4.2 Термокомпресійне зварювання

Цей спосіб відносять до прецизійних способів зварювання.

За допомогою цього методу зварюють:

1) Au + (Au, Ag, Al);

2) Ag + (Ag, Al);

3) Al + Al.

1 — дротик (максимальний діаметр 50 мкм); 2 — скляний капіляр;

3 — кулька; 4 — плівка (товщина 1-10 мкм);

5 — напівпровідникова плита

Рисунок 4.5 — Схема термокомпресійного зварювання

В полум’ї водневого пальника кінець дротику нагрівається до пластичного стану з утворенням кульки. З допомогою зусилля кульку вдавлюють в плівку. Зусилля повинно забезпечити деформацію кульки до 45 %. В зоні контакту кульки з плівкою відбуваються руйнування оксидних плівок, що видавлюються із зони контакту. Між двома металами відбувається схоплювання.

Головні параметри процесу зварювання:

— час зварювання до 1 с;

— зусилля тиску до 3 Н;

— температура інструмента до 300 °С;

— температура плити 450 °С;

— діаметр кульки 80 – 100 мкм.

Додатково по п. 4.2 дивись [15].

4.3 Ковальське зварювання

Розрізняють зварювання пресуванням, прокатуванням, куванням, волочінням. Зварюються чорні метали — сталі з вмістом вуглецю до

0,7 %, леговані сталі та кольорові метали. Не зварюються чавуни.

Сталь нагрівають до пластичного стану (1100 – 1300 °С), а в загальному випадку до температури перетворення – заліза в – залізо, тобто коли перліт та цементит сталі переходять в однорідний аустеніт. Межа поділу зникає за рахунок зрощування зерен, що знаходяться в площині зварювання.

Н а рисунку 4.6 приведена схема утворення з’єднання при використанні ковальського зварювання.

Рисунок 4.6 — Схема утворення з’єднання при ковальському зварюванні

Етапи зварювання:

1) нагрів до температури , внаслідок чого утворюються оксиди FeO, Fe₃O₄;

2) флюсування (поверхню посипають флюсами з кислотними властивостями для переводу оксидів заліза в з’єднання, які мають легкоплавкий стан);

3) утворення зусилля тиску (із зони стику видавлюються шлаки, поверхні очищуються, починається зрощування зерен металу);

4) зрощування зерен (витримка), поступово зникає межа розділу.

Чим вища температура нагріву, тим вище якість, але дуже довгий нагрів в умовах високих температур приводить до надмірного росту зерен, а завдяки цьому знижається міцність зварного з’єднання.

Позитивні якості:

1) можливість використання в польових умовах.

Негативні якості:

1) низька продуктивність;

2) необхідність високої кваліфікації зварника;

3) зварюється лише обмежене коло матеріалів;

4) частий перегрів та перепал матеріалів, які зварюються, ведуть до зниження якості зварювання.

Додатково по п. 4.3 дивись [14, 18].

4.4 Дифузійне зварювання в вакуумі

4.4.1 Гіпотези утворення зварного з’єднання в твердій фазі

На сьогоднішній день жодна гіпотеза не має універсального характеру, тобто відомі гіпотези використовуються лише для обмеженого кола матеріалів та способів зварювання. До гіпотез, що розглядатимуться нижче, треба відноситися як до таких, що доповнюють, а не виключають одна одну, в залежності від матеріалів та способу зварювання.

Приклади гіпотез.

1. Плівкова гіпотеза (розроблена С. Б. Айбиндером) — для утворення з’єднання необхідно та достатньо:

а) присутність ювенільних поверхонь;

б) досягнення фізичного контакту між матеріалами, які зварюються.

Айбиндер вважав, що процес зварювання в твердій фазі бездифузійний.

2. Рекристалізаційна гіпотеза (розроблена Д. М. Парксом) — утворення зварного з’єднання відбувається за рахунок зрощування зерен на межі розподілу. Процес зварювання дифузійний, передбачає присутність ювенільних поверхонь та фізичного контакту між матеріалами, які зварюються.

3. Енергетична гіпотеза (розроблена А. П. Семеновим) — розглядає досягнення фізичного контакту ювенільних поверхонь як необхідну умову, але не достатню. Ще треба подолати енергетичний бар’єр схоплювання хоча б для однієї із поверхонь, що зварюються, (наприклад, для подолання некогерентності кристалічних граток). Процес зварювання вважався бездифузійним.

4. Дифузійна гіпотеза (розроблена М. Ф. Казаковим) — процес зварювання забезпечується процесами гетеродифузії (поміж тілами) з утворенням перехідного шару, котрий частіше всього має інші фізико–хімічні властивості ніж тіла, що зварюються.

5. Гіпотеза активних центрів (розроблена Ю. Л. Красуліним) — розглядає зварювання в твердій фазі як топохімічну реакцію, що передбачає утворення фізичного контакту, ювенільних поверхонь, а також активних центрів — часткове руйнування хімічних зв’язків на поверхнях, що зварюються.

4.4.2 Принципова схема ДЗВ

Для ДЗВ використовуються слідуючи види нагріву:

а) тліючий розряд;

б) індукційний;

в) радіаційний;

г) електронно–променевий;

д) прохідним струмом.

ДЗВ дозволяє одержувати багатошарові структури. Це прецизійний спосіб зварювання. Його можна використовувати в різних галузях народного господарства, однак він незамінний в радіоелектроніці, космічній техніці, авіації, тощо.

1 — шток; 2 — вакуумна камера (може бути ковпакового,

шахтного, коробчатого типів); 3 — деталі, що зварюються;

4 —прилад для нагріву деталей, що зварюються; 5 — зварювальний стіл;

6 — високовакуумний насос (10^-4-10^-6 мм. рт. ст.);

7 — форвакуумний насос (попередня відкачка повітря до 10^-2 мм. рт. ст.)

Рисунок 4.7 — Принципова схема ДЗВ

4.4.3 Технологічні особливості ДЗВ

Технологічний процес ДЗВ містить наступні етапи:

1. Підготовка поверхонь, що зварюються. Містить дві стадії:

а) механічне очищення;

б) хімічне очищення.

2. Завантаження зібраного вузла в вакуумну камеру, її герметизація та вакуумування. На цьому етапі використовується початкове зусилля тиску (Р_поч), яке ще не допускає пластичної деформації поверхонь матеріалів, які зварюються. На етапі вакуумування відбувається додаткове очищення поверхонь.

3. При досягненні вакууму (10^–4 – 10^–6 мм рт. ст.) відбувається нагрів до температури Т_зв= (0,7-0,8)Т_п (Т_п — температура плавлення найбільш легкоплавкого із матеріалів, що зварюються) та створюється зусилля (Р_зв), яке забезпечує пружно-пластичну деформацію контактуючих поверхонь.

4. Витримка при заданому зусиллі Р_зв та температурі Т_зв. На цьому етапі відбуваються процеси гетеродифузії, хімічні реакції та інші. Їх вид, час протікання визначається властивостями матеріалів, що зварюються.

5. Охолодження (до 80 °С) — при зварюванні матеріалів з великою різницею ТКЛР (температурних коефіцієнтів лінійного розширення) рекомендується нагрів та охолодження вести з заданою швидкістю 10 – 20 °Схв^–1.

6. Розгерметизація камери та вивантаження виробів.

Позитивні якості ДЗВ:

1) широке коло матеріалів, що зварюються;

2) можливість одержання прецизійних з’єднань;

3) можливість одержання багатошарових структур;

4) висока якість виробів.

Негативні якості:

1) складне устаткування;

2) висока вартість устаткування;

3) ненадійність вакуумного устаткування;

4) висока вартість виробу;

5) низька продуктивність;

6) необхідність високої кваліфікації оператора (зварювальника).

4.4.4 Кінетична схема ДЗВ

Процес утворення з’єднання при ДЗВ вміщує в собі кілька стадій:

1- стадія містить два етапи:

а) очищення поверхонь, що зварюються. Очищення від оксидів здійснюється за рахунок процесів сублімації, дисоціації, механічного дроблення , розчинності, відновлення;

б) утворення фізичного контакту за рахунок процесів:

— активної пластичної деформації;

— повзучості;

— спікання;

2 - стадія хімічної взаємодії, на якій відбуваються процеси:

а) активація:

— термомеханічна;

— інші;

б) утворення хімічних зв’язків;

3 - стадія об’ємної взаємодії, на якій можуть відбуватися процеси:

а) дифузійні:

— полігонізація;

— утворення твердих розчинів;

— рекристалізація;

— утворення евтектоїдів;

— утворення хімічних з’єднань.

б) релаксація напруг.

Докладніше по п. 4.4 дивись [6, 7].