Влияние технологических параметров на прочность соединений
Хотя общие закономерности влияния основных параметров этого процесса и свойств свариваемых материалов на прочность соединений до конца не изучены, некоторые тенденции очевидны [3]:
1. небольшие изменения температуры вызывают значительные изменения кинетики образования соединения (температура – наиболее сильно влияющий параметр, так как она определяет пластическое течение материалов и скорость диффузионного обмена между увеличивающимися контактирующими поверхностями);
2. возрастание времени выдержки при заданных значениях температуры и сварочного давления повышает прочность соединения до некоторого предела, по достижении которого её увеличение прекращается;
3. возрастание давления приводит к повышению качества соединения при любых заданных значениях температуры и времени выдержки, однако чрезмерно большое давление может вызвать пластическую деформацию деталей, изменение их формы и даже разрушение;
4. для получения высококачественных соединений требуется оптимальная шероховатость свариваемых поверхностей, обеспечивающая деформацию микронеровностей и протекание массообмена;
5. из-за различия в значениях скорости диффузии двух разнородных материалов возможно образование пор, хрупких интерметаллических соединений и легкоплавких фаз (эти явления могут быть сведены к минимуму путём подбора соответствующих условий сварки).
Дифффузионная сварка разнородных материалов
Технология диффузионной сварки характеризуется многообразием параметров и тем, что формирование сварного соединения протекает в тонком приконтактном слое.
В результате массообмена между соединяемыми поверхностями при диффузионной сварке происходит образование качественно нового переходного слоя в процессе исчезновения поверхностей раздела и рекристаллизации поверхностных слоев. При соединении разнородных материалов появляются промежуточные структурные составляющие, которые могут ухудшать качество исходных материалов в зоне сварки, если образуются эвтектики или интерметаллиды. Иногда изменения в зоне формирования сварного соединения протекают весьма медленно из-за наличия оксидов или низкой диффузионной подвижности элементов либо сопровождаются появлением остаточных напряжений, снижающих эксплуатационные свойства сварных соединений.
Для устранения подобных нежелательных эффектов при диффузионной сварке неизбежно применение промежуточных материалов различного функционального назначения, в частности материалов-активаторов и материалов-демпферов. [2]
Материалы-активаторы предназначены для удаления оксидов из зоны контакта свариваемых поверхностей (парафин, фтористый аммоний и другие флюсующие материалы). Применять промежуточные материалы экономичнее и эффективнее, чем восстанавливать оксиды путем их термической диссоциации в вакууме. На примере жаропрочных сплавов В. Ф. Квасницким было показано, что в условиях диффузионной сварки в вакууме сравнительно небольшое число оксидных пленок толщиной 3,0 нм можно удалить с поверхности путем возгонки (испарение кристаллических тел, минуя жидкую фазу) [2]. Так, для испарения пленки оксидов титана толщиной 3,0 нм при 1473 К требуется 28 мин, если отсутствует натекание кислорода в вакуумную камеру.
К этой группе относятся также материалы, активирующие массообмен диффузионно инертных сплавов, например тонкие прокладки, содержащие бор, марганец, кремний, углерод, разрушающие оксиды хрома, титана и рассасываемые в свариваемом материале. В случае диффузионной сварки паяный шов отсутствует, так как материал прокладки расходуется на активацию процесса образования сварного соединения, выдавливается при сжатии и рассасывается в соединяемых сплавах.
Материалы-демпферы снижают термонапряжения, возникающие при сварке материалов с различными коэффициентами линейного расширения. В качестве демпферов обычно применяют высокопластичные материалы (медь, никель, алюминий).
В технологии диффузионной сварки выделяют три этапа или три технологии, каждая из которых определяет конечный результат. Во-первых, это технология подготовки соединяемых поверхностей под сварку, заключающаяся в очистке, обезжиривании и точной подгонке свариваемых поверхностей. Во-вторых, это технология получения диффузионного соединения, когда одновременно по всей контактной поверхности в условиях общего длительного нагрева и равномерного сжатия заготовок формируется монолитное соединение. В-третьих, это технология охлаждения полученного соединения после сварки, которая особенно важна для соединений разнородных по физическим свойствам материалов. Обычно первый и второй этапы диффузионной сварки разделены во времени. Это иногда приводит к тому, что в процессе длительного хранения заготовок перед сваркой существенно изменяется состояние свариваемых поверхностей и все последующие технологические операции будут безрезультатны.
Сварка и охлаждение непрерывны во времени. Их разделение на два технологических этапа существенно при диффузионной сварке металла и твердого сплава, металла и керамики, стекла и металлического, сплава и т. п. В этих случаях велика вероятность получения некачественного соединения, которое может пройти стандартные виды контроля и разрушиться спустя некоторое время даже при отсутствии внешних нагрузок из-за высокого уровня остаточных напряжений, возникающих при быстром охлаждении сварного соединения.
Практика сварки металлических материалов с керамическими показывает, что механическую обработку поверхности металла достаточно довести до шероховатости Ra 0,63-2,5, а затем обезжирить и удалить слой оксидов травлением. В некоторых случаях хороший эффект дает контролируемое окисление при определенной температуре в вакуумной камере путем напуска дозированного количества воздуха.
Керамические материалы также шлифуют до Ra 0,16-0,32, обезжиривают и прокаливают на воздухе при температурах 800-900 К для удаления органических загрязнений. Детали из алюмооксидных керамик, содержащих некоторое количество стеклофазы, перед сваркой рекомендуется отжигать при температуре 1500-1600 К. Это обеспечивает повышение прочности сварных соединений на 20-25%, что связано с «залечиванием» микротрещин на шлифованной поверхности керамики при отжиге за счет миграции стеклофазы.