Физико-химические особенности получения сварных, паяных и клеевых соединений

Механизм образования монолитных соединений твердых тел

а) монокристаллы до соединения

б) монокристаллы после соединения

Рисунок 1.1 – Схема образования соединения двух монокристаллов

с идеально чистыми и гладкими поверхностями

а) на поверхности кристалла

б) на границе твердой и жидкой фаз

Рисунок 1.2 – Потенциальный барьер для системы атомов

в начальный период их контакта

На первый взгляд кажется, что образование монолитного соединения двух одинаковых монокристаллов с идеально гладкими и чистыми поверхностями возможно при любой температуре и без ввода внешней энергии. Для этого достаточно сблизить их поверхности на расстояние, соизмеримое с параметрами кристаллической решетки (порядка долей нанометра). Тогда между сопряженными атомами возникнут связи, граница раздела Δ (рисунок 1.1) исчезнет и произойдет сварка.

Такой процесс кажется вероятным и не протеворечит второму началу термодинамики, так как свободная энергия системы при этом должна уменьшится на количество энергии двух исчезнувших поверхностей раздела. В действительности даже в идеальном случае для соединения поверхностей требуется затрата энергии. Любому устойчивому состоянию системы соответствует определенный минимум энергии атома w ₀. Каждый атом находится как бы в потенциальной яме и переход из одного устойчивого состояния в другое возможен только путем преодоления потенциального барьера (рисунок 1.2).

Внутри кристалла каждый атом удерживается симметрично направленными силами связи. На свободной поверхности кристалла или жидкости атом неуравновешен вследствие того, что со стороны окружающей среды связь отсутствует или заметно ослаблена. Это вызывает повышение энергии поверхностного слоя кристалла w _П. Если необходимая атому энергия, для перемещения внутри тела равна w ₀ (рисунок 1.2), то для выхода в окружающую среду она равна w _П, причем w _П > w ₀. Поэтому для соединения двух монокристаллов требуется введение извне деформационной или тепловой энергии, превышающей граничную энергию w _Г.

Внешняя деформационная энергия будет затрачиваться на преодоление сил отталкивания, возникающих между сближаемыми поверхностными атомами. Когда расстояния между ними будут равны межатомному расстоянию в кристаллической решетке, возникнут квантовые процессы взвимодействия электронных оболочек атомов. После этого общая энергия системы начнет снижаться до уровня, соответствующего энергии атомов в решетке целого кристалла, и появится «выигрыш» энергии, равный избыточной энергии поверхностных атомов кристаллов до их соединения - энергии активации.

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

Стадийность процесса сварки

Результаты исследований и теоретический анализ показывают, что сварку и пайку можно отнести к классу так называемых топохимических (химические реакции с участием поверхностей раздела, в том числе твердых тел) реакций, которые отличаются двухстадийностью процесса образования прочных связей между атомами соединяемых веществ (рисунок 1.3), характерной только для микроучастков соединяемых поверхностей.

1 – при быстром развитии стадий образования физического

контакта (А) и химического взаимодействия (Б);

2 - при медленном развитии стадий образования физического

контакта (А) и химического взаимодействия (Б).

Рисунок 1.3 – Кинетика изменения прочности соединения σ в

зависимости от длительности сварки t

На первой стадии (А) развивается физический контакт, т.е. осуществляется сближение соединяемых веществ на расстояния, требуемые для межатомного взаимодействия. При этом энергетические уровни связи соответствуют уровням, характерным для физической адсорбции (w _П = 0,04…0,4 кДж/моль).

На второй стадии (Б) – стадии химического взаимодействия (схватывания) – заканчивается процесс образования прочного соединения.

Схватывание – бездиффузионный процесс и в принципе может происходить при любых температурах, если возможна микропластическая деформация.

На практике получение монолитных соединений осложняется тем, что свариваемые поверхности имеют:

- микронеровности ≈ 10^-6м даже при тщательной обработке (поэтому при совмещении поверхностей контакт возможен лишь в отдельных точках);

- загрязнения, так как на любой поверхности твердого тела адсорбируются атомы внешней среды.

Для монолитного соединения материалов при сварке необходимо обеспечить контакт по большей части стыкуемых поверхностей и их активацию.

Энергия активации

Активация поверхности заключается в том, что повехностным атомам твердого тела сообщается некоторая энергия, необходимая:

- для разрыва старых связей между атомами тела и атомами внешней среды, обусловленных физико-химическим состоянием поверхности;

- для повышения энергии поверхностных атомов до уровня потенциального барьера, при котором возможно образование новых химических связей, т.е. схватывание.

В общем случае энергия активации может быть сообщена в форме теплоты (термическая активация), упругопластической деформации (механическая активация), электронного, ионного и других видов облучения (радиационная активация).