Сварка металла в вакууме

Обновлено: 17.05.2024

Нагрев плотно прижатых отполированных поверхностей в вакууме до достижения диффузии атомов в соединяемых поверхностях, называется диффузионной сваркой. Обеспечивает прочное соединение плоскостей не только однородных, но и 560 разнородных материалов, не поддающихся соединению другим способом.

ГОСТ, определяющий техпроцесс и требования к нему

Технологию и процессы регламентирует разработанный в 1975 году ГОСТ 20549-75. Полное название: «Диффузионная сварка рабочих элементов разделительных и формообразующих штампов. Типовой технологический процесс». Позже срок действия ГОСТ продлевали в 1980, 1990 годах, действителен и сегодня. Там описаны:

Области применения

Этот вид сварки применяется там, где другие неэффективны, дороги и нет нужного качества соединения:

Приборостроительная и электронная промышленность. В высокоточном оборудовании и приборах необходимы сочетания разнородных материалов, в том числе неметаллических – стекла, керамики, графита с металлами и сплавами.
Крупногабаритные заготовки. Этим методом соединяют крупногабаритные заготовки сложной конфигурации, которые невозможно получить литьём или штамповкой, таких, например, как трубы. В самолётостроении применяют при изготовлении малоразмерных роторов турбоагрегатов, рабочих лопаток газотурбинных двигателей.

Преимущества и недостатки технологии

К преимуществам рассматриваемого метода относят:

качественное соединение разнородных материалов;
минимальная деформация свариваемых плоскостей, что освобождает от необходимости механической обработки шва;
многослойная сварка и автоматизация работ при организации крупносерийного производства;
возможность совмещения диффузионной сварки и формообразования при изготовлении многослойных тонкостенных конструкций сложной формы;
при соединении однородных материалов атомная структура шва идентична структуре детали;
отсутствие вредных паров, что исключает потребность в сложной системе вентиляции;
минимум вредных для человека выделений и излучений.

К недостаткам относят:

сложность оборудования и особенные требования к технологическому уровню производства;
высокая себестоимость работ;
невозможность применения для проверки качества шва методов неразрушающего контроля.

Метод диффузионной сварки

Сваривание происходит за счёт пластической деформации кромок ниже температуры плавления, в твёрдом состоянии. Способы нагрева:

Процесс идёт в вакууме, нейтральных и восстановительных газах, жидких средах. Чистота и качество шва зависит от того, насколько хорошо очищены места соединения. Очищают растворителями или путём нагрева и выдержки в вакуумной камере.

Технология, время выдержки и температуры разгерметизации

Детали с механически обработанными и обезжиренными свариваемыми поверхностями устанавливают в центрирующем приспособлении вакуумной камеры. Откачивают воздух. Когда достигается вакуум, включают высокочастотный генератор. Детали в зоне сварки нагреваются с помощью индуктора. За время нагрева поверхности заготовок очищаются от окисных плёнок. При достижении температуры на изделия давит поршень гидросистемы. Нагрузку подают до конца процесса. После этого узел сварки постепенно, с заданной скоростью охлаждается до определённой температуры.

Герметизацию камеры прекращают, сваривая:

чёрные металлы – при 60 ̊C.
цветные металлы и сплавы – при 120 ̊C.

Время выдержки зависит от силы нагрева и давления, использованных в ходе работ.

Способы

Диффузионная сварка с применением промежуточных слоёв делается:

для большей прочности сцепления;
для предотвращения появления барьерных подслоев при соединении разнородных материалов;
для уменьшения остаточных деформаций, благодаря снижению температуры и давления.

Промежуточные подкладки подразделяются на плавящиеся и неплавящиеся. Коэффициент диффузии атомов барьерной подкладки в основной металл должен быть выше, чем для элементов металла в прокладку. Её материал выбирают исходя из поставленной задачи. Чаще это никель, медь, серебро, золото.

Расплавляющимися промежуточными слоями часто выступают высокотемпературные припои. Это уменьшает пластическую деформацию и повышает качество шва.

Установка и оборудование

Сварочная диффузионная установка состоит:

из вакуумной камеры;
из механизма нагнетания рабочего давления;
из источника нагрева;
из аппаратуры управления и контроля.

В вакуумной камере прямоугольной или цилиндрической формы размещён механизм давления, нагревательные элементы и приспособление для крепления свариваемых деталей. В стенках – система водяного охлаждения.

Сварочная диффузионная установка

Обычно установка содержит одну камеру, но для повышения производительности выпускают и с несколькими для непрерывной загрузки и выгрузки изделий.

Сварка металла в вакууме

Сварка в камере с контролируемой атмосферой. Простейший способ применения вакуума состоит в том, что полость сварочной камеры скачивается до давления ~ 5. 10 -3 мм рт. ст., после чего камера заполняется аргоном под давлением 1 атм.

В атмосфере аргона производится ручная дуговая сварка узлов из титана, его сплавов и других активных металлов и сплавов. Геометрия швов при сварке изделий из титана в камере несколько отлична от геометрии швов, полученных обычной аргоно-дуговой сваркой: ширина шва увеличена, глубина проплавления на 10—15% меньше. Недостатки такого метода — большой расход аргона, а также значительные затраты времени на откачку воздуха из камеры.

Диффузионная сварка.Этим способом можно сваривать как однородные, так и разнородные металлы, сплавы и неметаллические материалы, которые трудно или невозможно сваривать другими способами. Большой экономический эффект получают при сварке стали и алюминия, титана и стали, чугуна и стали, металлокерамики и стали.

Этот способ соединения основан на использовании взаимной диффузии атомов или молекул в поверхностных слоях соединяемых веществ в условиях вакуума при нагреве их выше температуры рекристаллизации одного или нескольких компонентов свариваемых тел без расплавления поверхностей металла. При достижении заданной температуры соединяемые элементы по поверхности их соприкосновения подвергаются сжатию без пластической деформации.

Соединение в результате диффузии происходит при максимальном сближении чистых поверхностей деталей без применения припоев, флюсов и электродов. Диффузионную сварку в вакууме можно производить либо непосредственным соединением металла с металлом, либо соединением металла с металлом через промежуточную прокладку из другого материала — так называемый подслой.

Металлы можно соединять с керамическими материалами также с применением промежуточной прокладки. Диффузионная сварка — один из наиболее перспективных методов для получения соединений титана и его сплавов, равнопрочных основному материалу. Преимущества метода: вакуум, создаваемый в камере сварки, не дает возможности титану) активно реагировать с элементами, увеличивающими хрупкость шва; отпадает необходимость защиты аргоном, которая удорожает процесс! сварки; температура сварки 0,7—0,8 от температуры плавления свариваемых металлов, т. е. материалы не доводятся до расплавления при сварке, что; уменьшает возможность растворения кислорода и водорода в титане.

Сравнительно невысокая температура сварки и небольшие удельный давления в значительной степени снижают внутренние остаточные напряжения, что предотвращает образование трещин. Для сварки детали помещают в камеру, в которой создается давление — 5•1O -4 мм. рт. ст., нагревают до определенной температуры и сдавливают. При этом не возникает дополнительных источников газоотделения и испарения металла.

Диффузионное соединение можно успешно применять для герметизации металлокерамических электровакуумных приборов при бесштенгельной откачке до давлений порядка 10 -9 —10~10 мм рт. ст. Применение диффузионного соединения позволяет отпаивать приборы в горячем состоянии при 600—700° С. Это весьма важно, так как в момент отпаивания вакуум не ухудшается, а после охлаждения становится лучше на 1,5—2 порядка.

Электроннолучевая сварка. Электроннолучевая сварка при большой концентрации энергии дает возможность сваривать стали и сплавы толщиной 40—50 мм без разделки кромок и подачи дополнительного металла. При этом расход энергии снижается в 5—10 раз по сравнению с другими методами сварки. При проведении электроннолучевой сварки место сварки подвергают интенсивной бомбардировке быстролетящими электронами в высоком вакууме. Во время электронной бомбардировки большая часть энергии выделяется в виде

тепла, используемого для расплавления металла при сварке. Электронный луч образуется в вакуумной камере с помощью электронной пушки. Сварочная установка (рис. 187) включает электронную пушку с катодом и анодом; вторым анодом служит свариваемое изделие 7, к которому подводится постоянный ток. Катод нагревается с помощью трансформатора 2 до 2500° С. Фокусировка луча производится магнитным полем, создаваемым линзой 8. Линза представляет собой катушку, помещенную в массивный железный каркас. Для перемещения луча по изделию на пути луча установлена отклоняющая магнитная система. На рис. 188 показана электронная пушка. Сварочная установка фирмы Ульвак (Япония) показана на рис. 189.

Как осуществляется диффузионная сварка в вакууме

Диффузионная сварка, как следует из названия, основана на физическом процессе диффузии, при котором происходит самопроизвольное смешивание молекул двух веществ. Таким образом, этот вид сварочного соединения представляет собой внедрение молекул одного металла в структуру другого до образования неразъемного соединения.

В естественных условиях, без внешнего давления, слияние двух металлов может занимать десятилетия и столетия. Хороший пример диффузии – это найденные клады золотых и серебряных монет, которые за столетия слиплись друг с другом.

Сферы применения

Впервые технология принудительного соединения металлов под давлением и высокой температурой в вакуумной установке была опробована в 1953 году советским ученым Н.Ф. Казаковым. В настоящее время разработано много методик соединения различных материалов, обобщенных в стандарте ГОСТ 19521-74.

Сферы применения диффузионной сварки достаточно разнообразны:

при производстве гидромоторов и других деталей в авиастроении;
при производстве узлов деталей, работающих на высоких оборотах (поршневые цилиндры, насосы);
для соединения разных металлов и сплавов, а также керамики, стекла или пластика, без использования различных припоев и флюсов;
для создания композитных соединений, состоящих из различных материалов;
для создания электронных плат, где требуется соединение мельчайших деталей.

Ключевая особенность диффузионной сварки – это возможность соединять не только однотипные металлические поверхности, но и металлы с неметаллами (керамикой, стеклом, полимерами).

Вакуум

Для проведения такой сварки применяются специальные стенды, в которых возможно создание вакуума, а также установлен пресс с силой сжатия 1-4 кгс/мм2 и нагревательные устройства радиационного, электрического или индукционного типов.

Типовая схема установки для диффузионной сварки:

Силовой механизм, состоящий из прижимного жаропрочного винта, гидравлических цилиндров и масляного насоса для создания давления на соединяемые детали.
Рабочая камера для проведения процесса сварки.
Оправки – места для установки соединяемых деталей.
Вакуумный насос для удаления воздуха из камеры.
Система подачи газов (для устройств, в которой вакуум замещается газом, либо производится газовое охлаждение).
Индукционный генератор для создания системы нагрева и регулирования охлаждения.

Выделяется два основных вида сварки в вакууме:

Свободное деформирование – при данном способе производится постоянная нагрузка, не достигающая предела текучести. Такой способ широко распространен благодаря своей простоте.
Принудительное деформирование – специальное устройство, движущееся с определенной скоростью, обеспечивает создание нагрузки для пластической деформации материала. При этом создаваемое напряжение должно быть выше предела текучести. Такой способ применяется для создания деталей с большими габаритами и большой площадью свариваемой поверхности.

Виды соединения материалов: а – внахлест, б – встык, в – шовная сварка.

Общий принцип технологии

Сварка в вакууме происходит следующим образом.

Сначала соединяемые детали помещаются в стенд, в котором затем создается технический вакуум (разрежение воздуха с внутренним давлением порядка 10 -2 …10 -5 мм. рт. ст.). В некоторых установках вместо вакуума применяется инертный газ.

Затем осуществляется нагрев материалов. Материалы нагреваются до требуемых температур (для каждого материала и определена своя температура). С повышением температуры также возрастает текучесть материалов, поэтому диффузия ускоряется. Обычно, температура нагрева составляет 0,5 – 0,7 температуры плавления вещества,

Нагрев применяемых веществ происходит либо в соединенном состоянии, либо отдельно друг от друга, если их температуры плавления различаются. Во втором случае применяется ток высокой частоты, которым можно не только нагреть деталь, но и провести дополнительную очистку ее поверхности.

Далее идет сжатие материалов. Когда материалы нагреваются до рабочей температуры, они сдавливаются между собой. Тип давления может быть разным: длительным или кратковременным, локальным или распределенным по всей площади поверхности. Давление редко превышает 0,5 МПа, а время воздействия различается от технологии проведения сварки.

Существует два основных способа оказания давления:

Медленное статичное давление, которое может длиться до нескольких часов.
Ударное воздействие со скоростью до 30 м/с, на которое расходуются миллисекунды. Обычно применяется при соединении материалов, разделенных химическим составом или металлической фольгой.

Существует один пример диффузионной сварки без специального пресса. Это обыкновенная сварка полипропиленовых труб для бытового отопления, либо водопровода. Трубы сплавляются с фитингами в небольшом ручном аппарате, а давление оказывается руками. Полипропилен – это достаточно мягкое вещество, не требующее существенных усилий для соединения.

Улучшение качества сварного шва может достигаться добавлением на стык элементов специальных химических составов либо фольги из золота, платины, меди. Толщина такой фольги в среднем составляет несколько микрон, завися от конкретного процесса.

Нанесение данных слоев позволяет:

увеличить прочность сварного шва;
избежать образования барьерных подслоев;
облегчить взаимодействие поверхностей и ускорить объемное взаимодействие между соединяемыми элементами;
уменьшить остаточную деформацию изготавливаемых деталей за счет снижения давления и температуры.

Для соединения металлов с неметаллами, либо для сварки неметаллических деталей в качестве соединительных слоев могут применяться различные вещества:

при соединении медных деталей и кварцевого стекла слой меди наносится на стекло, затем подвергается окислению в течении 4-5 минут при температуре 800°С;
для сварки оптической керамики с медью, последняя подлежит покрытию сульфидами цинка для повышения прочности сцепления.

Сила давления и температурные режимы нагрева и охлаждения подбираются для каждого материала (пар материалов) индивидуально, на основе теоретических расчетов.

Охлаждение материалов — финальная стадия. После диффузионного соединения деталей происходит их остывание в вакууме, а равномерность этого процесса поддерживается системами охлаждения. Резкие перепады температуры могут привести к появлению трещин на сварном шве и снижению его прочности.

В некоторых случаях, например, при соединении стали и бронзы, для быстрого охлаждения деталей применяется аргон. Быстрое охлаждение снижает гибкость изделия, но повышает его твердость.

Изготовленная деталь проходит контроль качества рентгеновским или ультразвуковым инструментом.

Сила давления и температурные режимы нагрева и охлаждения подбираются для каждого материала (пар материалов) индивидуально, на основе теоретических расчетов.

Преимущества и недостатки

Уникальная технология диффузионной сварки обеспечивает ряд важных параметров:

Экономичность — отсутствие расходных материалов (электроды либо газы, припои, флюсы) снижает себестоимость работ.
Экологичность — отсутствие окалины, продуктов горения, выделения вредных веществ и мелкодисперсных частиц уменьшают загрязнение окружающей среды, а изолированность процесса в камере не оказывает вреда на здоровье оператора.
Энергоемкость – процесс требует меньше электроэнергии, таким образом снижая себестоимость изделий.
Скорость – за один процесс можно соединять несколько материалов, получая слоистое соединение, называемое композитом.
Универсальность размеров деталей – технология позволяет соединять материалы различных размеров, что очень актуально при создании электронных плат.
Аккуратность шва – шов, полученный при диффузионной сварке, получается ровным и его не нужно дополнительно обрабатывать шлифовкой или скрывать декоративными накладками.

Технология диффузионной сварки имеет также несколько важных факторов, влияющих на качество выполненной работы:

Стоимость оборудования – вакуумная установка является дорогостоящим оборудованием, которое требует постоянного обслуживания и контроля работы. Любые сбои в электрической сети или в системе регуляции давления могут привести к нарушению условий сварки материалов и браку изделий.
Габаритная проблема – размеры вакуумной камеры ограничивают размеры изделий, при этом в больших камерах сложнее получить необходимое снижение давления.
Качество поверхности деталей – соединяемые стороны (грани) материалов должны быть тщательно отшлифованы и очищены от загрязнений. Требуется обработка поверхности по 6 классу шероховатости и обработка ее ацетоном.

Существует отдельный случай диффузионной сварки, называемый «космической проблемой». В открытом космосе практически идеальный вакуум, внутренне давление космического аппарата имеет свое давление, а лучи солнца могут нагревать поверхность до температур, достаточных для запуска самопроизвольного процесса сварки, который больше будет напоминать процесс неравномерного слипания поверхностей.

Решается такая проблема в основном за счет регулярного принудительного движения поверхностей, которым необходимо соблюдать подвижность и покрытия их специальными составами, предотвращающими начало реакции соединения.

Диффузионная сварка в вакууме

Диффузия - это процесс, во время которого при тесном контакте между поверхностями молекулы и атомы разных элементов начинают смешиваться и проникать друг в друга. В естественных условиях данный процесс протекает достаточно медленно, поэтому он не приемлем для производственных условий.

Но в 1953 году советский физик Николай Федорович Казаков смог добиться повышения скорости взаимного проникновения молекул и атомов друг в друга. Он поместил соединяемые заготовки в вакуум, повысил температурные показатели и оказал на них усиленное давление. Так и появилась диффузионная сварка, которая позволяет соединять детали из разных видов металлов.

Характеристика диффузионной сварки

Во время диффузионной сварки металлов используются специальные сварочные стенды. На их поверхности размещаются элементы, затем стенды с ними помещаются в камеру с вакуумом. На соединяемую зону оказывается давление, если потребуется, она может подвергаться температурному воздействию.

В соответствии с основными особенностями сварочного процесса, он может длиться от нескольких минут до часов. В результате изделие приобретает характеристики, которые невозможно получить при проведении других видов сварок.

Чтобы при проведении диффузной сварки удалось получить прочный и качественный шов стоит обратить внимание на несколько важных условий:

При помощи специальной установки требуется создать вакуум. Чем выше будет разряжение внутри, тем быстрее и эффективнее будет протекать сварочный процесс. Чтобы получить физический вакуум в обычных условиях требуются большие затраты. По этой причине приходиться применять небольшое разряжение, которое редко может превышать 10-5 мм рт.ст.. Но даже этого показателя достаточно для получения отличных результатов.
Во время сварки необходимо нагревать соединяемые детали. Иногда процесс может протекать при комнатной температуре, но тогда на формирование шва может потребоваться много времени. При увеличении температуры повышается текучесть металлов и ускоряется диффузия. Нагревание может выполнять разными способами - индукционным, электроконтактным, радиационным.
После достижения требуемой температуры в область соединения подается необходимое давление. Оно может быть разных типов - длительное или кратковременное, локальное или одновременно распределенное. Это требуется для ускорения взаимного проникновения частиц вещества.
Для повышения прочности сварного соединения требуется применять тонкую медную, золотую, платиновую, никелевую фольгу. Ее толщина должна составлять несколько микрон. Также области стыков заготовок рекомендуется обрабатывать химическими веществами.
Каждая готовая деталь подвергается дефектоскопии. Обычно вакуумная сварка требуется для применения радиации и ультразвука.

Диффузионная сварка в вакууме является наиболее подходящим вариантом для сваривания разнородных металлов в различных сочетаниях, к примеру, стали и бронзы, стали и керамики и многое другое.

Данный вид сваривания наиболее подходящий для получения прочного и монолитного соединения. После проведения процесса шов получается ровным, без дефектов, неровностей. Обычно он применяется в ситуациях, когда нет возможности применять стандартные виды фиксирования металлических элементов.

Сварка в вакууме часто используется для изготовления следующих металлических конструкций и заготовок:

гильз двигательных цилиндров. Этот вид сварки часто используют в производстве авиатехники;
тормозных колодок и дисков;
основных компонентов турбокомпрессоров;
штампов с повышенным показателем твердости;
изделий с металлокерамической основой;
для производства сложных композитов разных типов - из стекла и меди, металлов с графитом, кварцем, сапфиром;
этот вид сварки часто используют при соединении труднообрабатываемых стальных и титановых сплавов с высоким показателем жаростойкости;
для создания полупроводниковых компонентов.

Важно! Главная сфера применения диффузионного сварочного процесса - область высоких технологий (авиационной, космической, другие виды машиностроения). Кроме этого этот метод позволяет создавать микроскопические элементы из сферы сложной электроники.

Достоинства

Диффузионная сварка титана и других видов металлов в вакууме обладает целым рядом преимуществ, которые обязательно требуется учитывать при проведении данного процесса:

Во время сварки не нужно применять разные расходные материалы - электроды, флюсовые смеси.
Этот процесс экологически чистый. Во время него не происходит горения и выделения в воздух вредных веществ, паров.
Метод обладает небольшой энергоемкостью. Это позволяет значительно снизить финансовые затраты.
Имеет возможность соединять сразу нескольких заготовок. В итоге это позволит получить многослойные конструкции с уникальными качествами.
При помощи этого метода можно осуществлять соединение поверхностей с разными размерами и формами. При этом показатели толщины заготовок могут быть любыми. Данные условия имеют важное значение для микроэлектроники.
Сварка позволяет получить качественный и прочный шов, с которым не способна сравниться другие виды сварочных процессов.

Стоит отметить! Этот вид сварки имеет еще одно важное преимущество - он постоянно совершенствуется и улучшается. Раньше в камере был только вакуум, а сейчас дополнительно закачиваются инертные газы. Это позволяет производить соединение металлов, пластика, стекла, керамики и других сложных композитных смесей.

Ниже на картинке имеется схема диффузионной сварки, она достаточно простая.

Недостатки

Не стоит забывать, что у диффузионного сварочного процесса имеются отрицательные качества:

оборудование для диффузионной сварки имеет высокую стоимость. Также они нуждаются в постоянном квалифицированном обслуживании, которые могут предоставить только специально обученные люди;
для сваривания больших деталей требуется использование больших вакуумных камер. Но они стоят достаточно дорого;
обязательным условием для проведения сварки является проведение чистки и обработки поверхностей деталей.

Заключение

Проведение диффузионного сварочного процесса позволяет получить качественные и прочные конструкции из разных видов металла и композитного материала. Это безопасный метод, которые не представляет угрозы для окружающей среды и человека. Но все же перед тем как его проводить стоит рассмотреть его важные особенности и нюансы.

Интересное видео

Статьи о радиотехнике, технологиях, чертежах, 3D-моделировании

Публикации для людей, интересующихся наукой и техникой

Диффузионная сварка в вакууме (ДС) широко используется при изготовлении изделий электронной техники и зачастую является важной технологической операцией в производственном цикле. Это объясняется тем, что ДС можно соединять между собой в твердом состоянии без ограничения соотношения толщин металлические и неметаллические материалы. Схема установки для проведения ДС в вакууме представлена на рис. 1.

Рис. 1. Схема типовой установки для диффузионной сварки:

1 - корпус камеры; 2 - основание; 3 - стол; 4 - свариваемые детали; 5 - шток;

6 - поршень; 7- цилиндр; 8 - гидравлическая система; 9 - нагреватель;

10 - источник тока; 11 - вакуумная система; 12 - загрузочный люк;

13 - смотровое окно; 14 - система водяного охлаждения

ДС в вакууме является одним из перспективных способов получения неразъемных соединений из разнообразных материалов. Наиболее ярко преимущества диффузионной сварки проявляются при соединении трудно свариваемых и разнородных материалов. Она входит в группу способов сварки давлением, при которых соединение получается за счет пластической деформации микронеровностей на поверхности свариваемых заготовок при температуре ниже температуры плавления. Отличительной особенностью является применение повышенных температур при сравнительно небольшой остаточной деформации.

ДС осуществляется в твердом состоянии металла при повышенных температурах с приложением сдавливающего усилия к месту сварки.

Выделяют несколько основных этапов формирования диффузионного соединения.

Первым этапом является физический контакт в результате сближения контактных поверхностей на расстояние порядка межатомных расстояний кристаллической решетки. При этом возникает физическое или слабое химическое взаимодействие, которое осуществляется за счет пластической деформации более пластичного из соединяемых материалов. Это обусловлено выходом дислокаций на соединяемой поверхности.

На второй стадии происходит образование активных центров на поверхности более твердого из соединяемых материалов. Стадия характеризуется без диффузионным взаимодействием, обусловленным микропластической деформацией. Схватывание происходит в местах, где дислокации выходят на контактную поверхность, энергетическое состояние атомов позволяет формировать новые химические связи. При этом кинетика активации контактных поверхностей зависит от температуры, повышение которой обеспечивает:

увеличение частоты выхода и скорости движения дислокаций на контактных поверхностях соединяемых материалов;
снижение прочности связей между атомами металлов и кислорода на контактной поверхности;
уменьшение высоты потенциального энергетического барьера, препятствующего образованию химических связей;
уменьшение модуля сдвига;
увеличение числа атомов, участвующих в образовании химических связей;
увеличение площади очагов схватывания.

На третьей стадии происходит объемное взаимодействие на границе соединяемых материалов.

Скорость взаимной диффузии и размягчение металлов ускоряется с повышением температуры сварки. Давление обеспечивает отсутствие пустот и разрушает окислы на поверхности металлов, что способствует процессу формирования новых химических связей и объемной диффузии. Время ДС обычно выбирается минимальным, так как активная диффузия может привести к сильному изменению химического состава на границе соединения.

Давление создаёт микропластическую деформацию в зоне контакта поверхностей материалов, что приводит к устранению микронеровностей, способствует инициации механизма ползучести и упрочнению в зоне контакта материалов. Важным фактором, влияющим на эффективность ДС, является использование промежуточных слоев, позволяющих разрешить ряд проблем, возникающих при соединении разнородных металлов:

уменьшение влияния различий в значениях коэффициентов линейного теплового расширения свариваемых материалов и, как результат, снижение остаточных напряжений;
уменьшение химической неоднородности на границе соединения;
снижение уровня основных параметров режимов сварки.

В зависимости от соединяемых материалов процесс ДС разнородных металлов вызывает изменения свойств основных металлов в зоне соединения.

Не каждую пару металлов можно качественно соединить. Поэтому обычно используют один или несколько промежуточных слоев металлов. Коэффициент термического расширения промежуточных слоев и основных металлов должен иметь равномерное изменение от одного основного металла к другому.

Диффузионная зона имеет оптимальные свойства, если область соединения металлов образует ряд твердых растворов, например, Cu-Ni, Ag-Au, Mo-Ti, V-Nb. Соединение таких металлов относительно легко контролировать, поскольку толщина диффузионной зоны не оказывает заметного влияния на механические свойства.

Свойства соединения ухудшаются, если в диффузионной зоне образуются интерметаллические фазы, как в бинарных сплавах с ограниченной растворимостью, например, Ti-Fe, Zr-Fe, Al-Fe.

ДС позволяет получать надежное соединение трудно свариваемых разнородных металлов, таких как тугоплавкие и химически активные, с конструкционными материалами. В последние десятилетия для ДС стали применять газостаты (установка для горячего изостатического прессования), используемые традиционно для уплотнения металлических отливок и формирования материалов порошковой металлургии.

Влияние технологических параметров процесса дс на качество соединения

Параметрами, определяющими процесс соединения при дс в вакууме, являются:

Глубина вакуума или степень разряжения атмосферы;
Температура сварки;
Давление сжатия;
Время сварки;
Шероховатость поверхности.

Существенное влияние на процесс диффузионного соединения оказывает шероховатость соединяемых поверхностей. Она влияет не только на создание физического контакта, но и в значительной степени определяет протекание диффузионных процессов за счет изменения тонкой структуры поверхностных слоев. Поэтому важное значение для получения качественного соединения имеют качество подготовки поверхностей. Предварительная обработка свариваемых деталей влияет не только на создание физического контакта, но и в значительной степени определяет протекание диффузионных процессов за счет изменения тонкой структуры поверхностных слоев.

Подготовка заготовок заключается в механической обработки, очистки от загрязнений и нанесения подслоев. Механическая обработка обеспечивает:

возможно, более плотное начальное прилегание свариваемых заготовок;
удаление с поверхности загрязненного слоя;
повышение размерной точности готового изделия;
возможность снижения температуры, давления и времени сварки с улучшением микрогеометрии поверхности.

Очистка поверхностей от загрязнений проводиться растворителями ацетон или спирт, путем нагрева и выдержки в вакуумной камере. В отдельных случаях применяют отжиг заготовок в среде водорода. Положительные результаты получают при обработке в растворах кислот H₂SO₄ и НCI с последующими промывкой и сушкой. При сварке изделий из некоторых сортов керамики после механической обработки заготовки отжигают. Для этого же проводят травление стекла в плавиковой кислоте.

Подготовка свариваемых поверхностей не исключает образование оксидов на поверхности металла. Однако этот фактор не всегда оказывает отрицательное влияние на протекание процесса, так как для большинства металлов нагрев в вакууме до температуры, используемой при сварке, и соответствующая выдержка во времени при этой температуре достаточны для самопроизвольной очистки свариваемых поверхностей от оксидов.

Высококачественные соединения можно получать, изменяя в определенных пределах значения каждого из этих параметров с соответствующей корректировкой других. При выборе их значений необходимо учитывать особенности свариваемых материалов и требования к изделию: возможность разупрочнения из-за роста зерна, ограничения по температуре нагрева и деформации изделия. Давление сжатия способствует формированию фактического контакта соединяемых поверхностей, а также их активации. Давление выбирают в диапазоне 0,8…0,9 МПа предела текучести при температуре сварки. Для известных конструкционных материалов оно может изменяться в диапазоне 1. 50 МПа. Для сварки тугоплавких и твердых материалов эти значения могут быть в несколько раз выше. Обычно при охлаждении деталей сжимающее усилие снимают при достижении температуры 100-400℃ (373-673К). Досрочное снятие сжимающего усилия при охлаждении деталей в некоторых случаях приводит к разрушению сварного соединения.

На практике находят применение индукционный, радиационный, электронно-лучевой нагрев, а также нагрев проходящим током. ДС в большинстве случаев проводится в вакууме. От глубины вакуума зависит скорость и качество зачистки соединяемых поверхностей от поверхностных плёнок. Чем выше степень вакуума, тем интенсивнее протекают эти процессы. Широко применяют в качестве защитных сред инертные - аргон и гелий и активные газы – водород или углекислый газ. Состав защитного газа подбирают исходя, в первую очередь, из химической активности системы металл-газ в условиях сварки.

Температура сварки является основным параметром процесса, она определяет условия термовакуумной очистки и образование физического контакта соединяемых поверхностей, влияет на скорость и характер протекания диффузионных процессов. При соединении разнородных материалов расчет ведется по температуре плавления наиболее легкоплавкого из них. В случае появления эвтектики температуру сварки выбирают ниже температуры ее плавления.

Время выдержки в зависимости от температуры, давления, допустимой остаточной деформации, чистоты обработки контактных поверхностей и деформационной способности материала может колебаться от нескольких секунд до нескольких часов. Оно определяет полноту протекания диффузионных процессов на завершающих этапах образования соединения. При сварке ряда сочетаний разнородных металлов и сплавов в зоне соединения могут образоваться хрупкие фазы, снижающие его прочность.

Широко распространённым технологическим приёмом для качественного соединения является использование прослоек тонких слоёв металла, которые помещаются между соединяемыми поверхностями. Промежуточные прокладки могут быть расплавляющимися и не расплавляющимися. Применение прослоек расширяет область применения этого сварочного процесса.

Промежуточные прокладки на свариваемые поверхности наносят с целью:

увеличения прочности сваривания;
предотвращения появления нежелательных фаз при сварке разнородных материалов;
облегчения установления физического контакта по всей свариваемой поверхности за счет использования подслоев из пластичных материалов;
снижения температуры и давления при сварке с целью уменьшения остаточных деформаций.

Материал барьерной прокладки должен выбираться с таким расчётом, чтобы коэффициент его диффузии в основной материал был выше, чем для элементов основного металла в прокладку.

В качестве расплавляющихся прокладок наиболее часто используют высокотемпературные припои. Их применение позволяет уменьшить давление сжатия и пластические деформации, облегчает удаление оксидных пленок, повышает эксплуатационные свойства соединений. Для низколегированных сталей применяют прокладки из меди и серебра, а для легированных – титан. Для соединения керамики с металлом используют сплавы с добавками активных металлов, окислы которых имеют более высокую теплоту образования, чем окислы.

Оборудование для диффузионно-вакуумной сварки

Установки для ДС в компоновочном отношении состоят из:

корпуса с вакуумной камерой;
системы вакуумирования;
системы для сжатия свариваемых деталей;
источника нагрева;
системы водяного охлаждения вакуумной камеры;
индуктора;
механического и диффузионного пароструйного вакуумного насосов;
аппаратуры управления и контроля.

Во всех установках для ДСВ применяют динамический принцип вакуумирования сварочной камеры. Для нагрева деталей используется высокочастотный индукционный способ. При этом способе детали, помещенные в магнитное поле индуктора, по которому протекает высокочастотный ток, нагреваются индуктированными в них вихревыми токами. Величина тока пропорциональна числу витков индуктора, магнитному потоку вокруг него, частоте тока в индукторе и обратно пропорциональна сопротивлению свариваемых деталей. Отличительной особенностью индукционного нагрева является бесконтактная передача энергии от индуктора к детали через зазор 1…20 мм. При этом теплота генерируется непосредственно в самих деталях как результат преобразования электромагнитной энергии.

Однако этот метод неприменим при сварке диэлектрических материалов: керамики, кварца, стекла. Рабочая вакуумная камера, в которой размещаются свариваемое изделие, нагреватели, механизм давления, выполняется обычно цилиндрической или прямоугольной формы из коррозиестойкой стали. Свариваемое изделие может располагаться на специальной опоре или в приспособлении. Необходимая сварочная сила создается гидравлическим устройством. Питание гидропривода производится от насосных масляных станций. В отдельных случаях сжатие заготовок обеспечивается специальными приспособлениями, принцип действия которых основан на различии коэффициентов линейного расширения материалов свариваемых заготовок и охватывающих их элементов приспособления. Такие приспособления позволяют вести сварку в серийно выпускаемых вакуумных печах.

Установка диффузионной сварки УДС-2 (рис. 2) предназначена для диффузионной сварки – пайки в вакууме деталей и узлов из различных материалов, в том числе из металлокерамики. Процесс сварки протекает за счет диффузионного соединения в условиях индукционного нагрева до температур порядка 70% температуры плавления наименее тугоплавкого материала с приложением давления, не вызывающего макропластическую деформацию деталей, в течение заданного промежутка времени.

Рис. 2. Установка для диффузионной сварки в вакууме УДС-2

В конструкцию установки входит трехслойный гидравлический пресс, рассчитанный на максимальное усилие 100 кН. Колонны пресса скреплены сверху траверсой, несущей на себе вакуумную камеру. Нижние концы колонн закреплены в литом чугунном основании, который служит одновременно корпусом привода перемещения дна камеры с гидроцилиндром, а также резервуаром для масла гидросистемы. На корпусе основания пресса с помощью кронштейна крепится гидравлический насос с электродвигателем. Рабочая камера установки сварена из стали марки Х18Н9Т, снабжена смотровым окном для ввода индуктора ТВЧ и патрубком для присоединения к вакуумной системе. Камера имеет двойные стенки и охлаждается водой.

Дно камеры закреплено на подвижном чугунном корпусе с шестью направляющими втулками, скользящими по колоннам. Дно камеры охлаждается водой. На плоскость толкателя камеры устанавливается пакет со свариваемыми деталями. Ниже дна камеры в центральном отверстии подвижной траверсы находится гидроцилиндр. Шток гидроцилиндра соединен с толкателем дна камеры. В средней части штока гидроцилиндра закреплен поршень с резиновыми манжетами, а нижняя часть служит плунжером.

Регулировка усилия сжатия пакета производится золотником, установленным в нижней крышке гидроцилиндра.

Преимущества и недостатки дс. Применение диффузионной сварки

Преимущества диффузионной сварки:

высокое качество соединения, механические свойства материала в зоне сварки близки к свойствам основного материала;
отсутствие коробления конструкции вследствие отсутствия остаточных напряжений в сварных швах;
исключение вакуумного отжига конструкции после сварки;
улучшение условий труда сварщиков.
после диффузионной сварки не нужна механическая обработка сварного шва, получаемые изделия обладают высокой точностью;
швы имеют высокие показатели механической прочности и пластичности.

К недостаткам метода следует отнести значительную длительность процесса, сложность оборудования, определенные трудности с загрузкой заготовок и выгрузкой готовых изделий из рабочей камеры при организации непрерывного процесса изготовления сварных изделий, требования достаточно высокой точности сборки и чистоты обработки свариваемых поверхностей, необходимость контроля температуры заготовки в зоне шва.

Недостатки диффузионной сварки:

необходимость создания сложного оборудования типа вакуумных камер;
длительность процесса сварки;
большая трудоемкость предварительной подгонки соединяемых деталей.

Процесс дс в вакууме применяют в тех случаях, когда другие способы сварки либо неприменимы. В наиболее полной мере достоинство дс проявляется при соединении разнородных материалов. Широко применяется для сварки разнородных металлов и сплавов.

Технологические возможности дс позволяют широко использовать этот процесс в приборостроительной и электронной промышленности при создании металлокерамических и катодных узлов, полупроводниковых приборов, при производстве штампов и т.п.

ДС находит применение для изготовления крупногабаритных заготовок деталей сложной формы, получение которых механической обработкой, методами обработки давлением или литьем невозможно, или неэкономично. Особенно эффективно такое применение диффузионной сварки в опытном и мелкосерийном производстве.

Перспективно получение многослойных пустотелых конструкций типа панелей из титановых или алюминиевых сплавов с наполнителем сложной формы методом совмещения диффузионной сварки и формообразования в режиме сверх пластичности.

Понравилась статья? Всё ли вам понятно? Хотел вам порекомендовать заглянуть на наш YouTube канал. Так же посмотреть уже готовые проекты на скачивание, среди которых чертежи, схемы и 3D-модели.

Читайте также: