Физико-химические особенности получения сварных, паяных и клееных соединений

Механизм 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 их поверхности на расстояние, соизмеримое с параметрами кристаллической решетки. Тогда между сопряженными атомами возникнут связи, граница раздела Δ исчезнет и произойдет сварка (рис. 17).

Такой процесс кажется вероятным и не противоречит второму началу термодинамики, так как свободная энергия системы при этом должна уменьшиться на величину энергии двух исчезнувших поверхностей раздела. В действительности даже в идеальном случае, для соединения поверхностей требуется затрата энергии, так как каждый атом находится как бы в потенциальной лунке и переход из одного устойчивого состояния в другое возможен только путем преодоления энергетического барьера (рис. 18).

Внутри кристалла каждый атом удерживается симметрично направленными силами связи. На свободной поверхности кристалла или жидкости атом неуравновешен 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 w0, то для выхода в окружающую среду – wп, причем wп > w0 Поэтому для соединения двух монокристаллов в один требуется извне деформационная или тепловая энергия.

Двухстадийность процесса сварки. Сварку и пайку можно отнести к классу так называемых топохимических реакций, которые отличаются двух-стадийностью процесса образования прочных связей между атомами соединяемых веществ (рис. 19). 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.

Для качественного соединения материалов необходимо обеспечить контакт по большей части стыкуемой поверхности и активировать ее.

Такая энергия активации может в общем случае сообщаться в виде теплоты (термическая активация), упругопластической деформации (механическая активация), электронного, ионного и других видов облучения (радиационная активация). Сварка в жидкой и твердой фазах. При сварке в жидкой фазе (сварка плавлением и пайка) сближение атомов твердых тел осуществляется за счет смачивания поверхностей тел жидким материалом (припоем, расплавом), а активация поверхности твердого материала – путем сообщения ее частицам тепловой энергии. Жидкий материал может растекаться по всей поверхности тела и обеспечивать соприкосновение и прилипание (или адгезию) его молекул и поверхностного слоя твердых тел.

При затвердевании расплавленного материала слабые адгезионные связи заменяются прочными химическими связями, соответствующими природе соединяемых материалов и их типу кристаллической решетки. При сварке в жидкой фазе вводимая энергия (обычно тепловая) должна обеспечивать расплавление основного и присадочного материалов, оплавление стыка, нагрев кромок и т. д. При этом происходит усиленная диффузия компонентов в расплавленном и твердом материалах, 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 спонтанного слияния объемов жидкого металла. Она обычно не требует тщательной подготовки и зачистки соединяемых поверхностей. При сварке плавлением обе стадии процесса соединения – физический адгезионный контакт и химическое взаимодействие, сопровождаемое диффузией, – протекают достаточно быстро (рис. 19, кривая 1). При сварке в твердом состоянии сближение атомов и активация (очистка) поверхностей достигаются за счет совместной упругопластической деформации соединяемых материалов в контакте, часто одновременнос дополнительным нагревом.

Пайка и склеивание. Пайкой обычно называют процесс соединения материалов без их расплавления, с помощью припоя. Процессы сварки и пайки часто бывает трудно разграничить, например при сварке разнородных металлов, в сочетаниях сталь и медь, вольфрам и молибден и других, когда расплавляется только один наиболее легкоплавкий металл. Пайку можно выполнить с использованием тех же энергетических процессов, что и сварку.

Для осуществления химического смачивания при пайке необходим нагрев деталей и припоя, а также активация поверхностей. Последняя достигается нагревом в вакууме, в специальных средах или обработкой поверхности флюсом. Склеивание может происходить практически без введения энергии в место соединения благодаря силам адгезии (прилипания) между жидким клеем и молекулами поверхностных слоев твердого тела и химическим реакциям.

Способность клея соединять изделия объясняется также силами остаточного химического сродства между находящимися на поверхности молекулами клея и склеиваемого материала. Эти силы примерно в 10–100 раз меньше основных сил химической связи в простых молекулах. Они, например, порождают у жидкостей явление поверхностного натяжения, способность смачивать или не смачивать поверхности различных материалов. Такие полярные группы, как карбоксильные, спиртовые, амино, эпоксидные и другие, значительно увеличивают адгезию клея к полярным материалам.

Для увеличения адгезионных сил при склеивании некоторых неполярных материалов последние подвергают термической или химической обработке в целях получения на их поверхности некоторого количества полярных групп. Наличие или отсутствие адгезии клея к склеиваемому материалу легко определить по смачиваемости клеем этого материала. Для улучшения адгезии во всех случаях склеиваемая поверхность подвергается тщательной очистке и обезжириванию.

Таким образом, прочность клеевых соединений определяется химическими и межмолекулярными силами притяжения элементарных частиц клея и склеиваемого материала. Существенным отличием склеивания от большинства процессов сварки и пайки является то, что при затвердевании клея вследствие охлаждения, полимеризации и других физико-химических явлений взаимное растворение и диффузия соединяемых материалов, как правило, полностью отсутствуют.