Диффузионная сварка

Диффузионная сварка осуществляется в твердом со­стоянии металла при повышенных температурах с прило­жением сдавливающего усилия к месту сварки. Процесс сварки металла в твердом состоянии при повышенных температурах принципиально протекает так же, как и при холодной сварке. В начальной стадии процесса на линии раздела двух деталей создаются условия для обра­зования металлических связей. Из теории образования сварного соединения при холодной сварке известно, что для возникновения на линии раздела металлических связей необходимо обеспечить тесный контакт сваривае­мых поверхностей и создать условия для удаления по­верхностных пленок окислов, жидкостей, газов и различ­ного рода загрязнений [7, с. 46–56].

Использование повышенных температур при диффу­зионной сварке приводит к уменьшению сопротивления металла пластическим деформациям. Вследствие этого имеющиеся в зоне действительного контакта выступы на металле деформируются при значительно меньших на­грузках, что облегчает сближение атомов металла на всей площади свариваемой поверхности.

Удаление поверхностных пленок и предупреждение возможности образования их в процессе сварки дости­гается использованием вакуумной защиты и тщательной предварительной зачисткой свариваемых поверхностей.

Таким образом, первая стадия процесса диффузионной сварки, так же как и холодной сварки, основана на обра­зовании металлических связей на свариваемых поверхностях металлов при нагревании их в вакууме с приме­нением сдавливающего усилия. На второй стадии про­цесса диффузионной сварки происходят процессы взаим­ной диффузии атомов свариваемых металлов. Эти про­цессы приводят к образованию промежуточных слоев, увеличивающих прочность сварного соединения. Однако в некоторых случаях образование промежуточных слоев нежелательно.

Схема процесса диффузионной сварки в вакууме пред­ставлена на рис. 9.1. В вакуумной охлаждаемой камере 1 размещают свариваемое изделие 2 и нагреватель 3. Для сдавливания деталей в процессе сварки используют меха­низм сжатия, состоящий из штока 5 и механизма нагружения 6, шток проходит через вакуумное уплотнение или сильфон 4.

Сварка происходит в вакууме 10^–3– 10^–5 мм рт. ст. (133·10^–3 – 10^–5 Н/м²).

После откачки из камеры воздуха изделие нагревают обычно т. в. ч. до температуры сварки. Для получения качественного соединения необходимо обеспечить равно­мерный нагрев свариваемого изделия по всему сечению.

Усилие сжатия прикладывают после выравнивания температуры и поддерживают постоянным в течение всего процесса. Известны также технологические приемы с ме­няющимся давлением в процессе сварки. Продолжи­тельность выдержки под нагрузкой зависит от свойств свариваемого металла, величины давления и других факторов и может достигать десятков минут.

	Рис. 9.1 – Схема установки для диффузионной сварки в вакууме

Давление также зависит от свойств металла, температуры сварки и других факторов и изменяется от 0,3 до 10 кгс/мм² (2,9–98 МН/м²). Обычно при охлаждении деталей сжи­мающее усилие снимают при достижении температуры 100–400^оС (373–673 К). Преждевременное снятие сжи­мающего усилия при охлаждении деталей в некоторых случаях приводит к разрушению сварного соединения.

Температура нагрева соединяемых деталей в диапазоне 800–1100°С (1073 – 1373 К) влияет на прочность соединения из стали Ст. 50 при раз­личных давлениях. Так, при продолжительности сварки 5 мин, разрежении 10^-3 мм рт. ст. (133·10^-3 Н/м²) и увеличении температуры с 800 до 900 °С (с 1073 до 1173 К) прочность соединения увеличивается в 2 раза, а при повышении температуры до 1100 °С (1373 К) – в 3 раза. В несколько меньшей степени температура ока­зывает влияние при давлении 1 кгс/мм² (9,8 МН/м²). При давлении 2 и 5 кгс/мм² (19,6 и 49,0 МН/м²) проч­ность соединения увеличивается лишь до темпера­туры 1000 ^оС (1273 К). При температуре 1100 °С (1373 К) наблюдается незначительное уменьшение прочности сое­динения.

При увеличении давления от 0,5 до 2 кгс/мм² (от 4,9 до 19,6 МН/м²) прочность соединения значительно растет для 800, 900, 1000, 1100^оС (1073, 1173, 1273, 1373 К).

Дальнейшее увеличение давления от 2 до 5 кгс/мм² (от 19,6 до 49,0 МН/м²) сказывается незначительно на прочности соединения. Изменение прочности соединения при увеличении давления до 2 кгс/мм² (19,6 МН/м²) и выше можно объяснить главным образом увеличением площади фактического контакта между соединяемыми поверхностями.

Повышение температуры при постоянной продолжи­тельности сварки и прочих равных условиях увеличивает прочность соединения. Продолжительность сварки ана­логично влияет на все прочностные характеристики.

С увеличением продолжительности сварки прочность сварного соединения растет, увеличение продол­жительности сварки сверх оптимального практически не влияет на прочность сварного соединения. Однако чрезмерное увеличение выдержки приводит даже к сни­жению прочности сварного соединения. Аналогичным образом влияет продолжительность процесса на пластич­ность, относительное удлинение и ударную вязкость.

Важное значение для проведения диффузионной сварки имеет степень разрежения в вакуумной камере. При температуре 1000° С (1273 К), р = 2 кгс/мм² (19,6 МН/м²), t = 5 мин прочность соединения значительно возрастает с повышением разрежения до 10^-1 мм рт. ст. (133·10^-1 Н/м²), при дальнейшем повышении разрежения имеет место лишь незначительное увеличение прочности зоны сварки.

Способы подготовки и обработки поверхностей сва­риваемых деталей оказывают большое влияние на проч­ность соединения при диффузионной сварке в вакууме. При черновой обработке давление недостаточно для обеспечения высокой прочности сварного соедине­ния.

Сварочные установки. Сварочные диффузионные уста­новки имеют следующие основные узлы: сварочную камеру, вакуумную систему, механизм давления, приво­димый в действие гидравлическим насосом, пульт управ­ления электрической и вакуумной системами.

Величину давления контролируют манометром. Для уменьшения нагрева стенок сварочной камеры на ней имеется водяная рубашка и охлаждаемый промежуточный шток. В ка­честве источника нагрева в установках обычно исполь­зуют генератор т. в. ч.

На рис. 9.2 представлена вакуумная система уста­новки СДВУ-6М, которая состоит из сварочной камеры 1 с вентилем 2 для пуска воздуха. К камере через высоко­вакуумный затвор 3 присоединен паромасляный насос 4.

Предварительное разрежение в системе создается двумя механическими вакуумными насосами 6, которые могут работать как последовательно, так и параллельно, что обеспечивается переключением вентиля. 9 и других ва­куумных вентилей 10.

Механические насосы подключают к вакуумпроводам 8 через сильфонные компенсаторы 7. Разрежение в сварочной камере и в патрубке паромасляного насоса замеряется вакуумметрическими датчи­ками 5.

Для сварки деталей и узлов электровакуумных при­боров используют установку А306-04, позволяющую сва­ривать в вакууме и контролируемой атмосфере при на­греве деталей с помощью т. в. ч. с одновременным прижа­тием соприкасающихся поверхностей свариваемых де­талей.

Рабочая камера имеет диаметр 350 мм и высоту 440 мм. На установке можно сваривать изделия диаметром до 120 мм, высотой до 180 мм.

Усилие сжатия сва­риваемых деталей достигает 10 тс (198 кН). Максимальная температура нагрева свариваемых деталей 1300 °С (1573 К). Продолжительность сварки регулируют ступенчато в пре­делах 22–25 мин. Остаточное давление воздуха в ка­мере 2·10^-4 мм рт. ст. (266,6·10^-4 Н/м²). Воздух из ра­бочей камеры откачивается вакуумными насосами ВН-2 и Н5С.

На рис. 9.3 показана двухпозиционная уста­новка А306-06, которая предназначена для диффузион­ной сварки металлических и металлокерамических узлов электровакуумных приборов в вакууме.

Установка со­стоит из двух блоков, работающих независимо друг от друга. В каждый блок входит вакуумная камера, система откачки, механизм перемещения дна камеры, гидравлическая система, система охлаждения и электроаппара­тура, управляющая работой всех узлов.

Механизм сжатия свариваемых деталей – гидравли­ческий с широким диапазоном изменения силы сжатия. Электрическая схема установки обеспечивает дистанцион­ное управление откачкой вакуумных камер, механизмами перемещения дна камер, системой охлаждения. Система откачки, вакуумных камер снабжения электромагнитными вакуумными кранами. Температура нагрева свариваемых деталей поддерживается электронным терморегулятором. Продолжительность сварки задается электронным реле времени.

В отличие от установки типа А306-04 установка А306-06 имеет две рабочие камеры. Это позволяет повысить коэф­фициент использования высокочастотного генератора и производительность установки.

Основные технические данные установки типа А306-06 аналогичны данным установки А306-04.

Опыт показывает, что диффузионная сварка в вакууме в ряде случаев имеет определенные преимущества. При сварке этим способом металл не доводится до расплавле­ния, что в некоторых случаях дает возможность получить более прочные соединения. Изделия, выполненные диф­фузионной сваркой, обладают высокой точностью раз­меров.

Преимущества этого способа состоят также и в том, что он позволяет сваривать разнообразные материалы: например сталь с алюминием, вольфрамом, титаном, металлокерамикой, молибденом; медь с алюминием и титаном; титан с платиной и т. п. Этот способ нашел применение на ряде промышленных предприятий радио­электротехники, электронной техники, приборостроения.

Детали и узлы вакуумных приборов сваривают в спе­циальных многопозиционных приспособлениях или оп­равках из стали 12Х18Н9Т. Приспособления и оправки после их изготовления отжигают во влажном водороде при температуре 900–1000 °С (1173–1273 К), чтобы получить на поверхности термостойкие пленки окиси хрома. Такая пленка исключает возможность сварки детали с приспособлением или оправкой. С этой же целью в некоторых случаях в качестве прокладки между оправкой и деталью используют обезвоженную слюду и керамику.

На рис. 9.4 показаны катод и его детали. Диффузион­ной сваркой соединены основания катода 1 с рубашкой 3 и диском 4. За один цикл сваривали восемь катодов.

Диффузионная сварка позволяет сваривать заготовки для получения биметаллических листов, состоящих из двух медных дисков, между которыми расположен диск из константана. На установке за одну загрузку свари­вают 10 – 15 дисков.

Чтобы избежать приварки биметал­лических дисков к прижимным оправкам и между собой, их разделяли прокладками из обезвоженной слюды. После диффузионной сварки из дисков прокаткой изго­товляли фольгу, из которой штамповали мембраны для механизмов настройки приборов.

Диффузионная сварка может быть использована для соединения неметаллических материалов. Изготовлены сварные высокотемпературные нагреватели из дисилицид-молибдена для электропечей сопротивления, рабо­тающих в окислительной атмосфере при температуре до 1650 °С (1923 К).

Диффузионная сварка в вакууме найдет применение в первую очередь для деталей относительно небольших размеров, предназначенных для работы в сложных усло­виях, при необходимости получения высокоточных раз­меров деталей, для изделий из материалов, трудно соеди­няемых методами сварки плавлением.