Формирование соединений при сварке давлением. (Лекция 2)

СОДЕРЖАНИЕ ЛЕКЦИИ №2
Тема 2. Формирование соединений при сварке давлением
Структура поверхности металлов
Стадии формирования соединений
Основные параметры процессов сварки
Классификация способов сварки давлением по основным параметрам процесса

Формы основных элементарных ячеек пространственных кристаллических решеток:
1 – ОЦК; 2 – ГЦК; 3 – гексагональная плотноупакованная
Металлическая связь характеризуется наличием свободно перемещающихся электронов
(«электронный газ») , несущих отрицательный заряд, и положительно заряженных ионов металла.
Рассмотрим процесс образования соединения двух тел с одинаковым типом и ориентацией кристаллической решетки. Если расстояние l превышает параметр решетки, взаимодействия атомов не происходит. При этом силы притяжения (вызванные взаимодействием внешних электронов одного тела с ядрами атомов другого тела), а также силы отталкивания ( вызванные взаимодействием электронов поверхностных атомов одного тела с электронами атомов другого тела и ядер обоих тел) близки к нулю.
По мере сближения появляются силы отталкивания электронов (кулоновское электростатическое взаимодействие). Внутренняя энергия системы двух тел повышается и возникает энергетический барьер, который можно преодолеть активацией контактных поверхностей.
Если продолжать сближать тела, то на определенном расстоянии R0 равнодействующая сил отталкивания и притяжения будет равна нулю, начинается объединение наружных электронных оболочек, а энергия системы достигает минимума (происходит процесс схватывания и сваривания).
F - cила взаимодействия; E - энергия связи; R - расстояние между атомами

Структура поверхности металлов
А – глубинные слои металла; Б – металлооксидная эвтектика внешнего кристаллического слоя; В – адсорбционные наслоения по оксидному слою; MeO - оксидный слой
Схема строения реальной поверхности металла
В момент образования (например при разрыве или сколе) поверхность металла является идеально чистой – ювенильной. Но мгновенно над поверхностью металла образуется электронное облако, которое активирует молекулы кислорода в окружающей атмосфере. Это приводит к образованию оксидной пленки.
Толщина оптически прозрачной оксидной пленки не превышает 3е-8 м (даже самое мелкое зерно металла в 7 раз превышает толщину оксидного слоя). Значительно увеличить толщину оксидной пленки может нагрев (на поверхности появляются цвета побежалости).

Схема контактирования идеально ровной поверхности и поверхности с шероховатостью
Профилограмма поверхности алюминиевой пластины после зачистки наждачной бумагой (а), деформации плитой под давлением 20, 100 и 200 МПа (б)
Самая тщательная зачистка металлической поверхности способна только свести к минимуму оксидные или адсорбционные наслоения, но не устранить их полностью.
Контакт между ювенильными поверхностями возможен только в двух случаях: 1 – в космическом вакууме; 2- когда пластическая деформация выдавливает и выносит за пределы плоскости контактирования все наслоения.
Все технологические приемы сварки давление направлены на создание нужной степени пластической деформации металла в зоне сварки для удаления оксидных пленок (при способах сварки плавлением оксидные пленки растворяются в расплавленном металле).

На первой стадии начинается сближение атомов, устраняются неровности и поверхностные пленки. Атомы сближаются на расстояние, необходимое для начала межатомного взаимодействия (преодоления электростатического отталкивания электронов внешних орбит).
На второй стадии происходит активация атомов (механическая, термическая), преодолевается энергетический барьер схватывания, происходит объединение электронных оболочек и образуется сварное соединение. Эти процессы сопровождаются нагревом и деформацией деталей.
На третьей стадии через границу соединения начинается взаимная диффузия атомов, происходит кристаллизация и охлаждение соединения.