ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ПОЛУЧЕНИЯ СВАРНЫХ И ПАЯНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

Лучевые  технологии

Лазеры существуют более 60 лет. Разработаны различные технологии, использующие излучение лазеров - лазерная резка, лазерная термообработка, лазерная сварка, пробивка отверстий, лазерная маркировка и т.д.

Лазерная резка. Технологии лазерной резки существуют более 40 лет. Эти технологии используют благодаря тому, что лазерным лучом можно резать различные материалы толщиной до нескольких десятков миллиметров. Лазерная резка обеспечивает производительность и качество реза значительно выше, чем другие способы. При лазерной резке гарантируется получение узкого реза с практически параллельными кромками, высокого качества. Процесс лазерной резки хорошо механизируется и автоматизируется. Это обеспечивается простотой управления лазерного луча специальными современными оптическими головками, которые устанавливают на роботах или различных манипуляторах. Использование современных средств перемещения головок позволяет получать любую форму реза, как на двухмерных, так и на трехмерных изделиях.

В настоящее время технологические процессы лазерной резки получили новый импульс развития, благодаря разработке мощных волоконных лазеров, которые обладают сравнительно низкой ценой, высокой надежностью и простотой управления энергетическими параметрами лазерного луча в результате этих процессов создается узкий и глубокий канал. Таким образом реализуется глубокое проплавление.

 Если перемещать лазерный источник нагрева, то создаётся узкий сварной шов с уникальными параметрами. Подобное соотношение глубины и ширины шва не может быть достигнуто никакими другими источниками нагрева кроме электронного луча. Лазерная сварка обеспечивает получение сварных швов с параллельными стенками. Такие швы обладают уникальными свойствами. В этих швах сварочные напряжения имеют минимальную величину и поэтому обеспечиваются незначительные деформации сварной конструкции. Это особенно важно при сварке металла большой толщины.

Лазерная сварка обеспечивает высокую производительность процесса скорость сварки в несколько раз больше скорости дуговой сварки. Однако следует отметить высокую себестоимость процесса. Лазерной сваркой свариваются все материалы, которые свариваются способами дуговой сварки, но при этом обеспечивается высокая частота процесса, низкое тепловложение и высокие механические свойства металла сварного шва.

Техно­логические процессы лазерной сварки

Оборудование для импульсной точечной лазерной сварки выпускаемое серийно, успешно применяют в ряде отраслей оте­чественной промышленности.

Техно­логические исследования лазерной сварки показали, что импульсную шовную лазерную сварку можно применять для герметизации корпусов интегральных схем, электровакуумных приборов, реле и других.

Исследования в области технологии импульсной лазерной сварки позволили определить возможности этого способа, разра­ботать методы расчета режимов сварки, изучить свойства соеди­нений некоторых металлов в зоне термического влияния и свар­ной точки, определить влияние плотности световой мощности, сварочной среды и других технологических факторов на проч­ность сварных соединений, а также разработать технологию свар­ки стыковых и нахлесточных соединений из разнородных метал­лов.

Результаты исследований процесса сварки металлов излуче­нием лазеров на углекислом газе убеждают в том, что в ближай­шие годы и этот способ лазерной сварки найдет широкое приме­нение в технике.

Принцип работы лазеров изложен в ряде работ. Стержень активного материала, например рубина, и импульсная лампа накачки размещены в зеркальной полости осветителя. Электрическая энергия, накопленная в бата­реях конденсаторов, преобразуется лампой в световую. Чтобы увеличить длительность импульса или изменить его форму, после­довательно с батареей конденсаторов включают индуктив­ности.

Под воздействием света активный материал переходит в со­стояние, в котором он способен усиливать и генерировать свет определенной длины волны (для рубина Л = 0,6943 мкм стекла Л = 1,06 мкм). Чтобы создать условия для генера­ции света, стержень активного материала помещают между зеркалами.

Широкие технологические возможности нового метода обра­ботки дают основание полагать, что использование луча в каче­стве инструмента явится в ближайшем будущем одним из ме­тодов, способным во многих случаях конкурировать с такими уже нашедшими признание в промышленности методами, как обработка электронным лучом, электроэрозионная и ультразву­ковая обработка.

Создание новых оптических квантовых генераторов и иссле­дования в этой области в настоящее время ведутся большими темпами.

К настоящему моменту уже созданы и получили распростра­нение оптические квантовые генераторы, работающие на кристаллофосфорах, газах, активированных стеклах, жидкостях, органических соединениях и т. д.

  «Лазеростроение» в нашей стране и за рубежом получило настолько широкое развитие, что к настоящему времени уже сформировалось со своими задачами и методами исследования новое научное направление — квантовая электроника. Это новое направление привлекло к себе внимание широкого круга ученых. Однако многочисленные работы в этой области в большин­стве случаев посвящены вопросам, связанным с рассмотрением физической сущности явлений в квантовых генераторах, расче­ту их основных элементов, разработке и исследованию новых конструкций и видов квантовых генераторов, и совершенно не­значительное количество из них посвящено размерной обра­ботке.

Многие организации, занимающиеся технологией механиче­ской обработки, проявляют в настоящее время большой интерес к светолучевой обработке заготовок. Однако отсутствие работ в этой области сильно сказывается на внедрении нового метода в промышленность.

жаропрочные и специальные сплавы, закаленные стали, кера­мика, ферриты, алмазы и т. д.), обработка которых другими способами либо невозможна, либо связана со значительной тру­доемкостью.

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ПОЛУЧЕНИЯ СВАРНЫХ И ПАЯНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

Монолитность сварных соединений. В технике широко исполь­зуют различные виды разъемных и неразъемных соединений твердых тел. Неразъемные соединения могут быть выполнены монолитными и немонолитными. К монолитным (сплошным) от­носятся соединения, получаемые сваркой, пайкой или склеива­нием (схема 1).

Рисунок 1.1 – Схема 1

Сварка и пайка используются для соединения металлов и неметаллов как между собой, так и в различных сочетаниях.

Для получения монолитных и в том числе сварных соединений твердых тел необходимо обеспечение физико-химических (часто называют химических), атомно-молекулярных связей между элементарными частицами соединяемых веществ.

Твердое тело представляет собой агрегат атомов, находящихся во взаимодействии. Тип химической связи атомов и характер их взаимного расположения в твердом теле определяют его физико-химические и прочностные свойства. Получение монолитного соединения обусловлено установлением связей между атомами, находящимися на поверхностях соединяемых тел.

Элементарные связи в твердых телах. Характер и величина энергии элементарных связей (прочность их) зависит от природы вещества и типа кристаллической решетки твердого тела.

В физике твердого тела различают четыре типа элементарной связи: ковалентную, ионную, Ван-дер-Ваальса и металлическую. В зависимости от преобладающих элементарных связей кристаллы различаются также соответственно по четырем группам как атомные, ионные, молекулярные и металлические. Наиболее характерными в химическом отношении являются первые две связи: ковалентная и ионная.

Ковалентную химическую связь часто называют гемеополярной или неполярной, а также валентной, атомной, обменной связью.

Ковалентная связь является сильной, с энергией порядка 3• 105 дж/моль}, что определяет высокую температуру плавления и прочность кристаллов, имеющих данную связь: алмаза, кремния, германия, серого олова и др.

Прочные связи ковалентного типа устанавливаются также, например, при соединении металлов с металлоидами, химическими соединениями металлов, в частности, окислами, а также с полупроводниками или интерметаллидами, обладающими полупроводниковыми свойствами. Интерметаллиды — соединения I типичных металлов с металлами, имеющими слабые металлические свойства.

Каждая ковалентная связь между атомами образуется при «спаривании» их валентных электронов (с противоположными спинами). Поскольку валентные возможности атомов ограничены, важнейшим свойством ковалентной связи является насыщаемость химических сил.

Ионная, гетерполярная связь типична для молекул и кристаллов, образованных из разных ионов — анионов и катионов. Образование положительного иона-катиона есть результат ионизации атома. Мерой прочности связи электрона в атоме служит потенциал ионизации.

Образование анионов происходит в результате присоединения электрона к атому. Мерой способности к такому присоединению служит так называемое сродство к электрону. Типичный представитель ионных (координационных) кристаллов — соль NaCl. Ионная связь также является сильной, с энергией около 1(105-г-107) дж/моль. Особенностью ионной связи является отсутствие насыщаемости и пространственной направленности.

Межмолекулярные силы Ван дер-Ваальса действуют между любыми атомами и молекулами, но они очень слабы (порядка 1 • 103 дж/моль). Поэтому молекулярные кристаллы, обусловленные этими силами (твердые инертные газы, твердые кислород, азот п др.), отличаются весьма низкой температурой плавления Не—1,8° К; Аг—40° К. Межмолекулярные силы сцепления действуют как между отдельными атомами и молекулами, так и между их цепями.

Рисунок 1.2 – Энергетический барьер потенциальной энергии у поверхности кристалла (а) и на границе твердой и жидкой фаз (б)

с идеально чистыми и гладкими поверхностями: а — кристаллы до сварки; б — то же после соединения.

Металлические связи существуют в кристаллах, образованных взаимодействием положительных ионов решетки атомных остатков и делокализованных, обобществленных электронов. Эта связь, по существу, не относится к химической связи, поэтому понятие металлической связи — качественное. Металлы обычно не имеют молекулярного строения, а соединяются в кристаллические образования. Этим особым видом связи обусловлены прочность и пластичность металлов. Энергия связи около МО5 дж/моль. Прочная металлическая связь имеет место при соединении чистых металлов и твердых растворов. Особенность се — отсутствие насыщения, определяемого валентностью соответствующих атомов.

Все четыре типа связи в кристаллах атомных, ионных, молекулярных и металлических редко имеют место в чистом виде; встречаются связи различных сочетаний одновременно.

Поверхности твердых тел в атмосферных условиях обычно инертны, так как валентности их атомов насыщены связью с атомами окружающей среды. Примером насыщения может служить окисление веществ в газовой среде. На поверхности могут также идти процессы типа физической адсорбции, обусловленные силами Ван дер-Ваальса.

Механизмы образования монолитных соединений твердых тел. На первый взгляд кажется, что образование монолитного соединения двух одинаковых монокристаллов с идеально гладкими и чистыми поверхностями возможно при любой температуре и без приложения внешней энергии. Для этого достаточно сблизить поверхности раздела на расстояние, соизмеримое с параметрами кристаллической решетки порядка нескольких ангстрем. Тогда между сопряженными атомами возникнут связи, граница раздела Д исчезнет (рис.1) и произойдет сварка. Такой процесс кажется вероятным и не противоречит второму началу термодинамики, так как свободная энергия системы при этом должна уменьшится на величину энергии двух исчезнувших поверхностей раздела.

В действительности, даже в идеальном случае для соединения поверхностей требуется затрата энергии. Дело в том, что любому устойчивому состоянию системы соответствует определенный минимум энергии па атом. Каждый атом находится как бы в потенциальной лунке и переход из одного устойчивого состояния в другое возможен только путем преодоления энергетического барьера (рис. 2).

Внутри кристалла каждый атом удерживается симметрично направленными силами связи. На свободной поверхности кристалла или жидкости атом не уравновешен, вследствие отсутствия связи с одной стороны (вакуум) или из-за ее ослабления. Это вызывает повышение энергии поверхностного слоя кристалла. Если для перемещения внутри тела атому необходима энергия до 0, то для выхода в окружающую среду необходима wn, причем >0. Поэтому для соединения двух монокристаллов в один требуется извне деформационная или тепловая энергия — энергия активации.

Внешняя энергия деформации будет затрачиваться на преодоление сил отталкивания, возникающих между сближаемыми поверхностными атомами. Когда расстояния между ними станут равны межатомным расстояниям. В решетке кристаллов возникнут квантовые процессы взаимодействия электронных оболочек атомов. После этого общая энергия системы начнет снижаться до уровня, соответствующего энергии атомов в решетке целого кристалла, и появится выигрыш энергии на величину, равную избыточной энергии поверхностных атомов кристаллов до их соединения, т. е. энергия активации возвратится

Тепловая энергия, сообщенная поверхностным атомам при повышении температуры, увеличивает флуктуационную вероятность развития квантовых процессов электронного взаимодействия в соединении.

Трехстадийность процесса сварки. Имеющийся экспериментальный материал и теоретический анализ показывают, что сварку и пайку можно отнести к классу так называемых топохнмических реакций, которые на микроучастках отличаются двухстадийностью процесса образования прочных связей между атомами соединяемых веществ (рис. 3). В макрообъемах процесс сварки завершается третьей стадией—диффузией.

Рисунок 1.3 - Кинетика изменений прочности соединения в зависимости от длительности сварки (топохимические кривые) при быстром (1) и медленном (2) развитии стадии образования физического контакта (Л) и химического взаимодействия (Б).

На первой стадии А развивается физический контакт, т. е. осуществляется сближение соединяемых веществ на расстояния, требуемые для межатомного взаимодействия, а также происходит подготовка поверхностей к взаимодействию. На второй стадии Б — стадии химического взаимодействия — заканчивается процесс образования прочного соединения на микроучастке. Диффузионные процессы (стадия В) развиваются почти одновременно с прорастанием дислокаций при наличии пластической деформации обеих контактирующих поверхностей, либо при наличии высокой температуры. Возможно также влияние этих двух факторов одновременно.

Практическое получение монолитных соединений при сварке в твердом состоянии осложняется по крайней мере двумя факторами: а) свариваемые поверхности имеют микронеровностн (даже при тщательной обработке), измеряемые тысячами ангстрем. Поэтому при совмещении поверхностей контактирование возможно лишь в отдельных точках; б) свариваемые поверхности имеют загрязнения, так как па любой поверхности твердого тела адсорбируются атомы внешней среды.

Для высококачественного соединения материалов необходимо обеспечить контакт по большой части стыкуемой поверхности и активировать ее.

Энергия активации. Активация поверхности заключается в том, что поверхностным атомам твердого тела сообщается некоторая энергия, необходимая: а) для обрыва связей между атомами тела и атомами внешней среды, насыщающими их свободные связи; б) для повышения энергии поверхностных атомов до уровня энергетического барьера схватывания, т. е. для перевода их в активное состояние.

Такая энергия активации может в общем случае сообщаться в виде теплоты (термическая активация), упруго-пластической деформации (механическая активация), электронного, ионного и других видов облучения (радиационная активация). Радиационная активация металлических поверхностей у-излучением в значительной мере имеет место в космосе. Она приводит к искажениям решетки (пары Френеля и т. п.).

Сварка в жидкой и твердой фазах. При сварке плавлением и пайке сближение атомов твердых тел осуществляется за счет смачивания поверхностей тел жидкостью, а активация поверхности твердого материала — путем сообщения ей тепловой энергии. Жидкость может растекаться на всей поверхности тела и обеспечивать соприкосновение и прилипание (или адгезию) молекул жидкости и поверхностных слоев твердых тел.

Слабые адгезионные связи при затвердевании расплавленного материала заменяются прочными химическими связями, соответствующими природе соединяемых материалов и типу кристаллической решетки. При сварке в жидкой фазе вводимая энергия (обычно тепловая) должна обеспечивать расплавление основного и присадочного материала, оплавление стыка, нагрев кромок и т. д. При этом происходит усиленная диффузия компонентов в расплавленном и твердом материале, их взаимное растворение. Эти процессы, а также кристаллизация расплавленного металла сварочной ванны (или припоя) обеспечивают объемное строение зоны сварки, что обычно повышает прочность сварного соединения.

Сварка в жидкой фазе производится без приложения осадочного давления путем слияния объемов жидкого материала. Она обычно не требует тщательной подготовки и зачистки соединяемых поверхностей.

При сварке металлов плавлением все стадии процесса соединения— физический адгезионный контакт и химическое взаимодействие, сопровождаемое диффузией, — протекают достаточно быстро (см. рис. 3, кривая). Для однородных металлов это не опасно. Но в случае разнородных металлов с ограниченной взаимной растворимостью или способностью образовывать химические соединения практически трудно получить швы без хрупких интерметаллических прослоек в контакте. Эти трудности объясняются запаздыванием химического взаимодействия фаз, а также некоторой задержкой диффузии. При быстром образовании физического контакта твердого тела с расплавом, например, при сварке путем расплавления одного из соединяемых металлов, сначала на границе фаз появится пик межфазной энергии, аналогичный wn (см. рис. 2), так как переход атомной системы в новое состояние происходит не мгновенно, а за некоторый конечный промежуток времени. Длительность ретардации диффузии, как называют этот период задержки, может / быть рассчитана приближенно как время жизни атома перед потенциальным барьером или определена опытным путем. На основании этих данных можно найти допустимую длительность контакта твердой и жидкой фаз и оптимальную температуру сварки или пайки.

При сварке в твердом состоянии сближение атомов и активация (очистка) поверхностей достигаются за счет совместной упруго-пластической деформации соединяемых материалов в контакте, часто одновременно с дополнительным нагревом.

В данном случае длительность стадии образования физического контакта и химического взаимодействия существенно больше, чем при сварке плавлением и зависит от ряда факторов: физико-химических и механических свойств соединяемых материалов, состояния их поверхности, состава внешней среды, характера приложения давления и других средств активации (ультразвук, трение и т. д.).

Принято считать, что при соединении металлов в твердом состоянии играют роль процессы схватывания и спекания. Спекание — комплекс диффузионных процессов, протекающих во времени при повышенных температурах. Схватывание — бездиффузионное явление — объединение кристаллических решеток, находящихся в контакте тел, в результате их совместного пластического деформирования. Имеются представления о «схватывании» материалов в результате ползучести на контактных поверхностях и образовании прочных химических связей в местах выхода и перемещения вакансии, дислокаций и их скоплений. Выход дислокации на контактную поверхность активирует ее путем разрыва насыщенных связей, что приводит к образованию активных центров.

Относительная роль схватывания и спекания в разных методах соединения металлов различна и определяется в основном температурой, временем и давлением в контакте. Например, диффузионную сварку, идущую при больших временах выдержки, можно считать основанной на явлении спекания. Во всех остальных случаях схватывание первично, а диффузионные и рекристаллизационные процессы вторичны: они могут и отсутствовать вообще.

Пайка и склеивание. Пайкой обычно называют процесс соединения материалов без их расплавления с помощью припоя. Пайка может быть осуществлена и контактным плавлением с образованием легкоплавких эвтсктик между соприкасающимися поверхностями различных пар металлов. Процессы сварки и панки часто бывает трудно разграничить, например, при сварке разнородных металлов, таких как сталь и медь, вольфрам и молибден и др., когда расплавляется только один, наиболее легкоплавкий металл. Поэтому в дальнейшем при анализе источников энергии целесообразно объединить сварку и панку одним термином — сварка. Пайку можно выполнить теми же энергетическими процессами, что и сварку: термическими, термопрессовыми и прессово-механическими.

Образование непрерывной межатомной связи при пайке происходит в процессе смачивания припоем поверхности соединяемых деталей. Смачивание и связь твердого тела с жидкостью может определяться электростатическими силами Вандер-Ваальса и силами химического взаимодействия.

Подобно физической адсорбции первый тип контакта называют физическим (обратимым) смачиванием. Второй тип контакта, подобно хемосорбции, называют химическим (необратимым) смачиванием. Работа адгезии во втором случае в тысячи раз больше и составляет около 5 (102--103) дм/моль.

Для осуществления химического смачивания при пайке необходим нагрев деталей и припоя, и активация (очистка) поверхностей. Последняя, достигается нагревом в вакууме, специальных средах или обработкой поверхности флюсом.

Склеивание может практически происходить без существенного введения энергии в место соединения, благодаря силам адгезии (прилипания) между жидким клеем и молекулами поверхностных слоев твердого тела и химическим реакциям. Силы адгезии или остаточного химического сродства примерно в 10—100 раз меньше основных сил химической связи в простых молекулах. Они  порождают у жидкостей явление поверхностного натяжения и смачивания.

В случае высокомолекулярных соединений, где мономерная молекула, повторяясь в полимере тысячи раз, образует макромолекулу, силы адгезии возрастают пропорционально росту молекулярного веса.

С целью улучшения адгезии клея к материалу во всех случаях склеиваемая поверхность подвергается вначале тщательной очистке и обезжириванию.

Однако прочность клеевого соединения определяется также силами когезии, т. е. взаимодействием между молекулами самого клея.

Существенным отличием склеивания от сварки и пайки является то, что при затвердевании клея вследствие охлаждения, полимеризации и других физико-химических процессов взаимное растворение и диффузия соединяемых материалов могут полностью отсутствовать без ущерба для прочности соединения.

Резку и напыление часто производят с использованием тех же источников энергии и оборудования, что и сварку. Поэтому их рассматривают как сварочные процессы.

Резка металла, связанная с его нагревом в зоне реза и удалением из нее в расплавленном или твердом состоянии продуктов резки, носит обычно название огневой резки. В процессе резки металл может удаляться из полости реза чисто термическим способом (выплавлением) и термохимическим способом. Термическая резка характерна при использовании дуговых, плазменно-дуговых и лучевых источников энергии. В тех случаях, когда используется газовое пламя, горящее в кислороде, процесс резки является термохимическим. Например, при резке сталей в кислороде железо легко окисляется и горит подобно магнию в воздухе. В результате металл превращается в окислы и шлаки, легко удаляемые из полости реза. Кислородно-флюсовый процесс, применяемый для разделки нержавеющих сталей, чугуна, цветных металлов характеризуется сгоранием не только металла, но также и флюса.

Напыление одних металлов на другие (металлизация), а также напыление неметаллов связано с использованием газопламенных, плазменнодуговых и электронно-лучевых источников энергии.