Дифузійне зварювання

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Производство и технологии


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

Вступ

Зварювання — один із провідних технологічних процесів, який широко застосовується в різних галузях господарства. Ефективність машин, енергетичних установок, багатьох інших виробів значною мірою визначають конструкційні матеріали, що постійно вдосконалюються та створюються їх нові марки і класи. У судно- та машинобудуванні розширюється застосування високоміцних та високолегованих сталей, сплавів алюмінію, титану, міді тощо як в однорідних, так і в різнорідних сполученнях. Успішне використання цих матеріалів забезпечується розвитком зварювального виробництва.

Подальше підвищення ефективності зварювального виробництва може бути досягнуте як за рахунок удосконалення існуючих способів зварювання, так і застосування нових. Наприклад, відомі високоефективні способи зварювання суднокорпусних конструкцій струмами високої частоти, при яких продуктивність праці зростає в 5…6 разів у порівнянні з механізованими способами електродугового зварювання, а також відпадає необхідність використання електродів, флюсів і зварювальних дротів. Наслідком розвитку існуючих дугових способів є імпульсно-дугове зварювання. Велику роль у суднобудуванні відіграє термічне різання, за допомогою якого переробляється близько 80% усього металу. За трудомісткістю термічне різання складає 10… 20% загального обсягу робіт у суднокорпуснооброблювальному виробництві. Найбільш широко застосовується повітряно-плазмове різання, яке замінило газо-кисневе. Використання тонколистових матеріалів сприяло розвитку мікроплазмового різання і зварювання. У суднобудуванні розширюється застосування лазерної обробки металів.

Ремонт суден і кораблів на плаву, будівництво морських гідротехнічних споруд, підводних трубопроводів різного призначення, освоєння континентального шельфу важко уявити без підводного різання та зварювання.

Важливе значення для України має енергетика. Ефективність енергетичних установок знаходиться в прямій залежності від параметрів робочого тіла. Наприклад, розрахунки та досвід експлуатації газотурбінних установок показують, що підвищення температури газу перед турбіною з 820 до 1050 °C дозволяє подвоїти потужність та підвищити економічність без зміни її габаритів. Підвищення температури робочого тіла пов’язане з виробництвом високожароміцних дисперснозміцнених, композитних та неметалічних матеріалів, які неможливо з'єднати електродуговим зварюванням. При виготовленні ряду деталей застосування електродугового зварювання неможливе за конструкційними особливостями.

В енергетиці та новій техніці використовують тугоплавкі метали та їх сплави, що мають високу хімічну активність щодо газів та надзвичайно чутливі до перегріву при зварюванні. У приладобудуванні, радіоелектроніці, новій техніці, інструментальному виробництві необхідні прецизійні способи зварювання з обмеженою температурою нагрівання.

Вирішення перерахованих та багатьох інших проблем стало можливим завдяки розробці спеціальних способів зварювання. Створені для зварювання певних матеріалів або конструкцій, ці способи виявилися більш ефективними, ніж традиційні електродугові та електроконтактні, також при виготовленні деталей, вузлів і конструкцій, що звичайно вироблялися за допомогою традиційних способів. Разом із тим спеціальні способи зварювання змінили уявлення про здатність металів до зварювання: багато з них перейшли з розряду металів, що погано зварюються, у розряд металів із доброю або задовільною здатністю до зварювання.

У другій половині двадцятого століття створено десятки нових способів зварювання. Теорія, технологія та обладнання багатьох із них висвітлені в монографіях та наукових статтях.

1. Історія розвитку зварювання

Процес зварювання з’явився ще в бронзовому віці, коли людина почала набувати досвід при обробці металів для виготовлення знарядь праці, бойової зброї, прикрас та інших виробів.

Першим відомим способом зварювання було ковальське. Воно забезпечувало достатньо високу, на той час, якість з'єднання, особливо при роботі з пластичними металами, такими, як мідь. Із винайденням бронзи, яка є твердішою і гірше піддається куванню, виникло ливарне зварювання. Під час ливарного зварювання крайки з'єднуваних деталей заформовують спеціальною сумішшю і заливають розігрітим рідким металом. Цей присадковий метал сплавляється із виробом і, застигаючи утворює шов. Такі з'єднання знайдені на бронзових посудинах Стародавньої Греції та Риму.

У 1802 році російський академік Василь Петров звернув увагу на те, що при пропусканні електричного струму через два прутики з вугілля або металу між їхніми кінцями виникає яскрава дуга (електричний розряд), яка має дуже високу температуру. Він дослідив та описав це явище, а також указав на можливість використання тепла електричної дуги для розплавлення металів і тим заклав основи дугового зварювання металів.

Але існують відомості про те, що англійський хімік сер Гемфрі Деві в 1800 першим дослідив електричну дугу і описав можливе застосування в промисловості.

В той час результати досліджень Василя Володимировича Петрова не були використані, ні в Росії, ні за кордоном. Лише через 80 років російські інженери -- Микола Миколайович Бенардос і Микола Гаврилович Слав’янов застосували відкриття Василя Володимировича Петрова на практиці та розробили різні промислові способи зварювання металів електричною дугою.

Микола Миколайович Бенардос в 1882 році винайшов спосіб дугового зварювання із застосуванням вугільного електрода. У наступні роки він розробив способи зварювання дугою, яка горить між двома або декількома електродами; зварювання в атмосфері захисного газу; контактного точкового електрозварювання за допомогою кліщів; створив ряд конструкцій зварювальних автоматів; Микола Миколайович Бенардос запатентував в Росії та за кордоном велику кількість різних винаходів у галузі зварювального устаткування та процесів зварювання[11].

Автором методу дугового зварювання металевим плавким електродом, найпоширенішого в наш час, є Микола Гаврилович Слав’янов, який розробив його в 1888 році. Через два роки американський інженер Чарльз Гофін повторив відкриття і запатентув метод дугового зварювання плавким металевим електродом на території США.

Микола Слав’янов не лише винайшов дугове зварювання металевим електродом, описав його у своїх статтях, книгах і запатентував у різних країнах світу, але й сам широко впроваджував його в практику. За допомогою навченого ним колективу робітників-зварювальників Микола Гаврилович Слав’янов виправляв дуговим зварюванням брак лиття та відновлював деталі парових машин і різного великого устаткування. Микола Гаврилович Слав’янов створив перший зварювальний генератор з автоматичним регулятором довжини зварювальної дуги, розробив флюси для підвищення якості наплавленого металу при зварюванні. Створені Миколою Миколайовичем Бенардосом і Миколою Гавриловичем Слав’яновим способи зварювання є основою сучасних методів електричного зварювання металів.

В 1900 англієць Артур Строхменхер почав промисловий випуск покритих металевих електродів зі стійкішою під час горіння дугою. В 1919 році англієць Клод Джозеф Холсланг винайшов джерело змінного струму, яке забезпечувало стійкіше горіння дуги, але в промисловості цей винахід на десятиліття забутий.

Родоначальник контактного зварювання -- англійський фізик Вільям Томсон (лорд Кельвін), який уперше застосував стикове зварювання в 1856 році. В 1877 році у США Еліх Томсон самостійно розробив стикове зварювання і впровадив його в промисловість. В тому ж 1877 у Росії Микола Миколайович Бенардос запропонував способи контактного точкового і шовного (роликового) зварювання. На промислову основу в Росії контактне зварювання було представлено в 1936 року після освоєння серійного випуску контактних зварювальних машин.

Ацетилен, винайдений в 1836 Едмундом Деві, почав використовуватися як горючий агент при газовому зварюванні з 1900, водночас із винаходом газового пальника.

Бурхливий розвиток зварювальних технологій і обладнання почався за часів І світової війни. Британці почали використовувати зварювальні процеси при побудові військових кораблів із суцільнозварними корпусами.

Упродовж 20-х років ХХ ст. головні акценти в зварювальних технологіях ставилися на розвиток автоматичного зварювання. Великий внесок у розвиток різноманітних видів зварювання вніс академік Патон Євген Оскарович, та фахівці Інституту електрозварювання, які вперше у світі розв’язали складні наукові і технічні завдання, пов’язані з автоматичним зварюванням броні, розробили досконалу технологію і необхідне обладнання. Було досліджено процеси, що відбуваються у потужній зварювальній дузі, яка горить під флюсом, розроблено нові зварювальні флюси і знайдено місцеву сировину для їх масового виробництва. Широко проводився пошук способів багатодугового та багатоелектродного автоматичного зварювання під флюсом, розроблено технологію напівавтоматичного зварювання під флюсом, створено перші зварювальні напівавтомати.

Застосування автоматичного зварювання в оборонній промисловості дало винятково великий ефект і забезпечило можливість різкого збільшення випуску бойових машин, боєприпасів і озброєння високої якості. В умовах військового часу застосування автоматичного зварювання під флюсом для виробництва техніки стало вирішальним чинником різкого нарощування обсягів виробництва у стислі терміни. В роки війни в жодній країні, окрім Радянського Союзу, автоматичне зварювання під флюсом у танковій промисловості не застосовувалося. Лише в останні воєнні роки за прикладом СРСР почали освоювати цей спосіб при виготовленні бронекорпусів танків і самохідних артилерійських установок у США.

Борису Патону було доручено розробити електричну схему нових автоматичних зварювальних головок, що реалізують відкрите в 1942 році Володимиром Дятловим явище саморегулювання дуги. З цим завданням молодий інженер упорався блискуче. Винятково проста конструкція, надійність і зручність у роботі не лише дали змогу випускати нові головки в умовах простих механічних майстерень, а й вирішували проблему кадрів при їх експлуатації. Як відзначав у своїх спогадах Євген Оскарович Патон, «пробний пуск першої нової головки відбувся у листопаді 1942, а до кінця війни вона вже зварила сотні кілометрів швів на бортах бойових машин! Починаючи з січня наступного року ми встановлювали на всіх нових верстатах тільки спрощені одномоторні головки А-80, виготовлені в майстернях інституту. Вони переможно вирушили по всіх заводах військової промисловості і відіграли величезну роль у випуску продукції для фронту. Це був поворотний момент у поширенні швидкісного зварювання на оборонних підприємствах країни». В 1943 Борис Патон одержав свій перший орден «Знак Пошани».

Зварювання повсюдно витіснило спосіб нероз'ємного з'єднання деталей за допомогою заклепок.

На сьогодні зварювання є найбільш розповсюдженим способом з'єднання деталей при виготовленні металоконструкцій.

2. Переваги зварювання

Зварювання забезпечує ряд переваг, основні з яких приводиться нижче:

1. Економія металу внаслідок найповнішого використання робочих перетинів елементів зварних конструкцій, додання їм найдоцільнішої форми відповідно до діючих навантажень і зменшення ваги з'єднаних елементів. У зварних конструкціях вага металу зварних швів становить від 1 до 2%, у той час як у клепаних вага заклепок і косинок -- не менш 4% від ваги виробу. Зварювання дає до 25% економії металу в порівнянні із клепкою, а в порівнянні з литтям в окремих випадках -- до 50%.

2. Використання зварювання на будівництві будинків дозволяє зменшити вагу сталевих конструкцій на 15%, полегшує виготовлення й збільшує міцність всієї конструкції. При спорудженні доменних печей застосування зварювання замість клепки дозволяє заощаджувати від 12 до 15% металу, у конструкціях кроквяних ферм -- 10−20%, у конструкціях піднімальних кранів -- 15−20%.

3. Скорочення строків робіт і зменшення вартості виготовлення конструкцій за рахунок зниження витрати металу та зменшення трудомісткості робіт. Так, наприклад, при будівлі великих доменних печей на металургійних заводах виготовлення кожуха печі зі сталевих листів за допомогою зварювання здійснюється менш ніж за два місяці. Виконання такого кожуха за допомогою клепки вимагає не менше ніж півроку.

4. Можливість виготовлення зварних виробів складної форми зі штампованих елементів замість кування або лиття. Такі конструкції називаються штампозварними і застосовуються в автомобілебудуванні, авіабудуванні, вагонобудуванні. За допомогою зварювання можна виготовляти деталі з металу, що пройшов різну попередню обробку, наприклад зварювати прокатані профілі зі штампованими литими або кутими заготовками. Можна зварювати і різнорідні метали: нержавіючі сталі з вуглецевими, мідь зі сталлю й ін.

5. Можливість широкого використання зварювання і різання при ремонті, де ці способи обробки металу дозволяють швидко та з найменшими витратами відновлювати зношене або несправне устаткування, і зруйновані спорудження.

6. Здешевлення технологічного устаткування, тому що відпадає необхідність у використанні дорогих свердлильних, діропробивних верстатів і клепальних машин.

7. Герметичність одержуваних зварних з'єднань.

8. Зменшення виробничого шуму та поліпшення умов праці робітників.

Зварюванням можна одержати зварні з'єднання із міцністю вищою за міцність основного металу. Тому зварювання широко застосовують при виготовленні досить відповідальних конструкцій, що працюють при високих тисках і температурах, а також при динамічних (ударних) навантаженнях -- парових котлів високого тиску, мостів, літаків, гідроспоруд, арматури залізобетонних конструкцій й інші [3].

3. Суть способу

Дифузійне зварювання — це зварювання тиском, здійснене за рахунок взаємної дифузії атомів контактуючих деталей при дії підвищеної температури і незначної пластичної деформації. Час зварювання складає від декількох до десятків хвилин. Схему дифузійного зварювання показано на рис. 3. 1

.

Рис. 3.1. Схема дифузійного зварювання і розподілу температури нагрівання деталей, що з'єднуються: 1,2 — деталі; 3 — нагрівам

Характерна особливість традиційного способу дифузійного зварювання — застосування відносно високих температур нагрівання і низьких тисків, які менші границі плинності з'єднуваного матеріалу. Зближення поверхонь на міжатомні відстані відбувається за рахунок деформації повзучості. Для захисту металу можливе використання газових і рідких середовищ, але, звичайно, зварювання ведуть у вакуумі.

Дифузійне зварювання у вакуумі (ДЗВ) розроблено в 1953 р. доктором технічних наук, професором Миколою Федотовичем Казаковим. Він запропонував технологічну характеристику процесу, прийняту Міжнародним інститутом зварювання. За цією характеристикою, дифузійне зварювання матеріалів у твердому стані - це спосіб отримання монолітного з'єднання, що утворюється внаслідок виникнення міжатомних зв’язків у результаті зближення контактних поверхонь за рахунок локальної пластичної деформації при підвищеній температурі, яка забезпечує взаємну дифузію в поверхневих шарах з'єднуваних матеріалів.

Дифузійне зварювання застосовують для з'єднання як однорідних, так і різнорідних матеріалів. Температура зварювання в більшості випадків складає 0,6 температури плавлення (за абсолютною шкалою) металу, що зварюється, або більш легкоплавкого в різнорідних сполученнях.

При з'єднанні однорідних матеріалів параметри режиму зварювання можуть бути розраховані, виходячи з умов утворення фізичного контакту при повзучості та об'ємної взаємодії. Тривалість утворення фізичного контакту визначається за рівняннями, залежно від тиску і температури зварювання. У випадку зварювання різнорідних матеріалів необхідно враховувати тривалість процесу активації більш твердого матеріалу, а також можливість утворення крихких проміжних фаз, що вимагає жорсткого контролю дифузійних процесів. Дифузійну взаємодію матеріалів, які з'єднуються, можна розрахувати за рівняннями, залежно від схеми з'єднання.

Дифузійне зварювання виконують за двома схемами: без проміжних прокладок і з проміжними прокладками. При зварюванні різнорідних матеріалів, які значно відрізняються за своїми властивостями, наприклад, коефіцієнтами термічного розширення, застосування висо-копластичних прокладок із нікелю, міді, алюмінію дозволяє знизити рівень напружень у з'єднанні. За допомогою проміжних прокладок можна отримати зварні з'єднання без утворення крихких інтерметалідних фаз між різнорідними матеріалами, знизити температуру зварювання однорідних матеріалів тощо.

Проміжний шар наноситься на поверхні шляхом електролізу, напилюванням у вакуумі, вводиться в стик у вигляді фольги або іншим способом. Хімічний склад прошарку вибирають залежно від роду матеріалів, які зварюються, і вимог до зварного з'єднання. Товщина проміжного шару може бути різною. При цьому прошарок може цілком змінювати свій склад за рахунок дифузії або зберігатися в стику, що необхідно при зварюванні матеріалів з різними властивостями або металів, що утворять крихкі з'єднання. Дифузійне зварювання виконують також із застосуванням прокладок, які розплавляються, активують поверхні і витісняються, а їх залишки дифундують в основний метал. Склад металу в зоні зварювання за рахунок дифузійних процесів наближається до складу основного металу. Цей процес широко застосовується при з'єднанні матеріалів, які погано зварюються плавленням і призначені для роботи при високих температурах та значних навантаженнях. У ньому поєднуються особливості дифузійного зварювання і паяння у вакуумі. Залежно від параметрів режиму, процес може давати з'єднання, які відповідають з'єднанням при дифузійному зварюванні, та з'єднання з окремими ділянками різної довжини, характерними для паяння.

Існує багато схем дифузійного зварювання, спрямованих на інтенсифікацію або чіткий контроль процесів з'єднання. Наприклад, використовують першу стадію повзучості з імпульсним навантаженням, що прискорює процес утворення фізичного контакту з'єднуваних поверхонь; регулюють процес утворення фізичного контакту, змінюючи швидкість переміщення деформуючого пристрою; застосовують імпульсне стиснення поверхонь зі швидкістю 1. 30 м/с, що скорочує процес утворення зварного з'єднання до 10−2… 10−3 с; зварювання проводять при коливанні температури навколо точки структурних перетворень, що збільшує швидкість дифузійних процесів; використовують пластично-деформовані прокладки або прокладки з ультрадисперсних порошків; зварювані деталі нагрівають у розведеному стані до різних температур; у зоні з'єднання інтенсифікують деформації зсуву; зварювання проводять у температурному інтервалі надпластичності тощо[7].

4. Техніка дифузійного зварювання

Спосіб заснований на використанні процесу дифузії металів. З'єднуються деталі поміщають в зварювальну камеру, яку заповнюють інертним або відновним газом (в нашій промисловості застосовується рідко), з підтримкою постійного вакууму порядку 102 — 105 мм рт. ст. Деталі в камері нагрівають і здавлюють питомим тиском порядку 0,5−2 кг/мм2. Вакуум підтримується безперервною; роботою вакуумних насосів, що відкачують гази, що надходять у зварювальну камеру через нещільності системи, а також адсорбовані поверхнями апаратури. Дуже важлива температура нагріву металу, сталь зазвичай нагрівається до 800° С. Відбувається очищення поверхні металу, видаляються поверхні забруднення і адсорбовані гази, відновлюються і розчиняються в металі оксиди. Поверхні зварювання повинні бути добре оброблені механічно для забезпечення дотику по всій поверхні зварювання. Безперервно діючий тиск деформує всі виступи та нерівності гарячого металу і забезпечує необхідне прилягання по всій поверхні. Процеси очищення, пригону поверхонь і дифузії йдуть досить повільно, і потрібно 5−20 хв, а іноді і більше для завершення процесу зварювання. Нагрівання деталей зазвичай електричне, причому в різних випадках використовується випромінювання нагрівачів, іноді теплопередача від нагрівачів через теплопровідність; можливий індукційний нагрів. Температура нагріву і її контроль мають велике значення, вже невелике її підвищення значно прискорює дифузію, з іншого боку, нагрів може знижувати якість металу. Спосіб відрізняється великою універсальністю щодо зварюваних металів: можлива зварювання багатьох сполучень різнорідних металів, а також металів з металокерамічними сплавами, металів з керамікою, з графітом і т. д. Спосіб отримав вже досить широке застосування для різних випадків, часто важкоздійснюваних іншими способами [4].

5. Технологія зварювання

Основними параметрами режиму дифузійного зварювання є температура (T), тиск (р), час зварювання середовище (А) (найчастіше використовують вакуум). Для вибору параметрів режиму велике значення має підготовка поверхонь, які з'єднуються. Чим вищий вакуум у зварювальній камері, тим менша взаємодія металу з газами. Однак ступінь вакуумування повинен бути економічно доцільним і технологічно достатнім.

Зварювання більшості металів ведуть у вакуумі порядку 10 Па, що досягається за допомогою механічних насосів об'ємної дії та найбільш дешевих дифузійних паро масляних насосів. Зварювання у вакуумі має економічні переваги перед зварюванням у середовищі інертних газів. При цьому не слід забувати про набагато більш досконалий захист вакууму порівняно навіть з високочистими інертними газами, що і визначає широке застосування вакууму при різних способах зварювання, паяння, напилення та інших технологічних процесах.

Підготовка та очистка з'єднуваних поверхонь при дифузійному зварюванні є важливим чинником, який визначає якість з'єднань. Звичайно поверхні зачищають механічною обробкою не гірше шостого класу (Яа = 0,72… 0,38 мкм) з наступним знежиренням. Механічна обробка в порівнянні з електролітичною доцільніша, тому що внесені при механічній обробці структурні дефекти прискорюють процес утворення монолітного з'єднання.

Вибір інших параметрів режиму розглянемо, наприклад, для жароміцних сплавів ЗИ602 (ХН75МБТЮ), ЗИ826 (ХН70ВМФТЮ), ЗП99 (ХН50ВМКТЮР) і ВЖ98 (ЗИ868 або ХН60ВТ). Температуру зварювання жароміцних сплавів призначають, виходячи з впливу температури на їх пластичність та інші властивості, процеси рекристалізації, дифузії, можливу втрату міцності. На рис. 2. 74 показано вплив температури на пластичність є жароміцних сплавів Мі-Сг-А1-Со і ЗИ617 (ХН70ВМТЮ), з яких видно, що при температурах вище 1200… 1250 °C пластичність сплавів різко падає. Критерієм оцінки пластичності при стискуванні є величина пластичної деформації в до появи тріщин у металі. Оскільки наведені діаграми є характерними для жароміцних сплавів, то температуру їх зварювання доцільно вибирати в інтервалі 1050… 1200 °C.

Рис. 5.1. Діаграма технологічної пластичності жароміцних нікелевих сплавів: 1 — сплав Ni-Cr-Al-Co; 2 — сплав ЭИ617

Однією з основних задач, спрямованих на досягнення найкращих властивостей жароміцних сплавів, є виключення можливості утворення їх різнозернистості. Тому в зоні з'єднання при вибраній температурі зварювання необхідно уникати критичних деформацій, при яких величина зерна різко збільшується. Для цього можна користуватися діаграмами рекристалізації сплавів.

Діаграми рекристалізації сплавів можуть бути побудовані щодо умов дифузійного зварювання. У цьому випадку для зручності вибору режимів зварювання замість величини деформації відкладають величину тиску, що діє протягом певного часу зварювання. Таку діаграму показано зварювання жароміцних сплавів призначають, виходячи з впливу температури на їх пластичність та інші властивості, процеси рекристалізації, дифузії, можливу втрату міцності. На рис. 2. 74 показано вплив температури на пластичність є жароміцних сплавів Мі-Сг-А1-Со і ЗИ617 (ХН70ВМТЮ), з яких видно, що при температурах вище 1200… 1250 °C пластичність сплавів різко падає. Критерієм оцінки пластичності при стискуванні є величина пластичної деформації в до появи тріщин у металі. Оскільки наведені діаграми є характерними для жароміцних сплавів, то температуру їх зварювання доцільно вибирати в інтервалі 1050… 1200 °C.

Однією з основних задач, спрямованих на досягнення найкращих властивостей жароміцних сплавів, є виключення можливості утворення їх різнозернистості. Тому в зоні з'єднання при вибраній температурі зварювання необхідно уникати критичних деформацій, при яких величина зерна різко збільшується. Для цього можна користуватися діаграмами рекристалізації сплавів.

Рис. 5.2. Вплив тиску при температурах зварювання 1100 (7), 1175 (2) і 1200 °C (3) на величину зерна жароміцного сплаву ЗП99 у зоні етика (а) і розподіл деформацій (укорочення) по осі дії тиску при Т~ 1150 °C, р = 40 МПа (б)

Діаграми рекристалізації сплавів можуть бути побудовані щодо умов дифузійного зварювання. У цьому випадку для зручності вибору режимів зварювання замість величини деформації відкладають величину тиску, що діє протягом певного часу зварювання. Таку діаграму показано на рис. 5. 2, а. Розподіл деформацій, що визначалися на базі 1 мм, по осі дії тиску показано на рис. 5. 2, б. Час зварювання складав 6 хвилин.

Локальна деформація при ДЗВ складає 40.. 60%, але зона її локалізації менша, ніж З0… 50мкм. Тому для побудови діаграм рекристалізації необхідно визначати величину макродеформації на базі 1 мм.

Тиск і час зварювання можуть бути розраховані за необхідною при заданій обробці поверхонь величиною пластичної деформації і швидкістю повзучості жароміцних сплавів відповідно до рівняння (1. 28). Для сплавів ЗИ602, ЗИ826, ЗП99 постійні повзучості відповідно дорівнюють: В = 7,24*10-6; 6,05*Ю-6 і 5,46*10-6; m = 3,786; 3,730; 3,810; енергія активації повзучості АНп = 345, 372 і 375 кДж/моль. Постійні В і m для різних сплавів змінюються мато. Енергія активації повзучості з підвищенням жароміцності сплавів зростає. Для дисперсійно-зміцнюваних сплавів ЗИ826 і ЗП99 вона вища, ніж для незміцнюваного ЗИ602. Використовуючи наведені дані, можна визначити час утворення фізичного контакту. При температурах 1175… J 200 °C, тиску 30 МПа і обробці поверхонь по 7−8-му класах цей час для жароміцних сплавів складає секунди.

Вплив режимів зварювання на механічні властивості з’еднань деяких жароміцних сплавів показано на рис. 5. 3−5.5. Графіки рис. 5.3 побудовані для сплавів ЗП99 та ЗИ602 при часі зварювання 6 хв, для сплаву ВЖ98 — ЗО хв.

У всіх випадках зварювання сплавів зразки стискували за допомогою гідропресу, але для сплаву ВЖ98 тиск підтримували однаковим протягом всього циклу зварювання, а для сплавів ЗИ602 і ЗП99 — лише протягом 4…6 с і при його зниженні за рахунок повзучості не відновлювали. Цим пояснюється суттєва різниця в тисках при зварюванні вказаних сплавів.

Із рівнянь повзучості і дифузії (розділ 1) видно, що температура, тиск і час зварювання взаємопов'язані. Підвищення температури призводить до росту швидкості повзучості, прискорення дифузійних процесів та рекристалізації, що скорочує час, необхідний для утворення якісного зварного з'єднання. Аналогічно впливає тиск.

Рис. 5.3. Вплив тиску зварювання на властивості з’еднань при нормальній температурі сплавів ЗП99 (а), ЗИ602 (б), ВЖ98 (в) і при температурах зварювання: 1 -1100; 2- 1150; 3 -1175; 4- 1200 °С

Вивчення фрактографш (поверхні руйнування з'єднань) при зварюванні сплаву ЗП99 показало, що при температурі 1100 °C і тиску 10 МПа за 6 хв забезпечується фактичний контакт лише на 20… 30% всієї площі поверхні. Механічні властивості таких з'єднань дуже низькі. Тиск 15 МПа забезпечує фактичний контакт поверхонь на 60% площі, при 20 МПа — 90%, а при 25 МПа — 100% всієї площі. При тисках 25 МПа і більше, не вважаючи на 100% забезпечення фактичного контакту, міцність та особливо пластичність з'єднань низькі. Границі зерен орієнтовані по стику, де і руйнувалися зразки.

Якщо з'єднання зі сплаву ЗП99 при температурі зварювання 1100 °C мають механічні властивості значно нижчі, ніж основний метал, то з'єднання зі сплаву ЗИ602 мають властивості, близькі до властивостей основного металу. Це пояснюється меншою жароміцністю сплаву ЗИ602 і відповідно вищою дифузійною рухомістю атомів сплаву. На відміну від сплаву ЗП99, у з'єднаннях сплаву ЗИ602 зерна на окремих ділянках переростають стик. Підвищення температури зварювання до 1150… 1175 °C забезпечує зростання міцності і пластичності також з'єднань сплавів ЗП99 і ВЖ98. У зоні етика утворюються спільні зерна[4]. Характер впливу тиску на властивості з'єднань з підвищенням температури не змінюється, хоча фізичний контакт з'єднаних поверхонь досягається при менших тисках, але при тій же величині загальної пластичної деформації зразків (близько 3% для сплавів ЗП99 і ЗИ602). Для кожної температури існує певний мінімальний тиск, що забезпечує 100%-й фі зичний контакт поверхонь за даний час. Експериментальні результати добре узгоджуються з розрахунками.

Вплив температури зварювання на властивості з'єднань сплавів показано на рис. 5.4. Для сплаву ВЖ98 показано також величину пластичної деформації в зразків при зварюванні. Час зварювання сплавів ЭП99 та ЭИ602 складав 6 хв, сплаву ВЖ98 — ЗО хв.

Рис. 5.4. Вплив температури на властивості з'єднань при нормальній температурі сплавів ЗП99 (а). ЗИ602 (б), ВЖ98 (в) при тисках: 1 - 10; 2 — 15; З — 20; 4 — 25; 5−30; (5−35; 7−40 МПа

Із підвищенням температури до 1150 °C міцність і особливо пластичність з'єднань зростають. У зоні етика проходить рекристалізація. При температурах вище 1175 °C для більшості дисперсійно-зміцнених сплавів у зоні етика спостерігається розчинення зміцнюючих фаз. Ступінь розчинення зростає зі збільшенням часу зварювання. Підвищення температури вище 1200 °C для більшості сплавів викликає інтенсивний ріст зерна. При температурі 1250 °C навіть низькі тиски зварювання багатьох сплавів призводять до утворення тріщин, що підтверджує необхідність врахування діаграм технологічної пластичності при виборі режимів зварювання. дифузійне зварювання сплав температура

6. Процес дифузійного зварювання

Відмінна риса дифузійного зварювання від інших способів зварювання тиском — відносно високі температури нагріву (0,5−0,7 Тпл) та порівняно низькі питомі стискають тиску (0,5−0 МПа) при ізотермічній витримці від декількох хвилин до декількох годин. Формування дифузійного з'єднання визначається такими фізико-хімічними процесами, що протікають при зварюванні, як взаємодія нагрітого металу з газами навколишнього середовища, очищення зварювальних поверхонь від оксидів, розвиток високотемпературної повзучості і рекристалізації. У більшості випадків це дифузійні, термічно активуються процеси. Для зменшення швидкості окислення зварювальних заготовок і створення умов очищення контактних поверхонь від оксидів при зварюванні можуть бути застосовані гази-відновники, розплави солей, флюси, обмазки, але в більшості випадків використовують вакуум або інертні гази. Очищення поверхонь металів від оксидів може відбуватися в результаті розвитку процесів сублімації і дисоціації оксидів, розчинення оксидів за рахунок дифузії кисню в метал (іонів металу в оксид), відновлення оксидів елементами-раскислителями, що містяться в сплаві і дифундує при нагріванні до межі розділу метал — оксид.

Розрахунок і експеримент показують, що, наприклад, на сталі оксиди видаляються найбільш інтенсивно шляхом їх відновлення вуглецем, а на титані - за рахунок розчинення кисню в металі. Зближення зварювальних поверхонь відбувається в першу чергу в результаті пластичної деформації мікровиступів і приповерхневих шарів, обумовленої додатком зовнішніх стискаючих напруг і нагріванням металу. У процесі деформації поверхонь, що зварюються, вільних від оксидів, відбувається їх активація, і при розвитку фізичного контакту між такими поверхнями реалізується їх схоплювання. При дифузійному зварюванні однойменних металів зварне з'єднання досягає равнопрочного основного матеріалу в тому випадку, коли структура зони з'єднання не відрізняється від структури основного матеріалу. Для цього в зоні контакту повинні утворюватися спільні для з'єднуються матеріалів зерна. Це можливо за рахунок міграції границь зерен, здійснюваної або шляхом первинної рекристалізації, або шляхом збиральної рекристалізації. За допомогою дифузійного зварювання у вакуумі одержують високоякісні з'єднання кераміки з підступний, міддю, титаном, жароміцних і тугоплавких металів і сплавів, електровакуумних стекол, оптичної кераміки, сапфіру, графіту з металами, композиційних та порошкових матеріалів. Сполучаються заготовки можуть бути дуже різні за своєю формою і мати компактні або розвинені поверхні контактування. Геометричні розміри зварюваних деталей знаходяться в межах від декількох мікрометрів (при виготовленні напівпровідникових приладів) до декількох метрів (при виготовленні шаруватих конструкцій). Деякі типи конструкцій, одержуваних дифузійної зварюванням. Схематично процес дифузійного зварювання можна представити таким чином. Зварювані заготовки збирають в пристосуванні, що дозволяє передавати тиск в зону стику, вакуумирують і нагрівають до температури зварювання. Після цього прикладають стискуюче тиск на заданий період часу. У деяких випадках після зняття тиску виріб додатково витримують при температурі зварювання для більш повного протікання рекрісталлізаціонних процесів, що сприяють формуванню доброякісного з'єднання. По закінченні зварювального циклу збірку охолоджують у вакуумі, інертному середовищі або на повітрі в залежності від типу обладнання. В залежності від напружень, що викликають деформацію металу в зоні контакту і визначають процес формування дифузійного з'єднання, доцільно умовно розрізняти зварювання з високоинтенсивним (Р? 20 МПа) і низькоінтенсивним (Р? 2 МПа) силовим впливом. При зварюванні з високоинтенсивним впливом зварювальне тиск створюють, як правило, пресом, забезпеченим вакуумної камерою і нагрівальним пристроєм. Але на таких установках можна зварювати деталі обмежених розмірів (як правило, діаметром до 80 мм. При виготовленні великогабаритних двошарових конструкцій застосовують відкриті преси. При цьому зварювані деталі перед приміщенням в прес збирають в герметичні контейнери, які вакуумируют і нагрівають до зварювальної температури.

Принципова схема установки для дифузійного зварювання і загальний вид багатопозиційної установки СДВУ-4М та вакуумної камери, система охолодження камери, вакуумної системи, високочастотнго генератора, гідросистеми преса. Для виключення можливості втрати стійкості зварюваних елементів, передачі тиску в зону зварювання та створення умов локально направленої деформації зварюваного металу в зоні стику дифузійну зварювання здійснюють в пристосуваннях із застосуванням для заповнення «порожнеч» (міжреберних просторів) технологічних вкладишів і блоків, які після зварювання демонтують або видаляють хімічним травленням.

Технологічна схема дифузійного зварювання з високоинтенсивним силовим впливом: а — необхідна конструкція, заготовки для зварювання; технологічні елементи-вкладиші; складання; зварювання в пресі; демонтаж; готова конструкція, технологічні вкладиші, технологічний контейнер, прес. При зварюванні з високоінтенсивним силовим впливом локальна деформація металу в зоні з'єднання, як правило, досягає декількох десятків відсотків, що забезпечує стабільне отримання доброякісного з'єднання. Для виготовлення шаруватих конструкцій перспективна дифузійна зварювання з низькоінтенсивним силовим впливом, при якій допустимі стискаючі зусилля обмежені стійкістю тонкостінних елементів. При цьому способі дифузійного зварювання не потрібно складного спеціального обладнання. При виготовленні плоских (або з великим радіусом кривизни) конструкцій стискуюче зусилля найбільш просто може бути забезпечено за рахунок атмосферного тиску повітря Q на зовнішню поверхню технологічного оснащення при зниженні тиску газу в зоні з'єднання. Технологічна схема дифузійного зварювання з низькоінтенсивним силовим впливом плоских конструкцій:а — необхідна конструкція, заготовки для зварювання; складання; зварювання; готова конструкція, несуча обшивка, готовий заповнювач, технологічні листи, мембрана. Наявність технологічних елементів (прокладок, мембрану ін), володіє локальної жорсткістю і поміщених із зовнішнього боку зварюваних елементів, виключає можливість втрати стійкості обшивок у вигляді прогинів підкріплених ділянок. Величина зварювального тиску Р обмежується граничним напруженням втрати стійкості заповнювача? п.з. (Р? ?п.з.). При виготовленні конструкцій складного криволінійного профілю може бути використана технологічна схема, при якій тиск нейтрального газу сприймається безпосередньо зовнішніми елементами самої конструкції, наприклад, несучими обшивками, оболонками. У процесі зварювання обшивки на підкріплених ділянках під тиском газу деформуються (прогинаються). Це погіршує умови для формування з'єднання, зменшує перетин сполучених каналів, погіршує аеродинамічний стан поверхні. У цьому випадку Р обмежується напругою, при якому має місце надмірна залишкова деформація обшивок на підкріплених ділянках (Р? ?п.о.). Технологічна схема дифузійного зварювання з низькоінтенсивним силовим впливом конструкцій складної форми: необхідна конструкція, заготовки для зварювання; зварювання; характер деформації елементів конструкції при зварюванні; зовнішня оболонка, внутрішня оболонка. У ряді випадків можна виключити застосування зовнішнього тиску для стиснення зварюваних заготовок, використовуючи явища термічного напруження, яке виникає при нагріванні матеріалів з різними коефіцієнтами лінійного розширення. При зварюванні коаксіально зібраних заготовок коефіцієнт лінійного розширення деталі, що охоплює повинен бути менше коефіцієнта лінійного розширення охоплюваній деталі. Якість з'єднання при дифузійному зварюванні у вакуумі визначається комплексом технологічних параметрів, основні з яких — температура, тиск, час витримки. Дифузійні процеси, що лежать в основі формування зварного з'єднання, є термічно активуються, тому підвищення температури зварювання стимулює їх розвиток. Для зниження стискає тиску і зменшення тривалості зварювання температуру нагрівання зварюваних деталей доцільно встановлювати по можливості більш високою, метали при цьому володіють меншим опором пластичної деформації. Разом з тим необхідно враховувати можливість розвитку процесів структурного перетворення, гетеродіффузіі, освіти евтектики та інших процесів, що призводять до зміни фізико-механічних властивостей зварюваних металів. Питомий тиск впливає на швидкість утворення дифузійного з'єднання і величину накопиченої деформації зварюваних заготовок. У більшості випадків чим вищий питомий тиск, тим менше час зварювання і більше деформація. Так, при зварюванні в пресі з використанням високих питомих тисків (до декількох десятків мегапаскалей) час утворення з'єднання може вимірюватися секундами, а деформація металу в зоні з'єднання десятками відсотків. При зварюванні з використанням низьких питомих тисків (десяті частки мегапаскалях) час зварювання може обчислюватися годинами, але деформація з'єднуються заготовок при цьому складає долі відсотка. Таким чином, задачу вибору питомого тиску слід вирішувати з урахуванням типу конструкцій, технологічної схеми і геометричних розмірів з'єднуваних заготовок, а час зварювання вибирати з урахуванням температури та питомої тиску. При зварюванні різнорідних матеріалів збільшення тривалості зварювання може супроводжуватися зниженням механічних характеристик з'єднання через розвиток процесів гетеродіффузіі, що призводять до формування в зоні з'єднання тендітних інтерметаллідним фаз. Для здійснення дифузійного зварювання у даний час створено понад 70 типів зварювальних дифузійно-вакуумних установок. Розробка і створення установок для дифузійного зварювання у даний час ведеться в напрямку уніфікації систем (вакуумної, нагрівання, тиску, управління) і зварювальних камер. Міняючи камеру в цих установках, можна значно розширити номенклатуру зварюваних вузлів[8].

7. Сутність методу

У 1953 р. професором Н. Ф. Козаковим був розроблений принципово новий спосіб з'єднання матеріалів — дифузійне зварювання у вакуумі. При дифузійному зварюванні зварне з'єднання утворюється в результаті спільного впливу тиску і нагріву. Відмінною особливістю дифузійного зварювання є застосування відносно високих температур нагріву і низьких питомих тисків, звичайно перевищують межі текучості зварюваних матеріалів при температурі зварювання. При дифузійному зварюванні виділяють дві основні стадії утворення якісного зварного з'єднання. Перша стадія — створення фізичного контакту, при якому всі точки з'єднуються матеріалів знаходяться один від одного на відстані міжатомних взаємодій. Друга стадія — формування структури зварного з'єднання під впливом процесів релаксації. Дослідження, проведені в нашій країні і за кордоном, показали, що параметрами, що визначають процес з'єднання при дифузійному зварюванні у вакуумі, є тиск, температура, тривалість їх впливу, стан і рельєф поверхонь, що зварюються. При подальших дослідженнях було встановлено, що попередня обробка зварюваних деталей (рельєф) впливає не тільки на створення фізичного контакту, але і в значній мірі визначає протікання дифузійних процесів за рахунок зміни тонкої структури поверхневих шарів. Будь підготовка зварювальних поверхонь (механічна, електролітична, хімічна та ін) Не виключає утворення оксидів на поверхні металу. Однак цей фактор не завжди чинить негативний вплив на протікання процесу, так як для більшості металів нагрів в вакуумі до температури, використовуваної при зварюванні ((0,7−0,8) Тпл), і відповідний витяг у часі при цій температурі достатні для мимовільної очищення зварювальних поверхонь від оксидів. Тиск, що застосовується при способах зварювання без розплавлення матеріалів, за сучасними уявленнями, виконує три завдання: — руйнування в результаті пластичної течії поверхневих шарів металу і часткове видалення окисних плівок і забруднень; - зближення зварювальних поверхонь для забезпечення фізичного контакту і ефективного атомного взаємодії; - забезпечення активації поверхонь для протікання процесів дифузії і рекристалізації. Процес може здійснюватися з використанням різних теплових джерел нагріву. Найчастіше на практиці знаходять застосування індукційний, радіаційний, електронно-променевої нагрів, а також нагрів проходить струмом, тліючим розрядом і в розплаві солей. В останньому випадку розплав солей виконує роль середовища, в якій здійснюється дифузійна зварювання. Крім вакууму, в якості середовища можуть бути використані захисні або відновні гази. При зварюванні матеріалів, що мають відносно невелике спорідненість до кисню, процес можна вести на повітрі. У практиці дифузійного зварювання відомо застосування двох технологічних схем процесу, що розрізняються характером прикладання навантаження. В одній з них використовують постійне навантаження за величиною нижче межі текучості[9]. При цьому процеси, що розвиваються в зварюваних матеріалах, аналогічні повзучості. Таку технологію називають дифузійної зварюванням за схемою вільного деформування. За другою схемою навантаження і пластичне деформування забезпечуються спеціальним пристроєм, який переміщається в процесі зварювання з контрольованою швидкістю. Таку технологію називають дифузійної зварюванням за схемою примусового деформування. Дифузійної зварюванням у вакуумі практично освоєно з'єднання близько 500 композицій металів, сплавів і неметалевих матеріалів. До теперішнього часу створено понад 70 типів установок дифузійного зварювання.

Рис. 7.1 Установка дифузійного зварювання

Кожна установка, незалежно від її типу, повинна включати в себе п’ять основних систем (рис. 7. 1): 1- робоча камера, 2- система охолодження, 3- вакуумна система, 4- джерело нагріву, 5- система тиску. Розробка і створення установок для дифузійного зварювання в даний час ведуться в напрямку уніфікації систем (вакуумної, нагрівання, тиску, управління) і зварювальних камер. Міняючи камеру в цих установках, можна значно розширити номенклатуру зварюваних вузлів. За допомогою дифузійного зварювання у вакуумі, крім уже зазначених сполук металів і сплавів, отримують високоякісні з'єднання кераміки з підступний, міддю, титаном, електровакуумних стекол, оптичної кераміки, сапфіру, графіту з металами, композиційних та порошкових матеріалів та ін Сполучаються заготовки можуть бути дуже різні за своєю формою, мати компактні або розвинені поверхні контактування. Геометричні розміри зварюваних деталей знаходяться в межах від декількох мікрометрів (при виготовленні напівпровідникових приладів) до декількох метрів (при виготовленні шаруватих конструкцій). Спосіб з'єднання дифузійної зварюванням є економічним. Він не вимагає дорогих припоїв, спеціального дроту і електродів, флюсів, захисних газів[2]. Більш того, відпадає подальша механічна обробка і втрата цінного металу, маса конструкції не збільшується, що має місце при зварюванні, пайку і склеюванні. Властивості металу в зоні з'єднання не змінюються, тому термічна обробка необов’язкова. Установки для дифузійного зварювання можна встановлювати в лініях механічної обробки і складання деталей і вузлів. Витрата енергії та потужності споживання їх на зварювання в 4−6 разів менше, ніж, наприклад, при контактному зварюванні. Дифузійну зварювання від інших видів зварювання відрізняє гігієнічність процесу: відсутність ультрафіолетового випромінювання, шкідливих бризок металу, дрібнодисперсного пилу, що вельми важливо для охорони здоров’я працюючих. Досвід багатьох підприємств, НДІ, КБ показав, що дифузійна зварювання успішно конкурує з іншими традиційними видами зварювання. За останній час погляди на дифузійну зварювання принципово змінилися. З процесу для з'єднання матеріалів, які важко або неможливо сполучати звичайними способами зварювання плавленням і пайки, вона перетворилася на загальнодоступний процес з'єднання як невеликих деталей, так і великих, встановлена її конкурентоспроможність з існуючими способами зварювання плавленням і пайкою.

8. Дифузійне зварювання однорідних металевих матеріалів

Мідь знаходить саме широке застосування в електронній промисловості як конструкційний матеріал для виготовлення різних вузлів приладів. Для неї характерні висока електро- і теплопровідність, малі газопроникність і газовиділення, корозійна стійкість, немагнитность, висока пластичність. Мідь марок МБ, MB, MBK, Ml є основним матеріалом для виготовлення анодів і анодних блоків, що уповільнюють систем, вводів енергії магнетронів, клістронів, ламп зворотної хвилі, ламп біжучої хвилі, потужних генераторних і газорозрядних приладів та ін Широко використовується вона і в поєднанні з різноманітними металевими і неметалевими матеріалами. Мідь і її сплави становлять 90−95% від загального обсягу застосування в електроніці металевих матеріалів (у масовому вимірі). Мідь належить до числа матеріалів, ДС яких не викликає особливих утруднень. Равнопрочность сполук міді основного матеріалу досягається при ДС по режиму. ТСВ = 850oС, РСВ = 7−8 МПа, Т = 20 хв, V = 1, ЗЗх10−2 Па, зазвичай принимаемому за оптимальний. Дифузійна зварка міді знаходить найбільш широке і успішне застосування при виготовленні складових пакетованих вузлів НВЧ-приладів: уповільнюють систем, анодних блоків і резонаторів. Заготовки пакетованих високочастотних систем сантіметрового діапазона отримують зазвичай вирубкою з листової міді. Після очищення поверхні вони в необхідній кількості збираються в пристосуваннях, що забезпечують їх точне взаємне розташування, і зварюються один з одним по оптимальному режиму при температурі 850oС. Цей режим забезпечує необхідну точність систем аж до середньої частини міліметрового діапазону. У зоні з'єднання зберігається, як правило, межа розділу, але її ширина такого ж порядку, що і звичайна межзеренное межа. У той же час ДС міді при температурах вище 800oС і питомих тисках більше 5 МПа призводить до пластичної деформації деталей порядку десятих часток — одиниць відсотків. Високочастотні системи міліметрового і субміліметрового діапазонів відрізняються мініатюрністю і високою точністю. Ширина ламелей анодних блоків доходить до 0,2 мм. Ще більш ажурні дрібноструктурні уповільнюють системи, поперечні розміри їх штирів складають десятки мікрон. Заготовки для цих систем отримують прецизійної електроіскровий обробкою, фотогравірованіем або фотоосажденіем. В цих діапазонах навіть незначні деформації систем, вимірювані одиницями мікрон, істотно погіршують параметри приладів. Тому проблема дифузійного зварювання (ДС) з повним збереженням вихідних розмірів деталей при задовільній міцності (пластичності) з'єднань є досить актуальною для електронної промисловості. У відповідності з уявленнями про механізм і кінетику процесу ДС можна виділити наступні шляхи підвищення прецизійних з'єднання при ДС: підвищення класу чистоти обробки поверхонь; застосування прослоєв з пластичних матеріалів, в тому числі розплавляються при зварюванні, зварювання в надвисокому вакуумі. Зазначені прийоми в тій чи іншій мірі полегшують і прискорюють розвиток першій стадії ДС: очищення поверхонь від окисних і жирових плівок і розвиток їх фактичного контакту. Більш груба підготовка поверхонь збільшує час протікання першій стадії і загальну тривалість процесу зварювання і в кінцевому підсумку призводить до більшої пластичної деформації деталей. Це наочно ілюструють кінетичні криві міцності, отримані при зварюванні за одним режимом, але з різною чистотою обробки поверхні міді. Для розробки технологічного процесу, що гарантує отримання вакуумноплотних з'єднань, важливо визначити моменти, в які закінчується процес їх формування. Вважають, що при дифузійному зварюванні процес формування сполук металів з металами і металів з неметалевими матеріалами, що мають міцнісні і вакуумні властивості, ідентичні властивостям основного матеріалу, завершений, якщо в результаті дифузійного заліковування пор в контактній зоні стабілізується потік водню, що протікає через неї. Для експериментального дослідження кінетики формування з'єднань розроблений спеціальний метод активного контролю, що полягає в тому, що в процесі зварювання через контактну зону «продувається» потік газів із суміші гелію і водню, контрольований мас-спектрометром. Момент припинення потоку гелію через зону з'єднання відповідає початковому моменту досягнення вакуумної щільності (закриття наскрізних каналів), а стабілізація потоку водню — моменту завершення дифузійного взаємодії та формування з'єднання, ідентичного основному металу по вакуумній щільності і термостійкості. Про співвідношення технологічних параметрів, при яких мають місце ці моменти, можна судити по малюнку 10.4. Слід зазначити, що немає єдиної думки про оптимальних режимах дифузійного зварювання пар металів, найбільш поширених в електронній техніці, — мідь МБ + мідь МБ і мідь МБ + сталь Е. З використанням методів математичного планування експериментів, зокрема центрального композиційного ротатабельного уніформ-планування другого порядку, отримано регресійні рівняння, що дозволяють в широкому інтервалі параметрів розраховувати наперед задану міцність 0, 1? [МПа] (y1) і деформацію? [%] (у2) при контрольованому рівні вакуумної щільності: для з'єднання мідь МБ + МБ при Т = 700 … 900 oС: Застосування прокладки з більш м’якого матеріалу, ніж зварюваний, призводить до локалізації в ній пластичної деформації стиснення. Фактичний контакт утворюється при цьому переважно за рахунок активної деформації і повзучості матеріалу прокладки, що заповнює мікронерівності поверхонь, що з'єднуються, що істотно знижує мінімально необхідний рівень тиску стиснення і зміна форми деталей. При Д С високоточних вузлів міді застосовуються проміжні прошаруй золота або срібла. Срібло і тим більше золото володіють більш високою здатністю до релаксації напруг в умовах зварювання. Гідністю цих металів є також висока чистота поверхні, так як золото практично не окислюється, а оксиди срібла дисоціюють вже при нагріванні на повітрі. Дифузійна зварка виконується зазвичай через прослой золота 2−6 мкм, який гальванічно наноситься на одну з контактних поверхонь. При зварюванні порежіму ТСВ = 500oС, Р = 1 МПа, Т = 10 хв., V = л, 33×10−3 Па витримуються задані допуски в межах 5−10 мкм, з'єднання вакуумно-щільні, мають надійний тепловий та електричний контакти. Зварювання пакетованих конструкцій через прошаруй без них може успішно застосовуватися для виготовлення коаксіальних магнетронів зверненої конструкції, що уповільнюють систем типу «хвилеводу», «гребінки», «зустрічних пластин», «штир-кільце» та інших вузлів магнетронів, ламп біжучої хвилі, ламп зворотної хвилі. ДС мідних деталей проводиться також при виготовленні вузлів інших поширених джерел НВЧ-коливань: клістронів, що застосовуються в якості малошумящих генераторів, потужних підсилювачів і генераторів безперервного і імпульсної дії, помножувачів частоти. ДС забезпечує високу якість виготовлення резонаторів клістронів з бессеточная високочастотним зазором і з зазором, обмеженим сітками. В залежності від вимог до точності сіткових вузлів, їх жорсткості, матеріалу для їх з'єднання застосовуються режими ДС без прошарку або з прошарками. Останні застосовуються для з'єднання з сеткодержателямі мікросеток, так як найменші деформації деталей при зварюванні істотно впливають на робочу частоту приладів, а нерідко і на їх вихідну потужність. ДС через тонкі прошаруй золота, срібла і нерозплавленому припоїв на їх основі дозволяє отримати з'єднання з залишковими деформаціями не вище 0,1% і зберегти первісну прозорість сіток. На відміну від пайки, після зварювання не змінюються поверхневі властивості сіток і виключено натікання металу на перемички. Застосування розплавляється прослоєв перспективно для ДС однорідних і різнорідних металевих матеріалів при отриманні високоміцних прецизійних з'єднань. Якщо зварювання міді через тонкий прошарок срібла виконується при температурі, дещо перевищує Тпл евтектики Ag-Cu (але залишається нижче температури плавлення срібла), то розвивається процес контактно-реактивного плавлення. Така технологія по суті аналогічна контактно-реактивного пайку, але при ДС зберігається можливість в широкому діапазоні змінювати тиск стиснення деталей і тим самим впливати на фізико-хімічні процеси, що протікають в контакті. Особливістю кінетики цих процесів є те, що рідка фаза виникає після утворення фактичного контакту поверхонь і хімічної взаємодії між ними. Високоміцні, термостійкі з'єднання виходять після повного розчинення рідкої прошарку в основному матеріалі. Кількісні оцінки тривалості цього процесу вельми прібліженни, так як при зварюванні відбувається часткове видавлювання рідкої фази з стику, і це ускладнює визначення її реальної товщини. Срібло володіє обмеженою розчинністю в міді (не більше 8%), тому товщина його шару повинна бути невеликою. Експерименти по ДС та досвід пайки показали, що оптимальною є товщина гальванічно обложеного на мідь шару срібла 4−7 мкм. При температурі процесу 800oС (V = 1, ЗЗх10−2 Па) равнопрочность з'єднання досягається при часі зварювання 25−30 хв. і тиску стиснення 4 МПа. При зниженні тиску стиснення міцність з'єднання дещо падає. Але і після зварювання за наведеним режиму (РСВ = 4 МПа) залишкова деформація деталей не перевищує 0,1%, що дозволяє рекомендувати таку технологію для отримання не тільки прецизійних з'єднань міді, але і її поєднань з нікелем, підступний, сталями. Зварку мініатюрних вузлів переважно слід вести на установках з радіаційним нагрівом, які забезпечують рівномірний розігрів всього пакету деталей. При використанні установок з індукційним нагріванням необхідне застосування спеціальних екранів. Матеріал екрану повинен бути достатньо тугоплавким і високопроніцаемого для електромагнітного поля. Найбільш широке застосування знаходить графіт, наближається за своїми характеристиками до абсолютно чорного тіла. В якості матеріалу екранів можуть застосовуватися також молібден і інші матеріали. Зварювання можна вести в звичайних вакуумних або водневих печах. Зусилля зварювання забезпечується в цьому випадку вантажем відповідної величини, що поміщається на шток пристосування, або за рахунок різниці температурних коефіцієнтів лінійного розширення зварюваних деталей і пристосування. На малюнку 10,6 показано одномісне пристосування. Зварювальне тиск забезпечується вантажем (2) і повзуном (1) і передається через шток (3) на мікросіткою (4) і сеткодержатель (5). Для підвищення продуктивності зварювання різних вузлів приладів виконується зазвичай в багатомісних пристосуваннях складала в середньому 4 * 108 Па. Зварювання натурних деталей зазвичай проводилася при чистоті обробки поверхонь Ra = 1,25−0,64 в режимі ТСВ = 1 000oС, РСВ = 1,5 * 107 Па, Т = 10 хв., Вакуум не менше 1,33 * 10−2 Па. Процес можна успішно вести в середовищі водню з точкою роси-40oС. Залишкова деформація деталей при цьому не перевищує 0,5%. Більш тривала ізотермічна витримка при температурі зварювання призводить до деякого зниження міцності з'єднання, що, мабуть, обумовлено розвитком рекрісталлізаціонний процесів, що призводять до зняття наклепу та знеміцнення металу в зоні з'єднання. Прикладом Д С натурних конструкцій з нікелю є технологія виготовлення керна оксидного катода водневого тиратрона, зварюваного в спеціальному пристосуванні. Пристосування складається з корпусу, кілець, притискного диска і мідної прокладки, необхідної для більш рівномірної передачі тиску. Для запобігання схоплювання при зварці вводиться проміжна прокладка з збезводненої слюди. Зварювання малогабаритних катодних вузлів з нікелевих сплавів може здійснюватися в багатомісних пристосуваннях із створенням зварювального тиску за рахунок відмінності ТКЛР. Електротехнічні нікелеві сплави типу монель-метал і константам, що містять у своєму складі, крім нікелю, залізо і мідь, також не мають на поверхні термодинамічно стійкою окисної плівки. Технологія і режими їх зварювання не відрізняються істотно від зварювання чистого нікелю. Значно важче зварювати ніхроми — жароміцні сплави на нікелевій основі. Наявність в сплаві хрому і таких легуючих елементів, як титан і алюміній, обумовлює хімічну стійкість плівки окислів на їх поверхні. Найбільш ефективна ДС ніхрому через проміжний шар нікелевої фольги (? = 13 мкм) або прослой сплаву нікелю з 2% берилію. Міцність одержуваних сполук досягає 90% міцності основного матеріалу. Зварювання алюмінію і його сплавів. Алюміній за обсягом виробництва посідає друге місце після заліза. Його найбільш характерні властивості - невелика щільність (2700 кг/м3) і низька температура плавлення (933 К). В якості основних легуючих елементів для алюмінію використовують магній, марганець, кремній і мідь. Основним ускладненням ДС алюмінію і його сплавів є висока активність до кисню та наявність на поверхні термодинамічно міцної оксидної плівки, а при з'єднанні з багатьма іншими металами також утворення тендітних інтерметалідів. При зварюванні алюмінію і його сплавів особливе місце відводиться хімічній обробці поверхонь перед зварюванням. Оксидна плівка може віддалятися травленням (розчин лугу для алюмінію, ортофосфорна кислота для сплавів АМг і АМц з подальшим висвітленням в азотній кислоті) або зачищають металевою щіткою. Доцільно після очищення від оксидів зварювані поверхні алюмінієвих деталей покривати смолами, лаками та полімерами на основі стиролу, що розкладаються без залишку при нагріванні у вакуумі. Зварювання алюмінію і його сплавів виконують при температурі 773−873 К. В однорідному поєднанні ці матеріали з'єднують ДС вкрай рідко. Зазвичай зварюють алюміній і його сплави в різнорідному поєднанні. При взаємодії алюмінію з залізом утворюється ряд інтерметалідів, охрупчиваются з'єднання, тому процеси взаємодії металів в стику повинні строго контролюватися. Ця небезпека виникає при зварюванні алюмінію АДО зі сталлю 12Х18Н10Т. Міцні та надійні з'єднання алюмінію із сталлю можна отримати, використовуючи проміжні прокладки, що наносяться на сталеві деталі гальванічним або хімічним способом, напиленням у вакуумі або іншими способами. Мінімальну ширину шару інтерметалідів отримують у разі застосування прокладок з цинку, срібла, міді, нікелю, які запобігають або сповільнюють утворення інтерметалідів. Так, сплав АМЦ і алюміній з'єднують зі сталлю 20, сталлю СтЗ, сталлю 15, армко-залізом через нікелеву прокладку, яку наносять на сталеву деталь через подслой міді. Зварювання в вакуумі зі ступенем 10−1 Па при Т = 823 К, р = 12−15 МПа, Т = 2 хв. забезпечує равнопрочность з'єднань з алюмінієм і сплавом АМц відповідно. Зварку сталі з алюмінієм виконують також із застосуванням комбінованих покриттів стали: мідно-цинкового, нікель-цинкового (4−6 мкм міді або нікелю і 30−40 мкм цинку) і срібно-цинкового. При цьому в з'єднанні утворюється прошарок складного складу меншої товщини і твердості. Сплави АМг з'єднують зі сталлю через прокладку алюмінію, який в свою чергу зварюють зі сталлю з представленими вище покриттями. Зварювання алюмінію і його сплавів з вуглецевими, високолегованої сталі, підступний з меднением поверхні сталевої деталі або іншими прокладками виконується у вакуумі зі ступенем 10−1-10−2 Па при температурі 773−823 К і тиску 5−15 МПа протягом Т < 30 хв. в залежності від фізико-механічних властивостей алюмінієвих сплавів. У тих же межах змінюються параметри режиму дифузійного зварювання алюмінію з хімічно активними і тугоплавкими металами. Іноді застосовують нікелеві прокладки. Алюмінієві сплави зварюють з тугоплавкими металами через алюмінієві прокладки. Залізо застосовується в електронній техніці лише найбільш чистих сортів — марок, А і Е. З сортів магнітномягкого матеріалу виготовляють складові полюсні наконечники, вкладиші, кришки, оболонки електровакуумних приладів. Стійкість по відношенню до ртуті робить сплав армко незамінним матеріалом при виготовленні катодів ртутнонаполненних приладів. Вакуумна щільність деталей з низьковуглецевих сталей істотно залежить від текстури матеріалу, що робить можливим натікання газів в прилад через основний матеріал. Для зниження цього небажаного ефекту пред’являються спеціальні вимоги до конструювання з'єднань з урахуванням текстури матеріалу або застосовуються стали вакуумної плавки. Зварювання титану і його сплавів [6].

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой