Диффузионная сварка в вакууме

Диффузионная сварка в вакууме (ДС) широко используется при изготовлении изделий электронной техники и зачастую является важной технологической операцией в производственном цикле. Это объясняется тем, что ДС можно соединять между собой в твердом состоянии без ограничения соотношения толщин металлические и неметаллические материалы. Схема установки для проведения ДС в вакууме представлена на рис. 1.

Схема типовой установки для диффузионной сварки

Рис. 1. Схема типовой установки для диффузионной сварки:

1 - корпус камеры; 2 - основание; 3 - стол; 4 - свариваемые детали; 5 - шток;

6 - поршень; 7- цилиндр; 8 - гидравлическая система; 9 - нагреватель;

10 - источник тока; 11 - вакуумная система; 12 - загрузочный люк;

13 - смотровое окно; 14 - система водяного охлаждения

ДС в вакууме является одним из перспективных способов получения неразъемных соединений из разнообразных материалов. Наиболее ярко преимущества диффузионной сварки проявляются при соединении трудно свариваемых и разнородных материалов. Она входит в группу способов сварки давлением, при которых соединение получается за счет пластической деформации микронеровностей на поверхности свариваемых заготовок при температуре ниже температуры плавления. Отличительной особенностью является применение повышенных температур при сравнительно небольшой остаточной деформации.

ДС осуществляется в твердом состоянии металла при повышенных температурах с приложением сдавливающего усилия к месту сварки.

Выделяют несколько основных этапов формирования диффузионного соединения.

Первым этапом является физический контакт в результате сближения контактных поверхностей на расстояние порядка межатомных расстояний кристаллической решетки. При этом возникает физическое или слабое химическое взаимодействие, которое осуществляется за счет пластической деформации более пластичного из соединяемых материалов. Это обусловлено выходом дислокаций на соединяемой поверхности.

На второй стадии происходит образование активных центров на поверхности более твердого из соединяемых материалов. Стадия характеризуется без диффузионным взаимодействием, обусловленным микропластической деформацией. Схватывание происходит в местах, где дислокации выходят на контактную поверхность, энергетическое состояние атомов позволяет формировать новые химические связи. При этом кинетика активации контактных поверхностей зависит от температуры, повышение которой обеспечивает:

  • увеличение частоты выхода и скорости движения дислокаций на контактных поверхностях соединяемых материалов;
  • снижение прочности связей между атомами металлов и кислорода на контактной поверхности;
  • уменьшение высоты потенциального энергетического барьера, препятствующего образованию химических связей;
  • уменьшение модуля сдвига;
  • увеличение числа атомов, участвующих в образовании химических связей;
  • увеличение площади очагов схватывания.

На третьей стадии происходит объемное взаимодействие на границе соединяемых материалов.

Скорость взаимной диффузии и размягчение металлов ускоряется с повышением температуры сварки. Давление обеспечивает отсутствие пустот и разрушает окислы на поверхности металлов, что способствует процессу формирования новых химических связей и объемной диффузии. Время ДС обычно выбирается минимальным, так как активная диффузия может привести к сильному изменению химического состава на границе соединения.

Давление создаёт микропластическую деформацию в зоне контакта поверхностей материалов, что приводит к устранению микронеровностей, способствует инициации механизма ползучести и упрочнению в зоне контакта материалов. Важным фактором, влияющим на эффективность ДС, является использование промежуточных слоев, позволяющих разрешить ряд проблем, возникающих при соединении разнородных металлов:

  • уменьшение влияния различий в значениях коэффициентов линейного теплового расширения свариваемых материалов и, как результат, снижение остаточных напряжений;
  • уменьшение химической неоднородности на границе соединения;
  • снижение уровня основных параметров режимов сварки.

В зависимости от соединяемых материалов процесс ДС разнородных металлов вызывает изменения свойств основных металлов в зоне соединения.

Не каждую пару металлов можно качественно соединить. Поэтому обычно используют один или несколько промежуточных слоев металлов. Коэффициент термического расширения промежуточных слоев и основных металлов должен иметь равномерное изменение от одного основного металла к другому.

Диффузионная зона имеет оптимальные свойства, если область соединения металлов образует ряд твердых растворов, например, Cu-Ni, Ag-Au, Mo-Ti, V-Nb. Соединение таких металлов относительно легко контролировать, поскольку толщина диффузионной зоны не оказывает заметного влияния на механические свойства.

Свойства соединения ухудшаются, если в диффузионной зоне образуются интерметаллические фазы, как в бинарных сплавах с ограниченной растворимостью, например, Ti-Fe, Zr-Fe, Al-Fe.

ДС позволяет получать надежное соединение трудно свариваемых разнородных металлов, таких как тугоплавкие и химически активные, с конструкционными материалами. В последние десятилетия для ДС стали применять газостаты (установка для горячего изостатического прессования), используемые традиционно для уплотнения металлических отливок и формирования материалов порошковой металлургии.

Влияние технологических параметров процесса дс на качество соединения

Параметрами, определяющими процесс соединения при дс в вакууме, являются:

  • Глубина вакуума или степень разряжения атмосферы;
  • Температура сварки;
  • Давление сжатия;
  • Время сварки;
  • Шероховатость поверхности.

Существенное влияние на процесс диффузионного соединения оказывает шероховатость соединяемых поверхностей. Она влияет не только на создание физического контакта, но и в значительной степени определяет протекание диффузионных процессов за счет изменения тонкой структуры поверхностных слоев. Поэтому важное значение для получения качественного соединения имеют качество подготовки поверхностей. Предварительная обработка свариваемых деталей влияет не только на создание физического контакта, но и в значительной степени определяет протекание диффузионных процессов за счет изменения тонкой структуры поверхностных слоев.

Подготовка заготовок заключается в механической обработки, очистки от загрязнений и нанесения подслоев. Механическая обработка обеспечивает:

  • возможно, более плотное начальное прилегание свариваемых заготовок;
  • удаление с поверхности загрязненного слоя;
  • повышение размерной точности готового изделия;
  • возможность снижения температуры, давления и времени сварки с улучшением микрогеометрии поверхности.

Очистка поверхностей от загрязнений проводиться растворителями ацетон или спирт, путем нагрева и выдержки в вакуумной камере. В отдельных случаях применяют отжиг заготовок в среде водорода. Положительные результаты получают при обработке в растворах кислот H2SO4 и НCI с последующими промывкой и сушкой. При сварке изделий из некоторых сортов керамики после механической обработки заготовки отжигают. Для этого же проводят травление стекла в плавиковой кислоте.

Подготовка свариваемых поверхностей не исключает образование оксидов на поверхности металла. Однако этот фактор не всегда оказывает отрицательное влияние на протекание процесса, так как для большинства металлов нагрев в вакууме до температуры, используемой при сварке, и соответствующая выдержка во времени при этой температуре достаточны для самопроизвольной очистки свариваемых поверхностей от оксидов.

Высококачественные соединения можно получать, изменяя в определенных пределах значения каждого из этих параметров с соответствующей корректировкой других. При выборе их значений необходимо учитывать особенности свариваемых материалов и требования к изделию: возможность разупрочнения из-за роста зерна, ограничения по температуре нагрева и деформации изделия. Давление сжатия способствует формированию фактического контакта соединяемых поверхностей, а также их активации. Давление выбирают в диапазоне 0,8…0,9 МПа предела текучести при температуре сварки. Для известных конструкционных материалов оно может изменяться в диапазоне 1...50 МПа. Для сварки тугоплавких и твердых материалов эти значения могут быть в несколько раз выше. Обычно при охлаждении деталей сжимающее усилие снимают при достижении температуры 100-400℃ (373-673К). Досрочное снятие сжимающего усилия при охлаждении деталей в некоторых случаях приводит к разрушению сварного соединения.

На практике находят применение индукционный, радиационный, электронно-лучевой нагрев, а также нагрев проходящим током. ДС в большинстве случаев проводится в вакууме. От глубины вакуума зависит скорость и качество зачистки соединяемых поверхностей от поверхностных плёнок. Чем выше степень вакуума, тем интенсивнее протекают эти процессы. Широко применяют в качестве защитных сред инертные - аргон и гелий и активные газы – водород или углекислый газ. Состав защитного газа подбирают исходя, в первую очередь, из химической активности системы металл-газ в условиях сварки.

Температура сварки является основным параметром процесса, она определяет условия термовакуумной очистки и образование физического контакта соединяемых поверхностей, влияет на скорость и характер протекания диффузионных процессов. При соединении разнородных материалов расчет ведется по температуре плавления наиболее легкоплавкого из них. В случае появления эвтектики температуру сварки выбирают ниже температуры ее плавления.

Время выдержки в зависимости от температуры, давления, допустимой остаточной деформации, чистоты обработки контактных поверхностей и деформационной способности материала может колебаться от нескольких секунд до нескольких часов. Оно определяет полноту протекания диффузионных процессов на завершающих этапах образования соединения. При сварке ряда сочетаний разнородных металлов и сплавов в зоне соединения могут образоваться хрупкие фазы, снижающие его прочность.

Широко распространённым технологическим приёмом для качественного соединения является использование прослоек тонких слоёв металла, которые помещаются между соединяемыми поверхностями. Промежуточные прокладки могут быть расплавляющимися и не расплавляющимися. Применение прослоек расширяет область применения этого сварочного процесса.

Промежуточные прокладки на свариваемые поверхности наносят с целью:

  • увеличения прочности сваривания;
  • предотвращения появления нежелательных фаз при сварке разнородных материалов;
  • облегчения установления физического контакта по всей свариваемой поверхности за счет использования подслоев из пластичных материалов;
  • снижения температуры и давления при сварке с целью уменьшения остаточных деформаций.

Материал барьерной прокладки должен выбираться с таким расчётом, чтобы коэффициент его диффузии в основной материал был выше, чем для элементов основного металла в прокладку.

В качестве расплавляющихся прокладок наиболее часто используют высокотемпературные припои. Их применение позволяет уменьшить давление сжатия и пластические деформации, облегчает удаление оксидных пленок, повышает эксплуатационные свойства соединений. Для низколегированных сталей применяют прокладки из меди и серебра, а для легированных – титан. Для соединения керамики с металлом используют сплавы с добавками активных металлов, окислы которых имеют более высокую теплоту образования, чем окислы.

Оборудование для диффузионно-вакуумной сварки

Установки для ДС в компоновочном отношении состоят из:

  • корпуса с вакуумной камерой;
  • системы вакуумирования;
  • системы для сжатия свариваемых деталей;
  • источника нагрева;
  • системы водяного охлаждения вакуумной камеры;
  • индуктора;
  • механического и диффузионного пароструйного вакуумного насосов;
  • аппаратуры управления и контроля.

Во всех установках для ДСВ применяют динамический принцип вакуумирования сварочной камеры. Для нагрева деталей используется высокочастотный индукционный способ. При этом способе детали, помещенные в магнитное поле индуктора, по которому протекает высокочастотный ток, нагреваются индуктированными в них вихревыми токами. Величина тока пропорциональна числу витков индуктора, магнитному потоку вокруг него, частоте тока в индукторе и обратно пропорциональна сопротивлению свариваемых деталей. Отличительной особенностью индукционного нагрева является бесконтактная передача энергии от индуктора к детали через зазор 1…20 мм. При этом теплота генерируется непосредственно в самих деталях как результат преобразования электромагнитной энергии.

Однако этот метод неприменим при сварке диэлектрических материалов: керамики, кварца, стекла. Рабочая вакуумная камера, в которой размещаются свариваемое изделие, нагреватели, механизм давления, выполняется обычно цилиндрической или прямоугольной формы из коррозиестойкой стали. Свариваемое изделие может располагаться на специальной опоре или в приспособлении. Необходимая сварочная сила создается гидравлическим устройством. Питание гидропривода производится от насосных масляных станций. В отдельных случаях сжатие заготовок обеспечивается специальными приспособлениями, принцип действия которых основан на различии коэффициентов линейного расширения материалов свариваемых заготовок и охватывающих их элементов приспособления. Такие приспособления позволяют вести сварку в серийно выпускаемых вакуумных печах.

Установка диффузионной сварки УДС-2 (рис. 2) предназначена для диффузионной сварки – пайки в вакууме деталей и узлов из различных материалов, в том числе из металлокерамики. Процесс сварки протекает за счет диффузионного соединения в условиях индукционного нагрева до температур порядка 70% температуры плавления наименее тугоплавкого материала с приложением давления, не вызывающего макропластическую деформацию деталей, в течение заданного промежутка времени.

. Установка для диффузионной сварки в вакууме УДС-2

Рис. 2. Установка для диффузионной сварки в вакууме УДС-2

В конструкцию установки входит трехслойный гидравлический пресс, рассчитанный на максимальное усилие 100 кН. Колонны пресса скреплены сверху траверсой, несущей на себе вакуумную камеру. Нижние концы колонн закреплены в литом чугунном основании, который служит одновременно корпусом привода перемещения дна камеры с гидроцилиндром, а также резервуаром для масла гидросистемы. На корпусе основания пресса с помощью кронштейна крепится гидравлический насос с электродвигателем. Рабочая камера установки сварена из стали марки Х18Н9Т, снабжена смотровым окном для ввода индуктора ТВЧ и патрубком для присоединения к вакуумной системе. Камера имеет двойные стенки и охлаждается водой.

Дно камеры закреплено на подвижном чугунном корпусе с шестью направляющими втулками, скользящими по колоннам. Дно камеры охлаждается водой. На плоскость толкателя камеры устанавливается пакет со свариваемыми деталями. Ниже дна камеры в центральном отверстии подвижной траверсы находится гидроцилиндр. Шток гидроцилиндра соединен с толкателем дна камеры. В средней части штока гидроцилиндра закреплен поршень с резиновыми манжетами, а нижняя часть служит плунжером.

Регулировка усилия сжатия пакета производится золотником, установленным в нижней крышке гидроцилиндра.

Преимущества и недостатки дс. Применение диффузионной сварки

Преимущества диффузионной сварки:

  • высокое качество соединения, механические свойства материала в зоне сварки близки к свойствам основного материала;
  • отсутствие коробления конструкции вследствие отсутствия остаточных напряжений в сварных швах;
  • исключение вакуумного отжига конструкции после сварки;
  • улучшение условий труда сварщиков.
  • после диффузионной сварки не нужна механическая обработка сварного шва, получаемые изделия обладают высокой точностью;
  • швы имеют высокие показатели механической прочности и пластичности.

К недостаткам метода следует отнести значительную длительность процесса, сложность оборудования, определенные трудности с загрузкой заготовок и выгрузкой готовых изделий из рабочей камеры при организации непрерывного процесса изготовления сварных изделий, требования достаточно высокой точности сборки и чистоты обработки свариваемых поверхностей, необходимость контроля температуры заготовки в зоне шва.

Недостатки диффузионной сварки:

  • необходимость создания сложного оборудования типа вакуумных камер;
  • длительность процесса сварки;
  • большая трудоемкость предварительной подгонки соединяемых деталей.

Процесс дс в вакууме применяют в тех случаях, когда другие способы сварки либо неприменимы. В наиболее полной мере достоинство дс проявляется при соединении разнородных материалов. Широко применяется для сварки разнородных металлов и сплавов.

Технологические возможности дс позволяют широко использовать этот процесс в приборостроительной и электронной промышленности при создании металлокерамических и катодных узлов, полупроводниковых приборов, при производстве штампов и т.п.

ДС находит применение для изготовления крупногабаритных заготовок деталей сложной формы, получение которых механической обработкой, методами обработки давлением или литьем невозможно, или неэкономично. Особенно эффективно такое применение диффузионной сварки в опытном и мелкосерийном производстве.

Перспективно получение многослойных пустотелых конструкций типа панелей из титановых или алюминиевых сплавов с наполнителем сложной формы методом совмещения диффузионной сварки и формообразования в режиме сверх пластичности.

Понравилась статья? Всё ли вам понятно? Хотел вам порекомендовать заглянуть на наш YouTube канал. Так же посмотреть уже готовые проекты на скачивание, среди которых чертежи, схемы и 3D-модели.