Из истории развития сварки. Почему металлы соединяются друг с другом?, страница 3

При некотором оптимальном расстоянии r между ионами силы притяжения будут максимальными, а при дальнейшем сближении либо увеличении расстоянии силы притяжения будут ослабевать. Данное ослабление происходит потому, что в первом случае начинают действовать силы отталкивания двух одинаково заряженных ядер, а во втором – из-за недостаточно близкого расстояния соседние ядра атомов слабо притягивают свободно пробегающий электрон. Максимальные силы притяжения между отдельными ионами и образуют прочную металлическую связь, которая является причиной того, что металл не рассыпается на отдельные атомы. При этом металлическая связь дает металлу ряд замечательных свойств: прочность, пластичность, электропроводность, теплопроводность и др.

Рис. 2. Элементарная ячейка кристаллической решетки металла

Таким образом, если сблизить два куска металла на расстояние r, электроны атомов одного куска металла будут свободно переходить в другой, появятся общий "электронный газ", возникнут металлические связи и происходит сварка.

Рис. 3. Схема металлических связей

Итак, сварка – это процесс соединения металлов за счет взаимодействия атомов. Для сварки необходимо привести в соприкосновения тела, обеспечив расстояние между поверхностными атомами r = 2...4 ангстрема (рис. 4). 

Рис. 4. Схема строения зерен

Каким же образом сблизить на данное расстояние поверхности двух кусков металла? Если добиваться этого механической обработкой поверхностей, то даже на отлично отполированной до зеркального блеска поверхности высота шероховатостей достигает 200...500 атомных слоев. При сближении таких поверхностей в отдельных точках контакта возникают металлические связи, однако площадь их контакта весьма мала (около 1%, от общей площади контакта), что не обеспечивает прочности соединения тел (рис. 5).

Однако кроме локальных точек металлической связи могут возникнуть при сближении таких тел межмолекулярные связи (связи Ван-дер-Ваальса). Они образуются за счет электростатических сил притяжения нейтральных молекул и обусловлены явлением поляризации, в силу которого электроны в сближенных атомах хотя и не образуют общего "электронного газа", но начинают двигаться согласовано. Прочность таких связей примерно в сто раз меньше чем металлических, однако и эти связи могут неожиданно проявить себя в самых нежелательных случаях (например, американские космонавты во время одного из полетов долго не могли открыть люк корабля после выхода в открытый космос).

Рис. 5. Схема контакта деталей

Другой причиной, вызывающей трудности сближения поверхностей металла до действия металлических связей, является появление на данных поверхностях окисных пленок, притяжение к поверхности молекул газов окружающей среды (явление адсорбции) и т.д. Все это препятствует сварке, но люди нашли простой выход из данного положения: нагрев и давление помогают сварке.

Нагрев размягчает металл, а последующее давление сминает все неровности на свариваемых поверхностях и сближает их до необходимого расстояния, при котором возникают металлические связи. Если нагрев сопровождается расплавлением свариваемых поверхностей, то металлы образуют общую сварочную ванну и металлические связи при дальнейшей кристаллизации образуются без приложения давления. Если нагрев отсутствует, то для сближения металлов и выдавливания из зоны их контакта окисных и газовых пленок необходимо приложить очень большие давления.

Сварочные процессы в зависимости от метода получения сварного соединения принято подразделять на две большие группы: сварку плавлением и сварку давлением. При сварке плавлением в месте стыка образуется общая сварочная ванна, а при остывании происходит ее кристаллизация (то есть образуется сварной шов); при сварке давлением соединяемые детали сдавливают, сближая их на расстояния, при которых начинают действовать межатомные связи и образуется монолитное неразъемное соединение. Естественно, что такое деление в значительной степени условно, так как в целом ряде способов применяют комбинацию нагрева и давления.