Получение сварных соединений в твердом состоянии известно с древнейших времен — кузнечная сварка.
Кузнец брал два куска железа, нагревал их концы в пламени древесного угля (в кузнечном горне) до белого каления, а затем совместной проковкой получал целый кусок железа.
Получение сварного соединения из двух или нескольких деталей без их оплавления (частичного расплавления) представляет собой большой интерес для многих отраслей современной техники (радиоэлектроники и др.).
Такие сварные соединения отличаются высокой однородностью и в них отсутствуют остаточные напряжения, снижающие их работоспособность.
Трудность получения таких соединений обусловлена тем, что верхний предел температуры нагрева твердых деталей обычно строго лимитирован.
Процесс образования сварного соединения между двумя твердыми телами очень интересен с физической точки зрения.
Тела, которые сохраняют форму, обычно называют твердыми, но среди них могут быть стекла — переохлажденные жидкости, полимеры, биологические продукты — дерево, кости и т. д. Такие тела не имеют собственной температуры плавления и не обладают кристаллической структурой. Эти тела не считаются твердыми.
Твердые тела — кристалличны, т.е. элементарные частицы, из которых они построены, расположены в пространстве по определенному геометрическому закону, что легко обнаруживается при исследовании кристаллических тел лучами Рентгена. Расположение частиц в пространстве создает так называемую кристаллическую решетку, имеющую всегда постоянные расстояния между элементарными частицами, которыми могут быть атомы, молекулы, ионы или деформированные атомы, создающие электроны проводимости, как это имеет место у металлов.
В кристаллической решетке все частицы прочно связаны между собой одной из трех видов связей: химической (алмаз, графит, германий, кремний), электростатической ионной (NaCl, МпО и т. д.), металлической за счет электронов проводимости (металлы).
Поверхностный слой любого твердого тела всегда обладает избытком энергии, так как частицы, его образующие, имеют неуравновешенные связи. Это приводит к явлению адсорбции газов на поверхности, к повышению химической активности (катализ, образование слоев окислов и других соединений), а также к созданию значительного поверхностного натяжения. Схема неуравновешенности частиц на поверхности показана на рис. 2.
Рис. 2. Возникновение поля неуравновешенных сил
Казалось бы, что процесс сварки давлением должен происходить с большим выделением энергии, так как сближение двух поверхностей твердых тел должно привести к установлению новых прочных связей между частицами и, кроме того, к исчезновению свободной энергии двух соприкасающихся поверхностей.
Однако дело обстоит значительно сложнее. Поверхность мы можем обработать до чистоты, измеряемой микрометрами (10-4 см), а расстояния между частицами в кристалле, на которых начинают действовать силы притяжения, измеряются ангстремами (10-8 см).
Кроме того, поверхности, как правило, закрыты или слоями окислов, или адсорбированными газами.
Поэтому физический контакт может быть создан только в результате смятия или течения микровыступов на сближаемых поверхностях.
Течению металла способствуют сдвиговые деформации, которые всегда развиваются при смятии выступов, как это показано на рис. 3. Смятию и течению металла также способствуют повышение температуры и, конечно, давление. При нагреве металл становится более пластичным, и можно понизить прилагаемое давление. При деформации поверхностных слоев зарождаются центры схватывания, количество которых постепенно возрастает: через эти центры схватывания начинается активная диффузия частиц, ведущая к полному исчезновению границы раздела и к прорастанию через нее кристаллов.
Таким образом, определяющие параметры режима сварки — это давление, температура и время, необходимы для развития диффузионных процессов.
В современном машиностроении и приборостроении сварку давлением осуществляют несколькими путями в зависимости от типа изделий и требований, которые к ним предъявляют.