10.3 Диффузионная сварка

Способ диффузионной сварки в вакууме разработан в 1953 г. Н.Ф. Казаковым.

Сварное соединение металлов при этом способе образуется в результате совместного воздействия давления и нагрева.

Принципиальная схема диффузионной сварки указана на рисунке 67.

Отличительной особенностью диффузионной сварки является применение относительно высоких температур нагрева и низких удельных давлений, обычно не превышающих предела текучести свариваемых материалов при температуре сварки.

В связи с большой длительностью процесса и высокой температурой нагрева важное значение имеет среда, в которой осуществляется сварка. Обычно диффузионная сварка выполняется в вакууме, однако возможно применение атмосферы защитных газов, а также жидких сред.

Параметрами, определяющими процесс соединения при диффузионной сварке в вакууме, являются давление, температура и длительность их воздействия, а также состояние и рельеф свариваемых поверхностей. Сближение соединяемых поверхностей до образования между ними физического контакта достигается, в основном, за счёт пластической деформации.

Температура нагрева металлов оказывает существенное влияние на процесс образования сварного соединения при диффузионной сварке. Установлено, что температура нагрева лежит в пределах (0,53…0,88) Т_пл. При сварке разнородных металлов температуру нагрева определяют исходя из температуры плавления наименее тугоплавкого из свариваемых металлов.

Давление при диффузионной сварке (как впрочем, и при других способах сварки без расплавления) выполняет три задачи:

• разрушение в результате пластического течения поверхностных слоёв металла и, следовательно, частичное удаление хрупких окисных плёнок и загрязнений;

• сближение свариваемых поверхностей для обеспечения контакта и, следовательно, более эффективного атомного взаимодействия;

• обеспечение достаточно интенсивной активизации последующих процессов - диффузии, рекристаллизации.

Подготовка и очистка свариваемых поверхностей в ряде случаев является решающим фактором, определяющим качество сварного соединения.

Любая подготовка свариваемых поверхностей (механическая, электромеханическая, химическая и др.) не исключает образования окислов на поверхности металла, т.к. до помещения его в вакуумную камеру он находится в контакте с окружающей атмосферой. Наличие окислов является существенным фактором, определяющим процесс соединения при диффузионной сварке. Однако для большинства металлов нагрев в вакууме до температуры сварки и соответствующая выдержка при этой температуре вполне достаточны для самопроизвольной очистки их поверхности от окислов.

Для практического осуществления в промышленности способа диффузионной сварки необходимы специальные установки. Несмотря на относительную простоту и общность принципиальной схемы для любого типа сварочной установки (рис.66), многообразие композиций материалов, а также номенклатуры изделий, соединяемых этим способом, делают невозможным создание универсальной установки, применимой для сварки любых изделий из любых материалов.

Независимо от типа и назначения каждая установка включает в себя пять основных систем:

• для создания вакуума или контролируемой атмосферы;

• для сжатия свариваемых деталей;

• для нагрева;

• для охлаждения;

• для контроля параметров сварки.

Для нагрева используют токи высокой частоты, электронную и ионную бомбардировку, токи проводимости, теплопередачу непосредственно от нагревателя к детали, излучение от нагревателя или лампы и т.д.

1

2

3

5

6

4

7

Рис. 67. Принципиальная схема установки диффузионной сварки.

1 – рабочая камера;

2 – система охлаждения;

3 – вакуумная система;

4 – источник нагрева;

5 – система давления;

6 – вентиль, соединяющий рабочую камеру с атмосферой.

7 - свариваемые детали

Для сжатия применяют гидравлические, пневматические, механические системы, а также используют явление “термического натяга”.

Индуктор, токоподводы нагревателей и другие узлы, и агрегаты установки обычно охлаждают проточной водой.

Преимущества диффузионной сварки.

- Отсутствие расплавления и связанного с ним резкого различия в структурах основного металла и зоны соединения.

- Возможность сварки практически любого сочетания металлов, сплавов и неметаллов.

- Малые пластические деформации сварного соединения.

- Высокое качество сварного соединения. При этом соединение сохраняет свойства, присущие свариваемым материалам.

- В сварном соединении отсутствуют непровары, поры, окисные включения и другие дефекты.

- Постоянство качества соединений. Колебание значений таких показателей механических свойств, как сопротивление разрыву, угол загиба, ударная вязкость, вакуумная плотность, не превышает 2 – 5%.

- Диффузионная сварка гигиенична, т.к. при этом процессе отсутствуют ультрафиолетовое излучение, вредные газовые выделения, брызги металла, мелкодисперсная пыль.

- Основные параметры (температура, давление, вакуум и время сварки) легко программируются. Поэтому диффузионная сварка очень часто выполняется на полуавтоматах или автоматах с минимальным участием человека.

- Поскольку диффузионная сварка происходит при Т = (0,5-0,7) Т_пл металла в течение малого промежутка времени (1-5 мин), расход энергии и мощность, потребляемая на сварку в 4-6 раз меньше, чем, например, при контактной сварке.

Недостатки диффузионной сварки.

- Неизбежные затраты времени на операцию для откачки (вакууммирования) рабочего объём камеры;

- Необходимость в хорошей подгонке и тщательной очистке соединяемых поверхностей.

Область применения диффузионной сварки.

Диффузионная сварка позволила создавать прочные соединения не только однородных, но и разнородных металлов и сплавов, в том числе и таких, теплофизические свойства которых резко различны. Получены соединения таких пар металлов и сплавов, выполнить которые другими видами сварки невозможно (например, титан с коррозионно-стойкой сталью, титан с алюминием, сталь с чугуном, медь с молибденом, вольфрам с ниобием и др.).

Стало возможным получение изделий таких форм, которые не могли быть получены ранее. Диффузионная сварка позволила получить детали очень сложной конструкции - пустотелые с несимметричной формой, со сложной кривизной – без использования крепёжных элементов. При этом допуски на размеры деталей, полученных диффузионной сваркой, как правило, не превышают допуски при механической обработке. Диффузионной сваркой производится соединение сложных и точных конструкций аппаратов для химической промышленности, металлокерамических гермовводов, высокостойких штампов, упругих элементов датчиков, вольфрамовых сопл, многослойных панелей, колёс турбин радиального типа, лопаток турбин двигателей, клапанов, гильз цилиндров двигателей, пористых труб для химической и газовой промышленности и т.п.

Широкое применение нашла диффузионная сварка при изготовлении деталей и узлов электронных приборов.

Диффузионная сварка позволила в 10-12 раз повысить срок службы, качество и надёжность ряда изделий, разработать принципиально новые конструкции машин и приборов.