Диффузионная сварка в вакууме(ДСВ) как технологический процесс соединения однородных и разнородных материалов предложенаи разработана российским ученым Н.Ф.Казаковым.
Отличительные особенности диффузионной сварки следующие.
1. Возможность сварки без расплавления, что обеспечивает
отсутствие в шве литой структуры с пониженными механическими свойствами.
2. Возможность сварки материалов, не свариваемых
плавлением: а) неметаллических материалов с металлическими (стекол и керамики с металлом); б) твердых сплавов со сталями; в) литейных жаропрочных сплавов; г) взаимно нерастворимых металлов, например, меди с вольфрамом или молибденом; д) ряда спеченных материалов, особенно при необходимости сохранения в шве исходной пористости (например, при изготовлении металлокерамических фильтров).
3. Возможность получения соединений, по всем показателям равноценных основному металлу.
4. Товарный вид деталей после сварки в вакууме, отсутствие необходимости дополнительной обработки.
5. Возможность сварки по развитой поверхности.
6. Возможность сварки деталей без ограничения в соотношении толщин (например, приварка фольги к массивной детали).
7. Возможность получения многослойных композиционных материалов.
Главным недостатком диффузионной сварки следует считать низкую производительность существующих установок.
Способ диффузионного соединения основан на сближении ювенильных (свободных от окисных пленок) поверхностей свариваемых деталей в вакууме при нагреве их несколько выше температуры рекристаллизации с приложением небольшой сжимающей силы и взаимной диффузии на границе раздела соединяемых поверхностей.
Температура сварки является основным параметром процесса. Она определяет условия термовакуумной очистки соединяемых поверхностей от окисных пленок, образования физического контакта между ними и их активации, лимитирует скорость и характер протекания объемного диффузионного взаимодействия. Как показывает опыт ДСВ разнообразных материалов, оптимальная температура сварки составляет 0,6...0,8 температуры плавления более легкоплавкого из соединяемых материалов. Температура сварки не должна превышать значений, при которых в свариваемых материалах могут происходить необратимые фазовые и структурные превращения, ухудшающие свойства сварного соединения.
Давление сжатия способствует активации поверхностей, формированию фактического контакта за счет микропластической деформации и ползучести микровыступов. Величина сварочного давления выбирается из расчета получения доброкачественного соединения при минимальной степени его пластической деформации.
Время сварки является функцией основных параметров процесса - температуры и давления. Время сварки определяет полноту протекания завершающего этапа стадии объемного диффузионного взаимодействия. Однако с увеличением времени сварки увеличивается общая пластическая деформация свариваемых деталей, поэтому верхний предел допустимого времени сварки целесообразно ограничивать. Нижнюю его границу можно ориентировочно определять, исходя из минимально необходимого времени термовакуумной очистки соединяемых поверхностей.
Степень вакуума и температура процесса определяют скорость и качество очистки соединяемых поверхностей. Чем выше степень разрежения атмосферы в вакуумной камере, тем интенсивнее идет процесс дегазации деталей и объема камеры. Этим условиям отвечает вакуум, который обеспечивают серийные диффузионные установки (10-2…10-3 Па).
ДСВ осуществляется в определенной технологической последовательности на специальных установках, принципиальная схема одной из них показана на рис.2.19. Детали 6 с предварительно подготовленными свариваемыми поверхностями (механически обработанные и обезжиренные) помещаются в камеру 4 и устанавливаются в центрирующем приспособлении 7. Затем камера герметизируется и производится откачка воздуха с помощью вакуумных насосов. При достижении требуемого вакуума включается высокочастотный генератор и детали нагреваются в зоне сварки с помощью индуктора 5.
Очистка свариваемых поверхностей от окисных пленок, как правило, завершается за время нагрева детали до температуры сварки. При достижении температуры сварки к соединяемым деталям через поршень 2 и шток 3 гидросистемы 1 прикладывается рабочее давление, которое поддерживается до окончания процесса. Последний этап цикла сварки - охлаждение свариваемого узла с заданной скоростью до температуры 323...473 К. После этого снимается давление сжатия, в камеру напускается воздух и она открывается.
Длительность всего цикла сварки зависит от массы, формы и размеров свариваемых деталей, физико-механических свойств входящих в соединение материалов.
При сварке разнородных материалов в процессе объемного взаимодействия возможно образование в контакте слоя интерметаллидов, который резко снижает прочностные характеристики соединения. В этих случаях между деталями помещают прослойку из материала, который не образует интерметаллических соединений с каждым из свариваемых материалов. Кроме того, в зависимости от соединяемой композиции прослойка может выполнять и другие функции. При соединении разнородных материалов с различными коэффициентами термического расширения для релаксации внутренних напряжений в стык вводится прослойка из материала, имеющего промежуточное значение коэффициента термического расширения. Прослойки из пластичных металлов применяются для сварки материалов, обладающих высокой твердостью (например, твердых сплавов, жаропрочных сталей).
Прочность диффузионных соединений с мягкой прослойкой значительно повышается с уменьшением ее толщины (т.н. эффект контактного упрочнения). Поэтому толщины прослоек выбираются минимально возможными.
Применение различных прослоек является важным достоинством диффузионной сварки и существенно расширяет область её применения.
Опыт применения диффузионной сварки в вакууме показывает, что этот способ позволяет получать высококачественные сварные соединения весьма широкого круга материалов – различных металлов и сплавов, неметаллических материалов (керамики, графита, стекла), причем в самых разнообразных сочетаниях. Так, например, в авиационном двигателестроении с помощью ДСВ изготавливают такие ответственного назначения узлы, как малоразмерные роторы турбоагрегатов, рабочие лопатки газотурбинных двигателей и др.
Холодная сварка
Холодная сварка- это процесс получения неразъемного соединения пластичных металлов путем их совместного пластического деформирования при комнатной температуре.
Основными способами холодной сварки являются: точечная сварка внахлестку, шовная сварка внахлестку, сварка встык и сварка сдвигом.
На рис.2.20а представлена схема точечной сварки внахлестку. Действием пресса, сжимающего пуансоны 1 силой Р, выступы 2 пуансонов вдавливаются в листы металла 3 до тех пор, пока опорные поверхности пуансона не упрутся в поверхности металла. В месте вдавливания пуансонов остаточная толщина металла составляет лишь часть суммарной толщины листов. Сварка происходит при достижении определенной, достаточно большой степени деформации свариваемых материалов. В зависимости от вида свариваемого металла необходимая для холодной сварки степень деформации составляет 80...95%. Степень необходимой деформации при сварке друг с другом разнородных металлов определяется свойствами того из свариваемых материалов, при сварке которого в одноименном сочетании требуется меньшая деформация. Поэтому при сварке плохо свариваемых, мало пластичных металлов, применяют прокладки из пластичных хорошо свариваемых металлов.
Точечной сваркой успешно соединяются листы толщиной от 0,1...0,2 до 12...15 мм. Сила в расчете на одну точку при сварке, например, алюминия составляет в среднем 15...120 кН, давление на рабочую поверхность пуансона 600...800 МПа. Недостатком точечной сварки является глубокая вмятина в металле, часто на 80...90% его толщины.
Заменив точечные пуансоны стальными роликами соответствующей конфигурации, катящимися по металлу, можно осуществить шовную сварку. Такой способ применяется преимущественно для получения кольцевых замкнутых швов, например, для приварки дна или крышки к бесшовному корпусу.
Схема сварки встык представлена на рис.2.20б. Подлежащие сварке стержни 1 закрепляют в зажимах 2. Концы свариваемых деталей выпускают из зажимных губок на определенную длину, называемую вылетом. При осадке правый и левый зажимы сближают до соприкосновения и острый край зажимов обрубает выдавленный металл. Таким образом свариваются стержни и проволока круглого, квадратного и прямоугольного сечений, полосы и т.п. Место сварки получается чистым и не требует последующей обработки.
Холодную сварку можно осуществить путем сдавливания соединяемых деталей с одновременным их тангенциальным относительным смещением. Этот способ сварки получил название сварки сдвигом. Тангенциальное смещение соединяемых изделий дает возможность получить сравнительно большие площади очищенных от пленок поверхностей при небольшом растекании каждой из них. При сварке сдвигом разноименных металлов прочное соединение возникает только у металлов с близкими механическими свойствами, например, у наклепанного алюминия, отожженной меди и др.
Во всех случаях обязательным условием получения высококачественных соединений является тщательная зачистка соединяемых поверхностей. Холодная сварка успешно применяется для изготовления токосъемников. При этом два алюминиевых листа свариваются по всей поверхности соприкосновения посредством совместной прокатки. Затем с помощью точечной сварки алюминиевые листы облицовываются мягкой листовой медью толщиной 0,8...1,0 мм. Такие токосъемники обладают хорошими электрическими свойствами и дают значительную экономию дефицитной меди.
Общий расход электроэнергии при холодной сварке в 20...30 раз меньше, чем при контактной электросварке. Применение холодной сварки ограничивается физическими свойствами металлов. Недостаточно пластичные металлы, например, высокопрочные алюминиевые сплавы, часто дают трещины при деформациях, необходимых для холодной сварки. Высокопрочные металлы даже и при достаточной пластичности практически не свариваются холодным способом, так как удельные давления при этом настолько велики, что невозможно изготовить достаточно прочные приспособления и рабочий инструмент
.
Сварка трением
Сварка трением является разновидностью сварки давлением, сварное соединение образуется в результате совместного пластического деформирования соединяемых деталей в твердой фазе. От других видов сварки давлением она отличается, прежде всего способом нагрева, точнее - способом введения теплоты в свариваемые детали. При сварке трением механическая энергия, идущая на преодоление сил трения между состыкованными деталями, непосредственно преобразуется в тепловую энергию, причем генерирование теплоты строго локализовано в тонких поверхностных слоях металла. Именно эта особенность процесса предопределяет основные достоинства сварки трением.
На рис.2.21 представлена простейшая схема процесса сварки. Две детали, подлежащие сварке, располагаются соосно в зажимах машины; одна из них закрепляется неподвижно. На сопряженных поверхностях деталей, прижатых одна к другой осевой силой Р, возникают силы трения. Работа, затрачиваемая на преодоление этих сил, превращается в теплоту, которая выделяется на поверхностях трения и вызывает их интенсивный нагрев до температур, необходимых для образования сварного соединения. Применительно к сварке черных металлов эти температуры в зависимости от режима процесса лежат в пределах 1223... 1573 К. По достижении требуемой температуры относительное движение поверхностей должно быть по возможности быстро (мгновенно) прекращено; при этом прекратится и тепловыделение. Процесс образования сварного соединения завершается стадией проковки: к нагретым, но уже неподвижным деталям на некоторое время прикладывается сжимающая сила, значительно превышающая первоначальную. Во время проковки и после нее происходит естественное охлаждение сваренных деталей. Типичный вид соединения, полученного сваркой трением, представлен на рис.2.22
Сварка трением обладает рядом достоинств: высокой производительностью, малым потреблением энергии (в 5...10 раз меньше, чем при контактной сварке); высоким качеством сварных соединений; стабильностью качества; возможностью сварки металлов и сплавов в различных сочетаниях; возможностью сварки деталей с необработанными поверхностями; простотой механизации и автоматизации. Многие из этих свойств являются результатом свойственного этому процессу локализованного выделения теплоты в тонких приповерхностных слоях металла, т.е. именно там, где это и требуется для сварки.
Особенностями сварки трением, ограничивающими или затрудняющими её применение, являются следующие:
- одна из деталей должна представлять собой тело вращения,
ось которого совпадает с осью вращения, а другая деталь должна иметь плоскую поверхность, с которой сопрягается торец первой детали;
- нецелесообразно сваривать стержни диаметром больше 200
мм, т.е. диапазон сечений деталей, которые можно сваривать трением, лежит в пределах 30...8000 мм2.
Расширить возможность применения сварки трением крупных деталей, вращение и, в особенности, быстрое торможение которых в конце процесса сильно затруднено, можно путем вращения вспомогательных деталей, зажатых между двумя не вращающимися и подлежащими сварке деталями. Эта схема позволяет также сваривать протяженные детали, например, трубы.
Внешними (независимыми) параметрами процесса являются скорость вращения и давление, приложенное вдоль оси соединения, определяющие мощность тепловыделения. Пластическая деформация при сварке трением является необходимым условием образования доброкачественного соединения. Поэтому третьим параметром процесса является мера пластической деформации, за которую может быть принято сближение свариваемых деталей в осевом направлении - осадка.
Четвертым параметром процесса сварки трением является давление проковки. Стадия проковки, наступающая сразу после окончания стадии нагрева (т.е. в момент торможения вращающейся детали), характеризуется тем, что металл, доведенный в результате нагрева до требуемых температур в стыке и достаточно притертый вдоль оси деталей, подвергается воздействию внешней силы, обжатию, проковке. Это необходимо для окончательного сближения деталей, для "залечивания" пустот, которые могли образоваться в процессе относительного движения контактирующих поверхностей. От того, насколько сильно будет сжат (прокован) металл, после того как в стадии нагрева он был доведен до состояния повышенной пластичности, зависит качество будущего сварного соединения.
Около половины действующего в стране оборудования для сварки трением обслуживает производство концевого режущего инструмента (сверл, фрез и других), мерительного инструмента и деталей вращающегося центра для токарных станков. Сварка трением также используется для изготовления деталей гидро- и пневмоцилиндров, роторов турбокомпрессоров, биметаллических деталей, например, из стали и алюминия.
Сварка взрывом
В последние годы все чаще в самых разных областях техники (ракетной, авиационной, автомобильной, а также в судостроении, аппаратостроении и др.) используется сварка взрывом. Этим способом соединяют самые различные (компактные и порошковые) металлы и сплавы, получают сложные композиционные материалы (два, три и более слоев) и осуществляют сложное формоизменение разнообразных материалов.
При сварке взрывом образование соединения происходит в процессе соударения двух свариваемых деталей (пластин) под воздействием ударной волны. При этом ударная волна очищает поверхность и деформирует прилегающие к зоне соединения приповерхностные объемы материала. Схема сварки показана на рис.2.23.
Для получения соединения при сварке взрывом необходимо выполнение двух условий:
- давление при соударении должно достичь определенного значения;
- скорость перемещения точки соударения должна быть меньше скорости звука.
Давление при соударении зависит от скорости движения пластины, а скорость движения пластины - от соотношения c/m, где с - масса заряда; т - ускоряемая масса.
Поскольку ускорение движения метаемой пластины до конечной скорости занимает определенное время, между ней и мишенью должно быть достаточное расстояние (зазор). Давление на поверхности раздела при соударении должно быть в 10 раз больше предела текучести материала. Установлено, что обобщающим параметром сварки взрывом может быть пластическая деформация материала в зоне соединения. Скорость перемещения точки соударения не должна превышать скорости звука в металле по следующим причинам. Когда две пластины первоначально параллельны, и детонация распространяется с одного конца, скорость перемещения точки соударения равна скорости детонации заряда. Скорость ударной волны приближается к скорости звука в металле пластины (например, в алюминии 5240 м/с, в меди 3580 м/с). Если скорость детонации больше скорости звука, то отраженная звуковая волна может разрушить только что созданное сварное соединение. Поэтому подбирают такое взрывчатое вещество (ВВ) (аммониты, гранулиты, зерногранулиты), чтобы скорость детонации была от 2500 до 3600 м/с, тогда отраженная звуковая волна ударяется о свариваемую плоскость раньше, чем давление взрыва ударом соединит верхнюю пластину с нижней.
Большинство технологических схем сварки взрывом основано на использовании направленного (кумулятивного) взрыва. Кумулятивность обеспечивается за счет того, что свариваемые детали располагаются относительно друг друга под некоторым углом 2...16°; при этом начальное расстояние между ними в вершине угла составляет 2...3 мм.
Следует учесть, что воздушная кумулятивная струя во всех случаях движется с большей скоростью, чем звуковая и детонационная. Эта струя, направленная из острия угла γ в сторону его раствора, обладает давлением порядка от нескольких тысяч до 1011 Па. Благодаря такому огромному давлению и весьма большой скорости (6000...7000 м/с) высокотемпературная кумулятивная струя производит прежде всего идеальную очистку поверхности пластин от любого вида загрязнения. Однако эта же струя создает и весьма характерный волновой профиль на поверхности металла с высотой и длиной волн порядка десятых долей миллиметра.
Несмотря на большое давление воздушной кумулятивной струи и последующий за ней сильнейший удар детонационной волны взрыва, зона пластических деформаций в сварном контакте относительно невелика, она лишь немного превышает толщину фронта ударной волны, составляющую приблизительно 30...300 параметров кристаллической решетки. Исходная толщина свариваемых деталей почти не изменяется и после сварки. Весь процесс сваривания протекает за миллионные доли секунды, что и определяет значительное структурное своеобразие самого сварного соединения. В микромасштабе кристаллов металл нагревается почти до температуры кипения (Ткип= 2500К). В результате этих процессов происходит значительное упрочнение металла. Например, известно, что взрывным ударом твердость отожженной малоуглеродистой стали можно увеличить в 4 раза, предел текучести - в 6 раз. Качество взрывно-сварных соединений будет высоким, если правильно подобрать режимы сварки (сорт ВВ, его толщина, взаимное расположение деталей) для каждого сечения металлов. Сварные соединения выдерживают в дальнейшем любую механическую и термическую обработку.
Особенности процесса сварки взрывом следующие:
- сварное соединение образуется в течение миллионных долей секунды, т.е. практически мгновенно. Оно возникает вследствие образования металлических связей при совместном пластическом деформировании свариваемых поверхностей металла. Малая продолжительность сварки предотвращает возникновение диффузионных процессов. Это позволяет сваривать металлы, которые при обычных процессах сварки с расплавлением образуют в шве хрупкие интерметаллические вещества, делающие швы непригодными к эксплуатации;
- при сварке взрывом можно получить соединения неограниченной площади. При этом процесс сварки осуществляется тем легче, чем больше отношение площади соединения к толщине метаемой части металла. Можно осуществлять сварку соединений площадью 15...20 м2.