Физико-химические основы микросварки.

Процесс образовании сварного соединения можно условно разделить на че­тыре стадии: 1) образовании физического контакта между поверхностями мате­риалов; 2) активация контактных поверхностей; 3) объемное развитие взаимодействия; 4) кристаллизация. Hа первой стадии сближаются материалы на рас­стояние порядка 10 ... 100 нм, при котором между частицами начинает проявляться физическое взаимодействие, обусловленное силами Ван-дер-Ваальса.

При твердофазной сварке, вследствие шероховатости реальных поверхностей, физическое взаимодействие протекает не по всей площади, а только в местах контакта микровыступов с наибольшей суммой высот. В процессе последующего пластического деформирования этих выступов в контакт будут вступать новые выступы, обладающих меньшей суммой высот. В начальный момент процесс фор­мирования контакта двух поверхностей сопровождается ростом числа единичных пятен касания и схватывания, площадь каждого при этом увеличивается незначительно.

Из второй стадии происходит образование на поверхности болеетвердого из соединяемых материалов центров, активных в химическом отношении. Для - активирования поверхностей вводится дополнительная энергия: тепловая, деформации, ультразвуковая. При сварке плавлением цепная реакция растекания с выделением энергии поверхностного натяжения увеличивает площадь контакта вокруг каждой точки взаимодействия. Отдельные контактные пятна начинают сливаться в более крупные очаги схватывания, происходит коллективизация ва­лентных электронов, которая приводит к образованию металлической связи меж­ду контактирующими поверхности ми.

Активирование с помощью энергии деформации приводит к тому, что все большая часть сопрягаемых поверхностей в зоне контакта включается в сопри­косновение друг с другом, очищается от оксидных и адсорбционных пленок. Одно­временно происходит размножение и выход дислокаций на контактную поверх­ность, а также химическое взаимодействие с образованием прочных связей.

При воздействии УЗ-колебаний наблюдается упрочнение поверхностных слоев в зоне сварки, что приводит к деформированию более глубоких слоев твер­дого тела с одновременным интенсивным тепловыделением, вызванного трением сжатых контактирующих поверхностей. В результате осуществляется релаксация напряжений вблизи поверхностных слоев, вовлечение в деформацию все больших объемов металла, разрастание мостиков схватывания.

С момента образования на контактных поверхностях активных центров на­ступает третья стадия, при которой развивается взаимодействие соединяемых материалов как в плоскости, так и в объеме зоны контакта. В плоскости контак­та оно заканчивается слиянием очагов взаимодействия, что является необходимым условием возникновения прочных химических связей между материалами. Но оно может оказаться недостаточным для получения прочного сварного соединения, так как к моменту слияния очагов взаимодействия не произойдет релаксации напряжений. Увеличение времени сварки приводит к развитию гетеродиффузии, которая может упрочнить соединение при образовании твердых растворов заме­щения или разупрочнить при образовании хрупких интерметаллидных фаз.

Характерной особенностью кристаллизации сварного соединения является образование зональной структуры, состоящей из ядра, переходной зоны и неизме­няемой зоны основы. Ядро при сварке плавлением представляет закристаллизотвердого раствора замещения или внедрения, интерметаллидов, механической смеси кристаллов и примесей. Структура ядра определяет качество и надежность соединения. Поэтому при контактировании необходимо стремиться к идеальному гомогенному кристаллическому переходу путем подбора материалов с одинако­выми физико-механическими свойствами, строением кристаллической решетки И электронной структуры или таких, для которых выполняется условие образования твердых растворов в широком диапазоне концентраций. В переходной зоне, которая в зависимости от истода сварки колеблется в широких пределах, происходит диффузионное легирование основы, ее рекристаллизация.