Диффузионная сварка

Диффузионная сварка или диффузионная сварка — это метод сварки в твердом состоянии, используемый в металлообработке, позволяющий соединять однородные и разнородные металлы. Он действует по принципу диффузии в твердом состоянии, при котором атомы двух твердых металлических поверхностей со временем чередуются. Обычно это достигается при повышенной температуре, примерно 50-75% от абсолютной температуры плавления материалов. ^[1]^[2] Слабая связь может быть достигнута и при комнатной температуре. ^[3] Диффузионная сварка обычно осуществляется путем приложения высокого давления и обязательно высокой температуры к свариваемым материалам; этот метод чаще всего используется для сварки «сэндвичей» из чередующихся слоев тонкой металлической фольги и металлических проволок или нитей. ^[4] В настоящее время метод диффузионной сварки широко применяется при соединении высокопрочных и тугоплавких металлов в авиакосмической промышленности. ^[1] и атомной промышленности. ^{[ нужна ссылка ]}

История

Диффузионной сварке уже много веков. Его можно найти в форме «наполнения золотом» — метода, используемого для соединения золота и меди для использования в ювелирных изделиях и других целях. Чтобы создать наполненное золото, кузнецы начинали с того, что выковывали из чистого золота тонкий лист золотой фольги. Затем эту пленку поместили поверх медной подложки и придавили. Наконец, с помощью процесса, известного как «сварка горячим давлением» или HPW, сборку груз/медь/золотая пленка помещали в печь и нагревали до тех пор, пока золотая пленка не была достаточно связана с медной подложкой. ^[5]

Современные методы описал советский учёный Н. Ф. Казаков в 1953 году. ^[6]

Характеристики

Диффузионная сварка не требует плавления жидкости и часто без присадочного металла. К общей сумме вес не добавляется, и соединение имеет тенденцию проявлять как прочность, так и термостойкость основного металла (металлов). Материалы не подвергаются пластической деформации или подвергаются очень незначительной деформации . Возникает очень небольшое остаточное напряжение, и в процессе склеивания загрязнения отсутствуют. Теоретически это может быть выполнено на соединяемой поверхности любого размера без увеличения времени обработки, однако, практически говоря, поверхность имеет тенденцию быть ограничена требуемым давлением и физическими ограничениями. Диффузионная сварка может осуществляться с использованием одинаковых и разнородных металлов, химически активных и тугоплавких металлов или деталей различной толщины.

Из-за относительно высокой стоимости диффузионная сварка чаще всего используется в тех случаях, когда сварку трудно или невозможно выполнить другими способами. Примеры включают сварочные материалы, которые обычно невозможно соединить жидкой плавкой, такие как цирконий и бериллий ; материалы с очень высокими температурами плавления, такие как вольфрам ; чередующиеся слои разных металлов, которые должны сохранять прочность при высоких температурах; и очень тонкие, сотовые конструкции из металлической фольги. ^[7]^[8]^[9] Титановые сплавы часто подвергаются диффузионной сварке, несмотря на то, что тонкий оксидный слой может растворяться и диффундировать с соединяемых поверхностей при температуре выше 850 °C.

Температурная зависимость

Стационарная диффузия определяется величиной диффузионного потока , проходящего через площадь поперечного сечения сопрягаемых поверхностей. Первый закон диффузии Фика гласит:

J=-D(dC/dx),

где J — диффузионный поток, D — коэффициент диффузии, а dC / dx — градиент концентрации через рассматриваемые материалы. Отрицательный знак является продуктом градиента. Другая форма закона Фика гласит:

J=M/(At),

где M определяется как масса или количество диффундирующих атомов, A — площадь поперечного сечения, а t — необходимое время. Приравняв два уравнения и переставив их, получим следующий результат:

t=-(1/D)(M/A)(dC/dx)^{-1}.

Поскольку масса и площадь постоянны для данного сустава, требуемое время во многом зависит от градиента концентрации, который меняется лишь на небольшую величину через сустав, и коэффициента диффузии. Коэффициент диффузии определяется уравнением:

D=D_{0}e^{-Q_{\text{d}}/RT},

где Q _d — энергия активации диффузии, R — универсальная газовая постоянная , T — термодинамическая температура, возникающая во время процесса, а D ₀ — не зависящий от температуры предэкспоненциальный коэффициент, который зависит от соединяемых материалов. Для данного соединения единственным членом этого уравнения, который можно контролировать, является температура. ^[10]

Процессы

При соединении двух материалов с одинаковой кристаллической структурой диффузионная сварка осуществляется путем зажима двух свариваемых деталей так, чтобы их поверхности прилегали друг к другу. Перед сваркой эти поверхности должны быть обработаны до максимально экономически выгодного состояния и очищены от химических загрязнений или другого мусора. Любой промежуточный материал между двумя металлическими поверхностями может препятствовать адекватной диффузии материала. Для каждого вида сварки изготавливаются специальные инструменты , позволяющие соединить сварщика с заготовками. ^[11] После зажима к компонентам применяется давление и тепло, обычно в течение многих часов. Поверхности нагреваются либо в печи, либо с помощью электрического сопротивления. Давление может быть приложено с помощью гидравлического пресса при температуре; этот метод позволяет точно измерить нагрузку на детали. В тех случаях, когда детали не должны иметь температурного градиента, для приложения нагрузки можно использовать дифференциальное тепловое расширение. При фиксации деталей с использованием металла с низким расширением (например, молибдена ) детали будут создавать собственную нагрузку за счет расширения больше, чем металл крепежа при температуре. Альтернативные методы приложения давления включают использование собственных грузов, перепада давления газа между двумя поверхностями и автоклавов высокого давления. Диффузионная сварка должна выполняться в вакууме или среде инертного газа при использовании металлов с прочными оксидными слоями (например, меди). Обработка поверхности, включая полировку, травление и очистку, а также диффузионное давление и температура являются важными факторами, касающимися процесса диффузионного связывания. ^[7]^[8]^[9]

На микроскопическом уровне диффузионная связь происходит в три упрощенных этапа: ^[12]

Деформация микронеровностей - до полного контакта поверхностей неровности (очень маленькие поверхностные дефекты) на двух поверхностях соприкасаются и пластически деформируются. По мере того, как эти неровности деформируются, они соединяются, образуя границы раздела между двумя поверхностями.
Массоперенос, контролируемый диффузией: повышенная температура и давление вызывают ускоренную ползучесть материалов; Границы зерен и сырье мигрируют, а зазоры между двумя поверхностями сводятся к изолированным порам.
Миграция интерфейса: материал начинает диффундировать через границу стыкующихся поверхностей, смешивая эту границу материала и создавая связь.

Преимущества

Склеенная поверхность имеет те же физические и механические свойства, что и основной материал. После завершения склеивания соединение можно проверить, на растяжение . например,
Процесс диффузионной сварки позволяет создавать высококачественные соединения, в которых на границе раздела нет разрывов или пор. ^[13] Другими словами, мы умеем шлифовать, изготавливать и нагревать материал.
Диффузионная сварка позволяет изготавливать высокоточные детали сложной формы. Кроме того, диффузия является гибкой.
Метод диффузионной сварки может широко использоваться, соединяя как схожие, так и разнородные материалы, а также важен при обработке композиционных материалов.
Этот процесс не очень сложен, и стоимость выполнения диффузионной сварки невелика. ^[14]
Диффузионный материал способен уменьшить пластическую деформацию.

Применимость

Диффузионная сварка в основном используется для создания сложных форм в электронной, аэрокосмической, ядерной и микрофлюидной промышленности. Поскольку эта форма соединения занимает значительное время по сравнению с другими методами соединения, такими как сварка взрывом , детали изготавливаются в небольших количествах, и часто производство в основном автоматизировано. Однако из-за различных требований требуемое время может быть сокращено. В попытке сократить количество крепежных элементов, затраты на рабочую силу и количество деталей, диффузионная сварка в сочетании со сверхпластической формовкой также используется при создании сложных форм из листового металла. Несколько листов укладываются друг на друга и скрепляются в определенных секциях. Затем стопку помещают в форму, и давление газа расширяет листы, заполняя форму. Это часто делается с использованием титановых или алюминиевых сплавов для деталей, необходимых в аэрокосмической промышленности. ^[15]

Типичные свариваемые материалы включают титан , бериллий и цирконий . Во многих военных самолетах диффузионная сварка поможет сохранить дорогие стратегические материалы и снизить производственные затраты. Некоторые самолеты имеют более 100 деталей, соединенных методом диффузионной сварки, включая фюзеляжи , внешние и внутренние детали привода, цапфы шасси и рамы гондол .

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б «Диффузионное соединение». Основы и процессы сварки . Том. 06А. Парк материалов, Огайо: ASM International. Справочный комитет. 2011. стр. 682–689. ISBN 978-0-87170-377-4 . OCLC 21034891 .
^ Диффузионная сварка 2 . Стивенсон, диджей (Дэвид Дж.). Лондон: Elsevier Applied Science. 1991. ISBN 1-85166-591-9 . ОСЛК 22908137 . {{cite book}}: CS1 maint: другие ( ссылка )
^ Например, свинец и золото, которые, если их оставить плотно скрепленными на несколько дней, образуют слабую связь. См. «Технология контроля сварки» , 5-е изд. (Образовательные услуги Американского общества сварщиков, 2008 г.), гл. 8 («Металлургия сварки для инспектора по сварке»), § «Диффузия», с. 8-15.
^ ВанДайк, Кевин; Стритер, Джиджи; Дреер, Джон; Лейрер, Ларри (4 сентября 2012 г.), Диффузионная связь , дата обращения 17 февраля 2016 г.
^ Калпакджян, Серопа (2007). Процессы производства инженерных материалов (5-е изд.) . Прентис Холл. ISBN 978-0-13-227271-1 .
^ Казаков Н. Ф. (1985). «Диффузионное соединение материалов» . Пергамон Пресс.
^ Jump up to: ^а ^б Шредер, Джордж Ф.; Элшеннуэй, Ахмад К. (2000). Производственные процессы и материалы (4-е иллюстрированное изд.) . Общество инженеров-технологов. стр. 319–320. ISBN 0872635171 .
^ Jump up to: ^а ^б Чавла, Кришан К. Композиционные материалы: наука и техника. Материаловедение и инженерия (2-е иллюстрированное изд.) . п. 174. ИСБН 0387984097 .
^ Jump up to: ^а ^б Джейкобсон, Дэвид М. (2005). Принципы пайки (иллюстрированное издание) . АСМ Интернешнл. стр. 11–14. ISBN 0871708124 .
^ Каллистер, Уильям Д. младший; Ретвиш, Дэвид Г. (2014). Материаловедение и инженерия: Введение, 9-е изд . John Wiley and Sons Inc., стр. 143–151. ISBN 978-1-118-32457-8 .
^ «Диффузионная сварка для прочных твердотельных соединений» .
^ «Основы диффузионной сварки». Основы и процессы сварки . АСМ Интернешнл. Справочный комитет Американского общества металлов. Присоединение к дивизии. Парк материалов, Огайо: ASM International. 2011. С. 217–221. ISBN 978-1-61344-660-7 . OCLC 780242244 . {{cite book}}: CS1 maint: другие ( ссылка )
^ «Диффузионная связь» . www.msm.cam.ac.uk. Проверено 17 февраля 2016 г.
^ «Твердотельная сварка» . www.totalmateria.com . Проверено 17 февраля 2016 г.
^ «ДИФФУЗИОННАЯ СВЯЗКА – ПЕРЕДОВОЙ ПРОЦЕСС МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ АВИАЦИОННОЙ ТЕХНИКИ» . www.vacets.org . Проверено 17 февраля 2016 г.

Дальнейшее чтение

Калпакджян, Серопе, Шмид, Стивен Р. «Производственная техника и технологии, пятое издание», стр. 771-772.

Внешние ссылки

[:3-1] Jump up to: ^а ^б «Диффузионное соединение». Основы и процессы сварки . Том. 06А. Парк материалов, Огайо: ASM International. Справочный комитет. 2011. стр. 682–689. ISBN 978-0-87170-377-4 . OCLC 21034891 .

[2] Диффузионная сварка 2 . Стивенсон, диджей (Дэвид Дж.). Лондон: Elsevier Applied Science. 1991. ISBN 1-85166-591-9 . ОСЛК 22908137 . {{cite book}}: CS1 maint: другие ( ссылка )

[3] Например, свинец и золото, которые, если их оставить плотно скрепленными на несколько дней, образуют слабую связь. См. «Технология контроля сварки» , 5-е изд. (Образовательные услуги Американского общества сварщиков, 2008 г.), гл. 8 («Металлургия сварки для инспектора по сварке»), § «Диффузия», с. 8-15.

[4] ВанДайк, Кевин; Стритер, Джиджи; Дреер, Джон; Лейрер, Ларри (4 сентября 2012 г.), Диффузионная связь , дата обращения 17 февраля 2016 г.

[5] Калпакджян, Серопа (2007). Процессы производства инженерных материалов (5-е изд.) . Прентис Холл. ISBN 978-0-13-227271-1 .

[6] Казаков Н. Ф. (1985). «Диффузионное соединение материалов» . Пергамон Пресс.

[:0-7] Jump up to: ^а ^б Шредер, Джордж Ф.; Элшеннуэй, Ахмад К. (2000). Производственные процессы и материалы (4-е иллюстрированное изд.) . Общество инженеров-технологов. стр. 319–320. ISBN 0872635171 .

[:1-8] Jump up to: ^а ^б Чавла, Кришан К. Композиционные материалы: наука и техника. Материаловедение и инженерия (2-е иллюстрированное изд.) . п. 174. ИСБН 0387984097 .

[:2-9] Jump up to: ^а ^б Джейкобсон, Дэвид М. (2005). Принципы пайки (иллюстрированное издание) . АСМ Интернешнл. стр. 11–14. ISBN 0871708124 .

[10] Каллистер, Уильям Д. младший; Ретвиш, Дэвид Г. (2014). Материаловедение и инженерия: Введение, 9-е изд . John Wiley and Sons Inc., стр. 143–151. ISBN 978-1-118-32457-8 .

[11] «Диффузионная сварка для прочных твердотельных соединений» .

[12] «Основы диффузионной сварки». Основы и процессы сварки . АСМ Интернешнл. Справочный комитет Американского общества металлов. Присоединение к дивизии. Парк материалов, Огайо: ASM International. 2011. С. 217–221. ISBN 978-1-61344-660-7 . OCLC 780242244 . {{cite book}}: CS1 maint: другие ( ссылка )

[13] «Диффузионная связь» . www.msm.cam.ac.uk. Проверено 17 февраля 2016 г.

[14] «Твердотельная сварка» . www.totalmateria.com . Проверено 17 февраля 2016 г.

[15] «ДИФФУЗИОННАЯ СВЯЗКА – ПЕРЕДОВОЙ ПРОЦЕСС МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ АВИАЦИОННОЙ ТЕХНИКИ» . www.vacets.org . Проверено 17 февраля 2016 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]