Материал: Дифузійне зварювання

Дифузійне зварювання

Вступ

Зварювання - один із провідних технологічних процесів, який широко застосовується в різних галузях господарства. Ефективність машин, енергетичних установок, багатьох інших виробів значною мірою визначають конструкційні матеріали, що постійно вдосконалюються та створюються їх нові марки і класи. У судно- та машинобудуванні розширюється застосування високоміцних та високолегованих сталей, сплавів алюмінію, титану, міді тощо як в однорідних, так і в різнорідних сполученнях. Успішне використання цих матеріалів забезпечується розвитком зварювального виробництва.

Подальше підвищення ефективності зварювального виробництва може бути досягнуте як за рахунок удосконалення існуючих способів зварювання, так і застосування нових. Наприклад, відомі високоефективні способи зварювання суднокорпусних конструкцій струмами високої частоти, при яких продуктивність праці зростає в 5...6 разів у порівнянні з механізованими способами електродугового зварювання, а також відпадає необхідність використання електродів, флюсів і зварювальних дротів. Наслідком розвитку існуючих дугових способів є імпульсно-дугове зварювання. Велику роль у суднобудуванні відіграє термічне різання, за допомогою якого переробляється близько 80% усього металу. За трудомісткістю термічне різання складає 10...20% загального обсягу робіт у суднокорпуснооброблювальному виробництві. Найбільш широко застосовується повітряно-плазмове різання, яке замінило газо-кисневе. Використання тонколистових матеріалів сприяло розвитку мікроплазмового різання і зварювання. У суднобудуванні розширюється застосування лазерної обробки металів.

Ремонт суден і кораблів на плаву, будівництво морських гідротехнічних споруд, підводних трубопроводів різного призначення, освоєння континентального шельфу важко уявити без підводного різання та зварювання.

Важливе значення для України має енергетика. Ефективність енергетичних установок знаходиться в прямій залежності від параметрів робочого тіла. Наприклад, розрахунки та досвід експлуатації газотурбінних установок показують, що підвищення температури газу перед турбіною з 820 до 1050 °С дозволяє подвоїти потужність та підвищити економічність без зміни її габаритів. Підвищення температури робочого тіла пов'язане з виробництвом високожароміцних дисперснозміцнених, композитних та неметалічних матеріалів, які неможливо з'єднати електродуговим зварюванням. При виготовленні ряду деталей застосування електродугового зварювання неможливе за конструкційними особливостями.

В енергетиці та новій техніці використовують тугоплавкі метали та їх сплави, що мають високу хімічну активність щодо газів та надзвичайно чутливі до перегріву при зварюванні. У приладобудуванні, радіоелектроніці, новій техніці, інструментальному виробництві необхідні прецизійні способи зварювання з обмеженою температурою нагрівання.

Вирішення перерахованих та багатьох інших проблем стало можливим завдяки розробці спеціальних способів зварювання. Створені для зварювання певних матеріалів або конструкцій, ці способи виявилися більш ефективними, ніж традиційні електродугові та електроконтактні, також при виготовленні деталей, вузлів і конструкцій, що звичайно вироблялися за допомогою традиційних способів. Разом із тим спеціальні способи зварювання змінили уявлення про здатність металів до зварювання: багато з них перейшли з розряду металів, що погано зварюються, у розряд металів із доброю або задовільною здатністю до зварювання.

У другій половині двадцятого століття створено десятки нових способів зварювання. Теорія, технологія та обладнання багатьох із них висвітлені в монографіях та наукових статтях.

1. Історія розвитку зварювання

Процес зварювання з'явився ще в бронзовому віці, коли людина почала набувати досвід при обробці металів для виготовлення знарядь праці, бойової зброї, прикрас та інших виробів.

Першим відомим способом зварювання було ковальське. Воно забезпечувало достатньо високу, на той час, якість з'єднання, особливо при роботі з пластичними металами, такими, як мідь. Із винайденням бронзи, яка є твердішою і гірше піддається куванню, виникло ливарне зварювання. Під час ливарного зварювання крайки з'єднуваних деталей заформовують спеціальною сумішшю і заливають розігрітим рідким металом. Цей присадковий метал сплавляється із виробом і, застигаючи утворює шов. Такі з'єднання знайдені на бронзових посудинах Стародавньої Греції та Риму.

У 1802 році російський академік Василь Петров звернув увагу на те, що при пропусканні електричного струму через два прутики з вугілля або металу між їхніми кінцями виникає яскрава дуга (електричний розряд), яка має дуже високу температуру. Він дослідив та описав це явище, а також указав на можливість використання тепла електричної дуги для розплавлення металів і тим заклав основи дугового зварювання металів.

Але існують відомості про те, що англійський хімік сер Гемфрі Деві в 1800 першим дослідив електричну дугу і описав можливе застосування в промисловості.

В той час результати досліджень Василя Володимировича Петрова не були використані, ні в Росії, ні за кордоном. Лише через 80 років російські інженери - Микола Миколайович Бенардос і Микола Гаврилович Слав'янов застосували відкриття Василя Володимировича Петрова на практиці та розробили різні промислові способи зварювання металів електричною дугою.

Микола Миколайович Бенардос в 1882 році винайшов спосіб дугового зварювання із застосуванням вугільного електрода. У наступні роки він розробив способи зварювання дугою, яка горить між двома або декількома електродами; зварювання в атмосфері захисного газу; контактного точкового електрозварювання за допомогою кліщів; створив ряд конструкцій зварювальних автоматів; Микола Миколайович Бенардос запатентував в Росії та за кордоном велику кількість різних винаходів у галузі зварювального устаткування та процесів зварювання[11].

Автором методу дугового зварювання металевим плавким електродом, найпоширенішого в наш час, є Микола Гаврилович Слав'янов, який розробив його в 1888 році. Через два роки американський інженер Чарльз Гофін повторив відкриття і запатентув метод дугового зварювання плавким металевим електродом на території США.

Микола Слав'янов не лише винайшов дугове зварювання металевим електродом, описав його у своїх статтях, книгах і запатентував у різних країнах світу, але й сам широко впроваджував його в практику. За допомогою навченого ним колективу робітників-зварювальників Микола Гаврилович Слав'янов виправляв дуговим зварюванням брак лиття та відновлював деталі парових машин і різного великого устаткування. Микола Гаврилович Слав'янов створив перший зварювальний генератор з автоматичним регулятором довжини зварювальної дуги, розробив флюси для підвищення якості наплавленого металу при зварюванні. Створені Миколою Миколайовичем Бенардосом і Миколою Гавриловичем Слав'яновим способи зварювання є основою сучасних методів електричного зварювання металів.

В 1900 англієць Артур Строхменхер почав промисловий випуск покритих металевих електродів зі стійкішою під час горіння дугою. В 1919 році англієць Клод Джозеф Холсланг винайшов джерело змінного струму, яке забезпечувало стійкіше горіння дуги, але в промисловості цей винахід на десятиліття забутий.

Родоначальник контактного зварювання - англійський фізик Вільям Томсон (лорд Кельвін), який уперше застосував стикове зварювання в 1856 році. В 1877 році у США Еліх Томсон самостійно розробив стикове зварювання і впровадив його в промисловість. В тому ж 1877 у Росії Микола Миколайович Бенардос запропонував способи контактного точкового і шовного (роликового) зварювання. На промислову основу в Росії контактне зварювання було представлено в 1936 року після освоєння серійного випуску контактних зварювальних машин.

Ацетилен, винайдений в 1836 Едмундом Деві, почав використовуватися як горючий агент при газовому зварюванні з 1900, водночас із винаходом газового пальника.

Бурхливий розвиток зварювальних технологій і обладнання почався за часів І світової війни. Британці почали використовувати зварювальні процеси при побудові військових кораблів із суцільнозварними корпусами.

Упродовж 20-х років ХХ ст. головні акценти в зварювальних технологіях ставилися на розвиток автоматичного зварювання. Великий внесок у розвиток різноманітних видів зварювання вніс академік Патон Євген Оскарович, та фахівці Інституту електрозварювання, які вперше у світі розв'язали складні наукові і технічні завдання, пов'язані з автоматичним зварюванням броні, розробили досконалу технологію і необхідне обладнання. Було досліджено процеси, що відбуваються у потужній зварювальній дузі, яка горить під флюсом, розроблено нові зварювальні флюси і знайдено місцеву сировину для їх масового виробництва. Широко проводився пошук способів багатодугового та багатоелектродного автоматичного зварювання під флюсом, розроблено технологію напівавтоматичного зварювання під флюсом, створено перші зварювальні напівавтомати.

Застосування автоматичного зварювання в оборонній промисловості дало винятково великий ефект і забезпечило можливість різкого збільшення випуску бойових машин, боєприпасів і озброєння високої якості. В умовах військового часу застосування автоматичного зварювання під флюсом для виробництва техніки стало вирішальним чинником різкого нарощування обсягів виробництва у стислі терміни. В роки війни в жодній країні, окрім Радянського Союзу, автоматичне зварювання під флюсом у танковій промисловості не застосовувалося. Лише в останні воєнні роки за прикладом СРСР почали освоювати цей спосіб при виготовленні бронекорпусів танків і самохідних артилерійських установок у США.

Борису Патону було доручено розробити електричну схему нових автоматичних зварювальних головок, що реалізують відкрите в 1942 році Володимиром Дятловим явище саморегулювання дуги. З цим завданням молодий інженер упорався блискуче. Винятково проста конструкція, надійність і зручність у роботі не лише дали змогу випускати нові головки в умовах простих механічних майстерень, а й вирішували проблему кадрів при їх експлуатації. Як відзначав у своїх спогадах Євген Оскарович Патон, «пробний пуск першої нової головки відбувся у листопаді 1942, а до кінця війни вона вже зварила сотні кілометрів швів на бортах бойових машин! Починаючи з січня наступного року ми встановлювали на всіх нових верстатах тільки спрощені одномоторні головки А-80, виготовлені в майстернях інституту. Вони переможно вирушили по всіх заводах військової промисловості і відіграли величезну роль у випуску продукції для фронту. Це був поворотний момент у поширенні швидкісного зварювання на оборонних підприємствах країни». В 1943 Борис Патон одержав свій перший орден «Знак Пошани».

Зварювання повсюдно витіснило спосіб нероз'ємного з'єднання деталей за допомогою заклепок.

На сьогодні зварювання є найбільш розповсюдженим способом з'єднання деталей при виготовленні металоконструкцій.

2. Переваги зварювання

Зварювання забезпечує ряд переваг, основні з яких приводиться нижче:

. Економія металу внаслідок найповнішого використання робочих перетинів елементів зварних конструкцій, додання їм найдоцільнішої форми відповідно до діючих навантажень і зменшення ваги з'єднаних елементів. У зварних конструкціях вага металу зварних швів становить від 1 до 2 %, у той час як у клепаних вага заклепок і косинок - не менш 4 % від ваги виробу. Зварювання дає до 25 % економії металу в порівнянні із клепкою, а в порівнянні з литтям в окремих випадках - до 50 %.

. Використання зварювання на будівництві будинків дозволяє зменшити вагу сталевих конструкцій на 15 %, полегшує виготовлення й збільшує міцність всієї конструкції. При спорудженні доменних печей застосування зварювання замість клепки дозволяє заощаджувати від 12 до 15 % металу, у конструкціях кроквяних ферм - 10-20 %, у конструкціях піднімальних кранів - 15-20 %.

. Скорочення строків робіт і зменшення вартості виготовлення конструкцій за рахунок зниження витрати металу та зменшення трудомісткості робіт. Так, наприклад, при будівлі великих доменних печей на металургійних заводах виготовлення кожуха печі зі сталевих листів за допомогою зварювання здійснюється менш ніж за два місяці. Виконання такого кожуха за допомогою клепки вимагає не менше ніж півроку.

. Можливість виготовлення зварних виробів складної форми зі штампованих елементів замість кування або лиття. Такі конструкції називаються штампозварними і застосовуються в автомобілебудуванні, авіабудуванні, вагонобудуванні. За допомогою зварювання можна виготовляти деталі з металу, що пройшов різну попередню обробку, наприклад зварювати прокатані профілі зі штампованими литими або кутими заготовками. Можна зварювати і різнорідні метали: нержавіючі сталі з вуглецевими, мідь зі сталлю й ін.

. Можливість широкого використання зварювання і різання при ремонті, де ці способи обробки металу дозволяють швидко та з найменшими витратами відновлювати зношене або несправне устаткування, і зруйновані спорудження.

. Здешевлення технологічного устаткування, тому що відпадає необхідність у використанні дорогих свердлильних, діропробивних верстатів і клепальних машин.

. Герметичність одержуваних зварних з'єднань.

. Зменшення виробничого шуму та поліпшення умов праці робітників.

Зварюванням можна одержати зварні з'єднання із міцністю вищою за міцність основного металу. Тому зварювання широко застосовують при виготовленні досить відповідальних конструкцій, що працюють при високих тисках і температурах, а також при динамічних (ударних) навантаженнях - парових котлів високого тиску, мостів, літаків, гідроспоруд, арматури залізобетонних конструкцій й інші [3].

3. Суть способу

Дифузійне зварювання - це зварювання тиском, здійснене за рахунок взаємної дифузії атомів контактуючих деталей при дії підвищеної температури і незначної пластичної деформації. Час зварювання складає від декількох до десятків хвилин. Схему дифузійного зварювання показано на рис.3.1

.

Рис.3.1. Схема дифузійного зварювання і розподілу температури нагрівання деталей, що з'єднуються: 1,2 - деталі; 3 - нагрівам

Характерна особливість традиційного способу дифузійного зварювання - застосування відносно високих температур нагрівання і низьких тисків, які менші границі плинності з'єднуваного матеріалу. Зближення поверхонь на міжатомні відстані відбувається за рахунок деформації повзучості. Для захисту металу можливе використання газових і рідких середовищ, але, звичайно, зварювання ведуть у вакуумі.

Дифузійне зварювання у вакуумі (ДЗВ) розроблено в 1953 р. доктором технічних наук, професором Миколою Федотовичем Казаковим. Він запропонував технологічну характеристику процесу, прийняту Міжнародним інститутом зварювання. За цією характеристикою, дифузійне зварювання матеріалів у твердому стані - це спосіб отримання монолітного з'єднання, що утворюється внаслідок виникнення міжатомних зв'язків у результаті зближення контактних поверхонь за рахунок локальної пластичної деформації при підвищеній температурі, яка забезпечує взаємну дифузію в поверхневих шарах з'єднуваних матеріалів.

Дифузійне зварювання застосовують для з'єднання як однорідних, так і різнорідних матеріалів. Температура зварювання в більшості випадків складає 0,6 температури плавлення (за абсолютною шкалою) металу, що зварюється, або більш легкоплавкого в різнорідних сполученнях.

При з'єднанні однорідних матеріалів параметри режиму зварювання можуть бути розраховані, виходячи з умов утворення фізичного контакту при повзучості та об'ємної взаємодії. Тривалість утворення фізичного контакту визначається за рівняннями, залежно від тиску і температури зварювання. У випадку зварювання різнорідних матеріалів необхідно враховувати тривалість процесу активації більш твердого матеріалу, а також можливість утворення крихких проміжних фаз, що вимагає жорсткого контролю дифузійних процесів. Дифузійну взаємодію матеріалів, які з'єднуються, можна розрахувати за рівняннями, залежно від схеми з'єднання.

Дифузійне зварювання виконують за двома схемами: без проміжних прокладок і з проміжними прокладками. При зварюванні різнорідних матеріалів, які значно відрізняються за своїми властивостями, наприклад, коефіцієнтами термічного розширення, застосування висо-копластичних прокладок із нікелю, міді, алюмінію дозволяє знизити рівень напружень у з'єднанні. За допомогою проміжних прокладок можна отримати зварні з'єднання без утворення крихких інтерметалідних фаз між різнорідними матеріалами, знизити температуру зварювання однорідних матеріалів тощо.