Idea Transcript
Доктор техничес1шх наук, профеосор
Н. Ф.КАЗАКОВ
ДИФФУЗИОННАS! СВАРКА В ВАКУУМЕ
ИЗДАТЕЛЬСТВО «ЗНАНИЕ» Москва 1966
&П4.3 Кt4
3-12-6
.ВВЕД Е НИЕ Раз ·в итие на�ки и техники на современном этапе тесно связа но с соз,д а нием новых машин и м еханизмов, аппаратов и приборов, котор�1е способны устойчиво р аботать при весьм а неблагоприятных усл·овиях - при очень в ысоких и очень низких температур ах, в различных а гр еосивных с р едах, в кос� мическом пространстве. П одобные требования к современ ным машинам и прибор а·м делают необходимым примене ние пр и их создании са. м ой пр огрессивной технологии и ши рокое иrспользо в. ание та.ких м атер и алов, как м олибден, титан, ниобий, вольфра· м , тантал и другие, обладающих специфиче скими физ и · к о-химически:ми свойствами. Но дело в том, что все эти металлы плохо евариваются. Они об.11адают в есьма высокой температурой плавления и большой склонностью к оки rслению. В зоне их овар .к и происходит окисление и азоти р ова ние, что р езко снижает м еханические свойства изделия. В ряде случаев·- особенно в таких отр а1 с лях пр ом ышлен н ости, как р адиоел ектроника, а· в иацио 1н ная и космическая техника, м ашино- и автоматостроение - бывает необходимо сваривать металлы не только с металлами, но та ·кже со стек ло м и керамикой. Тр адиционньrе м етоды с'В арки не позволя ют этого сделать, как, впр очем, и осуществить сварку деталей 1! узлов из м ногих разнородных металлов и сплавов. Боль шие затруднения долгое время представляла собой сварка деталей по конической и сферической поверхностям, в том числе по сложной р ельефной поверхности. . Все эти задачи позволяет успешн о решать м етод диффу зионной сварки в вакууме, изобретенный, разр аботанный и впервые внедренный в производство в н ашей стр ане. Н о дело не только в го.м, чго в ряКуумноплотным и и вибропр очными. При чем прочность бывает на, с только выоо : к а, что перегруженные при иопытаниях ооарные детали часто р азрушаются не в зоне овар, к и. В ажная особенность диффузионного метода - возмож ность п олучить соединения сразу п о большой п оверхности. Фактически площадь аварки ограничивается только потреб ностями. Так, освоена технология оварки крупногабаритных изделий - О,8Х4 м2• Как правило. это не удлиняет срока сварочного процесса. Толщина свари1Ваем ых деталей пр актиче�ки не влияет на процесс сварки. П оэто:му стал а возможнои сварка «паке том» - из большого количества тонкол истовых элементов (например, из 100 л истов медной фольги тол щиной 0,05 .мм каждый, при чем еще и с промежуточными прокл адка ми). Надо отметить также и тот факт, что диффузионная свар ка дает возможность соединять детали, которые значитель но отличаются друг от друга по габаритам и массе. Кроме того, она имеет еще одно важное свойство: в результате в а куумирования повышается прочность исходного метаJiла, т. е. материала самого и зделия. Это также повышает долговеч ность конструкции. Способ диффузионной сварки можно применять для п олу чения конструкций самой р азнообр азной фор мы. Можно сrва ривать детали не только по плоскости ( р езцы), но и по кони ческой ( корпуса радиоламп), сферической ( подпятники), криволинейной ( обЛИIJiОВ'Ка труб), сложной р ел ьефной по верхности (слой защитного п окрытия мембран) и т. д. В есьма выгодное преимущество диффузионной свархи в вакуу,м е также заключается в том, что, например, приварку к пла стине разнообр азных п ечатных схем можно производить в широком диапазоне без смены инструмента. Заметим, что при этом возможно добиться сущест:венного снижения у,р ов ня шумов в печатных схемах. В настоящее время разр аботано с выше 40 типов с вароч ных диффузионных ва ' к уумных установок ( СДВУ) для инди нипvального и м а ссового производства.
.Уже в начале ЫJ-х годов у� "•··v�. 1п t..,ц,а.r-ц, ...: "'l'v' l'аш�v1ным управлением с успехом демонстрировалась на ряде меж .-ународных выста вок (в Лондоне, Будапеште, Париже, Рио де-Жанейро). Метод диффузионной сварки дал возмо,жность соединять. :металлы с неметаллами. То же можно оказать о сварке м аг нитов (при тр адиционных методах свар'К и они теряли свои свойства). Внедрение диффузионной свар1ш магниюв дает народном у хозяйс11ву дес.я11ки тысяч рублей ежегодной эко номии. Диффузионная сварка в вакууме в ряде случаев пред ставляет ообой са1мый надежный и экономичеоки эффектив ный способ соединения деталей и узлов. Ее внедр ени е уже вызв ал о в р азличных отр аслях промышленности серьезные качественные изменения. Нет сомнения, ЧТ'О сфера использо вания диффузионной сварки в вакууме будет шириться с каждым годом. �- А теперь познакомимся с историей открытия нового м ето да, природой протекающих при не:м процессов, технологией, оборудованием и сферой его применения.
Р ОЖДЕНИЕ Н ОВОГ О М ЕТОДА История диффузионной сварю-r в вакууме очень коротка: она на ч' алась в 1953 г. Но можно считать, что она начал а·сь и много р аньше с неприятностей, которые испытывали специалисты по р езанию м еталJ1ов. Еще в конце прошлого сголети.я они стол! к нулись с зага�дочны:м и очень неприятным явлением: без всякой, казалось бы, видимой причины резцы начинали вибрир овать, и деталь оказывалжь безнадежн1) и1с порченной. Спустя некоторое время было замечено, что все такие не годные р езцы имели одну отдичительную особенность: на кончике каждого из них был небольшой нар,ост. Несколько десятилетий наука потра тила на изучение этих наростов. Ка1ких только способов иссл�ований не перепробовали! Н а конец, тщательные м еталлогр афические исследо1 в ания пока зал и: нарост и меет пр а ,в ильную кристалличеекую решетку. Иными слова:ми, это был совсем не тот м еталл, что в обраба тываемой з· а rотовке. Откуда же он берется? Или, вернее, что превращает «крошки» м еталла, снятые резцом с заготовки, в более прочный м еталл нароста? И что заставляет его «На м ер тво» прирастать к р езцу? Ответ удалось найти пос.пе огр омного количест, в а экспе риментав. Но гла1в ное - не это. От1 в етив на вопрос о том, что -
5
11v1нш11v !j 1ю.:i11ик.новеl\� l'tllJ:i\JCтoв, мы задались целью по ставить этот вредный эффект н а службу техники. Мысль об это м напрашивалась сама собой. Было определено, что на р ост как бы приварен к р езцу в той точке, где пленка окислов, его покрывавших, была раз рушена, т. е. речь шла о диффузионном соединении. Так нель зя л и этот старый, но лишь н едавно объя сненный эффект ис пользовать в сварочном деле? Опыты показали, что в определенных у, с ловиях св арку диффузией можно осущест,в ить: удалось оварить пла , с тинки из различных сталей и 11вердых сплавов. Затем оказал ось, что новому виду сва рки подвластен чугун, алюминий, ти тан. Детали из одноименных м атериалов сваривались так ак тивно и прочно, что потом не удавалось даже м еталлографи чески у,ста новить м ежду ними линию р аздела. Зам ечательно сваривались и разноименные м атер иа.1ы. Прочность соеди нения в ряде случаев п р евышала даже их с обственную проч-! ность. Это делало н овый метод еще заманчивее. Нужно было решить один принципиальный вопрос: как защитить овариваемые поверхности м еталла от образования на них о; к исной пленки, котор ая препятсmует диффузии. Здесь уме1 с тно сделать небольшое отступление и нспомнигь о том, как специалисты искали методы защиты зоны сварки при других способах сварки. Впер,в ые этот вопро·с возник в свя. з и с тем, что сварные швы оказали·сь не очень надежным и: швы остывали быстро, пузырьки газа не уопевали из них выйти, и ·в швах образовы вались поры и трещины. Были созданы специальные обмазки, котарыми покрывали эл ектроды. При горении дуги (а �речь идет о дуговой сварке пл авлением) обмазка создавала зону химиче·ской защиты. Когда же св арка з а,к анчивалась, слой остыв ающей обмаз·ки, осевшей на шве, не да в1 ал ему остывать слишком быстро. Обмаз 1 к а помогла разр аботать технологию сварки под во дой. За счет испаряющейся обм азки вокр уг дуги образуется газовый «пузырь», который оттесняет воду. Этот м етод, раз работанный советским учены:м К. К. Хреновым, дает возмож ность р ем онтировать 'Суда, не вводя их в сухой док, чинить части мо. с тов, находящиеся под водой, или трубопроводы, проложенные по дну р ек, озер, ка налов. Следующий, еще более эффективный м етод з ащиты зоны сварки был создан, когда Институт электр осварк!i_АН УССР, руководимый тогда Е. О. Па гоном, р ешал вопрос авто м ати з ации оварочного процесса. Разработанные тогда первые сва 1р очные автоматы, передвигаясь вдоль изделия, сами под держивали «горение>.� дуги, с ам и •подавали к месту сварки электродную проволоку и новый защитный материал - флюс (порошок из силикатов и ферросплавов). Флюс з ащищает
6
шов от быстрого охлаждения и, что не м енее важно для тех� нологии свар.кн, от газов воздуха. Н овой в ажной ве1юй в прогрессе сварочного дела яв илась электрошл аковая овар к · а. Здесь применяется ф.пюс, элек11р и чесжое сопр оти1В ление которого м еньше, чем у стали. Он рас плавляется после ·металл а и, превратившись в электропро водный жидкий шлак, н адежно защищает р асплавл енный метал.а шва от газов из воздуха. Кроме того, шлаковая «�в ан на», представляющая собой «надставку» над ванной метал л ичес�юй, не дает металлу остывать слишком быстро. Поэто му небольшое количест1в о газов из воздуха, все же попавшее в р аопл а: в , уходит из н его на верх, через шла 1к , до того, как произойдет кр исталлизация металла. Но флюс дале1к о не всегда пригоден. Это связано с тем, какие швы нужно получить: если криволинейные, то флюс очень н еудобен. Не го:дится сварка ПО·д флЮСQIМ и для соеди нения некоторых материаJ1ов, напр им ер нержавеющей стали. В этом случае на помощь св арщика:м пр ишл и инертные газы. Вот как работает установка, сваривающая трубу из стальной л енты. Лента пр 1 о ходит через систему в ал. к ов, окру гляется, к.р ая ее сближаются и проходят под сварочным уз л ом. Здесь вольфр амовый непл авящийся эле - к трод выступает из оопла, через которо е вытекает инертный газ. Заго'Ревшая ся между электро.цом и кромками ленты дуга р аспл авляет последние, и они сварива ются. А газ обволакивает дугу, электрод и к·р ая л енты и не пускает к ним азот и кисл ород воздуха. В качестве з ащитных газов применяются аргон, гелий и особенно ш ироко омесь аргона с гелием. Для нового способа сварки все эти м етоды защиты ока зал ись непригодньщи, даже инертные газы. При попытке осуществить диффузионную оварку в их среде ни один из м ногих десятков образцов так и не сварился . Менялись ре жимы, меняло 1сь время контакта и сила сжатия овариваемых элементов, но положительный резул ьтат та1 к и не был достиг нут. С обоскуражи1В ающей посл едов ательностью установка выда 1 в ала все те же отдельные кусочки м еталла вместо же л а нн ого мо нолита. Наконец виновник неудач был на йден: недостаточная чистота самых чистых инертных газ.о в. Даже та . к ая чистота .гел ия, как 99,99%, диффузионную сварку не устр аивала. Дл я старых методов сварки этого было более чем достаточно та·м пленка окисл а р азрушае1'ся наг.р евом. Диффузионная сварrка, как уже гО1в орилось, невозможна и пр и наличии тон чайшего слоя окислов. А он возникал на поверхности !Метал ла и в том случае, если в «чистом » инертном газе и, м елось ничтожно малое количество примесей - сотые или даже ты сячыые дол и процента. 7
И тогда родилась идея воопользоваться самой инертной средой - вакуумом, который уже да1вно и плодотворно слу жит че.1овеку в равличных отраслях техники.
Н ЕКОТОРЫЕ СВЕДБН ИЯ О ДИФФУЗИОН НЫХ ПРОUЕССАХ ПР И СВАРКЕ В ВАКУУМЕ В металлофизике сущест:вует та·кой термин - 11вердые раегворы. Они бЫlвают различных видов: твердые растворы замещения, твердые растворы внедрения и :вычитания. И т� и другие являются результатом диффузии в 11Вердых телах, с изучением которой тесно связаны :многие важнейшие вопро сы теории и практики обработки металлов. , и наиболее обоснованным следует ,считать такой Физическ механи.з·м диффузии в твердых телах: тепловые колебания атомов вещесrnа могут достигать та1ких амплитуд, при кото рых они покидают овои места в кри1сталличеокой решетке, образуя в ней так называемые «вакантные места». Эти сво бодные места могут быть заняты как ато!'.шми основного ме 1 и атомами другого, диффунди талла (самодиффузия), так рующего вещества (гетеродиффузия). В последнем случае и возникает уже упомянутый выше твердый раегвор замеще ния. При образовании тrВердых ра1с11воров внедрения наличие пустых, вакантных мест в крисrалличес.кой решетке сущест венной роли не играет. К.огда атом покидает свое место в кристаллической ре шетке, он теряет избыток энергии, которая и за,ставляет, собственно, его ,щвигаться. Откуда берется этот избыток? Энергия каждого атома складывается из энергии кинетиче ской и энергии потенциальной. Первая -- это энергия коле баний атома относительно центра его равновесия в криста.1ле; вторая - э,нергия его связи с соседн , им:и атомами. К.инети ческая энергия увеличиваете.я главным образом нагреванием металла, а потенциальная--· как за счет нагрева, так и за счет пла·стической деформации. Причем последняя увеличи вается при любых изменениях расстояний меЖiду атомами и при растяж � ении и при сжатии кристалла. Посжоль,ку в произ1водс11ве практически всегда оваривают ся детали, которые до аварки подвергались той или иной ме ханичес1кой обра1ботке, они нсегда обладают запасом внутрен ней (потенциальной) энергии, которая при первом же удоб ном случае может выделиться. Если теперь два по,щвергших ся деформации кристалла привести в соприкосновение, та при оrоут1ст:вии между ними ИЗОJlИрующих прослоек даже одного эrого фа.кта будет достаточно, чтобы кристаллы «сва рились». И, конечно, в том случае, когда металл вслед за
ПJ1нстической деформацией еще и нагрет, процесс заполне ния вакансий протекает гораздо быстр�е. Изучение диффузии металлов в основном сводится к оп ределению коэффициента диффузии - основной постоянной величины, характеризующей это явление. Из уравнении: dm=-D
� dx
·ds·d-т:
nидно, что коэффициент диффузии D равен массе вещества (в молях), диффундирующего сквозь площадь 1 см2 при гра· dc
диенте конщ;нтрации ·
dx
"
на квадратньш сантиметр в секунду.
На величину D влияют разные факторы: температура, кон-· центрация диффундирующего элемента, природа диффущщ руемого металла, тип твердого раствора (замещения, внедре ния и др.). Наиболее полно изучена зависимость коэффици�н ' та диффузии от температуры. Эта зависимость может быть выр�жена с.1едующнм уравнением: _
D=Doe
_о_ RT
где Q - энергия а1пивации, необходимая для с·мещения ато ма йз одно·го положени�я в другое, ближайшее (энергия акти вации по поряд1еве выше oi 000° обр азует в зоне сварки трещины, а в озникающие в нутренние напряжения обр азуют из-за н еоднородности стр;·зо
' хтуръt
миt1танuй было о т м е ч е н о не которое ухудще.няе механичосюlх ха рактер истик с о един е н ия при режимах: те м rт е р :н у р а - 1 1 000, уде л ь н о е давл еттие ...._ 5 м ю 1 . Это с5язано с чрезвычайным 0,5 кг/ммz и время роооы зер ен u некотор ы м и др уr и м и структур 1д,1 м и превр а щениями, имеющ ими моста п р и даю 1ых параметрах свароч� �юго процес-са (речь цдет о загQтОiн