Когда и для чего применяется диффузионная сварка

Диффузия – это хорошо известный процесс. При контакте молекулы и атомы веществ перемешиваются и, таким образом, вещества как бы проникают друг в друга. Это относится к их жидким, газообразным и твёрдым состояниям. В обычных условиях такой процесс протекает довольно медленно, что делает его неприемлемым для производства. Но в 1953 году советский физик Николай Фёдорович Казаков добился повышения скорости взаимного проникновения молекул и атомов. Он поместил соединяемые материалы в вакуум, повысил температуру и воздействовал на них давлением. Так была разработана диффузионная сварка.

Распространение получили сварочные стенды, на которых детали располагают в камере, внутри которой создают технический вакуум. На место соединения оказывают давление и, при необходимости, подвергают его температурному воздействию. В зависимости от особенностей процесса, он может протекать от нескольких минут, до часов. В итоге достигаются характеристики изделия, которые не удаётся получить, используя другие технологии. Для получения качественного сварного шва требуется соблюсти следующие условия:

Создать вакуум, используя специальную установку. Чем выше разряжение внутри камеры, тем быстрее и эффективнее протекает процесс. Однако получение физического вакуума в обычных условиях вещь исключительно затратная и практически недостижимая. Приходится довольствоваться меньшим разряжением, редко превышающим 10 в минус пятой степени миллиметров ртутного столба. Впрочем, даже оно позволяет получать хорошие результаты.

Нагреть соединяемые детали до температуры, параметры которой зависят от соединяемых материалов. В некоторых случаях предпочтительнее, чтобы процесс протекал при комнатной температуре, но в этом случае для формирования шва потребуется значительное время. С возрастанием температуры увеличивается текучесть материалов и диффузия ускоряется. Способы нагрева могут быть различны. Среди наиболее распространённых – электроконтактный, индукционный и радиационный.

Когда необходимая температура достигнута, в месте соединения создаётся давление. Длительное или кратковременное, локальное или одновременно распределённое по всей площади места соединения, оно необходимо для того, чтобы процесс взаимного проникновения частиц вещества ускорился.

Для улучшения качества сварного шва, или соединяя вещества, диффузия которых даже при создании благоприятных условий носит ограниченный характер, места стыка могут быть обработаны специальными химическими составами, или проложены вспомогательными материалами. Использовав тонкую, в несколько микрон толщиной, платиновую, золотую, никелевую или медную фольгу, удаётся существенно повысить прочность сварного соединения. Но когда известно, что возможно возникновение нежелательных барьерных фаз, толщина фольги может быть увеличена.

Для того чтобы после завершения технологического цикла в детали не возникло остаточных напряжений, процесс её остывания должен проходить в вакууме. Для этих целей установки диффузионной сварки оснащаются системами охлаждения, регулирующими скорость снижения температуры. Резкие температурные скачки недопустимы. Они приводят к возникновению трещин и снижению прочности шва.

Готовая деталь подвергается дефектоскопии, для чего используются современные методы. Учитывая, что размер соединяемых деталей мал, придётся забыть о капиллярной дефектоскопии, отдав предпочтение радиации или ультразвуку.

Лишь соблюдение всех важных условий может гарантировать получение хорошего результата. Но не стоит полагаться на типовые методики. Следует вносить в них изменения с учётом особенностей конструкции и используемых материалов. Диффузионная сварка цветных металлов требует иных параметров давления и температуры нагрева, чем те, которые нужны для соединения стали или пластика. Это предупреждение для тех, кто будучи вдохновлён возможностями технологии, собирается использовать её безоглядно.

Достоинства технологии

Диффузная сварка обладает как достоинствами, так и недостатками. Её преимуществами принято считать:

Отсутствие необходимости в расходных материалах, вроде сварочных электродов, флюсов или специальных газов. Это снижает себестоимость процесса и делает его «чистым», поскольку отсутствуют загрязняющие воздух продукты горения, окалина и другие вредные вещества.

Низкая энергоёмкость. Для достижения требуемых параметров, тратиться на порядок меньше энергии, чем в случае использования других технологий. А это значит, что снижается конечная себестоимость изделия.

За один приём можно одновременно сваривать сразу несколько различных материалов, получая слоистые конструкции с ранее недостижимыми характеристиками. Это особенно важно в случаях, когда используются композиты.

С помощью диффузионной сварки в вакууме можно соединять как большие, в несколько метров длиной и шириной, конструкции, так и маленькие детали, размеры которых измеряются в микронах. Не имеет значения и толщина. Подобными обстоятельствами не преминули воспользоваться производители микроэлектроники. Для решаемых ими задач такая технология подходит как нельзя лучше.

Не имеет значения размеры и форма сварного соединения. Отпадает необходимость в специальных технологических фланцах и припусках материалов, для соединения их внахлёст.

Высокое качество шва. Оно значительно выше, чем при использовании газовой или электрической сварки. Это позволяет использовать подобный способ соединения материалов даже на видовых поверхностях, то есть там, где другие сварочные швы приходится маскировать различными способами.

Поскольку при диффузионной сварке соединение материалов происходит в закрытой камере, то оператор не подвергается воздействиям, способным оказать влияние на его здоровье. Брызги, интенсивные излучения, вредные для вдыхания химические пары или мелкодисперсная пыль отсутствуют.

Процесс непрерывно совершенствуется. На сегодняшний день существуют установки, где детали помещают не в вакуум, а в среду инертного газа. Главной задачей, которую решают с помощью такой технологии, является сварка металлов. Но используя специальные методики, удаётся соединять и материалы, обладающие разными свойствами. Диффузия скрепляет между собой металлы и пластики, стекло и керамику, всё то, для чего ране требовались специальные клеящие составы.

Характерные недостатки

Но есть у диффузионной сварки и недостатки, о которых не стоит забывать тем, кто решит использовать такую технологию для организации процесса производства.

Главной проблемой является сама вакуумная установка. Это сложное и дорогостоящее оборудование требует правильного обслуживания, а для его эксплуатации нужна специальная подготовка персонала. Скачки давления внутри камеры недопустимы, так как оказывают негативное воздействие на качество соединительного шва и могут привести к разрушению изделия.

Чем больше вакуумная установка, тем сложнее получить внутри камеры необходимый вакуум. Размеры самой камеры ограничивают габариты соединяемых деталей.

Соединяемые детали должны быть тщательно обработаны и очищены от загрязнений. Низкое качество сопрягаемых поверхностей становится непреодолимым препятствием для равномерной диффузии, а попавшие между ними посторонние вещества способны и вовсе сделать этот процесс невозможным.

Всё это следует учитывать при разработке технологического цикла.

Область применения

Диффузионная сварка в вакууме оказалась востребована в различных областях науки и техники. Но, в значительной мере, её использование ограничивается опытным и мелкосерийным производством.

В тяжёлом, среднем и лёгком машиностроении она помогает воплотить в жизнь конструкции, создание которых требует особого качества и прочности.

Сварка цветных металлов, для соединения которых раньше приходилось использовать различные припои и флюсы, также стала возможной благодаря этой технологии.

Появлению новых композитов, состоящих из множества слоёв разных по своему составу материалов, мы также обязаны диффузионной сварке. Область применения таких композитов широка. Им нашлось место не только в производственных цехах, но и на строительных площадках.

Электроника, где с каждым днём уменьшается размер компонентов и монтажных плат, одно из немногих мест, где технология востребована безоговорочно. Ведь с её помощью соединяют детали, разглядеть которые можно лишь под микроскопом.

О какой бы области производства ни шла речь, пытливый ум технолога найдёт место, где для соединения деталей лучше всего подойдёт именно такой способ.

Космическая проблема

Но диффузионная сварка не всегда благо. В открытом космосе есть всё, для того чтобы процесс начался произвольно.

Глубокий вакуум, получить который на Земле не удаётся в самых мощных установках.

Нагрев до высоких температур. Несмотря на холод окружающего космические корабли и искусственные спутники безвоздушного пространства, под лучами солнца их компоненты могут нагреваться до значительных величин. Ведь их не защищает земная атмосфера.

В таких условиях диффузия ускоряется даже без дополнительного давления. Вполне достаточно, чтобы соприкоснувшиеся детали длительное время находились в состоянии покоя. Ну а если к ним было приложено определённое усилие, то просто так разъединить их уже не получится.

Чтобы избежать подобных ситуаций, учёным приходится работать над способами предотвращения диффузионной сварки в космосе. И хотя определённые сдвиги в этом направлении есть, до полного решения проблемы ещё далеко. Как знать, может, именно тем, кто читает эти строки, удастся решить сложную техническую задачу?

Кузнечный вид сварочного соединения был изобретен человеком самым первым. Он построен на термомеханическом принципе, когда две разогретые детали объединялись под давлением молота. Конечно, сегодня он практически не используется. Зато практически по тому же принципу придумана диффузионная сварка.

В нашей статье пойдет речь о современном термомеханическом сваривании металлов, которое происходит на атомарном уровне. Что это за способ и какие плюсы и минусы он имеет?

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.

Технология диффузионной сварки

Легко перемешать между собой газообразные или жидкие вещества. А как быть с металлами, или вообще разнородными материалами.

Технология построена по следующему принципу:

• Поверхности, соединяемые таким способом, должны быть подготовлены. Главное - это наличие шероховатости в местах будущей сварки. Особенно это касается инструментальных марок стали или жаропрочных материалов.

Подготовка поверхностей может проводиться несколькими способами: химическими, механическими или электролитическими.

• В вакуумной или газовой защитной среде стыки деталей разогревают до показателей, составляющих 0,5-0,7 от температуры плавления.

Именно нагревание до такого состояния ускоряет процесс диффузии и, к тому же, происходит взаимная деформация на стыках.

• Разогретые в месте соединения детали поддаются давлению для ускоренного процесса смешивания атомов вещества.

В некоторых случаях сжатие заменяется ударной нагрузкой. Сварное соединение образуется в момент динамического удара. Все происходит очень быстро, за доли секунды.

Также в качестве катализатора процесса между соединяемыми частями на стыке может прокладываться прослойка специального порошка или тонкой фольги.

В качестве таких прокладок применяют фольгу из меди, никеля, серебра и даже золота. Слой очень тонкий - порядка 2-7 микрон. Какую прослойку использовать определяют по видам свариваемых материалов.

Собственно, это и есть технология диффузионной сварки. Схема проста: подготовка-нагрев-сжатие.

Сам комплекс агрегатов, позволяющий выполнить весь процесс по соединению материалов, состоит из следующих узлов:

1. Камера.
2. Станина.
3. Вакуумный уплотнитель.
4. Насос.
5. Генератор и индуктор.
6. Механизм сжатия.

Камера служит местом, где непосредственно размещаются детали и создается вакуумная среда.

Станина, как и в любом другом станке, служит подставкой для размещения на ней узлов установки. В данном случае на ней монтируется камера. Она, в свою очередь, с помощью роликового механизма может перемещаться по станине.

Уплотнитель - это прокладка между камерой установки и подставкой.

Насос работает на откачку воздуха и устройства вакуума.

Генератор и индуктор обеспечивают нужный нагрев стыков соединяемых деталей.

Сжатие обеспечивается механизмом, состоящим из масляного насоса и гидравлических цилиндров. За счет них достигается нужное давление.

Конечно, это один из видов установки. Но, невзирая на различные типы нагревателей (электронно-лучевые, радиационные, установка тлеющего заряда, генератор высоких токов), сохраняется главный принцип - нагрев и сжатие.

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.

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 оборудования

В озможность соединения разнородных материалов между собой

Требуется минимальное количество дополнительных расходных материалов

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.

Диффузионная сварка осуществляется в твердом со­стоянии металла при повышенных температурах с прило­жением сдавливающего усилия к месту сварки. Процесс сварки металла в твердом состоянии при повышенных температурах принципиально протекает так же, как и при холодной сварке. В начальной стадии процесса на линии раздела двух деталей создаются условия для обра­зования металлических связей. Из теории образования сварного соединения при холодной сварке известно, что для возникновения на линии раздела металлических связей необходимо обеспечить тесный контакт сваривае­мых поверхностей и создать условия для удаления по­верхностных пленок окислов, жидкостей, газов и различ­ного рода загрязнений .

Использование повышенных температур при диффу­зионной сварке приводит к уменьшению сопротивления металла пластическим деформациям. Вследствие этого 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.

Таким образом, первая стадия процесса диффузионной сварки, так же как и холодной сварки, основана на обра­зовании металлических связей на свариваемых поверхностях металлов при нагревании их в вакууме с приме­нением сдавливающего усилия. На второй стадии про­цесса диффузионной сварки происходят процессы взаим­ной диффузии атомов свариваемых металлов. Эти про­цессы приводят к образованию промежуточных слоев, увеличивающих прочность сварного соединения. Однако в некоторых случаях образование промежуточных слоев нежелательно.

Схема процесса диффузионной сварки в вакууме пред­ставлена на рис. 9.1. В вакуумной охлаждаемой камере 1 размещают свариваемое изделие 2 и нагреватель 3. Для сдавливания деталей в процессе сварки используют меха­низм сжатия, состоящий из штока 5 и механизма нагружения 6, шток проходит через вакуумное уплотнение или сильфон 4.

Сварка происходит в вакууме 10 –3 – 10 –5 мм рт. ст. (133·10 –3 – 10 –5 Н/м 2).

После откачки из камеры воздуха изделие нагревают обычно т. в. ч. до температуры сварки. Для получения качественного соединения необходимо обеспечить равно­мерный нагрев свариваемого изделия по всему сечению.

Усилие сжатия прикладывают после выравнивания температуры и поддерживают постоянным в течение всего процесса. Известны также технологические приемы с ме­няющимся давлением в процессе сварки. Продолжи­тельность выдержки под нагрузкой зависит от свойств свариваемого металла, величины давления и других факторов и может достигать десятков минут.