Атомите на материята са в постоянно движение, поради което течностите и газовете могат да се смесват. Твърдите тела също имат подвижни елементарни частици, но имат по-твърда кристална решетка. И все пак, ако две твърди тела се доближат до разстоянието на взаимодействие на атомните сили, тогава в точката на контакт частиците от едно вещество ще проникнат в друго и обратно. Такова взаимно проникване на вещества се наричаше дифузия и ефектът беше в основата на един от методите за свързване на метали. Така се казва - дифузионно заваряване на метали.
Какво може да се съедини чрез дифузионно заваряване
Дифузионното заваряване във вакуум има огромни технологични възможности. С него можете да свържете:
- Метали с хомогенна и нехомогенна структура, както и техните сплави. Огнеупорни метални вещества като тантал, ниобий и волфрам.
- Неметални вещества с метали: графит със стомана, мед със стъкло.
- Строителни материали на базата на метал, керамика, кварц, ферити, стъкло, полупроводникови структури (хомогенни и нехомогенни), графит и сапфир.
- Композитни материали, порести със запазване на техните свойства и текстура.
- Полимерни вещества.
Относно конфигурацията и размера на заготовките - може да са различни. В зависимост от размера на работната камера е възможно да се работи с части от няколко микрона (полупроводникови елементи) до няколко метра (сложни слоести структури).
Как работи дифузионната инсталация
Комплексът за дифузионно заваряване включва следните основни елементи:
- Работна камера. Изработен е от метал и е предназначен да ограничи работната среда, в която се създава вакуум.
- Поставка - полирана стойка. Работната камера лежи върху нея, по която може да се движи.
- Вакуумна запечатка. Това е разделител между камерата и стойката.
- Ролков механизъм и затягащ винт. С тяхна помощ камерата се движи по релсите и се фиксира върху стойката.
- Вакуумна помпа. Създава вакуум в работната зона.
- Генератор с индуктор. Те действат като отоплителна система за частите, които ще бъдат заварени.
- Термоустойчиви щанци, хидравлични цилиндри и маслена помпа представляват механизъм за компресиране на части при дадено налягане.
В зависимост от модификацията, инсталациите за дифузионно заваряване може да се различават по формата на камерите и методатяхното запечатване. Различни са и методите за нагряване на части. Могат да се използват радиационни нагреватели, високотокови генератори, тлеещи устройства, нагреватели с електронен лъч.
Дифузионни процеси по време на заваряване
Ако вземете полирани метални пластини, свържете ги и ги поставите под товар, след няколко десетилетия ефектът от взаимното проникване на метали един в друг ще бъде забележим. Освен това дълбочината на проникване ще бъде в рамките на един милиметър. Работата е там, че скоростта на дифузия зависи от температурата на съединяваните материали, разстоянието между елементарните частици на веществата, както и от състоянието на контактните повърхности (отсъствието на замърсяване и окисляване). Ето защо естественият му процес е толкова бавен.
В индустрията, за да се получи бързо съединение, процесът на дифузия се ускорява, като се вземат предвид всички тези условия. В работната камера:
- Създайте вакуум с ниво на остатъчно налягане до 10-5 mm Hg или напълнете средата с инертен газ. По този начин частите не са изложени на кислород, който е окислител за всеки метал.
- Материалите се нагряват при температура 50-70% от температурата на топене на детайлите. Това се прави, за да се увеличи пластичността на частите поради по-подвижното състояние на техните елементарни частици.
- Заготовките се подлагат на механично налягане в диапазона от 0,30-10,00 kg/mm2, приближавайки междуатомните разстояния до размери, които позволяват установяване на общи връзки ивзаимно проникват в близките слоеве.
Изисквания за подготовка на материалите
Преди поставянето на заготовките на елементите, които ще бъдат заварени в дифузионния блок, те се подлагат на предварителна обработка. Основната цел на обработката на контактните части на заготовките е насочена към получаване на по-гладки, равномерни и равномерни повърхности, както и премахване на невидими маслени образувания и замърсявания от зоната на фугата. Обработката на детайлите става:
- химически;
- механичен;
- електролитна.
Оксидните филми, като правило, не влияят на процеса на дифузия, тъй като се саморазрушават по време на нагряване във вакуумна среда.
Когато дифузионното заваряване не е достатъчно ефективно между вещества с нееднакъв коефициент на топлинно разширение или се образува крехък шев, се използват така наречените буферни подложки. Могат да служат като фолио от различни метали. И така, медното фолио се използва при дифузионно заваряване на кварцови заготовки.
Характеристики на получените съединения
За разлика от традиционните методи на заваряване с леене, при които към основния метал в шева се добавя допълнителен метал, дифузионното заваряване позволява да се получи еднакъв шев без големи промени във физичния и механичния състав на съединението. Готовата фуга има следните характеристики:
- наличието на непрекъснат шев без пори и образувания на черупки;
- без оксидни включвания в съединението;
- механична стабилностсвойства.
Поради факта, че дифузията е естествен процес на проникване на едно вещество в друго, кристалната решетка на материалите не се нарушава в контактната зона и следователно няма чупливост на шева.
Свързване на титаниеви части
Дифузионното заваряване на титан и неговите сплави се характеризира с получаване на висококачествено съединение с висока икономическа ефективност. Той се използва широко в медицината за производство на части за протези, както и в други области.
Частите се нагряват до температури 50º - 100º по-ниски от температурата, при която настъпва полиморфната трансформация. В същото време върху материалите се упражнява лек натиск от 0,05–0,15 kgf/mm².
Химическият състав на титаниевата сплав не влияе върху здравината на свързване на елементите при този начин на заваряване.
Предимства на метода
Когато е възможно дифузионно заваряване:
- комбинирайте хомогенни и хетерогенни твърди вещества;
- избягвайте деформация на частите;
- не използвайте консумативи под формата на спойки и флюсове;
- получаване на неотпадъчна продукция;
- не използвайте сложни системи за захранваща и смукателна вентилация, тъй като в процеса не се генерират вредни изпарения;
- получаване на всяка област от зоната на контактната връзка, ограничена само от възможността за оборудване;
- осигурете надежден електрически контакт.
Към това се добавя отличният естетичен вид на завършената част,което не изисква прилагането на допълнителни операции по обработка, като например премахване на заваръчния люмък.
Недостатъци на технологията
Дифузионното заваряване е сложен технологичен процес, основните му недостатъци включват:
- необходимост от използване на специално скъпо оборудване;
- изискване за производствено пространство, инсталацията има значителни размери;
- изискване за притежаване на специализирани знания, умения и разбиране на работния процес;
- време, прекарано за внимателна предварителна обработка на детайлите;
- поддържайте вакуумната единица възможно най-чиста, в противен случай невидим прах може да се утаи върху заварените части и да доведе до дефекти на ставите;
- трудност при проверката на качеството на шева, без да се налага да го унищожавате.
Предвид всичко това, както и спецификата на използването на вакуумни инсталации, дифузионното заваряване се търси само в условията на предприятия, а не за частна употреба.
Оборудване за промишлено дифузионно заваряване
Има няколко вида промишлено оборудване, предназначено за дифузионно заваряване. Те се различават основно помежду си по спецификата на заваряващите се материали и използването на различни системи за нагряване на части.
Инсталационен тип MDVS е предназначен за производство на гъвкави медни шини, контактни групи на високоволтови превключватели от мед и керит, части от газлифтни клапани за сондажни помпи от неръждаема стомана и твърди метални сплави. Системата прилага ефекта на електрически контактно нагряване.
Заваръчен комплекс тип UDVM-201. Извършва свързване чрез дифузионно заваряване на материали от стъкло от различни степени. Нагряването на работната повърхност се извършва по метода на радиационно лъчение.
Заваръчно оборудване USDV-630. Монтаж на индукционно нагряване за заваряване на композитни материали на базата на титан и мед. Такива системи позволяват нагряване на големи части.
MDVS-302 машина за дифузионно заваряване с високочестотно нагряване на детайли. Характеризира се с наличието на генератор с малък размер на транзисторна верига.
