Диффузионная сварка

 Диффузия – это хорошо известный процесс. При контакте молекулы и атомы веществ перемешиваются и, таким образом, вещества как бы проникают друг в друга. Это относится к их жидким, газообразным и твёрдым состояниям. В обычных условиях такой процесс протекает довольно медленно, что делает его неприемлемым для производства. Но в 1953 году советский физик Николай Фёдорович Казаков добился повышения скорости взаимного проникновения молекул и атомов. Он поместил соединяемые материалы в вакуум, повысил температуру и воздействовал на них давлением. Так была разработана диффузионная сварка.

Что такое диффузионная сварка

Распространение получили сварочные стенды, на которых детали располагают в камере, внутри которой создают технический вакуум. На место соединения оказывают давление и, при необходимости, подвергают его температурному воздействию. В зависимости от особенностей процесса, он может протекать от нескольких минут, до часов. В итоге достигаются характеристики изделия, которые не удаётся получить, используя другие технологии. Для получения качественного сварного шва требуется соблюсти следующие условия:

• Создать вакуум, используя специальную установку. Чем выше разряжение внутри камеры, тем быстрее и эффективнее протекает процесс. Однако получение физического вакуума в обычных условиях вещь исключительно затратная и практически недостижимая. Приходится довольствоваться меньшим разряжением, редко превышающим 10 в минус пятой степени миллиметров ртутного столба. Впрочем, даже оно позволяет получать хорошие результаты.

• Нагреть соединяемые детали до температуры, параметры которой зависят от соединяемых материалов. В некоторых случаях предпочтительнее, чтобы процесс протекал при комнатной температуре, но в этом случае для формирования шва потребуется значительное время. С возрастанием температуры увеличивается текучесть материалов и диффузия ускоряется. Способы нагрева могут быть различны. Среди наиболее распространённых – электроконтактный, индукционный и радиационный.

• Когда необходимая температура достигнута, в месте соединения создаётся давление. Длительное или кратковременное, локальное или одновременно распределённое по всей площади места соединения, оно необходимо для того, чтобы процесс взаимного проникновения частиц вещества ускорился.

• Для улучшения качества сварного шва, или соединяя вещества, диффузия которых даже при создании благоприятных условий носит ограниченный характер, места стыка могут быть обработаны специальными химическими составами, или проложены вспомогательными материалами. Использовав тонкую, в несколько микрон толщиной, платиновую, золотую, никелевую или медную фольгу, удаётся существенно повысить прочность сварного соединения. Но когда известно, что возможно возникновение нежелательных барьерных фаз, толщина фольги может быть увеличена.

• Для того чтобы после завершения технологического цикла в детали не возникло остаточных напряжений, процесс её остывания должен проходить в вакууме. Для этих целей установки диффузионной сварки оснащаются системами охлаждения, регулирующими скорость снижения температуры. Резкие температурные скачки недопустимы. Они приводят к возникновению трещин и снижению прочности шва.

• Готовая деталь подвергается дефектоскопии, для чего используются современные методы. Учитывая, что размер соединяемых деталей мал, придётся забыть о капиллярной дефектоскопии, отдав предпочтение радиации или ультразвуку.

Лишь соблюдение всех важных условий может гарантировать получение хорошего результата. Но не стоит полагаться на типовые методики. Следует вносить в них изменения с учётом особенностей конструкции и используемых материалов. Диффузионная сварка цветных металлов требует иных параметров давления и температуры нагрева, чем те, которые нужны для соединения стали или пластика. Это предупреждение для тех, кто будучи вдохновлён возможностями технологии, собирается использовать её безоглядно.

https://www.youtube.com/watch?v=GAnw_iVfZ3M

Достоинства технологии

Диффузная сварка обладает как достоинствами, так и недостатками. Её преимуществами принято считать:

• Отсутствие необходимости в расходных материалах, вроде сварочных электродов, флюсов или специальных газов. Это снижает себестоимость процесса и делает его «чистым», поскольку отсутствуют загрязняющие воздух продукты горения, окалина и другие вредные вещества.

• Низкая энергоёмкость. Для достижения требуемых параметров, тратиться на порядок меньше энергии, чем в случае использования других технологий. А это значит, что снижается конечная себестоимость изделия.

• За один приём можно одновременно сваривать сразу несколько различных материалов, получая слоистые конструкции с ранее недостижимыми характеристиками. Это особенно важно в случаях, когда используются композиты.

• С помощью диффузионной сварки в вакууме можно соединять как большие, в несколько метров длиной и шириной, конструкции, так и маленькие детали, размеры которых измеряются в микронах. Не имеет значения и толщина. Подобными обстоятельствами не преминули воспользоваться производители микроэлектроники. Для решаемых ими задач такая технология подходит как нельзя лучше.

• Не имеет значения размеры и форма сварного соединения. Отпадает необходимость в специальных технологических фланцах и припусках материалов, для соединения их внахлёст.

• Высокое качество шва. Оно значительно выше, чем при использовании газовой или электрической сварки. Это позволяет использовать подобный способ соединения материалов даже на видовых поверхностях, то есть там, где другие сварочные швы приходится маскировать различными способами.

• Поскольку при диффузионной сварке соединение материалов происходит в закрытой камере, то оператор не подвергается воздействиям, способным оказать влияние на его здоровье. Брызги, интенсивные излучения, вредные для вдыхания химические пары или мелкодисперсная пыль отсутствуют.

Процесс непрерывно совершенствуется. На сегодняшний день существуют установки, где детали помещают не в вакуум, а в среду инертного газа. Главной задачей, которую решают с помощью такой технологии, является сварка металлов. Но используя специальные методики, удаётся соединять и материалы, обладающие разными свойствами. Диффузия скрепляет между собой металлы и пластики, стекло и керамику, всё то, для чего ране требовались специальные клеящие составы.

Характерные недостатки

Но есть у диффузионной сварки и недостатки, о которых не стоит забывать тем, кто решит использовать такую технологию для организации процесса производства.

• Главной проблемой является сама вакуумная установка. Это сложное и дорогостоящее оборудование требует правильного обслуживания, а для его эксплуатации нужна специальная подготовка персонала. Скачки давления внутри камеры недопустимы, так как оказывают негативное воздействие на качество соединительного шва и могут привести к разрушению изделия.

• Чем больше вакуумная установка, тем сложнее получить внутри камеры необходимый вакуум. Размеры самой камеры ограничивают габариты соединяемых деталей.

• Соединяемые детали должны быть тщательно обработаны и очищены от загрязнений. Низкое качество сопрягаемых поверхностей становится непреодолимым препятствием для равномерной диффузии, а попавшие между ними посторонние вещества способны и вовсе сделать этот процесс невозможным.

Всё это следует учитывать при разработке технологического цикла.

Область применения

Диффузионная сварка в вакууме оказалась востребована в различных областях науки и техники. Но, в значительной мере, её использование ограничивается опытным и мелкосерийным производством.

• В тяжёлом, среднем и лёгком машиностроении она помогает воплотить в жизнь конструкции, создание которых требует особого качества и прочности.

• Сварка цветных металлов, для соединения которых раньше приходилось использовать различные припои и флюсы, также стала возможной благодаря этой технологии.

• Появлению новых композитов, состоящих из множества слоёв разных по своему составу материалов, мы также обязаны диффузионной сварке. Область применения таких композитов широка. Им нашлось место не только в производственных цехах, но и на строительных площадках.

• Электроника, где с каждым днём уменьшается размер компонентов и монтажных плат, одно из немногих мест, где технология востребована безоговорочно. Ведь с её помощью соединяют детали, разглядеть которые можно лишь под микроскопом.

О какой бы области производства ни шла речь, пытливый ум технолога найдёт место, где для соединения деталей лучше всего подойдёт именно такой способ.

Космическая проблема

Но диффузионная сварка не всегда благо. В открытом космосе есть всё, для того чтобы процесс начался произвольно.

• Глубокий вакуум, получить который на Земле не удаётся в самых мощных установках.

• Нагрев до высоких температур. Несмотря на холод окружающего космические корабли и искусственные спутники безвоздушного пространства, под лучами солнца их компоненты могут нагреваться до значительных величин. Ведь их не защищает земная атмосфера.

В таких условиях диффузия ускоряется даже без дополнительного давления. Вполне достаточно, чтобы соприкоснувшиеся детали длительное время находились в состоянии покоя. Ну а если к ним было приложено определённое усилие, то просто так разъединить их уже не получится.

Чтобы избежать подобных ситуаций, учёным приходится работать над способами предотвращения диффузионной сварки в космосе. И хотя определённые сдвиги в этом направлении есть, до полного решения проблемы ещё далеко. Как знать, может, именно тем, кто читает эти строки, удастся решить сложную техническую задачу?