Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Сварка и свариваемые материалы. Том 2. Технология и оборудование

.pdf
Скачиваний:
59
Добавлен:
15.11.2022
Размер:
24.24 Mб
Скачать

Ограничения применения и недостатки технологии

— В большинстве случаев длительность цикла сварки значи­ тельна, что ограничивает производительность процесса.

Сложность оборудования (особенно вакуумного) и тех­ нологической оснастки, подвергающейся одновременному на­ греву и нагружению, предъявляет высокие требования к тех­ ническому уровню производства.

Размеры изделий, как правило, ограничиваются типом

применяемых сварочных установок.

Высокие требования к качеству контактных поверхностей удорожают процесс в целом.

Известные методы неразрушающего контроля в связи со спецификой дефектов сварных швов имеют сравнительно -низ­ кую эффективность.

10.2.Технология

10.2.1. Типы и конструкции соединений

Могут быть использованы все типы соединений, известные в практике сварки и пайки (рис. 10.3). При этом основным усло­ вием является возможность обеспечения плотного и свободного прилегания соединяемых поверхностей по всей площади касания.

Рис. 10.3. Варианты соединений при диффузионной сварке:

в — массивные

детали

(H/D<6)

(соединение

по торцевой

поверхности); б — листо­

вые элементы

и

массивная

деталь

(Н/6< 10):

в —трубки,

соединяемые по концу

(6Д>>0,2, H/D<6);

г — многослойный

пакет (o/D>0,2, H/D<6);

д — цилиндрические

поверхности (L/D<6);

е —то

же

(0.5<I/D<5,

0>0,05); ас —то

же для многослой­

ной заготовки

(0JS<L/D<6, б >0,06)

 

 

 

 

Поскольку деформация свариваемых деталей в большин­ стве случаев ограничена, в случае повышенных требований к механическим свойствам предпочтительным является приме­

нение механической

обработки зоны соединения после сварки

с целью удаления

краевых дефектов (непроваров) или для

получения более целесообразной геометрии соединения в слу­ чае тавровых и угловых швов (например, для формирования радиуса в зоне концентратора напряжений).

Элементы сварных узлов, к которым предъявляются наи­ более высокие требования по вакуумной плотности, рекомен­ дуется изготавливать таким образом, чтобы волокна текстуры материала начинались и заканчивались в пределах вакуумной полости или сварного соединения.

10.2.2. Подготовка поверхности

Свариваемые поверхности должны быть обработаны с чистотой поверхности при < 1,25 мкм по ГОСТ 2789—73. Предпочтительно применение механи­ ческой обработки.

Непосредственно перед сваркой детали проходят очистку от жировых и других загрязнений, а также от оксидов методами электрохимической или хи­ мической обработки (травление, обезжиривание, электрополировка). Такой же обработке подвергают промежуточные прокладки из фольги, если они приме­ няются. Эффективно использование электрического разряда для очистки по­ верхности непосредственно в рабочей камере перед сваркой.

10.2.3. Применение покрытий и промежуточных прокладок

Покрытия наносят чаще всего гальваническим, химическим или термовакуумным методами на одну или обе свариваемые детали, но, как правило, только в пределах площади их кон­ тактирования. При сварке мелких деталей допускается нанесе­ ние покрытия на всю поверхность. Покрытия применяют для защиты от окисления в процессе нагрева при сварке сплавов, в состав которых входят активные по отношению к кислороду элементы (Сг, А1 и др.). Чаще всего используют никелевое, медное или серебряное покрытие толщиной 5—10 мкм.

При сварке материалов, образующих в контакте при тем­ пературе процесса интерметаллидные фазы, необходимо при­ менение барьерных прослоек *. Для этого могут быть исполь­ зованы покрытия достаточной толщины, а также фольговые прокладки, изготавливаемые по форме площади контактирова­ ния. В этом случае основное требование при выборе типа по­ крытия или прокладки — совместимость с каждым из сваривае-1

1 Необходимость в барьерных прослойках может быть исключена сниже­ нием температуры сварки или ограничением времени нагрева.

мых сплавов. При необходимости прокладки могут быть мно­ гослойными или применяться в сочетании с покрытиями.

Сравнительно толстые (100—500

мкм) фольговые прокладки

из пластичных металлов (Ni, Си,

Ti, А1 и др.) применяют

с целью интенсификации пластической деформации в контакт­ ной зоне. Необходимость этого возникает в случае, когда сое­ диняемые материалы имеют ограниченную деформационную способность в интервале режимов сварки (керамика, жаро­ прочные сплавы), а также когда контактирующие поверхности грубо обработаны или плохо взаимно сопрягаются.

Ту же цель достигают применением порошковых прокладок, изготовленных предварительным формованием в виде заклад­ ных элементов (лент, шайб, таблеток) из промышленных по­ рошков никеля, меди, титана и др. (размер частиц 50— 100 мкм), а также из специальных ультрадисперсных порош­ ков (частицы <1 мкм). В последнем случае применение про­ слоек позволяет существенно снизить температуру диффузион­ ной сварки.

Толстые промежуточные прослойки необходимы также в случае, когда соединяемые материалы в разнородной паре имеют сильно различающееся тепловое расширение в темпера­ турном интервале режимов сварки. Такие прокладки компен­ сируют за счет пластической деформации остаточные напря­ жения в соединении, возникающие при охлаждении, и преду­ преждают самопроизвольное разрушение конструкции.

Особое место в технологии диффузионной сварки занимают р а с п л а в л я ю щ и е с я п р о с л о й к и 1. Жидкая фаза в зоне соединения образуется за счет применения прослоек, имеющих температуру плавления ниже температуры плавления свари­ ваемых материалов (чаще в результате протекания эвтектиче­ ской реакции или непосредственно между свариваемыми мате­ риалами, или между ними и специально введенной прослойкой; такие прослойки применяют в виде покрытий, фолы и порош­ ковых смесей, а также в любом их сочетании).

Наличие жидкой фазы в зоне контакта позволяет ограни­ чить деформирующую нагрузку, снизить температуру сварки, активизировать процесс формирования контакта, что важно, например, при соединении труднодеформируемых жаропрочных сплавов, керамик, сложнолегированных сплавов и других ма­ териалов.

Для повышения жаропрочности и коррозионной стойкости сварных соединений в этом случае целесообразно применять послесварочный гомогенизирующий отжиг для выравнивания химического состава в зоне контакта.1

1 Такой процесс в литературе иногда называют «диффузионная пайка», однако от пайки его отличает применение давления на контактных поверхно­ стях, а также ограниченное количество жидкой фазы.

Систематизированный обзор конкретных вариантов про­ слоек, применяемых при диффузионной сварке, можно найти

в[4].

10.2.4.Предохранение от приваривания к оснастке

Применяют покрытия на основе оксида алюминия или смесей, замешиваемых на акриловой смоле, поливиниловом спирте, бензоле, ацетоне и других рас­ творителях [4].

В качестве изолирующих прокладок могут быть использованы слюда, алунд, карбонитрид бора, керамики, волокнистые термостойкие тканые мате­ риалы или стеклоткани. Последние удобны при сварке деталей сложной формы и могут быть заранее раскроены. После сварки остатки такой про­ кладки счищают щеткой.

Для предупреждения приваривания оснастку из нержавеющей стали окси­ дируют отжигом в водороде с точкой росы от —20 до +10 °С при темпера­ туре 900—950 “С.

10.2.5. Выбор параметров режима Рабочие среды

В зависимости от свойств свариваемых материалов степень разрежения в вакуумной камере выбирается в диапазоне 1,3— 1,3 • 10-4 Па. При сварке малоуглеродистых сталей, меди, ни­ келя требования к остаточному давлению наименее жесткие. Присутствие в сплавах хрома, алюминия, титана, вольфрама и других активных элементов приводит к необходимости сни­ жения остаточного давления в пределах указанного диапазона в тем большей степени, чем выше активность элемента и его содержание в сплаве.

В качестве контролируемых атмосфер применяют осушен­ ные аргон или гелий, очищенные и осушенные водород, азот или смесь азота с 6— 8 % водорода.

На воздухе сваривают малоуглеродистые и некоторые ин­ струментальные стали. При этом контактные поверхности за­ готовок после механической обработки защищают от окисле­ ния консервирующим покрытием: эпоксидной смолой или гли­ церином. При нагреве зоны стыка в процессе сварки покрытие выгорает без остатка, а образующиеся газы защищают зону сварки от окисления.

Состав соляных ванн для диффузионной сварки определя­ ется необходимой температурой, например 850—870 °С при

использовании

расплава NaCl, 1000—1150 °С —для ВаСЬ,

700—950 °С для смеси 70 % ВаСЬ+30 % КС1.

 

Параметры термодеформационного воздействия

 

 

При

сварке

по

схеме

с в о б о д н о г о

д е ф о р м и р о в а н и я (см.

рис. 10.1, а)

основными параметрами являются

температура

Т, давление р;

время

выдержки t

(или

степень остаточной

деформации

ев*). Указанные

ОРИЕНТИРОВОЧНЫЕ

РЕЖИМЫ СВАРКИ* НАИБОЛЕЕ

 

РАСПРОСТРАНЕННЫХ

МАТЕРИАЛОВ,

ПРИМЕНЯЕМЫХ

 

 

В ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКЕ

 

 

Свариваемые материалы

 

т, °с

р, МПа

'« • “ив

Рост- п>

 

 

 

 

 

Никель НП1 с никелем НП1

 

1000

15,0

10

1,3.10-*

Сплав 29НК со сплавом 29НК

 

1100

20,0

25

6,7.10-»

Медь МВ с медью МВ

 

850—900

7,0

20

1,3.10-*

Бериллиевая бронза БрБ2 с бериллие-

850

10,0

10

1,3.10-*

вой бронзой БрБ2

 

 

 

 

 

Дуралюмин с дуралюмином

 

550

4,0

13

1,3.10-*

Сплав АМц со сплавом АМц

 

590

5,0

20

1,3.10-*

Титан ВТ-1 с алюминием АВ

 

560

12,0

10

1,3.10-*

Титан ВТ-1 с титаном ВТ-1

 

800

7,0

6

1,3.10-»

Молибден МЧ с молибденом МЧ

 

1900

10,0

20

1,3.10"»

Никель НП1 с титаном ВТ1

 

700

10,0

10

1,3.10-»

Никель НП1 с медью МВ

 

900

15,0

20

1,3.10-»

Никель НП1 с молибденом МЧ

 

1000

15,0

10

1,3.10-»

Никель НП1 с вольфрамом

 

1100

15,0

20

1,3.10-»

Медь МВ со сталью

 

1000

10,0

15

1,3.10-*

Медь МВ со сплавом АМц

 

510

7,0

15

1,3.10-*

Медь МВ со сплавом 29НК

 

950

7,0

10

1,3.10-*

Медь МВ с алюминием А00

 

520

10,0

10

1,3.10-*

Медь МВ с дуралюмином

 

600

5,0

15

1,3.10-*

Медь МВ с титаном ВТ-1

 

700

6,0

20

1,3.10-*

Медь МВ с молибденом МЧ

 

900

7,5

20

1,3.10-*

Медь МВ с платиной

 

850

7,5

10

1,3.10-»

Медь МВ с Константином

 

950

20,0

15

1,3.10"»

Медь МВ с молибденом

 

940

20,0

10

1,3.10-*

Сталь 10 со сталью НЖВ

 

1000

15,0

10

1,3.10-»

Сталь 45 со сталью ХВГ

 

1100

15,0

10

1,3.10"»

Сталь с молибденом МЧ

 

1200

5,0

10

1,3.10-*

Сталь 12Х18Н10Т со сталью

 

1100

10,0

15

1,3.10-»

12Х18Н10Т

 

 

1000

13,0

15

1,3.10-*

Молибден МЧ со сплавом Pt—Ва

 

Молибден МЧ со сплавом Pd—Ва

1000

13,0

15

1,3.10-*

Молибден МЧ с вольфрамом ВPH

 

2100

15,0

10

1,3.10"»

Молибден МЧ

с ниобием

 

1600

20,0

25

1,3.10-*

Молибден МЧ

с платиной

 

1000

13,0

15

1,3.10-*

Никель НВК со сплавом 29НК, со спла­

900

7.0

20

6,7.10-*

вом фени, с рением

 

 

 

 

 

П р и м е ч а н и я : 1. Необходим

предварительный

отжиг

в водороде:

для никеля

НП1 при 850° 0/15 мин; для сплава 29НК при 800° С/30 мни. 2. Алюминий и его сплавы после обработки свариваемых поверхностей сразу же устанавливать в вакуумную камеру для сварки. 3. Медь отжигать в водороде при 600 вС/30 мин. 4. Молибден МЧ отжигать в водороде при 900 °С/10 мин. 5. Отжиг проводить непосредственно перед сваркой.

* Параметры режима сварки: Т — температура нагрева, р — удельное давление, <Св— время сварки, Рост — давление остаточных газов в камере.

параметры являются взаимозависимыми величинами, одинаково (но в разной степени) влияющими на прочность сварного соединения. Поэтому оптималь­ ные их значения обычно устанавливают экспериментально (табл. 10.1).

В ряде случаев перед сваркой рекомендуется проведение термической об­ работки деталей, в том числе в активных газовых средах (вакуум, водород). Целью обработки является стабилизация структуры материала, а также ис­ ходного состояния контактных поверхностей, что заметно улучшает сваривае­ мость.

Температуру

сварки

выбирают в диапазоне (0,7—0,8) Гпл, иногда не­

сколько ниже, до

0,57пл

(здесь Тпл — температура плавления свариваемого

материала). Для тугоплавких и жаропрочных материалов температура может быть выше указанного диапазона.

Скорости нагрева и охлаждения зависят от источника тепла и в боль­ шинстве случаев их не регламентируют. При сварке разнородных сочетаний материалов, термический коэффициент линейного расширения которых раз­ личается более чем на 2 • 10~в град-1, скорость охлаждения Целесообразно уменьшать до 10—15 °С/мин.

Разгерметизацию камеры при сварке деталей из черных металлов реко­ мендуют проводить при температуре не выше 120 °С, а для цветных и актив­ ных металлов — при 60 °С.

Давление выбирают в диапазоне 0,8—0,9 предела текучести при темпе­ ратуре сварки. Для известных конструкционных материалов оно может из­ меняться в диапазоне 1—100 МПа.

Время выдержки в зависимости от температуры, давления, допустимой остаточной деформации, чистоты обработки контактных поверхностей и дефор­

мационной способности

материала

может

колебаться

от нескольких секунд

до нескольких часов (чаще 5—-10 мин).

основными

параметрами являются:

При ДСПД-процессе

(см. рис.

10.1,6)

температура 7\ скорость роста нагрузки Р, скорость деформирования е, время деформирования t (или степень накопленной деформации еСв), время вы­ держки в режиме релаксации /рел. Сопротивление деформированию Р в этом случае является зависимым параметром. Его величина, а также есв .регистри­ руются непосредственно в течение всего цикла сварки (рис. 10.3) в виде диаграммы. Оба параметра могут быть использованы для контроля и управ­ ления качеством соединения.

Температуру и время деформирования назначают аналогично указанным

выше значениям. Скорость деформирования е по данным [4, 5] для сплавов ВТ-6 и никеля НП2 целесообразно принимать в диапазоне 10^4—10~5 c-i.

Для других материалов е необходимо подбирать экспериментально.

10.2.6. Пути интенсификации

Повышения производительности процесса добиваются, главным образом, усовершенствованием сварочного оборудования в на­ правлении сокращения наиболее длительных этапов цикла сварки — вакуумирования, нагрева, охлаждения. С этой целью используют многопозиционные приспособления, многокамерные установки, а также автоматические конвейерные системы.

Под интенсификацией процесса формирования соединения подразумевается сокращение времени выдержки при сварке, снижение температуры процесса, повышение эксплуатацион­ ных свойств сварного шва [4].

Применение пластичных, расплавляющихся и порошковых промежуточных прослоек позволяет снизить температуру цро-

цесса, в некоторых случаях существенно. Известны приемы создания пластичного приповерхностного слоя, облегчающего смятие микровыступов в контакте и активацию поверхностей. Например, при сварке титановых сплавов это достигается леги­ рованием зоны соединения р-стабилизаторами. Применительно к сталям пластичный слой создают за счет предварительного обезуглероживания при высоких температурах. Высокопрочные никелевые сплавы перед сваркой обрабатывают в смеси газов:

40—30 % Не, 70—90 % Н2. Температура

обработки 1100—

1300 °С, выдержка

10—30 ч.

в приконтактных

Активировать

диффузионные процессы

слоях при сварке тугоплавких и разнородных материалов можно предварительной электроэрозионной обработкой поверх­ ностей. Это позволяет снизить температуру сварки и исключить образование интерметаллидов.

При сварке диэлектриков с металлами (например, стекло — металл) применяют электрическое поле высокого напряжения, позволяющее в результате действия электроадгезионного эф­ фекта существенно снизить температуру сварки и уменьшить остаточные напряжения в стекле.

Для интенсификации пластической деформации за счет ак­ тивации диффузионных процессов применяется циклическое из­ менение температуры. При сварке сплавов, испытывающих полиморфное превращение, термоциклирование проводят вблизи интервала превращения.

Термодеформационный цикл при ДСПД осуществляется под непрерывным контролем, поэтому возникает возможность обеспечить строгую согласованность всех его этапов. Исполь­ зование сложных циклов нагружения, деформирования и разгружения после сварки, назначенных с учетом деформацион­ ной способности свариваемых материалов, а также состояния контактных поверхностей, позволяет активно управлять про­ цессом формирования соединения и его свойствами [5].

10.3. Технологическая оснастка и оборудование

Практическое применение диффузионной сварки в производ­ стве связано в большинстве случаев с использованием специ­ ального технологического оборудования (установки для диф­ фузионной сварки), при необходимости укомплектованного до­ полнительными приспособлениями.

10.3.1. Основные типы приспособлений

Сдавливание и деформирование деталей при диффузионной сварке проводят прикладывая усилие перпендикулярно поверхности контактирования. Наи­ более просто это осуществляется при плоских свариваемых поверхностях,

 

 

 

 

которые следует считать

предпочти­

 

 

 

 

тельными. В этом случае усилие, как

 

 

 

 

правило,

передается

непосредствен­

 

 

 

 

но или через приспособление (рис.

 

 

 

 

10.4) от рабочих пуансонов свароч­

 

 

 

 

ной машины к деталям. Для взаим­

 

 

 

 

ного фиксирования

свариваемых эле­

 

 

 

 

ментов

предварительно

выбирают

 

 

 

 

рациональную

конструкцию или про­

 

 

 

 

стейшие средства с тем, чтобы по

 

 

 

 

возможности обойтись

без дополни­

 

 

 

 

тельных

приспособлений,

которые

 

 

 

 

усложняют

сборку,

увеличивают на­

 

 

 

 

греваемую

массу

металла.

Кроме

 

 

 

 

того, при этом возможно схватыва­

 

 

 

 

ние деталей

с оснасткой.

 

 

 

 

 

 

С этой целью могут быть ис­

 

 

 

 

пользованы

технологические

уступы,

 

 

 

 

проточки,

буртики

для

фиксирова­

Рис. 10.4. Типовая конструкция простей­

ния,

которые

после

сварки

могут

удаляться

механической обработкой.

шего многоместного приспособления

для

диффузионной сварки:

 

 

На

практике простые

по

форме де­

/ — шарик;

2 — прижим;

3 — пуансон;

тали

собирают

с

помощью

полосок

4 — корпус;

5 — тепловой

экран; 6 — цен­

фольги,

закрепляемых

контактной

трирующая

оправка; 7 — свариваемые

де­

точечной

сваркой

или

вязальной

тали

 

 

 

проволокой. Во всех случаях основ­

 

 

 

 

ным требованием правильной

сборки

является свободное прилегание свариваемых поверхностей.

Применительно к деталям сложной формы (например, телескопические конструкции) для создания давления чаще всего применяют метод термо-

/ — конусный пуансон; 2 — оправ-

/ — фланец;

2 — стяжной

болт;

3 цен­

ка; 3 — свариваемые детали

трирующее

отверстие;

4 — компенсирую,

 

щие прокладки; 5 —- свариваемые

детали

натяга (рис. 10.5). Метод термонатяга может быть использован и при сварке сравнительно простых по форме деталей в сочетании с многоместными приспо­ соблениями (рис. 10.6), что существенно повышает производительность и уп­ рощает технологию. В обоих случаях для нагрева пригодны универсальные вакуумные печи или печи с контролируемой атмосферой, в том числе шлюзо­ вые и конвейерные. При расчете основных размеров приспособлений исходят из требуемого для сварки удельного давления и разницы температурных ко­ эффициентов линейных расширений свариваемых материалов и стягивающих элементов оснастки.

Для изготовления деталей Приспособлений рекомендуются высокохроми­ стые стали и сплавы (например, 0Х27Ю5А, Х25Н20, Х20Н80, 12Х18Н10Т, 12X13, 20X13), молибден (МРН и др.), графит (МПГ-6, МПГ-7). Приспособ­ ления из графита перед использованием отжигают в вакууме при 1300 °С.

10.3.2. Герметизируемые контейнеры

Применение диффузионной сварки крупногабаритных деталей сдерживается отсутствием специализированного оборудования. В связи с этим для практики представляют интерес техниче­ ские решения, предполагающие использование стандартного прессового оборудования. Свариваемые заготовки предвари­ тельно укладывают в тонкостенный контейнер, изготовленный по форме собранного узла. Контейнер герметизируют, обвари­ вая по периметру, и после вакуумирования внутренней полости осуществляют нагрев и сжатие заготовок с помощью пресса,

Вне. 10.7. Диффузионная сварка в герметичном контейнере [4]:

1—плита прЧса;

2 — свариваемые детали; 3 — контейнер; 4 — вакуумная трубка; 5 —

вакуумный

f\ — нагревательные плиты; 7 — нагреватели

оснащенного сравнительно простыми нагревательными элемен­ тами (рис. 10.7). В некоторых случаях герметизируют прост­ ранство только между соединяемыми поверхностями. Для этого обваривают детали по периметру контактных поверхностей не­ посредственно или с использованием специальных манжет из жаропрочного сплава или гофрированных элементов.

10.3.3. Универсальные установки

Установки для диффузионной сварки в общем случае имеют рабочую камеру, механизм для создания сварочного давления или деформирования, систему для получения рабочей среды (вакуума или газовой среды), аппаратуру управления и конт­ роля [1]. Применяемое на практике оборудование имеет боль­ шое разнообразие конструктивного решения функциональных узлов и систем, обусловленное, главным образом, габаритами свариваемых узлов, степенью их прецизионности, применяе­ мыми материалами и необходимой производительностью. Эти требования определяют в основном выбор систем нагрева, ва­ риантов рабочей среды, нагружения или деформирования.

Внастоящее время в эксплуатации находятся универсаль­ ные установки разных модификаций типа СДВУ, УДС, А-306, А-308, ОЗД, УДСПД и др.

Вобщем случае наиболее интересные технические решения направлены на повышение производительности универсальных установок. С этой целью применяют принципы создания много­ камерных комплексов (установка УДС-ЗМ) или полностью

автоматизированных конвейерных систем (УДС-5, УДС'б).

В установках типа УДСПД, разработанных для реализации принципов контролируемого нагружения и деформирования (ДСПД-процесс), в качестве системы нагружения использу­ ются силовые элементы универсальных испытательных машин.

Учитывая современную тенденцию применения диффузион­ ной сварки для изготовления крупногабаритных изделий слож­ ной формы проводятся работы по созданию крупногабаритных установок модульного типа [4]. Модуль такой установки снаб­ жен автономными системами вакуумирования, нагрева и сжа­ тия. В зависимости от размеров свариваемой конструкции монтируется необходимое количество модулей. Отдельная зад­ няя стенка и передняя сдвижная дверца' ограничивают в це­ лом рабочее пространство установки. Конструкция модулей предусматривает возможность изменения рабочего простран­ ства в вертикальном направлении.