види зварювання - Сварка тиском

У Росії і за кордоном отримали широкий розвиток різноманітні способи зварювання в твердій фазі: термокомпрессіонной, дифузійна, тертям, ультразвукова, клінопрессовая, індукційна, холодна , вибухом , Магнітно-імпульсна і ін. Цьому сприяли, з одного боку, розробка теоретичних основ зварювання в твердій фазі (1965-1972 рр.) І, з іншого боку, швидкий прогрес електронної техніки, точного приладобудування і засобів автоматизації.

Способами зварювання в твердій фазі (рис. 1) можна з'єднувати практично будь-які металеві сплави в однорідному і неоднорідному поєднаннях, метали з напівпровідниками і кераміки, пластмаси і т. Д. Чим вище ступінь локалізації пластичної деформації в зоні з'єднання, тим ефективніше способи зварювання у твердій фазі забезпечують точність розмірів виробів, збереження механічних і спеціальних властивостей зварювальних матеріалів і тим легше вони дозволяють з'єднувати крихкі матеріали, особливо в різнорідних поєднаннях.

При будь-яких способах зварювання в твердому стані з'єднання утворюється в результаті деформаційного або термодеформаційного впливу на сполучаються матеріали в зоні контакту. Незалежно від характеру і інтенсивності цього впливу природа утворення з'єднання єдина. Відмінності полягають в кінетиці протікання Окремих стадій процесу, яка визначається умовами нагріву, характером і інтенсивністю деформації матеріалів, ступенем локалізації деформації і особливостями розвитку релаксаційних процесів в приконтактной зоні.

З позицій теорії твердофазних топохимической реакцій процес утворення з'єднання при всіх способах зварювання в твердій фазі протікає в три основні стадії.

1. Освіта фізичного контакту, т. Е. Зближення атомів з'єднуються на відстань, при якому виникає фізична взаємодія (обумовлене дисперсійними силами типу Ван-дер-Ваальса), або відстань, при якому можливе слабке хімічну взаємодію. Це здійснюється за рахунок пластичної деформації обох (при з'єднанні однойменних або близьких по опірності пластичного деформації) або більш м'якого з матеріалів, що з'єднуються. Розрахунки кінетики стадії освіти фізичного контакту розроблені для процесів зварювання з низькоінтенсивних силовим впливом типу термокомпрессіонной і дифузійної, для яких ця стадія досить тривала. Ці розрахунки засновані на аналізі того, що зім'яло мікровиступів на поверхнях матеріалів, що з'єднуються за рахунок повзучості з урахуванням ступеня чистоти механічної обробки поверхонь та зміни істинного напруги в міру деформації мікровиступів.

2. Активація контактних поверхонь (утворення активних центрів). При зварюванні однойменних матеріалів активація контактних поверхонь відбувається одночасно з утворенням фізичного контакту в процесі їх зближення при смятии окремих мікровиступів за рахунок пластичної деформації. При зварюванні різнойменних матеріалів на цій стадії для утворення з'єднання необхідний додатковий час для утворення активних центрів на поверхні більш твердою з матеріалів, що з'єднуються.

Теорія активних центрів передбачає, з одного боку, дискретність процесу освіти вогнищ взаємодії (активних центрів), а з іншого боку, колективність взаємодії атомів в полі активних центрів.

У загальному випадку активними центрами або вогнищами взаємодії є поля пружних спотворень кристалічної решітки, що утворюються на поверхнях, що з'єднуються в процесі упругопластической деформації. Однак для утворення активних центрів зовсім не обов'язково, щоб приповерхневих шари обох поверхонь, що з'єднуються піддавалися пластичної деформації. Наприклад, при з'єднанні різнорідних матеріалів з різко різної опірністю пластичної деформації, таких як алюміній і кремній, в умовах термокомпрессіонной і ультразвукового зварювання поверхню кремнію при певних параметрах режиму не має слідів пластичної деформації у вигляді дислокацій і смуг ковзання. В цьому випадку активними центрами на кремнії є чисто пружні спотворення, що виникають або внаслідок дряпання деформаційними мікровиступів алюмінію, або в результаті впливу ультразвукового поля. При зварюванні однойменних металів і сплавів, а також різнорідних матеріалів з не дуже великою різницею в механічні властивості активні центри утворюються, як правило, в місцях ьихода дислокацій і їх скупчень в зону контакту. Дослідження екзоелектронной емісії з поверхні твердих тіл в процесі їх пластичної деформації показують, що інтенсивність емісії електронів в істотній мірі залежить не тільки від рівня мікронапруг в поле пружних спотворень, але і від щільності потоку вакансій, для яких місця виходу дислокацій служать інтенсивними стоками. Це підтверджує думку про значну роль точкових дефектів в процесі активації контактних поверхонь при зварюванні в твердій фазі, особливо на релаксационной стадії взаємодії.

Поверхні твердих тіл в атмосферних умовах, як правило, інертні, так як валентності їх атомів насичені зв'язком з атомами навколишнього середовища. Навіть за відсутності окисних плівок, наприклад, в умовах дифузійного зварювання у вакуумі, коли вони у більшості металів диссоциируют або розчиняються, на поверхнях є хемосорбірованний шар. Незважаючи на іонну природу, зв'язок між адсорбованим киснем і атомами металу на його поверхні сильніше зв'язку кисню з металом в оксиді того ж стехіометричного складу. Так як величина теплоти адсорбції в більшості випадків вище теплоти утворення оксиду, зв'язок метал-кисень в комплексі хемосорбції енергетично більш стабільна, ніж зв'язок метал-кисень в оксиді. Ця різниця в стабільності виявляється вирішальним при оцінці ролі активних центрів в процесі утворення з'єднання при зварюванні в твердому стані. Навіть при руйнуванні твердих тіл в глибокому вакуумі комплекси хемосорбції утворюються за вельми короткий час внаслідок сегрегації домішкових атомів на поверхні шляхом дифузії з прилеглих обсягів тіла. У цьому сенсі поняття ювенільних поверхонь вельми умовно. Акт активації поверхневих атомів можна представити як процес розриву насичених зв'язків, що призводить до появи неспарених електронів (радикалів), здатних брати участь в хімічній взаємодії.

Отже, для розвитку в зоні контакту, що з'єднуються процесів електронної взаємодії потрібна певна величина енергії для активації поверхонь. Така енергія може повідомлятися у вигляді теплоти (термічна активація), упругопластической деформації (механічна активація), електронного, іонного та інших видів опромінення (радіаційна активація). При зварюванні металів з металоїдами хімічними сполуками металів, зокрема оксидами, а також з напівпровідниками або интерметаллидами, що володіють напівпровідниковими властивостями, квантові процеси зводяться до утворення міцних зв'язків в основному ковалентного типу. Коли з'єднуються речовини мають здатність до донорно-екцепторному взаємодії, встановлюється координаційно-ковалентний зв'язок. Прикладами таких речовин можуть служити основні оксиди (донори) і кислі оксиди (акцептори). При безпосередньому з'єднанні металів з керамікою, до складу яких входять кислі оксиди, координаційно-ковалентний зв'язок найбільш легко утворюється в тому випадку, якщо на поверхні металу створений тонкий шар нижчих основних оксидів, що володіють яскраво вираженими донорними властивостями. Координаційно-ковалентний зв'язок не є єдиним типом зв'язку, що обумовлює утворення міцного з'єднання металу з іншими речовинами. Можливо також утворення парноелектронную зв'язку внаслідок перемикання (трансляції) валентних зв'язків.

Тривалість стадії активації прийнято оцінювати на основі термофлуктуаціонних рівнянь теорії абсолютних швидкостей реакцій, що враховують внесок в енергію активації процесу не тільки температури, але і напруг [28,9].

3. Об'ємне взаємодія. Ця стадія настає з моменту утворення активних центрів на з'єднуються поверхнях. Протягом цієї стадії відбувається розвиток взаємодії з'єднуються на активних центрах як в площині контакту з утворенням міцних хімічних зв'язків, так і в обсязі зони контакту. У площині контакту цей процес закінчується злиттям дискретних вогнищ взаємодії, а в обсязі - релаксацією напружень (в тій мірі, яка необхідна для збереження утворилися зв'язків). Однак для забезпечення необхідної міцності з'єднання в цілому часто необхідно подальший розвиток релаксаційних процесів типу рекристалізації або гетеродіффузіі в допустимих межах. При зварюванні однойменних металів критерієм закінчення третьої стадії і освіти якісного з'єднання може служити тривалість, необхідна для утворення загальних зерен в зоні контакту за рахунок збиральної рекристалізації або рекристалізації обробки. При зварюванні різнойменних матеріалів необхідність розвитку або обмеження гетеродіффузіі визначається фізико-хімічними властивостями дифузійної зони і утворюються в ній фаз.

Таким чином, при всіх способах зварювання в твердій фазі пластична деформація є основним процесом, що визначає розвиток перших двох стадій освіти сполуки - фізичного контакту і активації контактних поверхонь, причому тривалість процесу утворення міцних зв'язків по всій площі взаємодії визначається частотою виходу дислокації в зону фізичного контакту, т. е. не тільки необхідної для цього величиною накопиченої деформації, але і її швидкістю.

Ступінь розвитку третьої стадії процесу (релаксація напружень, рекристалізація, гетеродіффузія) визначається головним чином температурою в зоні з'єднання, проте накопичена пластична деформація і її швидкість можуть також впливати на інтенсивність протікання релаксаційних процесів і визначати їх механізм. Наприклад, при зварюванні однорідних металів в режимах інтенсивної пластичної деформації при відносно невисоких температурах освіту загальних зерен в зоні з'єднання може відбуватися і за механізмом рекристалізації обробки, а при малоинтенсивной деформації і високих температурах - тільки за механізмом збиральної рекристалізації. Швидкість пластичної деформації може змінювати механізм гетеродіффузіі. Наприклад в роботі [4] було показано, що при ударної зварюванні різнорідних металів в твердому стані в вакуумі зі швидкістю зіткнення порядку десятків метрів в секунду швидкості гетеродіффузіі можуть бути навіть вище, ніж у рідкому стані, що було пояснено утворенням високих нерівноважних концентрацій дислокованих атомів. Звичайними механізмами дифузії по вакансіях цей факт пояснити не можна. За своєю фізико-хімічною природою схоплювання поверхонь твердих тіл в умовах глибокого вакууму є окремим випадком процесу утворення з'єднання матеріалів при зварюванні в твердій фазі. У зв'язку з визначальною роллю пластичної деформації в процесі утворення з'єднання (схоплювання) металів в твердому стані становить особливий інтерес розгляд можливих причин активирующего впливу глибокого вакууму (поряд з температурою і прикладеним тиском) як одного з факторів, що полегшують пластичну деформацію в металах і послабляє міцність зв'язків в окислах і хімічно адсорбованих шарах, що існують на з'єднуються поверхнях. До цих причин слід віднести різке зниження температури дисоціації і випаровування окислів (для більшості металів, за винятком алюмінію, магнію, торію і т. П., Це відбувається вже при вакуумі близько 10-8 мм рт. Ст.); десорбції домішок впровадження; зміна величини поверхневої енергії. Все це значно полегшує умови гетерогенного зародження дислокацій поблизу поверхні (зниження критичного опору зрушенню і енергії освіти і руху дислокацій) та їх виходу до поверхні (зниження сил дзеркального зображення). В результаті цього зі збільшенням ступеня вакууму температура і тиск, необхідні для схоплювання, значно знижуються. На особливу увагу заслуговує аналіз впливу дегазації металу, так як зниження концентрації домішок впровадження істотно, але неоднаково інтенсифікує пластичну деформацію при відомих її механізмах (поперечне ковзання, порогова повзучість, непороговая або дифузійна повзучість). Зокрема, внаслідок десорбції газових домішок і періодичної блокування ними дислокацій і подальшої деблокування спостерігається ступеневу розвиток деформації повзучості в зоні контакту [30].

З викладених вище позицій теорії трехстадийная процесу з'єднання легко пояснити спостережувані експериментальні факти і явища. Зокрема, під час зварювання з високоинтенсивним силовим впливом (зварювання вибухом, магнітно-імпульсна зварювання, холодне зварювання та ін.), З огляду на те, що швидкість і величина пластичної деформації матеріалів, що з'єднуються в приконтактной зоні великі, атоми в стані фізичного контакту вступають вже енергетично підготовленими для утворення хімічних зв'язків.

При магнітно-імпульсної зварюванні і зварюванні вибухом в ряді випадків навіть необхідно обмежувати величину і швидкість пластичної деформації в приконтактной зоні, так як утворюються оплавлені ділянки металу. Можливість утворення з'єднання і його міцність при зварюванні з високоинтенсивним силовим впливом часто визначаються умовами релаксації напружень в приконтактной зоні. При зварюванні з низькоінтенсивних силовим впливом (дифузійна зварювання, зварювання тиском з підігрівом, термокомпрессіонной зварювання) швидкість пластичної деформації матеріалу мала, і для отримання якісного з'єднання вимагаються десятки хвилин. В цьому випадку пластичну деформацію, навпаки, необхідно інтенсифікувати, щоб зробити процес більш продуктивним. Кінетичний підхід до аналізу процесу утворення з'єднання матеріалів у твердій фазі дозволив намітити шляхи інтенсифікації способів зварювання з низькоінтенсивних силовим впливом і, навпаки, так обмежувати параметри імпульсних способів зварювання, щоб не відбувалося утворення оплавлених ділянок металу в зоні контакту. Ці шляхи подальшого вдосконалення технології зварювання поєднуються з новими підходами до розробки високопродуктивного зварювального устаткування.

Зіставлення кінетики розвитку пластичної деформації матеріалів, що з'єднуються з кінетикою зростання міцності з'єднань, отриманих при зварюванні металів різної природи в однойменному і різнойменному поєднаннях, показує, що найбільш інтенсивне зростання міцності з'єднання відбувається за період активного деформування і етап несталої повзучості. На етапі сталої повзучості інтенсивність процесів розвитку фізичного контакту і освіти хімічних (металевих) зв'язків знижується відповідно до зменшення швидкості деформації. Отже, якщо в процесі утворення з'єднання будь-яким способом ініціювати інтенсивну пластичну деформацію, що з'єднуються, то повинен спостерігатися і інтенсивне зростання міцності з'єднання. При зварюванні тиском з підігрівом з обмеженою пластичною деформацією, т. Е. В умовах дифузійного зварювання, інтенсифікувати розвиток деформації матеріалів, що з'єднуються можна шляхом стрибкоподібного збільшення температури або тиску або шляхом імпульсного впливу тиску.

Одним з найбільш істотних недоліків зварювання тиском з підігрівом, наприклад дифузійної, є тривалість процесу, обумовлена ​​повільним розвитком деформації за схемою повзучості внаслідок інтенсивного розвитку деформаційного зміцнення металу в Пріконтактние обсязі. У зв'язку з цим перспективним є новий спосіб зварювання з циклічним додатком тиску, що дозволяє використовувати найбільш ефективні стадії розвитку пластичної деформації (стадії активної деформації і несталої повзучості). Ефект циклічного впливу зварювального тиску при високій температурі (> = 0,5 Tпл, див. Рис. 1) обумовлений тим, що протягом розвантаження і паузи інтенсивно протікають процеси повернення, т. Е. Усуваються бар'єри, що перешкоджають подальшому розвитку пластичної деформації в Пріконтактние обсязі. Кожне наступне навантаження знову ініціює активну пластичну деформацію. При цьому з'являється можливість істотного зниження температури процесу, що сприяє підвищенню властивостей з'єднання як за рахунок найбільш досконалою тонкої структури металу, так і за рахунок обмеження можливості утворення проміжних тендітних фаз.

Іншим, також перспективним способом інтенсифікації процесу зварювання тиском з підігрівом є циклічне підвищення температури зварювання, що сприяє прискоренню процесу повернення і рекристалізації.

Широкі можливості для зварювання металів у твердій фазі відкриває використання явища сверхпластичности. При цьому зварювання металів, що зазнають фазові перетворення (наприклад, титану, заліза, цирконію або їх сплавів), здійснюють в області температур фазових перетворень і при швидкостях деформації 10-3-10-4 c-1, що забезпечують сверхпластичность. Зварювання сплавів з гетерофазной структурою ведуть при швидкостях деформації цього порядку при відповідних температурах. Сверхпластичность дозволяє знизити в кілька разів, а іноді на порядок, необхідні зусилля і особливо різко тривалість процесу зварювання (на два порядки) [16].

Для деяких конструкцій і широкого класу однорідних і різнорідних матеріалів (метали з металами, з напівпровідниками і керамікою, кераміка з керамікою і т. Д.) Перспективно використовувати проміжні прокладки з матеріалів, що володіють високими і надпластичні властивостями при обраних режимах зварювання. Тут ефект досягається за рахунок локалізації пластичної деформації і інтенсифікації сил контактного тертя. Крім того, ці прокладки можуть служити в якості бар'єрних шарів, що попереджають несприятливий характер фізико-хімічної взаємодії з'єднуються. Суттєвого зниження температури і тиску при зварюванні сприяє приміщення в зону контакту тонкодисперсних активних порошків металів завдяки їх високої поверхневої енергії. При відомих r даний час способи зварювання тиском з підігрівом для зміцнення зварного з'єднання необхідно проведення подальшої термічної або термопластичному обробки. Однак раціональне ведення зварювання з різким збільшенням швидкості деформації на кінцевому етапі процесу до значень, при яких відбувається ефективне швидкісне деформаційне зміцнення, дозволяє безпосередньо в процесі зварювання здійснювати субструктурного зміцнення і забезпечувати високий рівень опірності крихкому руйнуванню зварних з'єднань.

Для з'єднання в твердій фазі труднодеформіруемих тендітних матеріалів процес зварювання тиском доцільно здійснювати за схемою гідроекструзії, т. Е. В умовах впливу на зварювані матеріали всебічного стиснення, достатнього за своїми розмірами для перекладу матеріалів, що з'єднуються в пластичний стан.

Існуючі стандартні установки для зварювання в твердій фазі тиском з підігрівом мають системи створення зварювального тиску, які не враховують швидкісного фактора прикладання навантаження. У них швидкість навантаження встановлюється незалежно від релаксаційних характеристик зварюваного матеріалу і цілком визначається характеристикою тільки механізму навантаження. Однак на процес з'єднання в твердій фазі основний вплив роблять величина опору деформації зварюваних матеріалів і їх релаксаційні властивості, що визначають інтенсивність процесів повернення. Тому установки для зварювання в твердій фазі тиском з підігрівом повинні містити вузли, що забезпечують встановлення і автоматичне регулювання параметрів процесу в залежності від опору пластичної деформації і релаксаційних властивостей матеріалів, що з'єднуються. Уже створені дослідні зразки установок, які забезпечені високоточними системами вимірювання опору і ступеня пластичної деформації деталей, що зварюються, і головне - механізмами створення зварювального тиску, що регулюють в процесі зварювання в широкому діапазоні або швидкість навантаження при циклічному додатку навантаження, або швидкість вимушеної деформації відповідно до релаксаційним характеристиками зварювальних матеріалів. На цих установках, зокрема, можна здійснювати зварювання в режимі сверхпластичности, а також формувати механічні властивості зварних з'єднань на основі новітніх досягнень термомеханічної обробки.

Для термокомпрессіонной і ультразвукового зварювання в мікроелектроніці розроблені відповідні установки з програмованим навантаженням і автоматичним контролем якості зварних з'єднань. В останні роки для виготовлення алюмінієво-сталевих трубних перехідників широко використовується клінопрессовий (теплопрессовий) спосіб зварювання. Цей спосіб зварювання полягає в нагріванні деталей, що з'єднуються на повітрі або в захисному середовищі і подальшому впрессовиваніі сталевої деталі в алюмінієву. При цьому робоча частина сталевої деталі, як правило, заточується на деякий кут. Наступною механічною обробкою зварних заготовок отримують алюмінієво-сталеві перехідники різноманітної форми та розмірів. Такі перехідники дозволяють широко впроваджувати в конструкціях літальних апаратів легкі алюмінієві трубопроводи, так як вони мають усі переваги як алюмінієвих, так і сталевих конструкцій (висока питома міцність сталі і корозійна стійкість сплавів алюмінію і можливість здійснення зварювання і багаторазового монтажу при збереженні герметичності виробів зі сталі) . Завдяки високому ступеню локалізації пластичної деформації в приконтактной зоні цей перспективний спосіб зварювання дозволяє отримувати міцне з'єднання при нагріванні зварюваних матеріалів до температур нижче температур рекристалізації більш твердого матеріалу. Останнім часом показано, що цим способом можна зварювати також і сталь зі сплавами титану і міді. В цьому відношенні спосіб клінопрессовой зварювання має ряд незаперечних переваг перед зварюванням тертям [8]. Останнім часом процеси з'єднання різнорідних матеріалів у твердій фазі отримали застосування при виготовленні композиційних матеріалів, наприклад шаруватих і з волокнистих і огорожі з зміцненням. До цих процесів належать зварювання вибухом, прокаткою, вакуумна диффузионная і термокомпрессіонной зварювання пакетів фольги з матричного матеріалу і шарів сіток і волокон і стрічкових напівфабрикатів, отриманих у вигляді тонких листів, що складаються з рядів волокон, на які методом плазмового напилення нанесений матричний матеріал. У зв'язку з цим однією з найважливіших сучасних проблем стає зварювання самих композиційних матеріалів.

Великі технологічні можливості має зварювання вибухом. Зварюванням вибухом з'єднують найрізноманітніші (компактні і порошкові) матеріали в однорідному і неоднорідному поєднаннях, а також здійснюють складне формозміна [17].

характерною особливістю зварювання вибухом є різноманіття схем її здійснення в залежності від природи матеріалів, що з'єднуються, форми їх існування (компактні або порошкові), конфігурації вироби і т. д. Основними дефектами при зварюванні вибухом є дискретно розташовані вздовж кордону з'єднання оплавлені ділянки, що знижують, наприклад, корозійну стійкість зони з'єднання . Викладені раніше уявлення про природу утворення з'єднання металів у твердому стані, а також існуючі в даний час розрахункові моделі дозволяють оцінювати параметри процесу зварювання вибухом, при яких зварене з'єднання характеризується високою міцністю і відсутністю локальних оплавлених ділянок металу. Ці розрахунки засновані на обліку швидкості руху дислокацій, частоти їх виходу в зону з'єднання, енергії, що виноситься кожної дислокацією, і енергетичного бар'єру в межах окремого активного центру, при досягненні або перевищенні якого здійснюється елементарний акт взаємодії (утворення хімічних зв'язків). Використання такого підходу дозволяє істотно скоротити обсяг експериментальних досліджень, а в ряді випадків прогнозувати вибір матеріалів конкретного виробу.

Серед способів зварювання імпульсною дією слід особливо виділити магнітно-імпульсну зварювання - різновид зварювання вибухом. При магнітно-імпульсної зварюванні зіткнення деталей, що зварюються забезпечується імпульсним магнітним полем від розряду батарей конденсаторів. Тривалості імпульсу і швидкості зіткнення при цьому методі зварювання того ж порядку, що і при зварюванні вибухом. Магнітно-імпульсна зварювання має ту перевагу в порівнянні зі зварюванням вибухом, що її параметри легше керовані і її застосування можливо в будь-яких цехових умовах. Вона особливо доцільна в тих випадках, коли необхідно сохргненіе структури і механічних властивостей матеріалу в зоні зварного з'єднання на рівні, близькому до вихідного. Цим методом можна зварювати, наприклад, внахлестку труби з різнорідних матеріалів: алюміній - мідь, алюміній - коррозионностойкая сталь, цирконій - нержавіюча сталь і т. П.

джерело: Миколаїв Г.А. "Зварювання в машинобудуванні. Довідник. Т.1"