Сварка давлением.

§1.Введение.

Сварка давлением представляет собой один из видов технологии неразъёмных соединений металлических и неметаллических материалов, широко применяющийся в различных отраслях промышленности: от электроники до машиностроения, судостроения, самолётостроения и т.д. и т.п. Описанию многочисленных способов этой сварки посвящено большое количество работ(1,2,3,4).В настоящем пособии приводиться весьма ограниченное количество техпроцессов этого направления, необходимое для получения представления о состоянии вопроса.

§2.Теоретические основы и классификация методов сварки.

При сварке давлением осуществляется неразъёмное соединение двух материалов за счёт сближения их свариваемых поверхностей до межатомного расстояния без доведения соединяемых кромок до расплавления. Сближение свариваемых поверхностей осуществляется за счёт приложения сил давления.

В результате этого давления происходит пластическая деформация сближаемых поверхностей. В материале деталей, кромки которых сближаются, возникают деформации способные разрушить материал. Все технологические процессы сварки построены на предотвращении этого разрушения. Техпроцессов сварки давлением много и поэтому неоднократно (например в работах 2,4 и др.) предпринимались попытки объединения их по группам, учитывающих общность тех или иных факторов.

Наиболее существенными должны быть физические явления, протекающие в процессе выполнения технологии. Поэтому остановимся на классификации групп изложенных в работе 2, в основу которых положены режимные параметры технологических процессов. Основными режимными параметрами при сварке под давлением являются температура соединяемых материалов Т , сжимающее их давление Р, длительность действия давления Р при Т=const – t и структурный фактор , учитывающий сопротивление пластической деформации свариваемого металла Ѳ.

Влияние этих параметров проявляется в процессе формирования сварных соединений, протекающих в три стадии.

В первой стадии под воздействием давления, сжимающего соединяемые материалы, происходит сближение их поверхностей. Поверхностный слой любого металла представляет собой особую физическую систему с полностью разрушенной и разориентированной кристаллической структурой. Толщина таких слоёв зависит от способа обработки поверхности и составляет от 0,2 мкм при её полировке до 250 мкм после грубого шлифования. Геометрически толщина слоя представляет чередующиеся пирамидальные микровыступы и впадины. Поверхность этих микровыступов и впадин облегчают оксидные и адгезионные наслоения. Электрическая связь этих наслоений с поверхностным слоем металла очень прочна и практически неудалима при любых методах зачистки. В то же время для сваривания двух металлических поверхностей необходим контакт поверхностей, очищенных от аксидов и адсорбентов. В процессе сближения поверхностей (на первой стадии) происходит соприкосновение микровыступов и начинается их совместная микропластическая деформация. В процессе этой деформации частично сминаются пирамиды, и пластическая деформация выдавливает и выносит за пределы плоскости контактирования оксидные и адсорбционные наслоения. На местах, откуда пластическая деформация выдавила оксидные и адсорбционные плёнки образуются центры соприкосновения соединяемых материалов, где чистые поверхности свариваемых металлов находятся на расстояниях межатомного взаимодействия.

Вторая стадия начинается с активации контактных поверхностей, т.е. образования контактных центров с чистыми поверхностями , расположенными на расстоянии межатомного взаимодействия. В процессе деформации металл микровыступов насыщается оксидами и упрочняется. Поэтому при сварке однородных материалов первая и вторая стадии сливаются в одну, т.к. возникновение центров соприкосновения происходит одновременно, а при сварке разнородных материалов сначала очищается поверхность более мягкого материала, а по мере упрочнения его происходит образование активных центров на поверхности более твёрдого.

Третья стадия процесса характеризуется объёмным взаимодействием с образованием прочных химических (в том числе и металлических) связей, как в плоскости контакта, так и в объёме зоны контакта.

Посредством определённого сочетания основных параметров, формирующих сварное соединение, т.е. величины сжимающего давления Р, температуры Т и длительности их воздействия при сварке различных материалов, управляют свойствами сварных соединений.

Если способ сварки осуществляется при невысокой температуре Т, когда интенсивность диффузионных процессов мала(холодная сварка) или при высокой температуре Т, но за короткий промежуток времени t, т.е. когда недостаточна продолжительность развития диффузионных процессов (сварка взрывом), образование сварного соединения заканчивается только схватыванием контактных поверхностей. Зону сварного соединения в этом случае можно рассматривать как “структурный надрез”, т.к. она при нормальной температуре имеет высокое временное сопротивление и низкую пластичность, вязкость и высокую прочность.

Если температура и длительность процесса сварки давлением достаточны для интенсивного развития диффузионных процессов и необходимой полноты их протекания (диффузионная сварка давлением с подогревом) в зоне соединения образуются общие зёрна или новые фазы. В этом случае при сварке однородных металлов структура зоны соединения может быть неотличимой от структуры основного металла, а все механические свойства вязкость, пластичность, высокотемпературная и низкотемпературная прочность на уровне основного металла.

При сварке разнородных металлов с ограниченной взаимной растворимостью образование новых фаз в зоне сварного соединения определяются процессами гетеродиффузии, протекающими в условиях пластической деформации. Возможно образование нескольких диффузионных зон с разными свойствами. Свойства сварных соединений при этом будут определяться свойствами диффузионных зон.

Сварка давлением может протекать низкоинтенсивной, среднеинтенсивной и высокоинтенсивной деформации. При сварке с низкоинтенсивной деформацией (остаточная деформация не превышает 10 %, а длительность процессов доходит до нескольких десятков минут) в зоне сварного соединения развиваются процессы релаксационного характера и обычно не возникают проблемы влияния напряжений и сварочных деформаций на свойства сварных соединений. При сварке со средне и высокоинтенсивной деформацией, когда остаточная деформация составляет десятки процентов, а длительность процесса от 10^-6с при сварке взрывом, до нескольких секунд при холодной сварке, актуальной становится проблема влияния напряжений на свойства сварных соединений. Поэтому скорость деформации свариваемых металлов следует согласовывать с их релаксационной стойкостью в условиях сварки.

При сварке давлением кинетика процессов образования физического контакта, активации контактных поверхностей, объёмного взаимодействия и релаксации напряжений определяются в основном законом изменения скорости деформации свариваемых металлов в приконтактных объёмах в течении сварочного цикла, т.е. схемой деформирования. По этой схеме следует различать способы сварки со свободным, принудительным и импульсным деформированием.

Если обозначить через ε- величину или степень деформирования при сварке, а через έ – скорость деформации свариваемых кромок, то под способом сварки со свободным деформированием (сссд) необходимо понимать такие процессы, для которых скорость деформации έ=f(T,P,t,Ѳ).

В этом случае скорость деформации έ выступает, как производный параметр от режимных характеристик T,P,t и Ѳ, определяющий главное направление процесса – реализацию ползучести металлов при сжатии. При таких условиях происходит классическая диффузионная сварка, сварка давлением с подогревом и т.д.

Под способом сварки с принудительным деформированием (сспд) необходимо понимать такие процессы, для которых скорость деформации свариваемых кромок έ при сварке остаётся постоянной или изменяется по определённой программе, а давление сжатия P=f(T,έ,ε,Ѳ).

В этом случае скорость деформации – управляемый параметр, её можно изменять независимо от Т, накопленной деформации ε и структурного состояния свариваемых металлов. Поэтому при сспд процессах, изменяя температуру и скорость деформации, структурными превращениями, деформационным упрочнением, т.е. процессами, определяющими механизм и кинетику образования сварного соединения.

Под способами сварки с импульсным деформированием необходимо понимать такие, для которых на свариваемые металлы в течении короткого промежутка времени действует импульс силы, приводящий к пластической деформации.

Существует большое количество техпроцессов сварки давлением. Ниже приводятся наиболее известные сгруппированные по схемам деформирования при сварке.