал - лические связи.

К третьей группе можно отнести такие пары разнородных метал­лов, как Fe—Ag, Fe—Mg, Fe—Pb, практически не дающих раство­ров друг с другом. Совместно расплавляемые частицы этих метал­лов обычно сильно измельчаются и перемешиваются, однако при последующем охлаждении успевают отчасти коагулировать и кри­сталлизуются в виде отдельно расположенных зерен компонентов, не имеющих общих кристаллов и соединенных между собой только силами сцепления на пограничных межкристаллитных поверхно­стях. Такой тип межатомных связей, согласно ранее сделанным определениям, характерен для различных процессов пайки. В ус­ловиях сварки межкристаллитные связи имеют второстепенное зна­чение.

Возникновение сил сцепления при сварке Металлов в твердой фазе. Термин «схватывание» относят главным образом к образова­нию соединения между твердыми металлами при низких темпера­турах. В соответствующих условиях этот процесс протекает очень

быстро, практически мгновенно. Внезапность его и отражается тер­мином «схватывание». /

Возникает вопрос, почему два твердых металла, например две металлические пластины с тщательно зачищенными и хорошо при­гнанными поверхностями, не обнаруживают, Никаких признаков соединения или «схватывания» не только при соприкосновении, но и при сдавливании достаточно большими давлениями? Объяснить это повседневно наблюдаемое явление не так просто. Одной из при­чин его следует считать неметаллические пленки, покрывающие сплошной довольно прочной броней поверхность всякого твердого тела.

Пленки, образующиеся на металлической поверхности, имеют различное происхождение, состав и свойства. Это может быть слой оксидов различного состава и толщины, обычно отличающийся зна­чительной твердостью и хрупкостью. Толщина слоя оксида увели­чивается иногда на протяжении многих лет.

Пленки образуются и без химического взаимодействия — за счет физического процесса адсорбции. Известно, что у атомов, ле­жащих на поверхности твердых или жидких тел, заняты не все связи. Частицы, приблизившиеся к поверхности металла, захватываются свободными связями атомов и просто присоединяются, «прилипают» к ней. Пленки такого рода состоят из жиров и масел, с которыми металлы часто соприкасаются при обработке. Для образования тон­кой жировой пленки, например, достаточно прикоснуться к металлу рукой. Жировые пленки, в отличие от окисных, мягки, эластичны, могут растягиваться, увеличивая площадь и уменьшая толщину во много раз. Они с трудом разрушаются и очень устойчивы.

Но не жировые и окисные пленки являются главным препятст­вием к образованию соединения. Основной причиной, мешающей схватыванию поверхностей, служит возникновение на них слоя ад­сорбированных газовых молекул. Более удаленные от поверхности молекулы или атомы газа слабо связаны с металлом и сравнительно легко удаляются. Самый нижний мономолекулярный слой газовых молекул, лежащий непосредственно на поверхности металла, свя­зан с ним чрезвычайно прочно. Количество адсорбированных газо­вых молекул примерно соответствует числу поверхностных атомов металла, плотность вещества в мономолекулярном слое близка к плотности твердого тела. Давление, с помощью которого можно получить такую же плотность газообразного вещества, составляет сотни, а иногда и тысячи атмосфер.

Прочность сцепления мономолекулярного слоя сравнима с проч­ностью металла, вследствие чего при низких температурах адсорб­ционную пленку можно удалить, только срезав ее вместе с метал­лом. Однако на зачищенной поверхности очень быстро образуется новый мономолекулярный слой из газовых молекул окружающей среды. Расчет показал, что в сухом атмосферном воздухе при нор­мальном давлении и комнатной температуре мономолекулярный слой на зачищенной поверхности восстанавливается за 2,4 • КГ8 сек,

а при любом другом давлении время восстановления выражается. „ 1,8-10 0

формулой т = ——-—, где т — время восстановления, сек р — дав­ление воздуха, мм pm. cm.

В высоком вакууме «чистая» поверхность может сохраняться достаточно долго, например, для р= 10~10лш prn. cm. время т = = 18 000 сек — 5 ч. Поэтому в высоком вакууме, например в косми­ческом пространстве, при повреждении мономолекулярного слоя изде» лия из металла могут схватываться при случайном соприкоснове­нии, что будет препятствовать перемещению соприкасающихся час­тей различных механизмов.

Схватывание при низких температурах отличается характер­ными особенностями: оно практически бездиффузионно; соедине­ния разнородных металлов не имеют переходных слоев; образова­ние интерметаллидов и других соединений происходит настолько быстро, что может считаться практически мгновенным. Схватыва­ние возможно не только при комнатной температуре, но и при тем­пературе жидкого азота.

Явление схватывания металлов при низких температурах исполь­зуется в холодной сварке. Здесь чистая металлическая поверхность обычно образуется за счет значительной пластической деформации слоев металла, текущих вдоль поверхности раздела. При этом сди­рается поверхностный слой металла, выводятся на поверхность све­жие, ювенильные слои, которые схватываются в условиях полной изоляции от окружающей среды.

Тесно связано со схватыванием другое интересное явление. При испытании на усталость образец разрушается после определенного числа циклов переменной нагрузки. Металл, испытываемый в вы­соком вакууме, выдерживает значительно большее число циклов; он как бы «не устает». При усталостном испытании металл разру ­шается вследствие возникновения и постепенного развития сетки трещин. При обычных испытаниях в трещину попадает воздух, ко­торый образует мономолекулярные слои на ее стенках и делает не­возможным сращивание последних при соприкосновении. В высо­ком вакууме возникающие трещины тут же «залечиваются» путем сращивания соприкасающихся стенок.

Помимо пленок, получению прочного соединения мешают неров­ности, выступы и впадины. Даже на тщательно отшлифованной по­верхности металла есть многочисленные неровности, размеры кото­рых по сравнению с размерами атомов и межатомных расстояний огромны. Если две металлические поверхности находятся под не­большим давлением, то площадь их действительного соприкоснове­ния, происходящего по вершинам выступов, по сравнению с кажу­щейся поверхностью соприкосновения очень мала. При увеличении давления выступы начинают деформироваться, высота их уменьша­ется и площадь действительного соприкосновения возрастает. Но с началом смятия выступов быстро растет прочность и твердость металла, из которого они состоят, и начинается деформация метала

под ними. На рис. 24 показана деформация шариком металлической поверхности, на которую предварительно были нанесены риски. Как видим, при вдавливании его на довольно значительную глу­бину выступы сохранились, у них лишь немного смялись вершины. Таким образом, применяя нормальное давление, трудно добиться полного уничтожения выступов и впадин. Для этого нужны высо­кие давления. Более плотное соприкосновение поверхностей дости­гается пластической деформацией с перемещением металла вдоль поверхности.

В сварке металлов, схватывании и получении прочного соеди­нения большое значение имеют обменные силы, соединяющие атомы

Рис. 24. Деформация вдавливанием шарика выступов, имеющихся на поверхности стали.

(см. § 3). Эти силы относятся к близкодействующим и проявляются лишь при соприкосновении атомов, для которого необходимы боль­шие сжимающие усилия (осадка) и значительная пластическая де­формация, перемешивающая атомы.

У разнородных металлов решетки, конечно, отличаются своими параметрами друг от друга. Поэтому при сваривании совпадение в расположении атомов может быть лишь случайным и распростра­няться на небольшое число их.

Следует иметь в виду, что при сварке частей из одного металла возможность встречи двух одинаково ориентированных кристаллов очень мала. Как правило, соприкасаться будут монокристаллы с различной ориентацией кристаллических решеток (рис. 25). В этом случае соединяться атомы могут только при условии искажения ре­шеток, на что нужна определенная затрата энергии. Величина этой энергии зависит от свойств свариваемых металлов. Если энергии, освобождающейся при уничтожении двух соединяемых поверхно­стей, для перестройки и искажения решеток в граничном слое будет достаточно, то соединение может произойти самопроизвольно, без дополнительного внешнего воздействия. В противном случае к гра­нице раздела нужно подвести некоторую энергию активации. Прак­тически этого достигают различными способами, например подогре - еом соединяемых частей, при котором увеличивается энергия и

амплитуда тепловых колебаний атомов, усиливаются процессы диф­фузии, облегчается сцепление.

Повышение температуры активизирует процессы сцепления в силу таких причин:

1) в результате нагрева повышается энергетический уровень атомов, благодаря чему перестройка решетки при контакте раз­лично ориентированных монокристаллов облегчается;

2) повышение температуры облегчает пластическую деформа­цию металлов и снижает величину усилий, нужных для сдавлива­ния образцов;

3) уменьшаются собственные напряжения, которые иногда мо­гут разрывать уже образовав­шиеся соединения;

4) при достаточно высоких температурах в некоторых случаях возможно растворе­ние окисных пленок специаль­ными флюсами.

Применение нагрева в кор­не меняет рассмотренную кар­тину соединения металлов при низких температурах. На­грев снижает твердость и по­вышает пластичность метал­ла. Возрастает амплитуда тепловых колебаний атомов и число атомов, которые по­кидают свои положения в кристаллической решетке, образуют вакансии и свободно странствуют по объему металла. Падает вели­чина напряжений, возникающих при сварке. Резко повышается скорость диффузии, причем атомы получают способность диффун­дировать не только по объему металла, но и через слой оксидов и тонкие зазоры между поверхностями. Разрушаются пленки на поверхности металла: жировые выгорают, окисные частично рас­творяются в металле. Благодаря этому отпадает необходимость тщательно зачищать металл. Диффузия приобретает особо важное значение, так как расширяет зону соединения и делает ее объемной.

Нагрев не только усложняет процесс, но и имеет другие отрица­тельные стороны: поскольку диффузия в твердых металлах — про­цесс медленный, при нагревании приходится давать выдержку, часто измеряемую минутами; в случае сварки разнородных металлов возникают переходные зоны, иногда с нежелательными свойствами.

Активизацию процессов сцепления широко применяют во всех видах высокотемпературной сварки в твердой фазе: контактной, газопрессовой, кузнечной и др. При ультразвуковой сварке анало­гичного эффекта достигают за счет энергии ультразвуковых ко­лебаний. При сварке ядерной энергией пограничные частицы приводятся в движение и даже перемешиваются в результате

бомбардировки их «осколками» ядер, распавшихся под действием нейтронного облучения.

К числу других процессов, улучшающих сцепление металлов, следует отнести диффузию, растворение, смачивание, рекристалли­зацию и т. д. Развитие этих процессов способствует увеличению поверхности сцецлеиия и сид связей, повышению прочности свар­ного соединения.

Сцепление твердых металлов с расплавленными. Процессы сцеп­ления между двумя металлами, один из которых находится в твер­дой, а другой в жидкой фазе, служат отличительным признаком пайки, однако и в условиях сварки они оказывают большое влия­ние на качество сварных соединений. Так, от смачиваемости основ­ного металла расплавом зависит форма шва, а следовательно, и вибропрочность сварных со­единений.

Хорошо известно, какие не­приятности доставляет сварщи­кам сцепление жидких капель с основным металлом — налипа­ние брызг. Это явление наблю­дается особенно часто при сварке в углекислом газе, порошковой проволокой без флюса, при ручной дуговой сварке.

Описаны также процессы, по своей физической сущности зани­мающие промежуточное положение между сваркой и пайкой — омед­нение, алитирование и др. При их осуществлении решающую роль играет сцепление между жидким расплавом и твердым металлом.

Необходимым условием установления металлической связи между атомами твердого и жидкого металла является сближение атомов, которое достигается при смачивании твердого тела жидким. С энергетической точки зрения самопроизвольно такое смачивание будет происходить только в том случае, если работа сил притяже­ния между жидкостью и твердым металлом (работа адгезии) будет равна или больше работы сил притяжения частиц жидкости друг к другу (работа когезии).

Смачивание зависит от химического сродства между контакти­рующими металлами, ив первую очередь, от их взаимной раствори­мости. Металлы, образующие взаимные растворы или химические соединения и имеющие общие фазы на диаграмме состояний, обычно обладают хорошей взаимной смачиваемостью. Как правило, металлы хорошо смачиваются собственным расплавом. Нерастворимые друг в друге металлы чаще всего обладают плохой взаимной смачивае­мостью (Fe—Pb, А1—Pb. Cu—Pb). Отмечено также, что смачивание улучшается при меньшей разнице температур плавления.

Измеряют смачивание косинусом краевого угла смачивания 0 (рис. 26):

cos 6 = °т~г (II.7)

, °ж—г V [6]

где от_г, ст_ж, аж_г — поверхностное натяжение соответственно на границе раздела твердое тело — газ, твердое тело — жидкость, жидкость — газ.

При 0<| смачивание твердого металла расплавом происходит

тем интенсивнее, чем меньше угол 6. Идеальная смачиваемость достигается при б = 0.

Растекание расплава по поверхности, или смачивание, осуще­ствляется главным образом за счет поверхностной диффузии и по­тому облегчается при повышении температуры.

В реальных условиях поверхностное натяжение и растекание зависят от чистоты, состояния поверхности твердого тела, от состава расплавленного металла и других причин.

Введение в расплав поверхностно-активных примесей понижает ож—г и увеличивает cos 0, т. е. улучшает смачиваемость твердого тела жидким. Так, свинец не смачивает железа, однако при вве­дении в расплав небольших количеств олова можно резко пони­зить аж_г и добиться вполне удовлетворительного смачивания. Это свойство олова используют во всех свинцово-оловянных при­поях.

Кроме смачиваемости и некоторых литейных свойств (таких, как жидкотекучесть расплава), большое влияние на качество соеди­нения оказывают физико-химические процессы, протекающие по границам раздела твердой и жидкой фаз, а также структура зоны схватывания.

Для осуществления физико-химического взаимодействия между твердым и жидким металлом нужно, чтобы температура твердого металла была выше или равна температуре плавления расплава. В противном случае кристаллизация, начавшаяся у границ холод­ного твердого тела, затруднит взаимодействие металлов и возник­новение металлической связи. При соблюдении указанного усло­вия на границе жидкость — твердое тело возможно растворение одного металла в другом или прямое образование химических соеди­нений.

Нередки случаи, когда процессы растворения на границе сопро­вождаются образованием целого комплекса интерметаллических соединений. Например, при растворении железа в жидком алюми­нии можно ожидать образования FeAl3, Fe2Al3, Fe2Al7 и др. Струк­тура зоны сцепления в этом случае оказывается весьма сложной, а соединение — непрочным из-за хрупкости интерметаллических соединений алюминия с железом.

Для ориентировочного определения состава фаз и характера стру­ктуры вблизи линии сцепления можно использовать диаграммы со­стояния соответствующих пар металлов. Однако нужно помнить, что кратковременность процессов иагрева и большие скорости охлаж­дения при сварке могут вызвать существенные отклонения от равновесных состояний, для которых построены стандартные диа­граммы.

Контрольные вопросы и задания

Что характеризуют модули упругости при растяжении и сдвиге?

> В чем отличие упругой деформации от пластической?

От чего зависит упругость твердого тела? v Опишите механизм единичного акта сдвига и пластической деформации.

Чем объяснить, что плоскости скольжения при растяжении цилиндри­ческого образца расположены под углом 45е к оси?

Назовите основные типы дислокаций.

Что такое вектор сдвига? Что он характеризует? Как его построить? ч Какими путями возможно перемещение дислокаций? Опишите, как про­исходит перемещение дислокаций.

Приведите примеры образования линейных и винтовых дислокаций в процессе кристаллизации.

ч Опишите механизм возникновения дислокаций при нагружении из источ­ников Франка — Рида.

Чем объясняется упрочнение металла в результате его пластического деформирования?

Какие существуют пути повышения прочности реальных металлов?

Опишите общую схему пластической деформации металла, имеющего поликристаллическое строение.

' В чем отличие механизмов разрушения отрывом и сдвигом?

■> Назовите основные причины появления хрупких разрушений.

Опишите существующие методики оценки склонности металла к хрупким разрушениям.