Кваснiцкий Спецiальнi способи зварювання
.pdfвим. Він запропонував технологічну характеристику процесу, прийняту Міжнародним інститутом зварювання. За цією характеристикою,
дифузійне зварювання матеріалів у твердому стані – це спосіб отримання монолітного з'єднання, що утворюється внаслідок виникнення міжатомних зв'язків у результаті зближення контактних поверхонь за рахунок локальної пластичної деформації при підвищеній температурі, яка забезпечує взаємну дифузію в поверхневих шарах з'єднуваних матеріалів [130].
Дифузійне зварювання застосовують для з'єднання як однорідних, так і різнорідних матеріалів. Температура зварювання в більшості випадків складає 0,6…0,8 температури плавлення (за абсолютною шкалою) металу, що зварюється, або більш легкоплавкого в різнорідних сполученнях.
При з'єднанні однорідних матеріалів параметри режиму зварювання можуть бути розраховані, виходячи з умов утворення фізичного контакту при повзучості та об'ємної взаємодії. Тривалість утворення фізичного контакту визначається за рівняннями (1.27), (1.28), залежно від тиску і температури зварювання. У випадку зварювання різнорідних матеріалів необхідно враховувати тривалість процесу активації більш твердого матеріалу (рівняння (1.39)), а також можливість утворення крихких проміжних фаз, що вимагає жорсткого контролю дифузійних процесів. Дифузійну взаємодію матеріалів, які з'єднуються, можна розрахувати за рівняннями (1.47), (1.53), залежно від схеми з'єднання.
Дифузійне зварювання виконують за двома схемами: без проміжних прокладок і з проміжними прокладками. При зварюванні різнорідних матеріалів, які значно відрізняються за своїми властивостями, наприклад, коефіцієнтами термічного розширення, застосування високопластичних прокладок із нікелю, міді, алюмінію дозволяє знизити рівень напружень у з'єднанні. За допомогою проміжних прокладок
243
можна отримати зварні з'єднання без утворення крихких інтерметалідних фаз між різнорідними матеріалами, знизити температуру зварювання однорідних матеріалів тощо.
Проміжний шар наноситься на поверхні шляхом електролізу, напилюванням у вакуумі, вводиться в стик у вигляді фольги або іншим способом. Хімічний склад прошарку вибирають залежно від роду матеріалів, які зварюються, і вимог до зварного з'єднання. Товщина проміжного шару може бути різною. При цьому прошарок може цілком змінювати свій склад за рахунок дифузії або зберігатися в стику, що необхідно при зварюванні матеріалів з різними властивостями або металів, що утворять крихкі з'єднання. Дифузійне зварювання виконують також із застосуванням прокладок, які розплавляються, активують поверхні і витісняються, а їх залишки дифундують в основний метал. Склад металу в зоні зварювання за рахунок дифузійних процесів наближається до складу основного металу. Цей процес широко застосовується при з'єднанні матеріалів, які погано зварюються плавленням і призначені для роботи при високих температурах та значних навантаженнях. У ньому поєднуються особливості дифузійного зварювання і паяння у вакуумі. Залежно від параметрів режиму, процес може давати з'єднання, які відповідають з'єднанням при дифузійному зварюванні, та з'єднання з окремими ділянками різної довжини, характерними для паяння.
Існує багато схем дифузійного зварювання, спрямованих на інтенсифікацію або чіткий контроль процесів з'єднання [130]. Наприклад, використовують першу стадію повзучості з імпульсним навантаженням, що прискорює процес утворення фізичного контакту з'єднуваних поверхонь; регулюють процес утворення фізичного контакту, змінюючи швидкість переміщення деформуючого пристрою; застосовують імпульсне стиснення поверхонь зі швидкістю 1…30 м/с, що скорочує процес утворення зварного з'єднання до 10–2…10–3 с; зварювання проводять при
244
коливанні температури навколо точки структурних перетворень, що збільшує швидкість дифузійних процесів; використовують пластичнодеформовані прокладки або прокладки з ультрадисперсних порошків; зварювані деталі нагрівають у розведеному стані до різних температур; у зоні з'єднання інтенсифікують деформації зсуву; зварювання проводять у температурному інтервалі надпластичності тощо.
2.7.2. Технологія зварювання. Основними параметрами режиму дифузійного зварювання є температура Т, тиск р, час зварювання t, середовище А (найчастіше використовують вакуум). Для вибору параметрів режиму велике значення має підготовка поверхонь, які з'єднуються [40]. Чим вищий вакуум у зварювальній камері, тим менша взаємодія металу з газами. Однак ступінь вакуумування повинен бути економічно доцільним і технологічно достатнім.
Зварювання більшості металів ведуть у вакуумі порядку 10–2 Па, що досягається за допомогою механічних насосів об'ємної дії та найбільш дешевих дифузійних паромасляних насосів. Зварювання у вакуумі має економічні переваги перед зварюванням у середовищі інертних газів. При цьому не слід забувати про набагато більш досконалий захист вакууму порівняно навіть з високочистими інертними газами, що і визначає широке застосування вакууму при різних способах зварювання, паяння, напилення та інших технологічних процесах.
Підготовка та очистка з'єднуваних поверхонь при дифузійному зварюванні є важливим чинником, який визначає якість з'єднань. Звичайно поверхні зачищають механічною обробкою не гірше шостого класу (Ra = 0,72…0,38 мкм) з наступним знежиренням. Механічна обробка в порівнянні з електролітичною доцільніша, тому що внесені при механічній обробці структурні дефекти прискорюють процес утворення монолітного з'єднання.
Вибір інших параметрів режиму розглянемо, наприклад, для жароміцних сплавів ЭИ602 (ХН75МБТЮ), ЭИ826 (ХН70ВМФТЮ),
245
ЭП99 (ХН50ВМКТЮР) і ВЖ98 (ЭИ868 або ХН60ВТ) [40]. Температуру зварювання жароміцних сплавів призначають, виходячи з впливу температури на їх пластичність та інші властивості, процеси рекристалізації, дифузії, можливу втрату міцності. На рис.2.74 показано вплив температури на пластичність ε жароміцних сплавів Ni–Cr–Al–Co і ЭИ617 (ХН70ВМТЮ), з яких видно, що при температурах вище 1200…1250 °С пластичність сплавів різко падає. Критерієм оцінки пластичності при стискуванні є величина пластичної деформації ε до появи тріщин у металі. Оскільки наведені діаграми є характерними для жароміцних сплавів, то температуру їх зварювання доцільно вибирати в інтервалі 1050…1200 °С.
Рис.2.74. Діаграми технологічної пластичності жароміцних нікелевих сплавів:
1 – сплав Ni–Cr–Al–Co; 2 – сплав ЭИ617
Однією з основних задач, спрямованих на досягнення найкращих властивостей жароміцних сплавів, є виключення можливості утворення їх різнозернистості. Тому в зоні з'єднання при вибраній температурі зварювання необхідно уникати критичних деформацій, при яких величина зерна різко збільшується. Для цього можна користуватися діаграмами рекристалізації сплавів.
Діаграми рекристалізації сплавів можуть бути побудовані щодо умов дифузійного зварювання. У цьому випадку для зручності вибору режимів зварювання замість величини деформації відкладають величину тиску, що діє протягом певного часу зварювання. Таку діаграму показано
246
на рис.2.75,а. Розподіл деформацій, що визначалися на базі 1 мм, по осі дії тиску показано нарис.2.75,б. Час зварювання складав 6 хвилин.
а |
б |
Рис.2.75. Вплив тиску при температурах зварювання 1100 (1), 1175 (2) і 1200 ºС (3) на величину зерна жароміцного сплаву ЭП99 у зоні стика (а) і розподіл деформацій (укорочення) по осі дії тиску при Т = 1150 °С, р = 40 МПа (б)
У п.1.7 відзначалося, що локальна деформація при ДЗВ складає 40…60 %, але зона її локалізації менша, ніж 30…50 мкм. Тому для побудови діаграм рекристалізації необхідно визначати величину макродеформації на базі 1 мм.
Тиск і час зварювання можуть бути розраховані за необхідною при заданій обробці поверхонь величиною пластичної деформації і швидкістю повзучості жароміцних сплавів відповідно до рівняння (1.28). Для сплавів ЭИ602, ЭИ826, ЭП99 постійні повзучості відповід-
но дорівнюють: В = 7,24·10–6; 6,05·10–6 і 5,46·10–6; т = 3,786; 3,730; 3,810; енергія активації повзучості ∆Нп = 345, 372 і 375 кДж/моль. Постійні B і m для різних сплавів змінюються мало. Енергія активації повзучості з підвищенням жароміцності сплавів зростає. Для диспер- сійно-зміцнюваних сплавів ЭИ826 і ЭП99 вона вища, ніж для незміцнюваного ЭИ602. Використовуючи наведені дані, можна визначити час утворення фізичного контакту. При температурах 1175…1200 °С, тиску 30 МПа і обробці поверхонь по 7–8-му класах цей час для жароміцних сплавів складає секунди.
247
Вплив режимів зварювання на механічні властивості з'єднань деяких жароміцних сплавів показано на рис.2.76–2.78. Графіки рис.2.76 побудовані для сплавів ЭП99 та ЭИ602 при часі зварювання 6 хв, для сплаву ВЖ98 – 30 хв.
а
б |
в |
Рис.2.76. Вплив тиску зварювання на властивості з'єднань при нормальній температурі сплавів ЭП99 (а), ЭИ602 (б), ВЖ98 (в) і при температурах зварювання:
1 – 1100; 2 – 1150; 3 – 1175; 4 – 1200 ºС
У всіх випадках зварювання сплавів зразки стискували за допомогою гідропресу, але для сплаву ВЖ98 тиск підтримували однаковим протягом всього циклу зварювання, а для сплавів ЭИ602 і ЭП99 – лише протягом 4…6 с і при його зниженні за рахунок повзучості не від-
248
новлювали. Цим пояснюється суттєва різниця в тисках при зварюванні вказаних сплавів.
Із рівнянь повзучості і дифузії (розділ 1) видно, що температура, тиск і час зварювання взаємопов'язані. Підвищення температури призводить до росту швидкості повзучості, прискорення дифузійних процесів та рекристалізації, що скорочує час, необхідний для утворення якісного зварного з'єднання. Аналогічно впливає тиск. Вивчення фрактографій (поверхні руйнування з'єднань) при зварюванні сплаву ЭП99 показало, що при температурі 1100 °С і тиску 10 МПа за 6 хв забезпечується фактичний контакт лише на 20…30 % всієї площі поверхні. Механічні властивості таких з'єднань дуже низькі. Тиск 15 МПа забезпечує фактичний контакт поверхонь на 60 % площі, при 20 МПа – 90 %, а при 25 МПа – 100 % всієї площі. При тисках 25 МПа і більше, не вважаючи на 100 % забезпечення фактичного контакту, міцність та особливо пластичність з'єднань низькі. Границі зерен орієнтовані по стику, де і руйнувалися зразки.
Якщо з'єднання зі сплаву ЭП99 при температурі зварювання 1100 °С мають механічні властивості значно нижчі, ніж основний метал, то з'єднання зі сплаву ЭИ602 мають властивості, близькі до властивостей основного металу. Це пояснюється меншою жароміцністю сплаву ЭИ602 і відповідно вищою дифузійною рухомістю атомів сплаву. На відміну від сплаву ЭП99, у з'єднаннях сплаву ЭИ602 зерна на окремих ділянках переростають стик. Підвищення температури зварювання до 1150…1175 °С забезпечує зростання міцності і пластичності також з'єднань сплавів ЭП99 і ВЖ98. У зоні стика утворюються спільні зерна. Характер впливу тиску на властивості з'єднань з підвищенням температури не змінюється, хоча фізичний контакт з'єднаних поверхонь досягається при менших тисках, але при тій же величині загальної пластичної деформації зразків (близько 3 % для сплавів ЭП99 і ЭИ602). Для кожної температури існує певний мінімальний тиск, що забезпечує 100%-й фі-
249
зичний контакт поверхонь за даний час. Експериментальні результати добре узгоджуються з розрахунками.
Вплив температури зварювання на властивості з'єднань сплавів показано на рис.2.77. Для сплаву ВЖ98 показано також величину пластичної деформації ε зразків при зварюванні. Час зварювання сплавів ЭП99 та ЭИ602 складав 6 хв, сплаву ВЖ98 – 30 хв.
а
б в
Рис.2.77. Вплив температури на властивості з'єднань при нормальній температурі сплавів ЭП99 (а), ЭИ602 (б), ВЖ98 (в) при тисках:
1 – 10; 2 – 15; 3 – 20; 4 – 25; 5 – 30; 6 – 35; 7 – 40 МПа
Із підвищенням температури до 1150 °С міцність і особливо пластичність з'єднань зростають. У зоні стика проходить рекристалізація. При температурах вище 1175 °С для більшості дисперсійно-зміцнених сплавів у зоні стика спостерігається розчинення зміцнюючих фаз. Ступінь розчинення зростає зі збільшенням часу зварювання. Підвищення температури вище 1200 °С для більшості сплавів викликає ін-
250
тенсивний ріст зерна. При температурі 1250 °С навіть низькі тиски зварювання багатьох сплавів призводять до утворення тріщин, що підтверджує необхідність врахування діаграм технологічної пластичності при виборі режимів зварювання.
При дифузійному зварюванні, залежно від параметрів режиму, спостерігається певна пластична деформація металу і деякі характерні для неї явища, розглянуті в розділі 1: утворення двійникових зерен, субзерен, рекристалізація, полігонізація, міграція границь зерен тощо. Двійникові зерна утворюються за рахунок одночасного ковзання по системі атомних площин і повороту деформованої частини кристалу. Утворення субзерен, що мають будову, близьку до досконалої, і різну орієнтацію, обумовлене величиною деформації і температурою. Чим вища температура зварювання, тим менші деформації (тиски) призводять до утворення субструктури. Наприклад, при зварюванні сплаву ЭП99 утворення субструктури спостерігали при температурі 1175 °С, тиску 30 МПа і часі зварювання 6 хв. При температурі 1200 °С аналогічна структура утворювалась при тиску 20 МПа.
При зварюванні в зоні тиску внаслідок деформації мікровиступів проходить подрібнення зерен, що мало помітне при збільшенні ×200, але чітко виявляється при збільшенні ×1000.
При дифузійному зварюванні сплавів ЭИ602 і ЭП99 можливе виявлення ефекту термомеханічної обробки. Цим можна пояснити високі механічні властивості з'єднань при часі зварювання до 6 с при умові забезпечення фізичного контакту поверхонь (рис.2.78).
Сплав ВЖ98 зварювали при температурі 1200 °С та тиску 20 МПа. Зразки сплавів ЭП99 та ЭИ602 нагрівали до температури 1150 °С протягом 3 хв, а потім стискували тиском 30 МПа сплав ЭИ602 і 40 МПа – сплав ЭП99. Через 6 с охолоджували зразки на повітрі. При цьому зварні з'єднання мали порівняно високі механічні властивості. Збільшення часу зварювання до 1 хв знижувало механічні властивості з'єд-
251
нань, що пов'язано з розвитком процесу рекристалізації і зняттям ефекту термомеханічної обробки. Подальше підвищення механічних властивостей з'єднань при збільшені часу зварювання до 6 хв пов'язане з розвитком процесів об'ємної взаємодії і досконалості структури металу. Коли після витримки при температурі зварювання 1 хв на зразках відновлювали початковий тиск і зразу охолоджували на повітрі, то механічні властивості з'єднаньпідвищувались.
а б
Рис.2.78. Вплив часу зварювання на властивості з'єднань при нормальній температурі сплавів ЭП99 (1); ЭИ602 (2) – (а) та сплаву ВЖ98 (б)
У роботах М.Л. Бернштейна [8] показано, що ефект термомеханічної обробки жароміцних сплавів виявляється при пластичній деформації 10…50 % в області температур 1100…1200 °С із наступним швидким охолодженням як у воді, так і на повітрі. З рис.2.75,б видно, що деформація металу в зоні стика може перевищувати 10 %, а дійсна деформація мікровиступів значно вища і, за данимироботи[88], досягає40…60 %.
Описаний характер впливу часу зварювання на властивості зварних з'єднань спостерігався лише при тисках, які забезпечували утворення фізичного контакту з'єднуваних поверхонь за рахунок пластичної деформації протягом декількох секунд. Про утворення такого контакту свідчить те, що витримка зразків протягом 5 хв при температурі зварювання без тиску, який було знято після 10 с, забезпечила рівно-
252