Тепловые эффекты в зоне соединения Al-Ag

На качество соединений при УЗС большое влияние оказывает состояние поверхности соединяемых элементов. На поверхности металлов всегда присутствует слой оксидов. В атмосфере сухого кислорода толщина оксидной пленки на поверхности алюминия является функцией температуры. При комнатной температуре предельная ее толщина составляет 2,5-3,0 нм. Различными исследователями установлен логарифмический закон изменения толщины пленки во времени при низких и нормальных температурах. Толщина оксидной пленки увеличивается в присутствии паров воды. При комнатной температуре и 100 % относительной влажности толщина пленки вдвое больше, чем в сухом кислороде. Однако в обоих случаях временная зависимость изменения толщины одинакова. Во влажной атмосфере на поверхности алюминия образуется двухслойная пленка: непрерывная пленка оксида алюминия непосредственно на поверхности металла и пленка гидрооксида на границе раздела металла и газовой фазы. При более высоких температурах на алюминии и алюминиевых сплавах, в особенности легированных магнием и медью, образуется пленка более сложной структуры. В этих случаях рост пленки уже не подчиняется простым временным зависимостям.

Молекулярный объем оксида почти в 1,3 раза больше, чем объем алюминия, участвовавшего в реакции окисления. Поэтому поверхностный слой находится под действием сжимающих напряжений и быстро восстанавливается при повреждении.

Методом Оже-спектроскопии исследована поверхность алюминиевой проволоки и установлено, что слой оксида алюминия толщиной около 1 нм не препятствует образованию качественного сварного соединения с контактными площадками ППИ. Однако при толщине оксидов 100 нм и более получить качественное сварное соединение не удается.

При УЗС поверхностные оксиды и адсорбированные пленки разрушаются и вытесняются из зоны сварки при пластической деформации в процессе приложения давления и за счет диспергирующего воздействия ультразвуковых колебаний, но не полностью. Оставшиеся оксиды уменьшают фактическую площадь контакта, а следовательно, увеличивают сопротивление и снижают прочность сварных соединений.

В процессе УЗС происходит нагрев соединяемых элементов, вызванный несколькими причинами, например, трением при скольжении поверхностей относительно друг друга. Одной из причин дополнительного подогрева контактирующих поверхностей является протекание химических реакций между соединяемыми металлами и их оксидами, проходящих с выделением некоторого количества тепла. С увеличением температуры контакта увеличивается глубина объемного взаимодействия между соединяемыми металлами, ускоряются процессы диффузии, и в результате возможно увеличение прочности соединений. В то же время с увеличением температуры интенсивно протекают процессы образования интерметаллидов. Вышеизложенные процессы могут оказать существенное влияние на формирование качественного сварного соединения.

По известной методике проведены расчеты экзотермических тепловых эффектов в зоне контакта при УЗС алюминиевой проволоки с серебряным покрытием траверс корпусов СПП.

Допустим, что при УЗС поверхностный оксид на алюминиевой проволоке разрушается и происходит взаимодействие ювенильных слоев алюминия с окисленной поверхностью покрытия траверсы корпуса ППИ. Для процессов, протекающих при атмосферном давлении, Q = – ΔH, где Q – теплота образования (тепловой эффект реакции), ккал/моль; ΔH – изменение энтальпии системы.

В зоне контакта алюминия с покрытием из серебра протекает реакция

2Al+3Ag₂O→Al₂O₃+6Ag+Q_у.

Теплота образования: Al₂O₃(–ΔH₂₉₈) + 399 ккал/моль, Ag₂O(–ΔH₂₉₈) + 7,306 ккал/моль. Следовательно, протекание данной реакции термодинамически возможно.

При УЗС алюминиевой проволоки диаметром 0,25 мм с покрытием из серебра длина сварного соединения при оптимальных режимах составляет 0,6 мм, ширина 0,3 мм, а площадь 0,18 мм². При толщине слоя Al₂O₃ на поверхности алюминиевой проволоки, равной 10^–6 мм, общий объем оксида 1,8∙10^–7 мм³, плотность 3,5∙10^–3 г/мм³, вес оксида 6,3∙10^–10 г.

Реакции, протекающие в контакте алюминиевой проволоки с серебряным покрытием имеют вид

4Al + 3О₂ – 12Ag – 3О₂ → 2Al₂O₃ + 798 – 6Ag₂O – 21,918;

2Al + 3Ag₂O → Al₂O₃ + 6Ag + 388,041 ккал/моль.

Молекулярная масса Al₂O₃ – 102 г/моль, Q_Al-Ag = 388041/102 = 3804,3 кал/г. Таким образом, выделится тепло в количестве: 3804,3∙6,3∙10^–10 = 2,397∙10^–6 кал. Если предположить, что, окисляясь, нагревается только Al₂O₃ (теплоемкость 0,185 кал/(г∙ºС)), то локальное повышение температуры без учета теплоотвода составит

ºC.

Предположим, что процесс УЗС сопровождается объемным взаимодействием соединяемых металлов на глубину
10^–4 мм. При этом на площади сварного соединения 0,18 мм²: объем алюминия 1,8∙10^–5 мм³, вес 4,86∙10^–8 г, теплоемкость 0,216 кал/(г∙ºС); объем серебра 1,8∙10^–5 мм³, вес 1,89∙10^–7 г, теплоемкость 0,0565 кал/(г∙ºС).

Локальное повышение температуры при нагреве алюминиевой проволоки и серебряного покрытия без учета теплообмена с окружающей средой составит

ºC.

Таким образом, температура в зоне УЗС может достигать существенных значений не только в результате трения соединяемых поверхностей, но и за счет экзотермических химических реакций. В контакте алюминиевой проволоки с серебряным покрытием выделяется большее количество тепла, чем при сварке с никелевым покрытием (50,5 ºC). Данный фактор необходимо учитывать при выборе режимов формирования сварных соединений.

В заключение следует отметить, что проведенные исследования соединений Al-Ag являются первым этапом работы по оценке качества и надежности данных контактов. Авторы статьи продолжают исследования этих соединений при термоциклировании, длительных температурных воздействиях, под токовой нагрузкой, а также испытаниями на коррозионную стойкость.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: