Основы сварки

1. Теоретические основы сварки в твердом состоянии. Три основные стадии протекания процесса.

В сварочной практике длительное время  применяются процессы сварки с использованием высокотемпературных источников теплоты, при этом металл изделия в местах сварки доводится до плавления или тестообразного состояния. Соединение металлов происходит в твердом состоянии вследствие образования металлических связей на свариваемых поверхностях при их совместном деформировании.

Для идеального случая процесс образования  металлического соединения при холодной сварке можно представить следующим образом. Предположим, что имеются два куска металла с абсолютно гладкими и чистыми поверхностями. Так как металлы представляют собой конгломерат из положительно заряженных ионов и электронов, то взаимодействие между облаками электронов и ионами, находящимися в узлах кристаллической решетки, определяет монолитность и прочность кусков металла. При сближении двух металлических поверхностей происходит коллективизация электронов, вылетающих из поверхностей, в результате чего возникают силы взаимодействия между поверхностями. При достаточном сближении двух кусков металла образуется общее электронное облако и, следовательно, единый агрегат.

Из приведенных выше рассуждении  следует, что при сближении идеально гладких и идеально чистых поверхностен между ними самопроизвольно возникают межатомные силы взаимодействия, т, е. происходит образование прочного соединения.

Однако строение реальной металлической  поверхности весьма сложно и в  значительной степени отличается от идеальной — ювенильной поверхности. Геометрия реальной металлической поверхности определяется ее волнистостью и шероховатостью. Волнистость характеризует геометрию поверхности в макроскопическом, а шероховатость — в микроскопическом масштабе. Нужно также отличать ультрамикронеровности. Геометрию поверхности можно представить в виде двух кривых: кривой полны (рис. 1, а) и частотной кривой шероховатостей (рис. 1,6), которые накладываются на кривую волны.

Шероховатости могут быть весьма разнообразны по высоте микровыступов и расстоянию между их вершинами. Вследствие наличия главным образом микронеровностей действительная площадь поверхностей металла во много раз превышает площадь, замеренную обычными методами, В верхних слоях металла сосредоточена значительная поверхностная энергия, обусловленная наличием некомпенсированных металлических связей, дислокации, вакансий, что в совокупности с развитой поверхностью в микро и ультрамикронеровности вызывает активное взаимодействие атомов металла, расположенных на поверхности, с внешней средой.

Над металлической поверхностью существует облако непрерывно движущихся свободных  электронов, покидающих металл и снова  возвращающихся в него. Благодаря этому процессу поверхность металла покрыта двойным электрическим слоем: минус — облако электронов и плюс — дырки верхних слоев металла (за счет покинувших металл свободных электронов). Плотность электрического заряда двойного электрического слоя непостоянна по всей поверхности и зависит от ее микрогеометрии. Наибольший потенциал концентрируется на остриях микровыступов. Поэтому микровыступы наиболее активные участки поверхности.

Вследствие высокой активности поверхностных слоев металла она всегда покрыта окислами, жидкими и газовыми пленками. Идеально чистая металлическая поверхность, свободная от окисных пленок и адсорбированных слоев жидкостных и газовых молекул, может быть создана только в очень глубоком вакууме.

Таблица 1. Время, необходимое для образования мономолекулярного слоя газов на поверхности при 20 С в зависимости от давления воздуха. 

Из табл. 1 следует, что даже вакуум 10^-9 мм рт. ст. не предохраняет поверхности металла от возникновения на них слоев из молекул газа. Ювенильная металлическая поверхность может существовать очень короткие моменты времени в изломе металла при совместном деформировании двух частей металла в местах их соприкосновения после его механической обработки. После механический зачистки поверхности металла в атмосфере сухого воздуха па ней образуется окисная пленка (табл. 2).

Таблица 2. 

На воздухе микровыступы и впадины  поверхности многих металлов, кроме  так называемых благородных (золото. платина и др.), мгновенно покрываются  пленками окислов, а также слоями адсорбированных молекул газов, воды и жировых веществ. Толщина и последовательность расположения таких пленок может быть различной. Однако непосредственно на поверхности металла обычно находится пленка окислов (рис. 2 слой а).

Рис. 2. Строение поверхности металла  в воздушной атмосфере:

А — глубинный слой металла, нe затронутый пластическими деформациями; 
Б - поверхностный слой полностью разориентированных кристаллитов с прослойками окислов; В — окисный слой, характерная полярность внутренних и внешних границ, а также полярность верхних слоев металла показаны знаками «+» и «—»; Г — адсорбированный слой кислородных анионов и нейтральных молекул воздуха; Д — слой водяных молекул: Е — слой жировых молекул; Ж — ионизированные пылевые частицы.

Слой окислов сохраняет на границе  с металлом отрицательный потенциал  против положительного потенциала самого металла. Наружная поверхность слоя окислов имеет положительный  потенциал и они адсорбируют  кислород, имеющий отрицательный  потенциал. Таким образом, поверхность металла (рис. 2) покрывается двумя двойными электрическими слоями. Окисные пленки обычно очень хрупкие и обладают высокой твердостью.

Кроме пленки окислов, поверхность  металлов покрыта газовыми молекулами, жировыми пленками и парами воды (рис. 2, слой б). Толщина этих пленок различна. Например, толщина пленки паров воды составляет 50—100 молекул, Жировые слои имеют большую толщину. Полностью удалить масляные пленки с металла практически невозможно никакими растворителями, поскольку адсорбционная связь жировых молекул и металла представляет собой чисто электрическую связь. Полярные жировые молекулы образуют с металлом двойной электрический слой, что и обеспечивает весьма прочную связь металла и пленки одномолекулярной толщины. После промывки металла бензином слой органических молекул составляет 1—5 мкм, и только при особо тщательной обработке растворителями сохраняется жировая пленка толщиной 10—100 молекулярных слоев.

Сложное строение реальной металлической  поверхности существенно меняет картину взаимодействия поверхностей при их сближении.

Образование прочного сварного соединения реальных металлов при сварке в твердой  фазе совместным деформированием происходит в три условных этапа: 
 
1) сближение свариваемых поверхностей; 
2) возникновение металлического контакта; 
3) создание прочного сварного соединения.

Первый этап — сближение свариваемых поверхностей — характеризуется деформацией  как микрошероховатостей, так и  волнистостей. При сближении поверхностей с неровностями вначале возникает контакт в отдельных наиболее высоких точках. Для получения контакта по большей поверхности необходимо деформирование уже соприкасающихся участков. Чем больше должна быть площадь соприкосновения на поверхности сжимаемых металлов, тем, очевидно, больше нужно деформировать неровности, вступившие в контакт, и тем больше должна быть сжимающая сила.

Фактором, затрудняющим сварку реальных металлов, являются окисные  пленки, пленки жидкостей, газов и  различного рода органических и иных загрязнений. Вследствие высокой относительной твердости окисных пленок образование между ними контакта значительной площади потребовало бы очень больших усилий. Соединение может возникнуть между окисными пленками, но из-за их высокой хрупкости оно обладает плохими прочностными свойствами — малой пластичностью, низким сопротивлением ударным нагрузкам и т. п. и обычно легко разрушается. Поэтому для получения прочных соединений окисные пленки должны быть удалены из места сварки.

Еще более нежелательное  влияние оказывают загрязняющие поверхность органические пленки (масла). Органические пленки достаточной толщины предотвращают возможность сварки контактирующих металлов и поэтому они также должны быть предварительно удалены со свариваемых поверхностей. Однако в зависимости от толщины слоев окислов и адсорбционных пленок в процессе сближения металлические связи могут создаваться па немногих микроскопических островках.

Второй этап начинается в процессе сближения  и деформирования поверхностных  слоев и неровностей, Этот этап характеризуется увеличением площади металлического контакта свариваемых поверхностей и возникновением общих кристаллов на них. В начале формирования металлического контакта кристаллиты разделены пленками сложного состава. При деформировании сжатые свариваемые поверхности не контактируют с атмосферой, поэтому новых пленок не образуется, а имеющиеся хрупкие окисные пленки вследствие увеличения площади контакта разрушаются, жидкие и газовые пленки вытесняются и частично диффундируют вглубь металла, в результате ювенильные поверхности приходят в непосредственное соприкосновение.

В контактах  двух металлических поверхностен действие межатомных сил притяжения начинается на расстояниях 4-5*10см. При достижении таких расстоянии уже возможно образование  металлических связей, т. е. возможен процесс, который мы называем сваркой. Таким образом, только при значительном сближении, разрушении и удалении поверхностных пленок границы раздела становятся сходными по структуре и природе с межкристаллитными прослойками.

Третий этап характеризуется различного рода перемещениями на определенные расстояния относительно больших масс частиц вследствие диффузии. Этот процесс требует значительного времени.

Рассмотренные этапы образования сварного соединения относятся главным образом к  таким процессам сварки в твердой фазе, при которых можно выделить этапы: сближения, образования физического контакта и создания прочного сварного соединения. Очевидно, это имеет отношение к холодной и диффузионной сварке и к сварке трением.

Процесс сварки при действии импульсных давлений — сварка взрывом, электромагнитным импульсом, ультразвуковая — будет проходить в те же три этапа, однако отличия состоят в том, что отдельные этапы в этих методах сварки трудно различимы вследствие малого времени образования сварного соединения.

2. Ультразвуковая  сварка: сущность метода, технология  сварки, область применения

Ультразвуковая сварка – изобретение, появление и первоначальное развитие которого относится к 30-40-м годам  прошлого столетия. Открытие этого  процесса связано с исследованием применения ультразвуковых колебаний для очистки поверхностей, соединяемых с помощью контактной сварки. Было обнаружено, что при одновременном воздействии на зону сварки определенного усилия сжатия и ультразвуковых колебаний соединение образцов осуществляется без пропускания через них сварочного тока.

На  первом этапе развития ультразвуковой сварки были получены сравнительно прочные  соединения из мягких алюминиевых сплавов  толщиной от 0,01 до 0,2 мм.

Дальнейшему развитию ультразвуковой сварки препятствовало отсутствие полных

сведений о процессах образования  неразъемных соединений твердых  тел под воздействием ультразвука и эффективного специализированного оборудования. Исследования, проведенные в середине 60-х гг. ХХ в. в Институте электросварки им. Е.О. Патона, ИМЕТ им. А.А. Байкова и ВНИИЭСО, позволили обосновать механизм образования соединения металлов с помощью ультразвука.

Процесс образования соединения металлов с помощью ультразвуковых колебаний  в общем случае можно разбить  на три стадии:

а) получение первичных «мостиков  схватывания»;

б) повышение температуры до (0,3 – 0,5)Т_ПЛ соединяемых металлов в зоне контакта, вызывающее повышение пластичности поверхностных слоев металла, испарение пленок жира и влаги, растрескивание оксидных пленок;

в) сближение соединяемых поверхностей на расстояния, достаточные для появления межатомных взаимодействий, обуславливающих образование монолитного соединения. Отдельные исследования указывают на то, что образование соединения сопровождается интенсивным протеканием в поверхностных слоях диффузии, релаксации и в ряде случаев – плавлением металла на глубину нескольких атомных слоев.

Показано, что характер процессов, протекающих при образовании  соединения, определяется физико-химическими  свойствами соединяемых материалов и технологическими параметрами сварки. В конце 60-х гг. была обнаружена возможность качественной сварки полимеров с помощью ультразвука.

Практической реализацией ультразвуковой сварки пластмасс успешно занимались ряд фирм США, Англии, ФРГ и Японии. В СССР наиболее заметный вклад в этой области внесен учеными МГТУ им. Н.Э. Баумана, где выполнен цикл работ по соединению термопластов с термореактопластами и металлами. Следует отметить весьма перспективное направление использования ультразвуковой сварки в сочетании с контактной. В этом случае появляется возможность существенно снизить мощность сварочных машин, особенно при сварке металлов, имеющих небольшое электрическое сопротивление (медь, серебро, никель).

Под действием ультразвуковых колебаний  в результате фрагментации поверхностных слоев в зоне контакта возрастает его электрическое сопротивление, что обуславливает эффективность тепловыделения в зоне сварки и существенно повышает скорость процессов диффузии.

Последний эффект может быть использован  для интенсификации диффузионной сварки. Другим не менее важным направлением в области получения соединений с помощью ультразвуковых колебаний является комбинированный способ сварко-пайки, сочетающий ультразвуковую сварку с различными процессами пайки, особенно в тех случаях, когда исключено применение флюсов.

Для осуществления данного вида сварки было разработано специализированное оборудование, состоящее из источника  генерации высокочастотных (ультразвуковых) электромагнитных колебаний, механической колебательной системы, аппаратуры управления сварочным циклом и привода сварочного усилия. Преобразование электромагнитных колебаний в механические и введение последних в зону сварки обеспечивается механической колебательной системой.

Типовые колебательные системы  для ультразвуковой сварки металлов приведены на рис. 3.

Рис. 3. Схемы типовых колебательных систем:  
а – продольная; б – продольно-поперечная;  
в – продольно-вертикальная; г – крутильная  

Основным звеном колебательных  систем является преобразователь 1, который изготавливают из магнито-стрикционных или электрострикционных материалов (никель, пермендюр, титанат бария, ниобат свинца и др.).

Преобразователь является источником механических колебаний. Волноводное  звено 2 осуществляет передачу энергии к сварочному наконечнику и обеспечивает увеличение амплитуды колебаний по сравнению с амплитудой исходных волн преобразователя, а также трансформирует сопротивление нагрузки и концентрирует энергию в заданном участке свариваемых деталей 5. Акустическая развязка 3 от корпуса машины позволяет практически всю энергию механических колебаний трансформировать и концентрировать в зоне контакта.

Сварочный наконечник 4 является согласующим  волноводным звеном между нагрузкой  и колебательной системой. Он определяет площадь и объем непосредственного источника ультразвуковых механических колебаний в зоне сварки. В зависимости от формы сварочного наконечника колебательной системы ультразвуковая сварка может быть точечной, шовной или кольцевой. С помощью ультразвука можно сваривать металлы и сплавы как между собой (в однородном или разнородном сочетании), так и с некоторыми неметаллическими материалами.

Свариваемость металла зависит  от его твердости и кристаллической  структуры. Свариваемость ухудшается в следующей последовательности для металлов, имеющих ГЦК, ОЦК и гексагональную решетки, а также с увеличением твердости.

Ультразвуковая сварка позволяет  соединять разные элементы изделий  толщиной 0,005 – 3,0 мм или диаметром 0,01 – 0,5 мм. При приварке тонких листов и фольг к деталям толщина последних практически не ограничивается.

Особые преимущества этот процесс  имеет при соединении разнородных  и термочувствительных элементов.

Областями использования ультразвуковой сварки являются: производство полупроводников, микроприборов и микроэлементов для электроники, конденсаторов, предохранителей, реле, трансформаторов, нагревателей бытовых холодильников, приборов точной механики и оптики, реакторов, сращивание концов рулонов различных тонколистовых материалов (медь, алюминий, никель и их сплавы) в линиях их обработки, а также автомобильная промышленность.

3. Лазерная сварка: сущность метода, сварка деталей малых толщин.

Лазерный луч обеспечивает высокую  концентрацию энергии (до 10^8 Вт/см2), благодаря  возможности его фокусировки в точку диаметром в несколько микрометров. Такая концентрация значительно выше чем, к примеру, у дуги. Сравнимой концентрацией энергии обладает электронный луч (до 10^б Вт/см2). Однако электронно-лучевая сварка осуществляется лишь в вакуумных камерах - это необходимо для устойчивого проведения процесса, лазерная же сварка не требует вакуума, что упрощает и убыстряет тех. процессы. Процесс лазерной сварки осуществляется либо на воздухе, либо в среде защитных газов: Аr, Не, СО2 и др. Лазерный луч, так же как и электронный легко отклоняется, транспортируется с помощью оптической системы. 

Для сварки металлов используются твердотельные  и газовые лазеры как периодического, так и непрерывного действия.

Благодаря высокой концентрации энергии  лазерного излучения в процессе сварки обеспечивается малый объем расплавленного металла, незначительные размеры пятна нагрева, высокие скорости нагрева и охлаждения металла шва и околошовной зоны. Эти особенности теплового воздействия предопределяют минимальные деформации сварных конструкций, специфику физико-химических и металлургических процессов в металле шва, высокую технологическую и конструкционную прочность сварных соединений. Лазерная сварка осуществляется в широком диапазоне режимов, обеспечивающих высокопроизводительный процесс соединения различных материалов толщиной от нескольких микрометров до десятков миллиметров. Разнообразие методов и приемов лазерной сварки затрудняет разработку конкретного технологического процесса. 
Процесс сварки лазерным излучением весьма сложен и в настоящее время нет теоретической расчетной модели, описывающей его во всей полноте. Как правило, расчеты касаются какой-либо одной из физических характеристик процесса воздействия лазерного излучения на обрабатываемый материал.

Точечная сварка получила распространение с первых дней появления импульсных твердотельных лазеров для выполнения неразъемных соединений в электронике и приборостроении. Точечной сваркой соединяются тонколистовые материалы (при толщине 0,5...2,0 мм), проволока диаметром от 10 до 500 мкм, проволока к подложке, тонкие листы к массивным элементам.

Размеры сварочной ванны, определяющие прочность сварного соединения, зависят  прежде всего от длительности лазерного  импульса и его энергии. Кроме  того, размеры сварочной ванны зависят от коэффициента теплопроводности материала (для более теплопроводной меди размер сварочной ванны меньше, чем у сталей).

При точечной сварке импульсным излучением в зависимости  от вида свариваемых материалов используется диапазон плотности мощности излучения q = 1О5...1О6 Вт/см2 и диапазон длительностей импульсов tauи = 2...10 мс. При этом диаметр сварных точек составляет D = 0,1..1,2 мм, а глубина проплавления h = 0,0З...1,3 мм. Производительность точечной сварки определяется частотой генерации импульсов f, скоростью перемещения детали (луча), в хорошо налаженном процессе достигается скорость до 200 сварных точек в секунду.

Шовная сварка обеспечивает надежное механическое соединение, высокую герметичность сварочного шва. Шовную сварку выполняют как с помощью импульсного излучения с высокой частотой генерации импульсов, так и с помощью непрерывного излучения. Последнее позволяет сваривать толстостенные детали. Некоторые типы соединений, выполняемых шовной лазерной сваркой.

Основными параметрами  процесса шовной импульсной и непрерывной сварки, определяющими качество сварного соединения, считаются: энергия импульса Е, длительность воздействия лазерного излучения на обрабатываемый материал tauи, диаметр сфокусированного излучения d, частота следования импульсов (для ИПР) f и положение фокальной плоскости лазерного луча относительно поверхности свариваемых деталей F. Все параметры обычно определяются экспериментально, в зависимости от требований технического процесса. Приблизительно, tи =10-4...10-2 d = 0.05... 1 мм, средняя скорость сварки - до 5 мм/с, f - до 20 Гц

Качество металла сварных соединений, выполненных непрерывным лазерным излучением, по сравнению с традиционными видами сварки очень высокое. Как правило, в этом случае механические свойства металла шва превосходят свойства основного металла в исходном состоянии. Повышение механических свойств связано с получением мелкозернистой структуры переплавленного металла и металлургической очисткой и дегазацией расплава сварочной ванны при лазерном воздействии.

Лазерная сварка с глубоким проплавлением принципиально отличается от сварки с неглубоким проплавлением, тем, что при образовании сварного соединения образуется газовый канал, по которому поднимается испаренный металл. Зона провара имеет вытянутую форму, шов не широкий, глубокий.

Для защиты шва  применяются газы аргон и гелий, помимо защиты они обеспечивают более  эффективное проплавление, меняя  параметры образующейся плазмы, ускоряют вывод газов, испаренного металла. Можно добиться значительного увеличения глубины проплавления, но качество шва, при высоком расходе газа, ухудшается, появляются поры.

Повышения эффективности  сварки можно добиться и применением  дополнительного источника нагрева. В качестве такого источника может  быть использована, например, электрическая дуга, подведенная с любой стороны шва. Увеличивается глубина проплавления, скорость резки. При подведении дуги, сопоставимой по мощности с лазером скорость проплавления увеличивается в четыре раза.

Достоинства: 
1) В отличие от сварки электронным лучом, не требует вакуумной камеры, отсутствует рентгеновское излучение, на луч не влияют магнитные поля, возможна сварка магнитных материалов, так же, сварка лазером дешевле, чем сварка электронным лучом. 
2) Пятно нагрева очень мало, при большой глубине проплавления, как следствие малы деформации свариваемых деталей, высокая точность, высокое качество сварного шва. 
3) Процесс бесконтактен - возможна сварка в труднодоступных местах, проведение сварки через прозрачные материалы, в жидких прозрачных средах. 
4) Гибкая, широкая настройка процесса, без необходимости смены оснастки, легкое перемещение луча по поверхности детали по любой траектории

Детали малой толщины можно  сваривать также газовыми и твердотельными лазерами непрерывного действия мощностью  до 1 кВ-А. Лучше всего формируется шов при стыковом соединении тонких деталей. Однако при сборке таких соединений под лазерную сварку предъявляются более жесткие требования: должен быть обеспечен минимальный и равномерный зазор в стыке и практически полное отсутствие смещения кромок.