Материал: Дифузійне зварювання

Проміжний шар наноситься на поверхні шляхом електролізу, напилюванням у вакуумі, вводиться в стик у вигляді фольги або іншим способом. Хімічний склад прошарку вибирають залежно від роду матеріалів, які зварюються, і вимог до зварного з'єднання. Товщина проміжного шару може бути різною. При цьому прошарок може цілком змінювати свій склад за рахунок дифузії або зберігатися в стику, що необхідно при зварюванні матеріалів з різними властивостями або металів, що утворять крихкі з'єднання. Дифузійне зварювання виконують також із застосуванням прокладок, які розплавляються, активують поверхні і витісняються, а їх залишки дифундують в основний метал. Склад металу в зоні зварювання за рахунок дифузійних процесів наближається до складу основного металу. Цей процес широко застосовується при з'єднанні матеріалів, які погано зварюються плавленням і призначені для роботи при високих температурах та значних навантаженнях. У ньому поєднуються особливості дифузійного зварювання і паяння у вакуумі. Залежно від параметрів режиму, процес може давати з'єднання, які відповідають з'єднанням при дифузійному зварюванні, та з'єднання з окремими ділянками різної довжини, характерними для паяння.

Існує багато схем дифузійного зварювання, спрямованих на інтенсифікацію або чіткий контроль процесів з'єднання. Наприклад, використовують першу стадію повзучості з імпульсним навантаженням, що прискорює процес утворення фізичного контакту з'єднуваних поверхонь; регулюють процес утворення фізичного контакту, змінюючи швидкість переміщення деформуючого пристрою; застосовують імпульсне стиснення поверхонь зі швидкістю 1.30 м/с, що скорочує процес утворення зварного з'єднання до 10-2...10-3 с; зварювання проводять при коливанні температури навколо точки структурних перетворень, що збільшує швидкість дифузійних процесів; використовують пластично-деформовані прокладки або прокладки з ультрадисперсних порошків; зварювані деталі нагрівають у розведеному стані до різних температур; у зоні з'єднання інтенсифікують деформації зсуву; зварювання проводять у температурному інтервалі надпластичності тощо[7].

4. Техніка дифузійного зварювання

Спосіб заснований на використанні процесу дифузії металів. З'єднуються деталі поміщають в зварювальну камеру, яку заповнюють інертним або відновним газом (в нашій промисловості застосовується рідко), з підтримкою постійного вакууму порядку 102 - 105 мм рт. ст. Деталі в камері нагрівають і здавлюють питомим тиском порядку 0,5-2 кг/мм2. Вакуум підтримується безперервною; роботою вакуумних насосів, що відкачують гази, що надходять у зварювальну камеру через нещільності системи, а також адсорбовані поверхнями апаратури. Дуже важлива температура нагріву металу, сталь зазвичай нагрівається до 800° С. Відбувається очищення поверхні металу, видаляються поверхні забруднення і адсорбовані гази, відновлюються і розчиняються в металі оксиди. Поверхні зварювання повинні бути добре оброблені механічно для забезпечення дотику по всій поверхні зварювання. Безперервно діючий тиск деформує всі виступи та нерівності гарячого металу і забезпечує необхідне прилягання по всій поверхні. Процеси очищення, пригону поверхонь і дифузії йдуть досить повільно, і потрібно 5-20 хв, а іноді і більше для завершення процесу зварювання. Нагрівання деталей зазвичай електричне, причому в різних випадках використовується випромінювання нагрівачів, іноді теплопередача від нагрівачів через теплопровідність; можливий індукційний нагрів. Температура нагріву і її контроль мають велике значення, вже невелике її підвищення значно прискорює дифузію, з іншого боку, нагрів може знижувати якість металу. Спосіб відрізняється великою універсальністю щодо зварюваних металів: можлива зварювання багатьох сполучень різнорідних металів, а також металів з металокерамічними сплавами, металів з керамікою, з графітом і т. д. Спосіб отримав вже досить широке застосування для різних випадків, часто важкоздійснюваних іншими способами [4].

5. Технологія зварювання

Основними параметрами режиму дифузійного зварювання є температура (T), тиск (р), час зварювання середовище (А) (найчастіше використовують вакуум). Для вибору параметрів режиму велике значення має підготовка поверхонь, які з'єднуються. Чим вищий вакуум у зварювальній камері, тим менша взаємодія металу з газами. Однак ступінь вакуумування повинен бути економічно доцільним і технологічно достатнім.

Зварювання більшості металів ведуть у вакуумі порядку 10 Па, що досягається за допомогою механічних насосів об'ємної дії та найбільш дешевих дифузійних паро масляних насосів. Зварювання у вакуумі має економічні переваги перед зварюванням у середовищі інертних газів. При цьому не слід забувати про набагато більш досконалий захист вакууму порівняно навіть з високочистими інертними газами, що і визначає широке застосування вакууму при різних способах зварювання, паяння, напилення та інших технологічних процесах.

Підготовка та очистка з'єднуваних поверхонь при дифузійному зварюванні є важливим чинником, який визначає якість з'єднань. Звичайно поверхні зачищають механічною обробкою не гірше шостого класу (Я_а = 0,72...0,38 мкм) з наступним знежиренням. Механічна обробка в порівнянні з електролітичною доцільніша, тому що внесені при механічній обробці структурні дефекти прискорюють процес утворення монолітного з'єднання.

Вибір інших параметрів режиму розглянемо, наприклад, для жароміцних сплавів ЗИ602 (ХН75МБТЮ), ЗИ826 (ХН70ВМФТЮ), ЗП99 (ХН50ВМКТЮР) і ВЖ98 (ЗИ868 або ХН60ВТ). Температуру зварювання жароміцних сплавів призначають, виходячи з впливу температури на їх пластичність та інші властивості, процеси рекристалізації, дифузії, можливу втрату міцності. На рис.2.74 показано вплив температури на пластичність є жароміцних сплавів Мі-Сг-А1-Со і ЗИ617 (ХН70ВМТЮ), з яких видно, що при температурах вище 1200... 1250 °С пластичність сплавів різко падає. Критерієм оцінки пластичності при стискуванні є величина пластичної деформації в до появи тріщин у металі. Оскільки наведені діаграми є характерними для жароміцних сплавів, то температуру їх зварювання доцільно вибирати в інтервалі 1050... 1200 °С.

Рис.5.1. Діаграма технологічної пластичності жароміцних нікелевих сплавів: 1 - сплав Ni-Cr-Al-Co; 2 - сплав ЭИ617

Однією з основних задач, спрямованих на досягнення найкращих властивостей жароміцних сплавів, є виключення можливості утворення їх різнозернистості. Тому в зоні з'єднання при вибраній температурі зварювання необхідно уникати критичних деформацій, при яких величина зерна різко збільшується. Для цього можна користуватися діаграмами рекристалізації сплавів.

Діаграми рекристалізації сплавів можуть бути побудовані щодо умов дифузійного зварювання. У цьому випадку для зручності вибору режимів зварювання замість величини деформації відкладають величину тиску, що діє протягом певного часу зварювання. Таку діаграму показано зварювання жароміцних сплавів призначають, виходячи з впливу температури на їх пластичність та інші властивості, процеси рекристалізації, дифузії, можливу втрату міцності. На рис.2.74 показано вплив температури на пластичність є жароміцних сплавів Мі-Сг-А1-Со і ЗИ617 (ХН70ВМТЮ), з яких видно, що при температурах вище 1200... 1250 °С пластичність сплавів різко падає. Критерієм оцінки пластичності при стискуванні є величина пластичної деформації в до появи тріщин у металі. Оскільки наведені діаграми є характерними для жароміцних сплавів, то температуру їх зварювання доцільно вибирати в інтервалі 1050... 1200 °С.

Однією з основних задач, спрямованих на досягнення найкращих властивостей жароміцних сплавів, є виключення можливості утворення їх різнозернистості. Тому в зоні з'єднання при вибраній температурі зварювання необхідно уникати критичних деформацій, при яких величина зерна різко збільшується. Для цього можна користуватися діаграмами рекристалізації сплавів.

Рис.5.2. Вплив тиску при температурах зварювання 1100 (7), 1175 (2) і 1200 °С (3) на величину зерна жароміцного сплаву ЗП99 у зоні етика (а) і розподіл деформацій (укорочення) по осі дії тиску при Т~ 1150 °С, р = 40 МПа (б)

Діаграми рекристалізації сплавів можуть бути побудовані щодо умов дифузійного зварювання. У цьому випадку для зручності вибору режимів зварювання замість величини деформації відкладають величину тиску, що діє протягом певного часу зварювання. Таку діаграму показано на рис.5.2, а. Розподіл деформацій, що визначалися на базі 1 мм, по осі дії тиску показано на рис.5.2, б. Час зварювання складав 6 хвилин.

Локальна деформація при ДЗВ складає 40. .60%, але зона її локалізації менша, ніж З0...50мкм. Тому для побудови діаграм рекристалізації необхідно визначати величину макродеформації на базі 1 мм.

Тиск і час зварювання можуть бути розраховані за необхідною при заданій обробці поверхонь величиною пластичної деформації і швидкістю повзучості жароміцних сплавів відповідно до рівняння (1.28). Для сплавів ЗИ602, ЗИ826, ЗП99 постійні повзучості відповідно дорівнюють: В = 7,24*10^-6; 6,05*Ю^-6 і 5,46*10^-6; m = 3,786; 3,730; 3,810; енергія активації повзучості АН_п = 345, 372 і 375 кДж/моль. Постійні В і m для різних сплавів змінюються мато. Енергія активації повзучості з підвищенням жароміцності сплавів зростає. Для дисперсійно-зміцнюваних сплавів ЗИ826 і ЗП99 вона вища, ніж для незміцнюваного ЗИ602. Використовуючи наведені дані, можна визначити час утворення фізичного контакту. При температурах 1175... J 200 °С, тиску 30 МПа і обробці поверхонь по 7-8-му класах цей час для жароміцних сплавів складає секунди.

Вплив режимів зварювання на механічні властивості з'еднань деяких жароміцних сплавів показано на рис.5.3-5.5. Графіки рис.5.3 побудовані для сплавів ЗП99 та ЗИ602 при часі зварювання 6 хв, для сплаву ВЖ98 - ЗО хв.

У всіх випадках зварювання сплавів зразки стискували за допомогою гідропресу, але для сплаву ВЖ98 тиск підтримували однаковим протягом всього циклу зварювання, а для сплавів ЗИ602 і ЗП99 - лише протягом 4...6 с і при його зниженні за рахунок повзучості не відновлювали. Цим пояснюється суттєва різниця в тисках при зварюванні вказаних сплавів.

Із рівнянь повзучості і дифузії (розділ 1) видно, що температура, тиск і час зварювання взаємопов'язані. Підвищення температури призводить до росту швидкості повзучості, прискорення дифузійних процесів та рекристалізації, що скорочує час, необхідний для утворення якісного зварного з'єднання. Аналогічно впливає тиск.

Рис.5.3. Вплив тиску зварювання на властивості з'еднань при нормальній температурі сплавів ЗП99 (а), ЗИ602 (б), ВЖ98 (в) і при температурах зварювання: 1 -1100; 2- 1150; 3 -1175; 4- 1200 °С

Якщо з'єднання зі сплаву ЗП99 при температурі зварювання 1100 °С мають механічні властивості значно нижчі, ніж основний метал, то з'єднання зі сплаву ЗИ602 мають властивості, близькі до властивостей основного металу. Це пояснюється меншою жароміцністю сплаву ЗИ602 і відповідно вищою дифузійною рухомістю атомів сплаву. На відміну від сплаву ЗП99, у з'єднаннях сплаву ЗИ602 зерна на окремих ділянках переростають стик. Підвищення температури зварювання до 1150...1175 °С забезпечує зростання міцності і пластичності також з'єднань сплавів ЗП99 і ВЖ98. У зоні етика утворюються спільні зерна[4]. Характер впливу тиску на властивості з'єднань з підвищенням температури не змінюється, хоча фізичний контакт з'єднаних поверхонь досягається при менших тисках, але при тій же величині загальної пластичної деформації зразків (близько 3 % для сплавів ЗП99 і ЗИ602). Для кожної температури існує певний мінімальний тиск, що забезпечує 100%-й фі зичний контакт поверхонь за даний час. Експериментальні результати добре узгоджуються з розрахунками.

Вплив температури зварювання на властивості з'єднань сплавів показано на рис.5.4. Для сплаву ВЖ98 показано також величину пластичної деформації в зразків при зварюванні. Час зварювання сплавів ЭП99 та ЭИ602 складав 6 хв, сплаву ВЖ98 - ЗО хв.

Рис.5.4. Вплив температури на властивості з'єднань при нормальній температурі сплавів ЗП99 (а). ЗИ602 (б), ВЖ98 (в) при тисках: 1 - 10; 2 - 15; З - 20; 4 - 25; 5-30; (5-35; 7-40 МПа

Із підвищенням температури до 1150 °С міцність і особливо пластичність з'єднань зростають. У зоні етика проходить рекристалізація. При температурах вище 1175 °С для більшості дисперсійно-зміцнених сплавів у зоні етика спостерігається розчинення зміцнюючих фаз. Ступінь розчинення зростає зі збільшенням часу зварювання. Підвищення температури вище 1200 °С для більшості сплавів викликає інтенсивний ріст зерна. При температурі 1250 °С навіть низькі тиски зварювання багатьох сплавів призводять до утворення тріщин, що підтверджує необхідність врахування діаграм технологічної пластичності при виборі режимів зварювання. дифузійне зварювання сплав температура

6. Процес дифузійного зварювання

Відмінна риса дифузійного зварювання від інших способів зварювання тиском - відносно високі температури нагріву (0,5-0,7 Тпл) та порівняно низькі питомі стискають тиску (0,5-0 МПа) при ізотермічній витримці від декількох хвилин до декількох годин. Формування дифузійного з'єднання визначається такими фізико-хімічними процесами, що протікають при зварюванні, як взаємодія нагрітого металу з газами навколишнього середовища, очищення зварювальних поверхонь від оксидів, розвиток високотемпературної повзучості і рекристалізації. У більшості випадків це дифузійні, термічно активуються процеси. Для зменшення швидкості окислення зварювальних заготовок і створення умов очищення контактних поверхонь від оксидів при зварюванні можуть бути застосовані гази-відновники, розплави солей, флюси, обмазки, але в більшості випадків використовують вакуум або інертні гази. Очищення поверхонь металів від оксидів може відбуватися в результаті розвитку процесів сублімації і дисоціації оксидів, розчинення оксидів за рахунок дифузії кисню в метал (іонів металу в оксид), відновлення оксидів елементами-раскислителями, що містяться в сплаві і дифундує при нагріванні до межі розділу метал - оксид .

Розрахунок і експеримент показують, що, наприклад, на сталі оксиди видаляються найбільш інтенсивно шляхом їх відновлення вуглецем, а на титані - за рахунок розчинення кисню в металі. Зближення зварювальних поверхонь відбувається в першу чергу в результаті пластичної деформації мікровиступів і приповерхневих шарів, обумовленої додатком зовнішніх стискаючих напруг і нагріванням металу. У процесі деформації поверхонь, що зварюються, вільних від оксидів, відбувається їх активація, і при розвитку фізичного контакту між такими поверхнями реалізується їх схоплювання. При дифузійному зварюванні однойменних металів зварне з'єднання досягає равнопрочного основного матеріалу в тому випадку, коли структура зони з'єднання не відрізняється від структури основного матеріалу. Для цього в зоні контакту повинні утворюватися спільні для з'єднуються матеріалів зерна. Це можливо за рахунок міграції границь зерен, здійснюваної або шляхом первинної рекристалізації, або шляхом збиральної рекристалізації. За допомогою дифузійного зварювання у вакуумі одержують високоякісні з'єднання кераміки з підступний, міддю, титаном, жароміцних і тугоплавких металів і сплавів, електровакуумних стекол, оптичної кераміки, сапфіру, графіту з металами, композиційних та порошкових матеріалів. Сполучаються заготовки можуть бути дуже різні за своєю формою і мати компактні або розвинені поверхні контактування. Геометричні розміри зварюваних деталей знаходяться в межах від декількох мікрометрів (при виготовленні напівпровідникових приладів) до декількох метрів (при виготовленні шаруватих конструкцій). Деякі типи конструкцій, одержуваних дифузійної зварюванням. Схематично процес дифузійного зварювання можна представити таким чином. Зварювані заготовки збирають в пристосуванні, що дозволяє передавати тиск в зону стику, вакуумирують і нагрівають до температури зварювання. Після цього прикладають стискуюче тиск на заданий період часу. У деяких випадках після зняття тиску виріб додатково витримують при температурі зварювання для більш повного протікання рекрісталлізаціонних процесів, що сприяють формуванню доброякісного з'єднання. По закінченні зварювального циклу збірку охолоджують у вакуумі, інертному середовищі або на повітрі в залежності від типу обладнання. В залежності від напружень, що викликають деформацію металу в зоні контакту і визначають процес формування дифузійного з'єднання, доцільно умовно розрізняти зварювання з високоинтенсивним (Р ≥ 20 МПа) і низькоінтенсивним (Р ≤ 2 МПа) силовим впливом. При зварюванні з високоинтенсивним впливом зварювальне тиск створюють, як правило, пресом, забезпеченим вакуумної камерою і нагрівальним пристроєм. Але на таких установках можна зварювати деталі обмежених розмірів (як правило, діаметром до 80 мм. При виготовленні великогабаритних двошарових конструкцій застосовують відкриті преси. При цьому зварювані деталі перед приміщенням в прес збирають в герметичні контейнери, які вакуумируют і нагрівають до зварювальної температури.