1 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Методы контроля диффузионной сварки

Содержание

Технология диффузионной сварки металлов

Физическое явление диффузии известно из школьной программы. Эффект взаимного молекулярного перемешивания двух сред с образованием единой однородной структуры использовал Казаков при изобретении уникального способа соединения металлов. Диффузионная сварка позволяет сваривать элементы разнородной структуры, например, сплавы с различными физико-химическими свойствами, металлы и неметаллы. Процесс соединения предполагает создание условий, ускоряющих процесс диффузии.

Технология диффузионной сварки

При использовании вакуума металлы и неметаллы размягчаются при температуре ниже точки плавления, понижающий коэффициент – 0,5–0,7. В результате соединения получаются композитные материалы с набором специфических свойств. На основе сочетания вакуумирования и давления была создана уникальная технология сварки методом принудительной диффузии. Термический процесс взаимодействия происходит в разреженной среде (до 10 -5 мм.рт. столба).

Диффузионной сваркой металлов детали соединяют так же, как при других способах сваривания:

Соединения получаются ровными, прочными, без грубого шва. Разделения сред не видно. Изотермический процесс протекает в замкнутом пространстве. Параметры создаваемых для диффузии условий зависят от свойств соединяемых материалов, они поддаются корректировке. Сроки сварки зависят от размера деталей, их физических характеристик. Для соединения иногда требуются секунды, в других случаях – часы. Габариты свариваемых деталей ограничены размером вакуумной камеры (сварочной установки).

Основные технологические схемы:

  1. С постоянным характером прикладывания нагрузки, которая ниже пределов текучести. Процесс диффузии схож с эффектом ползучести. Этот метод получил наибольшее распространение за счет простоты технологии.
  2. С динамичной нагрузкой, изменяющейся по направлению давления на соединяемые детали. Создается эффект пластической деформации в месте стыка за счет создания напряжения, превышающего предел текучести. Этот метод получил название диффузионной сварки с принудительной деформацией.

Для диффузного скрепления используются дополнительные подслои, они:

  • снижают барьерную границу основных слоев, увеличивают объем взаимодиффузии;
  • увеличивают прочность соединений;
  • снижают остаточные напряжения при структурной деформации соединяемых деталей;
  • позволяют снизить температуру в рабочей зоне и давление сжатия.

Обычная величина подслоя – от 2 до 7 микромикрон. Для некоторых соединений применяется фольга:

Подслой выбирается по параметрам коэффициента диффузии основных деталей. У подслоя они ниже. При соединении металлов и неметаллов металлы предварительно окисляют или сульфидируют для ускорения процесса взаимодиффузии соединяемых элементов. Оксидный или сульфидный слой выполняет функцию подслоя.

Область применения

Метод диффузионной сварки в вакууме применяют для соединения:

  • металлических разнородных деталей, например, стального сплава с бронзовым, алюминия и тугоплавкого ванадия;
  • композитных соединений с танталом, ниобием, танталом, вольфрамом;
  • полимеров, имеющих разные температуры плавления;
  • пористых составов со слоистыми, получаются элементы сложной текстуры;
  • однородных и многокомпонентных полупроводников;
  • силикатов (кварц, стекло) с металлами;
  • жестких углеводородов (графит и сапфир) со сплавами;
  • стекла с ферритами и металлами;
  • графита со сталью.

Метод диффузионной сварки применяется:

  • при сваривании деталей, крепеж которых другими стандартными способами исключен, например, тугоплавкие сплавы традиционными методами сваривания соединить невозможно;
  • в электронике, где требуются высокоточные соединения (с помощью вакуумных установок создают полупроводниковые элементы с различными пропускными характеристиками, чувствительные датчики);
  • для сварки гильз цилиндров двигателей внутреннего сгорания и дизелей;
  • при изготовлении металлокерамических деталей, зубных протезов;
  • для получения сложных композитных материалов на основе изомеров графита, оксида кремния, сапфиров, элементов повышенной твердости;
  • при производстве тормозных дисков и колодок с высокими эксплуатационными характеристиками.
Читать еще:  Арочные откосы на окнах из гипсокартона своими руками

Области применения диффузионной сварки обширны: от тяжелого машиностроения до космонавтики и кибернетики.

Оборудование

По сути, любая установка – это сварочный стенд с гидравлическим усилителем, расположенный в вакуумной камере. Основные элементы сварочного оборудования (диффузной установки):

  • рабочая камера для создания вакуума, она создается из прочных упругих металлов, выдерживающих большое давление;
  • вакуумный насос;
  • мягкий уплотнитель, упирающийся в подставку, изолирующий разряженное пространство;
  • подставки для соединяемых элементов (станины);
  • подвижный крепеж камеры, дающий свободу перемещения камеры по поверхности подставки;
  • сжимающее устройство, обеспечивающее сжатие соединяемых деталей;
  • генератор вкупе с индуктором, создающий необходимый температурный режим в зоне сварки;
  • система активного охлаждения для равномерного охлаждения деталей.

Неразъемное сцепление, получаемое в такой установке, отличается долговечностью, прочностью, аккуратностью.

Достоинства

Высокотехнологичный метод соединения разнородных материалов обладает рядом преимуществ перед традиционными видами сварки:

  • нет видимого шва, соединение получается однородным, с неразличимо границей разнородных сред;
  • высокая точность стыка элементов (до микрон);
  • возможность получения разнородных деталей любой геометрии с заданными свойствами;
  • соединение элементов, не поддающихся традиционному скреплению;
  • низкие энергозатраты;
  • простота сварки – не используются припои, флюсы, присадки;
  • отсутствие вредных выбросов в атмосферу;
  • высокая прочность молекулярного сцепления.

Недостатки

Возможности диффузного метода создания композитных деталей ограничены размерами сварочной установки, вернее, вакуумной камеры. Сложность элементов оборудования, большая масса снижают мобильность установки. Затраты на эксплуатацию, высокая базовая стоимость, расходы на обслуживание установки несопоставимы с накладными расходами традиционной сварки – низкая рентабельность препятствую массовому распространению прогрессивного метода.

Сложное оборудование, исключающее вакуумную камеру, насосы, гидравлический усилитель, многое другое нельзя сделать своими руками. Технические сложности производства установок вкупе с затратами ограничивают область применения метода диффузионной сварки высокотехнологичными отраслями промышленности. Метод диффузной сварки применяется только там, где ему нет аналогичной замены: в робототехнике, приборостроении, где требуются металлокерамические детали, композитные элементы, катодные узлы, сложные полупроводниковые переходы.

Диффузионная сварка металлов в вакууме. Её сущность, технология, применение. Установка и другое оборудование для сварки

Содержание

Сущность и определение диффузионной сварки

Диффузионная сварка металлов представляет собой вид сварки давлением с применением нагрева, при которой сваривание получается за счёт взаимной диффузии атомов соединяемых деталей.

Сваривание происходит за счёт пластической деформации кромок при температуре ниже температуры плавления, т.е. в твёрдом состоянии. Нагрев может происходить с применением многих известных источников тепла. Наиболее часто на практике применяются индукционный, радиационный, электронно-лучевой способ нагрева, нагрев электрическим током, тлеющим разрядом и нагрев в расплаве солей.

В большинстве случаев, диффузионную сварку выполняют в вакууме, но на практике её можно провести в среде защитных газов, восстановительных газов, или в их смеси. Если свариваются металлы, мало подверженные к воздействию кислорода, то процесс возможен даже на воздухе.

Область применения диффузионной сварки

Приборостроение

В современных приборах зачастую используются узлы и элементы, изготовленные из разнородных материалов, в том числе и неметаллических (керамика, стекло и пр.) Технологические особенности диффузионной сварки позволяют использовать её для производства металлокерамических и катодных узлов, полупроводниковых соединений. При этом существуют специальные конвейерные системы для диффузионной сварки, которые позволяют с высокой степень автоматизировать процесс сварки в условиях непрерывного круглосуточного производства.

Крупногабаритные заготовки и полуфабрикаты

Диффузионная сварка хорошо подходит для производства крупногабаритных заготовок, имеющих сложную конфигурацию, которые невозможно получить механической обработкой, литьём или штамповкой. Или же если получение этими методами экономически нецелесообразно. Диффузионная сварка существенно повышает коэффициент использования металла (КИМ) заготовок, а в ряде случаев, заготовки и вовсе невозможно получить другими способами сварки. Наиболее эффективно применение диффузионной сварки в опытном, единичном и мелкосерийном производстве.

Читать еще:  Сарай с верандой и двускатной крышей

Производство композитных листов

С помощью диффузионной сварки можно изготовить большие заготовки значительной толщины, из которых, в последующем, прокаткой получить слоистые композиционные листы.

Совмещение сварки с процессом формообразования

Тонкостенные конструкции из множества слоёв с наполнителем (типа гофры, соты, рёбра, панели и др.) можно получить, если совместить процессы диффузионной сварки и формообразования в режиме сверхпластичности.

Для этого сначала листовые элементы сложно панели или другой конструкции сваривают в плоские пакеты. Для этого, до начала сборки пакета на листы наносят барьерное покрытие. Далее пакет герметизируют по всему периметру, создают вакуум и запускают процесс сварки.

После этого во внутреннюю полость подают жидкость или газ под давлением, которые раздувают заготовку и она принимает форму внутренней поверхности матрицы. Подробная схема этого процесса представлена на рисунке:

Схемы процесса диффузионной сварки

На практике применяют две технологические схемы процесса диффузионной сварки, которые различаются характером действия силы или напряжения.

В одной схеме используют постоянную нагрузку (рисунок а) слева), величина которой меньше предела текучести материала. При таком процессе в металле аналогичны ползучести. Эта технология получила название диффузионной сварки по схеме свободного деформирования. Это наиболее распространённый способ сварки, т.к. его осуществить проще всего.

По другой схеме (рисунок б) слева) пластическая деформация происходит посредством специального устройства, которое в процессе сварки двигается с регулируемой скоростью. Эта технология получила название диффузионной сварки по схеме принудительного деформирования.

Преимущества и недостатки процесса диффузионной сварки

Преимущества

1. С помощью данного способа сварки относительно легко получить сварные соединения большинства конструкционных материалов: металлов и сплавов на их основе.

2. Диффузионной сваркой можно сваривать как однородные, таки разнородные материалы, включая материалы с сильно отличающимися свойствами (например, металл и керамику).

3. Если соединяются однородные материалы, то по своей структуре и свойствам сварное соединение не отличается от основного металла.

4. Одной из особенностей диффузионной сварки является возможность ограничения общей деформации свариваемых кромок. При необходимости, это позволяет получить высокоточные (прецизионные) соединения, не требующие последующей механической обработки.

5. При использовании схемы принудительного деформирования цикл сварки можно ограничить или прекратить в любой момент.

6. Для управления структурой и свойствами сварного соединения могут применяться принципы термомеханической обработки, объединённые с циклом сварки. Особенно при схеме с принудительной деформацией.

7. При изготовлении многослойных тонкостенных конструкций с наполнителем сложной формы (гофры, соты, рёбра и т.п.) можно совмещать процессы диффузионной сварки и формообразования в режиме сверхпластичности. Это хорошо подходит для титановых или алюминиевых сплавов.

8. В серийном производстве возможна многослойная сварка простых изделий (пакетная сварка), при этом процесс сварки легко автоматизировать, получая высокую производительность.

9. Диффузионную сварку можно использовать для производства полуфабрикатов и заготовок для последующей обработки.

10. Этот способ сварки позволяет получить объёмные заготовки сложной конфигурации и получить существенную экономию материала по сравнению с другими способами получения подобных заготовок.

Недостатки

1. В большинстве случаев производительность сварки достаточно низкая из-за того, что сам процесс её довольно длительный.

2. Сварочное оборудование (особенно для диффузионной сварки в вакууме, а не в защитной среде) достаточно сложное, как и вся технологическая оснастка. Кроме того, оно подвергается одновременному нагреванию и нагрузке, что предъявляет высокие требования к технологическому уровню производства.

3. Габариты получаемых изделий ограничены типом применяемого сварочного оборудования.

4. Высокие требования к качеству соединяемых поверхностей делают дорогим процесс диффузионной сварки.

5. Применяемые на практике методы неразрушающего контроля сварных швов малоэффективны для соединений, полученных диффузионной сваркой.

Технология диффузионной сварки металлов

Типы и конструкция получаемых соединений

С помощью диффузионной сварки можно получить практически все виды соединений, применяемых на практике. При этом главным требованием является обеспечение плотного прилегания свариваемых участков по всей плоскости касания.

Читать еще:  Австрийские шторы своими руками на балкон

В случае повышенных требований к сварному соединению после сварки применяют механическую обработку для удаления дефектов в сварном соединении (непроваров). Или для получения более надёжной геометрии в тавровых и угловых соединениях (например, для получения радиуса скругления в углу, тем самым, уменьшив концентратор напряжений).

Подготовка свариваемых участков

Свариваемые участки подготавливают обычно при помощи механической обработки, при этом их шероховатость должна быть Ra

Диффузионная сварка: что невозможно в обычных условиях, достигается в вакуумном пространстве

Нагрев плотно прижатых отполированных поверхностей в вакууме до достижения диффузии атомов в соединяемых поверхностях, называется диффузионной сваркой. Обеспечивает прочное соединение плоскостей не только однородных, но и 560 разнородных материалов, не поддающихся соединению другим способом.

ГОСТ, определяющий техпроцесс и требования к нему

Технологию и процессы регламентирует разработанный в 1975 году ГОСТ 20549-75. Полное название: «Диффузионная сварка рабочих элементов разделительных и формообразующих штампов. Типовой технологический процесс». Позже срок действия ГОСТ продлевали в 1980, 1990 годах, действителен и сегодня. Там описаны:

  • порядок действий;
  • схема техпроцесса;
  • контроль качества;
  • необходимые меры безопасности;
  • параметры рабочих установок.

Области применения

Этот вид сварки применяется там, где другие неэффективны, дороги и нет нужного качества соединения:

Преимущества и недостатки технологии

К преимуществам рассматриваемого метода относят:

  • качественное соединение разнородных материалов;
  • минимальная деформация свариваемых плоскостей, что освобождает от необходимости механической обработки шва;
  • многослойная сварка и автоматизация работ при организации крупносерийного производства;
  • возможность совмещения диффузионной сварки и формообразования при изготовлении многослойных тонкостенных конструкций сложной формы;
  • при соединении однородных материалов атомная структура шва идентична структуре детали;
  • отсутствие вредных паров, что исключает потребность в сложной системе вентиляции;
  • минимум вредных для человека выделений и излучений.

К недостаткам относят:

  • сложность оборудования и особенные требования к технологическому уровню производства;
  • высокая себестоимость работ;
  • невозможность применения для проверки качества шва методов неразрушающего контроля.

Метод диффузионной сварки

Сваривание происходит за счёт пластической деформации кромок ниже температуры плавления, в твёрдом состоянии. Способы нагрева:

  • индукционный;
  • радиационный;
  • электронно-лучевой;
  • электрическим током;
  • тлеющим разрядом;
  • нагрев в расплаве солей.

Процесс идёт в вакууме, нейтральных и восстановительных газах, жидких средах. Чистота и качество шва зависит от того, насколько хорошо очищены места соединения. Очищают растворителями или путём нагрева и выдержки в вакуумной камере.

Технология, время выдержки и температуры разгерметизации

Детали с механически обработанными и обезжиренными свариваемыми поверхностями устанавливают в центрирующем приспособлении вакуумной камеры. Откачивают воздух. Когда достигается вакуум, включают высокочастотный генератор. Детали в зоне сварки нагреваются с помощью индуктора. За время нагрева поверхности заготовок очищаются от окисных плёнок. При достижении температуры на изделия давит поршень гидросистемы. Нагрузку подают до конца процесса. После этого узел сварки постепенно, с заданной скоростью охлаждается до определённой температуры.

Герметизацию камеры прекращают, сваривая:

  • чёрные металлы – при 60 ̊C.
  • цветные металлы и сплавы – при 120 ̊C.

Время выдержки зависит от силы нагрева и давления, использованных в ходе работ.

Способы

Диффузионная сварка с применением промежуточных слоёв делается:

Промежуточные подкладки подразделяются на плавящиеся и неплавящиеся. Коэффициент диффузии атомов барьерной подкладки в основной металл должен быть выше, чем для элементов металла в прокладку. Её материал выбирают исходя из поставленной задачи. Чаще это никель, медь, серебро, золото.

Расплавляющимися промежуточными слоями часто выступают высокотемпературные припои. Это уменьшает пластическую деформацию и повышает качество шва.

Установка и оборудование

Сварочная диффузионная установка состоит:

  • из вакуумной камеры;
  • из механизма нагнетания рабочего давления;
  • из источника нагрева;
  • из аппаратуры управления и контроля.

В вакуумной камере прямоугольной или цилиндрической формы размещён механизм давления, нагревательные элементы и приспособление для крепления свариваемых деталей. В стенках – система водяного охлаждения.

Обычно установка содержит одну камеру, но для повышения производительности выпускают и с несколькими для непрерывной загрузки и выгрузки изделий.

Источники:

http://svarkaprosto.ru/tehnologii/tehnologiya-diffuzionnoj-svarki
http://taina-svarki.ru/sposoby-svarki/svarka-davleniem/diffuzionnaya-svarka-metallov-v-vakuume.php
http://elsvarkin.ru/texnologiya/vidy/diffuzionnaa/

Ссылка на основную публикацию
Статьи c упоминанием слов:

Adblock
detector