Диффузионная сварка
Главные отличия диффузионной сварки от других способов сварки давлением — относительно высокие температуры нагрева (0,5–0,7 Тпл) и сравнительно низкие удельные сжимающие давления (0,5–0 МПа) при изотермической выдержке от нескольких минут до нескольких часов.
Формирование диффузионного соединения определяется протекающими при сварке физико-химическими процессами. Это взаимодействие нагретого металла с газами окружающей среды, очистка свариваемых поверхностей от оксидов, развитие высокотемпературной ползучести и рекристаллизации. В основном эти процессы диффузионные и термически активируемые.
Очистка свариваемых поверхностей от оксидов
Для уменьшения скорости окисления свариваемых заготовок и создания условий очистки контактных поверхностей от оксидов при сварке могут быть применены
Очистка поверхностей металлов от оксидов может происходить в результате развития процессов сублимации и диссоциации оксидов, растворения оксидов за счет диффузии кислорода в металл (ионов металла в оксид), восстановления оксидов
Особенности сваривания поверхностей диффузионной сваркой
Свариваемые поверхности сближаются главным образом из-за пластической деформации микровыступов и приповерхностных слоев, вызванной приложением внешних сжимающих напряжений и нагревом металла. Во время деформации свободных от оксидов свариваемых поверхностей происходит их активация. При развитии физического контакта между такими поверхностями возникает их схватывание.
При диффузионной сварке одноименных металлов сварное соединение становится равнопрочным основному материалу тогда, когда структура зоны соединения не отличается от структуры основного материала. Для этого в зоне контакта должны образовываться общие для соединяемых материалов зерна. Это возможно за счет миграции границ зерен — путем первичной рекристаллизации или путем собирательной рекристаллизации.
С помощью диффузионной сварки в вакууме получают высококачественные соединения керамики с коваром, медью, титаном, жаропрочных и тугоплавких металлов и сплавов, электровакуумных стекол, оптической керамики, сапфира, графита с металлами, композиционных и порошковых материалов.
Соединяемые заготовки могут сильно различаться по форме и иметь компактные (рис. 1, а) или развитые (рис. 1, б, в) поверхности контактирования. Геометрические размеры свариваемых деталей находятся в пределах от нескольких микрометров (при изготовлении полупроводниковых приборов) до нескольких метров (при изготовлении слоистых конструкций).
Рис. 1. Некоторые типы конструкций, получаемых диффузионной сваркой
Как проходит процесс диффузионной сварки
Схематически процесс диффузионной сварки можно представить так: свариваемые заготовки собирают в приспособлении, позволяющем передавать давление в зону стыка, вакуумируют и нагревают до температуры сварки. Затем прикладывают сжимающее давление на заданный временной период. Иногда после снятия давления изделие дополнительно выдерживают при температуре сварки для более полного протекания рекристаллизационных процессов. Это способствует формированию доброкачественного соединения. По окончании сварочного цикла сборку охлаждают в вакууме, инертной среде или на воздухе в зависимости от типа оборудования.
Условно различают два вида напряжения, вызывающего деформацию металла в зоне контакта и определяющего процесс формирования диффузионного соединения. Это высокоинтенсивное (Р ≥ 20 МПа) и низкоинтенсивное (Р ≤ 2 МПа) силовые воздействия.
Сварка крупногабаритных двухслойных конструкций
При сварке с высокоинтенсивным воздействием сварочное давление создают, как правило, прессом, снабженным вакуумной камерой и нагревательным устройством (рис. 2). Но на таких установках можно сваривать детали ограниченных размеров — как правило, диаметром до 80 мм (рис. 1, а).
При изготовлении крупногабаритных двухслойных конструкций (рис. 1, б) применяют открытые прессы. Перед помещением в пресс свариваемые детали также собирают в герметичные контейнеры, которые вакуумируют и нагревают до сварочной температуры (рис. 3).
Рис. 2. Принципиальная схема установки для диффузионной сварки (a) и общий вид многопозиционной установки
Кроме того, нужно исключить возможность потери устойчивости свариваемых элементов, передачи давления в зону сварки и создания условий локально направленной деформации свариваемого металла в зоне стыка. Поэтому диффузионную сварку проводят в приспособлениях с применением технологических вкладышей и блоков (рис. 3) для заполнения «пустот» (межреберных пространств). После сварки эти приспособления демонтируют или удаляют химическим травлением.
Рис. 3. Технологическая схема диффузионной сварки с высокоинтенсивным силовым воздействием: а — требуемая конструкция; б — заготовки для сварки; в — технологические
При сварке с высокоинтенсивным силовым воздействием локальная деформация металла в зоне соединения, как правило, достигает нескольких десятков процентов. Это обеспечивает стабильное получение доброкачественного соединения.
Сварка плоских конструкций и конструкций с большим радиусом кривизны
Диффузионная сварка с низкоинтенсивным силовым воздействием перспективна для изготовления слоистых конструкций (рис. 1, в). При таком способе диффузионной сварки допустимые сжимающие усилия ограничены устойчивостью тонкостенных элементов. Кроме того, не требуется сложного специального оборудования.
При изготовлении плоских конструкций или конструкций с большим радиусом кривизны сжимающее усилие проще всего обеспечить за счет атмосферного давления воздуха Q на внешнюю поверхность технологической оснастки при понижении давления газа в зоне соединения (рис. 4).
Рис. 4. Технологическая схема диффузионной сварки с низкоинтенсивным силовым воздействием плоских конструкций: а — требуемая конструкция; б — заготовки для сварки; в — сборка; г — сварка; д — готовая конструкция; 1 — несущая обшивка; 2 — готовый заполнитель; 3 — технологические листы; 4 — мембрана
Размещение с внешней стороны свариваемых объектов технологических элементов (прокладки, мембраны и др.) с локальной жесткостью исключает возможность потери устойчивости обшивок в виде прогибов неподкрепленных участков. Величина сварочного давления Р ограничивается предельным напряжением потери устойчивости заполнителя σп.з. (Р ≤ σп.з.).
Сварка конструкций сложного криволинейного профиля
При изготовлении конструкций сложного криволинейного профиля можно использовать технологическую схему (рис. 5). Тогда давление нейтрального газа воспринимается внешними элементами самой конструкции — например, несущими обшивками или оболочками. Во время сварки неподкрепленные участки обшивки деформируются (прогибаются) под давлением газа. Это ухудшает условия для формирования соединения, уменьшает сечение сообщающихся каналов, ухудшает аэродинамическое состояние поверхности. В этом случае Р ограничивается напряжением, при котором имеет место чрезмерная остаточная деформация обшивок на неподкрепленных участках (Р ≤ σп.о.).
Рис. 5. Технологическая схема диффузионной сварки с низкоинтенсивным силовым воздействием конструкций сложной формы: а — требуемая конструкция; б — заготовки для сварки; в — сварка; г — характер деформации элементов конструкции при сварке; 1 — внешняя оболочка; 2 — внутренняя оболочка
В ряде случаев можно исключить применение внешнего давления для сжатия свариваемых заготовок. Этого можно достичь при помощи термического напряжения, возникающего при нагреве материалов с различными коэффициентами линейного расширения. При сварке коаксиально собранных заготовок коэффициент линейного расширения охватывающей детали должен быть меньше коэффициента линейного расширения охватываемой детали (рис. 1, а).
Качество соединения при диффузионной сварке
Качество соединения при диффузионной сварке в вакууме определяется комплексом технологических параметров. Среди них можно выделить основные: температуру, давление, время выдержки. Диффузионные процессы в основе формирования сварного соединения являются термически активируемыми, поэтому повышение температуры сварки стимулирует их развитие.
Для снижения сжимающего давления и уменьшения длительности сварки температуру нагрева свариваемых деталей следует установить по возможности более высокой. Тогда сопротивлением металлов пластической деформации понизится. В то же время нужно учитывать возможность развития процессов структурного превращения, гетеродиффузии, образования эвтектик и других процессов, изменяющих физико-механические свойства свариваемых металлов.
Удельное давление влияет на скорость образования диффузионного соединения и величину накопленной деформации свариваемых заготовок. Как правило, чем выше удельное давление, тем меньше время сварки и больше деформация.
Так, при сварке в прессе с высокими удельными давлениями (до нескольких десятков мегапаскалей) время образования соединения может измеряться секундами, а деформация металла в зоне соединения — десятками процентов. При сварке с низкими удельными давлениями (десятые доли мегапаскаля) время сварки может исчисляться часами, но деформация соединяемых заготовок составляет доли процента.
Поэтому задачу выбора удельного давления следует решать с учетом типа конструкций, технологической схемы и геометрических размеров соединяемых заготовок, а время сварки выбирать с учетом температуры и удельного давления. При сварке разнородных материалов увеличение длительности сварки может сопровождаться снижением механических характеристик соединения. Причиной этому служит развитие процессов гетеродиффузии, приводящее к формированию в зоне соединения хрупких интерметаллидных фаз.
Для осуществления диффузионной сварки в настоящее время создано свыше 70 типов сварочных диффузионно-вакуумных установок. Сейчас разработка и создание установок для диффузионной сварки идет в направлении унифицирования систем (вакуумной, нагрева, давления, управления) и сварочных камер. Меняя камеру в этих установках, можно значительно расширить номенклатуру свариваемых узлов. Некоторые виды конструкций, изготовленных диффузионной сваркой, приведены на рис. 6.
Рис. 6. Примеры титановых конструкций, изготовленных диффузионной сваркой
