Кваснiцкий Спецiальнi способи зварювання

Універсальна установка ВВУ-1Д призначена для дифузійного зварювання і паяння складних за конфігурацією та громіздких вузлів із тугоплавких і активних металів, жароміцних сплавів, композиційних і керамічних матеріалів, нанесення покриттів і припоїв методами іонноплазмового та термічного напилення. Об'єм робочої камери складає 3,53 м3, максимальна температура деталей – 1600…1800 °С. В установці передбачено радіаційне нагрівання та нагрівання струмами високої частоти. Потужність нагрівального пристрою складає 120 кВА.

Рис.2.92. Схема високовакуумної установки ВВУ-1Д:

1 – форвакуумний насос НВЗ-20; 2 – вакуумний агрегат АВП-2; 3 – бустерний насос БН-3; 4 – форвакуумний насос ВН-6ГМ; 5 – електродуговий вакуумний насос АВЭД-40/80; 6 – вузол гідравліки; 7 – вакуумна камера

Вакуумна камера оснащена допоміжними механічними маніпуляторами та механізованими пристроями, які забезпечують виконання технологічного циклу виготовлення партії деталей безрозгерметизації камери.

В установці ВВУ-1Д вакуум 1,3·10–5 Па створюється за допомогою форвакуумних насосів НВЗ-20 і ВН-6ГМ, бустерного насоса

273

БН-3, вакуумного агрегату АВП-2 та електродугового вакуумного насоса АВЭД-40/80. Форвакуумний насос ВН-6ГМ відкачує з камери повітря до 13,3 Па і потім вимикається. Подальша відкачка ведеться насосами НВЗ-20, БН-3, АВП-2 і АВЭД-40/80.

Загальний вигляд установки ВВУ-1Д показано на рис.2.93.

Рис.2.93. Загальний вигляд універсальної високовакуумної установки ВВУ-1Д

Більш детально будову установки ВВУ-1Д розглянуто в роботі [60], а інших установок – у підручнику [130].

2.7.4. Особливості та сфери застосування. Основною особливі-

стю дифузійного зварювання є можливість регулювання в широких інтервалах параметрів режиму, що дозволяє з'єднувати практично будь-які матеріали без зміни їх будови та властивостей. При цьому необхідно враховувати важливий вплив на процес зварювання не лише температури, тиску, часу і середовища, але й підготовки з'єднувальних поверхонь. Так, якщо при зварюванні напівпровідників не допускаються пластичні деформації, або при з'єднанні магнітів є певна максимально допустима температура, то особливу роль відіграють способи підготовки поверхонь і їх активації, вакуум або газове середовище та їх взаємозв'язок з основними параметрами режиму зварю-

274

вання. Наприклад, у табл.2.10 наведено два режими зварювання міді з нікелем при температурах 900 та 400 °С, але при нижчій температурі для отримання вакуумнощільного з'єднання проводилися ретельна підготовка поверхні та зварювання в надвисокому вакуумі 10–6 Па. При зварюванні магнітів для зниження температури використовують певні прокладки або гальванічні покриття міддю. При з'єднанні різнорідних металів, які утворюють крихкі прошарки, зменшують проміжні метали. Це забезпечує можливість з'єднання практично будь-якої комбінації металів, сплавів і неметалів.

При зварюванні у вакуумі поверхня деталей не тільки захищається від подальшого забруднення, наприклад, газами, оксидами, але й очищується в результаті процесів десорбції, сублімації або розчинення оксидів та дифузії їх углиб металу. ДЗВ не потребує спеціальних дротів, електродів, припоїв, флюсів, захисних газів тощо. Це значно скорочує транспортні витрати.

У партії деталей, що виготовляються за допомогою дифузійного зварювання, звичайно спостерігається стабільність якості з'єднання. Це забезпечується сталістю параметрів процесу: температури, тиску, часу зварювання, ступеня розрідження та підготовки поверхні. Висока стабільність механічних показників зварного з'єднання цілком обґрунтовано дозволяє застосовувати вибірковий контроль виробів та активний контроль параметрів режиму зварювання. Це досить важливо в тих випадках, коли відсутні прості, дешеві та надійні методи контролю якості зварних з'єднань.

Основні параметри дифузійного зварювання – температура, тиск, вакуум і час зварювання – легко програмуються, що дозволяє створювати устаткування з мінімальним використанням ручної праці.

Досить важлива особливість способу – можливість з'єднання деталей незалежно від розміру, перерізу деталей, що зварюються, і форми їх поверхонь. Вони впливають лише на вибір конструкції нагріва-

275

льних та притискних пристроїв. Наприклад, спосіб дозволяє успішно зварювати нікелеву фольгу товщиною 3 мкм та алюмінієву фольгу товщиною 8 мкм із масивними деталями, тобто товщини з'єднувальних матеріалів можуть знаходитися в широких межах від мікрометрів (фольга) до масивних виробів [93].

Дифузійне зварювання дозволило в 10…12 разів підвищити термін служби, якість і надійність ряду деталей, розробити принципово нові конструкції машин, приладів, спростити технологію та замінити дефіцитні і дорогі матеріали, а також скоротити обсяг їх витрат шляхом виготовлення композиційних виробів. За допомогою дифузійного зварювання отримані й освоєні в промисловому виробництві з'єднання таких пар металів і сплавів, які виконати іншими видами зварювання або зовсім не було можливості, або вдавалося з великими труднощами. Виготовлено вироби складної конфігурації з жароміцних, високолегованих, тугоплавких і активних металів, надтвердих, твердих сплавів та неметалічних матеріалів: кераміки, кварцу, скла, графіту, ситаллу, сапфіру тощо [51].

Дифузійне зварювання від багатьох інших способів зварювання відрізняють висока гігієнічність, відсутність ультрафіолетового випромінювання, шкідливих газових виділень, пилу тощо. Витрати енергії в 4…6 разів менші, ніж при контактному зварюванні одних і тих же деталей, а ресурс роботи останніх значно більший.

Спосіб дифузійного зварювання знайшов застосування в найрізноманітніших галузях промисловості для одержання як мініатюрних, так і великогабаритних виробів із металів, кераміки, скла та інших матеріалів. За його допомогою виготовляють такі складні і точні конятрукції, як апарати, плаковані сріблом, для хімічної промисловості (висота 3 м і діаметр 1,8 м); металокерамічні гермовводи, вузли з фериту і металокераміки, високостійкі штампи, пружні елементи датчиків, вольфрамові сопла літальних апаратів, багатошарові панелі, модулі

276

пневмоніки, колеса турбін радіального типу, лопатки турбін, пористі трубки для хімічної і газової промисловості, клапани, гільзи циліндрів двигунів, ювелірні вироби та багато іншого. У судновому машинобудуванні за допомогою дифузійного зварювання виготовляють елементи катодного захисту (з нерозчинними платиново-титановими анодами) підвідної частини корпусу судна і гребних гвинтів від корозійних і корозійно-механічних руйнувань, деталі з жароміцних сплавів, арматуру тощо.

Недолік дифузійного зварювання – велика тривалість процесу. Для усунення цього недоліку розроблені багатопозиційні і багатокамерні (роторного типу) установки, установки безперервної дії зі шлюзуванням, зі спеціальними завантажувальними бункерами, розміщенними в робочій камері, а також здійснюється інтенсифікація процесу зварювання із застосуванням високих швидкостей деформування, термоциклування, проміжних прокладок, у тому числі високодисперсних порошків та інших прийомів.

Застосування дифузійного зварювання і надалі буде сприяти технічному прогресу в різних галузях техніки. Важливе значення воно має при створенні і зварюванні композиційних і багатошарових матеріалів, сфера застосування яких постійно зростає.

2.8. Зварювання прокатуванням

Зварювання прокатуванням (welzschweissen; roll welding; сварка прокаткой) – це зварювання тиском, що виконується прокатними валками, які деформують попередньо нагріті від зовнішнього джерела тепла заготовки. Спосіб використовується звичайно для отримання біметалів [22]. Температуру нагрівання вибирають таким чином, щоб вона була нижчою найлегкоплавкішого з'єднання даної пари металів, тобто щоб з'єднання відбувалось у твердому стані. Ці температури для

деяких пар металів наведено в табл.2.11 [26].

277

Таблиця 2.11. Температури плавлення (°С) металів та їх легкоплавких

твердих розчинів (m) та евтектик (е)

Метали	Cr	Cu	Fe	Mo	Nb	Ni	Ta	Ti	V	Zr
Cr	1800	1075,e	1507,m	1860,т	1600,e	1345,e	1700,e	1390,e	–	1300,e
Cu	–	1083	1083	1083	1083	1083	1083	880,e	1083	885,e
Fe	–	–	1535	1440,e	1360,e	1440,e	1410,e	1085,e	1470,т	934,e
Mo	–	–	–	2620	2300,т	1315,e	2620	1660	1100,т	1520,e
Nb	–	–	–	–	1470	1175,e	2470,т	1660,т	1810,т	1600,т
Ni	–	–	–	–	–	1453	1360,e	955,e	1203,e	961,e
Ta	–	–	–	–	–	–	330	1660,т	1900,т	1850,e
Ti	–	–	–	–	–	–	–	1660	1620,т	1610,т
V	–	–	–	–	–	–	–	–	1900	1230,e
Zr	–	–	–	–	–	–	–	–	–	1800

Біметал – матеріал, який складається з декількох шарів різнорідних металів, між якими по всій контактній поверхні існує металічний зв'язок, а тому біметал має властивості його складових, котрих не має монометал. Використання біметалів забезпечує значну економію дефіцитних металів. Тому біметали та багатошарові матеріали знаходять все більш широке застосування в промисловості.

Двошарові пакети, зібрані для прокатування у вакуумі, показано на рис.2.94 [26].

Заготовки для отримання біметалів звичайно являють собою пакет, зібраний із пластин відповідних металів. Для отримання багатошарових матеріалів пакет складають із певної кількості пластин, які на кінцях скріплюються заклепками або гвинтами, якщо пластини при прокатуванні деформуються приблизно однаково (див. рис.2.94,а). Відносно широкі пакети скріпляють двома заклепками на передньому кінці, тобто зі сторони початку прокатування (рис.2.94,б). Якщо очікується значна нерівномірність деформації шарів, то для вільного подовження при прокатуванні в пластині, яка деформується менше, робиться паз (рис.2.94,в), а пластина, котра більше деформується, ро-

278

биться короткою (рис.2.94,г). Оскільки при прокатуванні біметалічних пакетів звичайно відбувається значний вигін, то зі сторони початку прокатування встановлюють спеціальні приставки (рис.2.94,в). При прокатуванні пакетів значних розмірів із приблизно однаковою товщиною м'якого та твердого металів (наприклад, перехідників сталь + титан) для обмеження розширення м'якого металу і його зсуву в сторону застосовують пакети з боковими буртами (рис.2.94,г).

а

в

б

г

Рис.2.94. Двошарові пакети для прокатування у вакуумі:

1 – заклепка; 2 – пластина плакуючого металу; 3 – пластина основного металу; 4 – спеціальна приставка для початку прокатування

Складання пакетів ведуть перед прокатуванням. З'єднувальні поверхні пластин зачищають металічною щіткою, перед складанням пластини, та заклепки знежирюють ацетоном.

Основними параметрами процесу є температура та величина деформації при прокатуванні (величина обтиснення пакета), але важливе значення має середовище прокатування.

279

Температура прокатування повинна забезпечувати з'єднання у твердому стані. Тому вона повинна бути, у крайньому разі, на 40…50 ºС нижчою від температури утворення найбільш легкоплавкого сполучення (табл.2.11). Необхідно враховувати також вплив температури на ріст зерна та дифузійні процеси.

Величина обтиснення при прокатуванні повинна бути меншою границі пластичності, яка визначається відносним обтисненням ∆Н/Н, при котрому починається порушення суцільності металу в даних умовах деформації (Н – початкова товщина).

Для попередження газонасичення та окиснення металу застосовують прокатування в стальних оболонках; нагрівання в попередньовакуумованих ампулах, соляних ваннах, середовищі водню або інертних газів, але сама деформація на повітрі погіршує властивості металів та з'єднання. Насичення приповерхневого шару металів газами значно зменшує границю пластичності металу. Тому найбільш перспективні процеси, при яких нагрівання, прокатування та охолодження відбуваються в глибокому вакуумі або інертних газах, що особливо важливо для високоактивних металів. У роботах Ф.Є. Долженкова встановлено, що газонасичення та окиснювання титану залежить не лише від глибини вакууму, але і від величини зазору між пластинами [26]. Наприклад, при нагріванні пластин сталі і титану ВТ1-1 у вакуумі 10–3…10–2 Па різниці в стані зовнішньої поверхні титану і поверхні, яка контактувала зі сталлю, не спостерігалося, але при 10–1 Па величина зазору суттєво впливала на стан поверхні титану, що видно з рис.2.95. Нагрівались пластини протягом 1 год. при температурі 1000 ºС та натіканні 7 л·мкм/с.

У малому зазорі при нагріванні склад газу змінюється. Молекули кисню взаємодіють із титаном, окиснюючи його; азот при температурі 1000 ºС реагує з титаном мало. Тому азот у зазорі надалі перешкоджає проникненню кисню. Чим менший зазор, тим меншим є окиснювання

280

титану. Тому щільний контакт пластин титану і сталі при нагріванні сприяє підвищенню якості зварних з'єднань при прокатуванні.

а

б

Рис.2.95. Залежність приросту маси пластини титану розміром 20×20×3 мм, що знаходилася між стальними пластинами, і товщини на ній оксидної плівки (а) та мікротвердості приповерхневого шару (б) від величини зазору між пластинами

Вплив величини пластичної деформації при прокатуванні різних біметалів показано на рис.2.96 [26].

Із рис.2.96 видно, що збільшення величини деформації підвищує міцність з'єднань. При плакуванні заліза нікелем при температурі 1100 ºС висока міцність з'єднань досягається при деформації 15 %, а при плакуванні сталі Ст3 міддю при 1000 ºС – уже при 5 %, причому руйнування біметалу Ст3 + мідь проходить по міді.

Дослідженнями з'єднань титану ВТ1 з міддю М1 установлено, що при деформації 15 % відбувається дифузійне зварювання металів з утворенням міцного з'єднання [26]. При прокатуванні двох пластин із жароміцного нікелевого сплаву ЭИ602 при температурі 1200 ºС і обтисненні пакета 30…40 % границі листів на мікроструктурі не виявлено, а міцність з'єднань була близькою до міцності основного металу. Аналогічні результати отримано при зварюванні між собою сталі Ст3 при 1200 ºС з обтисненням в обох випадках 20 % і більше.

281

Для підвищення якості з'єднання при прокатуванні біметалу в ряді випадків використовують прошарки (підшари), принципи вибору яких ті ж самі, що і при дифузійному зварюванні.

Рис.2.96. Залежність міцності при зрізі з'єднань біметалів від величини обтиснення пакета при температурах:

1 – 1200 ºС, Ст3 + 1Х18Н9Т; 2 – 1320, 3 – 1120; 4 – 1200; 5 – 1020; залізо + 1Х18Н9Т;

6 – 1100, залізо + нікель Н1; 7 – 1000, Ст3 + мідь; 8 – 880, титан + цирконій; 9 – 1200, титан + тантал; 10 – 1200, титан + ніобій; 11 – 780, титан + мідь; 12 – 1200, титан + молібден; 13 – 1200, молібден + ніобій; 14 – 1100, ніобій + титан; 15 – 960, цирконій + ніобій

Забезпеченню високої якості з'єднань при деформації прокатуванням або під дією певної стискуючої сили сприяє використання явища утворення вакууму в ізольованому об'ємі внаслідок взаємодії газів повітря з металами та самодовільного очищення металічних поверхонь від оксидів при нагріванні металів в умовах, які виключають безперервний доступ нових порцій повітря до їхніх поверхонь. Це явище було виявлено в ІЕЗ ім. Є.О. Патона [89].

282