Технология диффузионной сварки

  • 19 декабря
  • 74 просмотров
  • комментариев
  • 50 рейтинг
Оглавление: [скрыть]
  • Когда и для чего применяется диффузионная сварка?
  • Преимущества и недостатки диффузионной сварки
  • Способы диффузионной сварки
  • Оборудование для диффузионной сварки

Диффузионная сварка является одним из приемов соединения деталей с помощью воздействия на них давления. Она осуществляется в вакууме при высокой температуре путем прикладывания к деталям сдавливающих сил.

Схема установки диффузионной сварки

Схема установки диффузионной сварки.

Данный способ сварки под давлением отличается от других тем, что процесс происходит при воздействии высоких температур, 0,5-0,7 Тпл, и низких удельных сжимающих давлениях, 0,5-0 МПа. При этом изотермическая выдержка может быть как несколько минут, так и несколько часов.

Диффузионное соединение заготовок обеспечивается благодаря таким физико-химическим процессам, как реакция металла, нагретого до определенной температуры, на воздействие газов в окружающей его среде, очистка соединяемых поверхностей от оксидов, возникновение ползучести при высоких температурах и рекристаллизация.

Когда и для чего применяется диффузионная сварка?

Данный вид сварки может осуществляться по двум технологическим схемам, отличающимся друг от друга по характеру прикладывания нагрузки. Одна технология предполагает использование постоянной нагрузки, величина которой не достигает предела текучести. Процессы, возникающие в соединяемых материалах при этом, аналогичны ползучести. Данный способ диффузионной сварки является так называемым свободным деформированием. Он является наиболее простым, а потому на практике получил широкое распространение.

Схема диффузионной сварки

Схема диффузионной сварки: а — сварка внахлестку, б — сварка встык, в — шовная сварка.

Другая технология предполагает использование специального устройства, которое во время сварки перемещается с определенной скоростью и обеспечивает нагрузку с последующей пластической деформацией. Напряжения при этом превышают предел текучести. Данный способ называется диффузионной сваркой с принудительным деформированием.

Диффузионная сварка нашла широкое применение в промышленности, в частности, она незаменима в сфере электронного приборостроения. Она позволяет создавать металлокерамические и катодные узлы, вакуум-плотные соединения из различных материалов, полупроводниковые приборы и др.

Данный способ сварки идеально подходит при работе с деталями крупных размеров и сложных форм, изготовить которые с помощью обычной механической обработки и обработки давлением невозможно или экономически невыгодно. Особенно если это опытное или мелкосерийное производство.

Благодаря совмещению диффузионной сварки с формообразованием в сверхпластичном режиме есть возможность получать многослойные пустотелые конструкции: ребра, гофры, соты и т.п.

Благодаря диффузионной сварке можно сваривать:

  • любые материалы, имеющие металлическую основу, ферриты, кварц, стекло, керамику, графит, сапфир;
  • металлокерамику, пористые и композитные материалы, не нарушая при этом их текстуры и не ухудшая их свойств;
  • разнородные металлические сплавы, которые имеют склонность к образованию хрупких фаз, а также такие тугоплавкие металлы, как тантал, ниобий, вольфрам и др.;
  • металлические изделия с неметаллическими, например сталь и графит, стекло и медь.
Вернуться к оглавлению

Преимущества и недостатки диффузионной сварки

Экситроновый узел для диффузионной сварки

Экситроновый узел для диффузионной сварки.

Преимущества:

  • в процессе работы такая сварка расходует на порядок ниже энергии, чем другие виды сварки.
  • для диффузионной сварки не нужны припои и электроды;
  • данная сварка обладает высоким качеством сварочного соединения;
  • свариваемые детали могут быть различных форм, иметь маленькие и большие поверхности соединения;
  • размеры соединяемых деталей могут быть всего в несколько микрометров (для изготовления полупроводниковых приборов) и достигать нескольких метров (для изготовления слоистых конструкций);
  • гигиеничность сварочного процесса: отсутствие металлических брызг, ультрафиолетового излучения и мелкодисперсного напыления.

Недостатки:

  • диффузионная сварка требует наличия специальной вакуумной камеры, в которой происходит весь процесс сварки;
  • тщательная подготовка и зачистка свариваемых поверхностей деталей, что делает этот процесс длительным по времени.
Вернуться к оглавлению

Способы диффузионной сварки

Диффузионная сварка с использованием промежуточных плавящихся или неплавящихся прокладок (слоев). На поверхности деталей, подлежащих соединению, наносятся специальные подслои. Это необходимо для того, чтобы:

Таблица температур сварки

Таблица температур сварки.

  • увеличить прочность соединения;
  • не допустить появления барьерных подслоев при сваривании разных материалов;
  • интенсифицировать стадию объемного взаимодействия;
  • облегчить установку физического контакта поверхностей деталей благодаря пластичным подслоям;
  • снизить температуру и давление в процессе сваривания деталей и, соответственно, уменьшить остаточные деформации.

В большинстве случаев для прокладок используется медь, никель, золото или серебро. Толщина их в пределах 2-7 мкм. Чтобы предотвратить возникновение нежелательных фаз, в качестве барьерной прокладки может использоваться более толстый материал — фольга.

Выбор материала для подслоя осуществляется исходя из того, что его коэффициент диффузии в основной материал превышал коэффициент диффузии основного материала в подслой.

Если сварке подлежат детали из стекла или керамики, то металлический подслой нагревают для того, чтобы он окислился и диффузия его в материал детали произошла проще.

Для соединения кварцевого стекла и меди на стекло наносится медная прослойка, которая подлежит окислению под воздействием температуры в 800°С в течение 3-5 мин.

Для сваривания меди и оптической керамики, в основе которой лежит сульфид цинка, металлическая поверхность подлежит сульфидированию, чтобы увеличить прочность сцепления материалов.

Марки и свойства припоев

Марки и свойства припоев.

Использование прокладок из высокотемпературных припоев дает возможность снизить давление сжатия, облегчить удаление оксидной пленки и улучшить эксплуатационные характеристики мест сваривания.

Диффузионная сварка с ударной нагрузкой в вакууме используется в случаях, когда есть вероятность возникновения интерметаллидов в месте сварки.

При таком способе зоны контакта деталей локально нагреваются, после чего на них воздействует одиночный импульс силы, скорость которого равна 1-30 м/с. Вследствие этого при воздействии динамической нагрузки в соединяемых материалах возникает пластическая деформация в месте их контакта и появляется сварное соединение. Это происходит за 1-10 мс.

Вернуться к оглавлению

Оборудование для диффузионной сварки

Для осуществления диффузионной сварки используются специальные вакуумные установки, которые состоят из вакуумной камеры, вакуумной системы, механизма, обеспечивающего необходимое давление для сваривания материалов, источника нагрева и системы управления процессом. Примерами таких установок являются установки ДФ-101, УСДВ-630, П-114, П-115, УДС-ЗМ, ДСВ-901 и др. Все они отличаются друг от друга разными конструкциям определенных систем и узлов. Но в целом принцип их общей конструкции одинаков.

Вакуумная камера с водоохлаждаемыми стенками, в которой осуществляется процесс сваривания деталей, обычно имеет цилиндрическую форму и изготавливается из стали, устойчивой к коррозии.

http://www.youtube.com/watch?v=AGKYdg0jkRE

Изделия могут располагаться в специальном приспособлении или на установленной для них опоре. Повысить производительность позволяют установки, оснащенные несколькими камерами.

Сила давления, необходимая для сварки, чаще всего создается благодаря пневматическому, гидравлическому или механическому устройству.

Иногда сжатие деталей достигается с помощью специальных устройств, которые охватывают заготовки из материалов с различными коэффициентами линейного расширения. Это устройство устанавливается в водородных и вакуумных печах. Сжатие материала осуществляется благодаря перепаду давлений в вакууме и внешней газовой среды.

Нагрев деталей может осуществляться несколькими способами: контактным, индукционным и радиационным. Источниками питания для этого выступают высокочастотные генераторы и трансформаторы. Универсальным способом нагрева является воздействие тока высокой частоты (ТВЧ).

http://www.youtube.com/watch?v=OHnt12t6xbY

Детали могут нагреваться в разведенном состоянии, что невозможно сделать при контактном методе. ТВЧ способствует более интенсивной очистке соединяемых поверхностей заготовок. Но этот способ не подходит для сваривания диэлектриков: стекла, кварца и керамики, для нагрева которых используется расфокусированный электронный луч или световое излучение.