5.13. Диффузионная сварка

При диффузионной сварке соединение образуется в результате взаимной диффузии атомов в поверхностных слоях контактирующих материалов, находящихся в твёрдом состоянии. Диффузионные процессы протекают весьма активно при нагреве до температуры рекристаллизации и создании давления, достаточного для пластического деформирования и смятия микровыступов с целью обеспечения физического контакта по всей поверхности соприкосновения заготовок.

В большинстве случаев диффузионную сварку выполняют в вакууме, однако она возможна и в атмосфере инертных или защитных газов. Свариваемые заготовки 1 (рис. 5.25) устанавливают на опору 2, расположенную внутри охлаждаемой вакуумной камеры 3, и нагревают с помощью индуктора ТВЧ либо вольфрамового или молибденового нагревателя 4. Вместо этих нагревателей для ускорения нагрева может быть также использован и электронный луч, который обычно применяют для нагрева тугоплавких металлов и сплавов. После того как будет достигнута требуемая температура, к заготовкам с помощью механического, гидравлического или пневматического прижима 5 в течение 5…20 мин прикладывают небольшое давление порядка 1…20 МПа. При таком термомеханическом воздействии возникает явление ползучести, приводящее к разрушению малопластичных поверхностных плёнок и резкому возрастанию площади физического контакта до 95% от номинальной поверхности. Завершение процесса образования контакта происходит в результате диффузионного зарастания оставшихся несплошностей.

3 1 4 Р 5 2 Рис. 5.25. Диффузионная сварка: 1 – заготовка; 2 – опора; 3 – охлаждаемая вакуумная камера; 4 – нагреватель; 5 – прижим

Для получения высококачественного соединения свариваемые поверхности заготовок должны быть предварительно тщательно очищены от окислов и загрязнений, а их нагрев в процессе диффузионной сварки должен быть равномерным по всей площади соприкосновения. При нагреве в вакууме тончайшие адсорбированные и масляные плёнки испаряются и не препятствуют образованию соединения.

Достоинством диффузионной сварки является возможность соединения не только однородных, но и разнородных материалов (например, металл с керамикой) с образованием прочных промежуточных слоёв. Полученные соединения происходят без какого-либо изменения физико-механических свойств заготовок и, как правило, не нуждаются в последующей механической обработке.

Диффузионную сварку применяют в космической технике и радиоэлектронике, в самолёто- и приборостроении, при производстве вакуумных приборов, высокотемпературных нагревателей, инструментов, а также в пищевой промышленности.

5.14. Влияние остаточных напряжений и деформаций на форму и размеры сварной конструкции

Для лучшего понимания возникновения сварочных напряжений и деформаций предварительно сделаем анализ на основе сведений, полученных в курсе сопротивления материалов.

Сначала условно представим показанные в плане заготовку 1 (рис. 5.26-а) и накладываемый на неё по всей длине продольный сварной шов 2 в виде двух раздельных объектов. Заготовка 1 в исходном состоянии не нагрета, т.е. имеет комнатную температуру. В отличие от неё сварной шов 2 в процессе получения был расплавлен, то есть в начальный момент своего образования имеет очень высокую температуру. Из сопротивления материалов известно, что приращение длины l любого тела, обусловленное температурным воздействием, определяется формулой

, (5.1)

где  – коэффициент температурного расширения материала, t – приращение температуры, l – начальная длина нагреваемого участка тела в направлении температурной деформации.

l2 в) а) б) l1 г) Рис. 5.26. Иллюстрация образования напряжений и деформаций в сварных соединениях: а – заготовка и сварной шов, условно представленные раздельно; б – укорочение l1 шва при свободном сокращении; в – совместное сокращение l2 заготовки с приваренным к ней швом; г – совместное сокращение шва и заготовки, имевших одинаковую исходную температуру

Поскольку температура шва в результате остывания начнёт уменьшаться, то приращение температуры t и, соответственно, приращение длины l будут отрицательными, т.е. шов начнёт укорачиваться. Поскольку мы условно считаем шов отдельным объектом, температурному сокращению которого ничто не препятствует, то при полном охлаждении до комнатной температуры он сократится на величину l₁ (рис. 5.26-б), определяемую формулой (5.1), и при этом никаких напряжений внутри шва не возникнет, поскольку отсутствуют силы противодействия.

Совсем иная картина получится в реальных условиях, когда шов в момент окончания своего образования оказывается неразрывно соединённым с заготовкой (рис. 5.26-в). В этом случае ненагретая заготовка будет сильно препятствовать сокращения шва, в результате чего после полного остывания он сможет уменьшить длину не на величину свободного сокращения l₁, а на значительно меньшую величину l₂ (рис. 5.26-в). В итоге, после полного остывания шов останется растянутым силой, действующей на него со стороны заготовки, а заготовку будет сжатой силой, действующей на неё со стороны шва. Таким образом, в шве возникнут остаточные растягивающие напряжения, а в заготовке – наоборот, сжимающие. Очевидно, что эти внутренние силы и напряжения являются взаимно уравновешивающими, поскольку именно достижение равновесия между ними и определяет итоговую величину одинакового общего сокращения заготовки и шва l₂. Величина l₂ окажется тем меньше, чем больше сопротивления окажет сокращению шва заготовка, т.е. чем она будет жёстче (напомним, что, согласно сопротивлению материалов, жёсткость определяется формой и размерами поперечного сечения заготовки, а также модулем упругости её материала). Соответственно, чем жёстче будет заготовка, тем больше получится величина остаточных сварочных напряжений.

Заметим, что в реальности заготовка не только будет препятствовать полному сокращению длины шва, но, даже, нагреваясь отдаваемой им теплотой, будет стремиться его растянуть, что может вызвать пластическую деформацию как самого шва, так и непосредственно контактирующей с ним сильно разогретой зоны температурного влияния, а это, соответственно, приведёт после остывания к дополнительному увеличению остаточных напряжений.

Теперь представим, что заготовка предварительно была подогрета до той температуры, которую будет иметь образующийся сварной шов (рис. 5.26-г). Поскольку, согласно формуле (5.1) при температурном сокращении имеет значение только длина объекта в направлении сокращения, а его жёсткость не играет роли, то в этом случае, естественно, сокращение и шва, и заготовки в результате остывания было бы одинаковым, они бы не оказывали друг другу никакого сопротивления, и никаких бы взаимных остаточных напряжений не возникло. Отсюда вытекает важный практический вывод, что предварительный подогрев заготовки способствует снижению остаточных сварочных напряжений и, соответственно, деформаций, притом тем в большей степени, чем ближе будет исходная температура заготовки к получаемой температуре сварочного шва.

Сварочные напряжения приводят к возникновению рассматриваемых далее дефектов в виде трещин, а, кроме того, вызывают искажение размеров и формы полученного сварного изделия (рис. 5.27). Если шов имеет одинаковую ширину по всей высоте стыка (рис. 5.27-а), то соответственно будут одинаковы и температурные деформации по всей высоте стыка. В результате после охлаждения произойдёт лишь уменьшение размера изделия в горизонтальном направлении без изменения его формы. Но если шов имеет переменную ширину по высоте стыка (рис. 5.27-б), то протяжённость его верхней части l_в в направлении температурного сокращения будет значительно больше, чем протяжённость нижней l_н. В соответствии с формулой (5.1) в результате остывания это вызовет большое сокращение ширины верхней части шва l_в и, соответственно, верхней части всего сварного изделия, и незначительное сокращение ширины нижней части шва l_н. В результате изделие изогнётся в сторону значительно сократившейся верхней части. Аналогичная деформация произойдёт и при одностороннем наложении сварного шва (рис. 5.27-в), поскольку сверху он будет интенсивно сокращаться, а снизу ничто не будет это сокращение уравновешивать. В результате изделие получит характерное искривление.

а) lв lн б) в) Рис. 5.27. Образование сварочных деформаций: а – при шве равной ширины по всей высоте стыка; б – при шве переменной ширины по высоте стыка; в – при одностороннем шве

Следует указать, что сокращения размеров и искривления могут происходить не только в рассмотренной плоскости, но и в других направлениях, поскольку шов в процессе остывания сокращается во всех направлениях. Например, если посмотреть на деформацию изделия в плане при наложении на него сварного шва равной ширины по всей высоте стыка (рис. 5.28-а), то становится очевидно, что шов и, соответственно, изделие сократятся не только в продольном направлении, но и в поперечном, однако поскольку протяжённость шва в поперечном направлении намного меньше, чем в продольном, то в соответствии с формулой (5.1) усадка l_поп также будет намного меньше, чем l_прод. Для компенсации усадок такого рода обычно применяют увеличение размеров заготовок для сварки на величины соответствующих деформаций.

а) г) в) lпрод lпоп б) д) Рис. 5.28. Усадка и варианты устранения изгибных сварочных деформаций: а – продольная lпрод и поперечная lпоп усадки сварного изделия; б – предотвращение изгиба сварного изделия с помощью симметричного шва по высоте стыка; в – компенсация изгиба сварного изделия угловым расположением заготовок перед сваркой; г – компенсация изгиба сварного изделия предварительным обратным изгибом заготовки; д – выправление изогнутой сварной заготовки наложением противоположных холостых сварных швов или разогревом этих же зон до термопластического состояния; е – предотвращение изгиба таврового сварного изделия с помощью рёбер жёсткости

Различные варианты устранения сварочных деформаций типов рис. 5.27-б, в, показаны на рис. 5.28-б–д.

Для предупреждения возникновения высоких сварочных напряжений и деформаций изделий не следует допускать скопления сварных швов или их пересечений друг с другом. Также рекомендуется использовать способы сварки, обеспечивающие минимальный разогрев заготовок. Кроме того, весьма эффективным является предварительный подогрев свариваемых заготовок. Для снятия остаточных напряжений применяют высокий отпуск сварных заготовок, а также прокатку или проковку сварных швов по принципу протяжки. В этом случае шов, стремящийся сжаться, будет принудительно деформирован в направлении увеличения длины, что, соответственно, приведёт к уменьшению растягивающих его остаточных напряжений.

При планировании последующей обработки резанием сварных конструкций с большими остаточными сварочными напряжениями следует учитывать, что снятие слоя металл приводит к нарушению взаимного равновесия внутренних сил, в результате чего после извлечения из закрепляющих приспособлений обработанное изделие может самопроизвольно деформироваться. Поэтому при механической обработке (точении, фрезеровании, сверлении и шлифовании) сварных заготовок часто невозможно добиться высокой точности их размеров и формы.