Что такое диффузионная сварка
Диффузионная сварка
Диффузия — процесс взаимного проникновения двух разных веществ при их соприкосновении. Процесс диффузии одинаков при взаимодействии любых веществ: будь то газо-, жидко- или твердообразных. Но диффузия в своем привычном виде практически неприменима, поскольку это долгий и малоэффективный процесс. Так каким же образом диффузия получила свое применение в сварке?
Все просто. В середине 20-го века советский ученый Н.Ф. Казаков воспользовался диффузией при сварке металлов, добавив при этом давление, нагрев и вакуум. Так появилась диффузионная сварка металлов. Ниже схема диффузионной сварки с кратким описанием.
Технология
На изображении выше вы прочли всю основную информацию. Предлагаем подробнее ознакомиться с технологией диффузионной сварки. Ведь диффузионная сварка в вакууме позволяет получить по-настоящему качественное соединение без применения классических технологий сварки.
Все начинается со специальной камеры, в которую помещаются детали. В камере создается технический вакуум, при этом разряжение в камере должно быть как можно выше. Так удастся добиться лучших результатов при сварке.
Далее детали нагреваются до определенной температуры. Температура зависит от металла заготовки и его свойства. Иногда бывают ситуации, когда нагрев может навредить детали, и тогда диффузионную сварку производят без нагрева. Но в таком случае время сварки увеличивается в несколько раз. В большинстве случаев нагрев лишь поспособствует формированию качественного шва, поскольку благодаря нагреву ускоряется диффузионный процесс. Детали нагреваются радиационным, индукционным или электроконтактным способом.
Затем на детали оказывается давление. Оно может быть разнообразным. И длительным, и кратковременным, и локальным. Но в конечном итоге вы должны получить один результат — диффузия должна ускориться.
Если вам нужно добиться исключительного качества сварного соединения, то можно использовать металлическую фольгу толщиной в несколько микрон, которой обматывают место стыка. Также есть разнообразные химические вещества, которые можно нанести на место стыка и тем самым поспособствовать улучшению качества шва.
После сварки деталь нужно отправить на обязательный контроль качества. Зачастую используются методы радиографического или ультразвукового контроля. Не рекомендуем капиллярный контроль, поскольку он не будет эффективным в данном случае.
Это основные этапы диффузионной сварки. Они могут быть изменены на усмотрение сварщика, если того требуют детали или условия сварки. И учитывайте, что при сварке разных металлов должно использоваться разное давление, ровно как и температура нагрева. Нельзя для цветных и черных металлов использовать одни параметры сварки, это грубейшая ошибка.
Оборудование
Оборудование для диффузионной сварки представляет собой специальный стенд с вакуумной камерой. В камеру как раз и помещаются детали. Именно по этой причине диффузионная сварка часто называется просто «вакуумная сварка». Детали стыкуются в камере, нагреваются и сжимаются под давлением. В таком состоянии заготовки находятся от нескольких минут до нескольких часов. Продолжительность диффузионной сварки зависит от типа металла, из которого сделаны детали, степени нагрева и давления. В результате образуется неразъемное сварное соединение. Оно отличается высоким качеством и долговечностью.
Все установки для диффузионной сварки должны быть оснащены системой активного охлаждения. Благодаря им деталь, находящаяся в камере, остывает равномерно, нет скачков температур. В результате заготовка теряет все свое остаточное напряжение и на месте стыка не образовываются трещины. Шов получается прочным и долговечным.
Достоинства и недостатки
Диффузная сварка, как и любая другая, обладает своими характерными плюсами и минусами. Мы подробно перечислим их, внося свои пояснения. Ведь за время работы нам удалось испробовать эту технологию и в полной мере убедиться во всех достоинствах и недостатках.
Начнем с плюсов. Самый главный плюс — не нужно использовать расходники. Ни электроды, ни проволока, ни газ вам не понадобятся в процессе работы. Поэтому диффузионная сварка считается одной из самых экономически выгодных. К тому же, при данном методе сварки нет вредных выбросов в атмосферу.
Второе преимущество, которое так же очень выгодно с экономической точки зрения — крайне низкое энергопотребление. Чтобы сформировать шов в диффузионной установке вам понадобится куда меньше энергии, чем при других способах сварки. Также упомянем, что с помощью диффузионной сварки вы сможете сварить несколько типов металлов одновременно. Не нужно беспокоиться об их разных свойствах и особенностях.
Еще один плюс — нет никаких ограничений по размерам деталей. Не важна длина, ширина и толщина металла. Можно варить крохотные детали, а можно сварить огромные. Главное, чтобы у вас была подходящего размера установка для сварки. К тому же, вы можете сделать соединение любого типа. И стыковое, и тавровое, и внахлест.
Не забывайте и том, что качество шва после диффузной сварки всегда на высоте. Оно куда лучше, чем при газовой или электрической сварке. Готовые швы можно даже не обрабатывать, поскольку они и так достаточно эстетичны.
Еще один плюс, которые мы заметили в работе, это абсолютная безопасность для сварщика. Все процессы протекают в закрытой камере, а это значит, что вы будете защищены от брызг металла, открытого пламени или электрического тока. Не стоит забывать и о химических парах, выделяемых при некоторых технологиях сварки. Все это негативно влияет на здоровье. А при диффузной сварке вы защищены.
Что ж, это основные достоинства диффузионной сварки. Чтобы быть объективными, мы перечислим и несколько недостатков. Но сразу скажем, что они не так уж существенны, на наш взгляд.
Главный недостаток — это само оборудование. Оно стоит недешево, чтобы с ним работать нужно предварительно обучиться, а для обслуживания требуются квалифицированные техники. К тому же, вы просто не сможете сварить деталь какого угодно размера, поскольку ваша установка может быть не рассчитана на это. Вы скажете, что можно просто купить огромную установку и варить в ней детали любого размера. Это так, но учтите, что чем больше установка, тем сложнее установить в камере нужный вакуум.
Второй недостаток — это необходимость тщательной подготовки металла под сварку. Нужно не просто почистить поверхность от грязи. Требуется очень кропотливая зачистка, чтобы диффузия была быстрой. Чем хуже вы зачистите металл, тем хуже будет качество шва.
Вместо заключения
Вот и все, что мы хотели рассказать вам о диффузионной сварке. Да, это не самая простая технология (по сравнению с ручной дуговой сваркой, например), но она дает много возможностей. Вам становится доступна диффузионная сварка титана или любых других металлов. К тому же, не нужно использовать электроды, обрабатывать место сварки. При этом качество соединения на высоком уровне. Вы когда-нибудь сталкивались в своей практике с диффузионной сваркой? Расскажите об этом в комментариях. Желаем удачи!
Диффузионная сварка
Диффузионная сварка – процесс производства неразъемного сварного соединения за счет диффузии ( внедрения) атомов одного металла (обычно более мягкого) в кристаллическую решетку другого (более твердого). Таким образом, можно получать прочные неразъемные соединения разнородных металлов (биметалл), а так же неметаллов (например, керамика со стеклом).
Способ был выдуман в 53-м Н.Ф. Казаковым и широко используется до сих пор в частности при производстве гидромоторов авиационной техники. Возможно использование и в других направлениях, в особенности там, где необходимо получить прецизионные пары трения, а детали и узлы собраны с применением антифрикционных материалов и работают на высоких оборотах. В качестве примера такой пары можно привести соединение оловяно-свинцово-никелевой бронзы БрОСН-10-2-3 со сталью 30Х3ВА – оно используется в блоке цилиндров авиационного плунжерного насоса.
Оборудование:
Понадобится вакуумная печь, способная обеспечить среднюю или высокую степень вакуума и приспособление с усилием сжатия 1-4 кгс/мм2. Таким приспособлением может быть специальное устройство, собранное внутри печи или графитовый контейнер, представляющий собой стакан с резьбой, на который накручивается крышка. При сварке бронзы со сталью в таком контейнере можно создать необходимое для диффузии первоначальное давление за счет большого коэффициента линейного термического расширения бронзы.
Охлаждение садки обеспечивается подачей аргона в камеру. Быстрое охлаждение позволяет так же закалить стальную часть узла до твердости 40 HRC.
Технология сварки бронзо-стальных деталей гидравлических агрегатов
Некоторые особенности сварки бронз со сталями
При изготовлении бронзо-стальных деталей гидравлических агрегатов часто возникает необходимость упрочнения стали путем ее термической обработки (закалки). При нагреве заготовок в соляной ванне операции сварки и закалки легко совмещаются в одном термическом цикле. В вакууме эти операции совместить технически сложно, за исключением тех случаев, когда закалка осуществима при скоростях охлаждения, реализуемых в потоке инертного газа (для специальных сталей). Поэтому термообработку бронзо-стальных деталей предполагается производить после сварки, как самостоятельную операцию. При этом температура закалки не должна превышать предшествующую температуру сварки.
Как показали экспериментальные исследования, термообработка не оказывает отрицательного влияния на свойства соединения. Прочность на разрыв сварных соединений ст. 30Х3ВА с Бр.ОС 10-10, полученных в вакууме и прошедших термообработку (закалка с 850-860 о С в масло, отпуск при 560 о С в течение 6 час) составляет, по экспериментальным данным, 310-330 МПа (31-33 кгс/мм 2 ) против 250-270 Мпа (25-27 кгс/мм 2 ) непосредственно после сварки. Последующая термообработка, как видно, благоприятно сказывается на упрочнении Бр. ОС10-10. Соединения этой стали с Бр.ОСН 10-1-3 после сварки и после аналогичной термообработки имеют примерно одинаковую прочность 300-330Мпа (30-33 кгс/мм 2 )
Следует отметить положительное влияние предварительного гомогенизирующего отжига бронз на их прочность в сварных соединениях. Отжиг в вакууме при 750 о С в течение 5 часов, помимо удаления избытка растворенных газов, способствует получению после сварки более равномерного распределения свинцовой составляющей в ее структуре. Прочность возрастает до 350-380 МПа (35-38 кгс/мм 2 ) для обеих марок бронз, правда, последующая термообработка (закалка с отпуском) возвращает прочность на прежний уровень (300-330МПа).
Необходимо учитывать высокую упругость пара таких элементов как свинец и цинк, которые часто содержатся в бронзах. В результате их испарения возможны изменения химического состава бронзы в приповерхностном слое и образование в ней пор.
| Бронза | Температура, о С | ||||
| 700 | 750 | 800 | 860 | 900 | |
| Бр. ОСН 10-2-3 | ≈0 | 0,46 | 0,73 | 7,3 | 14,2 |
| Бр. ОС 10-10 | ≈0 | 3 | 5,5 | 22 | 43 |
Приведенные выше значения испарения были получены в таких условиях нагрева, когда пары могли беспрепятственно распространиться от нагреваемого образца и осаждаться на холодные стенки вакуумной камеры, т.е. при нагреве в свободном (открытом) состоянии.
Таким образом, использование для оснастки закрытого типа, например, в виде графитовых кассет, позволяет значительно уменьшить потери свинца на испарение и практически полностью предотвратить его осаждение на холодные стенки вакуумной камеры. В случае диффузионной сварки открытых заготовок необходимо по возможности ограничивать свободные для испарения поверхности бронзы. С этих соображений, например, при сварке телескопических соединений, целесообразно применять вместо тонкостенных втулок цельные бронзовые стержни.
В заключении следует отметить, что такие работы можно производить при более низкой температуре, чем, например, в среде защитных газов или соляной ванне. Так как растекаемость жидкой фазы бронзы по стали в вакууме хорошая, температура сварки может быть всего на 15-20 градусов выше равновесного солидуса бронзы.
Нагрев в вакууме имеет также определенные технические преимущества по сравнению с нагревом в газовых защитных средах. Получение и контроль низкого остаточного давления значительно проще, чем получение и контроль нейтральных и восстановительных газов соответствующей чистоты. В вакуумных установках с достаточной надежностью можно поддерживать необходимую степень разряжения. Кроме того, расходы по эксплуатации вакуумных установок ниже по сравнению с печами с газовой атмосферой.
Технологическая оснастка для сборки и сварки деталей гидравлических агрегатов
При сварке бронз со сталями в твердо-жидком состоянии бронзы, независимо от способа нагрева, требуется применение различных приспособлений и технологической оснастки, предназначенных для сборки и фиксации свариваемых изделий при загрузке, нагреве и извлечении их из сварочной установки или печи. Для сборки телескопических соединений могут быть использованы гидравлические или механические прессы с необходимым усилием запрессовки, которое определяется действительной величиной натяга и жесткостью свариваемых заготовок. В собранном виде заготовки размещают в вертикальном положении на подставке или подвеске и загружают в печь (нагревательное устройство). Давление в контакте свариваемых материалов в этом случае создается за счет разного термического расширения бронзы и стали. Какие-либо дополнительные устройства для этой цели не требуются.
Для сварки стыковых соединений, например, при изготовлении бронзо-стальных башмаков или блоков цилиндров гидравлических агрегатов, на установках, в которых отсутствуют системы давления, следует применять сборочно- сварочные приспособления, с помощью которых в условиях общего нагрева создавалось бы требуемое силовое воздействие на свариваемые детали.
Основное назначение приспособления состоит в том, чтобы в процессе нагрева за счет термических напряжений, возникающих в системе приспособления-свариваемые изделия, сгладить имеющиеся на соединяемых поверхностях макро- и микронеровности и образовать между ними физический контакт.
Кинетика развития внутренних усилий и деформаций в системе приспособление-свариваемые изделия зависит от многих факторов: физико-механических характеристик материалов, конструкции и геометрических размеров всех элементов системы, распределения температур между ними и по сечению каждого элемента и т.д.
Ниже рассмотрены методы конструирования приспособлений для сборки и сварки стыковых соединений деталей гидравлических агрегатов (башмаков и блоков цилиндров) при нагреве в вакууме.
На рисунке 1 представлено приспособление для сборки и сварки стыкового соединения бронза-сталь блока цилиндров 1.
Оно состоит из тонкостенного стакана 2 и навинчиваемой на него сверху до упора в свариваемые детали тонкостенной крышки 3. В отличие от известных конструкций, состоящих, как правило, из двух запорных фланцев и съемных стяжных элементов (одного или нескольких стяжных болтов, распорных втулок и пр.), рассматриваемое приспособление содержит две однотипные детали, в которых роль стяжного элемента играют тонкостенные цилиндрические обечайки, выполненные заодно с опорными фланцами и связанные друг с другом с помощью резьбового соединения.
Приспособление вместе со свариваемыми изделиями образует замкнутую систему, в которой следует различать активную часть (свариваемые детали изделия) и пассивную часть (стяжные элементы). Для возникновения внутренних напряжений в системе (сжатия в активной части и растяжения в пассивной) необходимо, чтобы при нагреве суммарное термическое удлинение элементов активной составляющей системы было больше, чем термическое удлинение пассивной. Это достигается соответствующим подбором материалов приспособления по их коэффициентам термического расширения.
Элементы приспособления должны иметь достаточно высокое сопротивление пластической деформации при высоких температурах. Для их изготовления пригодны жаропрочные материалы, имеющие стабильную структуру и сохраняющие свои свойства при многократном термоциклировании. При сварке в вакууме следует учитывать также возможность схватывания элементов приспособления друг с другом. и сор свариваемыми изделиями.
Принцип действия приспособления (оснастки)
Заключается в следующем. Собранные под сварку детали 1 (рис.1) ставят на дно стакана 2 и сжимают вручную с помощью навинчивающейся сверху крышки 3. Откачка воздуха, замкнутого внутри такой кассеты, происходит в вакуумной печи (10-2) через естественные несплошности в резьбовом соединении крышки со стаканом. При длительной откачке внутри кассеты создается достаточное для осуществления качественной сварки степень разрежения. В то же время проникновение легкоиспаряющихся компонентов бронзы, например, свинца, через несплошности резьбового соединения затруднено, и внутри кассеты в результате этого создается давление паров, препятствующее дальнейшему его испарению с поверхности деталей. Потери металлов на испарение тем меньше, чем меньше объем незаполненного пространства внутри кассеты и чем плотнее резьбовое соединение крышки со стаканом. Выполнению последнего условия способствуют внутренние усилия, возникающие в системе приспособление – свариваемые изделия при нагреве ее до высокой температуры. Под действием этих усилий (растяжения в стяжных элементах оснастки) резьбовое соединение еще больше уплотняется и сопротивление потоку паров металлов таким образом возрастает.
Передача осевого усилия в приспособлении происходит по наклонным поверхностям резьбы. В результате этого в резьбе возникают равномерно распределенные по окружности радиальные усилия, которые деформируют тонкие цилиндрические обечайки в соответствующих направлениях, как это схематически показано пунктиром на рис.1. Накапливаемая при нагреве упругая деформация приспособления складывается таким образом из деформации его стяжных элементов не только в осевом, но и в радиальном направлении. После достижения соединяемыми деталями температуры сварки, когда сопротивление пластической деформации бронзы невелико, часть накопленной упругой деформации приспособления расходуется на сглаживание макро-микронеровностей в стыковом соединении, часть – на устранение вероятных несплошностей и перекосов, вызванных неточностями изготовления и сборки свариваемых деталей и элементов приспособления. Чем больше деформационный потенциал приспособления, тем больше вероятная пластическая деформация осадки бронзы в процессе сварки.
Необходимым условием образования плотного (без пор и микронесплошностей) соединения при диф.сварке является наличие физического контакта свариваемых поверхностей металлов друг с другом по всей площади сварного соединения. Прочность соединения возрастает, если фактическая площадь физического контакта близка или равна величине его геометрической площади. При сварке бронзы со сталью физический контакт образуется, главным образом, за счет пластического течения бронзы, как более мягкого материала, путем заполнения ею неровностей на поверхности стали. При этом пластическая деформация происходит не только в приповерхностных слоях бронзы, но и во всем ее объеме, воспринимающем сварочное давление. В связи с этим величина пластической деформации (осадки) бронзовой заготовки должна быть больше суммарной высоты микронеровностей на свариваемых поверхностях, и при оценке требуемой величины осадки при сварке можно лишь в первом приближении ориентироваться по средней статистической высоте макро- и микронеровностей стыкуемых поверхностей.
При определении требуемой величины деформационного потенциала приспособления необходимо учитывать также шероховатость контактирующей с бронзой опорной поверхности приспособления, неплоскостность, непараллельность (биение относительно центральной оси) опорных поверхностей свариваемых заготовок и всех элементов приспособления, т.е.
где К – деформационный потенциал системы;
Δi – различные отклонения от плоскости и биения опорных поверхностей свариваемых заготовок и элементов приспособления.
Так, например, если предположить, что для рассматриваемой конструкции приспособления (рис 1) средняя высота микронеровностей свариваемых поверхностей бронзы и стали, а также опорной поверхности бронзы и контактирующей с ней опорной поверхности при способления составляет 0,025 мм и все стыкуемые поверхности, в том числе в резьбовом соединении приспособления, имеют неплоскостность и биение, равные по 0,02 мм соответственно, то деформационный потенциал системы должен быть
К>(4*0,025+4*0,02+2*0.02+2*0,02)=0,26 мм
К>0,026
Сборочные эскизы. сварка систем «бронза-сталь» в графитовых контейнерах
Справка: Технология диффузионной сварки востребована в промышленности при производстве гидромоторов для авиационной техники — плунжерные насосы и т.д. и в других отраслях промышленности, где нужно получить биметаллы.
Как осуществляется диффузионная сварка в вакууме
Диффузионная сварка, как следует из названия, основана на физическом процессе диффузии, при котором происходит самопроизвольное смешивание молекул двух веществ. Таким образом, этот вид сварочного соединения представляет собой внедрение молекул одного металла в структуру другого до образования неразъемного соединения.
В естественных условиях, без внешнего давления, слияние двух металлов может занимать десятилетия и столетия. Хороший пример диффузии – это найденные клады золотых и серебряных монет, которые за столетия слиплись друг с другом.
Сферы применения
Впервые технология принудительного соединения металлов под давлением и высокой температурой в вакуумной установке была опробована в 1953 году советским ученым Н.Ф. Казаковым. В настоящее время разработано много методик соединения различных материалов, обобщенных в стандарте ГОСТ 19521-74.
Сферы применения диффузионной сварки достаточно разнообразны:
Ключевая особенность диффузионной сварки – это возможность соединять не только однотипные металлические поверхности, но и металлы с неметаллами (керамикой, стеклом, полимерами).
Вакуум
Для проведения такой сварки применяются специальные стенды, в которых возможно создание вакуума, а также установлен пресс с силой сжатия 1-4 кгс/мм2 и нагревательные устройства радиационного, электрического или индукционного типов.
Типовая схема установки для диффузионной сварки:
Выделяется два основных вида сварки в вакууме:
Виды соединения материалов: а – внахлест, б – встык, в – шовная сварка.
Общий принцип технологии
Сварка в вакууме происходит следующим образом.
Затем осуществляется нагрев материалов. Материалы нагреваются до требуемых температур (для каждого материала и определена своя температура). С повышением температуры также возрастает текучесть материалов, поэтому диффузия ускоряется. Обычно, температура нагрева составляет 0,5 – 0,7 температуры плавления вещества,
Нагрев применяемых веществ происходит либо в соединенном состоянии, либо отдельно друг от друга, если их температуры плавления различаются. Во втором случае применяется ток высокой частоты, которым можно не только нагреть деталь, но и провести дополнительную очистку ее поверхности.
Далее идет сжатие материалов. Когда материалы нагреваются до рабочей температуры, они сдавливаются между собой. Тип давления может быть разным: длительным или кратковременным, локальным или распределенным по всей площади поверхности. Давление редко превышает 0,5 МПа, а время воздействия различается от технологии проведения сварки.
Существует два основных способа оказания давления:
Существует один пример диффузионной сварки без специального пресса. Это обыкновенная сварка полипропиленовых труб для бытового отопления, либо водопровода. Трубы сплавляются с фитингами в небольшом ручном аппарате, а давление оказывается руками. Полипропилен – это достаточно мягкое вещество, не требующее существенных усилий для соединения.
Улучшение качества сварного шва может достигаться добавлением на стык элементов специальных химических составов либо фольги из золота, платины, меди. Толщина такой фольги в среднем составляет несколько микрон, завися от конкретного процесса.
Нанесение данных слоев позволяет:
Для соединения металлов с неметаллами, либо для сварки неметаллических деталей в качестве соединительных слоев могут применяться различные вещества:
Сила давления и температурные режимы нагрева и охлаждения подбираются для каждого материала (пар материалов) индивидуально, на основе теоретических расчетов.
Охлаждение материалов — финальная стадия. После диффузионного соединения деталей происходит их остывание в вакууме, а равномерность этого процесса поддерживается системами охлаждения. Резкие перепады температуры могут привести к появлению трещин на сварном шве и снижению его прочности.
В некоторых случаях, например, при соединении стали и бронзы, для быстрого охлаждения деталей применяется аргон. Быстрое охлаждение снижает гибкость изделия, но повышает его твердость.
Изготовленная деталь проходит контроль качества рентгеновским или ультразвуковым инструментом.
Сила давления и температурные режимы нагрева и охлаждения подбираются для каждого материала (пар материалов) индивидуально, на основе теоретических расчетов.
Преимущества и недостатки
Уникальная технология диффузионной сварки обеспечивает ряд важных параметров:
Технология диффузионной сварки имеет также несколько важных факторов, влияющих на качество выполненной работы:
Существует отдельный случай диффузионной сварки, называемый «космической проблемой». В открытом космосе практически идеальный вакуум, внутренне давление космического аппарата имеет свое давление, а лучи солнца могут нагревать поверхность до температур, достаточных для запуска самопроизвольного процесса сварки, который больше будет напоминать процесс неравномерного слипания поверхностей.
Решается такая проблема в основном за счет регулярного принудительного движения поверхностей, которым необходимо соблюдать подвижность и покрытия их специальными составами, предотвращающими начало реакции соединения.