Сварочные работы: современное оборудование н техноло­гия работ

Диффузная сварка

Диффузией называется явление самопроизвольного проник­новения и перемешивания частиц двух соприкасающихся газов, жидкостей или твердых тел. Происхождение слова от латинско­го diffusio означает распространение, растекание, рассеивание. С точки зрения физики это неравновесный процесс, вызываемый молекулярным тепловым движением и приводящий к установ­лению равновесного распределения концентраций внутри фаз. В результате диффузии происходит выравнивание химических потенциалов компонентов смеси.

Микроскопическая теория диффузии атомов, основанная на механизме перескоков атомов по вакансиям (свободным местам), была развита Я. И. Френкелем.

Замещение атомов кристаллической структуры вакансиями свя­зано с возможностью перехода их через потенциальный барьер. Пред­полагается, что после перехода атома на свободное место (вакансию) он, благодаря сильному взаимодействию его с соседними атомами, успевает отдать часть энергии, прежде чем вернется на свое место.

Процесс диффузии в твердых телах может осуществляться несколькими способами:

- обмен местами атомов кристаллической структуры с ее вакансиями;

- перемещение атомов по междоузлиям;

- одновременное циклическое перемещение нескольких атомов;

- обмен местами двух соседних атомов.

При образовании твердых растворов замещения преоблада­ет обмен местами атомов и вакансий. Диффузию принято выра­жать через коэффициент диффузии D:

D = a2/t • exp (-W/k • Т),

где: D — коэффициент диффузии;

а — постоянная решетки;

t — время периода колебаний атомов решетки (t=10"l3c)

W — энергия активации;

Т — температура.

Из формулы видно, что для твердых тел характерна экспо­ненциальная зависимость диффузии от температуры. Например, коэффициент диффузии для Цинка в медь возрастает в 1014 раз при повышении температуры от 30°С до ЗОО'С.

Все эти физические явления положены в основу диффузной сварки материалов и различных металлов и их сплавов. При диф­фузной сварке соединение образуется в результате взаимной диф­фузии (проникновения) атомов в поверхностных слоях контак - тируемых материалов, находящихся в твердом состоянии.

Температура нагрева при сварке несколько выше или ниже 0,5-0,9 Тплжвл) температуры рекристаллизации более легкоплав­кого материала. Процесс сварки в большинстве случаев выпол­няют в вакууме, примерно (1,33 • (10‘2 —10 5) Па. Однако возмож­на и сварка в атмосфере инертных защитных или восстанови­тельных газов.

Защитная среда способствует удалению пленок поверхност­ных окислов. В вакууме происходит их разложение (диссоциация) и испарение или восстановление окисных пленок до основного металла в среде восстановительного газа.

На рисунке 33 изображена принципиальная схема диффуз­ной сварки.

Процесс диффузной сварки выполняют следующим образом (рис. 33): свариваемые заготовки 4 центрируют в оправках 3,6, устанавливают в рабочую камеру 2, в которой создают вакуум или заполняют ее защитным газом. После этого нагревают заготовки до температуры рекристаллизации более легкоплавкого матери­ала и прикладывают давление с помощью, например пневмо, гид - ро - или механических устройств 1.

Давление создают порядка 1-20 МПа в течение 5-20 минут. После охлаждения деталей образуется сварное соединение. Нагрев осуществляют при помощи внешнего либо внутреннего нагревателя. Используют нагрев электрическим током, при по­мощи индуктора ТВЧ (токами высокой частоты), при помощи электронного луча в вакууме. Время выдержки зависит от свойств материала и его размеров.

Основные технологические параметры диффузной сварки:

- давление на свариваемые детали;

- температура нагрева заготовок;

- степень разрежения в вакуумной камере;

- время нагрева й время сжатия деталей.

Процесс сварки с помощью диффузного соединения условно разделяют на две стадии:

- 1-я стадия — нагрев материала и приложение давления, что вызывает пластическое течение микровыступов, раз­рушение ц удаление различных пленок на поверхностях контакта. Образуются многочисленные участки с непосред­ственной связью материалов;

- 2-я стадия — ликвидация микровыступов и образование объемной зоны соединения.

Оборудование для диффузной сварки:

- вакуумная установка с системами для подъема и опуска­ния камеры;

- системы для создания регулируемого давления на заготовки;

- устройства нагрева заготовок (индукторы ТВЧ, электронно­лучевые нагреватели);

- системы управления установкой и контроля.

Преимущества диффузной сварки:

- отсутствие загрязнений в соединении (нет припоев, флю­сов, электродов);

- возможность соединений в различных сочетаниях метал­лов, сплавов, различных материалов независимо от их твер­дости, взаимного смачивания;

- возможность сваривать биметаллические, триметалличес - кие и тетраметаллические детали;

- получение высокопрочных соединений без изменения физико-химических свойств свариваемых материалов;

- отсутствие какой-либо механической обработки послесварки;

- возможность соединений материалов различных толщин;

- высокая степень автоматизации процесса сварки;

- относительно низкие энергозатраты при высокой рента­бельности сварки.

Недостатки диффузной сварки;

- относительная сложность оборудования требует подготов­ки кадров.

Диффузную сварку широко применяют в ракетно-космичес­кой технике, в самолетостроении, приборостроении, пищевой и медицинской промышленностях и других отраслях. Этот способ применяют для сварки Ответственных деталей турбин, при изго­товлении металлокерамики, узлОв вакуумных приборов, высоко* температурных нагревателей, при производстве инструмента и т. д.

Выпускаются установки диффузной сварки для единичного производства (с ручным управлением) и для серийного производ­ства (с полуавтоматическим и автоматическим программным уп­равлением).