Реферат: Диффузионная сварка разнородных материалов, теория, технология, контроль

17

ДИФФУЗИОННАЯ СВАРКА РАЗНОРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ. ТЕОРИЯ, ТЕХНОЛОГИЯ, КОНТРОЛЬ

Идея использования процесса сварки как универсального способа получения неразъёмных соединений разнородных материалов принадлежит Н.Г. Славянову и впервые была реализована при создании «Славяновского стакана» для Всемирной электротехнической выставки в г. Чикаго в 1893г.

С тех пор идея использования процессов сварки для неразъёмных соединений действительно любых материалов (металлических, керамических, полупроводниковых, графитовых, стеклянных, композитных и т.д.) не перестаёт увлекать специалистов по сварке.

В рамках рассматриваемой идеи, можно утверждать, что одним из наиболее универсальных способов сварки разнородных материалов является диффузионная сварка в вакууме (ДСВ).

Процесс ДСВ был разработан в 1953 году Н. Ф. Казаковым [1], теоретические аспекты которого были развиты в работах его учеников и отечественных исследователей [2, 3, 4, 5, 6].

Необходимо отметить, что используется и другое название «Диффузионная сварка материалов в твердой фазе» [7].

Согласно ГОСТ Р ИСО 857-1-2009 диффузионная сварка (ДС): Сварка давлением, при которой детали контактируют при установленном непрерывном давлении и нагреваются в области контакта или во всем объеме при установленной температуре в течение установленного времени. Это приводит к местной деформации и, следовательно, к плотному контакту поверхностей и диффузии атомов через них. Создается полная непрерывность материала. Сварка может осуществляться в вакууме, в среде защитного газа или в жидкости, преимущественно без присадочного металла.

Теория. Физико-химические и металлургические особенности процесса ДС, включающие стадии взаимодействия контактных поверхностей свариваемых материалов (термодинамические и химические аспекты, особенности микропластической деформации, взаимная диффузия атомов, формирование дефектов микроструктуры, напряженное состояние и т.п.) удобно рассматривать на примере схемы представленной на рис.1, предложенной в приведенных выше работах [2,3].

Способ ДС наиболее интересен для получения неразъемных соединений неметаллических материалов (керамических, полупроводниковых, стеклянных, ферритовых) с металлами.

Ю.Л. Красулин [2] показал, что процесс ДС следует рассматривать как топохимическую реакцию. В этом случае, теоретические аспекты ДС практически полностью перемещаются в область физической химии [5, 6,]. Оценка свариваемости может быть осуществлена на основе работ академика Ю.Д. Третьякова посвященным твердофазным реакциям [8], а также зарубежных исследователей [9].

Рис.1. Кинетическая схема процесса диффузионной сварки

Основные типы топохимических реакций взаимодействия соединяемых способом ДС неметаллических оксидных материалов с металлами приведены в работах [6, 8, 9, 10]:

- кристаллохимические реакции замещения катиона оксида;

- реакции образования сложных оксидов;

- реакции взаимного растворения оксидов;

- реакции образования нового оксида при переменной валентности катиона;

- реакции окисления металла в контакте с оксидами переменного состава;

- реакции растворения оксида в металле;

- реакции с частичным окислением свариваемого металла.

Перечисленные реакции взаимодействия оксидных материалов с металлами охватывают практически все варианты, вероятность которых может быть рассчитана по известным термодинамическим уравнениям. Однако, термодинамическая вероятность реакции еще не гарантирует её кинетических (временных) возможностей, которые в большинстве случаев зависят от дефектного состояния поверхностных слоев реагирующих материалов, значений коэффициентов диффузии соответствующих катионов металла в кристаллической решетке керамического материала, процентного содержания стеклофазы и многих других аспектов, обсуждаемых в работах [3, 5, 6].

На практике, ориентируясь на приведенные выше реакции, достаточно часто можно оценить свариваемость оксидных неметаллических материалов по возможности образования на контактирующем с ними металлах соответствующего оксида. В этой связи, возможно предварительное окисление контактирующих металлов [3], улучшающее свариваемость соответствующих композиций металл + керамика, особенно для композиций металл + стекло [5].

Дальнейшее улучшение свариваемости неметаллических материалов с металлами может быть осуществлено на основе использования порошковых прокладок, теоретические и практические аспекты которых рассмотрены в работах А.В. Люшинского [11]. Порошковые прокладки являются преимущественно многокомпонентными системами, которые позволяют обеспечить и наличие свободных анионов кислорода и возможность протекания целого комплекса топохимических реакций в контактной зоне. В этом случае удается уменьшить температуру сварки не только до 0,5 Т_пл металла, но и до 0,2-0,3 Т_пл.

Технология. Анализ имеющихся данных [12] по влиянию параметров процесса ДС на свойства сварных соединений разнородных материалов позволяет определить граничные значения основных технологических параметров процесса [6, 13].

Можно предложить несколько схем изменения технологических параметров процесса диффузионной сварки для классических режимов (рис.2). Как видно, основными параметрами являются температура и удельное давление на свариваемые контактные поверхности.

Для схемы 1 удельное давление снимается при достижении температуры свариваемых деталей на стадии охлаждения до 200-300°С. После чего происходит свободное остывание вместе с технологической оснасткой, т. е. вместе с технологической камерой сварочного оборудования. Такая схема характерна для вакуумного сварочного оборудования диффузионной сварки с радиационной системой нагрева.

Схема 2 предполагает более длительный процесс остывания с площадкой изотермической выдержки для компенсации возможных накопленных внутренних температурных напряжений в свариваемых деталях. С этой же целью удельное давление не снимается практически до полного остывания свариваемых деталей, что особенно важно при сварке разнородных материалов, имеющих существенное различие температурных коэффициентов термического расширения (ТКЛР).

Схема 3 предполагает периодическое уменьшение удельного давления сварки для обеспечения уменьшения или устранения наклепа в зоне контактных поверхностей свариваемых деталей (процесса отжига) и более полного формирования физического контакта за счет увеличения микропластической деформации.

Рис.2. Схемы изменения технологических параметров процесса диффузионной сварки.

Схема 4 предполагает периодические колебания температуры сварки около температуры фазового перехода для неметаллических материалов или эвтектики для разнородных металлических прокладок (б+в>в переход для Ti, или эвтектика Cu+Ag).

Приведенные схемы показывают наиболее распространенные приемы организации режимов ДС разнородных материалов. На практике возможны различные комбинации, которые помогают решить основные проблемы получения сварных соединений разнородных материалов способом ДС:

- малые скорости топохимических реакций;

- существенные различия ТКЛР;

- малые скорости формирования физического контакта свариваемых материалов;

- возникновение остаточных внутренних напряжений в сварном соединении приводящих к его разрушению при охлаждении.

На практике для реализации процесса ДС можно выделить основные технологические параметры, требующие контроля.

Вакуум в сварочных камерах промышленных установок ДС используется в качестве пассивной защитной среды для очистки свариваемых поверхностей от окисных пленок и предохранения их от повторного окисления. Многочисленные эксперименты показывают, что качественные соединения разнородных материалов при ДС можно получать при вакууме не хуже 1,33 Па. На практике, существующее оборудование ДС обычно имеет вакуумные системы обеспечивающее давление порядка 1,33·10^-2 - 1,33·10^-5 Па.

Температура сварки определяет условия термической активации атомов свариваемых поверхностей материалов и ряд процессов, ее сопровождающих (перемещение структурных дефектов, разрыв и восстановление связей в кристаллической решетке, диффузионные процессы и т. п.). Большой накопленный опыт экспериментальных исследований [12] определяет интервал значений Т_св в диапазоне 0,7-0,9 температуры плавления (Т_пл) наиболее легкоплавкого металла в свариваемой композиции. Попытки снижения значений Т_св до 0,5 Т_пл обычно не имеют успеха без применения специальных приемов для активации свариваемых поверхностей. К таким приемам можно отнести относительное перемещение (сдвиг) свариваемых поверхностей, использование ультразвуковых колебаний, спектр химических реакций в многокомпонентных порошковых прокладках [11] и другие приемы компенсирующие недостаточную термическую активацию.

Удельное давление (Р_уд) является необходимым параметром процесса ДС для формирования фактического контакта между контактными поверхностями соединяемых деталей. Практически необходимо обеспечение Р_уд на уровне предела текучести у_т [5] наиболее легкоплавкого металла. В случае более низких значений Р_уд, процесс ДС в большей степени проходит как процесс спекания контактирующих поверхностей.

Время выдержки под давлением зависит от выбранных значений Т_св, определяющих скорость микропластической деформации и скорость диффузионных процессов в контактной зоне. В большинстве случаев, учитывая многообразие проходящих процессов в контактной зоне, определяется эмпирическим путем и может изменяться в диапазоне от десятков до сотен минут. При требованиях безусловного исчезновения линии контакта на микрошлифах одноименных композиций металлов время выдержки может составлять десятки часов. Данный факт может быть определен при механических испытаниях сварных соединений на ударную вязкость.

Скорость нагрева (V_н) для одноименных композиций металлов может изменяться в пределах 20-50 °С/мин и ограничивается возможной деформацией (короблением) свариваемых изделий со сложной геометрией. Для композиций разнородных неметаллических материалов (керамики, ферритов, стекол) диапазон значений V_н уменьшается до 10-20 °С/мин.

Скорость остывания (V_о) для разнородных композиций материалов особенно опасна возникновением остаточных напряжений в сварном шве. Значения V_о гораздо ниже значений V_н и находятся в диапазоне 3-10 °С/мин [13], при этом при снижении Т_св должны предусматриваться изотермические площадки отжига (рис.3) для снятия остаточных напряжений. При снижении температуры примерно до 500 °С скорости охлаждения могут быть выше в два три раза по сравнению с дальнейшим снижением температуры. После 300 °С остывание сваренных изделий обычно происходит вместе с технологической оснасткой с выключенной системой нагрева. Как средство компенсации накопленных остаточных напряжений в сварном соединении, может быть рекомендовано сохранение удельного давления до полного остывания изделий (схемы 2,3,4 на рис.3).

Подготовка поверхностей свариваемых изделий для металлических композиций обычно соответствует 5-7-му классам чистоты поверхности. Практика сварки металлических материалов с керамическими показывает, что достаточно 6-7-го классов (Ra 2,5-1,25 мкм). Контактирующие поверхности разнородных материалов должны подвергаться химической очистке (обезжиривание, травление и т.п.).

Контрольные образцы и технологическая оснастка. Разработка технологии сварки неметаллических материалов с металлами требует выбора типа контрольных сварных соединений (КСС). Учитывая, что в большинстве случаев для первоначальной отработки режимов ДС, когда предполагается оценка прочностных свойств или изготовление шлифов, используются образцы типа пластин. В этом случае можно рекомендовать типы образцов [4, 13], использованные при разработке ДС ферритов с металлами (рис.3).

Для ДС образцов представленных на рис.3а разработаны варианты технологической оснастки представленные на рис.4.

Рис.3. Конструкции малогабаритных контрольных сварных соединений феррито-металлических узлов.

Рис.4. Технологическая оснастка для сварки малогабаритных КСС.

Для уменьшения энергетических затрат на нагрев малогабаритной технологической оснастки предложена конструкция малогабаритного резистивного нагревателя в керамическом корпусе [14] представленная на рис.5.

Представленные конструкции технологической оснастки позволили на установке УДС-2 (рис.5а) уменьшить энергетические затраты в 15 раз. Мощность нагревателя (рис.5б) 1000 Вт, позволяет нагревать свариваемые образцы до температуры 1000 °С. Мощность и температура могут быть увеличены путем замены ленточного нагревателя, однако, после 1100°С желательно, чтобы керамический корпус (рис.5в) был из керамики ВК-100.