Дифузійне зварювання: переваги і недоліки

Атоми речовин знаходяться в постійному русі, ось чому рідини і гази можуть змішуватися. Тверді тіла теж мають рухливі елементарні частинки, але у них більш жорстка кристалічна решітка. І все ж, якщо два твердих тіла зблизити на відстань взаємодії атомних сил, то в місці контакту частинки однієї речовини будуть проникати в інше і навпаки. Таке взаємне проникнення речовин отримало назву дифузії, а ефект був покладений в основу одного з методів з'єднання металів. Він так і називається - дифузійне зварювання металів.

Що можна з'єднувати дифузійним зварюванням

Дифузійне зварювання у вакуумі має величезні технологічні можливості. З її допомогою можна з'єднувати:

Метали однорідної та неоднорідної структури, а також їх сплави. Тугоплавкі металеві речовини типу танталу, ніобію і вольфраму.

Речовини неметалевого характеру з металами: графіт зі сталлю, мідь зі склом.

Матеріали конструкційні на основі з металу, кераміку, кварц, ферити, скло, напівпровідникові структури (однорідні і неоднорідні), графіти і сапфір.

Матеріали композиційні, пористі із збереженням їх властивостей і текстури.

Полімерні речовини.

Стосовно конфігурації і розміру заготовок - вони можуть бути різними. В залежності від величини робочої камери, можна працювати з деталями від декількох мікрон (напівпровідникові елементи) до декількох метрів (складні шаруваті структури).

Як влаштована дифузійна установка

Комплекс для зварювання дифузійним методом включає наступні основні елементи:

Робочу камеру. Вона виготовлена з металу і призначена для обмеження робочого середовища, в якій створюється вакуум.

Станину – шліфовану підставку. На неї спирається робоча камера, вздовж якої вона може переміщатися.

Вакуумний ущільнювач. Є прокладкою між камерою і підставкою.

Роликовий механізм і притискний гвинт. З їх допомогою здійснюється переміщення камери вздовж направляючих і фіксація її на підставці.

Насос вакуумний. Створює безповітряний простір у робочій зоні.

Генератор з індуктором. Виступають системою нагріву зварюваних деталей.

Пуансони жароміцні, циліндри гідравлічні і насос масляний представляють механізм стискування деталей під заданим тиском.

Залежно від модифікації установки дифузійного зварювання можуть відрізнятися формою камер і способом їх герметизації. Також різними бувають методи розігріву деталей. Можуть використовуватися радіаційні нагрівачі, високих струмів генератори, установки тліючого розряду, електронно-променеві нагрівачі.

Дифузійні процеси при зварюванні

Якщо взяти шліфовані металеві пластини, з'єднати їх і покласти під вантаж, то через кілька десятків років буде помітний ефект взаємного проникнення металів один в одного. Причому глибина проникнення буде в межах міліметра. Вся справа в тому, що швидкість дифузії залежить від температури з'єднуються матеріалів, відстані між елементарними частинками речовин, а також від стану контактуючих поверхонь (відсутність забруднень і окислення). Ось чому в природних умовах процес протікає повільно.
У промисловості для швидкого отримання з'єднання прискорюють процес дифузії, враховуючи всі ці умови. В робочій камері:

Створюють вакуум з залишковим рівнем тиску до 10 -5 мм ртутного стовпа або наповнюють середу інертним газом. Таким чином деталі не схильні до дії кисню, який є окислювачем будь-якого металу.

Матеріали розігрівають температурою в 50-70% від температури плавлення заготовок. Цим добиваються збільшення пластичності деталей за рахунок більш рухомого стану їх елементарних частинок.

На заготівлі впливають механічним тиском в межах 030-1000 кг/мм 2 , зближуючи міжатомні відстані до розмірів, що дозволяють встановити загальні зв'язки і взаємно проникнути в прилеглі шари.

Вимоги до підготовки матеріалів

Перед тим як помістити заготовки зварюваних елементів в дифузійну установку, їх піддають попередній обробці. Основна мета обробки контактуючих частин заготовок спрямована на отримання гладких, рівних і однорідних поверхонь, а також видалення із зони з'єднання невидимих маслянистих утворень і бруду. Обробка заготовок буває:

хімічної;

механічної;

електролітичної.

Плівки окислів, як правило, не впливають на процес дифузії, так як вони самоліквідуються в процесі нагрівання в вакуумному середовищі. Коли дифузійна зварювання протікає недостатньо ефективно між речовинами, у яких неоднаковий температурний коефіцієнт розширення, або утворюється крихкий шов, використовують так звані буферні прокладки. Ними може служити фольга різних металів. Так, мідна фольга застосовується при дифузійної зварювання заготовок з кварцу.

Характеристики одержуваних сполук

На відміну від традиційних способів зварювання розплавленням, де до основного металу вводиться додатковий метал у шві, дифузійне зварювання дозволяє отримати однорідний шов без серйозних змін у фізико-механічному складі місця з'єднання. Готовий стик володіє наступними показниками:

наявність суцільного шва без пор і утворень раковин;

відсутність окисних включень у з'єднанні;

стабільність механічних властивостей.

Завдяки тому що дифузія - це природний процес проникнення однієї речовини в іншу, зоні зіткнення не порушується кристалічна решітка матеріалів, а отже, відсутня крихкість шва.

З'єднання деталей з титану

Дифузійне зварювання титану та його сплавів характеризується отриманням якісного з'єднання при високій економічній ефективності. Вона широко застосовується в медицині для виготовлення деталей протезів, а також в інших областях. Деталі піддають нагріванню до температур на 50с – 100? нижче, ніж температура, при якій відбувається поліморфний перетворення. При цьому на матеріали надають невеликий тиск у 005–015 кгс/мм2. Хімічний склад титанового сплаву не впливає на міцність з'єднання елементів таким способом зварювання.

Переваги методу

При дифузійної зварювання можливо:

з'єднувати однорідні і неоднорідні тверді речовини;

уникати деформації деталей;

не використовувати витратні матеріали у вигляді припоїв і флюсів;

отримувати безвідходне виробництво;

не застосовувати складні системи припливно-витяжної вентиляції, так як в процесі не утворюється шкідливих парів;

отримувати будь-яку площу зони контактного з'єднання, обмежену тільки можливістю обладнання;

забезпечити надійний електричний контакт.

До цього слід додати відмінний естетичний вигляд готової деталі, яка не вимагає застосування додаткових операцій обробки, таких як видалення зварної окалини, наприклад.

Недоліки технології

Дифузійне зварювання є складним технологічним процесом, до її основних недоліків можна віднести:

необхідність застосування специфічного дорогого обладнання;

потреба в наявності виробничих площ, установка має чималі габарити;

вимога мати спеціальні знання, навички і розуміння процесу роботи;

витрати часу на ретельну попередню обробку заготовок;

зміст вакуумної установки в граничній чистоті, інакше невидима пил може осідати на зварюваних елементів і приводити до шлюбу з'єднання;

складність перевірки якості шва без необхідності його руйнування.

Враховуючи все це, а також специфіку використання вакуумних установок, дифузійне зварювання затребувана тільки в умовах підприємств, а не приватного використання.

Промислове обладнання для дифузійного зварювання

Існує кілька типів промислового устаткування, розроблених для дифузійного зварювання. Вони в основному відрізняються один від одного специфікою зварюваних матеріалів і застосуванням різних систем нагріву деталей. Установка типу МДВС призначена для виробництва гнучких мідних шин, контактних груп високовольтних вимикачів з міді і керрита, деталей газлифтних клапанів свердловинних насосів, виконаних з нержавіючої сталі і твердих сплавів металів. У системі застосовується ефект електроконтактного нагріву. Зварювальний комплекс типу УДВМ-201. Виконує з'єднання методом дифузійного зварювання матеріалів зі скла різних марок. Нагрівання робочої поверхні здійснюється методом радіаційного випромінювання. Устаткування зварювальне УСДВ-630. Установка індукційного нагріву для зварювання композитних матеріалів на основі титану і міді. Такі системи дозволяють нагрівати великі по площі деталі. Машина МДВС-302 для дифузійного зварювання з застосуванням високочастотного нагріву деталей. Характеризується наявністю малогабаритного генератора на транзисторній схемі.