Рис. 1.2. Схема контактирования идеально ровной металлической поверхности с поверхностью волнистой и шероховатой

Рис. 1.3. Моделирование шероховатости посредством пирамид с квадратным основанием: а - единичный выступ; б - схема деформации пирамиды кратковременным ударом по идеальней плоскости; в - схема деформации пирамиды статическим давлением

Как видно, металл надежно заидищает чистоту своих глубинных слоев. Оксидные и адгезионные наслоения и являются главным препятствием против самопроизвольного сваривания любых металлических поверхностей, образующих контакт. Электрическая связь адгезионных и оксидных наслоений с металлом очень прочна.

Зачистка всех наслоений с поверхности металла практически невозможна никакими химическими, физическими и механиче-

Рис. 1.4. Профилограмма поверхности алюминиевой пластины после зачистки ее наждачной бумагой (а> и в результате ее деформации плиткой Иогансона поддавлением 20,100 и 200 МПа (б)

Рис. 1.5. Микроструктура пирамидальной шероховатости

Масло

.Вода

Пыль

Рис. 1.6. Схема строения слоев на реальной металлической поверхности:

А - неталл глубинныя слоев; Б иеталлооксидная ввтектика внешнего кристаллического слоя; В - адсорбционные наслоения по оксидноиу слою (воэду]£< пары воды, масло, пыль); МеО - оксидный слоб (толщина относительно увеличена)

скими средствами. Всякая, даже самая тщательная, зачистка металлических поверхностей способна только свести к минимальной толщине все оксидные и адсорбционные наслоения на поверхности металла. Контакт двух металлических деталей без промежуточной оксидной и адсорбционной прослойки, т. е. непосредственно контакт между кристаллами может быть обеспечен только в двух случаях:

1) когда контакт осуществляется в космическом вакууме;

2) когда пластическая деформация выдавливает и выносит за пределы плоскости контактирования все оксидные и адсорбционные наслоения.

К последнему, идеальному случаю с различной степенью успеха стремятся все технологические приемы всех процессов сварки давлением.

Что касается процессов сварки плавлением, то здесь все оксидные и другие наслоения просто растворяются в расплавленном металле. Удаление загрязнений металла в одних случаях и растворение этих загрязнений в других - вот в этом и есть одно из самых существенных различий между сваркой давлением и плавлением. Как будет показано в дальнейшем, при современной контактной точечной и шовной сварке соединения образуются по принципам плавления.

На рис. 1.4 представлена картина постепенной деформации выступов шероховатости при сдавливании этих выступов плиткой Иогансона, т. е. почти идеально плоской деталью. Наибольшее давление (200 МПа) значительно превышает предел текучести отожженного алюминия. Тем не менее пирамиды полностью не смялись и не превратились в параллелепипеды. Этот факт объясняется следующими причинами.

Поверхностный слой металла в результате любой механической обработки становится предельно наклепанным, насыщаясь линейными и точечными микродефектами в сотни и тысячи раз больше, чем это характерно для нормального проката. Оксидные прослойки проникают в глубину шероховатостей, создавая своеобразную эвтектику металла с его оксидами (слой Б на рис. 1.6). Показатели микротвердости, приведенные в табл. 7 приложения,

определяют, насколько может повыситься микротвердость пирамид в целом, если их структура из чисто металлической превращается в металлооксидную. При значительных давлениях в порах, образующихся между пирамидами, сжимаемый воздух настолько нагревается, что должно произойти энергичное окисление металла, окружающего поры. Этот эффект вызывает еще большую концентрацию оксидной фазы в металле и соответственно повышает и показатели твердости, и значения удельного электрического сопротивления поверхностного слоя металла. В табл. 7 приложения приведены сравнительные значения удельных электросопротивлений некоторых металлов и их оксидов. Сравнивая эти данные, можно сделать вывод, что и с точки зрения электропроводности шероховатая поверхность металла по своим свойствам может значительно приближаться к полупроводникам.

Учитывая изложенное выше, следует констатировать: в земной атмосфере никакие металлические поверхности не могут быть свободными от оксидных и адсорбционных наслоений. Весь вопрос для сварщиков сводится только к тому, какова структура и толщина этих наслоений. Несмотря на неизбежное наличие поверхностных наслоений, в технологической практике используются термины чистого металла в смысле его зачистки перед сваркой. Для контактной сварки визуальная оценка чистоты определяется отсутствием явно видимой окалины или явно видимого потускнения. С этой точки зрения идеальной поверхностью считают холодный прокат, протравленный металл, металл, зачищенный абразивным инструментом и абразивным материалом.

Выше было определено, что главной и даже единственной причиной неизбежных оксидных и адсорбционных наслоений на поверхности металла является факт энергетического неравновесия, энергетического контраста между средой и вновь образовавшейся поверхностью металла в этой среде. Электрическая полярность всех слоев на металле, показанная на рис. 1.6, говорит и об электрической природе всех границ структур, что подтверждается многими измерениями разности потенциалов. Установлено, например, что не только два соседних кристаллита энергетически неравновесны, но даже граница зерна по сравнению с его серединой электрически более отрицательна. Упругие деформации почти не изменяют разности потенциалов между соседними зернами, пластические же сказываются в очень сильной степени. Все надрезы, трещины и другие концентраторы напряжений дают отрицательный потенциал относительно основной массы металла.

Любые соседние контрастные элементы структуры, любые два соседних зерна одной и той же структуры, но разного размера, два различно деформированные зерна обязательно имеют между собой электрическую разность потенциалов как следствие электрической природы строения вещества.

Эти общеизвестные факты почти не используются, к сожалению, металловедами при изучении металлических структур.