Особенности технологии диффузионной сварки металлов

Суть диффузии — взаимное проникновение атомов веществ. Открытие и начало изучения явления датируется началом XIX века (Р. Броун, А. Фик).

В 1953 г. советский ученый Николай Казаков представил разработку метода использования этого процесса для соединения различных материалов. Диффузионная сварка в считанные годы получила всемирное признание, широкое промышленное применение.

Сущность

Самое простое определение этого процесса — получение монолитного соединения материалов за счет образования связей на атомарном уровне, которое обеспечивается взаимной диффузией соприкасающихся веществ.

Общая схема действий следующая.

Соединяемые детали тщательно зачищают, прижимают друг к другу для обеспечения максимально полного контакта и нагревают. Скорость движения атомов веществ возрастает, они диффундируют, взаимопроникая в месте соприкосновения веществ, образуя новые атомарные связи.

При этом детали фактически срастаются, образуя соединение, не отличающееся прочностью от основного материала.

Кроме того, достигаются результаты невозможные для других процессов. К примеру: соединение высокопрочных легированных сталей с титаном, чугуном, алюминием. Становится возможным объединение металлов с неметаллами, например железа с керамикой, никеля с кварцем и т.п.

Механика сварки диффузионным методом позволяет соединение как мельчайших деталей, так и огромных конструкций. Выполняет сопряжение тончайших слоев, создает композитные элементы из материалов различных свойств.

Область применения

В приборостроении методика позволяет соединять металлы с полупроводниками, стеклом, керамикой. Обеспечивать абсолютно герметические стыки различных материалов.

Принцип диффузии используется и при сварке пластиков, к примеру полипропиленовых труб.

Диффузионным методом удается соединять конструкции весом порядка 70 тонн, длиной, превышающей 50 м. Использование диффузионной сварки позволяет выполнять соединение конструкций значительных размеров: корпуса морских судов, самолетов и пр. При этом качество превышает любой другой способ.

Возможность наваривать тончайшую (порядка 3 мкм) фольгу позволяет изготавливать уникальные композитные материалы. С покрытием металлом, имеющим высокие отражающие и антикоррозийные свойства, например — никелем. Создавать целые композитные листы, блоки из металлов с керамикой.

При этом подобные элементы могут иметь десятки слоев, демонстрируя уникальные свойства.

Встречается ошибка, когда к сварке методом диффузии относят диффузионные горелки устройство и принцип работы, которых хотя и основан на схожих процессах, но отношения к ней не имеет.

Совмещение с процессом формообразования деталей

В процессе диффузионной обработки детали нагреваются до температуры, при которой металл переходит в пластичное состояние. Эта особенность нашла свое применение для совмещения сварки с пластичным формованием.

Детали не только прижимают, но при необходимости деформируют, используя матрицы различных форм.

В результате получают деталь заданной формы, имеющую композитное покрытие, либо состоящую из различных веществ.

Преимущества и недостатки

Любой технический процесс связан с определенными ограничениями. Технология диффузионной вакуумной сварки не исключение, имея как достоинства, так и недостатки.

К первым относятся:

  1. Экологичность. Процесс не создает химических, радиационных, либо электромагнитных воздействий. Не создает пыли, брызг вещества.
  2. Отсутствуют расходные элементы в виде электродов, проволоки, припоя, различных флюсов.
  3. Соединение имеет прочность основного материала. При этом термические воздействия не столь велики, чтобы существенно ослабить прилегающую к соединению зону (как это происходит у электросварки).
  4. Диффузионный метод позволяет соединять микроскопические детали, соединение которых другими способами невозможно, либо затруднительно.
  5. Между соединяемыми веществами не требуется электрического контакта (что позволяет соединение диэлектриков).

Из основных минусов можно выделить:

  1. Сложность технологии, необходимость громоздкого оборудования, в частности вакуумной камеры, устройств измерений, контроля и управления процессом.
  2. Необходимость тщательной подготовки поверхностей соединяемых деталей.
  3. Отсутствие достаточно проработанной теоретической базы процесса.

[stextbox id=’info’]Механик технолог Пархоменко А.Н., стаж работы 22 года:«Сварка дает отличные результаты, но только при тщательном подходе. Подробная технологическая карта, причем на конкретное оборудование — обязательное условие».[/stextbox]

Способы использования и режимы

В процессе сварки детали сжимают с давлением порядка 1,5-2 кгс/мм2, а также нагревают до температуры 0,5 до 0,7-0,75 величины плавления их материала. При этом микронеровности поверхности сминаются, повышая площадь истинного контакта, т.е. площади на которой соприкасаются детали.  Кроме того, разрушаются окисные пленки, выдавливаются загрязнения, в том числе газообразные.

Процесс происходит с откачкой воздуха из сварочной камеры. При этом различают три режима вакуума:

  • низкий — давление порядка 10-2мм.рт. столба;
  • средний — 10-2 – 10-5 мм. рт. столба;
  • высокий — больше 10-5 мм. рт. столба.

Кроме вакуума рабочей средой может выступать обезвоженный инертный газ (аргон, гелий), а также водород.

В зависимости от материалов, размеров деталей разнится время выдержки в сжатом состоянии. Составляя от нескольких секунд, до часов.

Оборудование

Устройство агрегатов для диффузионной сварки значительно разнится, но основные элементы схожи. Все устройства имеют:

  1. Вакуумную камеру с устройством откачки воздуха.
  2. Механизм сжатия. Он состоит из пуансонов, непосредственно упирающихся в заготовку, а также устройства привода, обеспечивающего усилие. В настоящее время используют два основных типа: механический и гидравлический.
  3. Устройства нагрева. Для него используют самые различные принципы: индукционные, дуговые, плазменные, светолучевые, электроконтактные. Источники, использующие топливо, к примеру диффузионная горелка как источники нагрева не подходят.
  4. Устройства контроля и управления.

В настоящее время число типов аппаратов для диффузной сварки превышает 60 наименований, которые разделяют на два основных класса: установки с полным или частичным вакуумированием. В первом типе деталь полностью находится в камере, во втором частично.

В качестве примера первого типа популярный в приборостроении полуавтомат СДВУ-12 для изготовления небольших деталей.

Установка позволяет изготавливать биметаллические детали из нескольких слоев различных материалов. Для предотвращения прилипания заготовок к рабочим пуансонам используют прокладки из обезвоженной слюды.

Пример установки с частичным вакуумированием — СДВУ-21, для сварки проволоки до 6 мм не ограниченной длины.

Подготовка деталей

Подготовка металлических деталей для диффузионной сварки заключается в зачистке и шлифовке мест соединения, защите их от окисления.

В ряде случаев, между соединяемых деталях прокладывают промежуточный слой.

Его задачи:

  • компенсация разницы температурных расширений;
  • снижение величины остаточных напряжений;
  • ускорение процессов диффузии;
  • повышение истинного контакта;
  • предохранение от окисления и т.д.

В процессе работы слой выдавливается, либо диффундирует, становясь частью соединения.

К примеру, для сварки титана и его сплавов используют прокладку в виде фольги либо напыления, материал в которой медь, хорошо диффундирует с титаном.

[stextbox id=’alert’]Важно! Не допускается как уменьшение, так увеличение параметров: времени выдержки, давления, температуры. Например, при излишнем времени контакта на месте стыка могут образоваться пустоты, при недостаточном давлении останутся мелкие пустоты.[/stextbox]

Техника безопасности

Как следует из материала статьи, специфических травмирующих факторов оборудование диффузионной сварки не создает, а в работе достаточно безопасно.

Мероприятия по охране труда при использовании устройств диффузионной сварки прямо зависит от их модели и характеристик. В целом, это типичные требования работы с оборудованием, имеющим электрический привод, создающих в работе относительно высокое давление и температуру.

Контроль качества работ

Главными задачами мероприятий контроля качества являются:

  1. Обеспечение соблюдения технологического режима.
  2. Выявление факторов, вызвавших брак. Их устранение.

Разделяются методы контроля на разрушающие и неразрушающие. Первые применяются на стадии наладки процесса на контрольных образцах, выборках из пробных партий. Второй на стадии промышленного выпуска.

Контроль осуществляется также на протяжении всего процесса, разделяясь на: предварительный, текущий и выходной.

[stextbox id=’warning’]На сегодня не существует методов, позволяющих точно рассчитать оптимальный режим сварки. Каждый новый тип деталей, материалов требует предварительного эмпирического подбора параметров на контрольных образцах.[/stextbox]

Завершая разговор

Диффузионная вакуумная сварка молодая технология. Короткая статья не вместит описание ее возможностей и свойств, которые к тому же далеко не изучены.

В частности, из ее принципов вытекает целое направление промышленности — диффузионная металлургия, позволяющая получать принципиально новые вещества, керамики и сталь с необычными качествами. Но это уже другая тема.

[stextbox id=’warning’]Про другие виды сварки читайте на нашем сайте:

1 комментарий
  • Диффузная сварка используется, как правило, для соединения разнородных материалов. В этом процессе мне лично более всего симпатична экономичность процесса. Ведь, без всякого перерыва, за одну процедуру можно запросто соединить несколько разнородных материалов…

Оставить комментарий

Adblock
detector