Диффузионная сварка в вакууме

Технология ДСВ включает в себя следующие этапы:

• подготовка свариваемых поверхностей;

• определение параметров режима;

• обеспечение контроля качества сварного соединения;

• выбор оборудования.

Подготовка свариваемых поверхностей. Диффузионная сварка в вакууме — сложный и длительный процесс. Вначале сваривае­мые поверхности детали механически обрабатывают (точением или шлифовкой) до 3 —5-го классов точности сопрягаемых поверхно­стей и 6 — 8-го классов чистоты (шероховатости) поверхностей с последующим обезжириванием ацетоном. В целях защиты от меха­нических повреждений, пыли и других загрязнений очищенные детали хранят в специальной таре — лотках, контейнерах, ампу­лах, эксикаторах и др. Тару изготовляют из негигроскопического, некорродирующего, не имеющего ворсинок гладкого материала, например стекла, пластмассы типа тефлона, винипласта, стекло­пластика или из не окисляющегося на воздухе металла. Детали, прошедшие окончательную очистку, помещают в тару светлого цвета, а неочищенные — в тару темного цвета. Готовые узлы и детали хранят в эксикаторах, чистых медицинских шкафах, шка­фах с защитной атмосферой, а также в оснащенных регуляторами термостатах. Эксикаторы оборудуют предохранительными устрой­ствами, исключающими попадание пыли от силикагеля или дру­гого сорбента (поглотителя газов и паров).

Определение параметров режима. Еще в 1961 г. Н. Ф. Казаков установил, что «нет необходимости вести расчет режима сварки для каждой пары металлов, так как при высокотемпературной вакуумной очистке качество поверхностей всегда обеспечивается автоматически, а экспериментальный диапазон давлений, време­ни и температур заведомо обеспечивает надежное соединение во всех случаях».

Предложены следующие диапазоны параметров режима ДСВ:

Температура сварки…………………….. (0,5… 0,9) 7^1Л

(Тіш ~ температура плавления)

Время сварки (чистое), мин Давление при сварке, МПа.

Разрежение, Па

Как показала практика, режимы ДСВ для разнообразных ма­териалов находятся в пределах указанного диапазона. При этом, в отличие от всех известных способов сварки давлением сте­пень пластической деформации сварных соединений не превы­шает 10 % (за исключением сварки взрывом и ДСВ стекла и ме­таллокерамических изделий, деформация которых не превыша­ла 1 %).

Основной проблемой технологии ДСВ является определение режима, гарантирующего сочетание высокого качества соедине­ния с минимальной осадкой деталей, т. е. получение прецизион­ного соединения.

С точки зрения технологии прецизионное соединение можно осуществить в том случае, если детали контактируют при высоких гомологических температурах с критической скоростью (е^р) до остаточной деформации, равной минимальной вынужденной, учитываемой в размерах заготовок. Оценка ориентировочного ди­апазона режима прецизионной сварки с использованием расчет­ного метода затруднительна.

Кроме того, в расчетах вынужденной деформации при высоко­температурных способах сварки давлением необходимо учитывать осадку, связанную не только с деформацией шероховатого слоя в контакте, но также осадку, связанную с точностью согласования свариваемых поверхностей.

На практике подбор оптимального сочетания параметров ре­жима удобно проводить по номограмме (рис. 8.2), в которой зави­симости критической скорости контактирования г’кр и усилия сжа­тия деталей при сварке q построены на основании анализа данных о критическом состоянии различных металлов и сплавов при вы­соких гомологических температурах.

На трех правых осях абсцисс номограммы приведены шкалы значений минимальной вынужденной деформации eBmjn, классы точности Кт сборки и чистоты Кч обработки стыкуемых поверхно­стей. На левой оси абсцисс приведена шкала гомологических тем­ператур /. На правой наружной оси ординат приведена шкала вре­мени т сварки. На левой крайней верхней оси ординат представле­на шкала критических скоростей контактирования екр. На нижней оси ординат представлена шкала усилия сжатия q при сварке.

Номограмма охватывает рабочий диапазон параметров режима сварки: минимальная вынужденная деформация ев min = 1… 10 %; время сварки — тс = 0,1… 102 мин; критическая скорость контак­тирования є’р = 10_|… 10-5 с’1; гомологическая температура сварки (i = TJТпл) і — 0,6…0,95; усилие сжатия деталей при сварке q = = 3…35 МПа и позволяет оценивать режим прецизионной сварки деталей как из чистых металлов (кривые 1—1’), так и из сплавов (2-2’).

Так, при заданном классе точности сопряжения деталей Кт, известном классе чистоты обработки поверхностей Кч, а также известном температурном режиме / номограмма позволяет опре­делять ожидаемую минимальную вынужденную деформацию в конце сварки, критическую скорость контактирования, удельное давление сжатия и время сварки.

Определим, например, режим прецизионной сварки деталей из меди и низколегированного сплава меди (бронзы БрХ08) при оди­наковых исходных данных: і = 0,85; класс точности сопряжения деталей — 5-й; класс чистоты свариваемых поверхностей — 7-й.

Для этого в соответствии с ключом и схемой пользования номо­граммой на ее левой оси абсцисс со шкалой гомологических тем-

ператур находим точку с заданной гомологической температурой і = 0,85.

Через эту точку на номограмме проводим вертикаль до пересе­чения с кривыми 1—1′ и 2—2′. Из полученных точек пересече­ния А (для меди) и В (для бронзы) движемся налево по горизон­тали до пересечения с вертикальной наружной шкалой критичес­ких скоростей контактирования, на которой увидим искомые ре­зультаты: для меди є’р =1,5-10’3с для бронзы е’р = 8-10^с1. Из точек пересечения С (для меди) и D (для бронзы) движемся на­право по горизонтали до пересечения с вертикальной внутренней шкалой усилий сжатия, на которой увидим искомые результаты: для меди q — 4 МПа, для бронзы q = 7 МПа.

Остальные параметры режима ДС находим в соответствии с ключом и схемой пользования номограммой. На правых дополни­тельных горизонтальных осях номограммы со шкалами класса точ­ности и класса чистоты находим точку данного класса точности Кт = 5 и точку данного класса чистоты Кч = 7. Проводим через эти точки вертикальные линии до пересечения с горизонтальной пра­вой осью со шкалой минимальной вынужденной деформацией. В пересечении получаем точки соответственно с величиной вы­нужденной деформации ев min = 5 (для согласования поверхностей) и eBmin = 4% (для смятия шероховатостей).

Суммируя полученные значения, получаем общую искомую минимальную вынужденную деформацию єв mjn — 9 %. Из точки с координатой 9 % проводим вертикаль до пересечения с горизон­талями, проведенными из точек А и В. Точки пересечения Ми L попадают соответственно на лучи времени, двигаясь по которым направо до пересечения со шкалой времени получаем соответ­ственно искомое время сварки: для меди — 8 мин, для бронзы — 12 мин.

В итоге имеем следующий результат: при ДСВ деталей из меди и бронзы, обработанных под сварку с чистотой по 7-му классу и собранных с точностью по 5-му классу, можно обеспечить соеди­нение с минимальной вынужденной деформацией єв min = 9%, придерживаясь при этом параметров для меди, как более плас­тичного металла в свариваемой паре:

• заданная гомологическая температура сварки / = 0,85;

• удельное усилие сжатия q = 4 МПа;

• критическая скорость контактирования е’кр =1,5-10 3 с1;

• время сварки тс = 8 мин;

• разрежение 10_3 Па (исходная, заданная величина).

Пользуясь номограммой, можно решать обратные задачи. На­пример, можно определить гомологическую температуру сварки и соответствующую ей критическую скорость контактирования и сжатия при данной производительности (времени сварки) и из­вестном характере обработки деталей и их сопряжении.

Производительность ДСВ. Основной проблемой ДСВ является ее низкая производительность (шт./мин) и большая трудоемкость (10…40 мин/шт.), существенно сдерживающие ее промышленное освоение.

Характерной особенностью ДСВ является малое время на вспо­могательные операции (4…8 %) и большое машинное время, свя­занное со сваркой: вакуумирование (35…45%), нагрев под дав­лением (45… 55 %). Следовательно, для увеличения производитель­ности в разы необходимо применять многопозиционные приспо­собления и камеры, пакетные способы сварки, а также сокращать время вакуумирования и время нагрева под давлением.

Сокращения времени вакуумирования достигают выбором необ­ходимой мощности вакуумного оборудования и рациональных уплотнений отдельных элементов вакуумной системы, сокраще­нием откачиваемых объемов, выбором гидро — и газофобных мате­риалов оснастки, работающих в вакуумной камере.

К факторам, активирующим процесс ДСВ и сокращающим вре­мя нагрева под давлением, относят:

• ускорение самодиффузии приконтактных объемов металла путем покрытия основного металла другим металлом с большим коэффициентом самодиффузии (обычно это металл с меньшей температурой плавления или с большей пластичностью);

• уменьшение высоты приконтактного объема микронеровно­стей, что связано с повышением класса чистоты обработки по­верхностей контактирования;

• удаление оксидных пленок путем химического травления по­верхностей контакта деталей перед сваркой.

Повышение пластичности контактных поверхностей толщиной 10 мкм достигают смачиванием поверхностей тонким слоем при­поя. Роль припоя в отличие от пайки в этом случае другая. При пайке прослойка-припой толщиной 100… 200 мкм выполняет роль промежуточной связки и одновременно заполняет сборочные за­зоры.

При ДСВ пластичный или жидкий слой металла (припой), со­измеримый с высотой микронеровностей (2… 10 мкм), необхо­дим для локального ускорения диффузионных процессов в при­контактных объемах.

Кроме того, легкоплавкая прослойка толщиной 2… 10 мкм не снижает прочность соединения по сравнению с пайкой, а по­зволяет поднять стабильность качества сварки (эффект Бакши). Од­новременно представляется возможным снизить значения парамет­ров режима сварки: давления — в 2 — 3 раза, температуру сварки — на 10…20%, время сварки — в 1,5 — 2 раза.

Примечательно, что расплавляющаяся прослойка служит ма — териалом-свидетелем, указывающим на завершенность процесса сварки. Наличие расплавления и растекание прослойки-припоя позволяет визуально судить о качестве сварки по наличию галте­лей (плавного перехода между свариваемыми деталями).

Контроль качества сварных соединений ДСВ. При контроле качества ДСВ руководствуются прежде всего требованиями черте­жа и технологических документов, предъявляемыми к сварному соединению, а также нормативными требованиями предприятия и общегосударственными стандартами.

Наиболее характерными дефектами при ДСВ являются непро­вары, трещины и чрезмерная деформация деталей. Непровары могут быть внутренними и с выходом на поверхность, площадью от нескольких десятых до нескольких квадратных миллиметров. При­чинами непровара могут быть некачественная подготовка поверх­ности деталей, нарушения режима сварочного процесса и нару­шения газовой среды в вакуумной камере. Контролирующий не — провар при ДСВ определяется в основном методом электросо­противления с использованием микроомметров типа М246 или потенциометров типа Р348, а также металлографическими ис­следованиями (рис. 8.3).

Для обеспечения высокого стабильного качества ответствен­ных изделий предусмотрена серия неразрушающих методов конт­роля, дублирующих друг друга:

• метод расплавляющихся прослоек-свидетелей. В этом случае полное расплавление прослоек, формирующих галтели, является

а — при сварке деталей из стали Х15Н9Ю (Тт= 1 200°С, ра, = 8 МПа, /св = 30 мин); 6 — при сварке деталей из хромистой бронзы БрХ08 со сталью ЭИ654 через никелевую прослойку толщиной 0,1 мм (Гсв = 900 °С, />„ = 5 МПа, tCB = 10 мин); 1 — строчечный непровар; 2 — деталь из стали Х15Н9Ю; 3 — прослойка из никеля; 4 — деталь из бронзы БрХОВ

б

Рис. 8.4. Диффузионное соединение по расплавляющейся прослойке из серебра, формирующей галтели ребристой детали из хромистой бронзы БрХ08 со сталью ЭИ654:

а — общий вид ребристого соединения; 6 — образование соединения по ребру с формированием галтели у края ребра (показано стрелками, увеличение в 100 раз)

также свидетельством полноты процесса расплавления и, следо­вательно, успешности первой стадии ДСВ (рис. 8.4);

• метод ультразвукового контроля с помощью прибора УЗД — 7М. Этот метод позволяет четко определить отсутствие соедине­ния размерами до 2 мкм;

• разгонные и механические испытания в пределах упругих де­формаций без доведения соединения до разрушения.