«МАТИ»-Российский Государственный технологический университет им. К.Э. Циолковского Кафедра:

«МАТИ»-Российский Государственный технологический университет им. К.Э. Циолковского Кафедра: Технология производства двигателей летательных аппаратов Диффузионная сварка

Способ диффузионной сварки (ДС) был предложен в 60-х годах прошлого века проф. Н. Ф. Казаковым. Этим же российским ученым разработаны его основы. В современном производстве используются множество разновидностей диффузионной сварки, отличающихся видом рабочей среды (вакуум, инертные и восстановительные газовые среды, расплавы солей, воздух), способом создания контактных давлений (прессом, специальными приспособлениями, газостатированием, вакуумированием, за счет разности коэффициентов термического расширения и др.), отсутствием или использованием специальных прокладок, порошков, технологий и веществ активизирующих протекание процессов очистки поверхностей и диффузии. Размеры свариваемых изделий находятся в пределах от нескольких микрометров (элементы микроэлектронных устройств) до нескольких метров (при изготовлении многослойных и ячеистых конструкций из листового материала). «МАТИ»-Российский Государственный технологический университет им. К.Э. Циолковского Кафедра: Технология производства двигателей летательных аппаратов

ДС позволяет сваривать большинство применяемых в современном машиностроении конструкционных материалов. Она пригодна для соединения разнородных материалов, в том числе с сильно различающимися теплофизическими свойствами, не растворяющиеся друг в друге или образующих при сварке плавлением хрупкие соединения. Возможна сварка металлических материалов с неметаллами (графитом, стеклом, керамиками и др.). «МАТИ»-Российский Государственный технологический университет им. К.Э. Циолковского Кафедра: Технология производства двигателей летательных аппаратов

Схематически процесс ДС можно представить следующим образом. Свариваемые заготовки собирают в приспособлении, позволяющем создавать контактные давления в зоне сварки, различными технологическими приемами устраняют окисление поверхностей стыка и производят нагрев до требуемой температуры. После этого прикладывают сжимающее давление. В процессе деформации свариваемых поверхностей, свободных от оксидов, происходит их активация и при развитии физического контакта между такими поверхностями реализуется их сваривание. Сближение свариваемых поверхностей достигается путем пластической деформации микровыступов и приповерхностных слоев, вследствие приложения внешней сжимающей нагрузки и микроползучести обусловленной нагревом металла. «МАТИ»-Российский Государственный технологический университет им. К.Э. Циолковского Кафедра: Технология производства двигателей летательных аппаратов

Важнейшую роль при этом играет диффузия атомов, приводящая к «заращиванию» стыка. Она является термодинамическим процессом и может происходить по нескольким механизмам, таким как, обмен местами соседних атомов или движение атомов при наличии вакансий в кристаллической структуре. В последнем случае она требует значительно меньших энергий активации атомов. Следует отметить, что диффузионная подвижность атомов на поверхности, границах зерен и поверхностях дефектов, значительно выше, чем в сплошном материале. Таким образом, в результате локальной пластической деформации и диффузии материалов соединяемых деталей образуется монолитное сварное соединение. Его формирование происходит без расплавления соединяемых материалов. В некоторых случаях после снятия давления изделие дополнительно выдерживают при температуре сварки для полного протекания рекристаллизационных процессов, способствующих формированию качественного соединения. Диффузионная сварка позволяет получать сварные соединения высокого качества без внутренних напряжений и перегрева металла в околошовной зоне. «МАТИ»-Российский Государственный технологический университет им. К.Э. Циолковского Кафедра: Технология производства двигателей летательных аппаратов

Для разных типов материалов и конструктивных особенностей свариваемых изделий параметры ДС изменяются в широких пределах. Температуры сварки находятся в диапазоне 0,5…0,9 Tm, а номинальные контактные давления составляют 0,5…50 МПа. Для формирования соединения требуется изотермическая выдержка от нескольких минут до нескольких часов. Влияние номинального контактного давления pa на прочность соединения. На рисунке показано влияние, при прочих равных условиях, номинального контактного давления на прочность соединения деталей из сплава алюминий-литий. В зависимости от величины номинального контактного давления условно различают сварку с высокоинтенсивным (pa ≥ 20 МПа) и низкоинтенсивным (pa ≤ 2 МПа) силовым воздействием. «МАТИ»-Российский Государственный технологический университет им. К.Э. Циолковского Кафедра: Технология производства двигателей летательных аппаратов

При сварке с высокоинтенсивным силовым воздействием локальная деформация металла в зоне соединения, как правило, достигает нескольких десятков процентов, что обеспечивает стабильное получение качественного соединения при сравнительно малых продолжительностях процесса (несколько минут или десятков минут). Для изготовления тонкостенных слоистых конструкций используют ДС с низкоинтенсивным силовым воздействием, при которой допустимые контактные нагрузки ограничены устойчивостью тонкостенных элементов. При этом время процесса сварки значительно увеличивается. Основными факторами, определяющими прочность соединения, являются способ и качество предварительной обработки поверхностей, выбор температуры и номинального контактного давления сжатия свариваемых деталей. Другие характеристики, такие как теплопроводность, коэффициенты термического расширения, вид среды, в которой производится диффузионная сварка, также влияют на качество получаемых соединений. «МАТИ»-Российский Государственный технологический университет им. К.Э. Циолковского Кафедра: Технология производства двигателей летательных аппаратов

Качество соединения зависит от шероховатости и волнистости соединяемых поверхностей их чистоты (жировые загрязнения, окисные пленки и др.). Для подготовки поверхностей под диффузионную сварку используют механическую обработку, полирование, химическое и электрохимическое травление, различные методы очистки, нанесение покрытий, термодеформационное выравнивание сжатием соединяемых поверхностей при высоких температурах и нагрузках для получения плотного контакта между ними. Для защиты свариваемых заготовок от окисления и создания условий очистки контактных поверхностей от оксидов могут использоваться газы - восстановители, расплавы солей; флюсы, и обмазки, однако наиболее часто процесс ДС выполняют в вакууме или инертных газах. «МАТИ»-Российский Государственный технологический университет им. К.Э. Циолковского Кафедра: Технология производства двигателей летательных аппаратов

Разнородные материалы часто сваривают с использованием прослоек в виде покрытий, фольг или дисперсных порошков металлов и сплавов. Это позволяет избежать образования в зоне сварки хрупких соединений, например, интерметаллидных, снизить температуру ДС, увеличить прочность соединения, в частности керамических изделий Влияние материала прослойки и температуры сварки на прочность соединения керамики -Al2O3 «МАТИ»-Российский Государственный технологический университет им. К.Э. Циолковского Кафедра: Технология производства двигателей летательных аппаратов

Иногда процесс выполняют при температурах выше температуры плавления материала прослойки. При приложении сжимающей нагрузки расплавленный материал прослойки полностью заполняет пространство между неровностями и диффундирует в свариваемые материалы. В данном случае диффузия происходит как путем растворения расплавом свариваемых материалов, так и в твердой фазе. В процессе растворения происходит обогащение расплава более тугоплавкими компонентами, что может привести к его отверждению без снижения температуры. Материал прокладки выбирается таким образом, чтобы избежать образования в сварном соединении хрупких фазовых составляющих. Формирование соединения при диффузионной сварке-пайке: а – растворение базового материала расплавом; б – распределение концентрации элементов в сварном соединении при сварке-пайке «МАТИ»-Российский Государственный технологический университет им. К.Э. Циолковского Кафедра: Технология производства двигателей летательных аппаратов

Для изделий сравнительно небольших размеров с площадью номинального контакта обычно не превышающей 100 см2 используют диффузионную сварку в вакуумных камерах (рис. ). Сущность ее заключается в том, что детали с тщательно зачищенными и пригнанными поверхностями помещают в закрытую вакуумную камеру с разрежением 0,01…0,001 н/м2 (до 10-5 мм рт. ст.), прижимают друг к другу с помощью пресса или специального приспособления, нагревают и выдерживают в течение определенного времени. Схема диффузионной сварки в вакууме и ее циклограмма: 1 –свариваемые детали; 2 – вакуумная камера; 3 – система вакуумирования; 4 – Система создания силы прижатия; 5 – нагревательное устройство «МАТИ»-Российский Государственный технологический университет им. К.Э. Циолковского Кафедра: Технология производства двигателей летательных аппаратов

Процесс ДС можно разделить на три стадии согласно приведенной циклограмме. Первая стадия (время t1) соответствует выходу на режим сварки характеризуемый заданными значениями температуры TР, номинальному контактному давлению pар и давлению в вакуумной камере ркр. В течение второй стадии (время t2) происходит формирование соединения. На третьей стадии (время t3) выполняется охлаждение изделия снятие силы сварки и вакуума. Очистка поверхностей металлов от оксидов в вакууме может происходить в результате развития процессов сублимации и диссоциации оксидов, диффузии кислорода в металл, а также восстановления оксидов элементами-раскислителями, содержащимися в сплаве и диффундирующими при нагреве к границе раздела металл - оксид. Иногда используют ионную очистку поверхностей подачей высокого отрицательного напряжения на детали, подлежащие сварке. «МАТИ»-Российский Государственный технологический университет им. К.Э. Циолковского Кафедра: Технология производства двигателей летательных аппаратов

Некоторые изделия свариваемые в вакуумных камерах «МАТИ»-Российский Государственный технологический университет им. К.Э. Циолковского Кафедра: Технология производства двигателей летательных аппаратов

Сравнительно крупные изделия, для ДС которых требуются вакуумные камеры больших размеров, могут быть сварены в вакуимируемых металлических каплулах с использованием прессового оборудования. При изготовлении крупногабаритных двухслойных конструкций используют открытые прессы. При этом свариваемые детали перед помещением в пресс собирают в герметичные контейнеры, которые вакуумируют и нагревают до сварочной температуры . Формирование многослойной конструкции под прессом в вакуумируемой капсуле: 1 – свариваемое изделие; 2 – капсула; 3 – нагревательное устройство; 4 – патрубок к вакуумному насосу «МАТИ»-Российский Государственный технологический университет им. К.Э. Циолковского Кафедра: Технология производства двигателей летательных аппаратов

Диффузионная сварка конструкций в вакуумируемых капсулах. а – свариваемые элементы; б, г – капсулы; в - характер деформации элементов конструкции при сварке: 1, 2 – элементы свариваемой конструкции; 3 - система вакуумирования капсула; 4 – жесткие технологические прокладки «МАТИ»-Российский Государственный технологический университет им. К.Э. Циолковского Кафедра: Технология производства двигателей летательных аппаратов

Одним из новых направлений ДС является сварка в условиях горячего изостатического прессования с использованием газостатов , когда изделие, помещенное в вакуумируемую капсулу, обжимается давлением горячего газа. «МАТИ»-Российский Государственный технологический университет им. К.Э. Циолковского Кафедра: Технология производства двигателей летательных аппаратов

«МАТИ»-Российский Государственный технологический университет им. К.Э. Циолковского Кафедра: Технология производства двигателей летательных аппаратов

В нашей стране разработана оригинальная технология получения многослойных конструкций на основе сочетания процессов формообразования в условиях сверхпластичности и диффузионной сварки. (СПФ/ДС). а – подготовка исходных листовых заготовок и нанесение Stop -слоев; б – диффузионная сварка листов; в – установка сваренной заготовки в форму; г – деформирование «раздуванием» заготовки горячим инертным газом; д – готовое изделие; 1 – исходные листовые заготовки; 2 – полосы покрытия из нитрида бора или окиси иттрия, препятствующего диффузионной сварке; 3 – места, в которых сваривание не произошло; 4 – элементы формы «МАТИ»-Российский Государственный технологический университет им. К.Э. Циолковского Кафедра: Технология производства двигателей летательных аппаратов

В определенных местах на листы наносится покрытие из нитрида бора или окиси иттрия, предотвращающее образование соединения при диффузионной сварке. Затем листы свариваются ДС, например в газостате. На следующем этапе производится нагнетание горячего аргона в пространства между листами, что приводит к «вздутию» пакета и образованию гофрированной структуры. Отработаны технологии получения гофрированных панелей, в частности из титановых сплавов, имеющих до семи слоев. «МАТИ»-Российский Государственный технологический университет им. К.Э. Циолковского Кафедра: Технология производства двигателей летательных аппаратов

Диффузионная сварка меди и алюминия Хром Сталь «МАТИ»-Российский Государственный технологический университет им. К.Э. Циолковского Кафедра: Технология производства двигателей летательных аппаратов

«МАТИ»-Российский Государственный технологический университет им. К.Э. Циолковского Кафедра: Технология производства двигателей летательных аппаратов

«МАТИ»-Российский Государственный технологический университет им. К.Э. Циолковского Кафедра: Технология производства двигателей летательных аппаратов

«МАТИ»-Российский Государственный технологический университет им. К.Э. Циолковского Кафедра: Технология производства двигателей летательных аппаратов

«МАТИ»-Российский Государственный технологический университет им. К.Э. Циолковского Кафедра: Технология производства двигателей летательных аппаратов

Изготовление исходных заготовок Изготовление статорной секции диффузионной сваркой Сборка «МАТИ»-Российский Государственный технологический университет им. К.Э. Циолковского Кафедра: Технология производства двигателей летательных аппаратов

Сварка капсулы Вакуумирование капсулы «МАТИ»-Российский Государственный технологический университет им. К.Э. Циолковского Кафедра: Технология производства двигателей летательных аппаратов

Горячее изостатическое прессование для диффузионной сварки Удаление капсулы травлением Финишная обработка «МАТИ»-Российский Государственный технологический университет им. К.Э. Циолковского Кафедра: Технология производства двигателей летательных аппаратов

Изготовление диффузионной сваркой биметаллического моноколеса «МАТИ»-Российский Государственный технологический университет им. К.Э. Циолковского Кафедра: Технология производства двигателей летательных аппаратов