Механизм взаимодействия разнородных металлов при сварке

Экспериментальные и теоретические исследования, проведенные советскими учеными, показывают, что сварку, наплавку и пайку следует отнести к классу реакций, для которых характерным является двухстадийность процесса образования прочных связей между атомами соединяемых веществ. В течение первой стадии происходит образование физического контакта, т. е. осуществляется сближение соединяемых веществ на расстояния, требуемые для межатомного взаимодействия и подготовки поверхности к взаимодействию. На этой стадии из элементарных процессов важную роль играют процессы электростатического взаимодействия поверхностных атомов. В течение второй стадии — стадии химического взаимодействия — заканчивается процесс образования прочного соединения.

Далее могут протекать процессы релаксационного характера, часто приводящие к снижению достигнутой прочности вследствие рекристаллизации или образования прослоек из хрупких химических соединений или фаз за счет гетерогенной реактивной диффузии. Однако эти процессы могут приводить и к повышению прочности соединения, если вследствие диффузии благоприятно меняется химический состав шва и прилегающих к нему зон.

В случае соединения чистых металлов или твердых растворов процессы взаимодействия сводятся к коллективизации (обобщению) «валентных» электронов положительными ионами, вследствие чего между системой атомов, образующих кристаллическую решетку, возникает прочная «металлическая» связь.

Поверхности твердых тел в атмосферных условиях, как правило, инертны, так как валентности их атомов насыщены связью с атомами окружающей среды и чаще всего кислородом. На окисленной поверхности твердого тела могут протекать процессы физической адсорбции. Для осуществления хемосорбции (химической адсорбции) на реальной поверхности требуется затрата энергии на активацию этой поверхности.

Теплота хемосорбции больше теплоты физической адсорбции и при хемосорбции молекула приближается к поверхности на более близкое расстояние, чем при физической адсорбции. По мере того, как молекула приближается к поверхности, она испытывает вначале влияние физических сил притяжения, которые действуют на больших расстояниях, чем силы химической связи. Для осуществления хемосорбции молекула должна обладать определенной энергией. В приобретении молекулы или атомом этой энергии и

заключается акт активации.

Таким образом, протекание процессов взаимодействия различных типов в контакте соединяемых материалов требует определенной величины энергии для активации состояния поверхностей. Эта энергия может сообщаться в виде теплоты (термическая активация), энергии упруго-пластической деформации (механическая активация), электронного, ионного и других видов облучения (радиационная активация).

При сварке в твердом состоянии сближение атомов достигается за счет совместной упруго-пластической деформации соединяемых материалов в контакте, часто в сочетании с дополнительным нагревом.

При сварке плавлением и пайке сближение атомов осуществляется за счет смачивания и активации поверхности твердого материала за счет тепловой энергии.

В каждом из этих случаев для образования соединения требуется определенное время, обусловленное процессами развития физического контакта и химического взаимодействия фаз. Чем ниже температура процесса, тем легче разделить две основные стадии образования соединения друг от друга. При взаимодействии твердого материала с жидким процесс протекает при высокой температуре (по отношению к температуре плавления основного металла) и поэтому скорость его высокая. Обе стадии протекают друг за другом в процессе смачивания, и разделить их практически не удается.

Итак, при сварке плавлением, наплавке и пайке обе стадии процесса и следующая за ними диффузия протекают, как правило, настолько быстро, что в случае соединения разнородных материалов с ограниченной взаимной растворимостью практически трудно получить соединения без хрупких интерметаллических прослоек в контакте. Для разработки технологических процессов сварки необходимо иметь представление о допустимой (при сварке плавлением) длительности этих процессов с тем, чтобы правильно выбирать способ и параметры сварки и обеспечивать получение качественного соединения. В работах была дана оценка длительности указанных процессов и сопоставлены результаты расчета с имеющимися в настоящее время опытными данными. Эти процессы рассмотрены как для сварки плавлением, так и для сварки в твердом состоянии.

(рис. 7), так как переход атомной системы в новое состояние осуществляется не мгновенно, а за некоторый конечный промежуток времени.

  — период (время) ретардации; Т — температура, К; k — коэффициент распределения.

  - энергии активации диффузии соответственно в твердой и жидкой фазах.

С учетом уравнения (2) выражение для оценки периода ретардации диффузионных процессов примет вид

Расчеты по формуле (3) для различных сочетаний показали, что полученные данные достаточно хорошо согласуются с опытными . Это позволяет, несмотря на принятые допущения, использовать приведенную схему для ориентировочных оценок допустимой длительности контакта твердой и жидкой фаз, а также температуры процесса наплавки, сварки, а в ряде случаев и пайки.

процесса контактирования твердой и жидкой металлических фаз можно представить б следующем виде:

— время дальнейшего роста химических соединений.

Период ретардации оценивается уравнением (3). Одним из условий получения качественного соединения является ограничение длительности контактирования таким образом, чтобы не допустить образования интерметаллических соединений, т. е.

  и оценить энергию активации процессов гетеродиффузии в зоне контакта.

  = 121 дж /кг • атом. Для соединений стали с алюминием,

93,6 дж /кг • атом. Для получения соединений с минимальным развитием гетеродиффузии длительность контактирования для пары стали с алюминием составляет при 700° С около 4 с, а для пар стали и никеля с медью при 1100° С примерно 0,5 с.