Оборудование для диффузионной сварки

Обновлено: 04.10.2024

Аннотация. Безопасность работы энергосистем, снижение потерь электроэнергии и экономия материальных ресурсов во многом определяется надежностью электрических контактов. В статье дается краткое описание накопленного многолетнего промышленного опыта получения надежных контактов с помощью уникальных способов сварки и применения в разборных соединениях электропроводящей смазки ЭПС-98. Холодная сварка обеспечивает надежный контакт алюминия с медью, а диффузионная сварка в вакууме применяется, например, для соединения меди, керамики, серебра вольфрама в изделиях электротехники, успешно заменяя пайку, завальцовку, клепку, ручную дуговую сварку и аргонодуговую сварку токоведущих деталей высоковольтной и низковольтной аппаратуры.

Ключевые слова: надежность, электрический контакт, безопасность, холодная сварка, диффузионная сварка в вакууме, электропроводящая смазка.

Increase of reliability of electrical contacts

Abstract. The safety of the operation of power systems, the reduction of power losses and the saving of material resources are largely determined by the reliability of electrical contacts. The article gives a brief description of the accumulated long-term industrial experience in obtaining reliable contacts by using unique welding methods and using electrically conductive EPC-98 lubricant in demountable joints. Cold welding provides a reliable contact of aluminum with copper, and diffusion welding in vacuum is used, for example, for joining copper, ceramics, silver tungsten in electrical products, successfully replacing soldering, rolling, riveting, manual arc welding and argon-arc welding of live parts of high-voltage and low-voltage equipment.

Key words: reliability, electrical contact, safety, cold welding, diffusion welding in vacuum, electroconductive lubricant.

Выпуск

Год

Ссылка на статью

Технологический процесс холодной сварки металлов

Надежность электрических контактов обуславливает эффективность эксплуатации энергетического и промышленного оборудования, и в целом энергосистемы страны. Из-за некачественных контактов происходит их нагрев, возрастают потери электроэнергии и возникают аварийные ситуации.

По данным ФГБУ «ВНИИ Противопожарной Обороны» МЧС РФ, 50% возгораний на промышленных предприятиях и в жилом фонде происходит из-за неисправности электроустановок, при этом 50% пожаров электрооборудования обусловлено отказами электрических контактов.

Увеличение мощности промышленных предприятий и плотности электрических нагрузок требует применения сетей большого сечения. Такие сети могут быть выполнены либо параллельно проложенными кабелями, либо токопроводами. Применение токопроводов дает существенный экономический эффект.

В последние годы все чаще встречается термин «исчезающие металлы». В числе этих металлов одно из первых мест занимает медь, которая является основным проводниковым материалом в распределительных устройствах, токопроводах, электрических аппаратах и т.д.

Мировые земные запасы основных шести цветных металлов (алюминия, меди, свинца, никеля, олова и цинка) на январь 2010 года составляли, по данным экспертов [1], около 6 млрд. тонн, в том числе 85% запасов занимает сырье для производства алюминия, медь составляет 9% в общих объемах запасов, цинк – 3,5%, свинец и никель около 1%, олово – примерно 0,1%.

В настоящее время в электроустановках наряду с медью используется алюминий, удельная проводимость (проводимость, отнесенная к массе металла) которого в два раза выше удельной проводимости меди. Вместе с тем, повсеместное внедрение алюминия затрудняют его пониженные контактные свойства: текучесть и ползучесть металла под нагрузкой, образование на поверхности токонепроводящих окисных пленок Al2O3 и так далее.

В 2015 году ОК Русал совместно с ОАО «ВНИИКП» и ФГПУ ВНИИПО МЧС России разработана инновационная кабельно-проводниковая продукция с использованием гибких токопроводящих жил (ТПЖ) из специальных алюминиевых сплавов. В США проводниковая продукция с жилами из алюминиевых сплавов применяется в распределительных сетях сечением более 10-16 мм2. Для решения проблемы использования кабельно-проводниковой продукции с ТПЖ из алюминиевых сплавов сечением 2,5, 4,6 и 10 мм2 необходимо создать надежные конструкции и технологии выполнения контактных соединений.

Таким образом, разработка, исследование и создание надежных неразборных контактных соединений, а также современных технологий выполнения разборных контактов является весьма важной задачей.

В идеале, наибольшую надежность электрической сети обеспечивают цельнометаллические (неразборные) соединения. Однако, присоединение шин к плоским выводам сваркой может быть выполнено при условии одинаковых материалов вывода и шины, присоединяемой к выводу (медная шина – медный вывод, вывод из алюминия или его сплава – шина также из алюминия или его сплава). Осуществление сварки присоединений практически не отличается от сварки шин между собой. Для этих целей используются следующие способы сварки: полуавтоматическая аргонодуговая, аргонодуговая импульсная, ручная вольфрамовым электродом, ручная дуговая угольным электродом. Вместе с тем, на практике широкое распространение имеет контактная пара медь-алюминий. Достаточно указать необходимость присоединения алюминиевой ошиновки к медным выводам электротехнических устройств или, например, алюминиевой обмотки трансформатора к медной ошиновке. Создание надежного контактного соединения медь-алюминий во многом связано с разработкой способа их сварки. Следует отметить, что использование вышеупомянутых способов сварки этих металлов весьма затруднено из-за образования в сварном шве при нагреве интерметаллидов, обусловливающих хрупкость соединений.

Единственным способом сварки, обеспечивающим надежный и прочный неразъемный контакт меди с алюминием, является холодная сварка давлением.

Уникальность этого способа сварки состоит в том, что сварка происходит без внешнего нагрева, только за счет совместной пластической деформации соединяемых металлов. Для этого необходимо приложить давление, значительно превосходящее предел текучести металла. Прочность холодносварного соединения превышает прочность целого металла при любых видах механических испытаний образцов [2]. Получить аналогичный результат любым другим способом сварки принципиально невозможно.

Преимуществами процесса являются:

-отсутствие газовых выделений и брызг расплавленного металла.

Холодная сварка заменяет ручной труд сварщика и позволяет получать также соединения однородных металлов алюминий-алюминий, медь-медь.

Результаты многолетних работ [2] в 60-х-80-х годах прошлого столетия позволили в достаточно широких масштабах внедрить холодную сварку в электротехническую и электроэнергетическую отрасли СССР. Были разработаны следующие способы оконцевания выводов алюминиевых токопроводов и обмоток электроустановок медью с помощью холодной сварки:

- приварка встык к алюминиевым шинам и проводам короткомерных медных отрезков того же сечения;

- армирование концов алюминиевых шин и наконечников тонкими медными накладками точечной холодной сваркой;

- получение тавровых и угловых соединений, соединений типа шпилька с пластиной [3, 4].

В настоящее время машины стыковой холодной сварки МСХС-120.0 модернизированы: релейная система управления изменена на микропроцессорную, применена современная гидроаппаратура. Эта машина успешно внедрена в 2014 году на ОАО «Тольяттинский трансформаторный завод» (г.Тольятти) для оконцевания алюминиевых обмоток трансформаторов медью (рис.1).

Рисунок 1. Медно-алюминиевый холодносварной переходник.

Несмотря на очевидные преимущества использования холодной сварки в электротехнике и энергетике, её применение в промышленности России в настоящее время весьма незначительно. Широкому внедрению процесса холодной сварки, по нашему мнению, мешает отсутствие на предприятиях информации об этом уникальном способе сварки, некомпетентность технического персонала (конструкторов и технологов), а в ряде случаев - сложное финансовое положение предприятия.

Ещё одним прогрессивным способом сварки, позволяющим резко улучшить надежность электрических контактов, является диффузионная сварка в вакууме.

Диффузионная сварка - способ соединения разнородных и однородных металлов, сплавов, неметаллических материалов в твердой фазе, осуществляемый путем диффузии атомов через поверхность стыка под воздействием температуры и давления.

К преимуществам процесса относятся:

- малые деформации (5-7 %) свариваемых деталей;

- отсутствие расходных материалов (припои, флюсы, пасты);

- возможность получения нахлесточных соединений с большой площадью сварной зоны;

- единственно надежный способ получения гибких медных компенсаторов, шин и связей путем омоноличивания площадок под болтовое соединение;

- получение изделий с безупречным внешним видом из-за отсутствия на них после сварки окалины, грата и следов побежалости.

Диффузионная сварка

Наибольшее применение диффузионная сварка нашла в электротехнике, где заменяет пайку, завальцовку, клепку, ручную дуговую сварку и аргонодуговую сварку токоведущих деталей из меди, серебра, вольфрама и керамики высоковольтной и низковольтной аппаратуры.

Диффузионная сварка медных контактных групп (рис. 2) автоматических выключателей, взамен их пайки и клепки, позволила улучшить технические характеристики, безопасность эксплуатации, снизить потери электроэнергии в автоматических выключателях серии ВА53-41 и ВА55-41 производства Курского электроаппаратного завода (ОАО «КЭАЗ», г. Курск).

Рисунок 2. Контактная группа автоматического выключателя ВА 55-41.

Надежность работы электрических сетей возрастает в случае применения гибких медных компенсаторов (КШМ), выполненных диффузионной сваркой в вакууме.

В контакт-детали компенсатора под болтовой разьем все медные ленты толщиной 0,1-0,2 мм, из которых изготовлен компенсатор, сварены между собой по всей поверхности их соприкосновения с образованием монолита. Эти компенсаторы, обладают стабильно низким электросопротивлением, не более 5 мкОм, и повышенной гибкостью.

Наряду с неразборными (сварными) соединениями, разборные (болтовые) соединения составляют примерно половину всех контактных соединений.

С точки зрения теории надежности болтовые контактные соединения можно отнести к изделиям с деградационными отказами, связанными с постепенным изменением ресурсного параметра – электрического сопротивления соединения или его температуры.

Не вдаваясь в теорию электрических контактов [5], укажем, что для стабилизации электрического сопротивления разборных соединений применяют различные средства его стабилизации (тарельчатые пружины, цветной крепеж, защитные металлопокрытия и т.д.)

При монтаже новых соединений или при достижении контактными соединениями температур или значений сопротивлений, регламентированных ГОСТ 10434, рекомендуется применять электропроводящую смазку ЭПС-98 (рис.3).

Рисунок 3. Электропроводящая смазка ЭПС-98 для разборных электрических контактов.

Смазка ЭПС-98 представляет собой смесь масла (силиконовое, полиэфирное или минеральное), высокодисперсного металлического порошка (медь или никель), присадки в виде неорганической тиксотропной добавки и стабилизирующих компонентов.

Применение металлического порошка увеличивает фактическую площадь касания контактных соединений и повышает термостойкость смазки [6].

В качестве стабилизирующих добавок смазка содержит антиоксиданты и/или ингибиторы коррозии.

Применение в электропроводящей смазке неорганической тиксотропной добавки позволяет регулировать ее вязкость, добиваясь получения оптимальной текучести.

Наиболее эффективным методом диагностики состояния контактных соединений является визуальный контроль температуры, выполняемый дистанционными электротермометрами или различными индикаторами. Весьма эффективно контроль температуры соединений осуществлять с помощью специальных термоиндикаторов и термоиндикаторных композиций. Термоиндикаторы – это сложные вещества, которые при достижении определенной температуры резко изменяют свой цвет за счет химического взаимодействия компонентов. Изготавливаются они в виде наклеек разного (необходимого) размера с разным диапазоном температур (от 40 до 260 °С). Термоиндикаторы могут быть нереверсивные одноразовые или реверсивные многоразовые. Наклеиваться могут на любую поверхность, в том числе на вогнутую и выпуклую, как обычный стикер. Термоиндикаторные композиции, изменяющие окраску на воздухе при изменении температуры поверхности, наносятся кистью. Обратимые термоиндикаторные композиции изменяют цвет с повышением и понижением температуры; необратимые – изменяют цвет с повышением температуры, а при охлаждении цвет не изменяется.

Выводы:

Предложенные в статье способы выполнения неразборных и разборных электрических контактных соединений, в том числе из разнородных металлов, в сочетании с систематическим контролем температуры нагрева (или электрического сопротивления) обеспечивают их требуемую надежность, пожаробезопасность и экономичность. Это, в свою очередь, расширяет возможности применения алюминия в электротехнике и электроэнергетике, заменяя дефицитную и дорогую медную ошиновку на алюминиевую, медные провода на алюминиевые.

Список использованной литературы:

2. Стройман И.М. Холодная сварка металлов. Л., Машиностроение, 1985, 224 с.

3. Холодная сварка шпильки с пластиной. И.М.Стройман, Ю.К.Морозов. - Автоматическая сварка, 1981, №8, с. 54-57.

4. Холодная тавровая сварка алюминия и меди. И.М. Стройман, Ю.К.Морозов. - Электротехника, 1982, №5, с. 44-46.

5. Хольм Р. Электрические контакты, М, изд-во иностр. лит., 1961, 461 с.

6. Дзекцер Н.Н., Висленев Ю.С. Многоамперные контактные соединения. Л., Энергоатомиздат, 1987, 128 с.

Авторы:

Дзекцер Наум Наумович - кандидат технических наук. В 1960 г. окончил Ленинградский институт водного транспорта.

Место работы: ООО" Системы энерго-экологической безопасности"(ООО"СЭЭБ")-научный руководитель;

Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого - старший научный сотрудник,

доцент кафедры "Атомная и тепловая энергетика";

Ученый секретарь секции "Энергетика" НТС Санкт-Петербурга;

Член Международного Оргкомитета по электрическим контактам

Морозов Юрий Константинович - кандидат технических наук. В 1970 г. окончил Ленинградский политехнический институт им. М.И.Калинина.

Место работы: ООО "ПФ"Сварка-Контакт-Сервис" ( ООО"ПФ"СКС") - технический директор

Стройман Иосиф Маркович - кандидат технических наук. В 1951 г. окончил физический факультет Ленинградского университета

Лауреат Государственной премии СССР (1986г.)

Authors:

Dzektser Naum Naumovich

Morozov Yuri Konstantinovich

Stroyman Iosif Markovich

НПФ «Сварка-Контакт-Сервис» приглашает Вас к долгосрочному сотрудничеству. Мы предлагаем Вам качество, низкие цены и экономический выигрыш.

Оборудование диффузионной сварки

Осуществляется при твердом состоянии металла и повышенных температурах с приложением сдавливающего усилия к месту сварки. В начальной стадии процесса на линии раздела двух деталей для возникновения металлических связей необходимо обеспечить тесный контакт свариваемых поверхностей и создать условия для удаления поверхностных пленок оксидов, жидкостей, газов и различного рода загрязнений Использование повышенных температур приводит к уменьшению сопротивления металла пластическим деформациям, и имеющиеся в зоне действительного контакта выступы на металле деформируются при значительно меньших нагрузках, что облегчает сближение атомов металла на всей площади свариваемой поверхности.

Удаление поверхностных пленок и предупреждение возможности образования их в процессе сварки достигается использованием вакуумной защиты и тщательной предварительной зачисткой свариваемых поверхностей. На второй стадии процесса диффузионной сварки происходит взаимная диффузия атомов свариваемых металлов. Это приводит к образованию промежуточных слоев, увеличивающих прочность сварного соединения.

Рис. 1. Схема установки для диффузионной сварки в вакууме

Схема процесса диффузионной сварки в вакууме представлена на рис. 1. В вакуумной охлаждаемой камере 7 на столе 1 размещают свариваемое изделие 3 и нагреватель 2. Для сдавливания деталей в процессе сварки используют механизм сжатия, состоящий из штока 4 и механизма нагружения 5. Шток проходит через вакуумное уплотнение 6 или сильфон. Сварка происходит в вакууме 133 • 10 —3 . . .133 • 10 —5 Н/м 2 .

После откачки из камеры воздуха изделие нагревают — обычно токами высокой частоты — до температуры сварки. Для однородных металлов она, как правило, должна составлять от 0,5 до 0,7 температуры плавления металла или сплава Для получения качественного соединения необходимо обеспечить равномерный нагрев свариваемого изделия по всему сечению.

Усилие сжатия прикладывают после выравнивания температуры и поддерживают в течение всего процесса Давление изменяется от 2,9 до 98 МН/м 2 . Продолжительность выдержки под нагрузкой зависит от многих факторов и может достигать десятков минут Сжимающее усилие снимают при остывании деталей до температуры 100. . .400 °С.

Сварочные установки

Сварочные диффузионные установки имеют следующие основные узлы: сварочную камеру, вакуумную систему, механизм давления, приводимый в действие гидравлическим насосом, пульт управления электрической и вакуумной системами. Давление контролируют манометром. Для уменьшения нагрева стенок сварочной камеры на ней имеется водяная рубашка и охлаждаемый промежуточный шток. В качестве источника нагрева в установках обычно используют генератор ТВЧ.

На рис. 2 представлена типовая вакуумная система, оборудованная на сварочной установке СДВУ-6М. Она состоит из сварочной камеры 1 с вентилем 10 для пуска воздуха. К камере через высоковакуумный затвор 9 присоединен паромасляный насос 8. Предварительное разрежение в системе создается двумя механическими вакуумными насосами 6, которые могут работать как последовательно, так и параллельно, что обеспечивается переключением вентилей 3 и 4. Механические насосы подключают к вакуумпроводам 5 через сильфонные компенсаторы 7. Разрежение в сварочной камере и в патрубке паромасляного насоса замеряется вакуумметрическими датчиками 2.

Рис. 2. Принципиальная вакуумная схема диффузионной установки

Рис. 3. Установка типа А306-06 для диффузионной сварки в вакууме и контролируемой газовой среде

На рис. 3 показана двухпозиционная установка А306-06 для диффузионной сварки металлических и металлокерамических узлов электровакуумных приборов. Установка состоит из двух блоков, работающих независимо друг от друга. В каждый из блоков входят вакуумная камера, система откачки, механизм перемещения дна камеры, гидравлическая система, система охлаждения и электроаппаратура, управляющая работой всех узлов. Рабочая камера имеет диаметр 350 мм и высоту 440 мм. На установке можно сваривать изделия диаметром до 120 мм, высотой до 180 мм. Усилие сжатия свариваемых деталей достигает 198 кН. Максимальная температура нагрева свариваемых деталей 1300 °С. Продолжительность сварки регулируют ступенчато в пределах 22. . .25 мин. Остаточное давление воздуха в камере 266,6 • 10 -4 Н/м 2 . Воздух из рабочей камеры откачивается вакуумными насосами ВН-2 и Н5С.

Механизм сжатия свариваемых деталей — гидравлический. Электрическая схема установки обеспечивает дистанционное управление откачкой вакуумных камер, механизмами перемещения дна камер, системой охлаждения. Температура нагрева свариваемых деталей поддерживается электронным терморегулятором Продолжительность сварки задается электронным реле времени. Детали нагреваются с помощью ТВЧ.

Диффузионная сварка

Диффузионная сварка – это разновидность сварки давлением, осуществляемая путем взаимной диффузии атомов контактирующих изделий при длительном нагреве и незначительной деформации. Процесс может осуществляться с использованием индукционного нагрева, нагрева в расплаве солей или нагрева тлеющим разрядом. Наиболее часто применяется индукционный нагрев. Как правило, диффузионную сварку проводят в вакууме. Однако принципиально возможно осуществление сварки в атмосфере защитных или восстановительных газов.

На рисунке 1 представлена принципиальная схема установки для диффузионной сварки.

Рисунок 1 — Схема установки для диффузионной сварки

Установка включает верхний 1 и нижний 9 силовые цилиндры, промежуточные штоки 2, 8, шаровую опору 3, вакуумную камеру 4, индуктор 5, водоохлаждаемый стол 7. Свариваемые изделия 6 устанавливаются на стол 7, расположенный в вакуумной камере 4 и сжимаются гидроцилиндрами. При необходимости свариваемые изделия могут перемещаться вверх или вниз относительно индуктора. Источником нагрева служит высокочастотный генератор. Сжимающее усилие обеспечивается гидросистемой. После сварки изделия охлаждаются в вакуумной камере до комнатной температуры. Технологическими параметрами являются температура, давление и время выдержки.

Температура сварки должна обеспечить большую скорость пластического деформирования и развитие диффузионных процессов, она составляет 0,5-0,7 от температуры плавления. Для жаропрочных сплавов и тугоплавких металлов температура сварки может быть несколько выше. Такая температура необходима для ускорения взаимной диффузии атомов материалов через поверхность стыка и для обеспечения некоторого размягчения металла, которое способствует смятию неровностей поверхности.

Давление призвано обеспечить полноту контакта поверхностей, исключить пустоты в области стыка, разрушить и удалить поверхностные окисленные слои. Оно должно быть достаточным, чтобы осуществить деформацию микронеровностей и обеспечить максимальную фактическую площадь контакта. Оптимальное значение давления примерно равно пределу текучести свариваемых материалов при температуре сварки.

Время выдержки при заданных температуре и давлении должно быть минимальным, что обосновано как физико-механическими, так и экономическими критериями. Для получения прочного соединения время выдержки определяется установлением плотного контакта между соединяемыми поверхностями и минимальной диффузией атомов через поверхность соединения. Значительная диффузия может привести к образованию пустот в зоне соединения, а при сварке разнородных металлов и сплавов к образованию интерметаллических связей.

В зависимости от свойств свариваемых материалов степень разрежения в вакуумной камере выбирают в диапазоне 1,3 · 10 -2 — 1,3 · 10 -4 Па. При сварке малоуглеродистых сталей, меди, никеля требования к остаточному давлению менее жесткие. Присутствие в сплавах хрома, алюминия, титана, вольфрама и других активных элементов приводит к необходимости снижения остаточного давления.

В качестве контролируемых атмосфер применяют осушенные аргон, гелий, очищенные водород, азот или смесь азота с 6–8 % водорода.

На воздухе сваривают малоуглеродистые и некоторые инструментальные стали. При этом контактные поверхности заготовок после механической обработки защищают от окисления консервирующим покрытием: эпоксидной смолой или глицерином. При нагреве зоны стыка в процессе сварки покрытие выгорает без остатка, а образующиеся газы защищают зону сварки от окисления.

Состав соляных ванн для диффузионной сварки определяется необходимой температурой, например, 850–870 0 С при использовании расплава NaCl, 1000–1150 0 С – при BaCl₂.

Предварительная обработка поверхности должна обеспечить максимальную фактическую площадь контакта свариваемых поверхностей, шероховатость которых должна быть не более Ra 1,25 мкм. Предпочтительно применение механической обработки.

При сварке материалов, образующих в контакте интерметаллидные фазы, необходимо применение барьерных прослоек. Для этого могут быть использованы гальванические покрытия или фольговые прокладки, изготавливаемые по форме площади контактирования. Основное требование при выборе покрытий или прокладок – совместимость с каждым из свариваемых сплавов.

Особое место в технологии диффузионной сварки занимают расплавляющиеся прослойки. Жидкая фаза в зоне соединения образуется за счет применения прослоек, имеющих температуру плавления ниже температуры плавления свариваемых материалов. Наличие жидкой фазы в зоне контакта позволяет ограничить деформирующую нагрузку, снизить температуру сварки, активизировать процесс формирования контакта, что важно при соединении трудно деформируемых жаропрочных сплавов, керамик, сложнолегированных сплавов и других материалов.

Диффузионной сваркой получают все типы соединений, известные в практике сварки (рис. 2). Технологические возможности диффузионной сварки позволяют широко использовать этот процесс в приборостроении, при создании металлокерамических узлов, катодных узлов, полупроводниковых систем.

Диффузионная сварка находит применение для изготовления крупногабаритных заготовок сложной формы, получение которых механической обработкой, методами обработки давлением или литьем невозможно или неэкологично.

Путем соединения простых по форме элементов, изготовленных из стандартных полуфабрикатов, можно существенно повысить коэффициент использования металла, а в ряде случаев, получить сложные заготовки из разнородных металлов, которые практически невозможно изготовить другими методами сварки. Особенно эффективно применение диффузионной сварки в опытном и мелкосерийном производстве. При этом используются открытые прессы в сочетании с герметизированными камерами. Диффузионная сварка позволяет создавать прочные соединения не только однородных, но и разнородных металлов и сплавов. Это надежный способ соединения твердых сплавов между собой и со сталями, пористых неметаллических, малопластичных, тугоплавких, нерастворимых друг в друге материалов. Диффузионной сваркой производится соединение сложных и точных конструкций для химической промышленности (высота 3 м, диаметр 1,8 м), металлокерамических герметичных вводов, высокостойких штампов, упругих элементов датчиков, вольфрамовых сопел, лопаток и дисков турбин, пористых труб и т. п.

Технология диффузионной сварки

Процесс основан на диффузии двух свариваемых поверхностей, осуществляемой на молекулярном уровне. Одна из областей применения диффузионной сварки – изготовление компенсаторов, которыми оснащаются шинные пластинчатые КШМ из меди. Диффузионная сварка обеспечивает создание однородных контактных площадок на основе пластин из меди, по сути, представляющих собой монолит.

Технология диффузионной сварки подчиняется ГОСТу 26011-74, сам процесс осуществляется под давлением при одновременном нагреве свариваемых поверхностей с применением защитной среды. Перед началом всех операций свариваемые поверхности обезжириваются ацетоном, а также подвергаются механической обработке (с целью обеспечения 6-го класса шероховатости).

Нагрев деталей производится до температуры, значение которой составляет 0,5 – 0,7 от температуры перехода свариваемого металла в жидкое состояние. Это позволяет поднять эффективность диффузионных процессов, увеличить их скорость, сделав свариваемые поверхности более пластичными. Если эффективность диффузионной сварки по тем или иным причинам бывает недостаточной, между свариваемыми поверхностями размещают наполнитель (фольгу, изготовленную из специального припоя, или порошок фтористого аммония). Если используется фольга, то ее фиксация производится с помощью контактной сварки. При нагреве до определенной температуры сварочный материал расплавляется.

Нагрев свариваемых поверхностей осуществляется с помощью различного оборудования. Для этого применяется электронно-лучевой, индукционный или же радиационный нагрев. Также применяется технология нагрева за счет сопротивления проходящим токам или же используется тлеющий разряд, возникающий в среде расплавленных солей.

Давление в сварочной камере отрицательно: от - 10 до 2 мм рт. ст. В качестве защитной среды в этом случае выступает вакуум или инертный газ, которые защищают свариваемые поверхности от зашлаковывания.

При сварке детали прижимаются друг к другу. Давление сжатия достигает 4 кгс/мм². Благодаря давлению происходит уничтожение оксидных пленок с их последующим удалением, а также разрушение шлака, образовывающегося на поверхности металла при нагреве. Это создает условия для максимального сближения свариваемых поверхностей (позволяет им взаимодействовать на молекулярном уровне), а также создает условия для активизации диффузионных процессов с последующей рекристаллизацией металлических поверхностей. Технологически, диффузионная сварка в различных ситуациях может отличаться режимами (в частности – давлением):

сварка при высоком давлении (более 20 МПа) – предполагает интенсивное силовое воздействие;
сварка при низком давлении (до 2 МПа включительно) – предполагает силовое воздействие низкой интенсивности.

Стадии диффузионного процесса

Данная технология предполагает осуществление двух основных стадий:

Сближение свариваемых поверхностей на расстояние, при котором начинают проявляться межмолекулярные взаимодействие (сжатие).
Формирование сварного соединения, возникающее под влиянием процессов релаксации.

В отличие от традиционной сварки (например, электродуговой), где шов формируется благодаря стороннему металлу, подводимому к свариваемым поверхностям с помощью электрода, диффузионная сварка обладает определенными преимуществами. Здесь следует отметить образование однородного шва и отсутствие отклонений от первоначальных физико-химических характеристик материала.

Характеристики сварного соединения:

сплошной однородный шов, не имеющий раковин и прочих пространственных дефектов;
отсутствие окислов;
стабильные механические характеристики.

В зоне соединения свариваемых поверхностей полностью сохраняется целостность кристаллической решетки. Это обусловлено тем, что диффузия является процессом естественным, при котором молекулы одного вещества перемешиваются с молекулами другого.

Недостатки диффузионной сварки

Основной недостаток – необходимость в тщательной подготовке, а также в обеспечении определенных условий:

весь процесс, от начала и до конца, должен протекать в условиях вакуума;
перед началом процесса свариваемые поверхности должны быть тщательно очищены.

Преимущества диффузионной сварки

нет необходимости в использовании припоев, электродов и прочих расходных материалов;
нет необходимости в последующей механической обработке сварочного шва;
высокое качество сварочного соединения;
сравнительно невысокие энергозатраты;
возможность сварки деталей различной толщины (от долей миллиметра до нескольких метров);

В каких отраслях используется данная технология

Одно из преимуществ диффузионной сварки, которое во многом определяет сферу ее применения, заключается в возможности сваривания поверхностей из разнородных материалов. Словом, характеристики свариваемых поверхностей могут отличаться кардинально, например, пористые материалы посредством диффузионной сварки могут легко свариваться с материалами слоистыми. Также благодаря означенной технологии можно сваривать материалы, которые при обычных условиях друг в друге не растворяются (например, тугоплавкие стали с непластичными чистыми металлами). Словом, диффузионная сварка позволяет образовывать прочные соединения между двумя деталями, сварить которые посредством традиционной сварки не представляется возможным. При этом сваривать однородные материалы с ее помощью также допускается.

Предлагаем вашему вниманию несколько примеров сварки неоднородных материалов:

сварка стали с титаном;
сварка меди с молибденом;
сварка разнообразных сплавов с жесткими углеродистыми материалами (например, с графитом);
сварка ферритов со стеклом и прочее.

Используемое оборудование

Технология сварки предполагает использование оборудования с различным уровнем вакуумирования:

низкий уровень – до 10-2 мм рт. ст.

средний уровень – от 10-3 до 10-5 мм рт. ст.;
высокий уровень – более 10-5 мм рт. ст.;

Также оборудование предполагает использование защитных газов при различном уровне давления.

Помимо вакуумного используется нагревательное оборудование, обладающее различным принципом действия:

индукционный нагрев и нагрев ТВЧ;
электрический контактный нагрев;
радиационный нагрев.

Оборудование, создающее давление прижима, бывает механическим и гидравлическим. Управляются они в ручном, полуавтоматическом и автоматическом режимах. Автоматическое управление осуществляется на предприятиях, работающих на серийные и массовые объемы производства.

Оборудование для диффузионной сварки

Научно-производственная фирма «Сварка-Контакт-Сервис» проектирует, изготавливает и внедряет оборудование для диффузионной сварки одноименных и разноименных металлов и сплавов.

Специализированные установки и машины диффузионной сварки состоят из:

Источника питания;
Электрической и вакуумной систем;
Системы охлаждения стенок вакуумной камеры, свариваемых деталей и электродов;
Гидравлической или пневматической системы привода усилия сжатия деталей;

Охлаждение сваренных деталей производится холодной проточной водой или по замкнутому циклу с помощью специальных медных охладителей.

Система управления установкой выполняется на базе релейной или микропроцессорной техники.

Установки полуавтоматические с производительностью до 2000-3000 сварок в месяц.

После установки вручную свариваемых деталей в вакуумную камеру и закрытия дверцы камеры, нажимается кнопка «ПУСК» и осуществляется автоматический цикл работы.

Производятся следующие операции:

Откачка воздуха из камеры;
Сжатие электродов;
Нагрев деталей и их сварка;
Разжатие электродов;
Охлаждение сваренной детали до комнатной температуры;
Напуск воздуха в камеру и открытие дверцы камеры.

Одна сварочная установка (при условии ручной установки деталей) может использоваться для сварки различных деталей. При этом меняется только сварочная оснастка, а технические параметры установки должны обеспечивать технологические параметры сварки данной детали.

Для обеспечения работы оборудования диффузионной сварки необходимо иметь:
- трехфазное питание, потребляемая мощность до 250 кВА;
- сжатый воздух, давлением 4-6 атм;
- проточную воду, температурой + 10-15° С, расход охлаждающей воды 900-1200 л/ч

Работа специализированной установки диффузионной сварки подвижных контактов автоматического выключателя ВА-50 (ОАО «Электроаппарат», г. Курск) представлена:

«Сварка-Контакт-Сервис» предлагает проектирование, изготовление и внедрение оборудования для диффузионной сварки.

Читайте также: