Диффузионная сварка металлов в вакууме

Содержание

Недостатки

Главный из недостатков — сам аппарат для диффузионной сварки. Он представляет собой сложную установку, основные элементы которого — вакуумная камера с вакуумным насосом.

В конструкции сварочного аппарата для диффузионной сварки также присутствуют прессы, система охлаждения, нагревательные элементы и ряд вспомогательных механизмов, изготовленных из жаропрочных сплавов, так как сварка производится при высокой температуре.

Техническая сложность сварочной установки, ее большая масса и общая громоздкость подразумевают ее высокую базовую стоимость.

Это препятствует повсеместному распространению диффузионной сварки, делая ее рентабельной (в силу необходимости) в основном для сложных производств, таких, как изготовление полупроводников в электронике, а также некоторых принципиально важных деталей в авиационном и космическом машиностроении (и в некоторых других областях, где требуется аналогичное качество).

Наличие камеры налагает ограничения на размеры свариваемых деталей — это второй существенный недостаток.

Третьим минусом является необходимость очень тщательной очистки и полировки поверхностей перед диффузионным контактом, поскольку любая пленка загрязнения становится непреодолимым препятствием для диффузии.

Обратите внимание, что в некоторых особых случаях соединяемые поверхности, наоборот, целенаправленно окисляются. Слой окислов может способствовать более быстрому взаимопроникновению атомов. Такая технология используется при соединении стекла и керамики с применением металлического подслоя.

В России на разных производствах применяют различные по габаритам, мощностям и предназначению установки диффузионной сварки, такие, как П-114, П-115, УСДВ-630, ДСВ-901, МДВС-302 и другие.

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

Типовая схема установки для диффузионной сварки:

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

Выделяется два основных вида сварки в вакууме:

  1. Свободное деформирование – при данном способе производится постоянная нагрузка, не достигающая предела текучести. Такой способ широко распространен благодаря своей простоте.
  2. 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

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

Сварка алюминия со сталью аргонодуговым способом

Перед началом сварочного процесса кромки металлов рекомендуется очистить и нанести на них защитное покрытие. Самое доступное по цене из них — цинковое.

Присадочный материал в этом случае — проволока марки АД1 из алюминия с присадкой кремния (он хорошо влияет на формирование диффузионной прослойки стабильного качества) или проволока из сплава АК-5.

Важно! АМг-6 не рекомендуют применять, поскольку эта присадка дает низкую прочность сварного шва.

Чтобы подготовить стальную деталь к сварке, для стыкового соединения нужно скосить кромки под углом 70° для максимальной прочности соединения.

Кромки нужно тщательно очистить пескоструем или механически обработать, затем нанести поверхностный слой.

Аргонодуговую сварку алюминия и стали отличает расположение дуги: в начале сварки первого прохода оно удерживается на присадочном прутке, а в процессе сварки последующих проходов — на присадочном прутке и образующемся валике. Это обезопасит покрытие от преждевременного выгорания.

Во время сварочного процесса важно последовательно накладывать валики шва (зависит от вида соединения).

Выбор тока:

  • сварка МИГ — происходит на постоянном сварочном токе обратной полярности;
  • сварка ВИГ — бывает и на переменном сварочном токе, и на постоянном токе прямой полярности.

Величина сварочного тока должна зависеть от толщины свариваемого металла:

  • до 3 мм: 110-130 А;
  • 6-8 мм: 130-160 А;
  • 9-10 мм: 180-250 А.

Положительные и отрицательные моменты

Как не существует идеальных подходящих под любые условия материалов, так и нет до сих пор технологий, обладающих только положительными свойствами.

Плюсы Минусы
Возможность соединения разнородных материалов между собой Оборудование очень специфическое и не дешевое
Требуется минимальное количество дополнительных расходных материалов Нужно время на тщательную подготовку свариваемых поверхностей
Требуется минимальное количество дополнительных расходных материалов Обязательная стерильность камеры. Малейшие чужеродные частицы приведут к браку в соединении
Требуется минимальное количество дополнительных расходных материалов Такую технологию возможно применять только в промышленных масштабах
В цеху не нужна дополнительная вентиляционная установка, так как в процессе сварки не образуются вредные пары
Площади свариваемых деталей ограничены только параметрами оборудования
Отсутствие отходов
При сварке нет ни брызг расплавленного металла, ни излучения ультрафиолета, как при других способах
Применение такой технологии позволяет получить качественное и очень прочное соединение даже из разных материалов

Но, невзирая на такие минусы в использовании технологии диффузионного соединения, сварка незаменима во многих отраслях промышленности.
Сварочное соединение с использованием процесса диффузии стало прорывом во многих отраслях промышленного производства. Ведь многие металлы и материалы невозможно качественно скрепить вместе. Во многом обязана космическая отрасль, так как именно в ней используются многие соединения с тугоплавкими вольфрамовыми и титановыми деталями, а также металлокерамики.

Большой недостаток в том, что невозможно использовать такую сварочную технологию в бытовых условиях. Ведь обязательно наличие специального и довольно дорогого оборудования. К тому же установки требуют и определенных энергозатрат на нагрев и работу.

Плюсы и минусы

Ей присущи как позитивные преимущества, так и недостатки. Начнем с плюсов:

  • точность обработки;
  • прочность соединения;
  • отсутствие грубых швов;
  • высокая функциональность;
  • работа со сложными конструкциями;
  • экономия энергии;
  • экологическая безопасность;
  • возможность работать с пустотелыми конструкциями;
  • экономичность.

Данные возможности позволяют использовать диффузионный способ соединения в различных сферах. Процесс представляет собой высокотехнологический метод обработки. Он незаменим в тех случаях, когда любые другие виды соединения не могут быть использованы.

Но данному технологическому процессу присущи и серьезные недостатки. К ним можно отнести, в первую очередь, само инженерное оборудование. Аппарат для сварки методом диффузии — сложная конструкция, которая требует наличия специальных условий. Необходимо наличие определенного уровня давления, температуры и разреженной среды.

Агрегат представляет собой вакуумную камеру с вакуумным насосом. Так как сварка происходит при высокой температуре, некоторые элементы аппарата выполнены из жаропрочных сплавов. Прессы и механизмы, охладители и нагреватели сварочного аппарата будут сложными и дорогостоящими. Сама машина для диффузионной сварки имеет значительные габариты и массу. Она является сложной конструкцией. Соответственно, цена ее высока.

Читайте также:  Лазерная сварка металла: стали, алюминия, титана, технология процесса и оборудование

Говорить о рентабельности методики можно только с позиции ее необходимости. Если нет иных способов произвести соединение частей и механизмов, то метод невероятно актуален. С другой стороны, установка его оптимальна на крупных предприятиях для операций, требующих высокой точности и исключительного качества.

Вторым негативным фактором метода считается сама вакуумная камера. Ее пространство определяет возможные параметры свариваемых элементов.

Третьим недостатком диффузионного метода является необходимость идеальной очистки свариваемых поверхностей. Иначе, соединять придется не необходимые материалы, а пленки загрязнения.

Таким образом, для эффективного использования метода диффузии, необходимо учесть все плюсы и минусы сварочного аппарата такой модели.

Соединение деталей из титана

Диффузионная сварка титана и его сплавов характеризуется получением качественного соединения при высокой экономической эффективности. Она широко применима в медицине для изготовления деталей протезов, а также в других областях.

Детали подвергают нагреву до температур на 50º – 100º ниже, чем температура, при которой происходит полиморфное превращение. При этом на материалы оказывают небольшое давление в 0,05–0,15 кгс/мм².

Химический состав титанового сплава не влияет на крепость соединения элементов таким способом сварки.

установки диффузионной сварки

Принцип действия приспособления (оснастки)

Заключается в следующем. Собранные под сварку детали 1 (рис.1) ставят на дно стакана 2 и сжимают вручную с помощью навинчивающейся сверху крышки 3. Откачка воздуха, замкнутого внутри такой кассеты, происходит в вакуумной печи (10-2) через естественные несплошности в резьбовом соединении крышки со стаканом. При длительной откачке внутри кассеты создается достаточное для осуществления качественной сварки степень разрежения. В то же время проникновение легкоиспаряющихся компонентов бронзы, например, свинца, через несплошности резьбового соединения затруднено, и внутри кассеты в результате этого создается давление паров, препятствующее дальнейшему его испарению с поверхности деталей. Потери металлов на испарение тем меньше, чем меньше объем незаполненного пространства внутри кассеты и чем плотнее резьбовое соединение крышки со стаканом. Выполнению последнего условия способствуют внутренние усилия, возникающие в системе приспособление – свариваемые изделия при нагреве ее до высокой температуры. Под действием этих усилий (растяжения в стяжных элементах оснастки) резьбовое соединение еще больше уплотняется и сопротивление потоку паров металлов таким образом возрастает. Передача осевого усилия в приспособлении происходит по наклонным поверхностям резьбы. В результате этого в резьбе возникают равномерно распределенные по окружности радиальные усилия, которые деформируют тонкие цилиндрические обечайки в соответствующих направлениях, как это схематически показано пунктиром на рис.1. Накапливаемая при нагреве упругая деформация приспособления складывается таким образом из деформации его стяжных элементов не только в осевом, но и в радиальном направлении. После достижения соединяемыми деталями температуры сварки, когда сопротивление пластической деформации бронзы невелико, часть накопленной упругой деформации приспособления расходуется на сглаживание макро-микронеровностей в стыковом соединении, часть – на устранение вероятных несплошностей и перекосов, вызванных неточностями изготовления и сборки свариваемых деталей и элементов приспособления. Чем больше деформационный потенциал приспособления, тем больше вероятная пластическая деформация осадки бронзы в процессе сварки. Необходимым условием образования плотного (без пор и микронесплошностей) соединения при диф.сварке является наличие физического контакта свариваемых поверхностей металлов друг с другом по всей площади сварного соединения. Прочность соединения возрастает, если фактическая площадь физического контакта близка или равна величине его геометрической площади. При сварке бронзы со сталью физический контакт образуется, главным образом, за счет пластического течения бронзы, как более мягкого материала, путем заполнения ею неровностей на поверхности стали. При этом пластическая деформация происходит не только в приповерхностных слоях бронзы, но и во всем ее объеме, воспринимающем сварочное давление. В связи с этим величина пластической деформации (осадки) бронзовой заготовки должна быть больше суммарной высоты микронеровностей на свариваемых поверхностях, и при оценке требуемой величины осадки при сварке можно лишь в первом приближении ориентироваться по средней статистической высоте макро- и микронеровностей стыкуемых поверхностей. При определении требуемой величины деформационного потенциала приспособления необходимо учитывать также шероховатость контактирующей с бронзой опорной поверхности приспособления, неплоскостность, непараллельность (биение относительно центральной оси) опорных поверхностей свариваемых заготовок и всех элементов приспособления, т.е.

где К – деформационный потенциал системы; Δi – различные отклонения от плоскости и биения опорных поверхностей свариваемых заготовок и элементов приспособления. Так, например, если предположить, что для рассматриваемой конструкции приспособления (рис 1) средняя высота микронеровностей свариваемых поверхностей бронзы и стали, а также опорной поверхности бронзы и контактирующей с ней опорной поверхности при способления составляет 0,025 мм и все стыкуемые поверхности, в том числе в резьбовом соединении приспособления, имеют неплоскостность и биение, равные по 0,02 мм соответственно, то деформационный потенциал системы должен быть

К>(4*0,025+4*0,02+2*0.02+2*0,02)=0,26 мм К>0,026

Сущность и определение диффузионной сварки

Диффузионная сварка металлов представляет собой вид сварки давлением с применением нагрева, при которой сваривание получается за счёт взаимной диффузии атомов соединяемых деталей.

Сваривание происходит за счёт пластической деформации кромок при температуре ниже температуры плавления, т.е. в твёрдом состоянии. Нагрев может происходить с применением многих известных источников тепла. Наиболее часто на практике применяются индукционный, радиационный, электронно-лучевой способ нагрева, нагрев электрическим током, тлеющим разрядом и нагрев в расплаве солей.

В большинстве случаев, диффузионную сварку выполняют в вакууме, но на практике её можно провести в среде защитных газов, восстановительных газов, или в их смеси. Если свариваются металлы, мало подверженные к воздействию кислорода, то процесс возможен даже на воздухе.

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.

Достоинства

Преимущества у диффузионной сварки следующие:

  • прецизионная точность обработки;
  • отсутствие явно выраженного шва, монолитность соединения;
  • возможность сваривать материалы, не соединяемые никаким другим способом (получение сложных композитов);
  • возможность создавать изделия сложной конструкции и конфигурации;
  • малый расход энергии;
  • отсутствие необходимости в применении дополнительных элементов, таких как присадки, электроды, припои и флюсы (в ряде операций есть исключение — в качестве прослойки используется тонкая золотая и серебряная фольга);
  • экологичность сварочного процесса — нет брызг расплава, вредных излучений и газовых выделений, отсутствует выброс ультрафиолета;
  • очень высокая прочность соединения;
  • удобство создания пустотелых конструкций, в том числе композитных;
  • экономичность — в одной операции можно соединить несколько разнородных материалов.

Все преимущества делают процесс незаменимым при определенных условиях и относят его к высокотехнологическому виду. Однако у этого метода есть и недостатки, притом достаточно существенные.

Основные параметры процесса диффузионной сварки

Качество сварного соединения при диффузионной сварке обеспечивает относительно большое количество параметров, основными из которых являются:

— чистота соединяемых поверхностей деталей, которую обеспечивают механическим и химическим, или другими способами очистки; — состав газовой среды в камере для сварки (вакуум, аргон, гелий, азот, водород, углеводороды, углекислый газ); — термический цикл сварки, который определяет скорость нагревания и охлаждения, максимальные температуры и т.д.; — давление на поверхности контакта деталей; — время сварки, которое определяет в основном ступень диффузионного массообмена на поверхностях деталей.

Область применения диффузионной сварки

Приборостроение

В современных приборах зачастую используются узлы и элементы, изготовленные из разнородных материалов, в том числе и неметаллических (керамика, стекло и пр.) Технологические особенности диффузионной сварки позволяют использовать её для производства металлокерамических и катодных узлов, полупроводниковых соединений. При этом существуют специальные конвейерные системы для диффузионной сварки, которые позволяют с высокой степень автоматизировать процесс сварки в условиях непрерывного круглосуточного производства.

Читайте также:  Как склеить линолеум холодной сваркой

Крупногабаритные заготовки и полуфабрикаты

Диффузионная сварка хорошо подходит для производства крупногабаритных заготовок, имеющих сложную конфигурацию, которые невозможно получить механической обработкой, литьём или штамповкой. Или же если получение этими методами экономически нецелесообразно. Диффузионная сварка существенно повышает коэффициент использования металла (КИМ) заготовок, а в ряде случаев, заготовки и вовсе невозможно получить другими способами сварки. Наиболее эффективно применение диффузионной сварки в опытном, единичном и мелкосерийном производстве.

Производство композитных листов

С помощью диффузионной сварки можно изготовить большие заготовки значительной толщины, из которых, в последующем, прокаткой получить слоистые композиционные листы.

Совмещение сварки с процессом формообразования

Тонкостенные конструкции из множества слоёв с наполнителем (типа гофры, соты, рёбра, панели и др.) можно получить, если совместить процессы диффузионной сварки и формообразования в режиме сверхпластичности.

Для этого сначала листовые элементы сложно панели или другой конструкции сваривают в плоские пакеты. Для этого, до начала сборки пакета на листы наносят барьерное покрытие. Далее пакет герметизируют по всему периметру, создают вакуум и запускают процесс сварки.

После этого во внутреннюю полость подают жидкость или газ под давлением, которые раздувают заготовку и она принимает форму внутренней поверхности матрицы. Подробная схема этого процесса представлена на рисунке:

Совмещение диффузионной сварки и процесса формования

Что такое диффузия

Если вернуться к школьному курсу физики, то вспоминается один из таких процессов, как диффузия.

Это взаимное проникновение молекул одних веществ среди молекул (или даже атомов) других. Причем такое смешивание между ними приводит до выравнивания соотношений. Благодаря диффузии мы ощущаем запахи и даже привкусы растворенных веществ в воздухе, или же можем смешивать различные жидкости.

Но диффузия возможна и между твердыми субстанциями, например, металлами. На этом принципе и была построена диффузионная сварка, изобретенная еще в 50-х годах прошлого века.

Схемы процесса диффузионной сварки

Схемы диффузионной сварки
На практике применяют две технологические схемы процесса диффузионной сварки, которые различаются характером действия силы или напряжения.
В одной схеме используют постоянную нагрузку (рисунок а) слева), величина которой меньше предела текучести материала. При таком процессе в металле аналогичны ползучести. Эта технология получила название диффузионной сварки по схеме свободного деформирования. Это наиболее распространённый способ сварки, т.к. его осуществить проще всего.

По другой схеме (рисунок б) слева) пластическая деформация происходит посредством специального устройства, которое в процессе сварки двигается с регулируемой скоростью. Эта технология получила название диффузионной сварки по схеме принудительного деформирования.

Характеристики получаемых соединений

В отличие от традиционных способов сварки расплавлением, где к основному металлу вводится дополнительный металл в шве, диффузионная сварка позволяет получить однородный шов без серьезных изменений в физико-механическом составе места соединения. Готовый стык обладает следующими показателями:

  • наличие сплошного шва без пор и образований раковин;
  • отсутствие окисных включений в соединении;
  • стабильность механических свойств.

Благодаря тому что диффузия — это естественный процесс проникновения одного вещества в другое, в зоне соприкосновения не нарушается кристаллическая решетка материалов, а следовательно, отсутствует хрупкость шва.

диффузионная сварка титана

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:

  • порядок действий;
  • схема техпроцесса;
  • контроль качества;
  • необходимые меры безопасности;
  • параметры рабочих установок.

Какие материалы можно сваривать

Диффузионная сварка металлов дала неплохой прорыв в технологическом плане. Были открыты большие возможности в производстве.
Что можно соединять путем такого сваривания в вакууме?

  • Разнородные по своей структуре металлы, их сплавы, а также очень тугоплавкие типа вольфрама. Примером может послужить соединение по схеме чугун-сталь-чугун в тормозных колодках.
  • Возможна сварка металлических деталей с неметаллами. Например, сварка медных частей со стеклом, металла с металлокерамикой, или же графита со сталью.
  • Диффузионная сварка соединяет алюминиевые детали с чугунными, никелевыми или медными.
  • Соединение жаропрочных марок стали с титаном.
  • Различные спайки с титаном (медь, стекло, молибден).

То есть такой вид сварки позволил объединять те материалы, что не позволяют использовать другие способы варки. В итоге данный метод быстро нашел применение в различных отраслях промышленности от автомобилестроения до космического производства.

Преимущества и недостатки процесса диффузионной сварки

Преимущества

1. С помощью данного способа сварки относительно легко получить сварные соединения большинства конструкционных материалов: металлов и сплавов на их основе.

2. Диффузионной сваркой можно сваривать как однородные, таки разнородные материалы, включая материалы с сильно отличающимися свойствами (например, металл и керамику).

3. Если соединяются однородные материалы, то по своей структуре и свойствам сварное соединение не отличается от основного металла.

4. Одной из особенностей диффузионной сварки является возможность ограничения общей деформации свариваемых кромок. При необходимости, это позволяет получить высокоточные (прецизионные) соединения, не требующие последующей механической обработки.

5. При использовании схемы принудительного деформирования цикл сварки можно ограничить или прекратить в любой момент.

6. Для управления структурой и свойствами сварного соединения могут применяться принципы термомеханической обработки, объединённые с циклом сварки. Особенно при схеме с принудительной деформацией.

7. При изготовлении многослойных тонкостенных конструкций с наполнителем сложной формы (гофры, соты, рёбра и т.п.) можно совмещать процессы диффузионной сварки и формообразования в режиме сверхпластичности. Это хорошо подходит для титановых или алюминиевых сплавов.

8. В серийном производстве возможна многослойная сварка простых изделий (пакетная сварка), при этом процесс сварки легко автоматизировать, получая высокую производительность.

9. Диффузионную сварку можно использовать для производства полуфабрикатов и заготовок для последующей обработки.

10. Этот способ сварки позволяет получить объёмные заготовки сложной конфигурации и получить существенную экономию материала по сравнению с другими способами получения подобных заготовок.

Недостатки

1. В большинстве случаев производительность сварки достаточно низкая из-за того, что сам процесс её довольно длительный.

2. Сварочное оборудование (особенно для диффузионной сварки в вакууме, а не в защитной среде) достаточно сложное, как и вся технологическая оснастка. Кроме того, оно подвергается одновременному нагреванию и нагрузке, что предъявляет высокие требования к технологическому уровню производства.

3. Габариты получаемых изделий ограничены типом применяемого сварочного оборудования.

4. Высокие требования к качеству соединяемых поверхностей делают дорогим процесс диффузионной сварки.

5. Применяемые на практике методы неразрушающего контроля сварных швов малоэффективны для соединений, полученных диффузионной сваркой.

Техника выполнения сварных швов

Для соединения алюминия и стали нужно выбирать способ техники сварки углом вперёд, с углом наклона электрода от вертикали вдоль оси сварного шва 40-45 градусов.

Важно правильно выбрать скорость сварки, поскольку от неё зависит, сколько между собой будут взаимодействовать жидкий алюминий и сталь. Это напрямую влияет на толщину и стабильность соединительного слоя.

Скорость сварки необходимо выбирать максимально возможной: не менее 7 м/ч для сварки первых проходов многопроходных сварных швов и не менее 12 м/ч для однопроходных и последующих проходов многопроходных сварных швов. На это есть причины:

  • интенсивное образование интерметаллидов во время длительного контакта стали и алюминия на высоких температурах;
  • интенсивное образование корунда и рост зоны слабины;
  • интенсивное выгорание цинка.

Сварочные и наплавочные швы нужно выполнять без поперечных и возвратно-поступательных колебательных движений. Присадку в сварочную ванну нужно подавать со стороны оцинкованной стали для уменьшения выгорания цинка.

Горелку нужно смещать относительно стыка сварного шва в сторону алюминия или алюминиевого сплава на 1-3 мм. Это связано не только с уменьшением выгорания цинка, но и с тем, что, обладая высокой теплопроводностью, алюминий нагревается и расплавляется значительно медленнее, чем сталь и цинк, который её покрывает.

Послесварочная термическая обработка сварного соединения нежелательна, температура его эксплуатации не должна превышать 270 градусов. В противном случае, толщина прослойки может увеличиться, что приведёт к снижению динамической прочности или разрушению сварного шва.

Читайте также:  Сварка труб ПВХ: какой способ выбрать, как варить, сваривать сварочным аппаратом

Технология диффузионной сварки металлов

Типы и конструкция получаемых соединений

С помощью диффузионной сварки можно получить практически все виды соединений, применяемых на практике. При этом главным требованием является обеспечение плотного прилегания свариваемых участков по всей плоскости касания.

В случае повышенных требований к сварному соединению после сварки применяют механическую обработку для удаления дефектов в сварном соединении (непроваров). Или для получения более надёжной геометрии в тавровых и угловых соединениях (например, для получения радиуса скругления в углу, тем самым, уменьшив концентратор напряжений).

Подготовка свариваемых участков

Свариваемые участки подготавливают обычно при помощи механической обработки, при этом их шероховатость должна быть Ra<1,25мкм.

Непосредственно перед процессом сваривания свариваемые поверхности очищают от жировых и других загрязнений и удаляют с них оксидную плёнку. Удаление может происходить химическими или электрохимическими методами.

Применение промежуточных покрытий и прокладок

В некоторых случаях при диффузионной сварке между свариваемыми деталями помещают специальные прокладки или наносят покрытия.

Покрытия применяют для защиты деталей от окисления в процессе нагрева при сварке сплавов, в составе которых имеются активные металлы (Al, Cr, Zn и др.). Наиболее часто используют медное или серебряное покрытие толщиной 5-10мкм, которое наносится гальваническим, химическим или термовакуумным способом на одну или обе соединяемые поверхности в пределах площади их контакта.

Относительно толстые прокладки из пластичных металлов (Ni, Cu, Al, Ti и др.), толщиной 100-500мкм, применяют для усиления пластических деформаций в зоне стыка. Это необходимо в тех ситуациях, когда между собой свариваются два материала, имеющие ограниченную деформационную способность, например, керамика, жаропрочные сплавы, а также в тех случаях, когда соединяемые участки плохо обработаны или когда их сложно сопрячь между собой.

Такую же цель преследуют, применяя порошковые прокладки, изготовленные в виде закладных лент, шайб, таблеток. Кроме того, толстые прокладки необходимы в том случае, если у свариваемых материалов разное тепловое расширение.

Предохранение от приваривания деталей к элементам оснастки

Для этой цели применяют покрытия, основу которых составляет оксид алюминия, или специальные смеси. В качестве предохранительных прокладок используются прокладки из слюды, карбонитрида бора, керамики, термостойких волокнистых материалов или стеклоткани. После окончания процесса сварки эти прокладки удаляют при помощи металлических щёток.

Выбор режимов сварки

Рабочая среда

В зависимости от свариваемых материалов, степень разрежения в вакуумной камере выбирают в пределах 1,3-1,3х10-4 Па.

В качестве контролируемых газовых сред используют аргон, гелий, очищенный водород, азот или смесь азота и водорода с содержание водорода 6-8%.

На воздухе происходит сварка малоуглеродистых и некоторых марок инструментальных сталей. При этом свариваемые участки после подготовки покрывают эпоксидной смолой или глицеринов для защиты от окисления. При нагревании сварного стыка покрытие полностью выгорает, а образующиеся при этом газы защищают зону сварки от окисления.

При диффузионной сварке материалов в солевом расплаве, его состав зависит от необходимой температуры в процессе сварки. Если процесс будет проходить при температуре 850-870°C, то использую расплав NaCl. При температуре 1000-1150°C применяют расплав хлорида бария (BaCl2). Если температура сварки будет в пределах 700-950°C, то используют смесь солей (30% KCl и 70% BaCl2).

Режимы термодеформационного воздействия

Температура сварки

Температуру сварки обычно устанавливают в пределах 0,5-0,8 от температуры плавления свариваемого металла. При сварке тугоплавких и жаропрочных материалов температура сварки может быть несколько выше указанного диапазона.

Скорость нагревания и охлаждения зависит от источника тепла и не является табличной величиной.

Разгерметизацию камеры при сварке чёрных металлов проводят при температуре 120°C, а при сварке цветных металлов — при температуре 60°C.

Давление при сварке

Величину давления выбирают из расчёта 0,8-0,9 от предела текучести материала. В зависимости от этого, величина давления при сварке большинства известных конструкционных материалов составляет 1-100 МПа.

Время выдерживания давления

Время выдержки зависит от таких факторов, как температура сварки, давление, класс обработки соединяемых поверхностей и от пластичности материала. Исходя из этого, время прижимания может составлять от нескольких секунд до нескольких часов, но в большинстве случаев, составляет 5-10 минут.

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.

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.

На сегодня не существует методов, позволяющих точно рассчитать оптимальный режим сварки. Каждый новый тип деталей, материалов требует предварительного эмпирического подбора параметров на контрольных образцах.

Установка и оборудование для диффузионной сварки

Установка для диффузионной сварки
Практическое применение диффузионной сварки металлов в вакууме происходит с применением специально технологического оборудования — установки для диффузионной сварки, при необходимости, оснащённой дополнительным оборудованием.

Основной вид установки для диффузионной сварки

Прижим и пластическую деформацию деталей при диффузионной сварке выполняют, направляя усилие прижима перпендикулярно свариваемым поверхностям. Проще всего эту схему диффузионной сварки осуществить при плоских соединяемых участках. Этот вариант является наиболее предпочтительным.

В этом случае, усилие прижима передаётся от рабочих пуансонов к деталям непосредственно, или через приспособление (см. рисунок типовой установки). Для взаимного фиксирования свариваемых деталей выбирают подходящую конструкцию или простейшие вспомогательные средства с той целью, чтобы обойтись без дополнительных сложных приспособлений.

С этой целью на практике применяются технологические проточки, канавки, буртики, у ступы и другие элементы, с помощью которых происходит фиксация деталей. По окончании сварки они могут быть удалены механической обработкой.

Также на практике детали не сложной конфигурации фиксируют с помощью тонких металлических полосок, закрепляемых контактной точечной сваркой. Основным условием плавильной сборки и фиксации является свободное прилегание свариваемых участков друг к другу по всей плоскости.

Установка для диффузионной сварки сложных деталей

Для диффузионной сварки деталей сложных форм, например, телескопических конструкций, давление создаётся при помощи метода термонатяга (см. рис установки для сварки с использованием термонатяга).

Метода термонатяга также подходит и для сварки относительно простых по форме деталей в сочетании с многоместными приспособлениями (см. рисунок установки для пакетной диффузионной сварки). Это существенно увеличивает производительность и упрощает процесс сварки. Для изготовления деталей установок и приспособлений применяют марки стали и сплавы с высоким содержанием хрома ( 0Х27Ю5А, Х25Н20, Х20Н80, 12Х18Н10Т, 12Х13, 20Х13) с содержанием молибдена (МРН), или графита (МПГ-6, МПГ-7). Приспособления из графита до начала сварки необходимо отжечь в вакууме при температуре 1300°C.

Герметизируемые контейнеры

Применение диффузионной сварки для крупногабаритных деталей осложняется отсутствием подходящего оборудования. Для решения этого вопроса на практике часто применяют стандартные прессовые установки. Свариваемые детали перед сваркой помещают в тонкостенный контейнер, который совпадает по форме со свариваемым узлом. Далее контейнер герметично заваривают по периметру, далее создают вакуум внутри него, нагревают и сдавливают заготовки с помощью пресса. Установка для диффузионной сварки в герметичном контейнере изображена на рисунке:

Диффузионная сварка в герметичном контейнере

Источники

  • https://LedModa.ru/vidy-stali/diffuzionnaya-svarka.html
  • https://nwjs.ru/obrabotka/diffuzionnaya-svarka-alyuminiya-2.html
  • https://MetEkspert.ru/raboty/svarka-diffuzionnaya.html
  • https://met-lit.ru/raboty-s-metallami/diffuzionnaya-svarka-metallov.html
  • https://th-metall.ru/raboty/diffuzionnaya-svarka-v-vakuume.html
  • https://svaring.com/welding/vidy/diffuzionnaja-svarka
  • https://melt-spb.ru/raboty/termodiffuzionnaya-svarka.html
  • https://ArmRinok.ru/obrabotka/diffuzionnaya-svarka-alyuminiya.html

[свернуть]
Ссылка на основную публикацию