0,7 и ниже или опыты диффузионной и холодной сварки

Существует великое множество анекдотов из истории технологических открытий, но касающихся такого в чем-то прозаического процесса, как сварка, не так уж и много. Этот случай связан с космическим полётом, совершённым представителем одной великой, ныне несуществующей державы. Космонавт этой державы первым в истории человечества вышел в открытый космос. История гласит, что при этом он резко открыл крышку люка своего космического аппарата. Крышка соприкоснулась с бортом корабля. Хлоп!

И всё время, пока восхищённый мир внизу завидовал космонавту, общающемуся с вечностью, тот с ней не общался. Вспотев, проклиная всё и вся, он отдирал крышку люка от корпуса. Это был первый случай сварки в космосе.

Действительно, для того, чтобы произошла сварка, необходимо сблизить атомы металлов на расстояние, соизмеримое с размерами самих атомов. Это одно из условий и, пожалуй, самое важное. На сегодняшнее время для этого существует немало способов. Можно расплавить кромки соединяемых металлов и реализовать один из способов сварки плавлением. Можно очень сильно прижать детали друг к другу и реализовать способ сварки давлением. Причём это можно сделать даже взрывом. Сварка давлением — условное название. При её использовании в классическом варианте почти всегда зона контакта всё равно разогревается за счёт прохождения сварочного тока до температуры плавления соединяемых металлов. Но есть несколько способов соединения, которые условно можно назвать сваркой в твёрдой фазе. Одно из условий проведения подобной сварки мы и вынесли в название этой статьи. Действительно, соединяемые материалы нагреваются до температуры порядка 0,7 и ниже от температуры плавления. Естественно, что для получения соединения требуется сдавить материалы. Именно тогда мы и сможем обеспечить процесс диффузионной или холодной сварки.

Из истории технологии сварки давлением: еще за три тысячи лет до Р.Х. в Египте железо получали, вырабатывая губчатый металл и проковывая его молотами, чтобы соединить вместе его частицы. Кроме того, с давних времён соединение металлов давлением применяли не только кузнецы, сваривая ковкое железо, но и ювелиры для изготовления украшений из золота.

Возможность сварки металлов давлением, причём с ощутимой коммерческой выгодой, возникла лишь с появлением стыковой сварки сопротивлением, которую в 1887 г. изобрёл инженер Э. Томсон. Процесс (как и в ХХ-м веке процесс сварки трением) был открыт случайно.

Американский инженер обнаружил, что при реверсировании тока, проходящего через индукционную катушку, концы первичной катушки сильно «прилипали» друг к другу, а иногда и всерьёз приваривались.

Этот процесс был описан в журнале «Американский ученый» 26 ноября 1887 г. День публикации статьи, описывающей этот эффект, и можно считать днем рождения нового способа сварки.

Профессор Э. Томсон проявил большую проницательность, догадавшись, что нагрев сопротивлением можно использовать для получения не только соединений, но и денег. Он учредил компанию, которая изготавливала сварочные машины, сдавала их в аренду за соответствующую плату и, кроме того, взимала в свою пользу 20-30% экономии, достигаемой благодаря применению подобной техники.

Классическая сварка давлением не может считаться сваркой в твёрдой фазе — за счёт переходного сопротивления и неравномерности прохождения сварочного тока в процессе её осуществления может возникать жидкая фаза.

Иное дело холодная и диффузионная сварка. Несмотря на бурное развитие сварки, совершенствование и разработку способов её осуществления, сварка в твёрдой фазе имеет на рынке сварочных технологий устойчивое и достойное место. Преимуществом данного процесса является то, что получаемые соединения свободны от недостатков, свойственных «структуре литья». Поэтому для ряда технологических задач она является единственным вариантом практического решения. Специалисты давно предрекают ей большое будущее в связи с ожидаемым ростом производства и использования композиционных материалов, для получения конструкций из которых сварка в твёрдой фазе, похоже, также является безальтернативным решением.

Первый выдающий пример холодной сварки давлением (без нагрева) — опыт, продемонстрированный 29 апреля 1724 года Ж.И. Дезагюлье в Королевском научном обществе. Два свинцовых шара (первый из которых весил 1 фунт, а второй — два фунта), с которых были срезаны шаровые сегменты по полдюйма, были руками спрессованы с одновременным скручиванием. Оказалось, что в результате они соединились. Шары пристали друг к другу так прочно, что поддерживаемый рукой верхний однофунтовый шар отсоединялся от нижнего лишь при нагрузке более 16 фунтов. При осмотре соприкасающихся поверхностей оказалось, что площадь их соединения не превышала площади круга диаметром в 1/10 дюйма, хотя эту поверхность невозможно было в точности измерить вследствие её неправильной формы.

Несмотря на то, что первый научный опыт холодный сварки был продемонстрирован почти триста лет назад, в дальнейшем этот процесс применялся лишь для метода скрепления плакированных металлов вальцовкой, метода, разработанного около 1935 года. Во время Второй мировой войны в Германии давлением сваривались изготавливающиеся из легких сплавов детали авиационных двигателей. С 1945 года одной из первых фирм Великобритании, применявших холодную сварку давлением, была компания «Дженерал Электрик». В СССР пионерами внедрения холодной сварки были К.К. Хренов (Киев, Институт сварки им. О.Е. Патона) и И.Б. Баранов (Ленинград, завод «Электрик», затем ВНИИЭСО (ныне Институт сварки России)).

Остановимся подробнее на холодной сварке. Этот способ, современным своим воплощением обязанный Институту сварки России (ВНИИЭСО), осуществляется без нагрева, порой при отрицательных температурах, за счет значительной пластической деформации. Им успешно соединяются различные, но пластичные металлы — алюминий, медь, никель, серебро, золото, ковар и другие сплавы. Любому специалисту-практику, читающему эти строки, понятно, какие сложности встретятся при попытке соединить перечисленные материалы «традиционными» способами.

Примеры холодной сварки Примеры холодной сварки Примеры холодной сварки

Примеры холодной сварки. Фото: ckc-piter.ru

Специалистами института разработаны технологии и оборудование (как серийное, так и специальное) для получения соединений различных типов. Отметим, что операция зачистки контактных поверхностей является необходимой частью технологического цикла.

Основная область применения холодной сварки — электротехника. С целью замены меди на алюминий в обмотках электротехнических устройств были разработаны способы оконцевания как стыковой сваркой, так и сваркой внахлестку, что позволило обеспечить надежный контакт и получить значительный экономический эффект. Стыковая холодная сварка с успехом применяется при соединении различного типа колец — контактных, уплотнительных, опорных и др. из пластичных металлов.

Широкое применение нашла сварка при герметизации изделий из различных металлов. Она позволяет заменить процессы склеивания и завальцовывания, обладающие большой трудоёмкостью и недостаточно высоким качеством соединения. Холодной сваркой герметизируют полупроводниковые приборы, конденсаторы, микросхемы, сосуды со взрывоопасными или химически активными веществами.

Холодная сварка — единственный процесс соединения металлов, который может быть выполнен при комнатной (и более низкой) температуре, поэтому он особенно пригоден для заделки в герметические оболочки таких чувствительных деталей, как взрыватели, транзисторы, микросхемы.

Существенным недостатком этого процесса является то, что для получения надежного соединения на воздухе требуются большие пластические деформации для разрушения в зоне сварки оксидных пленок. В условиях глубокого вакуума, как мы уже отметили в начале, например, в условиях космического пространства, наблюдается совершенно противоположная картина: чистые, свободные от окислов (так называемые «ювенильные») металлические поверхности обладают чрезвычайной активностью. Для создания устойчивых атомарных связей достаточно просто соединить подобные поверхности, и, пожалуйста, — сварка проведена. Известны официально зарегистрированные происшествия, когда при стыковке космических аппаратов возникала проблема самопроизвольного «схватывания» металлов, которую приходилось решать посредством взрыва, что, в ряде случаев, приводило к разгерметизации. Ещё раз отметим, в земных, реальных промышленных условиях холодная сварка используется в основном для соединения пластичных и востребованных металлов — алюминия и меди. Это делает рассмотренный способ чрезвычайно интересным для промышленности. Машины и технологии холодной сварки, разработанные в Институте сварки России (ВНИИЭСО), к вящей гордости страны до сих пор не имеют зарубежных аналогов. При этом ещё раз следует с благодарностью вспомнить специалистов, стоящих у истоков этого вида сварки — Баранова И.Б., Строймана И.М., Воробьёва Ю.А., Громова В.В., Кондратенко И.Н., Морозова Ю.К., Мазуренко В.И., Чулкова И.С., Кулагина Д.П., Митрукова Г.А. и ряд других разработчиков.

В отличие от холодной диффузионная сварка, осуществляемая в вакууме (или среде инертных газов), не требует существенных деформаций. Этот метод сварки позволяет соединять более 600 различных комбинаций не только металлов, но и керамики.

С феноменологической точки зрения этот процесс, будучи похож на холодную сварку, существенно отличается от неё механизмом соединения: детали точно также зачищаются, сдавливаются, а далее уже идут существенные отличия. Время сжатия увеличивается по продолжительности, к тому же детали существенно нагреваются, хотя и ниже температуры плавления. Подобная «сцепка», под давлением и с «повышенной» температурой, и приводит к обеспечению диффузионного процесса. Как следствие, к получению невозможных с точки зрения «классической» сварочной технологии соединений.

Диффузионная сварка как способ соединения материалов в твёрдой фазе, в последнее время находит всё большее применение.

Отличительными особенностями диффузионной сварки являются: безотходность получения соединений разнородных материалов (в том числе металлов с диэлектриками), а также образование принципиально новых композиционных материалов. Всё это позволяет с помощью диффузионной сварки решать задачи, которые для других способов сварки являются либо экономически невыгодными, либо принципиально невозможными. В настоящее время диффузионная сварка с успехом используется в электротехнической, электронной, нефтяной, судостроительной, авиационной и других отраслях промышленности. С разработкой новых материалов со специфическими свойствами значение этого способа сварки будет возрастать. Таким образом, круг задач, которые могут быть решены при помощи диффузионной сварки, на данный момент ещё далеко не определён. Можно с уверенностью сказать только одно — этот способ, помимо выигрыша в экономике, способен обеспечить и новые технологические решения.

Успехи и популярность диффузионной сварки в России, к сожалению, менее впечатляющи, чем в СССР. Тем не менее, специалисты Института сварки имеют всё больше оснований для оптимизма, подтверждённого количеством заказчиков и новых технических решений. По научно-исследовательским и проектно-конструкторским разработкам Института изготовлено почти 250 единиц сварочного оборудования тридцати типов. В институте проводятся работы по созданию как специального, так и серийного оборудования.

Так, была создана универсальная установка МДВ-301 для сварки и термообработки однородных и разнородных материалов с площадью сварной зоны до 3000 кв. мм. Машина оснащена высокочастотным источником питания, который обеспечивает индукционнный нагрев деталей до температуры 1500°C. К моменту написания этой статьи таких машин выпущено уже более сотни.

Диффузионная сварка с успехом используется при сварке соединений элементов источников тока из разнородных материалов. Для этой цели специалистами ИСР (ВНИИЭСО) создана целая гамма машин, позволяющих соединять попарно сложенные пакетами элементы с площадью сварной зоны до 250000 кв. мм. При этом обеспечивается плотный контакт с минимальными оммическими потерями и высокими прочностными характеристиками соединения. Широкое применение в электротехнической промышленности нашли медные шины или компенсаторы, которые обычно изготавливаются методом пайки, являющейся дорогостоящим и трудоёмким процессом.

В Институте сварки России (ВНИИЭСО) разработана технология и гамма оборудования, состоящая из пяти машин типа МВТ, позволяющая соединять шины с площадью контакта от 100 до 8000 кв. мм.

Одна из проблем, которая может с успехом и значительной экономической выгодой решаться диффузионной сваркой — это соединение твердого сплава со сталью. Для этой цели были созданы технология и две машины типов МДВ-101 и УДВМ-1201, с помощью которых свариваются детали биметаллического седла и шарика со штоком скважинного насоса. Создание и внедрение этих машин способствует повышению эффективности использования месторождений нефти и газа.

Разработка и внедрение технологии и оборудования диффузионной сварки позволили заменить процесс механического крепления с пайкой серебряным припоем и получить значительный эффект, упростив конструкцию изделия, снизив массу заготовок и обеспечив надёжный контакт.

Среди проблем, которые также успешно решаются диффузионной сваркой, следует назвать создание новых конструкций в электрических машинах малой мощности с улучшенными характеристиками, в которых в качестве основного элемента используются постоянные магниты. Соединение их с помощью пайки и склеивания — весьма сложная и трудоемкая задача, качество соединения при этом невысокое. Трудность сварки состоит в том, что нагрев магнитов ограничен низкими температурами из-за потери магнитных свойств, а деформации при сварке должны быть минимальными, т.к. последующая обработка осуществляется шлифовкой — длительным и трудоемким процессом, поэтому припуски должны быть минимальными. В ИСР (ВНИИЭСО) разработаны и внедрены технологии и оборудование для диффузионной сварки постоянных магнитов в деталях малых электрических машин, позволяющих получить значительный экономический эффект.

В настоящее время Институтом сварки России разработана также технология диффузионной сварки медностальных компенсаторов для Санкт-петербургского метрополитена. Опытные образцы успешно прошли испытания. Работы в этой области продолжаются.

В 2003 году сотрудниками института сконструирована, изготовлена и налажена высокопроизводительная машина-полуавтомат диффузионной сварки в вакууме МДВС-1901 для сварки деталей низковольтной аппаратуры. Машина, безусловно, имеет право символизировать совершенствование технической мысли и её практического воплощения. Нельзя не назвать тех специалистов, которым сварка в твёрдой фазе обязана своим становлением и сегодняшними успехами в нашей стране: это Картавый С.К., Рогов В.Д., Еськин В.Г., Пинскер М.А., Евтифеев С.П., Блашенков Ю.А.

Профессиональный словарь

Сварка в твёрдой фазе применяется для соединения частей без расплавления (в отличие от сварки в жидкой фазе) с применением значительного давления.

Композиционные материалы представляют собой металлические и неметаллические матрицы (основы) с заданным распределением в них упрочнителей (волокон, дисперсных частиц и др.); при этом эффективно используются индивидуальные свойства составляющих композиции.

Холодная сварка — сварка без нагрева, выполняется одним только приложением давления, создающего значительную пластическую деформацию в зоне соединения. Используется для сварки материалов (в том числе разнородных), имеющих высокую пластичность.

Диффузионная сварка — способ сварки без расплавления основного металла за счёт нагрева и сдавливания соединяемых деталей. В месте сварки деталей происходит диффузия одного металла в другой.

Плакированные материалы — материалы, покрывающие основной сплав и обеспечивающие его защиту.

Ковар — сплав на основе железа, содержит 18% Со и 29% Ni. Температура плавления — 1450°C, удельное электрическое сопротивление 0,5 мком•м, температура Кюри 420°С. Во влажной среде сплав подвержен коррозии и требует защитных покрытий.

К.т.н. Смирнов Н.В, Сорокин М.А., Институт сварки России

Комментарии

  1. h74

    работал со сварным,в прошлом горным инженером,в институте редких металлов в мутные 90е он занимался ,видел ли,сваркой взрывом,так показывал спмл с пакета из семи металлов,слой порядка3 мм-впечатлило)

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *