Сварка давлением

Для развития дальнейшего взаимодействия материалов, т.е. образования активных центров и последующего протекания топохимических реакций между соединяемыми материалами, необходима дополнительная активация. Только после создания активных центров появляются предпосылки для взаимодействия материалов на уровне активированной адсорбции, что соответствует расположению атомов на более близком расстоянии R₂, равном 0,1-0,3 нм, энергия связи Е₂=200-400 кДж/моль. Энергетический переход от физической адсорбции к хемосорбции происходит после преодоления некоторого порога, когда начинается акт химического взаимодействия, связанный с обобществлением электронов. При сварке давлением металлов это - образование металлической связи, а при соединении металлов с неметаллами - образование ионной или ковалентной связи.

Таким образом, процесс взаимодействия материалов можно условно подразделить на три последовательных процесса:

1) образование физического контакта;

2) активация соединяемых поверхностей и схватывание;

3) объемное взаимодействие соединяемых материалов.

Подразделение процесса взаимодействия является в определенной степени условным, поскольку в различных ситуациях будут наблюдаться опережение или отставание одного процесса от другого.

Рис. 13.2. Процесс постепенного формирования единой кристаллической структуры в области контакта.

13.1 Образование физического контакта

Процесс развития физического контакта зависит от ряда факторов, прежде всего от состояния контактируемых поверхностей, свойств материалов, вступающих в контакт, условий термодеформационного воздействия на контактируемую пару.

В основу образования физического контакта положен критерий высокотемпературной пластической деформации в условиях интенсивного нагрева. Эта деформация характеризуется скоростью ползучести. При этом различные материалы могут иметь равные скорости ползучести либо при различных температурах, либо при различных напряжениях, поэтому при сварке разнородные материалы находятся в неодинаковых условиях и предполагается, что физический контакт между ними будет образовываться в результате деформации более пластичного материала.

Согласно этой модели физический контакт образуется вследствие сглаживания микронеровностей. Микровыступ рассматривается в виде конуса (рис. 13.3.)

Рис. 13.3. Схема образования физического контакта в результате деформации микровыступов под действием сжимающего давления.

Скорость сглаживания:

,

где L_к - длина образующей конуса; L_o - длина основания микровыступа; t_ф - длительность сглаживания.

Длительность сглаживания:

,

где А - коэффициент, зависящий от обработки поверхностей; В - частотный множитель; р - приложенное давление; m - коэффициент, обычно m=4-5; Е - энергия активации; k - постоянная Больцмана; Т - температура.

13.2 Возникновение активных центров и образование очагов взаимодействия

После сближения соединяемых поверхностей на расстояние, соответствующее возникновению молекулярного взаимодействия на этапе образования физического контакта, т.е. сил физической адсорбции, может последовать активация соединяемых поверхностей, приводящая к химическому (валентному) взаимодействию, которое еще называют схватыванием материалов. Схватывание - это бездиффузионный процесс, с которым часто встречаются в технике при трении. В этом случае он носит нежелательный характер. При сварке, наоборот, этот процесс во многом определяет условия формирования надежного соединения, поэтому его стремятся спровоцировать с наименьшими энергетическими затратами.

Схватывание происходит на активных центрах, природа которых для различных материалов может быть различной. В качестве активных центров могут выступать поверхностные дефекты, например, выходы дислокаций в кристаллических материалах, примесные атомы, зародышевые поверхностные микротрещины в аморфных материалах. Ювенильная поверхность металлов может также рассматриваться как активированная поверхность.

При сварке давлением кристаллических материалов процесс взаимодействия реализуется на активных центрах, природа которых может быть связана с пластической деформацией приконтактных поверхностей. Активные центры - это поля упругих искажений, возникающих в местах выхода в зону контакта дислокаций и их скоплений или пачек скольжения в окрестных деформационных выступах. В пределах активных центров может происходить разрыв старых и установление новых валентных связей между поверхностными атомами соединяемых материалов. Условно модель активного центра в местах выхода на поверхность дислокаций можно представить в виде поля упругих искажений.

Чисто дислокационный механизм активации осуществляется при низких температурах для пластичных металлов. С увеличением температуры возрастает ее вклад в активационный процесс. С повышением температуры повышается скорость движения дислокаций и частота их выхода в зону физического контакта, а также уменьшается прочность связей между атомами металла и кислорода в оксидном или хемосорбированном слое. Таким образом снижается потенциальный энергетический барьер U.

Рис. 13.4. Модель активного центра, образованного при выходе дислокации в зону физического контакта:

1 - кривая изменения энергии в зоне дислокации; 2 - средний энергетический уровень атомов; 3 - ядро дислокаций; 4 - атомы кислорода; 5 - атомы металла; 6 - дислокации длиной 2r; u - энергетический барьер.

Термодеформационные условия, создаваемые при соединении материалов в твердом состоянии, обеспечивают активацию поверхностей при выходе на них дислокаций. Наряду с этим могут осуществляться и другие механизмы активации, например, связанные с диссоциацией, сублимацией, восстановлением и растворением поверхностных слоев оксидов. Роль каждого механизма активации зависит, прежде всего, от особенностей технологического процесса сварки и природы соединяемых материалов.

13.3 Объемное взаимодействие соединяемых материалов

Объемное взаимодействие металлических материалов приводит к устранению в результате диффузии физических и химических несовершенств в строении металла в зоне стыка, образованию общих зерен в контакте, релаксации внутренних напряжений. Данные процессы приводят к устранению неоднородностей и снижению внутренних напряжений, т.е. к выравниванию характеристик соединяемых металлов. При соединении одноименных металлов объемное взаимодействие всегда улучшает эксплуатационные характеристики соединения.

Характер объемного взаимодействия при сварке разнородных металлов определяется диаграммой состояния. В этом случае возможно образование переходной зоны, состоящей из неограниченных твердых растворов, ограниченных твердых растворов, интерметаллидов или эвтектоидов. Во время формирования соединения металлов с неметаллами в зоне сварки за счет объемного взаимодействия также возможно образование новых фаз в виде силикатов, алюминатов, а также других продуктов взаимодействия. Если соединяемые металлы в зоне сварки образуют хрупкие переходные слои, то процесс объемного взаимодействия необходимо контролировать и ограничивать. При этом процесс схватывания является не только необходимым, но и достаточным для образования сварного соединения, однако сварные соединения не обладают высокими вязкостью и пластичностью. Сварку подобных разнородных металлов, а также металлов с неметаллами проводят при таких энергетических параметрах процесса, которые исключают возможность опасного развития диффузионных процессов.

Условия получения качественного соединения, когда завершение сварки должно характеризоваться схватыванием контактных поверхностей, записываются следующим образом:

;

,

где t_В - длительность взаимодействия, определяемая длительностью действия сжимающих напряжений на свариваемые материалы; t_c - длительность процесса схватывания атомов контактируемых поверхностей по всей площади соединения; t_р - длительность релаксации напряжений в свариваемых металлах до уровня меньше критического; t_и - длительность инкубационного периода образования термодинамически устойчивого зародыша новой хрупкой фазы; t_н - длительность контактирования поверхностей при постоянной температуре выше (0,4_0,5) T_пл; t_ох - длительность охлаждения зоны соединения после сварки до температуры ниже или равной 0,4 T_пл.

Длительность инкубационного периода t_и образования термодинамически устойчивого зародыша новой фазы определяется природой свариваемых материалов и температурой.

Для повышения механических свойств необходимо образование в зоне соединения общих зерен, так как в противном случае стык будет ослаблен непрерывной цепочкой границ вдоль плоскости. Образование новых зерен в результате развития рекристаллизации может обеспечить наиболее надежное сопряжение в переходном слое сварного соединения.

Рекристаллизация - процесс повышения структурного совершенства и уменьшения свободной энергии металлов и сплавов в пределах фазы, совершающейся путем возникновения и движения или только движения границ с большими углами разориентации. Процесс кристаллизации заключается в замене одних зерен другими той же фазы, но с меньшей энергией.

Лекция № 14. Классификация и основные параметры процессов сварки давлением металлов

Для того чтобы сваривать реальные металлические тела в твердом состоянии с образованием соединения высокой прочности, как правило, необходимо до или в процессе создания физического контакта и активных центров удалить из зоны сварки окисные пленки. Требуемая степень очистки зависит от условий сварки и, в первую очередь, от температуры.

При сварке давлением эти задачи в зависимости от особенностей технологического процесса решаются по-разному. Пластическое деформирование в зоне соединения, присущее всем способам сварки давлением, производится без нагрева или с нагревом. Процесс может идти на воздухе или в контролируемой среде.

В ходе сварки на соединяемых поверхностях и в прилегающих слоях металла могут протекать различные процессы (пластическая деформация, объемная и поверхностная диффузия и самодиффузия, упрочнение и разупрочнение, рекристаллизация и перекристаллизация, выделение и растворение новых фаз, образование и разрушение окисных пленок и др.). Их роль в образовании соединения, а также воздействия на его свойства определяются характером технологического процесса. В общем случае все процессы, идущие в металле при сварке давлением, можно разделить на основные и сопутствующие. К основным относятся процессы, непосредственно ответственные за формирования сварного соединения. Например, при холодной сварке основной процесс - пластическое деформирование; все же остальные - сопутствующие.

Любые технологические процессы сварки давлением управляются всеми или частью пяти основных параметров:

1) давления (деформация);

2) температура;

3) время;

4) среда (состав газовой фазы);

5) скорость взаимного перемещения.

Иногда отдельные параметры взаимосвязаны настолько тесно, что не могут самостоятельно регулироваться и контролироваться. Например, при сварке взрывом в результате быстрой пластической деформации металл в зоне сварки нагревается, что помогает осуществлению сварки; однако температура в зоне сварки соединения не задается и не контролируется.

В таблице 14.1. приведена классификация основных способов сварки давлением металлов по пяти технологическим параметрам. Конечно, все процессы протекают во времени. Однако в некоторых из них время мало сказывается на результатах (например, при холодной сварке), в других оно влияет лишь на условия подготовки металла к сварке (обеспечивая, например, выравнивание температуры по сечению). В этих случаях время рассматривается как неглавный параметр.

Таблица 14.1.

Главные параметры процесса	Способ сварки
Давление (Р-процессы)	Холодная сварка.
Давление, температура (Р,Т-процессы)	Контактная точечная сварка. Контактная рельефная сварка. Контактная шовная сварка. Контактная стыковая сварка сопротивлением. Контактная стыковая сварка оплавлением. Сварка токами высокой частоты. Сварка взрывом. Сварка прокаткой.
Давление, температура, среда (Р,Т,А-процессы)	Газопрессовая сварка
Давление, температура, время, среда (Р,Т,t,А-процессы)	Диффузионная сварка
Давление, температура, взаимное перемещение (Р,Т,f-процессы)	Сварка трением. Ультразвуковая сварка.

Холодная сварка (Р-процессы) осуществляется при комнатной температуре без нагрева внешними источниками тепла; очистка и выравнивание свариваемых поверхностей, а также создание на них активных центров достигается при этом за счет пластической деформации.

Рис. 14.1. Схема холодной сварки.

Холодная сварка - процесс относительно медленный, сопровождается весьма большими объемными деформациями. Сваривание обеспечивается глубинными слоями металла действительно ювенильной чистоты. Длительность всего процесса макрообъемной деформации составляет обычно 1-2 с. Средняя температура в свариваемом контакте незначительно превышает комнатную. Давление , которое приходится прикладывать достигает 4-5-кратных значений предела текучести.

Сварка давлением с быстрым нагревом без защитной среды (Р,Т-процессы) охватывает большую группу технологических процессов. Характерные особенности этих процессов определяются не столько малой длительностью нагрева, которой иногда затягивается до нескольких минут, сколько быстрой пластической деформации, в ходе которой непосредственно формируется соединение. Общим для всех Р,Т-процессов является их осуществление на воздухе (без специальной защиты). При этом окисные пленки, как правило, разрушаются и удаляются за счет пластической деформации зоны сварки.

Все Р,Т-процессы можно классифицировать:

1. По температуре зоны сварки:

а) низкотемпературные процессы - температура сварки близка к температуре рекристаллизации (прессовая сварка);

б) высокотемпературные без оплавления (сварка сопротивлением и токами высокой частоты);

в) высокотемпературные с оплавлением (сварка оплавлением, точечная и шовная контактная сварка).

2. По характеру нагрева:

а) общий нагрев (печной при прессовой сварки);

б) местный сразу по всему свариваемому сечению (сварка оплавлением);

в) местный последовательный (сварка взрывом).

3. По характеру деформирования:

а) одновременно по всему сечению;

б) последовательно.

4. По источнику нагрева:

а) внешний (нагрев в печи или газовым пламенем);

б) внутренний (электрическим током, теплом, выделяемом при пластической деформации, например, при сварке взрывом).

При контактной точечной, рельефной и шовной сварке электрическая энергия, вводимая в контакт, обеспечивает нагрев выше точки плавления.

Контактная стыковая сварка сопротивлением происходит при температурах, как правило, несколько ниже точки плавления, однако давления используют большие, чем предел текучести металла при температуре в зоне контакта. Этот факт определяет бочкообразную форму сварного соединения. Скорость деформации при приложении давления относительно невелика (порядка нескольких миллиметров в секунду) и может считаться, особенно для больших сечений, почти постоянной.

При стыковой сварки оплавлением скорости деформации при приложении давления значительно большие и измеряются десятками миллиметров в секунду. Температура поверхностных слоев металла в искровом промежутке близка к точке кипения. Благодаря скоростному сдавливанию вытесняется вся прослойка жидкого металла, и в формировании сварного соединения участвуют кристаллы, нагретые до температуры, меньшей точки плавления. Таким температурам соответствуют давления, равные или несколько более высокие, чем предел текучести.

Сварка взрывом осуществляется ударным давлением взрывной волны, которая движется от детонатора со скоростью детонации взрывчатого вещества. Ударное давление взрыва составляет 10¹⁰ Па. Однако, это давление ввиду кратковременности его действия (10^-5_10^-6с) распространяется на очень малую глубину от плоскости контакта. Такое сверхвысокое давление создает в поверхностных слоях мгновенный нагрев до температуры, превышающей точку плавления.

Рис. 14.2. Схема сварки взрывом:

1 - детонатор; 2 _ заряд взрывчатого вещества; 3 _ метаемый элемент; 4 - неподвижный элемент; 5 - опора.

Сварка с кратковременным нагревом в защитной атмосфере (Р,Т,А-процессы):

а) при сварке в твердой фазе (без оплавления) - газопрессовая сварка с наружным обогревом;

б) при сварке с оплавлением - газопрессовая сварка с нагревом разведенных торцов горелками.

Для создания защитной атмосферы, как правило, используют газы или их смеси.

При Р,Т,А,f-процессах в результате продолжительного нагрева в вакууме, а иногда и в другой контролируемой среде, например, в водороде, удается получить соединения с относительно небольшой макропластической деформацией и при умеренной температуре. При сварке с кратковременным нагревом разрушению окисных пленок способствует значительная пластическая деформация, характерная для этих процессов. Основное техническое значение для металлов в этой группе процессов имеет диффузионная сварка.

Рис. 14.3. Схема диффузионной сварки:

1- система нагружения; 2 - нагреватель; 3 - детали.

В Р,Т,f-процессах, включающих сварку трением и ультразвуковую сварку, работа сил трения превращается в теплоту и обеспечивает нагрев зоны сварки; с другой стороны, при трении разрушаются поверхностные пленки окислов и обнажающиеся ювенильные поверхности металлов металла, находящиеся в активном состоянии, легко соединяются. При этом совместное действие нормальных и тангенциальных напряжений при трении облегчает пластическую деформацию в зоне соединения.

Сварка трением осуществляется при температурах ниже точки плавления и относительно небольших давлениях порядка (2_5)10⁷ Па. Подъем температуры в контакте и нагрев некоторого слоя металла вокруг него достигаются за счет трения вращающейся детали относительно неподвижно закрепленной.



Рис. 14.4. Схема сварки трением с непрерывным приводом:

Неразъемное соединение при ультразвуковой сварки металлов получают в процессе сжатия соединяемых элементов с относительно небольшим усилием (десятые доли или единицы ньютона при соединении элементов микросхем и полупроводниковых приборов и не более 10 ⁴ Н, при сварке относительно толстых листов) при одновременном воздействии на зону контакта механических колебаний с частотой 15 - 80 кГц.

Энергия вибрации создает сложные напряжения растяжения, сжатия и среза. При превышении предела упругости соединяемых металлов происходит пластическая деформация в зоне их контактирования. В результате пластической деформации и диспергирующего действия ультразвука происходят разрушение и удаление поверхностных пленок различного происхождения, а также образование сварного соединения. Температура нагрева в зоне контакта обычно не превышает 0,3 - 0,5 температуры плавления соединяемых металлов.

Рис. 14.5. Схема ультразвуковой сварки металлов.

Лекция №15. Подобие физических процессов в свариваемом контакте

15.1 Подобие физических процессов в свариваемом контакте

При сварке давлением необходимо учитывать два одновременно действующих показателя - энергию механическую и энергию тепловую. При этом существенно отметить, что оба вида энергии друг от друга неотделимы, так как действуют одновременно и в одном и том же направлении - изменения исходной структуры. Раздельные объемы металла в начале процесса превращаются в непрерывную структуру сварного соединения вокруг плоскости контакта.

Рассмотрим некоторые примеры подобия различных физических явлений в свариваемых контактах. Представим себе, что на поверхность металлической плиты действуют весьма кратковременным импульсом:

1) механический удар (взрыв);

2) внезапно приложенный электрический или магнитный потенциал;

3) мощный тепловой источник (электрическая искра).

Все перечисленные разнородные процессы имеют сходство. Поскольку действие импульсное, то каждый импульс создает в первое мгновение удар на поверхностный слой плиты, а затем этот удар в виде соответственно звуковой (взрывной), электромагнитной или тепловой волны распространяется в глубину, затухая во времени. Несмотря на то, что взрыв представляет собой механический удар, он создает в поверхностном слое концентрацию тепловой энергии, как и электромагнитная волна, не говоря уже о непосредственном воздействии теплового источника - электрической искры. Очевидно, можно подобрать параметры всех трех импульсов такими, чтобы во всех случаях эквивалентная глубина действия каждого импульса была бы одинаковой, т.е. на равной глубине за равный промежуток времени обуславливали нагрев сварного соединения на одинаковую температуру.

Таким образом, подобие разнородных процессов можно определить равенством энергий, сосредоточенных в единице объема поверхностных слоев металла в свариваемом контакте. Разумеется, толщина таких поверхностных слоев может быть различной, но не менее двойного слоя кристаллитов, создающих между собой единую кристаллическую структуру и обеспечивающих тем самым прочное сварное соединение вокруг плоскости контакта.

В качестве дополнительной иллюстрации весьма заметного подобия воздействия на металл взрыва и электрического искового разряда можно привести следующие характерные формулы.

Давление на фронте взрывной волны может быть определено по формуле:

,

,

где А - постоянная, характерная для каждого сорта взрывчатого вещества; Q - количества тепла, Дж; g - вес взрывчатого вещества, кг; М - теплота взрыва, Дж/кг; r - расстояние от фронта ударной волны, см.

Давление в пузыре искрового разряда:

,

где р_иск - давление, Па; Е - освобожденная энергия, Дж; г - расстояние от центра искрового промежутка, см.

Формулы подобны. Следовательно, и электрический разряд, и взрыв могут создавать на металлической поверхности одни и те же давления. Если же и длительность обоих импульсов одинакова, тогда поверхностный слой металла получит совершенно одинаковую термомеханическую обработку.

15.2 Теория теплового подобия при приближенном расчете режима контактной сварки

Применение теплового подобия позволяет по одному экспериментально определенному режиму с использованием критериев подобия рассчитать параметры режима сварки деталей других толщин.

Известно, что два физических процесса подобны, если они описываются одним и тем же дифференциальным уравнением и имеют подобные начальные и граничные условия. Подобие выражается в том, что при определенных условиях в сходственных точках тел, т.е. в точках с одной и той же относительной координатой, например, в точках, расположенных в середине листа, достигаются одни и те же значения переменных, в частности температуры при тепловом подобии.

Подобие соблюдается при равенстве критериев подобия - ряда безразмерных величин. По этим критериям, определяемым по моделям, рассчитывают масштабные коэффициенты для определения параметров процесса. Процессы точечной и шовной контактной сварки деталей разной толщины могут быть подобны при соблюдении геометрического подобия (формы деталей) и подобия граничных условий (формы и размеров рабочей части электродов).

Рис. 15.1. Подобие процессов нагрева при точечной сварке.

Характерными точками в этом случае являются точки с координатами h=s/2 (граница ядра), в которых к концу процесса нагрева достигается температура плавления Т_пл (рис 15.1.). Основные критерии подобия точечной сварки, которые устанавливают связь между параметрами и толщиной деталей, следующие:

1. Критерий геометрического подобия:

К_г=d/s=const.

2. Критерий гомохронности (подобия по времени) - критерий Фурье:

K_t=at_cв/s²=const.

3. Критерий подобия тепловыделения:

.

При сварке деталей из одного и того же сплава () указанные соотношения упрощаются, и значения диаметра ядра, силы тока и времени сварки можно оценить по следующим формулам:

d=k_ds, I_Д=k_Is, t_св=k_ts²,

где k_d=K_Г, , k_t=K_t/а.

Значения критериев и масштабных коэффициентов определяются по единичным опытам.

Пример: Рассмотрим случай точечной сварки листов из сплава Амг6 толщиной 2+2 мм: d=8мм (k_d=4), t_св=0,2 с (k_t=0,05 c/мм²), I_д=36кА (k_I=18кА/мм). Зная эти величины, можно оценить значения параметров режима сварки листов из сплава Амг6 толщиной 4+4 мм:

мм, с, кА.

Литература

сварка давление металлический

1. Бачин В.А., Квасницкий В.Ф., Котельников Д.И. и др. Теория, технология и оборудование диффузионной сварки. М.: Машиностроение, 1991. 352с.

2. Гельман А.С. Основы сварки давлением. М.: Машиностроение, 1970. 321с.

3. Кочергин К.А. Сварка давлением. Л.: Машиностроение, 1972. 216с.

4. Орлов Б.Д., Чакалев А.А., Дмитриев Ю.В. и др. Технология и оборудование контактной сварки. М.: Машиностроение, 1986. 312с.

Размещено на Allbest.ru

...