Свариваемый контакт и процессы его активации

Структура и геометрия металлических поверхностей

В технологии машиностроения занимаются лишь геометрией металлических поверхностей. Для сварочной технологии кроме геометрии необходимо исследовать физические процессы, которые происходят на поверхностях свариваемых деталей. Процессы эти разнообразны, динамичны и очень сложны по своей физической природе. Для сварочной технологии, на современном ее этапе, полезно рассмотреть все, что происходит на поверхности металла от момента ее подготовки к сварке до самого сварочного процесса. Наиболее удобно анализировать поверхностные явления на металле, используя следующую модель. Представим себе, что разрываем металлический образец. До разрыва внутренние слои металла были абсолютно свободны от всяких посторонних загрязнений. Они были построены в виде нормальных кристаллических структур, с обычными для реального металла дефектами. Поверхность разрыва в момент ее образования идеально чиста. Такую чистоту называют ювенильной. Обнажающиеся при разрыве кристаллические грани элементарных кристаллов особенно и необычайно подвижны. В первые же миллионные доли секунды большая часть свободных электронов покидает кристалл и образует над его гранями подвижное отрицательно заряженное облако. Вслед за этим эффектом, а затем и одновременно с ним все острые кристаллические грани размываются, придавая острым выступам округлые очертания: при выравнивании и закруглении рельефа поверхностная энергия уменьшается.

Электронное облако над поверхностью и избыточный положительный потенциал кристаллов создают прочный и стойкий двойной электрический слой (рис. 1.1, а). Такой слой может существовать только в абсолютном вакууме. Если же разрыв металла произошел на воздухе, то двойной пограничный слой может возникнуть только как первый импульсный эффект. Электронное облако без промедления (рис. 1.1, б) активирует молекулы кислорода в окружающей атмосфере, которые с большой скоростью образуют оксидную пленку. Электрическая структура пленки непрерывно сохраняет разнополярность внутреннего и наружного слоев. Если первый электронный слой возникает мгновенно, то он мгновенно же вступает во взаимодействие а молекулами кислорода, активизируя их на образование химической связи с металлом. Над поверхностью металла образуется рыхлое и подвижное облако ионов металла, его оксидов и свободных электронов. В этом облаке самой активной составляющей и притом длительно, в течение минут и даже десятков минут, остаются свободные электроны. Электронная эмиссия с металлической поверхности за это время продолжается даже сквозь слой уже образовавшегося оксида (рис. 1.1, в).

В земной атмосфере при избытке кислорода мономолекулярный слой кислорода на поверхности только что разорванного образца выстраивается за миллиардную долю секунды, при давлении 10^-6 мм рт. ст. — за 2 с, при давлении 10^-9 мм рт. ст. — за 30 мин, в космическом вакууме — за 7 лет. Созданная на реальном металле оксидная пленка не остается непроницаемым и мертвым панцирем. Она сама по границе ее с металлом и по границе с окружающей средой весьма длительно живет подвижной электрической жизнью, если даже на нее не воздействуют никакие механические силы. Образовавшийся оксидный слой непрерывно обменивается с металлом электрическими зарядами. Верхний слой металла, на котором образуется оксидная пленка, представляет собой особую физическую систему, поскольку любая механическая обработка создает в этом слое полностью разрушенную и разориентированную кристаллическую структуру. Глубина таких слоев зависит от способа механической обработки: после тонкого шлифования — приблизительно от 2 до 25 мкм, после точения и грубого шлифования — от 75 до 250 мкм, после полирования — от 0,2 до 0,5 мкм. Энергетическая и электрическая пересыщенность таких слоев по сравнению с нормальной структурой металла весьма велика. Это и проявляется в необычайно высокой активности, с какой на такой поверхности возникают оксидные наслоения, с которыми и приходится особенно считаться технологу при различных способах сварки давлением.

Начальные скорости окисления обнаженных металлических поверхностей, как уже указывалось, огромны. Однако по мере увеличения толщины оксидного слоя на холодном металле стабилизируются пленки такой сравнительно небольшой толщины, что металл визуально сохраняет свой характерный металлический блеск. Такие оксидные наслоения благодаря их малой толщине оптически прозрачны. Так, в частности, если говорить о железе, то его металлическая поверхность не теряет своего блеска, пока толщина оксида не превышает 3.10^-8 м. Можно заметить отсюда, что даже самое мелкое зерно, какое может быть в полированном слое (0,2 мкм), в семь раз превышает толщину оптически прозрачного оксидного слоя 0,03 мкм. Разумеется, нагрев металла при его механической обработке может заметно увеличить толщину оксидного слоя. Известно, в частности, что с повышением температуры поверхности на железе появляются цвета побежалости (табл. 1.1).

Таблица 1.1. Свойства оксидного слоя на железе

Электрическая структура оксидов многих металлов чисто полупроводниковая. Наслоения оксида на металлической поверхности имеют более сложную переходную структуру от металлического проводника к полупроводнику. Поверхностный слой разориентированных кристаллов по своей электрической структуре иногда ближе подходит к полупроводникам, чем к металлу.

Рассмотрим геометрические характеристики механически обработанной металлической поверхности. Геометрию металлической поверхности исследуют и изучают в различных масштабах. Если масштаб макроскопический то поверхность характеризуется степенью ее волнистости. В пределах каждой волны поверхность в зависимости от способа обработки обладает той или иной шероховатостью (рис. 1.2). Шероховатость в технологии машиностроения моделируют в виде различных геометрических фигур. В этой книге шероховатость принято моделировать пирамидами с квадратным основанием (рис. 1.3). Волнистость измеряется обычными инструментами (линейками, штангенциркулями), шероховатость очерчивают особые приборы — профилографы. Одна из типовых профилограмм показана на рис. 1.4. Каждая пирамида построена из множества разрушенных кристаллитов (рис. 1.5) и оказывается насыщенной огромным числом дефектов решетки. В сумме все разрушенные кристаллические организации и являются теми концентраторами избыточной энергии, за счет которой весьма активно оксидируется металлическая поверхность. Структура двойных электрических слоев повторяется и на поверхности оксидных пленок (рис. 1.6). Воздушная среда цеха обеспечивает адгезионные наслоения на оксид водяных, масляных и пылевых частиц, каждая из которых всегда электрически полярна.

Как видно, металл надежно защищает чистоту своих глубинных слоев. Оксидные и адгезионные наслоения и являются главным препятствием против самопроизвольного сваривания любых металлических поверхностей, образующих контакт. Электрическая связь адгезионных и оксидных наслоений с металлом очень прочна.

Зачистка всех наслоений с поверхности металла практически невозможна никакими химическими, физическими и механическими средствами.

Всякая, даже самая тщательная, зачистка металлических поверхностей способна только свести к минимальной толщине все оксидные и адсорбционные наслоения на поверхности металла Контакт двух металлических деталей без промежуточной оксидной и адсорбционной прослойки, т. е. непосредственно контакт между кристаллами может быть обеспечен только в двух случаях:

1) когда контакт осуществляется в космическом вакууме;

2) когда пластическая деформация выдавливает и выносит за пределы плоскости контактирования все оксидные и адсорбционные наслоения.

К последнему, идеальному случаю с различной степенью успеха стремятся все технологические приемы всех процессов сварки давлением.

Что касается процессов сварки плавлением, то здесь все оксидные и другие наслоения просто растворяются в расплавленном металле. Удаление загрязнений металла в одних случаях и растворение этих загрязнений в других — вот в этом и есть одно из самых существенных различий между сваркой давлением и плавлением. Как будет показано в дальнейшем, при современной контактной точечной и шовной сварке соединения образуются по принципам плавления.

На рис. 1.4 представлена картина постепенной деформации выступов шероховатости при сдавливании этих выступов плиткой Иогансона, т. е. почти идеально плоской деталью. Наибольшее давление (200 МПа) значительно превышает предел текучести отожженного алюминия. Тем не менее пирамиды полностью не смялись и не превратились в параллелепипеды. Этот факт объясняется следующими причинами.

Поверхностный слой металла в результате любой механической обработки становится предельно наклепанным, насыщаясь линейными и точечными микродефектами в сотни и тысячи раз больше, чем это характерно для нормального проката. Оксидные прослойки проникают в глубину шероховатостей, создавая своеобразную эвтектику металла с его оксидами (слой Б на рис. 1.6). Показатели микротвердости, приведенные в табл. 7 приложения, определяют, насколько может повыситься микротвердость пирамид в целом, если их структура из чисто металлической превращается в металлооксидную. При значительных давлениях в порах, образующихся между пирамидами, сжимаемый воздух настолько нагревается, что должно произойти энергичное окисление металла, окружающего поры. Этот эффект вызывает еще большую концентрацию оксидной фазы в металле и соответственно повышает и показатели твердости, и значения удельного электрического сопротивления поверхностного слоя металла. В табл. 7 приложения приведены сравнительные значения удельных электросопротивлений некоторых металлов и их оксидов. Сравнивая эти данные, можно сделать вывод, что и с точки зрения электропроводности шероховатая поверхность металла по своим свойствам может значительно приближаться к полупроводникам.

Учитывая изложенное выше, следует констатировать: в земной атмосфере никакие металлические поверхности не могут быть свободными от оксидных и адсорбционных наслоений. Весь вопрос для сварщиков сводится только к тому, какова структура и толщина этих наслоений. Несмотря на неизбежное наличие поверхностных наслоений, в технологической практике используются термины чистого металла в смысле его зачистки перед сваркой. Для контактной сварки визуальная оценка чистоты определяется отсутствием явно видимой окалины или явно видимого потускнения. С этой точки зрения идеальной поверхностью считают холодный прокат, протравленный металл, металл, зачищенный абразивным инструментом и абразивным материалом.

Выше было определено, что главной и даже единственной причиной неизбежных оксидных и адсорбционных наслоений на поверхности металла является факт энергетического неравновесия* энергетического контраста между средой и вновь образовавшейся поверхностью металла в этой среде. Электрическая полярность всех слоев на металле, показанная на рис. 1.6, говорит и об электрической природе всех границ структур, что подтверждается многими измерениями разности потенциалов. Установлено, например, что не только два соседних кристаллита энергетически неравновесны, но даже граница зерна по сравнению с его серединой электрически более отрицательна. Упругие деформации почти не изменяют разности потенциалов между соседними зернами, пластические же сказываются в очень сильной степени. Все надрезы, трещины и другие концентраторы напряжений дают отрицательный потенциал относительно основной массы металла.

Любые соседние контрастные элементы структуры, любые два соседних зерна одной и той же структуры, но разного размера, два различно деформированные зерна обязательно имеют между собой электрическую разность потенциалов как следствие электрической природы строения вещества.

Эти общеизвестные факты почти не используются, к сожалению, металловедами при изучении металлических структур.

Для технологов сварочного производства отмеченные микроэлектрические эффекты существенны, особенно яри изучении контактных сопротивлений. Вероятно, существует прямая связь между явлением экзозлектронной эмиссии и фактом медленного выравнивания разности потенциалов между различно деформированными объемами металла.

Максимум экзоэлектронного выхода наступает через несколько минут после момента пластической деформации. Падение электрического потенциала Uэə от максимума до нуля на холодном контакте во времени от момента контактирования также происходит за минуты (рис. 1.7).

Механическая деформация шероховатостей —- это акт некоторой общей для контакта атомно-электронной активации, которая за несколько минут постепенно угасает, создавая равновесную электрическую структуру. Это и фиксируется, в конечном итоге, нулевой разностью потенциалов на холодном контакте. Получается некоторый физический парадокс- механический контакт при своем возникновении оказывается чисто электрическим. Другое дело, что разности потенциалов на нем измеряются микровольтами, что весьма мало по сравнению с теми, что возникают на контакте при прохождении через него сварочного тока. Тем не менее для объяснения электрического пробоя через поверхностные слои на металлических поверхностях в контакте вряд ли следует пренебрегать явлением его своеобразной электризации путем давления. Наиболее достоверно считать, что в плоскости всякого механического контакта в момент его организации за счет энергии пластической деформации образуется структура плазмы, и плазмы безусловно проводящей, если этой проводимости не мешают большие толщины оксидов.

Оксидная пленка на рис. 1.6 показана схематически и увеличенной толщины. Ее сцепление с металлом происходит через промежуточный разориентированный слой оксидно-металлической эвтектики. Наличие такого слоя в плоскости холодного контакта неизбежно при любой толщине оксидной пленки. Рассматривая профнлограмму поверхности на рис. 1.4, можно сопоставить относительные размеры пирамид шероховатости и толщины оксидной, оптически прозрачной пленки на пирамидах. Если высота пирамиды приблизительно 50 мкм, а толщина пленки 0,03 мкм, то из рис. 1.4 можно увидеть, что высота пирамиды в тысячи раз больше толщины оксида на ней. Таким образом макрошлиф реального холодного контакта свежезачищенных деталей покажет толщину оксидной пленки, разделяющей детали приблизительно такого же размера, как и толщина межкристаллитных границ. Однако структуры этих двух границ категорически различны, так же как различно строение самой пирамиды и внутреннего зерна металла.

Зерна (кристаллиты) составлены из фрагментов, фрагменты — из блоков. Блоки как группа элементарных кристаллов могут быть разориентированы (а не разделены прослойками) относительно друг друга на доли градуса, фрагменты — на несколько градусов. Внутри зерна никаких оксидных загрязнений нет, но зерна отличаются друг от друга не только ориентацией, они отделяются особыми межкристаллитными границами. Эти границы оказываются насыщенными всеми возможными несовершенствами кристаллических решеток. Тем самым межкристаллитные границы представляют собой концентраторы особой энергии, всегда стремящейся к возможной разрядке. Разрядка может происходить в виде высокой химической активности границ по сравнению с серединой зерна.

Общеизвестное явление повышенной скорости травления межзеренных границ для сварщиков-технологов должно быть подчеркнуто особенно. Протравленная межзеренная граница своей чернотой создает впечатление полной разобщенности зерен и тем самым якобы подчеркивает полное отсутствие прочностной связи между ними. В действительности между зернами существует сильнейшая металлическая связь. Зерна посредством больших пластических деформаций могут дробиться на множество более мелких, показывая при травлении свои новые границы. Эти границы при последующей рекристаллизации исчезнут в процессе поглощения одного зерна другим. Новые границы снова будут визуально фиксироваться как черные изолирующие прослойки. Однако эти прослойки никогда не вызывают у исследователя сомнений в прочности металла по межзеренным границам, поскольку известно, что во многих случаях здесь оказывается большая прочность, чем в сердцевине зерна.

Некоторые процессы контактной сварки (особенно микросварки) протекают при температурах ниже точки плавления. При этом достигаются высокие прочностные свойства соединений, но в разрезе соединений на макрошлифах также видна протравленная сплошная чернота по плоскости контакта. Вот эта чернота в сваренном контакте почему-то у многих металловедов вызывает подозрение в непроварах. Можно вполне определенно утверждать, что и по плоскости сваренного контакта визуально заметная граница только потому и оказывается заметной, что здесь в процессе сваривания произошла обильная концентрация микродефектов всех родов. Это вызвало активную химическую реакцию травления, что и зафиксировалось черной прослойкой, видимой на макрошлифе.