Кваснiцкий Спецiальнi способи зварювання

цінність з'єднань і основного металу за механічними властивостями. При тиску 20 МПа його необхідно було підтримувати протягом 3…4 хв, щоб забезпечити фізичний контакт поверхонь за рахунок деформації повзучості при постійному тиску. Загальним критерієм оцінки впливу тиску є величина пластичної деформації. У більшості випадків рівноцінність зварних з'єднань та основного металу досягали при деформації сплавів у зоні стика не менше 5 %.

Дослідження мікроструктури і механічних властивостей з'єднань показали, що момент утворення фізичного контакту не збігається з моментом досягнення рівноміцності з'єднань та основного металу. Досягненню рівноміцності сприяють об'ємні процеси дифузії і рекристалізації, які забезпечують зарощування мікродефектів, розчинення оксидних плівок, утворення спільних зерен. Мікроструктуру з'єднання сплаву ЭИ602 показано на рис.2.79.

Рис.2.79. Мікроструктура з'єднання сплаву ЭИ602; ×200 (зменшено при друкуванні в 2 рази)

В УДМТУ розроблено технологію з'єднання жароміцних сплавів із застосуванням проміжних прокладок [59,89]. Використання прокладок (прошарків), які розплавляються і витісняються, дозволяє зменшити тиск і пластичні деформації, полегшує видалення оксидних плівок, підвищує надійність з'єднань. Мікроструктуру таких з'єднань показано на рис.2.80.

253

При використанні фольги цирконію вона розплавляється внаслідок контактно-реактивної взаємодії з жароміцним сплавом та утворення евтектики.

Рис.2.80. Мікроструктура дифузійнозварного з'єднання сплаву ЭП539МЛУ (проміжний прошарок – фольга цирконію, тиск – 15 МПа, температура – 1185 ºС) залежно від тривалості процесу:

а – витримка – 3 хв; ×300; б – 6 хв; ×200 (зменшено при друкуванні в 1,5 рази)

Залежність товщини прошарку в стику, включаючи дифузійну зону, від тиску показано на рис.2.81. Підвищена концентрація елементів у прошарку може бути знайдена за допомогою локального рентгеноспектрального мікроаналізу, а при мікроструктурному аналізі звичайно не виявляється. При перерахуванні на початковий склад прошарку його товщина складає долі мікрометра.

Іншим варіантом є використання прокладок, які не розплавляються, але забезпечують у контакті деформації зсуву за рахунок зміни об'- єму при структурних перетвореннях. Напружено-деформований стан в з'єднанні розглянуто в роботах [4,38]. Мікроструктуру таких з'єднань показано на рис.2.82.

Дослідження показали, що при дифузійному зварюванні з прокладками, які знаходяться в різному з основним металом структурно-

254

му стані, можна зменшити тиск зварювання в 1,5...2 рази при однакових температурах. Інтенсифікація процесів з'єднання відбувається за рахунок розвитку в стику деформацій зсуву, що забезпечують як утворення фізичного контакту, так і активацію поверхонь.

Рис.2.81. Залежність товщини прошарку в стику сплавів Ni – 4B, Ni – 40Mn,

Ni – 12Si, Ni – 13Zr (%, мас.) від тиску при з'єднанні сплаву ЭП99

Рис.2.82. Мікроструктура зварного з'єднання сплаву ЭИ602 з прокладкою зі сплаву ЭП99 у дисперсійнозміцненому стані; ×300 (зменшено при друкуванні в 2 рази)

В УДМТУ досліджено також інші способи реалізації деформації зсуву в зоні з'єднання, наприклад, при стисненні деталей, нагрітих до різних температур, або при використанні прокладок, які нагріваються до більш високих температур. Ефективною виявилась підготовка з'єднуваних поверхонь у вигляді виступів і впадин, що правильно чергуются між собою, як показано на рис.2.83,а. Кут розкриття впадин складав

255

60º. Цей тип з'єднання забезпечує деформацію зсуву по всій поверхні, але вимагає високої точності механічної обробки. Зварювання виконували при нагріванні однієї із заготовок до більш високої температури, що забезпечувало втиснення в неї клиновидних виступів більш холодної заготовки. Мікроструктуру з'єднання показано на рис.2.83,б.

Деякі циклограми процесу дифузійного зварювання жароміцних сплавів показано на рис.2.84.

а б

Рис.2.83. Загальний вигляд зразка, підготовленого до зварювання (а), та мікроструктура з'єднання (б); ×50 (зменшено при друкуванні в 2 рази)

При зварюванні матеріалів із високим опором деформації використовують перфоровані прокладки, оскільки в суцільних прокладках деформації зсуву інтенсивно розвиваються лише на периферійних ділянках. Наприклад, у роботах [39,87] такі прокладки застосовували для зварювання кераміки, що в 1,5...2 рази підвищувало міцність з'єднань. При цьому встановлено, що на якість з'єднань суттєво впливають ступінь і швидкість деформації прокладки, які залежать від коефіцієнта перфорації.

Вплив швидкості деформації на формування з'єднань детально досліджували автори робіт [88,112]. Установлено, що, залежно від швидкості пластичної деформації, змінюються механізми деформації та масопереносу. Якщо при малих швидкостях (10–4 с–1) пластична деформація контролюється дислокаційним механізмом, то при великих

256

швидкостях (104 с–1) вона протікає за рахунок колективних форм руху дефектів кристалічної будови та поворотних механізмів (див. п.1.7).

в г

Рис.2.84. Циклограми дифузійного зварювання у вакуумі жароміцних сплавів:

а – зварювання за традиційною схемою; б – зварювання з прокладкою, яка нагрівається до 1200…1250 ºС; в – зварювання зі стисненням деталей при різних температурах;

г– зварювання в різному структурному стані

ВІЕЗ ім. Є.О. Патона розроблено спосіб зварювання, який описується як ударне зварювання у вакуумі [49,64]. Основними технологічними параметрами ударного зварювання є температура (вище 0,5Тпл) та енергія удару, що забезпечує пластичну деформацію приконтактних об'ємів з'єднуваних матеріалів під дією ударника, який рухається зі швидкістю 1…30 м/с. При з'єднанні різнорідних матеріалів, що утворюють інтерметалідні фази, цей спосіб сприяє диспергації та розосередженню інтерметалідних фаз у досить широкій зоні зварювання, тоді як при низьких

257

швидкостях деформації формування і ріст щільних інтерметалідних фаз відбувається спрямовано і компактно вздовж площини контакту зварюваних металів, де, в основному, локалізовані процеси пластичної деформації та масопереносу. Тому дифузійне зварювання у вакуумі з високошвидкісною пластичною деформацією доцільно застосовувати для з'єднаннярізнорідних металівз обмеженою взаємноюрозчинністю [112].

Убагатьох випадках необхідно застосовувати дифузійне зварювання за традиційною схемою для ретельного контролю величини деформації. Одним із них є з'єднання пористо-компактних матеріалів. Технологію дифузійного зварювання таких матеріалів на основі титану розроблено в ІЕЗ ім. Є.О. Патона [65]. Головною вимогою до з'єднань є висока міцність при збереженні необхідної пористості. Надмірні зусилля стискування можуть призвести до недопустимого ущільнення пористого матеріалу, а низькі тиски – до незадовільної міцності з'єднань. Тому лише комплекс досліджень фізико-хімічного стану зварюваних поверхонь, усталеної повзучості та ущільнення матеріалів, взаємозв'язку параметрів режиму зварювання (Т, р, t) і їх впливу на структуру і властивості з'єднань дозволили оптимізувати параметри процесу дифузійного зварювання пористих і компактних титанових заготівок.

Урозвитку та промисловому впровадженні дифузійного зварювання у вакуумі надзвичайно важливу роль відіграла Проблемна лабораторія дифузійного зварювання у вакуумі під керівництвом автора способу доктора технічних наук, професора М.Ф. Казакова. За станом на 1978 р.

уСРСР 700 підприємств застосовували дифузійне зварювання у вакуумі самих різних однойменних та різнойменних матеріалів, у тому числі більше 560 пар різнорідних [51]. Режими і технології ДЗВ різних металів, сплавів, кераміки, скла тощо висвітлено в монографіях і довідниках

[6,40,41,51,54,60,65,70,72,90,93,155], підручнику [130], збірниках нау-

кових праць міжвузівських та всесоюзних науково-технічних конференцій "Диффузионное соединение в вакууме металлов, сплавов и неметаллических материалов", наукових статтях. Параметри режимів ДЗВ деяких матеріалів наведено в табл.2.10.

258

Таблиця 2.10. Параметри режимів дифузійного зварювання у вакуумі

деяких матеріалів

У табл.2.10 наведено лише основні параметри режимів ДЗВ. Для зварювання багатьох матеріалів визначальне значення мають підготовка поверхонь до зварювання, швидкість нагрівання й охолодження, наступна термічна обробка тощо. Особливо важливий термічний цикл при зварюванні металів із неметалами, металів і сплавів з особливими властивостями, що досягаються шляхом термічної обробки.

При зварюванні необхідно забезпечувати однакові значення параметрів режиму у всіх точках з'єднання. Наприклад, для нагрівання струмами високої частоти, як показано в п.2.4, характерним є виділення теплоти в тонкому приповерхневому шарі деталі та його розповсюдження до центру. Для вирівнювання температури по всьому перерізу шляхом теплопровідності слід мати певний час та контролювати температуру поверхні. Необхідний час нагрівання, питома потужність та потужність, що передається деталі, можуть бути розраховані з використанням рішення рівняння теплопровідності в циліндричних координатах. При цьому деталь нециліндричної форми замінюється на еквівалентний циліндр. Цей розрахунок детально розглянуто впідручнику [130].

2.7.3.Зварювальне устаткування. Для дифузійного зварювання

увакуумі розроблено і створено більше 70 типів установок [51]. Основними складовими будь-якої установки є вакуумна зварювальна камера, вакуумні насоси і система, джерело енергії для нагрівання та нагрівальний пристрій, пристрій для стискування, контрольновимірювальна апаратура та система управління. Установки можуть бути з повним вакуумуванням деталей або з місцевим при зварюванні великогабаритних виробів, наприклад труб. Залежно від форми і розмірів виробів, а також режимів зварювання, вибирають джерело нагрівання. Найбільш часто використовують індукційне нагрівання струмами високої частоти, однак можуть бути використані і такі способи нагрівання, як радіаційний, контактний, електронно-променевий, лазерний, у полі тліючого розряду, комбінований тощо [40,72,130]. Для стискування деталей застосовують гідравлічну, пневматичну та меха-

260

нічну системи, використовують розширення при нагріванні в жорсткому вузлі, термічний натяг при різнорідних сполученнях тощо. Установки можуть бути універсальними або спеціалізованими.

При виготовленні установок для дифузійного зварювання у вакуумі використовують стандартні джерела нагрівання і вакуумні насоси та агрегати. Нагрівання струмом високої частоти, електронним променем та іншшими способами розглядалися раніше або будуть розглянуті далі. Коротко розглянемо лише вакуумну техніку, яка широко застосовується в промисловості для зварювання, паяння, плавлення, напилювання, термічної обробки тощо [108–110].

Вакуумні насоси. Вакуумні насоси працюють у діапазоні тисків від 105 до 10–10 Па. При цьому використовується один із двох способів відкачки: 1) переміщення газу за рахунок механічних сил, які діють на нього; 2) зв'язування газу шляхом сорбції, хімічних реакцій або конденсації.

Промислові вакуумні насоси, які призначені для одержання тисків нижче 102 Па, за принципом дії розділяють на наступні групи:

1)об'ємної дії, в яких газ переміщується шляхом періодичної зміни об'єму робочої камери;

2)ежекторні, в яких газ захоплюється струменем робочої рідини або пари;

3)молекулярні, які надають своїми рухомими поверхнями молекулам газу додаткову швидкість у визначеному напрямку (турбомолекулярні насоси) або використовують постійнодіючий струмінь пари (струминні насоси);

4)сорбцийні, які видаляють гази сорбцією на поверхні або в об'- ємі твердих тіл;

5)кріогенні, які видаляють гази шляхом їх конденсації на поверхнях, охолоджених до наднизьких температур. Різновидами кріогенних насосів є конденсаційні і кріосорбційні насоси.

Сфери використання насосів різних груп наведено на рис.2.85.

261

Для технологічних процесів у промисловості застосовують звичайно насоси першої, третьої і четвертої груп. Основні параметри вакуумних насосів – найбільший тиск запуску, найбільший робочий тиск, найбільший випускний тиск, граничний залишковий тиск, швидкість дії і продуктивність.

Рис.2.85. Області дії вакуумних насосів

Найбільший тиск запуску – найбільший тиск у вхідному перерізі, при якому насос може почати роботу. Найбільший випускний тиск – найбільший тиск у вихідному перерізі насоса, при якому він може вести відкачку. Найбільший робочий тиск – найбільший тиск у вхідному перерізі насоса, при якому він тривалий час зберігає номінальну швидкість дії.

Граничний залишковий тиск – найменший тиск, який може бути досягнутий при роботі насоса на себе, тобто без навантаження. При цьому розрізняють парціальний тиск залишкових газів і повний залишковий тиск, тобто суму парціальних тисків залишкових газів і парів.

Швидкістю дії насоса називається об'єм газу, що проходить через впускний переріз насоса в одиницю часу при визначеному тиску. Для кожного типу насосів існує крива залежності швидкості дії наcoca Sн від тиску рн.

262