Диффузионная сварка. 
Сварка и пайка в авиационной промышленности

Диффузионная сварка деталей (рис. 3.20) происходит в твердом состоянии вследствие возникновения связей на атомарном уровне, появившихся в результате максимального сближения контактных поверхностей благодаря локальной пластической деформации при повышенной температуре, обеспечивающей взаимную диффузию в приповерхностных слоях соединяемых материалов.

Рис. 3.20. Принципиальная схема диффузионной сварки:

• 1 — камера; 2 — индуктор; 3 — патрубок для откачки воздуха;
• 4 — свариваемые детали

Свариваемые детали сдавливают с небольшим усилием и нагревают до температуры, равной 0,4—0,8 температуры плавления металла. Процесс сварки последовательно включает в себя возникновение и развитие физического контакта, активацию контактных поверхностей, взаимодействие атомов, в результате чего между ними устанавливаются связи, приводящие к образованию монолитного соединения.

Установление и развитие физического контакта при диффузионной сварке происходит под влиянием ползучести и спекания металла. Как известно, ползучесть представляет собой медленную пластическую деформацию, обусловленную нагрузкой, действующей продолжительное время и вызывающую напряжения ниже предела текучести металла. Процесс ползучести металла в начальный момент деформирования протекает очень активно, обеспечивая интенсивное смятие микронеровностей на поверхности металла. Этому способствует также большое удельное давление в местах контакта по микровыступам. В результате этого в значительном количестве на поверхность контакта будут выходить различного рода дислокации. Увеличение дислокаций, являющихся активными центрами, приведет к возрастанию энергии активации и созданию необходимых условий для взаимодействия атомов двух деталей и последующей их сварки. Однако по мере возникновения барьеров скорость ползучести уменьшается и приобретает постоянное значение. Барьером, замедляющим скорость ползучести, может быть уменьшение плотности движущихся дислокаций (несовершенства кристаллической решетки), ответственных за процесс ползучести.

Постепенное увеличение фактической площади соприкосновения двух свариваемых деталей и снижение скорости ползучести г на некоторой стадии пластического деформирования затруднит образование новых активных центров:

где X — частота образования активных центров (выхода дислокаций);

?=— — скорость деформации (ползучести); L — путь движения дис;

At

локации; Ъ — вектор Бюргерса.

К моменту уменьшения скорости деформации и связанной с ней частоты выхода дислокаций необходимо, чтобы физический контракт между деталями был максимальным. Это будет зависеть от давления и температуры на рассмотренной стадии диффузионной сварки.

Если потребуется дальнейшее развитие площади физического контакта и создание новых активных центров на поверхности свариваемых деталей, то для этого нужно будет существенно повысить энергетические затраты, увеличив давление или температуру.

Применение циклического давления может благоприятно отразиться на развитии пластической деформации. При такой схеме сварки после достижения установившейся скорости ползучести, когда появление новых центров активации затруднено, детали разгружают. С уменьшением давления до нуля и выдержкой деталей без сдавливания устраняются барьеры, препятствующие высокой скорости ползучести, т. е. наблюдается явление возврата. Повторное сдавливание деталей происходит в таких условиях, когда металл активно и с большой скоростью пластически деформируется с образованием большого количества центров активации. Для увеличения прочности соединения приложение и снятие давления можно производить неоднократно. Активизировать процесс возврата при циклическом нагружении можно повышением температуры нагрева от цикла к циклу. Способ интенсификации процесса диффузионной сварки — циклическое нагружение — приемлем только при конкретных обстоятельствах, так как он связан с увеличением общего времени сварки и снижением производительности.

Как показывают эксперименты, активизировать процесс диффузионной сварки можно наложением ультразвуковых колебаний, вызывающих высокочастотные знакопеременные нагрузки в месте свариваемого контакта, при этом отмечается и увеличение глубины диффузионного взаимодействия.

В некоторых случаях диффузионная сварка осуществляется с применением промежуточных прослоек в виде мелкодисперсных порошков или прокладок. Они способствуют образованию более полного и надежного физического контакта. Подбирая материал прокладки, можно добиться снижения температуры сварки, а также соединять между собой такие материалы, сварка которых непосредственно друг с другом затруднена.

К режимам диффузионной сварки относятся: температура нагрева, удельное давление при сварке, время выдержки, а также степень вакуумирования.

Повышение температуры сварки, как известно, способствует увеличению поверхности соприкосновения деталей из-за увеличения пластичности металла. Кроме того, с повышением температуры увеличивается скорость диффузии атомов, ускоряются процессы очистки поверхности металлов от оксидов.

Обычно температуру нагрева при диффузионной сварке выбирают в интервале (0,4—0,8) Г_пл. Большие значения температуры выбирают при сварке тугоплавких металлов. Однако металлы, склонные к увеличению зерна при нагреве, сваривают при более низких температурах. Кроме того, стремятся снизить температуру сварки тонких деталей во избежание их деформаций. В таком случае необходимая прочность соединения достигается увеличением продолжительности нагрева. Сварка разнородных материалов производится при температуре, выбираемой в соответствии с температурой плавления наиболее легкоплавкого материала.

Удельное давление при диффузионной сварке не должно вызывать заметных пластических деформаций деталей, должно соответствовать образованию надежного физического контакта на достаточно большой площади и способствовать протеканию процесса ползучести. Максимальное усилие Р, с которым можно сдавливать детали, ориентировочно определяют, зная площадь соприкосновения деталей и среднее значение предела текучести а_т при температуре сварки:

Влияние удельного давления как параметра режима диффузионной сварки на свойства сварного соединения показано на рис. 3.21, а, где представлена зависимость работы распространения трещины а_т и пластической деформации е от давления при сварке высокопрочного сплава на никелевой основе. Видно, что рост давления положительно влияет на указанные механические характеристики соединения.

На рис. 3.21, б показано влияние температуры нагрева и величины удельного давления на прочность сварных образцов из стали 50. Как показывают эксперименты, температура является одним из важнейших технологических факторов, способствующих по мере роста увеличению прочности. Однако имеются такие значения температуры, как и давления, выше которых механические свойства увеличиваются незначительно или даже могут уменьшаться. Поэтому при сварке величины давления и температуры необходимо ограничивать, тем более, что с их повышением возрастает опасность значительных деформаций изделий, а при сварке тонкостенных деталей — потери их устойчивости. Аналогичное влияние на прочность сварного соединения оказывает время выдержки при сварке. И здесь чрезмерная продолжительность сварки из-за роста зерна может вызвать понижение прочности и особенно понижение пластических свойств соединения.

Рис. 3.21. Влияние параметров режимов диффузионной сварки на механические свойства сварных образцов:

а — зависимость работы распространения трещины а_т и величины пластической деформации е от сварочного давления р; б — зависимость прочности от температуры нагрева и величины сварочного давления; 1 — 5 МПа; 2 —.

10 МПа; 3 — 20 МПа; 4 — 50 МПа (т_св = 5 мин) При диффузионной сварке важна не только температура, при которой происходит сварка, но и последующая скорость охлаждения деталей. Постепенное охлаждение в вакуумной камере под давлением повышает прочность и пластичность сварных соединений.

Давление при диффузионной сварке создается различными способами: пуансоном пресса, приводимым в действие гидравликой или пневматикой; в результате термического напряжения при сварке деталей с различными коэффициентами линейного расширения, когда одна деталь охватывает другую и имеет меньший коэффициент линейного расширения; получением избыточного давления с помощью газа в автолавках и т. п.

Нагрев деталей при сварке может быть индукционным, проходящим током, радиационным, электронным лучом, тлеющим разрядом и световым.

При индукционном нагреве деталь помещается в высокочастотное электромагнитное поле, создаваемое индуктором, и нагревается благодаря теплу, возникающему в деталях в результате циркуляции в них индуктированных вихревых токов. При прохождении по проводнику переменного тока плотность его по сечению распределяется неравномерно: максимальную плотность ток имеет на поверхности проводника. С увеличением частоты переменного тока эта неравномерность плотности тока возрастает, вследствие чего температурное поле по сечению деталей также неравномерно, что отрицательно влияет на прочность соединения при диффузионной сварке. Наибольшая температура нагрева будет в поверхностных слоях, поэтому частоту тока при нагреве желательно менять в зависимости от толщины свариваемых деталей: для тонких деталей могут применяться токи с частотой до 16 Гц, для нагрева массивных деталей — с частотой 8 • 10³ Гц.

При нагреве проходящим током источник питания подключается непосредственно к свариваемым деталям. Проходя через детали, ток нагревает их вследствие сопротивления материала и контакта между ними.

Радиационный нагрев осуществляется излучением от нагревателя, помещенного снаружи или внутри камеры. В большинстве случаев нагреватели расположены внутри камеры. Детали при таком способе нагрева могут нагреваться до высоких температур в зависимости от материала нагревателей. Если нагреватель изготовлен из нихрома, то температура нагрева деталей может быть до 1273 К, а из вольфрама или графита — до 2773—3273 К.

Электронно-лучевой нагрев имеет значительные преимущества при диффузионной сварке деталей из молибдена, вольфрама, ниобия и титана. Применение нагрева токами высокой частоты при сварке указанных изделий в ряде случаев не дает возможности получить требуемую температуру нагрева (1473—2273 К) и должное качество соединения. С этой точки зрения электронно-лучевой нагрев имеет следующие достоинства: локальный нагрев соединяемых деталей практически до любой температуры, большая скорость нагрева, высокий КПД (80%), широкий диапазон регулирования мощности, идущей на нагрев изделия.

Нагрев в поле тлеющего разряда основан на превращении кинетической энергии ионов в тепловую при бомбардировке катода.

Световой нагрев может производиться с помощью инфракрасных ламп, получивших название йодных, так как внутри лампы находятся инертный газ и йод. Более 80% потребляемой энергии лампа передает излучением, что очень важно для нагрева в вакууме, где перенос тепла в результате конвекции или теплопроводности исключен. Такого типа лампы нагревают детали очень быстро, что также является большим их достоинством.

Среда, в которой происходит диффузионная сварка, в значительной мере влияет на свойства сварного соединения, поэтому она чаще всего осуществляется в вакууме, имеющем хорошие защитные свойства (табл. 3.4).

Однако значение вакуума заключается не только в том, чтобы исключить окисление и взаимодействие с азотом при сварке, но и удалить оксидные пленки. При диффузионной сварке удельное давление небольшое, поэтому свариваемая поверхность не может быть очищена от оксидных пленок вследствие пластической деформации. Очистка от оксидной пленки при диффузионной сварке происходит в результате физико-химических процессов в металле и на его поверхности при нагреве в вакууме: сублимации и диссоциации оксидов; восстановления оксидов элементами-раскислителями на границах раздела металл — оксид, а в некоторых случаях и оксид — газовая фаза (вакуум).

Таблица 3.4

Сравнительные данные по содержанию кислорода и азота в аргоне и вакууме при различном разрежении.

Механизм и кинетика очистки от оксидной пленки при диффузионной сварке в вакууме определяются термодинамическими свойствами оксидов, составом газовой фазы, химическими свойствами металла или сплава.

Для определения скорости сублимации некоторыми авторами используется уравнение Ленгмюра с подстановкой в него соответствующих данных по давлению паров оксидов (или металла):

где G — количество вещества, испаряющегося в секунду с единицы поверхности тела, кг/м²-с; р — давление пара этого вещества, Па; М — его молекулярная масса; Г — абсолютная температура.

Скорость удаления оксидов в результате их диссоциации приближенно можно оценить, используя уравнение Ленгмюра, подставляя в него значения упругости диссоциации оксида.

Скорость удаления оксидной пленки вследствие растворения кислорода в металле определяют по формуле.

где АЕ — толщина удельного слоя, м; р_м, р_ок — плотность металла и его оксидов, кг/м³; s, f— масса кислорода в единице объема насыщенного кислородом металла и его оксида, кг/м³; D — коэффициент диффузии (при расчетной температуре), м²/с; t — время, с.

Максимальную скорость восстановления оксидов элементамираскислителями, содержащимися в металле (например, углеродом в стали), рассчитывают, решая совместно уравнение диффузии и уравнение Ленгмюра с учетом равномерного давления газообразного продукта реакции, например СО. Конечное уравнение имеет вид где C₀ — концентрация элемента раскислителя в сплаве; А — постоянный коэффициент.

На основании расчетных данных можно сделать вывод, что на сталях оксиды наиболее интенсивно будут удаляться в результате восстановления их углеродом; на титане и цирконии наиболее вероятно удаление оксидных пленок растворением их в металле. Для некоторых металлов (серебра, меди, никеля) с относительно высокой упругостью диссоциации оксидов очистка от оксидных пленок будет происходить благодаря диссоциации. Для алюминия, как показывают расчетные данные, удаление оксидной пленки даже при глубоком вакууме весьма затруднительно. Экспериментальные исследования по изучению очистки от оксидной пленки в вакууме на таких металлах, как малоуглеродистая и нержавеющая аустенитная сталь, медь, титан и алюминий показали, что нагрев в вакууме приводит к очистке поверхности на всех исследованных материалах, за исключением алюминиевых сплавов, при параметрах режима, соответствующих нормальному процессу диффузионной сварки; нагреве до (0,7—0,8)Т_т, вакууме 1,33 • 10^-2—1,33 х х 10^_3 Па и продолжительности сварки 10—13 мин.

Нагрев в вакууме способствует удалению растворенных газов из внешних слоев свариваемого металла. При определенных условиях — достаточно высокой температуре нагрева и повышенной продолжительности сварки — содержание растворенных газов можно уменьшить и в объеме всего металла детали.

Практически оказывается, что наибольшее изменение прочности сварного соединения происходит при повышении вакуума до 1,3 Па, далее прочность увеличивается незначительно.

Достоинства диффузионной сварки определяются отсутствием плавления металла при сварке; незначительными изменениями свойств основного металла; минимальными остаточными напряжениями и деформациями; большей точностью изготовления узлов, чем при сварке плавлением; малой вероятностью образования трещин; возможностью сварки разнородных металлов. Поэтому диффузионная сварка, несмотря на невысокую производительность и сложность применяемого оборудования, получила распространение при изготовлении ряда ответственных узлов и конструкций летательных аппаратов. Так, по данным зарубежных фирм, с ее помощью изготавливаются панели из титановых сплавов с сотовым наполнителем для крыльев самолетов, что позволяет заменить пайку. Ряд изделий из никелевых сплавов сложной конструкции также сваривается диффузионной сваркой. К ним относятся облегченные диски вентиляторов двигателей, корпуса камер сгорания некоторых турбовентиляторных двигателей, где приваривается обшивка к гофрированным листам диффузионной сваркой с использованием промежуточной прокладки.

Рассматриваемый метод сварки может стать основой получения для авиационных конструкций прогрессивных заготовок и материалов, обладающих высокой удельной прочностью.

Близкой по своей природе к диффузионной сварке является клинопрессовая сварка. Она применяется в производстве летательных аппаратов для изготовления алюминиево-стальных трубных переходников. До сварки торец стальной трубки протачивается на конус, а после нагрева свариваемых деталей стальная трубка впрессовывается в алюминиевую. Последующей механической обработкой получают переходник, который используется при бесфланцевом соединении различного рода трубопроводов из алюминиевых сплавов и стали, что снижает массу конструкций и повышает надежность соединения.