Лабораторная работа № 4. Изучение технологических основ диффузионной сварки в вакууме

4.1. общие сведения по технологическим основам диффузионной сварки

В настоящее время диффузионная сварка является одним из самых надежных методов соединения материалов малопластичных, тугоплавких, нерастворимых друг в друге или образующих между со­бой при сварке плавлением хрупкие интерметаллиды.

Диффузионная сварка позволяет соединять детали сложной кон­фигурации – пустотелые с несимметричной формой, со сложной кри­визной, получать без дополнительной механической обработки такие ответственные изделия, как металлокерамические гермовводы, высокостойкие штампы, упругие элементы датчиков, многослойные панели, модули пневмоники, колеса и лопатки турбин, пористые трубы для химической и газовой промышленности, клапаны, гильзы цилиндров двигателей и т.п.

В связи с большой номенклатурой свариваемых материалов, широким диапазоном их физико-химических и механических свойств, с разнообразием конструктивных особенностей свариваемых деталей и узлов нельзя дать универсального рецепта к разработке технологии диффузионной сварки. Каждое изделие требует индивидуального под­хода. В настоящее время нет методов расчета параметров режима. Их подбор производится экспериментально, опираясь на имеющийся производственный опыт и руководствуясь некоторыми общими требованиями к технологии получения твердофазного соединения.

В общем случае технологический процесс диффузионной сварки в вакууме включает следующую последовательность операций:

· подготовка свариваемых поверхностей;

· сборка деталей в приспособлении и загрузка в рабочую камеру;

· сварка;

· выгрузка готового изделия;

· контроль качества соединения и изделия в целом.

В отдельных случаях могут потребоваться операции, связанные с нанесением металлических или оксидных покрытий на заготовки, улучшающих свариваемость материалов, термическую обработку и т.д.

4.1.1. Подготовка поверхностей свариваемых деталей

Процесс диф­фузионной сварки осуществляется в твердой фазе без существенной макропластической деформации, поэтому физико-химические свойства поверхностных слоев, непосредственно вступающих в контакт, оказы­вают прямое влияние на ход сварки и играют определяющую роль в образовании соединения.

Подготовка деталей под сварку заключается в механической об­работке, очистке поверхностей от пленок и загрязнений и нанесе­нии подслоев.

Механическая обработка повышает чистоту поверхностей, обеспечивает более плотное прилегание и большую площадь контакта деталей, что ускоряет завершение первой стадии процесса – сближение поверхностных атомов на расстояние межатомного взаимодействия. Способами механической обработки могут быть точение (черновое и получистовое), шлифование и полирование. При абразивной обработке (шлифовании) на поверхность зачищенного металла могут попадать твердые частицы абразива, препятствующие диффузионным процессам при сварке и снижающие прочность соединения.

Очистка поверхностей от адсорбированных пленок (масел, жиров) и загрязнений (краски, полировальной пасты, частиц абразива), препятствующих сварке, может производиться растворителями – ацетоном, спиртом, четыреххлористым углеродом и др., а также путем нагрева и выдержки деталей в вакуумной камере. В отдельных случаях используется травление поверхностей в кислотах с последующей промывкой и сушкой. Перспек­тивен метод очистки свариваемых поверхностей ультразвуком. Проч­ность соединений после такой обработки повышается в 1,5÷2 раза.

Нанесение подслоев на свариваемые поверхности производят с целью улучшения свариваемости материалов за счёт использования пластичных металлов, облегчающих установление физического кон­такта по всей свариваемой поверхности. Использование подслоев позволяет предотвратить появление нежелательных фаз при сварке разнородных материалов и снизить требуемые при сварке температуру и давление и тем самым уменьшить остаточные напряжения. Материалом под­слоя (прокладки) чаще всего служат никель, медь, серебро и золо­то, нанесенные на одну из свариваемых поверхностей гальваническим путем или напылением в вакууме. Толщина подслоя обычно составляет 2÷7 мкм. Возможно применение тонкой фольги (0,1 мм). Материал прокладки выбирается так, чтобы коэффициент его диффузии в основной мате­риал был выше, чем для элементов основы в прокладку. Например, при сварке алюминия со сталью, для предотвращения появления хрупких интерметаллидов, в качестве подслоя используют никель.

Во всех случаях необходимость и целесообразность назначения, какой-либо, операции подготовки поверхностей деталей диктуется конкретными условиями сварки, природой свариваемых материалов, требованиями к изделию, особенностями оборудования, а также экономичес­кими соображениями.

4.1.2. Сборка

От тщательного и правильного выполнения сборки во многом зависит качество соединения. Чаще сборка осуществляется вручную. Необходимо предусмотреть меры, исключающие загрязнение подготов­ленных к сварке поверхностей.

Перекосы сопрягаемых поверхностей могут привести к непроварам, а при работе с хрупкими материалами – к сколам.

Для повышения точности сборки применяют специальные приспособления. При сварке одновременно нескольких однотипных изделий конструкция приспособления должна обеспечить равномерность рас­пределения и передачи усилия на каждый узел от штока механизма сжатия. Для этого используют самоустанавливающиеся опоры, легко деформируемые, выравнивающие усилие прокладки толщиной 0,5÷1,0 мм, и другие способы. Приспособления изготавливаются из ма­териалов, имеющих плохую свариваемость с материалом свариваемых деталей.

Для предотвращения приваривания деталей к опорным поверхностям сварочного приспособления и механизма сжатия между ними располагают специальные прокладки из слюды, керамики или нано­сится порошок окиси алюминия, мел и т.п.

4.1.3. Сварка

Параметрами режима диффузионной сварки в вакууме являются:

· температура нагрева деталей в зоне сварки (Т);

· удельное сжимающее давление (Р);

· время сварки, т.е. время выдержки при сварочной температуре (t);

· степень разрежения (В).

В случае проведения процесса в другой среде параметрами являются также: тип и химический состав среды; точка росы; пар­циальное давление кислорода.

Отработка технологии диффузионной сварки в вакууме заключается в установлении опти­мальных значений параметров процесса и рациональных соотношений между этими параметрами.

Циклограмма процесса диффузионной сварки в вакууме, отражающая последовательность при­емов и характер изменения параметров режима при сварке, приведе­на на рис. 4.1. Процесс сварки можно разбить на несколь­ко этапов:

· На первом этапе осуществляется загрузка свариваемых деталей и герметизация рабочей камеры.

· На втором этапе начинает работать система откачки и создается заданная по режиму степень разрежения в камере (вакуум).

· Во время третьего этапа производят нагрев сомкнутых, но не сжатых деталей до заданной сварочной температуры. Нагрев деталей приводит к неизбежному выделению растворенных в них газов. Поэтому во время дегазации в начале данного этапа давление в камере несколько повышается. Процесс дегазации можно ускорить за счет повышения интенсивности нагрева и скорости откачки. По окончании дегазации происходит уменьшение остаточного давления в камере до заданного значения и только после этого к деталям прикладывается требуемое сварочное давление. Начинается следующий этап.

Рис. 4.1. Циклограмма процесса диффузионной сварки в вакууме

· Во время четвертого этапа вследствие термомеханического воздействия происходит пластическая деформация микронеровностей, дробление твер­дых пленок, увеличение площади фактического контакта (до 90÷95 %), развитие и завершение диффузионных процессов.

· На пятом этапе выключается источник нагрева, и детали в сжа­том состоянии охлаждаются в вакууме до температуры (100÷200) ^оС, чем обеспечивается необходимая прочность и пластичность соединения.

· На последнем, шестом, этапе производится разгерметизация камеры и, после полного охлаждения до комнатной температуры, снятие усилия сжатия и выгрузка (съем) готового изделия.

4.1.4. Контроль качества сварных соединений

Система контроля сварных соединений, выполненных диффузион­ной сваркой, включает методы, технические средства и методики, предназначенные для обеспечения требуемого качества и надежности соединений.

При разработке контроля качества сварных соединений, выпол­ненных диффузионной сваркой, следует руководствоваться требованиями, предъявляемыми к сварному соединению, и существующими стандартами. Для контроля сварных соединений в процессе диффузионной сварки разработаны специальные методы и аппаратура. Контроль сварных соединений в некоторых слу­чаях осуществляется стандартными методами и средствами контроля.

Пта выборе методов и средств контроля соединений, выполнен­ных диффузионной сваркой, необходимо иметь четкое представление о характере дефектов и возможных причинах их появления. Наиболее характер­ными дефектами, возникающими при диффузионной сварке, являются непровары, трещины, новые фазы, высокие остаточные напряжения и большая остаточная деформация.

Непровары могут иметь раскрытие (размер дефекта в направлении, перпендикулярном к поверхности соединения) от десятых долей микрометра до десятков микрометров, а их площадь может составлять до нескольких квадратных миллиметров.

Непровар может быть заполнен проникшим в него воздухом, оксидами или загрязнениями, не успевшими диффундировать в сва­риваемые материалы.

Очень опасны дефекты, выходящие на наружную поверхность изделия, например, сквозные трещины (течи). В дефекты такого рода могут переходить макро- и микротрещины.

Остаточная деформация вызывается значительным усилием сжа­тия, при котором повышается предел текучести свариваемых мате­риалов.

Дефект, называемый слипанием, проявляется при соединении деталей без достаточно глубокого взаимного проникновения свари­ваемых материалов.

К числу дефектов можно отнести также значительнее изменение структуры материала зоны соединения по сравнению с исходными ме­таллами.

Дефект оплавления обуславливается нагревом до температуры, близкой к температуре плавления свариваемых деталей.

Дефект, называемый смещением обычно возникает из-за неправильной конструкции сборочного приспособления или неточной уста­новки свариваемых деталей в этом приспособлении.

Система контроля должка обеспечивать своевременное выявле­ние всех дефектов и вызывающих их причин с целью быстрейшей лик­видации недопустимых отклонений от заданного режима сварки. Для контроля сварных соединений применяют удобные для проведения испытаний и измерений контрольные технологичес­кие образцы, которые легко изготовить.

Механические испытания на растяжение, изгиб, и ударную вязкость проводят для контроля качества соединений, оптимизации режимов диффузионной сварки и определения показателей свариваемо­сти материалов.

4.1.5. Влияние параметров режима и условий сварки на свойства соединений

4.1.5.1. Степень разрежения в вакуумной камере выбирают с учетом свойств свариваемых материалов. При недостаточном вакууме усиливается окисление материалов. Получение высокого вакуума сущест­венно снижает производительность сварки, приводит к удорожанию процесса.

В большинстве случаев процесс сварки ведется при разрежении 10^-4÷10^-5 мм рт. ст. Использование более высокого вакуума оправ­дано, когда необходимо обеспечить высокую размерную точность изделия, уменьшив остаточные напряжения и деформации в нем за счет соответствующего снижения температуры, давления и времени.

4.1.5.2. Для выбора температуры, давления и времени нет строгих рекомендаций. При выборе их значений учитывают поведение свариваемых материалов при нагреве и деформации, а также требования к изделию.

Характер зависимости прочности соединения от этих параметров однотипен, что хорошо иллюстрируется объемными диаграммами. На рис. 4.2 приведена такая диаграмма, показывающая влияние темпера­туры и удельного давления на прочность соединения на примере свар­ки стали 45.

Увеличение темпера­туры и удельного давления в начале процесса приводит к резкому повышению прочности соединения, но до определенного предела, после которого дальнейшее увеличение температуры и давления не влияет за­метно на рост прочности.

Для конструкционных сталей температуру сварки назначают в пределах 50÷70 % температуры плавления материалов, при соединении разнородных материалов берется в расчет температура плавления более легкоплавкого из них.

Для тех же сталей удельное давление выбирается в пределах 1÷20 МПа, т.е. ниже предела текучести материала.

Для сварки тугоплавких и жаропрочных материалов эти значе­ния могут быть в несколько раз выше.

Время сварки обычно составляет от нескольких секунд до десятков минут и больше в зависимости от жаропрочности и твердости свариваемых материалов. Чрезмерное увеличение времени, как и температуры сварки, может привести к снижению прочности соединения из-за роста зерна или из-за образования и роста прослойки интерметаллидов.

Рис. 4.2. Зависимость прочности соединения от температуры и давления

4.1.5.3. По характеру образования соединения различные сочета­ния материалов, свариваемых диффузионной сваркой в вакууме, можно разделить на пять групп.

· Однородные материалы, например сталь+сталь, титан+титан и др. В зоне соединения при правильно выбранных режимах (Т = 900÷1100 ^оС, р = 1÷2 МПа, t = 10 мин., вакуум В ≥ 10^-3 мм рт.ст.) наблюдаются общие зерна, плоскость первоначального контактирования практически не просматривается. Соединение имеет прочность, равную с основным металлом.

· Разнородные материалы, обладающие неограниченной взаимной растворимостью, например сталь+никель (Т = 1000 ^оС, р = 1,5 МПа, t = 10 мин., В = 10^-3 мм рт.ст.).

Граница раздела в зоне соединения может быть обнаружена на металлографических шлифах по резкому изменению структуры свари­ваемых материалов. Соединение равнопрочно основному металлу.

· Разнородные материалы, образующие эвтектику, например, сталь+медь (Т = 1000 ^оС, р = 1 МПа, t = 10 мин., В = 10^-3 мм рт.ст.). Эвтектика представляет собой новую фазу, обычно имеющую температуру плавления ниже Т_пл каждого составного элемента. На микрошлифах эвтектика просматривается в виде узкой полосы по плоскости первоначального контактирования. Соединение имеет прочность менее прочного материала, например меди (разрушение происходит по меди), однако наличие эвтектики приводит к снижению ударной вязкости в зоне сварки.

· Разнородные материалы, резко отличающиеся по твердости и жаропрочности, например, твердых сплавов ВК20+сталь.

В данном случае применяется прослойка из высокоплстичного материала. В процессе сварки (Т = 1100 ^оС, р = 1,2 МПа, t = 2 мин., В = 10^-3 мм рт.ст.) под действием внешнего сжимающего усилия прослойка деформируется и заполняет неровности механической обработки более твердого об­разца. На микрошлифах прослойка видна в виде светлой полосы, а поверхность контакта «твердый сплав –прослойка» – в виде тонкой ломаной линии.

· Разнородные материалы, образующие интерметаллические (типа А_mB_n) соединения, например, железо+алюминий, никель +алюминий.

При сварке алюминия и его сплавов с низкоуглеродистой сталью в зоне соединения образуются интерметаллиды, которые способствуют хрупкому разрушению сварного соединения. Для повышения прочности соединения между свариваемыми деталями вводится промежуточный металл, который с алюминием и железом не образовал бы соеди­нений, ухудшающих работоспособность изделий. Одним из таких ме­таллов является никель. Никель с железом образует твердые раство­ры, а с алюминием (при определенных условиях) – интерметаллид.

Интерметаллическая прослойка из Al₃Ni₂ шириной не более 1 мкм не оказывает отрицательного влияния на работоспособность соеди­нения, так как она более пластична, чем соединение Fe₃Ni. Однако при увеличении ширины интерметаллической фазы повышается хрупкость соединения и прочность резко снижается. Ширина прослой­ки увеличивается с повышением времени, температуры и удельного давления. Оптимальный режим диффузионной сварки в вакууме низкоуглеродистой стали со сплавом АМц через никелевую прослойку следующий: Т = 550÷575 ^оС, р = 1,4÷1,5 МПа, t = 2÷5 мин., В = 10^-3 мм рт.ст.

4.2. Цель работы

4.2.1. Изучение технологических основ диффузионной сварки в вакууме.

4.2.2. Определение оптимального режима диффузионной сварки заданных материалов.

4.3. Оборудование, приборы и материалы, необходимые при выполнении работы

4.3.1. Лабораторная установка для диффузионной сварки в вакууме.

4.3.2. Заготовки для сварки из низкоуглеродистой стали.

    4.3.3. Маятниковый копёр типа МК-30.

4.3.4. Молоток, напильник, плоскогубцы, клеймы, наждачная бумага.

4.3.5. Миллиметровая бумага, линейка, планиметр.

4.3.6. Спирт или ацетон.

4.4. Методика выполнения работы

4.4.1. Ознакомиться с инструкцией по работе на установке для диффузионной сварки в вакууме.

4.4.2. Тщательно зачистить от заусенцев и обезжирить торцы сва­риваемых заготовок.

4.4.3. Подготовленную пару заготовок установить вертикально в
индукторе на опоре. Положение заготовки отрегулировать так, чтобы стык образцов находился в одной плоскости с витком индуктора и по периметру концентричен с ним. Перед этим в контактах заготовок с опорой и механизмом сжатия проложить теплоизолирующую прокладку.

4.4.4. Герметизировать камеру и создать в ней разрежение до
10^-3 мм_рт.ст.

4.4.5. В соответствии с циклограммой процесса (см. рис. 4.1) произвести сварку образцов на режимах с различной температурой сварки: Т = 900 ^оС, 950 ^оС, 1000 ^оС, 1050 ^оС при постоянном удельном давлении р = 15 МПа и времени изотермической выдержки t = 5 мин.

4.4.6. Произвести маркировку каждой пары сваренных образцов в соответствии с температурой сварки.

4.4.7. Провести сравнительные испытания на ударный изгиб на маятниковом копре.

Вычислить работу разрушения сваренных образцов:

А = А_н - А_к;

 где А_н и А_к - начальный и конечный запас энергии маятника.

4.4.8. Определить площадь сечения образцов после разрушения (S) и удельную работу разрушения

 .

4.4.9. Построить график зависимости работы разрушения от темпе­ратуры сварки А= f (Т ^оС) и выбрать оптимальное её значение.

4.4.10. Подготовить ответы на контрольные вопросы.

4.5. Содержание отчета

4.5.1. Краткие теоретические сведения по технологическим основам диффузионной сварки в вакууме.

4.5.2. Методика проведения экспериментов по сварке:

• определение и контроль в сварочной установке параметров режима сварки;

• оценка качества соединений.

4.5.3. Таблица исходных данных и результатов оценки качества сварки.

4.5.4. Анализ результатов опытов.

4.5.5. Общие выводы по работе.

4.6. Контрольные вопросы

4.6.1. Укажите последовательность операций технологического
процесса диффузионной сварки в вакууме.

4.6.2. Назовите способы подготовки свариваемых поверхностей, и какова роль этой операции в образовании соединения?

4.6.3. Перечислите этапы процесса диффузионной сварки в вакууме, и что происходит на каж­дом из них?

4.6.4.Каков характер влияния основных параметров режима сварки на прочность соединения?

4.6.5. В какие группы можно выделить различные сочетания мате­риалов при диффузионной сварки в вакууме, и в чем особенности структуры соединения их?

4.6.6. Как экспериментально выявить оптимальные параметры режима сварки?    

Литература

1. Банов М.Д. , Масаков В. В. , Плюснина Н. П. Специальные способы сварки и резки: учебное пособие. – М.: Академия, 2011.

2. Федосов С.А., Оськин И.Э. Основы технологии сварки: учебное пособие. – М.: Машиностроение, 2011.

3. Специальные методы сварки и пайки: Учебник для ср. спец. учеб. зав. / В.В. Пешков и др.; Под ред. В.А. Фролова. – М.: Интермет Инжиниринг, 2003. - 184 с.

4. Николаев Г.А., Ольшанский Н.А. Специальные методы сварки: Учеб. пособ. для студ. вузов. - М.: «Машиностроение», 1975. 232 с.

ПРАВИЛА БЕЗОПАСНОСТИ

Приступая к выполнению лаборатор­ных работ по курсу, каждый студент обязан изучить необходимые инструкции по технике безопасности, пройти инструктаж и расписаться в соответ­ствующем журнале.

Непосредственно перед лабораторной работой и в процессе ее выполнения необхо­димо соблюдать следующие основные правила безопасности:

· Включение электрических схем для исследования производится только с разрешения преподавателя или учебного мастера.

· Все переключения следует производить только после отключения схемы от электрической сети.

· Запрещается прикасаться к электрооборудованию и проводам, находящимся под напряжением.

· В перерывах в работе обязательно выключать электрооборудо­вание.

· При механических испытаниях установку и съем образцов необходимо выполнять при полностью отключен­ном механизме нагружения. Испытания проводятся только при наличии защитных ограждений.

· Большинство установок, применяемых для кон­троля, содержат источники энергии, полностью или частично находящиеся под напряжением во время работы, поэтому работу на установках можно проводить только при наличии заземления. Включение установок следует произ­водить с разрешения преподавателя или учебного мастера.

· После окончания работы следует разобрать схему и убрать рабочее место.