Холодная сварка в вакууме
Аннотация. Безопасность работы энергосистем, снижение потерь электроэнергии и экономия материальных ресурсов во многом определяется надежностью электрических контактов. В статье дается краткое описание накопленного многолетнего промышленного опыта получения надежных контактов с помощью уникальных способов сварки и применения в разборных соединениях электропроводящей смазки ЭПС-98. Холодная сварка обеспечивает надежный контакт алюминия с медью, а диффузионная сварка в вакууме применяется, например, для соединения меди, керамики, серебра вольфрама в изделиях электротехники, успешно заменяя пайку, завальцовку, клепку, ручную дуговую сварку и аргонодуговую сварку токоведущих деталей высоковольтной и низковольтной аппаратуры.
Ключевые слова: надежность, электрический контакт, безопасность, холодная сварка, диффузионная сварка в вакууме, электропроводящая смазка.
Increase of reliability of electrical contacts
Abstract. The safety of the operation of power systems, the reduction of power losses and the saving of material resources are largely determined by the reliability of electrical contacts. The article gives a brief description of the accumulated long-term industrial experience in obtaining reliable contacts by using unique welding methods and using electrically conductive EPC-98 lubricant in demountable joints. Cold welding provides a reliable contact of aluminum with copper, and diffusion welding in vacuum is used, for example, for joining copper, ceramics, silver tungsten in electrical products, successfully replacing soldering, rolling, riveting, manual arc welding and argon-arc welding of live parts of high-voltage and low-voltage equipment.
Key words: reliability, electrical contact, safety, cold welding, diffusion welding in vacuum, electroconductive lubricant.
Выпуск
Год
Ссылка на статью
Технологический процесс холодной сварки металлов
Надежность электрических контактов обуславливает эффективность эксплуатации энергетического и промышленного оборудования, и в целом энергосистемы страны. Из-за некачественных контактов происходит их нагрев, возрастают потери электроэнергии и возникают аварийные ситуации.
По данным ФГБУ «ВНИИ Противопожарной Обороны» МЧС РФ, 50% возгораний на промышленных предприятиях и в жилом фонде происходит из-за неисправности электроустановок, при этом 50% пожаров электрооборудования обусловлено отказами электрических контактов.
Увеличение мощности промышленных предприятий и плотности электрических нагрузок требует применения сетей большого сечения. Такие сети могут быть выполнены либо параллельно проложенными кабелями, либо токопроводами. Применение токопроводов дает существенный экономический эффект.
В последние годы все чаще встречается термин «исчезающие металлы». В числе этих металлов одно из первых мест занимает медь, которая является основным проводниковым материалом в распределительных устройствах, токопроводах, электрических аппаратах и т.д.
Мировые земные запасы основных шести цветных металлов (алюминия, меди, свинца, никеля, олова и цинка) на январь 2010 года составляли, по данным экспертов [1], около 6 млрд. тонн, в том числе 85% запасов занимает сырье для производства алюминия, медь составляет 9% в общих объемах запасов, цинк – 3,5%, свинец и никель около 1%, олово – примерно 0,1%.
В настоящее время в электроустановках наряду с медью используется алюминий, удельная проводимость (проводимость, отнесенная к массе металла) которого в два раза выше удельной проводимости меди. Вместе с тем, повсеместное внедрение алюминия затрудняют его пониженные контактные свойства: текучесть и ползучесть металла под нагрузкой, образование на поверхности токонепроводящих окисных пленок Al2O3 и так далее.
В 2015 году ОК Русал совместно с ОАО «ВНИИКП» и ФГПУ ВНИИПО МЧС России разработана инновационная кабельно-проводниковая продукция с использованием гибких токопроводящих жил (ТПЖ) из специальных алюминиевых сплавов. В США проводниковая продукция с жилами из алюминиевых сплавов применяется в распределительных сетях сечением более 10-16 мм2. Для решения проблемы использования кабельно-проводниковой продукции с ТПЖ из алюминиевых сплавов сечением 2,5, 4,6 и 10 мм2 необходимо создать надежные конструкции и технологии выполнения контактных соединений.
Таким образом, разработка, исследование и создание надежных неразборных контактных соединений, а также современных технологий выполнения разборных контактов является весьма важной задачей.
В идеале, наибольшую надежность электрической сети обеспечивают цельнометаллические (неразборные) соединения. Однако, присоединение шин к плоским выводам сваркой может быть выполнено при условии одинаковых материалов вывода и шины, присоединяемой к выводу (медная шина – медный вывод, вывод из алюминия или его сплава – шина также из алюминия или его сплава). Осуществление сварки присоединений практически не отличается от сварки шин между собой. Для этих целей используются следующие способы сварки: полуавтоматическая аргонодуговая, аргонодуговая импульсная, ручная вольфрамовым электродом, ручная дуговая угольным электродом. Вместе с тем, на практике широкое распространение имеет контактная пара медь-алюминий. Достаточно указать необходимость присоединения алюминиевой ошиновки к медным выводам электротехнических устройств или, например, алюминиевой обмотки трансформатора к медной ошиновке. Создание надежного контактного соединения медь-алюминий во многом связано с разработкой способа их сварки. Следует отметить, что использование вышеупомянутых способов сварки этих металлов весьма затруднено из-за образования в сварном шве при нагреве интерметаллидов, обусловливающих хрупкость соединений.
Единственным способом сварки, обеспечивающим надежный и прочный неразъемный контакт меди с алюминием, является холодная сварка давлением.
Уникальность этого способа сварки состоит в том, что сварка происходит без внешнего нагрева, только за счет совместной пластической деформации соединяемых металлов. Для этого необходимо приложить давление, значительно превосходящее предел текучести металла. Прочность холодносварного соединения превышает прочность целого металла при любых видах механических испытаний образцов [2]. Получить аналогичный результат любым другим способом сварки принципиально невозможно.
Преимуществами процесса являются:
-отсутствие газовых выделений и брызг расплавленного металла.
Холодная сварка заменяет ручной труд сварщика и позволяет получать также соединения однородных металлов алюминий-алюминий, медь-медь.
Результаты многолетних работ [2] в 60-х-80-х годах прошлого столетия позволили в достаточно широких масштабах внедрить холодную сварку в электротехническую и электроэнергетическую отрасли СССР. Были разработаны следующие способы оконцевания выводов алюминиевых токопроводов и обмоток электроустановок медью с помощью холодной сварки:
- приварка встык к алюминиевым шинам и проводам короткомерных медных отрезков того же сечения;
- армирование концов алюминиевых шин и наконечников тонкими медными накладками точечной холодной сваркой;
- получение тавровых и угловых соединений, соединений типа шпилька с пластиной [3, 4].
В настоящее время машины стыковой холодной сварки МСХС-120.0 модернизированы: релейная система управления изменена на микропроцессорную, применена современная гидроаппаратура. Эта машина успешно внедрена в 2014 году на ОАО «Тольяттинский трансформаторный завод» (г.Тольятти) для оконцевания алюминиевых обмоток трансформаторов медью (рис.1).
Рисунок 1. Медно-алюминиевый холодносварной переходник.
Несмотря на очевидные преимущества использования холодной сварки в электротехнике и энергетике, её применение в промышленности России в настоящее время весьма незначительно. Широкому внедрению процесса холодной сварки, по нашему мнению, мешает отсутствие на предприятиях информации об этом уникальном способе сварки, некомпетентность технического персонала (конструкторов и технологов), а в ряде случаев - сложное финансовое положение предприятия.
Ещё одним прогрессивным способом сварки, позволяющим резко улучшить надежность электрических контактов, является диффузионная сварка в вакууме.
Диффузионная сварка - способ соединения разнородных и однородных металлов, сплавов, неметаллических материалов в твердой фазе, осуществляемый путем диффузии атомов через поверхность стыка под воздействием температуры и давления.
К преимуществам процесса относятся:
- малые деформации (5-7 %) свариваемых деталей;
- отсутствие расходных материалов (припои, флюсы, пасты);
- возможность получения нахлесточных соединений с большой площадью сварной зоны;
- единственно надежный способ получения гибких медных компенсаторов, шин и связей путем омоноличивания площадок под болтовое соединение;
- получение изделий с безупречным внешним видом из-за отсутствия на них после сварки окалины, грата и следов побежалости.
Диффузионная сварка
Наибольшее применение диффузионная сварка нашла в электротехнике, где заменяет пайку, завальцовку, клепку, ручную дуговую сварку и аргонодуговую сварку токоведущих деталей из меди, серебра, вольфрама и керамики высоковольтной и низковольтной аппаратуры.
Диффузионная сварка медных контактных групп (рис. 2) автоматических выключателей, взамен их пайки и клепки, позволила улучшить технические характеристики, безопасность эксплуатации, снизить потери электроэнергии в автоматических выключателях серии ВА53-41 и ВА55-41 производства Курского электроаппаратного завода (ОАО «КЭАЗ», г. Курск).
Рисунок 2. Контактная группа автоматического выключателя ВА 55-41.
Надежность работы электрических сетей возрастает в случае применения гибких медных компенсаторов (КШМ), выполненных диффузионной сваркой в вакууме.
В контакт-детали компенсатора под болтовой разьем все медные ленты толщиной 0,1-0,2 мм, из которых изготовлен компенсатор, сварены между собой по всей поверхности их соприкосновения с образованием монолита. Эти компенсаторы, обладают стабильно низким электросопротивлением, не более 5 мкОм, и повышенной гибкостью.
Наряду с неразборными (сварными) соединениями, разборные (болтовые) соединения составляют примерно половину всех контактных соединений.
С точки зрения теории надежности болтовые контактные соединения можно отнести к изделиям с деградационными отказами, связанными с постепенным изменением ресурсного параметра – электрического сопротивления соединения или его температуры.
Не вдаваясь в теорию электрических контактов [5], укажем, что для стабилизации электрического сопротивления разборных соединений применяют различные средства его стабилизации (тарельчатые пружины, цветной крепеж, защитные металлопокрытия и т.д.)
При монтаже новых соединений или при достижении контактными соединениями температур или значений сопротивлений, регламентированных ГОСТ 10434, рекомендуется применять электропроводящую смазку ЭПС-98 (рис.3).
Рисунок 3. Электропроводящая смазка ЭПС-98 для разборных электрических контактов.
Смазка ЭПС-98 представляет собой смесь масла (силиконовое, полиэфирное или минеральное), высокодисперсного металлического порошка (медь или никель), присадки в виде неорганической тиксотропной добавки и стабилизирующих компонентов.
Применение металлического порошка увеличивает фактическую площадь касания контактных соединений и повышает термостойкость смазки [6].
В качестве стабилизирующих добавок смазка содержит антиоксиданты и/или ингибиторы коррозии.
Применение в электропроводящей смазке неорганической тиксотропной добавки позволяет регулировать ее вязкость, добиваясь получения оптимальной текучести.
Наиболее эффективным методом диагностики состояния контактных соединений является визуальный контроль температуры, выполняемый дистанционными электротермометрами или различными индикаторами. Весьма эффективно контроль температуры соединений осуществлять с помощью специальных термоиндикаторов и термоиндикаторных композиций. Термоиндикаторы – это сложные вещества, которые при достижении определенной температуры резко изменяют свой цвет за счет химического взаимодействия компонентов. Изготавливаются они в виде наклеек разного (необходимого) размера с разным диапазоном температур (от 40 до 260 °С). Термоиндикаторы могут быть нереверсивные одноразовые или реверсивные многоразовые. Наклеиваться могут на любую поверхность, в том числе на вогнутую и выпуклую, как обычный стикер. Термоиндикаторные композиции, изменяющие окраску на воздухе при изменении температуры поверхности, наносятся кистью. Обратимые термоиндикаторные композиции изменяют цвет с повышением и понижением температуры; необратимые – изменяют цвет с повышением температуры, а при охлаждении цвет не изменяется.
Выводы:
Предложенные в статье способы выполнения неразборных и разборных электрических контактных соединений, в том числе из разнородных металлов, в сочетании с систематическим контролем температуры нагрева (или электрического сопротивления) обеспечивают их требуемую надежность, пожаробезопасность и экономичность. Это, в свою очередь, расширяет возможности применения алюминия в электротехнике и электроэнергетике, заменяя дефицитную и дорогую медную ошиновку на алюминиевую, медные провода на алюминиевые.
Список использованной литературы:
2. Стройман И.М. Холодная сварка металлов. Л., Машиностроение, 1985, 224 с.
3. Холодная сварка шпильки с пластиной. И.М.Стройман, Ю.К.Морозов. - Автоматическая сварка, 1981, №8, с. 54-57.
4. Холодная тавровая сварка алюминия и меди. И.М. Стройман, Ю.К.Морозов. - Электротехника, 1982, №5, с. 44-46.
5. Хольм Р. Электрические контакты, М, изд-во иностр. лит., 1961, 461 с.
6. Дзекцер Н.Н., Висленев Ю.С. Многоамперные контактные соединения. Л., Энергоатомиздат, 1987, 128 с.
Авторы:
Дзекцер Наум Наумович - кандидат технических наук. В 1960 г. окончил Ленинградский институт водного транспорта.
Место работы: ООО" Системы энерго-экологической безопасности"(ООО"СЭЭБ")-научный руководитель;
Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого - старший научный сотрудник,
доцент кафедры "Атомная и тепловая энергетика";
Ученый секретарь секции "Энергетика" НТС Санкт-Петербурга;
Член Международного Оргкомитета по электрическим контактам
Морозов Юрий Константинович - кандидат технических наук. В 1970 г. окончил Ленинградский политехнический институт им. М.И.Калинина.
Место работы: ООО "ПФ"Сварка-Контакт-Сервис" ( ООО"ПФ"СКС") - технический директор
Стройман Иосиф Маркович - кандидат технических наук. В 1951 г. окончил физический факультет Ленинградского университета
Лауреат Государственной премии СССР (1986г.)
Authors:
Dzektser Naum Naumovich
Morozov Yuri Konstantinovich
Stroyman Iosif Markovich
Мы осуществляем научно-исследовательские работы, проектируем, изготавливаем и внедряем оборудование для диффузионной и холодной сварки. Напишите нам, и мы сделаем расчет под Ваши задачи.
Если два куска металла приложить друг к другу в вакууме, они «срастутся»
Любопытный процесс, получивший название холодная сварка, позволяет соединять металлические детали, не используя тепло и какие-либо химические реакции.
Ричард Фейнман — американский физик-теоретик. Один из создателей квантовой электродинамики.
Выдающийся американский учёный Ричард Фейнман в своём труде «Фейнмановские лекции по физике» так объясняет суть явления:
«Причиной необычного „поведения“ атомов служит тот факт, что когда в вакууме один металлический предмет контактирует с другим предметом из того же материала, атомы перестают „понимать“, что они находятся в двух разных кусках металла. Если же между двумя соприкасающимися поверхностями присутствуют какие-либо другие атомы, частицы металла „знают“, что принадлежат к определённой структуре, поэтому в обычных условиях холодная сварка не происходит».
Не нужно быть Фейнманом, чтобы понять, что холодная сварка может обернуться для космонавтов серьёзными неприятностями — например, если края люка шлюзовой камеры «прикипят» к обшивке. Холодная сварка уже становилась причиной проблем — скажем, у космического аппарата «Галилео» в ходе полёта намертво «срослись» детали антенны. Чтобы не допустить чего-то подобного, конструкторам приходится идти на различные ухищрения: снижать количество движущихся деталей, изготавливать их из разных материалов или покрывать их поверхности защитным слоем.
В этом году человечество приземлилось на свою первую комету, у женщины с пересаженной маткой родился ребёнок, а окаменевшие морские ракушки заставили нас полностью пересмотреть наши представления о человеческой культуре. И это — лишь некоторые из важнейших научных достижений, перечисленных ниже. 1. Старейший рисунок, сделанный до эпохи современного человека В 2007-м году археологи изучали окаменелые ракушки в музейной коллекции, и наткнулись на одну деталь, которую предыдущие исследователи почему-то пропустили: гравюры на ракушках в виде абстрактных узоров. Возраст… Читать далее…
Атакамская Большая Миллиметровая/субмиллиметровая Решётка (сокращённо ALMA) — это самый мощный в мире комплекс радиотелескопов, построенный на севере Чили. Плато Чахнантор, где расположен комплекс, находится на высоте 5 000 м — это выше большинства объектов в тропосфере. ALMA, что означает «душа», — это ещё и машина времени. Она заглядывает в прошлое, чтобы проверить существующие научные теории о том, как 13 млрд лет назад возникла Вселенная. Она толкает нас в будущее, потому что мы ищем новые… Читать далее…
Считается, что с 1969-го по 1972-й год США 6 раз побывали на Луне, 12 астронавтов ступили на её поверхность. Однако по сей день можно услышать мнение, что высадка американцев на Луну — великая мистификация. Попробуем разобраться в этом непростом вопросе. Теория «лунного заговора» В 1974-м году свет увидела книга американца Билла Кейзинга «Мы никогда не летали на Луну» — она стала началом распространения теории «лунного заговора». У Кейзинга были основания поднимать эту тему, так… Читать далее…
Об этом в интервью «Российской газете» сказал вице-президент Объединенной ракетно-космической корпорации (ОРКК) Виталий Лопота. «Луна, например, нам пока недоступна. Чтобы достичь поверхности Луны экипажем в три человека, нужна ракета грузоподъемностью не менее 130–150 тонн на нижнюю орбиту. К сожалению, таких носителей сегодня нет. А те носители, которые есть, не позволяют этого сделать», — сказал Лопота. По словам вице-президента ОРКК, «мы сегодня создаем ракеты грузоподъемностью 20 тонн на нижней орбите, в скором будущем дойдем до 25… Читать далее…
Совсем недавно в прокат вышел фильм Кристофера Нолана «Интерстеллар». Картина о гибнущей Земле и о полёте в космос сразу же стала темой жарких дискуссий во всемирной паутине. Кто-то считает этот фильм чуть ли не лучшим фильмом десятилетия. Кто-то наоборот, яростно ненавидит эту картину, и всячески старается подчеркнуть различные промахи режиссёра. Но и сторонники, и противники фильма сходятся в одном: космос — чрезвычайно опасное место, и способов погибнуть там очень много. Некоторые из этих способов перечислены ниже. 1.… Читать далее…
Что за крохотные точки изящно кружат вокруг Земли? Отблески далёких звезд? Газообразные остатки некой далёкой туманности? Нет: это просто гигантский рой мусора на орбите нашей планеты. В НАСА создали 3D-визуализацию, показывающую, как космический мусор летает вокруг Земли. Красиво, правда? Очень. Пока вы не осознаете, что это такое. Отдел НАСА по слежению за искусственными космическими объектами выяснил, что вокруг Земли летает 21000 объектов размером более десяти см и около полумиллиона… Читать далее…
Эта изумительная коллекция космических звуков, выпущенная НАСА, вызывает только один вопрос: если в космосе никто не сможет услышать вашего крика, то почему же там так шумно? В НАСА выпустили коллекцию звуков из своего архива на SoundCloud (пока эта коллекция включает в себя довольно много классики из эпохи «Аполлонов»). Также в ней представлены некоторые новые и восхитительно странные звуки, зафиксированные на самых далёких рубежах. Вы можете прослушать некоторые из наших любимых треков прямо здесь, ниже,… Читать далее…
Так как Луна рядом и до неё относительно легко добраться, то она, вероятно, станет первой остановкой будущих космических туристов. Что ж, на Луне немало природных чудес, которых нет ни на Земле, ни на других планетах Солнечной системы. 1. Кратер Пири На Луне есть небольшой кратер под названием Пири, и находится он непосредственно на северном полюсе. Так что вполне логично, что его назвали в честь Роберта Пири, исследователя Арктики, который первым добрался до Северного полюса на Земле.… Читать далее…
С самого начала освоения космоса люди отправляют в него разные вещи. Сначала это были журналы и талисманы, прихваченные первыми астронавтами, но к настоящему времени к звёздам поднималось уже великое множество самых неожиданных предметов. 1. Гамбургер В 2012-м году пять студентов Гарварда запустили несвежий гамбургер на высоту 30 000 метров. Он вернулся на Землю и приземлился на высокое дерево в 210-ти км от места запуска. Студенты пытались сбить гамбургер вниз с помощью выстрела из лука, но не смогли, поэтому им пришлось дождаться грозы,… Читать далее…
В северных морях Титана, крупнейшего спутника Сатурна, есть остров, который уже на протяжении некоторого времени удивляет учёных. Однажды он появился, потом внезапно исчез, и ба-бах — и изменился вновь. Эта штука — чем бы она ни была — очевидно эволюционирует. Космический аппарат НАСА «Кассини» следит за развитием таинственного образования, которое находится в большом углеводородном море Титана. Этот остров занимает площадь около 260-ти км2 в море Лигейя, одном из самых больших морей Титана. К настоящему времени… Читать далее…
Новая химическая модель ранней Солнечной системы обнаружила, что почти половина всей воды на Земле появилась из межзвёздного льда, когда образовалось Солнце. Это означает, что влага в нашей Солнечной системе появилась не из-за локальных условий в протопланетарном диске, а скорее является регулярным признаком формирования планет. Это порождает надежду, что во Вселенной кроме нас может существовать жизнь. Чтобы определить возраст воды в Солнечной системе, исследователи сосредоточились на изучении водорода в дейтерии, известном… Читать далее…
После получения рекордных 1700 заявок на участие в ежегодном конкурсе «Астрономическая фотография года» Королевская обсерватория, наконец, объявила победителей. Без сомнения, это лишь малая часть всех впечатляющих космических фотографий, попавших на конкурс. 1. Северное сияние над замёрзшей лагуной, Джеймс Вуденд, Великобритания Победитель в номинации «Земля и космос» Бледно-зелёное свечение северного сияния происходит от воздействия на атомы кислорода высоко в атмосфере субатомных частиц, выброшенных Солнцем. Эти частицы притягиваются к северному и южному… Читать далее…
Почему металлы сами привариваются друг к другу в космосе?
Недавно подписчик нашего канала задал нам такой вопрос:
Как работает холодная сварка в космосе?
Вопрос действительно интересный, ведь многие даже не знают, что это за сварка и уж тем более как она работает. Те, кто даже знает об этом эффекте, считают его одной из самых больших проблем освоения космоса. Но почему? Давайте решим это вместе.
Проблемы от холодной сварки
В 1991 году автоматический космический зонд НАСА «Галилео», запущенный для исследования Юпитера и его спутников, во время полета столкнулся с проблемой. Его антенна просто не могла открыться полностью. Три из восемнадцати ребер отказывались раскрываться. Все, что пытались сделать ученые, было бесполезно, поэтому для передачи данных использовалась другая антенна меньшего размера.
Ученые считают, что эта проблема частично связана с холодной сваркой.
Летом 1965 года первый американец, отправившийся в открытый космос, Эд Уайт по возвращении в космический корабль столкнулся с большой проблемой: люк не хотел закрываться. Уже после применения экипажем грубой физической силы люк был закрыт. План состоял в том, чтобы снова открыть его и избавиться от оборудования, использованного во время выхода в открытый космос, но экипаж опасался новой проблемы с люком.
Был ли это действительно холодный сварной шов, неизвестно, но риск возникновения такой проблемы действительно есть.
Что такое холодная сварка?
Прежде чем мы разберемся с этой проблемой, давайте подробнее рассмотрим, что это такое. Так вот, оказалось, что этот вид сварки известен человечеству с древних времен. Согласно археологическим находкам, эти технологии часто использовались с древних времен.
А в 18 веке были проведены первые задокументированные эксперименты с этим эффектом. Еще в середине 20 века ученые всерьез заинтересовались холодной сваркой и обнаружили, что некоторые металлические поверхности слипаются при соприкосновении в вакууме. Это дает невероятно сильную связь на атомном уровне.
Причина этого кроется в самом атомном строении металлов. В узлах кристаллической решетки находятся положительно заряженные ионы, а между ними много свободных электронов, которые могут перемещаться по всему куску металла. Из-за этого в условиях вакуума и идеально чистой поверхности металлических кусочков при контакте электроны из одного куска могут переходить в другой, притягивая за собой кристаллические решетки. В результате решетки практически сливаются друг с другом и таким образом образуется сплошная кристаллическая решетка.
В атмосферных условиях на поверхности металла образуется оксидный слой, препятствующий холодной сварке.
Как это предотвратить в космосе?
Чтобы избежать холодной сварки в космосе на космических кораблях стараются использовать материалы, не подходящие для холодной сварки. Если материалы подвержены такому воздействию, на них наносится специальное покрытие, снижающее вероятность холодной сварки.
На движущиеся металлические поверхности наносится специальная смазка, снижающая трение, износ и вероятность холодной сварки.
Кроме того, этот эффект имеет и положительные стороны, ведь холодная сварка часто применяется в нанотехнологиях, ракетостроении, машиностроении и даже в производстве бытовой техники.
Автор: Алексей Нимчук. Монтаж: Федор Карасенко
Недурно, чтобы в вашей ленте было больше места и научных статей!
Подписывайтесь на мой канал здесь, а также на мои каналы в Telegram и YouTube. Там вы сможете прочитать много интересных материалов, а также задать свой вопрос. Вы можете поддержать наш канал финансово через Patreon.
Процесс диффузионной сварки металла
Диффузионная сварка осуществляется в твердом состоянии металла при повышенных температурах с приложением сдавливающего усилия к месту сварки. Процесс сварки металла в твердом состоянии при повышенных температурах принципиально протекает так же, как, и при холодной сварке. В начальной стадии процесса на линии раздела двух деталей создаются условия для образования металлических связей. Из теории образования сварного соединения при холодной сварке известно, что для возникновения на линии раздела металлических связей необходимо обеспечить тесный контакт свариваемых поверхностей и создать условия для удаления поверхностных пленок окислов, жидкостей, газов и различного рода загрязнений.
Использование повышенных температур при диффузионной сварке приводит к уменьшению сопротивления металла пластическим деформациям. Вследствие этого имеющиеся в зоне действительного контакта выступы на металле деформируются при значительно меньших нагрузках, что облегчает сближение атомов металла на всей площади свариваемой поверхности.
Удаление поверхностных пленок и предупреждение возможности образования их в процессе сварки достигается использованием вакуумной защиты и тщательной предварительной зачисткой свариваемых поверхностей. Таким образом, первая стадия процесса диффузионной сварки, так же как и холодной сварки, основана на образовании металлических связей на свариваемых поверхностях металлов при нагревании их в вакууме с применением сдавливающего усилия.
На второй стадии процесса диффузионной сварки происходят процессы взаимной диффузии атомов свариваемых металлов. Эти процессы приводят к образованию промежуточных слоев, увеличивающих прочность сварного соединения. Однако в некоторых случаях образование промежуточных слоев нежелательно.
Схема процесса диффузионной сварки в вакууме представлена на рис. 33. В вакуумной охлаждаемой камере 1 размещают свариваемое изделие 2 и нагреватель 3. Для сдавливания деталей в процессе сварки используют механизм сжатия, состоящий из штока 5 и механизма нагружения 6, шток проходит через вакуумное уплотнение или сильфон 4. Сварка происходит в вакууме 10~ 3 — 10~ 5 мм рт. ст. (133 10- 3 -133.1(10 5 Н/м 2 ).
После откачки из камеры воздуха изделие нагревают обычно т. в. ч. до температуры сварки. Для получения качественного соединения необходимо обеспечить равномерный нагрев свариваемого изделия по всему сечению.
Усилие сжатия прикладывают после выравнивания температуры и поддерживают постоянным в течение всего процесса. Известны также технологические приемы с меняющимся давлением в процессе сварки. Продолжительность выдержки под нагрузкой зависит от свойств свариваемого металла, величины давления и других факторов и может достигать десятков минут.
Рис.33. Схема установки для диффузионной сварки в вакууме
Рис.34. Зависимость прочности сварного соединения (сталь 50) от температуры сварки (время сварки 5 мин) и давления в процессе сварки:1 - 0,5 кгс/мм 2 ; 2 — 1 кгс/мм 2 ; 3 - 2 кгс/мм 2 ; 4 - 5 кгс/мм 2
Давление также зависит от свойств металла, температуры сварки и других факторов и изменяется от 0,3 до 10 кгс/мм 2 (2,9—98 МН/м 2 ). Обычно при охлаждении деталей сжимающее усилие снимают при достижении температуры 100—400°С (373—673 К). Преждевременное снятие сжимающего усилия при охлаждении деталей в некоторых случаях приводит к разрушению сварного соединения.
Влияние температуры в диапазоне 800—1100° С (1073— 1373 К) на прочность соединения из стали 50 при различных давлениях: 0,5; 1,2 и 5 кгс/мм 2 приведено на рис. 34. Продолжительность сварки 5 мин, разрежение 10 -3 мм рт. ст. (133-10 -3 Н/м 2 ). Кривая 1 показывает, что при увеличении температуры с 800 до 900° С (с 1073 до 1173 К) прочность соединения увеличивается в 2 раза, а при повышении температуры до 1100°С (1373 К) — в 3 раза, В несколько меньшей степени температура оказывает влияние при давлении 1 кгс/мм 2 (9,8 МН/м 2 ). При давлении 2 и 5 кгс/мм 2 (19,6 и 49,0 МН/м 2 ) прочность соединения увеличивается лишь до температуры 1000° С (1273 К). При температуре 1100° С (1373 К) наблюдается незначительное уменьшение прочности соединения.
При увеличении давления (рис. 35) от 0,5 до 2 кгс/мм 2 (от 4,9 до 19,6 МН/м 2 ) прочность соединения значительно растет для 800, 900, 1000, 1100°С (1073, 1173, 1273, 1373 К). Дальнейшее увеличение давления от 2 до 5 кгс/мм 2 (от 19,6 до 49,0 МН/м 2 ) сказывается незначительно на прочности соединения. Изменение прочности соединения при увеличении давления до 2 кгс/мм а (19,6 МН/м 2 ) и выше можно объяснить главным образом увеличением площади фактического контакта между соединяемыми поверхностями.
Рис. 35. Зависимость прочности сварного соединения (сталь 50) от давления и температуры (время сварки 5 мин):1 — T = 800° С; 2 T — 900° С; 3 — Т = 1000° С; 4-T=1100°С
Повышение температуры при постоянной продолжительности сварки и прочих равных условиях увеличивает прочность соединения. Продолжительность сварки аналогично влияет на все прочностные характеристики (рис. 36). Зависимость прочности получаемого соединения из стали 45 от температуры и давления изображена на рис. 37 поверхностью, которая при пересечении с горизонтальной плоскостью р—Т образует границу свариваемости.
Рис.36. Зависимость прочности сварного соединения от продолжительности сварки:1 — титановый сплав BTI; 2 — сталь 45; 3 - ковар Н28К18; 4 —медь Ml
Рис.37. Диаграмма зависимости прочности сварного соединения из стали 45 от температуры и давления
Рис.38. Зависимость прочности образцов сварных соединений от продолжительности сварки (р = 2 кгс/мм 2 )
С увеличением продолжительности сварки прочность сварного соединения растет (рис. 38), увеличение продолжительности сварки сверх оптимального практически не влияет на прочность сварного соединения. Однако чрезмерное увеличение выдержки приводит даже к снижению прочности сварного соединения. Аналогичным образом влияет продолжительность процесса на пластичность, относительное удлинение и ударную вязкость.
Значительное влияние оказывает конечная температура охлаждения образцов в вакууме на прочность и пластичность (рис. 39); режим сварки: Т = 1000° С (1273 К), р = 2 кгс/мм 2 (19,6 МН/м 2 ), t = 5 мин. Охлаждение до более низких температур под сжимающим давлением сваренных деталей в вакуумной камере способствует повышению прочности и пластичности соединения.
Рис.39. Зависимость прочности и пластичности соединения из конструкционной стали от конечной температуры охлаждения в вакууме
Рис.40. Зависимость прочности сварного соединения из стали 45 от чистоты Обработки поверхности перед сваркой
Важное значение для проведения диффузионной сварки имеет степень разрежения в вакуумной камере. При температуре 1000° С (1273 К), р = 2 кгс/мм 2 (19,6 МН/м 2 ), t = 5 мин прочность соединения значительно возрастает с повышением разрежения До 10 -1 мм рт. ст. (133-10 -1 Н/м 2 ), при дальнейшем повышении разрежения имеет место лишь незначительное увеличение прочности зоны сварки.
Способы подготовки и обработки поверхностей свариваемых деталей оказывают большое влияние на прочность соединения при диффузионной сварке в вакууме (рис. 40). При черновой обработке давление недостаточно для обеспечения высокой прочности сварного соединения.
Принцип сварки металла электронным лучом в вакууме (4 часть)
Анализ участия сил, действующих в кратере при неподвижном луче, в переносе металла в процессе сварки показывает, что эти силы не могут вызвать значительного перемещения металла (рис. 76). Таким образом, возникает необходимость найти силы, которые могли бы вызвать движение жидкого металла в кратере из зоны плавления в зону кристаллизации. Основное отличие теплового состояния кратера движущегося электронного луча — несимметричное его расположение в кратере относительно его центра.
Вследствие этого при относительном перемещении изделия и электронного луча возникает значительный градиент температур в кратере. На передней стенке кратера, которая подвергается воздействию электронного луча, температура в поверхностном слое может достигать температуры кипения, на задней же стенке кратера температура близка к температуре кристаллизации.
Рис.76. Силы, действующие на элемент жидкого металла в кратере при неподвижном луче
Рис.77. Схема распределения температуры в кратере
Очевидно, причину переноса металла необходимо искать в нарушении термодинамического равновесия, вызванного несимметричным расположением источника теплоты в кратере (рис. 77).
Известно, что сила поверхностного натяжения жидкости зависит от температуры. Чем выше температура расплава, тем меньше сила поверхностного натяжения. Так как в кратере температура изменяется, то изменяется и сила поверхностного натяжения от точки к точке. При наличии температурного градиента на поверхности появляется дополнительное термокапиллярное напряжение, направленное тангенциально к поверхности. Величина тангенциального напряжения pt определяется соотношением
Термокапиллярное напряжение вызывает течение жидкости в направлении от мест с меньшим к местам с большим поверхностным натяжением, т. е. перемещение жидкого металла в сторону убывания температуры. Кривизна поверхности кратера в сочетании с неравномерностью температуры служит дополнительной причиной движения жидкого металла.
Экспериментальные данные о толщине слоя жидкого металла на стенках кратера отсутствуют. Расчеты показывают, что толщина слоя жидкого металла составляет десятые и сотые доли миллиметра. В реальных процессах сварки существуют и другие направления перемещения жидкого металла (под действием сил тяжести, вследствие неравномерного распределения температур по высоте кратера), которые усложняют движение металла внутри кратера. Явление перемещения металла внутри кратера весьма сложное и зависит во многом от параметров режима сварки, свойств металла и т. п., поэтому вопрос о перемещении металла при электроннолучевой сварке требует дальнейшего изучения.
Характерная особенность сварки электронным лучом — возможность получения сварных соединений при минимальных затратах теплоты на расплавление металла (табл. 12).
Из табл. 12 следует, что при электроннолучевой сварке требуется в 10—15 раз меньше энергии, чем при дуговой. На рис. 78 показано соотношение площадей зон проплавления, полученных при дуговой и электроннолучевой сварке. Площадь зоны проставления при электроннолучевой сварке в 25 раз меньше, чем при дуговой.
В процессе сварки методами плавления основной металл, прилегающий непосредственно к зоне шва, подвергается своеобразной термообработке, в результате чего в зоне термического влияния наблюдается рекристаллизация и рост зерна. Это вызывает ухудшение физико-механических свойств металла сварного соединения.
Особенно опасно длительное воздействие высоких температур на основной металл при сварке аустенитных сталей, сплавов циркония, молибдена и других металлов, склонных при нагреве к значительному росту зерна и к снижению коррозионной стойкости.
Затраты энергии при сварке металлов толщиной 12,5 мм, кДж/см
Читайте также: