Как осуществляется диффузионная сварка в вакууме

Диффузионная сварка, как следует из названия, основана на физическом процессе диффузии, при котором происходит самопроизвольное смешивание молекул двух веществ. Таким образом, этот вид сварочного соединения представляет собой внедрение молекул одного металла в структуру другого до образования неразъемного соединения.

В естественных условиях, без внешнего давления, слияние двух металлов может занимать десятилетия и столетия. Хороший пример диффузии – это найденные клады золотых и серебряных монет, которые за столетия слиплись друг с другом.

Сферы применения

Впервые технология принудительного соединения металлов под давлением и высокой температурой в вакуумной установке была опробована в 1953 году советским ученым Н.Ф. Казаковым. В настоящее время разработано много методик соединения различных материалов, обобщенных в стандарте ГОСТ 19521-74.

Сферы применения диффузионной сварки достаточно разнообразны:

• при производстве гидромоторов и других деталей в авиастроении;
• при производстве узлов деталей, работающих на высоких оборотах (поршневые цилиндры, насосы);
• для соединения разных металлов и сплавов, а также керамики, стекла или пластика, без использования различных припоев и флюсов;
• для создания композитных соединений, состоящих из различных материалов;
• для создания электронных плат, где требуется соединение мельчайших деталей.

Ключевая особенность диффузионной сварки – это возможность соединять не только однотипные металлические поверхности, но и металлы с неметаллами (керамикой, стеклом, полимерами).

Вакуум

Для проведения такой сварки применяются специальные стенды, в которых возможно создание вакуума, а также установлен пресс с силой сжатия 1-4 кгс/мм2 и нагревательные устройства радиационного, электрического или индукционного типов.

Типовая схема установки для диффузионной сварки:

1. Силовой механизм, состоящий из прижимного жаропрочного винта, гидравлических цилиндров и масляного насоса для создания давления на соединяемые детали.
2. Рабочая камера для проведения процесса сварки.
3. Оправки – места для установки соединяемых деталей.
4. Вакуумный насос для удаления воздуха из камеры.
5. Система подачи газов (для устройств, в которой вакуум замещается газом, либо производится газовое охлаждение).
6. Индукционный генератор для создания системы нагрева и регулирования охлаждения.

Выделяется два основных вида сварки в вакууме:

1. Свободное деформирование – при данном способе производится постоянная нагрузка, не достигающая предела текучести. Такой способ широко распространен благодаря своей простоте.
2. Принудительное деформирование – специальное устройство, движущееся с определенной скоростью, обеспечивает создание нагрузки для пластической деформации материала. При этом создаваемое напряжение должно быть выше предела текучести. Такой способ применяется для создания деталей с большими габаритами и большой площадью свариваемой поверхности.

Виды соединения материалов: а – внахлест, б – встык, в – шовная сварка.

Общий принцип технологии

Сварка в вакууме происходит следующим образом.

Сначала соединяемые детали помещаются в стенд, в котором затем создается технический вакуум (разрежение воздуха с внутренним давлением порядка 10^-2…10^-5 мм. рт. ст.). В некоторых установках вместо вакуума применяется инертный газ.

Затем осуществляется нагрев материалов. Материалы нагреваются до требуемых температур (для каждого материала и определена своя температура). С повышением температуры также возрастает текучесть материалов, поэтому диффузия ускоряется. Обычно, температура нагрева составляет 0,5 – 0,7 температуры плавления вещества,

Нагрев применяемых веществ происходит либо в соединенном состоянии, либо отдельно друг от друга, если их температуры плавления различаются. Во втором случае применяется ток высокой частоты, которым можно не только нагреть деталь, но и провести дополнительную очистку ее поверхности.

Далее идет сжатие материалов. Когда материалы нагреваются до рабочей температуры, они сдавливаются между собой. Тип давления может быть разным: длительным или кратковременным, локальным или распределенным по всей площади поверхности. Давление редко превышает 0,5 МПа, а время воздействия различается от технологии проведения сварки.

Существует два основных способа оказания давления:

1. Медленное статичное давление, которое может длиться до нескольких часов.
2. Ударное воздействие со скоростью до 30 м/с, на которое расходуются миллисекунды. Обычно применяется при соединении материалов, разделенных химическим составом или металлической фольгой.

Существует один пример диффузионной сварки без специального пресса. Это обыкновенная сварка полипропиленовых труб для бытового отопления, либо водопровода. Трубы сплавляются с фитингами в небольшом ручном аппарате, а давление оказывается руками. Полипропилен – это достаточно мягкое вещество, не требующее существенных усилий для соединения.

Улучшение качества сварного шва может достигаться добавлением на стык элементов специальных химических составов либо фольги из золота, платины, меди. Толщина такой фольги в среднем составляет несколько микрон, завися от конкретного процесса.

Нанесение данных слоев позволяет:

• увеличить прочность сварного шва;
• избежать образования барьерных подслоев;
• облегчить взаимодействие поверхностей и ускорить объемное взаимодействие между соединяемыми элементами;
• уменьшить остаточную деформацию изготавливаемых деталей за счет снижения давления и температуры.

Для соединения металлов с неметаллами, либо для сварки неметаллических деталей в качестве соединительных слоев могут применяться различные вещества:

• при соединении медных деталей и кварцевого стекла слой меди наносится на стекло, затем подвергается окислению в течении 4-5 минут при температуре 800°С;
• для сварки оптической керамики с медью, последняя подлежит покрытию сульфидами цинка для повышения прочности сцепления.

Сила давления и температурные режимы нагрева и охлаждения подбираются для каждого материала (пар материалов) индивидуально, на основе теоретических расчетов.

Охлаждение материалов — финальная стадия.  После диффузионного соединения деталей происходит их остывание в вакууме, а равномерность этого процесса поддерживается системами охлаждения. Резкие перепады температуры могут привести к появлению трещин на сварном шве и снижению его прочности.

В некоторых случаях, например, при соединении стали и бронзы, для быстрого охлаждения деталей применяется аргон. Быстрое охлаждение снижает гибкость изделия, но повышает его твердость.

Изготовленная деталь проходит контроль качества рентгеновским или ультразвуковым инструментом.

Сила давления и температурные режимы нагрева и охлаждения подбираются для каждого материала (пар материалов) индивидуально, на основе теоретических расчетов.

Преимущества и недостатки

Уникальная технология диффузионной сварки обеспечивает ряд важных параметров:

• Экономичность — отсутствие расходных материалов (электроды либо газы, припои, флюсы) снижает себестоимость работ.
• Экологичность — отсутствие окалины, продуктов горения, выделения вредных веществ и мелкодисперсных частиц уменьшают загрязнение окружающей среды, а изолированность процесса в камере не оказывает вреда на здоровье оператора.
• Энергоемкость – процесс требует меньше электроэнергии, таким образом снижая себестоимость изделий.
• Скорость – за один процесс можно соединять несколько материалов, получая слоистое соединение, называемое композитом.
• Универсальность размеров деталей – технология позволяет соединять материалы различных размеров, что очень актуально при создании электронных плат.
• Аккуратность шва – шов, полученный при диффузионной сварке, получается ровным и его не нужно дополнительно обрабатывать шлифовкой или скрывать декоративными накладками.

Технология диффузионной сварки имеет также несколько важных факторов, влияющих на качество выполненной работы:

• Стоимость оборудования – вакуумная установка является дорогостоящим оборудованием, которое требует постоянного обслуживания и контроля работы. Любые сбои в электрической сети или в системе регуляции давления могут привести к нарушению условий сварки материалов и браку изделий.
• Габаритная проблема – размеры вакуумной камеры ограничивают размеры изделий, при этом в больших камерах сложнее получить необходимое снижение давления.
• Качество поверхности деталей – соединяемые стороны (грани) материалов должны быть тщательно отшлифованы и очищены от загрязнений. Требуется обработка поверхности по 6 классу шероховатости и обработка ее ацетоном.

Существует отдельный случай диффузионной сварки, называемый «космической проблемой». В открытом космосе практически идеальный вакуум, внутренне давление космического аппарата имеет свое давление, а лучи солнца могут нагревать поверхность до температур, достаточных для запуска самопроизвольного процесса сварки, который больше будет напоминать процесс неравномерного слипания поверхностей.

Решается такая проблема в основном за счет регулярного принудительного движения поверхностей, которым необходимо соблюдать подвижность и покрытия их специальными составами, предотвращающими начало реакции соединения.