Диффузионная сварка, технология и оборудование.

Диффузионная сварка — сварка за счёт взаимной диффузии на атомарном уровне свариваемых поверхностей деталей. Диффузионная сварки применяется в частности при производстве компенсаторов шинных медных пластинчатых КШМ для получения монолитной однородной контактной площадки из тонких медных пластин. 

Определения и сущность диффузной сварки описаны в ГОСТ 26011-74. Диффузионная сварка производится воздействием давления и нагревом свариваемых деталей в защитной среде. Перед сваркой поверхность детали обрабатывают по 6 классу шероховатости и промывают для обезжиривания ацетоном.

Температура нагрева составляет 0,5 – 0,7 от температуры расплавления металла свариваемых деталей. Высокая температура обеспечивает большую скорость диффузии и большую пластичность деформирования металла. При недостаточной диффузии в сварке используют металлические прокладки (фольга из припоя ВПр7 толщиной 0,1 – 0,06 мм.) или порошок (фтористый аммоний), прокладываемые в месте сварки. Перед сваркой фольгу приваривают к поверхности одной из деталей с помощью контактной сварки. В процессе сварки прокладка расплавляется.

Процесс сварки осуществляется с использованием разных источников нагрева. В основном применяют индукционный, радиационный, электронно-лучевой нагрев, нагрев проходящим током, тлеющим разрядом или в расплаве солей

Сварка протекает при давление в камере – 10−2 мм. рт. ст. или в атмосфере инертного газа (иногда водорода). Вакуум или защитная атмосфера предохраняет свариваемые поверхности от загрязнения.

Сварка производится сжатием деталей с давлением 1 – 4 кгс/мм2. Давление, применяемое при способах сварки без расплавления материалов, способствует разрушению и удалению окисных пленок и загрязнений на поверхности металла, сближению свариваемых поверхностей до физического контакта и эффективного атомного взаимодействия, обеспечению активации поверхностей для протекания диффузии и рекристаллизации. Различается сварка с высокоинтенсивным силовым воздействием (свыше 20 МПа) и сварка с низкоинтенсивным силовым воздействием (до 2 МПа).

Диффузионная сварка проходит в две стадии:

1. Сжатие свариваемых поверхностей, при котором все точки соединяемых материалов сближаются на расстоянии межатомных взаимодействий.
2. Формирование структуры сварного соединения под влиянием процессов релаксации.

В отличие от традиционных способов сварки расплавлением, где к основному металлу вводится дополнительный металл в шве, диффузионная сварка позволяет получить однородный шов без серьезных изменений в физико-механическом составе места соединения.

Соединения обладают следующими показателями:

• наличие сплошного шва без пор и образований раковин;
• отсутствие окисных включений в соединении;
• стабильность механических свойств.

Благодаря тому, что диффузия – это естественный процесс проникновения одного вещества в другое, в зоне соприкосновения не нарушается кристаллическая решетка материалов, а следовательно, отсутствует хрупкость шва. 

Недостатки технологии диффузионной сварки

• необходимость вакуумирования рабочей камеры;
• тщательная подготовка и очистка свариваемых поверхностей.

Преимущества технологии диффузионной сварки

• диффузионная сварка не требует сварочных припоев, электродов;
• не нужна дополнительная механическая обработка свариваемых поверхностей;
• высокое качество сварного соединения;
• малый расход затрачиваемой энергии;
• широкий диапазон толщин свариваемых деталей – от долей мкм, до нескольких метров.

Применение диффузионной сварки

К преимуществам данной технологии относят возможность диффузионной сварки разнородных материалов с получением равнопрочного шва без существенных изменений в физико-химических характеристиках, высокий уровень защиты и отсутствие необходимости в присадочном металле. Такая сварка позволяет создание прочных конструкций как из однородных металлов со сплавами, так материалов разного рода, в том числе резко отличающихся своими характеристиками, например пористых составов со слоистыми. Это не растворимые друг в друге, тугоплавкие или малопластичные металлы и сплавы, соединение которых довольно затруднительно. А применение диффузионного способа позволяет получать сварные конструкции даже из таких пар металлов и сплавов, которые практически невозможно соединить с помощью других видов сварки. Примером этого может служить диффузионная сварка титана со сталью, стойкой к коррозии, молибдена с медью или ниобия с вольфрамом, силикатов (кварц, стекло) с металлами, жестких углеводородов (графит и сапфир) со сплавами, стекла с ферритами и металлами.

Оборудование
Для проведения диффузионной сварки выпускается оборудование, различаемое по степени вакуумирования: с низким вакуумом (до 10-2 мм рт. ст.), со средним вакуумом (10-3…10-5 мм рт. ст.), с высоким вакуумом (свыше 10-5 мм рт. ст.), с защитным газом разной степени давления.

Для нагрева деталей применяют индукционный нагрев токами высокой частоты, электроконтактный нагрев током, радиационный нагрев электронагревателем.

В установках используют гидравлические или механические системы давления. Установки бывают с ручным управлением, полуавтоматические и автоматические с программным управлением. Автоматы применяются в крупносерийном или массовом производстве.

 

По теме

Компенсаторы шинные медные КШМ

Подключение трансформатора к шинопроводу

Популярные товары

Шины медные плетеные

Шины изолированные гибкие и твердые

Шинодержатели

Изоляторы

Индикаторы наличия напряжения

в чем заключается метод сварки металлов в вакууме, установка оборудования

Диффузионная сварка может выручить людей в очень многих ответственных случаях. Но чтобы правильно применять ее, нужно знать, в чем же заключается метод сварки металлов в вакууме. Отдельная актуальная тема — порядок установки оборудования, а также общие плюсы и слабости подхода.

Описание метода

Диффузионная сварка металлов, как нетрудно понять уже по ее наименованию, направлена на взаимопроникновение мелких частиц — молекул и даже атомов. Процесс выстраивается таким образом, что концентрация разных веществ уравновешивается. Исключается какое-то нарушение состава или искажение его. Диффузия между твердыми веществами имеет огромное значение в промышленности. При строго заданных условиях, если выдержана температура и другие параметры, возможно смешивание веществ разного происхождения, включая и перемешивание металлов с неметаллами.

Чаще всего этот технологический процесс проходит в вакууме, реже — в защитных газах. Диффузионная сварка в воздухе при обычном давлении невозможна, поскольку ее результаты непредсказуемы. Метод диффузного сваривания в вакууме появился в промышленности с середины ХХ века. Процесс идет при абсолютном вакууме или близких к нему значениях разряжения — вплоть до 5-10 мм. рт. ст. Предварительно соединяемые материалы разогревают до 50-70% температуры их полного плавления. Диффузионная сварка идет как изотермический процесс при давлении не более 500 КПа.

Специализированные установки состоят из:

• источника электропитания;
• электротехнического комплекса;
• вакуумной камеры;
• охладительного контура;
• гидравлических или пневматических приводов.

Аппараты передают усилие на обрабатываемую поверхность или прямым способом, или через опосредующие приспособления. Фиксация деталей производится с помощью буртиков, канавок, проточек, уступов.

В сложных случаях применяется оборудование, действующее за счет термонатяга. Такой же подход применяют, если нужно выполнять сравнительно простые и однородные работы с множеством типовых позиций.

Большие проблемы представляет диффузионная сварка крупногабаритных деталей. Подходящее для нее оборудование или вовсе не освоено промышленностью, или только начинает выпускаться. Решать проблему пытаются с помощью типовых прессовых систем, модернизируя их по мере возможного. Дополнительно применяют средства ультразвукового контроля и акустическую эмиссию. Аппараты с таким функционалом отслеживают все появляющиеся дефекты и своевременно устраняют их.

Принцип действия

Как уже сказано, основное технологическое новшество заключается в использовании «миграции» атомов и молекул при определенных условиях. Раньше всего детали, которые требуется соединить, закладывают в специальный стенд. Внутри него формируется технический вакуум. Иногда используют меньшее разрежение, но не хуже 10-2 мм. рт. ст. Применение инертных газов происходит очень редко – это обусловлено, главным образом, специфическими требованиями заказчиков.

Когда необходимая среда создана, материалы прогревают. Степень нагрева всегда определяют индивидуально. Важно! Если соединяются материалы с неодинаковой точкой плавления, то их греют раздельно. Стараются иногда использовать токи высокой частоты, которые, наряду с разогревом деталей, делают их поверхность чище. Нагретые и вакуумированные заготовки сжимают.

Специальная аппаратура может следить, чтобы это происходило в момент требуемого разогрева. Но чаще такой контроль приходится выполнять самим сварщикам.

Давление происходит различным образом: дольше или короче, по всему объему или в отдельной точке.

Медленным считается сдавливание, занимающее иногда до нескольких часов. При ударной методике воздействие идет со скоростью до 30 м/с.

Такая обработка требует считанных миллисекунд. Это решение отлично подходит, когда надо соединить материалы, разделяемые специальными составами или фольгой из металла. Диффузионная сварка в единичном случае производится без специализированных прессов. Речь идет о сплавлении труб из полипропилена. Водопроводный полимер отличается мягкостью, соединить его можно без особых усилий.

Плюсы и минусы

Диффузионная сварка позволяет обрабатывать поверхность с прецизионной точностью. Только этот метод дает создавать блоки из материалов, которые как-то еще стыковать нельзя. В результате формируются очень сложные композиты. Шов не будет ярко выражен, гарантируется монолитность стыка.

Расход энергии оказывается сравнительно малым.

При диффузионной сварке отсутствует надобность в использовании дополнительных приспособлений и частей. Не нужны присадки, электродные инструменты, флюсы. Внимание! В некоторых операциях все же не обойтись без тонкой фольги из серебра и золота. Сварочный процесс на 100% экологичен и исключает разбрызгивание расплава, появления опасных излучений и выбросов газов. Ультрафиолет также не появляется.

Диффузионная сварка гарантирует повышенную прочность стыков. С ее помощью легко выработать пустотелые конструкции. Преимуществом является и экономичность — за одну технологическую операцию можно связать сразу несколько разнотипных материалов. Однако все это не значит, что диффузионное сваривание имеет только положительные стороны. Оборудование для такой работы технически сложно и может легко расстраиваться, как и любой прецизионный аппарат.

Выходить из строя могут не только вакуумные насосы, но и охладители, точные прессы, нагреватели. Для их изготовления применяют жаропрочные металлы. Конструкция диффузионных сварочных машин не позволяет сделать их достаточно дешевыми, приемлемыми для частного использования. Установки весят достаточно много и не могут быть мобильными, а в местах постоянного монтажа требуют прочных опор.

Поскольку работа ведется в вакуумной камере, есть жесткие ограничения на величину заготовок, а их поверхность приходится скрупулезно очищать.

Где используется?

Диффузионная методика позволяет соединить, к примеру, сталь с бронзой, с керамикой, бывают и другие сложные сочетания. Метод успешно позволяет формировать крепкий монолитный блок. Подход справляется, даже если другие способы крепления не срабатывают. С помощью диффузионной сварки можно соединить столь неподатливые металлы, как тантал и вольфрам. Еще ее используют, чтобы:

• выпускать точную электронную продукцию;
• соединять отдельные полупроводниковые блоки;
• производить гильзы авиационных моторных цилиндров;
• выпускать колодки и диски для тормозных систем;
• вырабатывать штампы особо высокой твердости;
• получать части турбинных компрессоров;
• производить металлокерамику.

схема, особенности и области применения

Диффузия — это процесс, во время которого при тесном контакте между поверхностями молекулы и атомы разных элементов начинают смешиваться и проникать друг в друга. В естественных условиях данный процесс протекает достаточно медленно, поэтому он не приемлем для производственных условий.

Но в 1953 году советский физик Николай Федорович Казаков смог добиться повышения скорости взаимного проникновения молекул и атомов друг в друга. Он поместил соединяемые заготовки в вакуум, повысил температурные показатели и оказал на них усиленное давление. Так и появилась диффузионная сварка, которая позволяет соединять детали из разных видов металлов.

Характеристика диффузионной сварки

Во время диффузионной сварки металлов используются специальные сварочные стенды. На их поверхности размещаются элементы, затем стенды с ними помещаются в камеру с вакуумом. На соединяемую зону оказывается давление, если потребуется, она может подвергаться температурному воздействию.

В соответствии с основными особенностями сварочного процесса, он может длиться от нескольких минут до часов. В результате изделие приобретает характеристики, которые невозможно получить при проведении других видов сварок.

Чтобы при проведении диффузной сварки удалось получить прочный и качественный шов стоит обратить внимание на несколько важных условий:

1. При помощи специальной установки требуется создать вакуум. Чем выше будет разряжение внутри, тем быстрее и эффективнее будет протекать сварочный процесс. Чтобы получить физический вакуум в обычных условиях требуются большие затраты. По этой причине приходиться применять небольшое разряжение, которое редко может превышать 10-5 мм рт.ст.. Но даже этого показателя достаточно для получения отличных результатов.
2. Во время сварки необходимо нагревать соединяемые детали. Иногда процесс может протекать при комнатной температуре, но тогда на формирование шва может потребоваться много времени. При увеличении температуры повышается текучесть металлов и ускоряется диффузия. Нагревание может выполнять разными способами — индукционным, электроконтактным, радиационным.
3. После достижения требуемой температуры в область соединения подается необходимое давление. Оно может быть разных типов — длительное или кратковременное, локальное или одновременно распределенное. Это требуется для ускорения взаимного проникновения частиц вещества.
4. Для повышения прочности сварного соединения требуется применять тонкую медную, золотую, платиновую, никелевую фольгу. Ее толщина должна составлять несколько микрон. Также области стыков заготовок рекомендуется обрабатывать химическими веществами.
5. Каждая готовая деталь подвергается дефектоскопии. Обычно вакуумная сварка требуется для применения радиации и ультразвука.

Области применения

Диффузионная сварка в вакууме является наиболее подходящим вариантом для сваривания разнородных металлов в различных сочетаниях, к примеру, стали и бронзы, стали и керамики и многое другое.

Данный вид сваривания наиболее подходящий для получения прочного и монолитного соединения. После проведения процесса шов получается ровным, без дефектов, неровностей. Обычно он применяется в ситуациях, когда нет возможности применять стандартные виды фиксирования металлических элементов.

Сварка в вакууме часто используется для изготовления следующих металлических конструкций и заготовок:

• гильз двигательных цилиндров. Этот вид сварки часто используют в производстве авиатехники;
• тормозных колодок и дисков;
• основных компонентов турбокомпрессоров;
• штампов с повышенным показателем твердости;
• изделий с металлокерамической основой;
• для производства сложных композитов разных типов — из стекла и меди, металлов с графитом, кварцем, сапфиром;
• этот вид сварки часто используют при соединении труднообрабатываемых стальных и титановых сплавов с высоким показателем жаростойкости;
• для создания полупроводниковых компонентов.

Важно! Главная сфера применения диффузионного сварочного процесса — область высоких технологий (авиационной, космической, другие виды машиностроения). Кроме этого этот метод позволяет создавать микроскопические элементы из сферы сложной электроники.

Достоинства

Диффузионная сварка титана и других видов металлов в вакууме обладает целым рядом преимуществ, которые обязательно требуется учитывать при проведении данного процесса:

1. Во время сварки не нужно применять разные расходные материалы — электроды, флюсовые смеси.
2. Этот процесс экологически чистый. Во время него не происходит горения и выделения в воздух вредных веществ, паров.
3. Метод обладает небольшой энергоемкостью. Это позволяет значительно снизить финансовые затраты.
4. Имеет возможность соединять сразу нескольких заготовок. В итоге это позволит получить многослойные конструкции с уникальными качествами.
5. При помощи этого метода можно осуществлять соединение поверхностей с разными размерами и формами. При этом показатели толщины заготовок могут быть любыми. Данные условия имеют важное значение для микроэлектроники.
6. Сварка позволяет получить качественный и прочный шов, с которым не способна сравниться другие виды сварочных процессов.

Стоит отметить! Этот вид сварки имеет еще одно важное преимущество —  он постоянно совершенствуется и улучшается. Раньше в камере был только вакуум, а сейчас дополнительно закачиваются инертные газы. Это позволяет производить соединение металлов, пластика, стекла, керамики и других сложных композитных смесей.

Ниже на картинке имеется схема диффузионной сварки, она достаточно простая.

Недостатки

Не стоит забывать, что у диффузионного сварочного процесса имеются отрицательные качества:

• оборудование для диффузионной сварки имеет высокую стоимость. Также они нуждаются в постоянном квалифицированном обслуживании, которые могут предоставить только специально обученные люди;
• для сваривания больших деталей требуется использование больших вакуумных камер. Но они стоят достаточно дорого;
• обязательным условием для проведения сварки является проведение чистки и обработки поверхностей деталей.

Заключение

Проведение диффузионного сварочного процесса позволяет получить качественные и прочные конструкции из разных видов металла и композитного материала. Это безопасный метод, которые не представляет угрозы для окружающей среды и человека. Но все же перед тем как его проводить стоит рассмотреть его важные особенности и нюансы.

Интересное видео

Диффузионная сварка металлов в вакууме: технология

Что такое диффузия? Это – химический процесс, при котором происходит взаимное проникновение молекул и атомов двух веществ во время соприкосновения. В чистом виде ее применить сложно. Для того, чтобы использовать диффузии в сварке, советский ученый Н. Ф. Казаков использовал давление, температуру и вакуум.

Общее описание диффузионной сварки

В целом, данная технология – разновидность способов спайки металлических элементов, которая осуществляется под влиянием высоких показателей температур способом воздействия на элементы сдавливающим вакуумом. Для промышленности имеет значение диффузия, свойственная твердым телам.

В том случае, если создать определенные условия, атомы даже твердых веществ могут проникать друг в друга. Для того, чтобы добиться оптимальных условий, требуется соответствующий температурный режим, давление и вакуум для прохождения процесса. Аналогом вакуумного пространства может служить среда, состоящая из благородных газов. Даже металлы и неметаллы в соответствующей обстановке могут обмениваться молекулами.

Диффузионная сварка является процессом, при котором твердые материалы при принудительной диффузии образуют плотное соединение.

Для того, чтобы добиться эффекта, необходимо соединять материалы в вакууме. Либо следует использовать сильно разреженную газовую среду по своим характеристикам приближенной к максимальному вакууму, а не на открытом воздухе. Вакуум – необходимая среда для соединения металлов и неметаллов.

Для того, чтобы осуществить диффузионную сварку, нужна определенная температура. Требуется нагреть поверхности соединяемых материалов до температуры плавления. Также важен такой параметр, как давление. Для осуществления сварки оно должно быть не слишком высоким – до 0,5 Мпа.

Если говорить о времени, то сварочный процесс данного типа может длиться и несколько минут, и несколько часов.

Область применения диффузионной сварки

Необходимость соединять разнородные материалы в различном сочетании способствовала появлению именно этой технологии. Например, в композиции бронзы и стали, или бронзы и керамики.

Отличием данного метода соединения является отсутствие грубых швов от классического вида сваривания или спаивания. При этом, образуется прочный монолит.

Диффузионная сварка незаменима и при сваривании тугоплавких металлов (тантала, вольфрама). А без высокоточных конструкций невозможно функционирование электронной промышленности.

Если говорить о целях использования диффузионного метода, то его применяют при производстве:

• деталей турбокомпрессоров;
• штампов исключительной прочности;
• предметов из металлокерамики;
• соединений и сплавов повышенной жаростойкости, состоящих из стали и титана;
• тормозных колодок и дисков;
• полупроводниковых элементов.

Возможности данной методики широко применяются в высокоточных отраслях промышленности, таких как: авиационной, космической, электронной.

Соединение путем диффузионного контакта обеспечивает монолитность конструкции. И, в то же время, позволяет работать с микроскопическими элементами и устройствами.

Плюсы и минусы

Ей присущи как позитивные преимущества, так и недостатки. Начнем с плюсов:

• точность обработки;
• прочность соединения;
• отсутствие грубых швов;
• высокая функциональность;
• работа со сложными конструкциями;
• экономия энергии;
• экологическая безопасность;
• возможность работать с пустотелыми конструкциями;
• экономичность.

Данные возможности позволяют использовать диффузионный способ соединения в различных сферах. Процесс представляет собой высокотехнологический метод обработки. Он незаменим в тех случаях, когда любые другие виды соединения не могут быть использованы.

Но данному технологическому процессу присущи и серьезные недостатки. К ним можно отнести, в первую очередь, само инженерное оборудование. Аппарат для сварки методом диффузии — сложная конструкция, которая требует наличия специальных условий. Необходимо наличие определенного уровня давления, температуры и разреженной среды.

Агрегат представляет собой вакуумную камеру с вакуумным насосом. Так как сварка происходит при высокой температуре, некоторые элементы аппарата выполнены из жаропрочных сплавов. Прессы и механизмы, охладители и нагреватели сварочного аппарата будут сложными и дорогостоящими. Сама машина для диффузионной сварки имеет значительные габариты и массу. Она является сложной конструкцией. Соответственно, цена ее высока.

Говорить о рентабельности методики можно только с позиции ее необходимости. Если нет иных способов произвести соединение частей и механизмов, то метод невероятно актуален. С другой стороны, установка его оптимальна на крупных предприятиях для операций, требующих высокой точности и исключительного качества.

Вторым негативным фактором метода считается сама вакуумная камера. Ее пространство определяет возможные параметры свариваемых элементов.

Третьим недостатком диффузионного метода является необходимость идеальной очистки свариваемых поверхностей. Иначе, соединять придется не необходимые материалы, а пленки загрязнения.

Таким образом, для эффективного использования метода диффузии, необходимо учесть все плюсы и минусы сварочного аппарата такой модели.

Описание технологии

Для того, чтобы соединить различные материалы и элементы, требуются разнообразные методики и технологии. Соответственно, сварка при помощи диффузионного аппарата может производиться внахлест, стык-в – стык или образуя шов.

У каждого из свариваемых материалов есть свои физические и химические свойства. Поэтому, и молекулы этих веществ будут взаимно проникать друг в друга по-разному. Часто возникает необходимость в «помощнике». В этом качестве выступают металлы, имеющие высокую диффузионную способность: золото, серебро, медь, никель.

Для некоторых технологических процессов требуется дополнительные прокладки специально подогревать, окислять или сульфидировать. Температурный режим и показатель давления также устанавливают в соответствии с индивидуальными характеристиками материалов.

Оборудование и материалы

Процесс проходит на специальном стенде с вакуумной камерой. Там же установлен пресс и нагревательные устройства индукционного, электрического или радиационного типов.

Примером диффузионной сварки без пресса можно считать бытовую сварку пропиленовых труб для систем отопления и водопровода.

Агрегат оснащен системой мощного активного охлаждения. Это обеспечивает равномерное остывание детали. Соединение получается прочным и долговечным.

В процессе диффузионной сварки необходимо применять конкретные способы ускорения процесса или его оптимизации. Например, добавление на стыки специальных химических веществ или фольги из золота, платины, меди.

Применение метода диффузионной сварки позволяет соединять различные материалы. Это значительно расширяет возможности осуществления технологических процессов и создания композитных составов.

Диффузионная сварка однородных металлических материалов

---

Рекомендуем приобрести:

Установки для автоматической сварки продольных швов обечаек — в наличии на складе!
Высокая производительность, удобство, простота в управлении и надежность в эксплуатации.

Сварочные экраны и защитные шторки — в наличии на складе!
Защита от излучения при сварке и резке. Большой выбор.
Доставка по всей России!

---

Медь находит самое широкое применение в электронной промышленности как конструкционный материал для изготовления различных узлов приборов. Для нее характерны высокая электро- и теплопроводность, малые газопроницаемость и газовыделение, коррозионная стойкость, немагнитность, высокая пластичность. Медь марок МБ, MB, MBK, Ml является основным материалом для изготовления анодов и анодных блоков, замедляющих систем, вводов энергии магнетронов, клистронов, ламп обратной волны, ламп бегущей волны, мощных генераторных и газоразрядных приборов и др. Широко используется она и в сочетании с разнообразными металлическими и неметаллическими материалами. Медь и ее сплавы составляют 90-95% от общего объема применения в электронике металлических материалов (в массовом измерении).Медь относится к числу материалов, ДС которых не вызывает особых затруднений. Равнопрочность соединений меди основному материалу достигается при ДС по режиму: Т_св = 850^oС, Р_св = 7-8 МПа, t = 20 мин., V = 1,ЗЗх10^-2 Па, обычно принимаемому за оптимальный.

Диффузионная сварка меди находит наиболее широкое и успешное применение при изготовлении составных пакетированных узлов СВЧ-приборов: замедляющих систем, анодных блоков и резонаторов.

Заготовки пакетированных высокочастотных систем сантиметровогодиапазона получают обычно вырубкой из листовой меди. После очистки поверхности они в необходимом количестве собираются в приспособлениях, обеспечивающих их точное взаимное расположение, и свариваются друг с другом по оптимальному режиму при температуре 850^oС. Этот режим обеспечивает необходимую точность систем вплоть до средней части миллиметрового диапазона. В зоне соединения (рис. 10.1) сохраняется, как правило, граница раздела, но ее ширина такого же порядка, что и обычная межзеренная граница.

В то же время ДС меди при температурах выше 800^oС и удельных давлениях более 5 МПа приводит к пластической деформации деталей порядка десятых долей — единиц процентов (рис. 10.2).

Высокочастотные   системы    миллиметрового   и субмиллиметрового  диапазонов   отличаются   миниатюрностью и высокой точностью. Ширина ламелей анодных блоков доходит до 0,2 мм. Еще более ажурны мелкоструктурные замедляющие системы, поперечные размеры их штырей составляют десятки микрон. Заготовки для этих систем получают прецизионной электроискровой обработкой, фотогравированием или фотоосаждением. В этих диапазонах даже незначительные деформации систем, измеряемые единицами микрон, существенно ухудшают параметры приборов.

Поэтому проблема диффузионной сварки (ДС) с полным сохранением исходных размеров деталей при удовлетворительной прочности (пластичности) соединений является весьма актуальной для электронной промышленности.

В соответствии с представлениями о механизме и кинетике процесса ДС можно выделить следующие пути повышения прецизионности соединения при ДС: повышение класса чистоты обработки поверхностей; применение прослоев из пластичных материалов, в том числе расплавляемых при сварке; сварка в сверхвысоком вакууме.

Указанные приемы в той или иной степени облегчают и ускоряют развитие первой стадии ДС: очистку поверхностей от окисных и жировых пленок и развитие их фактического контакта. Более грубая подготовка поверхностей увеличивает время протекания первой стадии и общую длительность процесса сварки и в конечном итоге приводит к большей пластической деформации деталей. Это наглядно иллюстрируют кинетические кривые прочности (рис. 10.3), полученные при сварке по одному режиму, но с различной чистотой обработки поверхности меди.

Для разработки технологического процесса, гарантирующего получение вакуумноплотных соединений, важно определить моменты, в которые заканчивается процесс их формирования. Считают, что при диффузионной сварке процесс формирования соединений металлов с металлами и металлов с неметаллическими материалами, имеющих прочностные и вакуумные свойства, идентичные свойствам основного материала, завершен, если в результате диффузионного залечивания пор в контактной зоне стабилизируется поток водорода, протекающий через нее.

Для экспериментального исследования кинетики формирования соединений разработан специальный метод активного контроля, заключающийся в том, что в процессе сварки через контактную зону «продувается» поток газов из смеси гелия и водорода, контролируемый масс-спектрометром. Момент прекращения потока гелия через зону соединения соответствует начальному моменту достижения вакуумной плотности (закрытию сквозных каналов), а стабилизация потока водорода — моменту завершения диффузионного взаимодействия и формирования соединения, идентичного основному металлу по вакуумной плотности и термостойкости. О соотношении технологических параметров, при которых имеют место эти моменты, можно судить по рисунку 10.4.

Следует отметить, что нет единого мнения об оптимальных режимах диффузионной сварки пар металлов, наиболее распространенных в электронной технике, — медь МБ + медь МБ и медь МБ + сталь Э.

С использованием методов математического планирования экспериментов, в частности центрального композиционного     ротатабельного униформ-планирования второго порядка, получены регрессионные уравнения, позволяющие в широком интервале параметров рассчитывать наперед заданную прочность 0, 1 σ [МПа] (y₁) и деформацию ε [%] (у₂) при контролируемом уровне вакуумной плотности: для соединения медь МБ + МБ при Т = 700 … 900 ^oС:

Применение прокладки из более мягкого материала, чем свариваемый, приводит к локализации в ней пластической деформации сжатия. Фактический контакт образуется при этом преимущественно за счет активной деформации и ползучести материала прокладки, заполняющего микронеровности соединяемых поверхностей, что существенно снижает минимально необходимый уровень давления сжатия и изменение формы деталей.

При ДС высокоточных узлов меди применяются промежуточные прослои золота или серебра. Серебро и тем более золото обладают более высокой способностью к релаксации напряжений в условиях сварки. Достоинством этих металлов является также высокая чистота поверхности, так как золото практически не окисляется, а окислы серебра диссоциируют уже при нагревании на воздухе. Диффузионная сварка выполняется обычно через прослой золота 2-6 мкм, который гальванически наносится на одну из контактных поверхностей. При сварке порежиму Т_св = 500^oС,  P= 1 МПа, t= 10 мин., V= l,33×10^-3 Па  выдерживаются заданные допуски в пределах 5—10 мкм, соединения вакуумно-плотны, имеют надежный тепловой и электрический контакты.

Сварка пакетированных конструкций через прослои без них может успешно применяться для изготовления коаксиальных магнетронов обращенной конструкции, замедляющих систем типа «волновода», «гребенки», «встречных пластин», «штырь—кольцо» и других узлов магнетронов, ламп бегущей волны, ламп обратной волны.

ДС медных деталей производится также при изготовлении узлов других распространенных источников СВЧ-колебаний: клистронов, применяющихся в качестве малошумящих генераторов, мощных усилителей и генераторов непрерывного и импульсного действия, умножителей частоты. ДС обеспечивает высокое качество изготовления резонаторов клистронов с бессеточным высокочастотным зазором и с зазором, ограниченным сетками.

В зависимости от требований к точности сеточных узлов, их жесткости, материала для их соединения применяются режимы ДС без прослоев или с прослоями (рис. 10.5). Последние применяются для соединения с сеткодержателями микросеток, так как малейшие деформации деталей при сварке существенно влияют на рабочую частоту приборов, а нередко и на их выходную мощность. ДС через тонкие прослои золота, серебра и нерасплавленных припоев на их основе позволяет получить соединения с остаточными деформациями не выше 0,1% и сохранить первоначальную прозрачность сеток. В отличие от пайки, после сварки не изменяются поверхностные свойства сеток и исключено натекание металла на перемычки.

Применение расплавляемых прослоев перспективно для ДС однородных и разнородных металлических материалов при получении высокопрочных прецизионных соединений.

Если сварка меди через тонкий прослой серебра выполняется при температуре, несколько превышающей Т_пл эвтектики Ag-Cu (но остающейся ниже температуры плавления серебра), то развивается процесс контактно-реактивного плавления. Такая технология по существу аналогична контактно-реактивной пайке, но при ДС сохраняется возможность в широком диапазоне изменять давление сжатия деталей и тем самым воздействовать на физико-химические процессы, протекающие в контакте.

Особенностью кинетики этих процессов является то, что жидкая фаза возникает после образования фактического контакта поверхностей и химического взаимодействия между ними. Высокопрочные, термостойкие соединения получаются после полного растворения жидкой прослойки в основном материале. Количественные оценки длительности этого процесса весьма приближенны, так как при сварке происходит частичное выдавливание жидкой фазы из стыка, и это затрудняет определение ее реальной толщины.

Серебро обладает ограниченной растворимостью в меди (не более 8%), поэтому толщина его слоя должна быть небольшой. Эксперименты по ДС и опыт пайки показали, что оптимальной является толщина гальванически осажденного на медь слоя серебра 4—7 мкм. При температуре процесса 800^oС (V = 1,ЗЗх10^-2 Па) равнопрочность соединения достигается при времени сварки 25—30 мин. и давлении сжатия 4 МПа. При снижении давления сжатия прочность соединения несколько падает. Но и после сварки по приведенному режиму (Р_св = 4 МПа) остаточная деформация деталей не превышает 0,1%, что позволяет рекомендовать такую технологию для получения не только прецизионных соединений меди, но и ее сочетаний с никелем, коваром, сталями.

Сварку миниатюрных узлов предпочтительно следует вести на установках с радиационным нагревом, которые обеспечивают равномерный разогрев всего пакета деталей. При использовании установок с индукционным нагревом необходимо применение специальных экранов. Материал экрана должен быть достаточно тугоплавким и высокопроницаемым для электромагнитного поля. Наиболее широкое применение находит графит, приближающийся по своим характеристикам к абсолютно черному телу. В качестве материала экранов могут применяться также молибден и другие материалы.

Сварку можно вести в обычных вакуумных или водородных печах. Усилие сварки обеспечивается в этом случае грузом соответствующей величины, помещаемым на шток приспособления, или за счет разности температурных коэффициентов линейного расширения свариваемых деталей и приспособления. На рисунке 10.6 показано одноместное приспособление. Сварочное давление обеспечивается грузом (2) и ползуном (1) и передается через шток (3) на микросетку (4) и сеткодержатель (5).

Для повышения производительности сварка различных узлов приборов выполняется обычно в многоместных приспособлениях.

ставляла в среднем 4*10⁸ Па. Сварка натурных деталей обычно производилась при чистоте обработки поверхностей Ra = 1,25-0,64 в режиме Т_св = 1 000^oС, Р_св = 1,5*10⁷ Па, t = 10 мин., вакуум не менее 1,33*10^-2 Па. Процесс можно успешно вести в среде водорода с точкой росы -40^oС. Остаточная деформация деталей при этом не превышает 0,5%.

Более длительная изотермическая выдержка при температуре сварки приводит к некоторому снижению прочности соединения, что, по-видимому, обусловлено развитием рекристаллизационных процессов, приводящих к снятию наклепа и разупрочнению металла в зоне соединения.

Примером ДС натурных конструкций из никеля является технология изготовления керна оксидного катода водородного тиратрона (рис. 10.8, б), свариваемого в специальном приспособлении. Приспособление (рис. 10.8, а) состоит из корпуса (9), колец (4-8), прижимного диска (1) и медной прокладки (2), необходимой для более равномерной передачи давления. Для предотвращения схватывания при сварке вводится промежуточная прокладка (3) из обезвоженной слюды.

Сварка малогабаритных катодных узлов из никелевых сплавов может осуществляться в многоместных приспособлениях с созданием сварочного давления за счет различия ТКЛР.

Электротехнические никелевые сплавы типа монель-металл и константам, содержащие в своем составе, кроме никеля, железо и медь, также не имеют на поверхности термодинамически стойкой окисной пленки. Технология и режимы их сварки не отличаются существенно от сварки чистого никеля.

Значительно труднее сваривать нихромы — жаропрочные сплавы на никелевой основе. Наличие в сплаве хрома и таких легирующих элементов, как титан и алюминий, обусловливает химическую стойкость пленки окислов на их поверхности. Наиболее эффективна ДС нихромов через промежуточный слой никелевой фольги (σ = 13 мкм) или прослой сплава никеля с 2% бериллия. Прочность получаемых соединений достигает 90% прочности основного материала.

Сварка алюминия и его сплавов. Алюминий по объему производства занимает второе место после железа. Его наиболее характерные свойства — небольшая плотность (2700 кг/м³) и низкая температура плавления (933 К). В качестве основных легирующих элементов для алюминия используют магний, марганец, кремний и медь.

Основным затруднением ДС алюминия и его сплавов является высокая активность к кислороду и наличие на поверхности термодинамически прочной оксидной пленки, а при соединении со многими другими металлами также образование хрупких интерметаллидов. При сварке алюминия и его сплавов особое место отводится химической обработке поверхностей перед сваркой. Оксидная пленка может удаляться травлением (раствор щелочи для алюминия, ортофосфорная кислота для сплавов АМг и АМц с последующим осветлением в азотной кислоте) или зачищаться металлическими щетками. Целесообразно после очистки от оксидов свариваемые поверхности алюминиевых деталей покрывать смолами, лаками и полимерами на основе стирола, разлагающимися без остатка при нагреве в вакууме. Сварку алюминия и его сплавов выполняют при температуре 773—873 К. В однородном сочетании эти материалы соединяют ДС крайне редко. Обычно сваривают алюминий и его сплавы в разнородном сочетании. При взаимодействии алюминия с железом образуется ряд интерметаллидов, охрупчивающих соединение, поэтому процессы взаимодействия металлов в стыке должны строго контролироваться. Эта опасность возникает при сварке алюминия АДО со сталью 12Х18Н10Т.

Прочные и надежные соединения алюминия со сталью можно получить, используя промежуточные прокладки, наносимые на стальные детали гальваническим или химическим способом, напылением в вакууме или другими способами. Минимальную ширину слоя интерметаллидов получают в случае применения прокладок из цинка, серебра, меди, никеля, которые предотвращают или замедляют образование интерметаллидов. Так, сплав АМц и алюминий соединяют со сталью 20, сталью СтЗ, сталью 15, армко-железом через никелевую прокладку, которую наносят на стальную деталь через подслой меди. Сварка в вакууме со степенью 10^-1 Па при Т= 823 К, р = 12—15 МПа, t = 2 мин. обеспечивает равнопрочность соединений с алюминием и сплавом АМц соответственно.

Сварку стали с алюминием выполняют также с применением комбинированных покрытий стали: медно-цинкового, никель-цинкового (4—6 мкм меди или никеля и 30—40 мкм цинка) и серебряно-цинкового. При этом в соединении образуется прослойка сложного состава меньшей толщины и твердости. Сплавы АМг соединяют со сталью через прокладку алюминия, который в свою очередь сваривают со сталью с представленными выше покрытиями.

Сварка алюминия и его сплавов с углеродистыми, высоколегированными сталями, коваром с меднением поверхности стальной детали или другими прокладками выполняется в вакууме со степенью 10^-1-10^-2 Па при температуре 773-823 К и давлении 5-15 МПа в течение t < 30 мин. в зависимости от физико-механических свойств алюминиевых сплавов.

В тех же пределах изменяются параметры режима диффузионной сварки алюминия с химически активными и тугоплавкими металлами. Иногда применяют никелевые прокладки. Алюминиевые сплавы сваривают с тугоплавкими металлами через алюминиевые прокладки.

Железо применяется в электронной технике лишь наиболее чистых сортов — марок А и Э. Из сортов магнитномягкого материала изготавливают составные полюсные наконечники, вкладыши, крышки, оболочки электровакуумных приборов. Стойкость по отношению к ртути делает сплав армко незаменимым материалом при изготовлении катодов ртутнонаполненных приборов.

Вакуумная плотность деталей из низкоуглеродистых сталей существенно зависит от текстуры материала, что делает возможным натекание газов в прибор через основной материал. Для снижения этого нежелательного эффекта предъявляются специальные требования к конструированию соединений с учетом текстуры материала или применяются стали вакуумной плавки.

Сварка титана и его сплавов. Титан обладает двумя основными преимуществами перед другими материалами: высокой удельной прочностью (прочность, отнесенная к плотности) вплоть до 723-773 К и хорошей коррозионной стойкостью во многих агрессивных средах. Он имеет две аллотропические модификации: высокотемпературную ((β-титан) с ОЦК решеткой и низкотемпературную (α-титан) с ГПУ решеткой. Температура полиморфного превращения титана в равновесных условиях равна примерно 1155 К. Чистый титан применяют ограниченно.

Основные сложности сварки титана и его сплавов обусловлены поглощением газов, их диффузией из основного металла и повышением их содержания в зоне сварки, а также структурными превращениями. Большая химическая активность титана при высоких температурах по отношению к кислороду, азоту и водороду снижает пластичность металла, вызывает трещины и хрупкие разрушения.

Титан и его сплавы образуют устойчивую оксидную пленку. Термодинамический анализ и многочисленные экспериментальные исследования показывают, что наиболее вероятным механизмом очистки поверхностей от оксидов является их растворение в основном металле, так как титан и его сплавы обладают способностью растворять при нагреве большое количество кислорода (до 30% при давлении 10⁵ Па). Титан и его сплавы соединяются достаточно легко. Температуру сварки выбирают в диапазоне 1073—1373 К, т.е. в области температуры рекристаллизации; она составляет (0,7—0,8) Т_пл. Учитывая низкий предел текучести титана и значительное влияние на него температуры, давление сжатий выбирают в пределах от 0,98 до 9,8 МПа. В зависимости от температуры и давления сжатия время сварки составляет от нескольких секунд до нескольких десятков минут.

Уменьшения деформации изделий при сварке сплавов титана достигают путем применения прокладок из другого титанового сплава с большей скоростью ползучести или расплавляющихся, выдавливаемых и рассасывающихся прокладок, например из алюминия, меди, серебра.

Весьма перспективна ДС титана и его сплавов в режиме сверхпластичности, что позволяет существенно уменьшать длительность процесса, стабилизировать качество соединений, уменьшать остаточные деформации. Эффект сверхпластичности проявляется при наличии мелкозернистой структуры металла, не претерпевающего полиморфных превращений, с зернами размером до 3 мкм в температурной области полиморфных превращений, а также при определенной скорости деформаций.

Тугоплавкие металлы — вольфрам, молибден, ниобий — применяются обычно для изготовления деталей, подвергающихся в эксплуатации высокотемпературному воздействию (не менее 1300—1500^oС). В электронике они используются для изготовления катодов прямого накала, анодов и сеток с высокими термическими нагрузками, замедляющих систем, вводов и др.

Трудности получения неразъемных соединений тугоплавких металлов методами сварки и пайки обусловлены прежде всего хрупкостью этих материалов после нагрева выше температуры рекристаллизации, их высокой химической активностью при температуре более 300^oС.

Развитие процесса собирательной рекристаллизации приводит к росту зерен вольфрама, молибдена и других тугоплавких металлов и необратимому снижению прочностных и пластических характеристик. При нагревании тугоплавкие металлы энергично взаимодействуют с газами окружающей атмосферы с образованием окислов, нитридов, карбидов. Эти соединения выделяются по границам зерен и резко снижают пластические характеристики металла. В меньшей степени, чем вольфрам и молибден, охрупчивающему воздействию примесей подвержены ниобий и тантал.

По указанным причинам из методов сварки плавлением лишь электронно-лучевая сварка, которая ведется в вакууме с локальным разогревом зоны соединения, обеспечивает получение удовлетворительных соединений этих металлов. Но сварка электронным лучом неприменима для развитых поверхностей контактирования (плоских, конических и т.д.). В этом случае особенно эффективно применение ДС.

Диффузионная сварка — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Диффузионная сварка — сварка за счёт взаимной диффузии на атомарном уровне свариваемых поверхностей деталей.

Этим видом сварки производится полуавтоматическая, автоматическая в различных пространственных положениях, черных и цветных металлов и сплавов широкого диапазона толщин.

История

Процесс диффузионной сварки в вакууме был разработан в 1953 году Н. Ф. Казаковым.

Сущность

Определения и сущность диффузной сварки описаны в ГОСТ 19521-74.

Диффузионная сварка производится воздействием давления и нагревом свариваемых деталей в защитной среде. Перед сваркой поверхность детали обрабатывают по 6 классу шероховатости и промывают для обезжиривания ацетоном.

Температура нагрева составляет 0,5 – 0,7 от температуры расплавления металла свариваемых деталей. Высокая температура обеспечивает большую скорость диффузии и большую пластичность деформирования металла. При недостаточной диффузии в сварке используют металлические прокладки (фольга из припоя ВПр7 толщиной 0,1 – 0,06 мм.) или порошок (фтористый аммоний), прокладываемые в месте сварки. Перед сваркой фольгу приваривают к поверхности одной из деталей с помощью контактной сварки. В процессе сварки прокладка расплавляется.

Процесс сварки осуществляется с использованием разных источников нагрева. В основном применяют индукционный, радиационный, электронно-лучевой нагрев, нагрев проходящим током, тлеющим разрядом или в расплаве солей

Сварка протекает при давление в камере – 10⁻² мм. рт. ст. или в атмосфере инертного газа (иногда водорода). Вакуум или защитная атмосфера предохраняет свариваемые поверхности от загрязнения.

Сварка производится сжатием деталей с давлением 1 – 4 кгс/мм². Давление, применяемое при способах сварки без расплавления материалов, способствует разрушению и удалению окисных пленок и загрязнений на поверхности металла, сближению свариваемых поверхностей до физического контакта и эффективного атомного взаимодействия, обеспечению активации поверхностей для протекания диффузии и рекристаллизации. Различается сварка с высокоинтенсивным силовым воздействием (свыше 20 МПа) и сварка с низкоинтенсивным силовым воздействием (до 2 МПа).

Диффузионная сварка походит в две стадии:

• сжатие свариваемых поверхностей, при котором все точки соединяемых материалов сближаются на расстоянии межатомных взаимодействий;
• формирование структуры сварного соединения под влиянием процессов релаксации.

Недостатки

• необходимость вакуумирования рабочей камеры;
• тщательная подготовка и очистка свариваемых поверхностей.

Преимущества

• диффузионная сварка не требует сварочных припоев, электродов;
• не нужна дополнительная механическая обработка свариваемых поверхностей;
• высокое качество сварного соединения;
• малый расход затрачиваемой энергии;
• широкий диапазон толщин свариваемых деталей – от долей мкм, до нескольких метров.

Оборудование

Для проведения диффузионной сварки выпускается оборудование, различаемое по степени вакуумирования: с низким вакуумом (до 10-2 мм рт. ст.), со средним вакуумом (10-3…10-5 мм рт. ст.), с высоким вакуумом (свыше 10-5 мм рт. ст.), с защитным газом разной степени давления.

Для нагрева деталей применяют индукционный нагрев токами высокой частоты, электроконтактный нагрев током, радиационный нагрев электронагревателем.

В установках используют гидравлические или механические системы давления. Установки бывают с ручным управлением, полуавтоматические и автоматические с программным управлением. Автоматы применяются в крупносерийном или массовом производстве.

Литература

Николаев Г. А. Сварка в машиностроении: Справочник в 4-х т. — М.: Машиностроение, 1978 (1-4 т).

Казаков Н. Ф. Диффузионная сварка материалов. М Изд. Металлургия, 1976.

Ссылки

Диффузионная сварка — Википедия. Что такое Диффузионная сварка

Диффузионная сварка — сварка за счёт взаимной диффузии на атомарном уровне свариваемых поверхностей деталей.

Этим видом сварки производится полуавтоматическая, автоматическая в различных пространственных положениях, черных и цветных металлов и сплавов широкого диапазона толщин.

История

Процесс диффузионной сварки в вакууме был разработан в 1953 году Н. Ф. Казаковым.

Сущность

Определения и сущность диффузной сварки описаны в ГОСТ 19521-74.

Диффузионная сварка производится воздействием давления и нагревом свариваемых деталей в защитной среде. Перед сваркой поверхность детали обрабатывают по 6 классу шероховатости и промывают для обезжиривания ацетоном.

Температура нагрева составляет 0,5 – 0,7 от температуры расплавления металла свариваемых деталей. Высокая температура обеспечивает большую скорость диффузии и большую пластичность деформирования металла. При недостаточной диффузии в сварке используют металлические прокладки (фольга из припоя ВПр7 толщиной 0,1 – 0,06 мм.) или порошок (фтористый аммоний), прокладываемые в месте сварки. Перед сваркой фольгу приваривают к поверхности одной из деталей с помощью контактной сварки. В процессе сварки прокладка расплавляется.

Процесс сварки осуществляется с использованием разных источников нагрева. В основном применяют индукционный, радиационный, электронно-лучевой нагрев, нагрев проходящим током, тлеющим разрядом или в расплаве солей

Сварка протекает при давление в камере – 10⁻² мм. рт. ст. или в атмосфере инертного газа (иногда водорода). Вакуум или защитная атмосфера предохраняет свариваемые поверхности от загрязнения.

Сварка производится сжатием деталей с давлением 1 – 4 кгс/мм². Давление, применяемое при способах сварки без расплавления материалов, способствует разрушению и удалению окисных пленок и загрязнений на поверхности металла, сближению свариваемых поверхностей до физического контакта и эффективного атомного взаимодействия, обеспечению активации поверхностей для протекания диффузии и рекристаллизации. Различается сварка с высокоинтенсивным силовым воздействием (свыше 20 МПа) и сварка с низкоинтенсивным силовым воздействием (до 2 МПа).

Диффузионная сварка походит в две стадии:

• сжатие свариваемых поверхностей, при котором все точки соединяемых материалов сближаются на расстоянии межатомных взаимодействий;
• формирование структуры сварного соединения под влиянием процессов релаксации.

Недостатки

• необходимость вакуумирования рабочей камеры;
• тщательная подготовка и очистка свариваемых поверхностей.

Преимущества

• диффузионная сварка не требует сварочных припоев, электродов;
• не нужна дополнительная механическая обработка свариваемых поверхностей;
• высокое качество сварного соединения;
• малый расход затрачиваемой энергии;
• широкий диапазон толщин свариваемых деталей – от долей мкм, до нескольких метров.

Оборудование

Для проведения диффузионной сварки выпускается оборудование, различаемое по степени вакуумирования: с низким вакуумом (до 10-2 мм рт. ст.), со средним вакуумом (10-3…10-5 мм рт. ст.), с высоким вакуумом (свыше 10-5 мм рт. ст.), с защитным газом разной степени давления.

Для нагрева деталей применяют индукционный нагрев токами высокой частоты, электроконтактный нагрев током, радиационный нагрев электронагревателем.

В установках используют гидравлические или механические системы давления. Установки бывают с ручным управлением, полуавтоматические и автоматические с программным управлением. Автоматы применяются в крупносерийном или массовом производстве.

Литература

Николаев Г. А. Сварка в машиностроении: Справочник в 4-х т. — М.: Машиностроение, 1978 (1-4 т).

Казаков Н. Ф. Диффузионная сварка материалов. М Изд. Металлургия, 1976.

Ссылки

Диффузионное связывание: влияние параметров процесса и микроструктуры материала

\ n

2.1. Атомы в решетке металлов

\ n

Чтобы минимизировать энергию системы, изолированные атомы металлов имеют тенденцию располагаться в регулярной решетке в положениях, соответствующих аннигиляции сил притяжения и отталкивания (рис. 1). Позиции четко определены и специфичны для каждого металла. Следовательно, их можно использовать, например, для определения состава сплава с помощью WDX (рентгеновское излучение с дисперсией по длине волны).При образовании соединения атомы расщепляются на положительно заряженные атомные ядра, а валентные электроны переходят в так называемый электронный газ и могут свободно перемещаться внутри решетки. Следовательно, металлы являются хорошими проводниками тепла и электричества.

\ n

Рисунок 1.

Равновесие сил притяжения и отталкивания в металлической решетке [1].

\ n \ n

2.1.1. Тепловое расширение

\ n

В зависимости от тепловой энергии всей системы положительно заряженные атомные ядра колеблются вокруг своего положения, что приводит к тепловому расширению (рис. 2).Согласно правилу Грюнайзена , линейное расширение находится в диапазоне 2%, а объемное расширение составляет 6–7% до точки плавления металла [1]. Следовательно, температуру плавления можно использовать для оценки теплового коэффициента расширения. Ниже температуры плавления амплитуда колебаний составляет около 12% от постоянной решетки [2].

\ n

Рисунок 2.

Тепловые колебания атомов.

\ n \ n \ n

2.1.2. Термическая активация, диффузия, полиморфизм и нульмерные дефекты решетки

\ n

С увеличением тепловых колебаний увеличивается не только амплитуда, но и энергия столкновений между атомами.Постепенно некоторым атомам помогает покинуть узлы его решетки, и остается вакансия, что приводит к точечному напряженному состоянию (рис. 3). С повышением температуры экспоненциально увеличивающееся количество атомов вытесняется из узлов решетки, и плотность вакансий значительно увеличивается (уравнение (1)):

\ n

Рисунок 3.

Вакансия в решетке, вызывающая точечные напряжения.

\ n

, где cV — концентрация вакансий (см ⁻³ ), n — количество вакансий, N — количество узлов в металлической решетке, U — энергия образование вакансий (для металлов 80–200 Дж / моль), R — газовая постоянная (Дж / моль * K) и T — температура (K).

\ n

Вакансии — это узлы правильной решетки, не занятые атомом. Из-за отсутствия атома окружающие атомы стремятся заполнить зазор, и решетка в этой точке искажается, представляя собой нульмерный дефект.

\ n

Согласно [3], плотность вакансий составляет 10 ⁻¹² при комнатной температуре и увеличивается до 10 ⁻⁴ ниже температуры плавления.

\ n

Вакансии сильно облегчают диффузию атомов между разными участками решетки, и, следовательно, их концентрация способствует образованию монолитного соединения во время диффузионной сварки.Как следствие, коэффициент диффузии экспоненциально увеличивается с температурой (уравнение (2)). Повышение температуры соединения на 20 K может привести к удвоению коэффициента диффузии, что демонстрирует сильное нелинейное влияние температуры на диффузионную сварку:

\ n

, где D — коэффициент диффузии (m ² / с), D ₀ — частотный фактор (постоянная материала) (m ² / с) и U — энергия образования вакансий (Дж / моль).

\ n

Число вакансий в зависимости от температуры можно представить в виде логарифмической функции, так называемого графика Аррениуса (рис. 4).

\ n

Рисунок 4.

График Аррениуса. Плотность вакансий увеличивается логарифмической зависимостью с температурой.

\ n

В зависимости от реальной микроструктуры технических материалов можно выделить разные типы диффузии, соответствующие разным энергиям активации для разных дефектов решетки. Прямые линии для различных путей диффузии могут быть построены для поверхностной, межзеренной и объемной диффузии соответственно (рис. 5).Для диффузионной сварки диффузия по границам зерен преобладает при низкой и средней температуре. Поскольку поперечное сечение границ зерен связано с объемом, а плотность вакансий увеличивается экспоненциально, объемная диффузия становится преобладающей при высокой температуре.

\ n

Рис. 5.

Различные режимы диффузии атомов в зависимости от температуры [1].

\ n

В то же время рост зерен происходит при высоких температурах, что минимизирует межфазную энергию системы.Если в материале отсутствует полиморфное превращение или границы зерен не закреплены нерастворимыми внутризернистыми выделениями (например, для сплавов ODS), диффузионная сварка будет сопровождаться ростом зерна.

\ n

Технические материалы не являются чистыми металлами, но также содержат другие виды атомов, например, легирующие элементы, такие как марганец, хром или углерод для стали. Как и вакансии, эти атомы интегрируются в основную решетку как нульмерные дефекты. Если они образуют решетку одного типа (например,g., кубическая грань или кубическая пространственно-центрированная), и если разница в атомных радиусах меньше 15%, они могут занимать регулярные узлы основной решетки [4]. Небольшие неметаллические атомы с атомным радиусом менее 59% основных атомов могут быть растворены в междоузлиях, как углерод в железе [1].

\ n

Хотя растворимость межузельных атомов мала, они имеют на несколько порядков более высокие коэффициенты диффузии в решетке, поскольку доступны более подходящие зазоры.

\ n

В случае низких температур во время охлаждения от температуры диффузионной сварки это может иметь значение для образования нежелательных осадков.Время выдержки при диффузионной сварке всегда должно находиться в диапазоне отжига сплава. Это может противоречить низкой температуре, чтобы ограничить рост зерна.

\ n

Если металл является полиморфным, могут произойти резкие изменения растворимости и коэффициента диффузии. Например, для железа эти параметры изменяются на два порядка (рисунок 6). Причины — разная растворимость посторонних атомов и разные размеры зазоров между атомами в решетке. Например, максимальная растворимость углерода в α-феррите (с кубическим пространственным центром) равна 0.02% при 723 ° C, тогда как растворимость углерода в Y-феррите (кубический гранецентрированный) составляет 2,06% при 1143 ° C, т.е. примерно в 100 раз выше [1].

\ n

Рис. 6.

Коэффициенты диффузии разных сортов атомов в зависимости от типа решетки [5].

\ n \ n

Кроме того, полиморфизм сопровождается полностью новым формированием микроструктуры, а размер зерна уменьшается. Хотя рост зерна происходит при высокой температуре, такое же превращение происходит при охлаждении.Это причина того, почему нормальные стали, демонстрирующие превращение a⇔Y, легко поддаются диффузионной сварке с мелкозернистой микроструктурой (рис. 7).

\ n

Рисунок 7.

Диффузионная сварка St 37 (1.0254), T = 1075 ° C, t = 1 ч, p = 10 МПа, нормальное α⇔γ-превращение, деформация: 3,13%.

\ n \ n

С другой стороны, диффузионный сварной шов аустенитной стали показан на рисунке 8. Влияние увеличения времени выдержки в четыре раза на размер зерна можно четко увидеть.

\ n \ n

Рисунок 8.

Диффузионная сварка аустенитной нержавеющей стали AISI 304 (1.4301) при T = 1075 ° C, p ≈ 15 МПа. Слева: t = 1 ч, деформация: 2,75%. Справа: t = 4 ч, деформация: 7,04%.

\ n \ n

Хотя давление подшипника для времени выдержки в 1 час на 50% выше, чем для 1.0254, деформация сопоставима из-за более низкого коэффициента диффузии в кубической гранецентрированной решетке. Однако при увеличении времени выдержки в 4 раза деформация увеличивается примерно в 2,5 раза, см. [6].

\ n

На рисунке 9 десять слоев толщиной 1 мм и диаметром 40 мм из полностью ферритно-стабилизированной нержавеющей стали были сварены диффузионной сваркой.Сварка при T = 1075 ° C, t = 1 час и p = 10 МПа для сравнения не удалась из-за чрезмерной деформации. Даже при пониженной температуре T = 1000 ° C и пониженном давлении в подшипнике p = 6 МПа [7] деформация была огромной — 14,6%. Для T = 950 ° C, t = 1 ч, p = 6 МПа, деформация все еще составляла 3,8%.

\ n

Эти высокие деформации в таких мягких условиях следует отнести к высокому коэффициенту диффузии в феррите, см. Рисунок 6.Однако, несмотря на высокую деформацию и чрезмерный рост зерен из-за отсутствия полиморфизма, на Рисунке 9 виден лишь очень небольшой рост зерен поперек плоскостей соединения, иллюстрирующий роль поверхностных пассивирующих слоев, см. Раздел 2.2.

\ n

Рисунок 9.

Диффузионная сварка полностью ферритно-стабилизированной нержавеющей стали Crofer 22 APU (1.4760) при T = 1000 ° C, t = 1 ч, p = 6 МПа. Деформация: 14,6%.

\ n \ n \ n

2.1.3. Одномерные дефекты: влияние плотности дислокаций на механические свойства

\ n

Дислокации представляют собой вставленную плоскость в металлической решетке (рис. 10).

\ n

Рисунок 10.

Пластическая деформация за счет движения дислокации по решетке.

\ n

Конечно, вставленная плоскость не заканчивается на постоянном уровне в разных слоях третьего измерения, а на произвольной глубине, что приводит к сложным условиям напряжения. Если появляется адекватное напряжение сдвига, дислокации ступенчато перемещаются по решетке, вызывая пластическую деформацию. Однако плотность дислокаций не падает, несмотря на то, что дислокации покидают материал на поверхности.Напротив, он экспоненциально увеличивается во время холодной обработки из-за так называемого механизма Франка-Рида. Плотность дислокаций может быть выражена как длина дислокационной линии на единицу объема и может достигать 10 ¹² см ⁻² [2]. Только за счет одного лишь холодного деформирования можно увеличить механическую прочность материала (рис. 11).

\ n

Рисунок 11.

Повышение предела текучести чистого железа за счет деформационного упрочнения [8].

\ n

При комнатной температуре движение дислокаций является преобладающим механизмом деформации металлов.Дислокации представляют собой одномерный дефект решетки.

\ n

Дислокации означают избыток энергии по сравнению с неискаженной решеткой. Следовательно, при повышенных температурах, составляющих около 40% от температуры плавления чистых металлов и 50% для сплавов, происходит перекристаллизация [9]. Для металлов, не проявляющих полиморфизма, упрочнение в холодном состоянии и последующая рекристаллизация — единственный способ уменьшить исходный размер зерна. Однако это применимо только к полуфабрикатам.

\ n

Следовательно, при диффузионной сварке холоднодеформированного материала перекристаллизация будет включена и повлияет на размер зерна.

\ n \ n \ n

2.1.4. Двумерные дефекты: границы зерен и фаз; межфазные слои и их влияние на диффузионную сварку

\ n

Двумерные дефекты металлической решетки отражаются, например, границами зерен. Их можно описать как площадь поверхности раздела на единицу объема и они могут варьироваться в широких пределах, тогда как размер зерна технических сплавов находится в диапазоне примерно 5–200 мкм. Технологии нанесения покрытий, такие как гальваническое осаждение, физическое осаждение из паровой фазы (PVD) или химическое осаждение из паровой фазы (CVD), приводят к образованию аморфных или нанокристаллических микроструктур, обладающих высокой внутренней энергией.

\ n

Двумерные дефекты влияют на диффузионную сварку несколькими способами: во-первых, движение дислокации ограничивается размером зерна, поскольку границы зерен являются препятствием для движения через решетку. Это означает, что при постоянной деформации деформация за счет движения дислокаций будет меньше для материала с малым размером зерна. Однако при повышенной температуре происходит рост зерен, и движущая сила больше для мелкозернистого материала.

\ n

Аналогичный эффект наблюдается при использовании так называемых нанопленок — тонкой стопки из множества нанометровых слоев из разных материалов, обладающих очень высокой межфазной энергией в метастабильном состоянии [10, 11].В результате можно временно достичь очень высоких температур.

\ n

Во-вторых, деформация при повышенных температурах определяется зернограничным скольжением (ползучесть по Коблу) или потоком вакансий через объем (ползучесть по Набарро-Херрингу) [12]. Это означает, что крупнозернистый материал будет иметь тенденцию к большей деформации во время диффузионной сварки, потому что существует меньше препятствий для движения дислокаций, и зерна имеют тенденцию скользить друг относительно друга.

\ n

Таким образом, можно сказать, что степень деформации и скорость ползучести материала во время диффузионной сварки будут зависеть от размера его зерен и будут очень чувствительны к используемой температуре.

\ n

Более сложное деформационное поведение может быть результатом использования многофазных материалов: фазовые границы могут возникать в широком диапазоне порядков величины либо между зернами, либо внутри, например, в виде тонких ламелей в зернах эвтектического или эвтектоидного состава, таких как перлит для стали.

\ n

Временно жидкие фазы (TLP) могут быть образованы, например, путем гальванического или PVD осаждения тонких слоев двух или более различных металлов, образуя легкоплавкий сплав во время диффузионной сварки. Поскольку промежуточный слой диффундирует в объемный материал, в идеале после завершения процесса остается однородный материал, невосприимчивый к межкристаллитной коррозии.

\ n

Обратное происходит, когда разные металлы образуют хрупкие интерметаллические соединения с высокой температурой плавления. В этом случае температура и время соединения должны быть ограничены, чтобы между обоими материалами мог быть сформирован только тонкий слой, который не проявлял чрезмерной хрупкости.

\ n \ n \ n

2.1.5. Трехмерные дефекты: осадки

\ n

Что касается осадков, следует различать растворимые и нерастворимые частицы при температуре диффузионной сварки.Осадки могут образовываться, например, из-за низкой скорости охлаждения после диффузионной сварки в диапазоне температур отжига на твердый раствор. Как следствие, на границах зерен формируется двухфазная микроструктура с крупными выделениями. Он подвержен межкристаллитной коррозии (Рисунок 12). Примерами являются сплавы на основе никеля, которые теряют свою благоприятную коррозионную стойкость.

\ n

Рисунок 12.

Микроструктура Hastelloy C-22 (2.4602). Слева: после закалки от 1100 ° C / 70 мин в воде.В центре: после охлаждения от 1100 ° C со скоростью 3 град / мин (1100 ° C ≥ 650 ° C = 2,5 ч). Справа: коррозионное воздействие после диффузионной сварки в 95–97% -ной серной кислоте при 100 ° C и 1008 ч.

\ n

Опять же, размер осадков определяет последствия. В случае наноразмерных нерастворимых осадков, например, для материалов ODS, движение дислокаций и рост зерен ограничиваются очень эффективно [13].

\ n

Например, чистый OF-Cu показал хорошие результаты при T = 850 ° C (Рисунок 13). Размер материала 28 × 15 мм ² , состоящий из шести микроструктурированных слоев толщиной 3.04 мм и общей высотой 13,04 мм соответственно.

\ n

Рисунок 13.

Диффузионная сварка меди. T = 850 ° C, t = 4 ч, p = 2 МПа, микроструктурированная стопка: 18,2%, в целом: 4,2%.

\ n

Особенно в тонкостенных микроструктурах наблюдается идеальный рост зерен через плоскости склеивания. Однако в массивной пограничной области поры остаются, и рост зерен не такой выраженный. Причина, вероятно является локальным избытком подшипника давления на тонких стенках. Однако на массивных участках давление в опоре 2 МПа слишком мало, чтобы деформировать неровности и заполнить поры в достаточной степени при этой температуре.

\ n

Сравнительные эксперименты по диффузионной сварке были проведены с использованием двух дисков из меди Discup C3 / 80 диаметром 40 мм и общей высотой 6,88 мм (рис. 14). Поверхности шлифовали с помощью поликристаллического алмазного инструмента со скоростью подачи 240 мм / мин и 3000 об / мин, что давало период подачи 80 мкм на оборот при очень низкой шероховатости в диапазоне Rt = 1–1,5 мкм, Ra = 0,2 мкм. Рисунки шероховатости дисков не совпадали друг с другом.

\ n

Рисунок 14.

Эксперимент по диффузионной сварке с использованием медного сплава Discup C3 / 80, усиленного оксидной дисперсией. T = 1000 ° C, t = 4 ч, p = 6 МПа, деформация: 0,8%.

\ n

Дисковые сплавы состоят из чистой меди, содержащей несколько десятых процента субмикронных диспероидов, образующихся в результате реактивного измельчения. После этого материал сильно деформируется прессованием. Температура плавления 1083 ° C, как у чистой меди. Несмотря на гораздо более высокую температуру и давление в подшипнике по сравнению с образцом меди OF, показанным на рисунке 13, деформация составляет всего 0.8%. Снимки, полученные с помощью SEM, показывают очень плохое соединение сопрягаемых поверхностей. Границы зерен не видны. Однако пластинчатое обогащение дисперсо

.

Разъяснение различных типов сварочных процессов

Область сварки эволюционировала; представляя так много различных методов, которые можно использовать для выполнения своих сварочных проектов. Чтобы иметь возможность выбирать процесс сварки для работы, важно понимать все процессы и когда их лучше всего использовать.

Различные типы сварочных процессов сгруппированы в пять категорий, каждая из которых описывает различные виды процессов. Эти группировки включают;

1. Дуговая сварка
2. Газовая сварка на кислородном топливе
3. Сварка сопротивлением
4. Сварка твердого тела
5. Прочие виды сварки

Рассмотрим подробнее виды сварки ниже.

Источник: https://mechanical-engg.com/notes/manufacturing-technology/types-of-welding-r11/

1. Дуговая сварка

https://www.researchgate.net/figure/Manual-Metal-Arc-Welding-MMAW-Process_fig4_319207085

Дуговая сварка является наиболее распространенным типом, при котором плавящийся электрод соединяет металлы посредством нагрева электрической дуги с использованием переменного тока. или DC. Я рассмотрел различные типы дуговой сварки ниже:

Термин «без покрытия» происходит от того факта, что используемый электрод не имеет покрытия или имеет очень незначительное покрытие.Дуговая сварка неизолированного металла соединяет металлы путем их нагрева электрической дугой, образующейся между неизолированным электродом и заготовкой.

• Дуговая сварка защищенного металла

Это самый простой и самый популярный метод дуговой сварки, также известный как ручная дуговая сварка металла или сварка палкой. Электрод в этом случае состоит из смеси покрытий, включающих минералы, химикаты и железный порошок.

Покрытие электрода, расплавленное в дуге, дает металл сварного шва, который соединяет два металла, и защитный шлак, который необходимо удалить для получения чистой поверхности.

Углеродная дуговая сварка использует угольный или графитовый электрод, который не является расходуемым, для образования дуги между ним и заготовкой, в которой металлы нагреваются и соединяются.

Это один из первых типов дуговой сварки, который был разработан, хотя со временем он исчез с возрождением двойной угольной дуговой сварки, при которой используются два угольных электрода и между ними образуется дуга.

Для этого типа сварки используются трубчатые электроды, наполненные флюсом. Если флюс является эмиссионным, он действует как защита от воздуха, который может загрязнить сварочную ванну.

Если флюс не эмиссионный, потребуются дополнительные защитные газы. Дуговая сварка порошковой проволокой хорошо работает с более толстыми сечениями из-за высокой скорости наплавки.

Дуговая сварка металлическим электродом в газе также известна как сварка MIG, когда газ защищает дугу. Этот газ может быть аргоном, гелием или их смесью. Электроды поставляются с раскислителями, которые предотвращают окисление, что позволяет сваривать несколько слоев. Вы можете использовать MIG при сварке тонких металлов.

Газовая вольфрамовая дуговая сварка также известна как сварка TIG, поскольку в ней используются вольфрамовые электроды, которые не являются расходными материалами.В этом случае необходимы присадочные проволоки для добавления расплавленного материала к дуге, поскольку электрод не расходуется.

Защитные газы также используются для защиты дуги. Вольфрамовая сварка — это самый сложный вид припоя, но он также дает очень мало шлака, поэтому его можно использовать, когда требуются красивые сварные швы.

Плазменная сварка — это метод, в котором используются ионизированные электроды, а также газы, которые создают горячие плазменные струи, направленные на область сварки. Тепло форсунок делает его подходящим для быстрых, глубоких и узких швов.

Электроды при сварке под флюсом изготовлены из гранулированного флюса, который при сварке образует толстый слой, покрывая расплавленный металл и предотвращая разбрызгивание. Толстый слой действует как теплоизолятор, позволяя теплу проникать глубоко.

Этот метод ограничен сваркой горизонтально.

В этом методе используются два вольфрамовых электрода, нагретых дугой. Вы можете использовать или вообще не использовать наполнитель, поскольку в этом нет необходимости. Газообразный водород пропускается через электрическую дугу, чтобы предотвратить загрязнение в виде окисления.

2. Газовая сварка на кислородном топливе

Источник изображения: www.researchgate.net

Этот метод газовой сварки известен как газовая сварка. Он работает путем сжигания газов для создания пламени.

При кислородно-ацетиленовой сварке сжигается кислород и ацетилен, образуя раскаленное пламя. Когда возникает необходимость в регулировке пламени, вы можете внести изменения, отрегулировав объемы обоих газов.

Можно использовать три типа пламени.Наиболее распространено нейтральное пламя с равными пропорциями кислорода и ацетилена.

Окислительное пламя содержит больше кислорода, чем ацетилен, в то время как вы можете добиться науглероживания пламени, увеличив объем ацетилена. Известно, что комбинация этих двух газов дает очень горячее пламя с температурой 3100 градусов Цельсия, подходящее для сварки стали.

При сварке ацетиленом на воздухе используется смесь ацетилена и воздуха для получения тепла. Ацетиленовый газ, регулируемый с помощью клапана, проходит через шланг и смешивается с воздухом для горения.

Он имеет более низкую температуру пламени, чем оксиацетилен, и поэтому используется для таких задач, как медная сантехника, сварка свинца небольшого поперечного сечения и сварка медных листов небольшой толщины.

Кислородно-водород — это смесь кислорода и водорода, первая смесь газов, используемая при сварке. Его предпочитают кислородно-ацетиленовой сварке из-за его большей эффективности и экологичности.

Различия между кислородно-ацетиленовой и кислородно-водородной сваркой описаны ниже:

Имея только воду и электричество, кислородно-водородная машина производит кислородно-водородный газ всякий раз, когда это необходимо.Аппарат для кислородно-ацетиленовой сварки использует баллон с кислородом и ацетиленом под высоким давлением.

При кислородно-водородной сварке образуется пламя высокой температуры, которое концентрируется, образуя полные и гладкие паяные соединения. Температура пламени кислородно-ацетиленовой сварки низкая, и пламя распространяется. Оба эти фактора приводят к низкому качеству сварных швов.

Скорость сварки высока при кислородно-водородной сварке из-за высокой температуры, в то время как при кислородно-ацетиленовой сварке скорость низкая из-за низкой температуры пламени.

Водородно-кислородное пламя более безопасно, поскольку в нем не используются газовые баллоны, что может привести к утечке и взрыву. С другой стороны, для кислородно-ацетиленовой сварки используются газовые баллоны, что может привести к утечкам, вызывающим отравление, или взрывам, которые могут привести к смерти. Советы по безопасности см. В нашей статье Советы по безопасности при сварке

.

• Экологичность

При кислородно-водородной сварке не выделяется углерод, что делает ее экологически безопасной по сравнению с кислородно-ацетиленовой сваркой, при которой выделяются токсичные газы, включая CO2 и CO.

Сварка давлением включает приложение тепла или давления или обоих металлов для их соединения. Поверхности нагреваются источником, таким как электрический ток, до пластического состояния, и каждый сжимает металлы вместе с помощью давления.

3. Сварка сопротивлением

Источник изображения: weldguru.com

Резистивная сварка находит свое применение в производственном секторе для соединения листов металла и деталей.Сильный ток пропускается через комбинацию листов для нагрева и плавления металлов в определенных точках.

Позже прикладывается сила, чтобы ограничить сварные поверхности. Ниже приведены типы контактной сварки;

Применяется для соединения 2-4 металлических листов внахлест. Для этого сначала нужно очистить металлические листы и электроды, чтобы обеспечить удаление любых загрязнений, таких как жир или краска. Затем вы пропускаете ток через два медных электрода к листам.

Из-за сопротивления в воздушных зазорах между листами происходит тепловыделение.Тепло остается в воздушном зазоре, поскольку металл плохо проводит тепло по сравнению с углеродом.

Это тепло плавит металл, становится твердым, поскольку скорость рассеивания тепла мала, что приводит к образованию соединения.

Работает так же, как точечная контактная сварка, но с использованием круглых электродов, которые вращаются и создают герметичный непрерывный шов.

Выполняет сварку внахлест с двумя или более листами металла, проходящими между листами электродов, которые передают ток и механическое давление для сварного шва, непроницаемого для газа и жидкости.

В этом случае небольшие выступы формируются на одной или обеих сторонах основного металла для создания точки контакта, которая локализует поток и концентрирует тепло. При приложении давления горячие и мягкие выступы деформируются, что приводит к образованию сварного шва.

Рельефная сварка в основном используется для крепления насадок к поверхностям, где сварщик не может получить доступ к задней стороне.

При контактной сварке оплавлением не используются присадочные материалы для соединения металлов. К соединяемым металлам пропускается ток, и пространство между ними создает сопротивление, которое создает дугу, плавящую металлы.

Когда металлы достаточно нагреваются, они прижимаются друг к другу, образуя кованый сварной шов.

Сварка с высадкой или контактная стыковая сварка

Сварка с высадкой выполняется одновременно по всей зоне стыка или вдоль стыка. Это происходит за счет тепла от электрического тока, проходящего через область соприкосновения поверхностей.

Давление используется до и во время отопительного периода. Сварка с высадкой применяется, когда площади поперечного сечения деталей равны, и детали необходимо плотно прижать друг к другу.Тепло и давление соединяются с поверхностями, и сила высвобождается после охлаждения.

Он используется для сварки разнородных металлов и является более сложным по сравнению со сваркой оплавлением и осаждением, поскольку в нем используется электрический разряд на стыке и дополнительное давление для соединения материалов.

Используется для материалов с небольшими площадями поперечного сечения и там, где не требуется заделка металлических стыков.

4. Сварка твердого тела

Сварка в твердом состоянии — это сварка материалов при температурах ниже их точек плавления без использования присадочного материала.В процессах твердотельной сварки время, температура, давление или комбинация всего этого соединяет основные металлы без их плавления.

Типы твердотельной сварки:

При этом типе сварки к очень чистым поверхностям прикладывают высокое давление при комнатной температуре. В случае тонких материалов давление может быть получено с помощью ручных инструментов, в то время как для более толстых материалов требуется дополнительный пресс для дополнительного давления, которое приведет к хорошему сварному шву.

В зоне сварного шва, соединяющей два материала, образуется деформация.Холодная сварка обычно используется для соединения алюминия и меди.

Диффузионная сварка обеспечивает сварку путем приложения давления при повышенной температуре в течение длительного времени в вакууме. Его можно использовать для соединения как одинаковых, так и разнородных металлов.

Сначала необходимо устранить поверхностные загрязнения. Повышенная температура и постепенное приложение давления позволяют диффузию на атомном уровне. Деформация происходит на поверхности раздела, обеспечивая дальнейший контакт между материалами.

Диффузия медленно удаляет границу раздела, в результате чего металлы образуют чистое и прочное соединение. Диффузионная сварка в основном используется в аэрокосмической и ядерной сферах для соединения огнеупорных материалов.

При сварке взрывом сварка осуществляется путем быстрого перемещения деталей и контролируемой детонации. Произведенная энергия заставляет металлы соединяться. В отличие от других методов сварки, для соединения не требуется плавление металлов.

Металлы с разной температурой плавления могут, следовательно, связываться.Этот метод используется для плакирования недорогих плит дорогими материалами, не вызывающими коррозии. Он также используется для ремонта пробок в теплообменниках.

Металлы соединяются путем их нагревания в кузнице путем приложения давления или ударов, которые могут вызвать необратимую деформацию в местах соединения металлов. Он используется для соединения стали и железа, изготовления ворот, кухонной посуды и сварки коротких стволов.

При сварке трением тепло достигается за счет механического скольжения между двумя поверхностями.Одна часть вращается относительно другой, вызывая трение, пока вы не достигнете высокой температуры, а затем вы прикладываете давление, чтобы произошло слияние. Этот процесс не требует использования флюса или присадочного материала и является быстрым, а также позволяет производить качественные сварные швы.

При сварке горячим давлением материалы соединяются под воздействием тепла и давления, которые деформируют основной металл. Деформация приводит к растрескиванию оксидной пленки на поверхности, увеличивая площадь чистого металла.

Обычно он выполняется в помещении, чтобы обеспечить защиту, и в основном используется для производства в аэрокосмическом секторе.Похожий метод — это сварка горячим изостатическим давлением, в которой для приложения давления используется горячий инертный газ.

При сварке валками тепло и давление применяются с помощью валков, а не с помощью молотка и ударов, что вызывает деформацию поверхностей металлов, что приводит к соединению посредством диффузии. Этот процесс используется для изготовления биметаллических материалов.

При ультразвуковой сварке соединяемые детали удерживаются вместе под давлением и соединяются посредством энергии вибрации, которая движется с высокой частотой, выделяя тепло и приводя к деформации.

Он используется во многих областях, например, при сварке электрических соединений с токоведущими устройствами, пластмассовыми деталями, упаковкой и сборкой электронных компонентов.

5. Прочие виды сварки

Вот где луч высокоскоростных электронов, генерируемый электрической пушкой, фокусируется непосредственно на двух материалах, которые необходимо соединить посредством магнитного поля.

Материалы плавятся и текут, поскольку кинетическая энергия электронов превращается в тепло из-за удара о материалы.Он идеально подходит для чистых и точных сварных швов и для соединения разнородных сварных швов, а также материалов, которые трудно сваривать.

Процесс электронно-лучевой сварки должен происходить в вакууме, чтобы молекулы газа не рассеивали луч.

В этом типе сварки используется расплавленный шлак, плавящий присадочный металл и поверхность заготовки. При сварке шлак действует как щит. Сварщики используют его для сварки толстых труб, резервуаров, кораблей и, как правило, для соединения больших отливок и создания композитной конструкции.

Лазерный луч концентрирует тепло в полости между двумя соединяемыми металлами. Он содержит достаточно энергии, чтобы расплавить материал из двух частей.

Этот материал откладывается в полости, и после охлаждения образуется прочный сварной шов. Он в основном используется в автомобильном секторе, и вы можете легко автоматизировать сварку с помощью роботизированного оборудования.

В процессе термитной сварки используется присадочный материал в жидкой форме или плавление основного металла для обеспечения соединения после затвердевания расплавленного материала.Термит представляет собой смесь металлического алюминия и оксида железа.

В результате реакции этих двух металлов выделяется огромное количество тепла, которое переводит их в расплавленное состояние. Утюг, будучи более плотным, перемещается на дно тигля, где есть отверстие, и соединяется с пластинами.

Заключение

Как видите, перечень сварочных процессов обширен. Чтобы вы могли выбрать правильный метод, который будет соответствовать конкретной производственной квалификации, вам необходимо учитывать несколько факторов, включая необходимое количество заливки, положение сварки, скорость перемещения, а также глубину проплавления.

Вы можете выполнить большинство требований с помощью большинства сварочных процессов, но определение того, какой процесс работает лучше всего, обеспечит более быструю и качественную работу.

.

PPT — Презентация PowerPoint по диффузионной сварке, скачать бесплатно

Диффузионная сварка

Диффузионная сварка • Учебные занятия • Просмотреть слайды; • Прочтите заметки, • Слушайте лекцию • Выполните интерактивную рабочую тетрадь • Цели урока • Когда вы закончите этот урок, вы поймете: • Определение, характеристики, процесс и применение диффузионной сварки • Коэффициенты диффузии и эффект Киркендалла • Интерфейсные взаимодействия и разнородные металлы Ключевые слова : Диффузионная сварка, диффузионная пайка, переходная жидкофазная связь, коэффициент диффузии, пористость Киркендалла

Linnert, Welding Metallurgy, AWS, 1994

Определение процесса диффузионной сварки • Процесс сварки в твердом состоянии. сращивание прилегающих поверхностей за счет приложения давления при повышенной температуре.• Процесс не включает макроскопическую деформацию или относительное движение заготовок. • Между прилегающими поверхностями можно или не вставлять твердый присадочный металл. Детали Сила A B Схематическое изображение диффузионной сварки с использованием электрического сопротивления для нагрева

AWS Welding Handbook

Принципы работы диффузионной сварки Деформация 1-й стадии и неровности образования межфазных границ вступают в контакт.• 1-й этап • деформация, образующая межфазную границу. • 2-й этап • Перенос границ зерен и устранение пор. • 3-й этап • Объемная диффузия и устранение пор. 2-я стадия миграции границ зерен и устранение пор 3-я стадия объемной диффузии Устранение пор

Свободная энергия как обратимо движущийся атом Диффузия в твердых телах — Шевмон

Факторы, влияющие на диффузионную сварку (соотношение между температурой и коэффициентом диффузии) Температура • D = D0 e -Q / KT • D = Коэффициент диффузии • D0 = Константа диффузии • Q = энергия активации • T = абсолютная температура • K = постоянная Больцмана

Факторы, влияющие на диффузионную сварку • Температура (влияет на диффузию коэффициент) • Время • X = C (Dt) 1/2 = Длина диффузии • X = Длина диффузии • C = Константа • D = Коэффициент диффузии (см. предыдущий слайд) • t = Время • Давление

AWS Welding Справочник

Применение диффузионной сварки • Применение при сварке титана для авиакосмических аппаратов.• Диффузионная сварка никелевых сплавов включает Inconel 600, деформируемый Udimet 700 и Rene 41. • Диффузионная сварка разнородных металлов включает Cu с Ti, Cu с Al и Cu с Cb — 1% Zr. В этих применениях необходимо контролировать образование хрупких интерметаллических соединений.

Титановая диффузионная сварка • Максимально высокая температура без повреждения основного металла • От 75 до 100 F ниже Alpha-Beta Transus (например, 1700F) • Время зависит от других фактов, приведенных ниже, но обычно от 1 часа до 4 часов • Давление близкий к текучести (при температуре) • Гладкая поверхность (шероховатая поверхность = большее время, давление) • Чистая поверхность (обычно кислотная очистка) Space Shuttle, рассчитанный на 28 компонентов для диффузионной сварки

Титановый теплообменник из сверхпластика и диффузионной связки Froes, FH и др., «Применение титана в неавиационно-космической сфере», февраль 1998 г., TMS

Диффузионная сварка никеля (труднее сваривать) • Температура близка к МП • Высокое давление (из-за высокой прочности при нагревании) • Чистота Поверхности — Контроль окружающей атмосферы • (Поверхностные оксиды не растворяются) • Часто используется никелевый наполнитель (особенно для шероховатых поверхностей)

AWS Welding Handbook

Без никелевого присадочного металла Тонкодисперсные формы Ti (C, N) и NiTiO3, снижающие прочность с никелевым присадочным металлом, не образуются осадки, миграция границ зерен, но избыточное количество Ni3Al ppt.Получено хорошее соединение с Ni-35% Co Справочник AWS по сварке

Диффузионная сварка разнородных металлов Некоторые потенциальные проблемы • На границе сварного шва может образоваться интерметаллическая фаза или хрупкое интерметаллическое соединение. Выбор подходящего присадочного металла обычно может предотвратить такие проблемы. Также могут помочь совместные конструкции. • Могут образовываться легкоплавкие фазы. Иногда этот эффект оказывается полезным • Пористость может образовываться из-за неравных скоростей переноса металла за счет диффузии в области, прилегающей к сварному шву (пористость Киркендалла).Правильные условия сварки или использование подходящего присадочного металла или того и другого могут предотвратить эту проблему.

Справочник по сварке AWS

Вопросы

Некоторые Особые области применения диффузионной сварки

AWS Сварка

9000 9000 Справочник AWS Справочник по сварке Диффузионная сварка и сверхпластическая формовка самолетов Конструкционные листы из сверхпластичного материала (напр.Al) уложен стопорным материалом (диоксид кремния), окрашенным на определенных участках. Диффузионное соединение на 14 (контрольные области 12). Давление газа расширяет ограничительные области. Верхнее обрезание, если необходимо. Collier et al, «Метод изготовления конструктивных деталей, в частности для использования в самолетах »Патент США 6039239 21 марта 2000 г.

Керамический ротор турбокомпрессора (диффузионная связь с промежуточным звеном и сварка трением с валом) Диффузионный слой Керамический промежуточный элемент Металлический вал Ito, M и др.,« Керамика-металл. Композитная сборка »Патент 5,881,607 16 марта 1999 г.

Вопросы

Диффузионная пайка • Легкоплавкий промежуточный слой • Плавится, а затем диффундирует в подложку • Обычно более быстрая диффузия Некоторые приложения

Фазово-диффузионное соединение для плакированных стальных листов листов, уложенных друг на друга (2 комплекта) с активатором сцепления между листами и разделителем между плакированными листами Evacua Ted & Diffusion Bonded Steel Substrate Bonding Activator (Ni4P) Никелевый материал для разделения материалов (диоксид кремния) Turner, W.«Метод производства плакированных металлических пластин» Патент США 6,015,080 18 января 2000 г.

Диффузионная пайка алюминия Справочник по сварке AWS

A Упрочненная листовая структура из титанового сплава AWS Изготовлено методом непрерывной сварки.

Электролитически Медная пленка с электролитическим покрытием Слои меди вступают в реакцию с Ti с образованием эвтектического припоя. Параметры, аналогичные параметрам диффузионной сварки.

Титановая пайка Медь с металлическим покрытием. бета-фаза.Справочник по сварке AWS

Пайка никеля Никелевый припой с депрессантами точки плавления (кремний, бор, марганец, алюминий, титан или колумбий Метод 1 Метод 2

Никелевая пайка — изотермическое затвердевание Руководство по изотермической сварке AWS

Никелевая пайка — повторный нагрев для диффузии Справочник по сварке AWS

Проверьте веб-страницу, чтобы узнать о домашнем задании

.

Диффузионная сварка | Scientific.Net

Анализ барьерных неоднородностей диодов с барьером Шоттки P-типа Al / 4H-SiC

Авторы: Мехади Хасан Зико, Антс Коэль, Тоомас Ранг, Яна Тоомпуу

Аннотация: Диффузионная сварка (DW), известная как метод прямого соединения, могла бы больше использоваться как альтернативный подход для разработки выпрямителей Шоттки из карбида кремния (SiC) по сравнению с существующими основными технологиями металлизации контактов.Представлены результаты измерений 4H-SiC диодов с барьером Шоттки (SBD) p-типа. И было проведено всестороннее численное исследование для характеристики устройства. Моделирование выполняется с помощью программного обеспечения ATLAS (Silvaco). Анализируются измеренные и численно моделированные прямые вольт-амперные (ВАХ) и вольт-фарадные (ВАХ) характеристики в широком диапазоне температур. Некоторые из измеренных 4H-SiC диодов Шоттки p-типа показывают отклонения в определенных диапазонах их электрических характеристик.Это отклонение, особенно из-за избыточного тока, преобладает при низких напряжениях (менее 1 В) и температурах (ниже комнатной). Для проверки наличия электрически активных дефектов под контактом Шоттки, влияющих на высоту барьера Шоттки (SBH) и его неоднородность, была применена технология нестационарной спектроскопии глубоких уровней (DLTS). Измерения DLTS показывают наличие дефекта на глубоком уровне с энергией активации, характерной для многоуровневых кластеров ловушек.

960

Исследование распространения ползучести в интерфейсных полостях диффузионного сварного соединения из нержавеющей стали 316L

Авторы: Цзы Лян Ан, Цзы Е Ван, И Фэн Тан, Вэй Синь Ван

Аннотация: Модель динамических измерений для межфазных полостей диффузионного сварного соединения, основанная на эффективном удельном сопротивлении, создана с использованием фактора повреждения и модели Дерби закона Бриджмена.Затем можно получить количественное соотношение между потенциалом постоянного тока и эффективной площадью соединения при высокой температуре и высоком давлении. Кроме того, на основе метода динамического четырехзондового потенциала постоянного тока и технологии полевой шины создана компьютерная измерительная система, так что поведение ползучести на межфазных полостях нержавеющей стали 316L можно контролировать в режиме реального времени.

16

Нано- и микромасштабное моделирование Si / 4H-SiC и Si / 3C-SiC NN-гетеропереходных диодов

Авторы: Мухаммад Харун Рашид, Антс Коэль, Тоомас Ранг

Аннотация: В последние десятилетия гетероструктуры на основе карбида кремния (SiC) заняли заметное место в области исследований благодаря своим исключительным свойствам.Эти свойства делают SiC очень подходящим для применения в высокотемпературной, высокочастотной и мощной электронике. Наиболее известные политипы (среди 200 типов) SiC, такие как 3C-SiC, 4H-SiC и 6H-SiC, обладают отличительными электрическими и физическими характеристиками, которые делают их многообещающими кандидатами для высокопроизводительных оптоэлектронных приложений. Кремний (Si) также считается многообещающим материалом для широкого спектра электронных, оптических и оптоэлектронных приложений. Гетероструктуры, изготовленные прямым соединением политипа SiC и Si, могут иметь интересные физические и электрические свойства.В этой статье микро- и наномасштабное моделирование nn-гетероструктур Si / 4H-SiC и Si / 3C-SiC было выполнено с помощью программ Silvaco TCAD и QuantumWise Atomistix Toolkit (ATK) соответственно. Рассчитаны и обсуждены вольт-амперные характеристики устройств, моделируемых в нанометровом и микромасштабе. В наноразмерных устройствах также изучаются эффекты дефектов из-за смещения решетки (осевое смещение связанных пластин). Это моделирование является подготовкой к нашим будущим экспериментам, целью которых является создание диода с высокой подвижностью электронов или светоизлучающего диода путем прямого соединения (диффузионной сварки) политипов SiC.

357

Методы испытаний диффузионной сварки

Авторы: Павел Нахтнебль, Ладислав Коларжик, Люси Форейтова

Аннотация: Диффузионная сварка используется в авиационной, оптической и электротехнической промышленности, где часто используются специальные сплавы или комбинации металлических или неметаллических материалов.Сплавы и материалы поступают из ограниченных источников и, следовательно, также дороги. Эти причины приводят к тому, что разрушающих испытаний диффузионных соединений недостаточно для промышленности и используемых компонентов в эксплуатации. В статье обсуждаются методы испытаний, подходящие для диффузионных сварных соединений, которые обычно используются в наших исследованиях диффузионной сварки и которые планируется использовать в дальнейшем.

404

Выбор подходящих параметров процесса диффузионной сварки при гетерогенной сварке сталей 355J2 / AISI 316L

Авторы: Яромир Моравец, Ива Новакова

Аннотация: Целью данной статьи является представление возможностей использования диффузионной сварки при создании неоднородных соединений, в которых учитываются прочностные свойства.Соединение выполнено с низколегированной конструкционной феррит-перлитной сталью S355J2 и высоколегированной аустенитной сталью AISI 316L. В статье изложена фундаментальная теория диффузии, а также разработка и реализация экспериментального создания диффузионного стыка в термомеханическом симуляторе Gleeble 3500. Кроме того, представлена ​​процедура выбора технологических параметров с учетом оптимизации прочностных свойств неоднородного соединения, включая металлографическую оценку.

101

Разработка процесса диффузионной сварки высокотемпературных материалов

Авторы: Хо Сон Ли, Кён Джу Мин

Аннотация: Аэрокосмический аппарат требует, чтобы конструкции выдерживали интенсивный аэродинамический нагрев, а двигательная установка обеспечивала очень эффективный теплообмен.Чтобы удовлетворить как требованиям эффективного теплообмена, так и механических свойств, жаропрочные материалы или иногда разные металлы с разными свойствами должны быть соединены вместе. В этом исследовании показано, что процесс диффузионной сварки может быть применен для изготовления легких интегральных конструкций деталей аэрокосмических конструкций из титана и нержавеющей стали. Результаты показывают, что технология для проектирования и разработки процесса диффузионной сварки жаропрочных металлов может быть применена для производства аэрокосмических компонентов для высокотемпературных применений.

3

Процесс сварки в твердом состоянии для компонентов авиакосмической отрасли

Авторы: Хён Хо Чжон, Е Рим Ли, Чон Хун Юн, Джун Тэ Ю, Кён Джу Мин, Хо Сон Ли

Аннотация: Поскольку твердотельное сварное соединение образуется в результате тесного контакта двух металлов при температурах ниже точки плавления основных материалов, структурная целостность сварки зависит от времени, температуры и давления.В этой статье представлены некоторые примеры процессов сварки трением с перемешиванием и диффузионной сварки компонентов аэрокосмической отрасли. Процесс сварки трением с перемешиванием AA2195 был разработан с целью изучения возможности его применения для большого топливного бака. Была проведена массивная диффузионная сварка нескольких листов титана и получены успешные результаты. Диффузионная сварка разнородных металлов меди и нержавеющей стали была необходима для изготовления камеры сгорания увеличенного размера. Была проведена диффузионная сварка меди и стали, и показано, что оптимальный режим диффузионной сварки составляет 7 МПа при 890 ° С в течение одного часа.Показано, что процессы твердотельной сварки могут успешно применяться для изготовления легких деталей авиакосмической отрасли.

597

Механические свойства границы раздела гетерогенных диффузионных сварных швов титана и аустенитной стали

Авторы: Ладислав Коларжик, Мария Коларжикова, Петр Вондроуш

Аннотация: Титан — это материал, который используется во многих сферах деятельности человека.Поэтому необходимо стыковать его с другим материалом. Сваривать Ti с другими металлами обычными методами сварки плавлением очень сложно. Существуют специальные технологии соединения разнородных материалов, которые можно использовать. Обычно это соединение материалов в твердом состоянии, например диффузионная сварка, сварка трением или сварка взрывом. В статье рассматривается диффузионная сварка титанового сплава Ti6Al4V и нержавеющей аустенитной стали 1.4301. Описаны механические свойства (например, приведенный модуль упругости Er и твердость при вдавливании HIT) и изменения химического состава соединения за счет диффузии элементов.

178

Исследование технологии соединения многослойных металлических сетей

Авторы: Лян Го, Го Пэн Чжан, Пей Мин Сюй, Цай Ся Цзо, Я Нань Ян

Аннотация: Равномерное и непрерывное покрытие никелем было нанесено гальваническим способом на поверхность металлической сетки с помощью процесса нанесения покрытия никелем.Затем собранные многослойные металлические сетки были сварены в вакуумной печи. В этой статье рассматривается прочность соединения сварных многослойных металлических сеток при температуре 900 ° C, 1000 ° C, 1100 ° C соответственно и толщине покрытия 5 мкм, 20 мкм, 35 ​​мкм соответственно. Результаты показывают, что по мере увеличения температуры и толщины покрытия увеличивается прочность сцепления. Когда температура составляет 1100 ° C, а толщина покрытия составляет 35 мкм, ситуация склеивания наиболее высока.

369

Исследование дополнительных состояний на поверхности карбида кремния после диффузионной сварки.

Авторы: Янош Мижеи, Олег Корольков, Наталья Слепцук, Яна Тоомпуу, Тоомас Ранг

Аннотация: Эта статья представляет собой краткое изложение экспериментального исследования глубоких уровней в кристаллической решетке SiC, вызванных диффузионной сваркой (DW).Исследования проводились методами DLTS и Kelvin Probe. Исследования показали, что метод DLTS неприменим для идентификации поверхностных состояний. Исследования, проведенные методом зонда Кельвина, показали увеличение плотности поверхностных состояний после диффузионной сварки с 2х10 ¹⁵ см ^-2 до 3,5х10 ¹⁶ см ^-2 .

275

.