Диффузионная сварка разнородных материалов, теория, технология, контроль

Размещено на http://www.allbest.ru/

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.

Использование представленной технологической оснастки позволило провести отработку режимов ДС ферритов с медью МБ [ ].

Рис.5. Малогабаритная технологическая оснастка.

Для ДС ферритов с металлами использовались и другие металлические материалы: сплавы на основе Ti, сплавы на основе Al, сплавы на основе Ni, сталь 08ЮЧ. Удовлетворительные результаты получены только для алюминиевого сплава АД0, что объясняется высокими пластическими свойствами последнего и активностью Al в топохимических реакциях.

Оборудование. В настоящее время не производится серийный выпуск оборудования ДС. Однако существует целый ряд фирм, которые осуществляют единичное производство установок ДС под заказ, например ОАО Электротерм-93(г. Саратов). Стоимость такого оборудования весьма высока, что приводит к практической невозможности реализации накопленного опыта по процессу ДС в промышленности.

В этой связи, представляет интерес реализации процесса ДС разнородных материалов с помощью специализированной технологической оснастки, в которой усилие сжатия свариваемых деталей осуществляется за счет разницы ТКЛР материалов оснастки, в вакуумных печах. Данный термокомпрессионный метод ДС известен [15, 16] и в общем случае сводится к тому, что стягивающие элементы технологической оснастки должны иметь меньший ТКЛР, чем приведённый ТКЛР сжимаемого пакета свариваемых деталей.

Для отработки термокомпрессионного метода ДС металлокерамических узлов в вакуумных печах была выбрана простая конструкция металлокерамического узла (рис.6).

1- керамика ВК 94-1;

2- прокладки из меди М0б;

3- сплав 36НХТЮ.

Рис.6. Конструкция металлокерамического узла.

Разработана конструкция технологической оснастки для ДС в высоковакуумной печи типа «Вега-3М» (рис.7).

В работе [16] предложена инженерная методика расчета параметров термокомпрессионной технологической оснастки для ДС металлокерамических узлов. Результаты расчетов рассматриваемой технологической оснастки приведены на рис.8, на котором приведены зависимости общей деформации Д_С (м) и общего усилия сжатия Р_т (Н) от линейного повышения температуры Т (К). Общая деформация = Д_Т -Д_У -L_Z, где Д_Т- терми-ческая деформация, Д_У- упругая деформация, L_Z- регулируемый зазор.

а) б)

1- корпус (титановый сплав ВТ-20); 2- система клиньев (12Х18Н10Т);

3- вкладыши (12Х18Н10Т); 4- набор свариваемых деталей.

Рис. 7. Конструкция термокомпрессионного приспособления.

Рис. 8. Зависимость Д_С и Р_т свариваемых деталей при повышении температуры (К).

Отрицательные значения Д_С соответствуют интервалу нагрева с невыбранным зазором L_Z. Нулевое значение Д_С соответствует исчезновению зазора (точка А на кривой общей деформации) и началу возникновения сжимающего усилия на свариваемых деталях (точка Б на кривой общего усилия).

Предложенная методика расчета параметров термокомпресси-онной технологической оснастки для процесса ДС металлокерамических узлов в вакуумных печах позволяет моделировать этапы нагрева и подбирать необходимые размеры деталей и величины зазора L_Z. Выбор величины зазора L_Z позволяет исключить работу технологической оснастки при больших значениях общего усилия P_T, которые приводят к разрушению керамических деталей (значения на кривой P_T левее точки Б).

Получены опытные образцы рассматриваемого металлокерамического узла при использовании прокладок из меди М0б толщиной 0,1мм.

Контроль качества сварных соединений разнородных материалов в настоящее время не нашел достаточного освещения в приведенной выше литературе. В первую очередь это относится к оценке механических свойств сварных соединений. Если для металлических материалов возможно использование образцов и методик аналогичным приведенным в ГОСТ 6996-69, то для неметаллических материалов (керамика, стекло, ферриты и т.д.) оценка механических свойств сварных соединений связана с рядом особенностей, не предусмотренных известными ГОСТами. Прежде всего, возникает вопрос выбора геометрии и размеров контрольных сварных соединений для первоначальной отработки режимов ДС.

Как пример возможных подходов к решению указанных вопросов может быть рекомендован опыт разработки ДС ферритометалли-ческих узлов [4]. На рис.3 представлены возможные варианты контрольных сварных соединений для рассматриваемой композиции.

Образец, представленный на рис.3а оптимален с экономической точки зрения, когда количество КСС составляет десятки образцов, а также с точки зрения последующего изготовления микрошлифов и испытаний прочности на сдвиг.

Для образцов, представленных на рис.3а испытания прочности на сдвиг может проводиться с помощью приспособления представленного на рис.9. Сваренный образец помещается в квадратное отверстие втулки поз.4. Втулка с образцом поз.9 устанавливается в ползуне-тяге поз.1 и поворачивается таким образом, чтобы усилие сдвига передавалось сразу на две торцевых поверхности образца (45° к направлению сдвига), что предотвращает разрушение торцевых поверхностей, когда прочность на сдвиг сварного шва превышает объемную прочность на сжатие материала образца (например феррита). Испытания проводятся на разрывной машине Р-5 (шала А, диапазон 10000 Н).

1 - ползун; 2 - накладка; 3 - боковая планка;

4 - втулка с квадратным отверстием; 5 - прокладки из слюды;

6,7,8 - шпилька М6, гайка, шайба;

9 - набор свариваемых образцов (10Ч10Ч3,5мм).

Рис.9. Приспособление для испытания прочности на срез КСС.

Образцы, представленные на рис.3б и 3в, по своим геометрическим размерам являются аналогами промышленных изделий. Они имеют увеличенные размеры (большие значения масштабного фактора) и могут быть использованы для испытаний при эксплуатационных нагрузках. Наиболее критичными эксплуатационными нагрузками, с точки зрения механических свойств, сварных соединений для представленных образцов будут являться испытания на термоциклирование и динамические ударные нагрузки [4]:

- термоциклы (-60+150°С), не менее 10 циклов;

- многократные удары g=735 м/с²; t=2ч6 мс;

- одиночные удары g=4900 м/с²; t=1ч2 мс;

- вибропрочность f=2000 Гц; t=8 ч.

Для реализации процессов ДС в производстве, помимо внешнего визуального контроля сварных соединений, весьма важно использование неразрушающих методов контроля, гарантирующих качество изделий. В этой связи предложена методика [17] теневого ультразвукового контроля в иммерсионном варианте (рис.10). Данный метод позволяет оценить качество формирования сварного шва для изделий типа пластин (рис. 3б и 3в).

1 - приемник, 2,4 - изделие, 3 - фактический контакт,

5 - дефект (непровар), 6 - излучатель, 7 - ванна,

8 - вода, 9 - УЗ дефектоскоп.

Рис.10. Структурная схема установки для УЗ контроля качества сварных соединений

Дефектность соединения оценивается по формуле:

где: А_зат, А_дет - значение затухания ультразвукового сигнала;

- площадь без дефектного соединения;

- площадь соединения с деффектом.

Установлено, что минимальный уровень затухания УЗ-сигнала

при контроле бездефектных соединений феррит-металл составляет 15 дБ. Затухание УЗ-сигнала при переходе от бездефектного соединения к дефектному изменяется примерно на 20 дБ. Допустимая дефектность соединения определяется в каждом конкретном случае, исходя из эксплуатационных требований к изделию. Для большинства изделий допустимая дефектность определяется соотношением (S_д /S) ? 5.

Данные виды испытаний наиболее характерны для изделий приборостроения, которые испытывают наибольшую потребность в разнородных сварных соединениях неметаллических материалов с металлами.

соединение феррит металл диффузионная сварка

Список литературы

1. Казаков Н.Ф. Диффузионная сварка в вакууме. М.: Машиностроение, 1968. 331 с.

2. Красулин Ю.Л. Взаимодействие металлов с полупроводником в твердой фазе. М.: Наука, 1971. 119 с.

3. Конюшков Г.В., Копылов Ю.Н. Диффузионная сварка в электронике. М.: Энергия, 1974. 168 с.

4. Конюшков Г.В., Зтов Б.М., Меркин Э.И. Ферриты и их соединения с металлами и керамикой. М.: Энергия, 1979. 232 с.

5. Бачин В.А. Диффузионная сварка стекла и керамики с металлами. М.: Машиностроение, 1986. 184 с.

6. Мусин Р.А., Конюшков Г.В. Соединение металлов с керамическими материалами. М.: Машиностроение, 1991. 224 с.

7. Каракозов Э.С. Соединение металлов в твердой фазе. М.: Металлургия, 1976. 264 с

8. Третьяков Ю.Д. Твердофазные реакции. М.: Химия, 1978. 360 с.

9. Браун М., Доллимор Д., Галвей А. Реакции твердых тел: Пер. с англ. М.: Мир, 1983. 360 с.

10.Конюшков Г.В., Мусин Р.А., Херольд Х., Жевалев О.Ю., Балакин А.Н. Физические и химические основы формирования сварных соединений металлов с неметаллическими изделиями // Сварка и диагностика, 2007. №4. С.6-8.

11. Люшинский А.В. Диффузионная сварка разнородных материалов: учеб. пособие для студ. высш. учеб. Заведений. М.: Издательский центр «Академия», 2006. 208 с.

12. Диффузионная сварка материалов: Справочник / Под. ред. Н.Ф. Казакова. М.: Машиностроение, 1981. 271 с.

13. Жевалев О.Ю., Котина Н.М., Конюшков Г.В., Мусин Р.А. Диффузионная сварка ферритометаллических узлов // Сварочное производство. 1986. №4. С.3-5.

14. Универсальная технологическая оснастка для диффузионной сварки и пайки в вакуумных печах. Патент на полезную модель №166553. Российская Федерация: МПК В23К 20/26 / О.Ю. Жевалев, Л.Е. Куц, М.А. Приходько; заявитель и патентообладатель СГТУ имени Гагарина Ю.А. № 2015157220/02, заявлено 29.12.2015; опубл. 27.11.2016, Бюл.№33-3с.

15. Щербак В.Г., Кедров В.Г.Технология прецизионной диффузионной сварки в точном приборостроении. СПб: ГНЦ РФ - ЦНИИ «Электроприбор», 1997.166 с.

16. Зоркин А.Я., Жевалев О.Ю., Ермишкина Н.А., Куц К.В. Термокомпрессионная технологическая оснастка для диффузионной сварки и пайки в вакуумных печах // Сварка и диагностика: сб. докл. науч.-техн. конф. в рамках 13 междунар. специализир. выставки «Сварка. Контроль и диагностика», Екатеринбург, 2013. С.55-59.

17. Жевалев О.Ю., Конюшков Г.В., Котина Н.М., Куц Л.Е. Применение ультразвукового метода контроля для ферритометаллических узлов // Антенны. 2013. №7. С.25-27.

Размещено на Allbest.ru