СПЕЦИАЛЬНЫЕ СПОСОБЫ СВАРКИ И РЕЗКИ

Физические основы диффузионно-вакуумной сварки

Диффузионно-вакуумная сварка (ДСВ), изобретенная Н. Ф. Ка­заковым (1956 г., СССР) — это термомеханический способ свар­ки давлением, при котором контактируемые поверхности деталей предварительно очищают от загрязнений, оксидных и адсорбиро­ванных газов при вакуумном нагреве до пластического состояния, а затем детали подвергают длительной изотермической выдержке при сжимающих усилиях ниже предела текучести более легкоплав­кого материала в паре до образования сварного соединения.

В технологическом отношении процесс ДСВ очень прост (рис. 8.1). Детали 2 помещают в водоохлаждаемую вакуумную камеру 1. При помощи системы вакуумирования 4 давление в камере сни­жают до остаточного, равного 10“3 Па. Затем для сжатия и сварки деталей включают гидросистему 6 и высокочастотный генератор 5 с индуктором 3. При постоянной откачке вакуумной камеры про­изводят нагрев и изотермическую выдержку деталей в течение

10.. .20 мин при температуре рекристаллизации металла деталей. После сварки детали охлаждают в вакуумной камере в сжатом со­стоянии до заданной температуры. После разгерметизации каме­ры и снятия усилия сжатия деталей процесс ДСВ окончен.

Физическая основа ДСВ — вакуумное активирование сваривае­мых поверхностей при температуре рекристаллизации сваривае­мых материалов с последующим их замедленным сближением со скоростью диффузионной ползучести до полного сцепления (схва­тывания) под действием межатомарных сил.

Все известные способы сварки без расплавления используют для сближения соединяемых поверхностей механическое сжатие. Это приводит к значительной пластической деформации деталей.

Отличительной особенностью ДСВ является использование двух механизмов сближения для образования взаимного контакта при незначительной остаточной деформации деталей.

На первой стадии сварки при достижении температуры рекри­сталлизации (0,7 Тш) металла более легкоплавкой детали исполь­зуют механическое силовое сжатие. За счет этого происходит пла­стическое контактирование — сглаживание (притирка) поверх­ностей, т. е. пластическая деформация макронеровностей в виде волнистостей и микрошероховатостей. Одновременно происходит термомеханическое упрочнение приконтактного объема металла.

Его предел текучести утраивается. Пластическое деформирование остатков шероховатого слоя в контакте прекращается. Удваивание усилия механического сжатия деталей не приводит к завершению физического контактирования, для этого необходимо дополни­тельно увеличить сжатие.

На второй стадии сварки пластически деформироваться может только объем металла по высоте детали, который в своей массе остался в исходном неупрочненном состоянии. В целях предот­вращения осадки детали по ее высоте и сохранения ее незначи­тельной остаточной пластической деформации (прецизионности соединения) в шероховатом слое для завершения физического контактирования по всей поверхности сварки используют меха­низмы пороговой и непороговой (диффузионной) ползучести переноса масс. Эти механизмы срабатывают только при замедлен­ной критической скорости контактирования. При этом вследствие

1 — вакуумная камера; 2 — свариваемые детали; 3 — индуктор; 4 — система вакуумирования; 5 — источник нагрева (высокочастотный генератор); 6 —

гидросистема

диффузионных процессов разупрочнение э контакте преобладает над его деформационным упрочнением. Атак как предел текуче­сти в «холодном» объеме металла по высоте детали в 3 — 4 раза выше сжимающего напряжения, то образование прецизионного соединения при ДСВ гарантировано, хотя и ценой увеличения вре­мени сварки в 100—1 ООО раз по сравнению со сваркой трением или контактной стыковой сваркой сопротивлением за счет плас­тического контактирования.

Для сокращения времени сварки на порядок с сохранением главного достоинства ДСВ (ее прецизионности) необходимо уве­личивать коэффициент диффузии шероховатого слоя в контакте (с 10-9 см/с до Ю 6 см/с) путем применения промежуточных вы­сокопластичных прокладок, которые позволяют почти полностью завершить контактирование на первой стадии при механическом пластическом сжатии.

Специально подобранные по материалу (никель, медь, сереб­ро) и толщине (0,1...0,2 мм) промежуточные прокладки и по­крытия толщиной 2...8 мкм существенно расширяют возможно­сти и области применения ДСВ. Различают барьерные, релакса­ционные и буферные прокладки. Незаменимы прокладки в соеди­нениях, для которых недопустима остаточная макропластическая деформация, например для соединения стекло - и керамико-ме - таллических деталей.

Основным достоинством ДСВ является получение узлов и дета­лей с высокой размерной точностью (при остаточной деформа­ции в пределах 0,1... 1 %).

С использованием промежуточных прослоек можно соединять материалы, отличающиеся значительной разницей коэффициен­тов термического расширения, или склонные к образованию хруп­ких фаз.

Диффузионно-вакуумная сварка дает возможность соединять тугоплавкие металлы (вольфрам, ниобий, тантал), пористые, металлокерамические и композиционные материалы без наруше­ния их служебных свойств.

К недостаткам способа следует отнести значительную длитель­ность процесса; сложность оборудования; требования достаточно высокой точности сборки и чистоты обработки свариваемых по­верхностей; требования высокой вакуумной гигиены; отсутствие надежного способа контроля непровара; схватывание сжимающих пуансонов с деталью.