Рассмотрен упрощенный вариант сварки взрывом ... пластины изготовлены из одного и того же металла, не имеют...

37
УДК 621.791
В. А. Локтюшин, В. Н. Арисова
НЕКОТОРЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ, ПРОТЕКАЮЩИЕ
ПРИ СВАРКЕ ВЗРЫВОМ ДВУХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПЛАСТИН
Волгоградский государственный технический университет
Рассмотрен упрощенный вариант сварки взрывом (СВ), в котором метаемая и неподвижная
пластины изготовлены из одного и того же металла, не имеют на поверхности окислов и загрязнений, не испытывают фазовых превращений во всем интервале температур и давлений, например,
Сu-Сu, Al-Al.
В химических равновесных системах при создании контакта работа адгезии Wa хим.равн определяется числом и энергией взаимодействия замкнутых связей. Установление таких связей не сопровождается разрывом или частичной диссоциацией межатомных связей в каждой из фаз – процессом, характерным для химически необратимого взаимодействия, протекающего в неравновесных системах.
Движущей силой поверхностной и граничной диффузии будет установление когерентных связей и
уменьшение на границе раздела поверхностных энергий соединяемых материалов.
При совершенном контакте замыкаются все нескомпенсированные связи на поверхностях
пластин, выделяется энергия, равная сумме поверхностных энергий метаемой и неподвижной пластин. Данная энергия определяет работу адгезии в равновесных условиях: Wa хим.равн = 2σтг. Эту энергию можно оценить по известной величине поверхностного натяжения жидкой фазы вблизи температуры плавления, так как поверхностное натяжение твердой фазы σтг = 1,15 σжг [ 1 ].
В случае обратимого термодинамического процесса энергия, выделившаяся при замыкании нескомпенсированных связей, равна энергии, затраченной на разделение поверхностей. Однако реальная прочность соединения меньше теоретической, равной Wa хим.равн = 2σтг, так как количество замкнутых связей на контактных поверхностях мало по сравнению с идеализированными условиями, когда
кристаллографические плоскости с максимальной ретикулярной плотностью когерентно сопряжены
по всей площади контакта.
Микрорельеф поверхности свариваемых пластин в отожженном состоянии представляет собой
поверхность зерен и блоков, кристаллографические плоскости с максимальной ретикулярной плотностью которых разориентированы в пространстве друг относительно друга, и при их контакте количество замкнутых связей незначительно.
Количество связей увеличивается по мере измельчения зерен и блоков, однако за счет дробления
и увеличения их контактов по плоскостям с максимальной ретикулярной плотностью в зоне соединения не может быть обеспечена высокая работа адгезии, так как для этого необходимо, чтобы в зоне
контакта проходила миграция ионов, увеличивающая количество замкнутых связей.
Скорость миграции (поверхностная, граничная и объемная диффузия) при сварке взрывом должна
быть высокой за счет образования нанокристаллических структур в контактных слоях соединяемых
пластин в результате высокого давления и интенсивного деформирования. Процесс соединения пластин идет по кинетике формирования нанокристаллической структуры в зоне контакта. При образовании наноструктур изменяется кинетика формирования твердофазного соединения по сравнению с
классической диффузионной сваркой. Проявляется эффект низкотемпературной и высокоскоростной
сверхпластичности. Такие хрупкие материалы, как интерметаллиды, при уменьшении размера зерен
становятся пластичными при высоких скоростях деформации. Значительно возрастают коэффициенты диффузии. Миграция атомов не подчиняется законам Фика: подвижность кластера, содержащая
два десятка атомов, как целого, соизмерима со скоростью миграции единичного атома. Установлена
связь между сверхпластичностью и свариваемостью в однокомпонентных нанокристаллических материалах. Улучшение свариваемости обусловлено усилением влияния зернограничного проскальзывания на массоперенос вследствие увеличения объемной доли границ зерен и повышением диффузионной способности [2].
38
В случае выделения достаточного количества теплоты в зоне соединения за счет ряда релаксационных процессов возможен переход нанокристаллов в более крупные. С другой стороны, релаксационные процессы, связанные с переходом из нанокристаллического состояния в кристаллическое, за
время удара и, тем более, в процессе удара, не должны реализовываться. Таким образом, процесс соединения пластин при сварке взрывом идет через образование наноструктур, при формировании которых в зоне контакта число замкнутых связей между ионами контактируемых поверхностей возрастает, что приводит к увеличению прочности соединения.
Подтверждением образования наноструктур в зоне контакта при сварке взрывом могут служить
многочисленные рентгеновские данные об уменьшении областей когерентного рассеяния (ОКР) при
приближении к границе соединения.
Выделение теплоты в зоне контакта пластин при СВ происходит в результате целого ряда мгновенных релаксационных процессов, которые успевают пройти за малое время удара (~1·10-6 с). Согласно существующим представлениям металл можно рассматривать как состоящий из двух подсистем: положительно заряженных ионов и электронного газа (электронов проводимости). Связи между
положительно заряженными ионами, в основном, обеспечиваются их взаимодействием с отрицательно заряженным электронным газом. Эти связи не имеют направленности, чем и объясняется пластичность металла. Кроме этих связей между ионами действуют направленные ковалентные связи в случае одинаковых атомов или ионно-ковалентные, когда атомы различны, а также силы ВДВ, доля
которых в металлах незначительна.
При разгоне метаемой металлической пластины при СВ в силу электроинерционности системы
будущая контактная поверхность становится положительно заряженной, теряет металлический блеск,
а силы связи между ионами, расположенными у поверхности сильно ослаблены. Это приводит к увеличению вероятности перескоков ионов и скорости диффузии. В момент удара пластины изменяются
потенциалы ионизации, электронная плотность, ионный радиус, которые определяют энергию связи.
Так как неподвижная пластина имеет отрицательно заряженную поверхность, а метаемая – положительную, то силы отталкивания при сближении пластин отсутствуют, а положительно заряженные
ионы уже в начальный момент контакта пластин в области упругой деформации на отдельных участках замыкают нескомпенсированные связи, чему способствуют и ослабленные силы связи между положительно заряженными ионами на поверхности метаемой пластины.
В этом принципиальное отличие СВ от всех других видов сварки. Если этот механизм действует,
то важным технологическим параметром, наряду со скоростью метаемой пластины, является величина ускорения к моменту контакта пластин. При одинаковой скорости удара выгоднее иметь большее
ускорение метаемой пластины.
По мере развития пластической деформации площадь и количество контактных участков в области упругой деформации увеличивается. Выделение теплоты и повышение температуры в контактных
участках до пластической деформации происходит не только за счет замыкания нескомпенсированных связей, но и за счет торможения электронов проводимости метаемой пластины в силу электроинерционности металла.
При торможении электронов происходит повышение температуры в тонких слоях контактных
участков уже в области упругой деформации. Но основное выделение тепла и повышение температуры в зоне соединения пластин при СВ происходит при пластической деформации за счет релаксационных процессов, понижающих энергию системы. При пластической деформации происходит разрыв
связей между ионами и у метаемой, и у неподвижной пластин, на это расходуется часть кинетической
энергии метаемой пластины. Последующее замыкание разорванных связей приводит к выделению
энергии и повышению температуры. Чем выше градиент скорости контактных слоев метаемой и неподвижной пластин, тем больше в единицу времени происходит замыканий разорванных связей и тем
выше температура. За короткое время удара выравнивание температур не успевает пройти, и высокий
температурный градиент сохраняется.
При приближении температуры в зоне контакта к точке плавления затраты энергии на сдвиг
равны нулю и расплавить металл за счет выделения теплоты при пластической деформации нельзя.
При СВ в зоне контакта повышается давление, что приводит к повышению температуры плавления
металла, и фактическая температура в зоне контакта за счет мгновенных релаксационных процес-
39
сов может быть выше, чем точка плавления металла при обычном давлении. При волновом характере зоны сварки могут возникнуть оплавы на участках, где произошло понижение давления. При
нарастании давления температура плавления повышается, а на участках сброса давления металл
плавится. Это все происходит за счет мгновенных релаксационных процессов, не связанных с переносом теплоты.
В результате пластической деформации метаемой и неподвижной пластин внутренняя потенциальная энергия увеличивается. Повышение потенциальной энергии пластин происходит за счет образования текстур, измельчения зерен, увеличения плотности дислокаций, искажений решетки, измельчения блоков мозаики и образования наноструктур. Выделение этой энергии связано с медленно
протекающими релаксационными процессами, превышающими время удара, в результате которых
выравниваются температура, давление, напряжения, химические потенциалы и т. д.
Этой внутренней потенциальной энергии при адиабатном выделении достаточно для нагревания
тел всего на несколько градусов, высвобождение данной энергии может происходить при последующей термической обработке биметалла [3].
Выводы
1. В результате высокого давления и интенсивного деформирования в зоне контакта при СВ образуются нанокристаллические структуры, которые изменяют кинетику формирования твердофазного
соединения и увеличивают число замкнутых связей, повышая прочность соединения.
2. Выделение теплоты в зоне контакта происходит:
а) вследствие протекания релаксационных процессов при пластической деформации;
б) за счет торможения электронов проводимости и ионов метаемой пластины;
в) из-за замыкания нескомпенсированных связей ионов на поверхностях пластин;
г) за счет протекания химических реакций, когда химические потенциалы пластин не равны.
3. Возникновение оплавов при волновом характере зоны соединения обусловлено понижением
давления в процессе сварки на этих участках.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Карашаев, А. А. Поверхностные явления в расплавах и возникающих из них твердых фазах / А. А. Карашаев,
С. Н. Задумкин. – Нальчик: Кабардино-Балкарское книжное издательство, 1965. – 168 с.
2. Лякишев, Н. П. Объемные наноматериалы конструкционного назначения / Н. П. Лякишев, М. И. Алымов, С. В. Добаткин // Металлы. – 2003. – № 3. – С. 3–16.
3. Жданов, Г. С. Физика твердого тела / Г. С. Жданов. – М.: Московский государственный университет, 1962. – 447 с.