Atomy materii są w ciągłym ruchu, dlatego ciecze i gazy mogą się mieszać. Ciała stałe mają również ruchome cząstki elementarne, ale mają sztywniejszą sieć krystaliczną. A jednak, jeśli dwa ciała stałe zbliżą się do odległości oddziaływania sił atomowych, to w punkcie styku cząstki jednej substancji przenikną do drugiej i odwrotnie. Takie wzajemne przenikanie się substancji nazwano dyfuzją, a efekt był podstawą jednej z metod łączenia metali. Tak to się nazywa - spawanie dyfuzyjne metali.
Co można połączyć przez zgrzewanie dyfuzyjne
Spawanie dyfuzyjne w próżni ma ogromne możliwości technologiczne. Dzięki niemu możesz połączyć:
- Metale o jednorodnej i niejednorodnej strukturze oraz ich stopy. Substancje zawierające metale ogniotrwałe, takie jak tantal, niob i wolfram.
- Substancje niemetaliczne z metalami: grafit ze stalą, miedź ze szkłem.
- Materiały konstrukcyjne na bazie metalu, ceramiki, kwarcu, ferrytów, szkła, struktur półprzewodnikowych (jednorodnych i niejednorodnych), grafitu i szafiru.
- Materiały kompozytowe, porowate z zachowaniem ich właściwości i tekstury.
- Substancje polimerowe.
Jeśli chodzi o konfigurację i rozmiar wykrojów - mogą się różnić. W zależności od wielkości komory roboczej możliwa jest praca z częściami od kilku mikronów (elementy półprzewodnikowe) do kilku metrów (złożone struktury warstwowe).
Jak działa instalacja dyfuzyjna
Kompleks do spawania dyfuzyjnego zawiera następujące główne elementy:
- Komora robocza. Wykonany jest z metalu i ma na celu ograniczenie środowiska pracy, w którym powstaje podciśnienie.
- Stand - polerowany stojak. Opiera się na nim komora robocza, po której może się poruszać.
- Zgrzewarka próżniowa. Czy przekładka między aparatem a stojakiem.
- Mechanizm rolkowy i śruba dociskowa. Z ich pomocą kamera jest przesuwana po szynach i mocowana na stojaku.
- Pompa próżniowa. Tworzy próżnię w obszarze roboczym.
- Generator z cewką indukcyjną. Działają jako system grzewczy dla spawanych części.
- Odporne na wysoką temperaturę stemple, cylindry hydrauliczne i pompa olejowa stanowią mechanizm ściskania części pod określonym ciśnieniem.
W zależności od modyfikacji, instalacje zgrzewania dyfuzyjnego mogą różnić się kształtem komór i metodąich uszczelnienie. Inne są również sposoby nagrzewania części. Można zastosować grzejniki promieniujące, generatory wysokoprądowe, jednostki wyładowcze, grzejniki wiązką elektronów.
Procesy dyfuzji podczas spawania
Jeśli weźmiesz polerowane blachy, połączysz je i obciążysz, to za kilkadziesiąt lat widoczny będzie efekt wzajemnego przenikania się metali. Co więcej, głębokość penetracji będzie się mieścić w granicach milimetra. Rzecz w tym, że szybkość dyfuzji zależy od temperatury łączonych materiałów, odległości między cząstkami elementarnymi substancji, a także od stanu stykających się powierzchni (brak zanieczyszczeń i utlenienia). Dlatego jej naturalny proces jest tak powolny.
W przemyśle, w celu szybkiego uzyskania związku, przyspiesza się proces dyfuzji, biorąc pod uwagę wszystkie te warunki. W komorze roboczej:
- Utwórz próżnię z poziomem ciśnienia resztkowego do 10-5 mm Hg lub napełnij medium gazem obojętnym. Dzięki temu części nie są narażone na działanie tlenu, który jest środkiem utleniającym dla każdego metalu.
- Materiały są podgrzewane w temperaturze 50-70% temperatury topnienia przedmiotów obrabianych. Ma to na celu zwiększenie plastyczności części ze względu na bardziej ruchliwy stan ich cząstek elementarnych.
- Półfabrykaty poddawane są naciskowi mechanicznemu w zakresie 0,30-10,00 kg/mm2, co zbliża odległości międzyatomowe do rozmiarów pozwalających na ustanowienie wspólnych wiązań iwzajemnie przenikać do sąsiednich warstw.
Wymagania dotyczące przygotowania materiałów
Przed umieszczeniem półwyrobów spawanych elementów w jednostce dyfuzyjnej są one poddawane obróbce wstępnej. Głównym celem obróbki stykających się części wykrojów jest uzyskanie gładszych, równych i jednolitych powierzchni, a także usunięcie niewidocznych nawarstwień oleistych i brudu z obszaru połączenia. Obróbka detali odbywa się:
- chemiczne;
- mechaniczny;
- elektrolityczne.
Powłoki tlenkowe z reguły nie wpływają na proces dyfuzji, ponieważ ulegają samozniszczeniu podczas ogrzewania w środowisku próżni.
Gdy zgrzewanie dyfuzyjne nie jest wystarczająco skuteczne pomiędzy substancjami o nierównym współczynniku rozszerzalności cieplnej lub gdy tworzy się krucha spoina, stosuje się tak zwane podkładki buforowe. Mogą służyć jako folia z różnych metali. Tak więc folia miedziana jest używana do spawania dyfuzyjnego półwyrobów kwarcowych.
Charakterystyka otrzymanych związków
W przeciwieństwie do tradycyjnych metod spawania, w których do metalu podstawowego w spoinie dodawany jest dodatkowy metal, spawanie dyfuzyjne umożliwia uzyskanie jednolitej spoiny bez większych zmian w składzie fizycznym i mechanicznym spoiny. Gotowe połączenie ma następujące cechy:
- obecność ciągłego szwu bez porów i formacji muszli;
- brak wtrąceń tlenkowych w mieszance;
- stabilność mechanicznawłaściwości.
Dzięki temu, że dyfuzja jest naturalnym procesem wnikania jednej substancji w drugą, sieć krystaliczna materiałów nie jest zakłócana w strefie kontaktu, a zatem nie występuje kruchość szwu.
Połączenie części tytanowych
Spawanie dyfuzyjne tytanu i jego stopów charakteryzuje się uzyskaniem wysokiej jakości połączenia o wysokiej efektywności ekonomicznej. Jest szeroko stosowany w medycynie do produkcji części protez, a także w innych dziedzinach.
Części są podgrzewane do temperatury o 50º - 100º niższej niż temperatura, w której zachodzi przemiana polimorficzna. Jednocześnie na materiały wywierany jest niewielki nacisk 0,05–0,15 kgf/mm².
Skład chemiczny stopu tytanu nie wpływa na wytrzymałość połączenia elementów w ten sposób spawania.
Zalety metody
Gdy możliwe jest spawanie dyfuzyjne:
- łączenie jednorodnych i niejednorodnych ciał stałych;
- unikaj deformacji części;
- nie używaj materiałów eksploatacyjnych w postaci lutów i topników;
- odbiór produkcji bez odpadów;
- nie należy stosować skomplikowanych systemów wentylacji nawiewno-wywiewnej, ponieważ w procesie nie powstają szkodliwe opary;
- odbierz dowolny obszar strefy połączenia styków, ograniczony tylko możliwościami wyposażenia;
- zapewnij niezawodny kontakt elektryczny.
Do tego dochodzi doskonały estetyczny wygląd gotowej części,co nie wymaga stosowania dodatkowych operacji przetwarzania, takich jak np. usuwanie zgorzeliny spawalniczej.
Wady technologii
Spawanie dyfuzyjne to złożony proces technologiczny, którego główne wady to:
- konieczność użycia określonego drogiego sprzętu;
- wymaganie przestrzeni produkcyjnej, instalacja ma znaczne wymiary;
- wymaganie posiadania specjalistycznej wiedzy, umiejętności i zrozumienia procesu pracy;
- czas spędzony na starannej obróbce wstępnej detali;
- utrzymuj jednostkę próżniową tak czystą, jak to możliwe, w przeciwnym razie niewidoczny kurz może osadzać się na spawanych częściach i prowadzić do uszkodzeń połączeń;
- trudność w sprawdzeniu jakości szwu bez konieczności jego niszczenia.
Biorąc pod uwagę to wszystko, a także specyfikę zastosowania instalacji próżniowych, spawanie dyfuzyjne jest pożądane tylko w warunkach przedsiębiorstw, a nie do użytku prywatnego.
Przemysłowe urządzenia do spawania dyfuzyjnego
Istnieje kilka rodzajów urządzeń przemysłowych przeznaczonych do spawania dyfuzyjnego. Różnią się one przede wszystkim specyfiką spawanych materiałów oraz zastosowaniem różnych systemów do nagrzewania części.
Instalacja typu MDVS jest przeznaczona do produkcji elastycznych szyn miedzianych, grup styków wyłączników wysokiego napięcia wykonanych z miedzi i kerrytu, części zaworów wzniosu gazu do pomp wiertniczych wykonanych ze stali nierdzewnej i stopów twardych metali. System wykorzystuje efekt elektrycznego podgrzewania styków.
Zespół spawalniczy typu UDVM-201. Wykonuje połączenia metodą zgrzewania dyfuzyjnego materiałów ze szkła różnych gatunków. Ogrzewanie powierzchni roboczej odbywa się metodą promieniowania radiacyjnego.
Sprzęt spawalniczy USDV-630. Instalacja nagrzewnicy indukcyjnej do zgrzewania materiałów kompozytowych na bazie tytanu i miedzi. Takie systemy umożliwiają podgrzewanie dużych części.
MDVS-302 maszyna do spawania dyfuzyjnego z wykorzystaniem nagrzewania części o wysokiej częstotliwości. Charakteryzuje się obecnością małego generatora w obwodzie tranzystorowym.
