натяга (рис. 10.5). Метод термонатяга может быть использован и при сварке сравнительно простых по форме деталей в сочетании с многоместными приспо соблениями (рис. 10.6), что существенно повышает производительность и уп рощает технологию. В обоих случаях для нагрева пригодны универсальные вакуумные печи или печи с контролируемой атмосферой, в том числе шлюзо вые и конвейерные. При расчете основных размеров приспособлений исходят из требуемого для сварки удельного давления и разницы температурных ко эффициентов линейных расширений свариваемых материалов и стягивающих элементов оснастки.
Для изготовления деталей Приспособлений рекомендуются высокохроми стые стали и сплавы (например, 0Х27Ю5А, Х25Н20, Х20Н80, 12Х18Н10Т, 12X13, 20X13), молибден (МРН и др.), графит (МПГ-6, МПГ-7). Приспособ ления из графита перед использованием отжигают в вакууме при 1300 °С.
10.3.2. Герметизируемые контейнеры
Применение диффузионной сварки крупногабаритных деталей сдерживается отсутствием специализированного оборудования. В связи с этим для практики представляют интерес техниче ские решения, предполагающие использование стандартного прессового оборудования. Свариваемые заготовки предвари тельно укладывают в тонкостенный контейнер, изготовленный по форме собранного узла. Контейнер герметизируют, обвари вая по периметру, и после вакуумирования внутренней полости осуществляют нагрев и сжатие заготовок с помощью пресса,
Вне. 10.7. Диффузионная сварка в герметичном контейнере [4]:
1—плита прЧса; |
2 — свариваемые детали; 3 — контейнер; 4 — вакуумная трубка; 5 — |
вакуумный |
f\ — нагревательные плиты; 7 — нагреватели |
оснащенного сравнительно простыми нагревательными элемен тами (рис. 10.7). В некоторых случаях герметизируют прост ранство только между соединяемыми поверхностями. Для этого обваривают детали по периметру контактных поверхностей не посредственно или с использованием специальных манжет из жаропрочного сплава или гофрированных элементов.
10.3.3. Универсальные установки
Установки для диффузионной сварки в общем случае имеют рабочую камеру, механизм для создания сварочного давления или деформирования, систему для получения рабочей среды (вакуума или газовой среды), аппаратуру управления и конт роля [1]. Применяемое на практике оборудование имеет боль шое разнообразие конструктивного решения функциональных узлов и систем, обусловленное, главным образом, габаритами свариваемых узлов, степенью их прецизионности, применяе мыми материалами и необходимой производительностью. Эти требования определяют в основном выбор систем нагрева, ва риантов рабочей среды, нагружения или деформирования.
Внастоящее время в эксплуатации находятся универсаль ные установки разных модификаций типа СДВУ, УДС, А-306, А-308, ОЗД, УДСПД и др.
Вобщем случае наиболее интересные технические решения направлены на повышение производительности универсальных установок. С этой целью применяют принципы создания много камерных комплексов (установка УДС-ЗМ) или полностью
автоматизированных конвейерных систем (УДС-5, УДС'б).
В установках типа УДСПД, разработанных для реализации принципов контролируемого нагружения и деформирования (ДСПД-процесс), в качестве системы нагружения использу ются силовые элементы универсальных испытательных машин.
Учитывая современную тенденцию применения диффузион ной сварки для изготовления крупногабаритных изделий слож ной формы проводятся работы по созданию крупногабаритных установок модульного типа [4]. Модуль такой установки снаб жен автономными системами вакуумирования, нагрева и сжа тия. В зависимости от размеров свариваемой конструкции монтируется необходимое количество модулей. Отдельная зад няя стенка и передняя сдвижная дверца' ограничивают в це лом рабочее пространство установки. Конструкция модулей предусматривает возможность изменения рабочего простран ства в вертикальном направлении.
10.3.4. Газостаты
Современные газостаты (рис. 10.8) могут с успехом применяться для диффу зионной сварки, особенно деталей сложной формы из однородных и разнород ных материалов, когда обеспечить равномерное давление материалов по со прягаемым поверхностям трудно или невозможно. В большинстве случаев пе ред сваркой детали укладывают в тонкостенные технологические оболочки (конверты) и герметизируют сваркой.
После этого сборку помещают в рабочую камеру газостата и проводят высокотемпе ратурную обработку в течение нескольких часов давлением газа >100 МПа (рис. 10.9). Метод горячей изостатической обра ботки оказался эффективным также для улучшения свойств соединений, выполнен ных диффузионной сваркой. В частности, его можно использовать для залечивания дефектов в виде пустот, что способствует существенному повышению пластичности сварного соединения.
За рубежом газостаты, пригодные для использования при диффузионной сварке, выпускаются фирмами ASEA (Швеция), Conway Pressure Systems Inc. и Autoclave
Рис. 10.8. Схема высокотемпературного газо
стата, используемого |
для диффузионной сварки: |
||||
/ —верхняя пробка; |
2 — станина; |
3 — контейнер; |
|||
4 —термоизоляционный |
колпак; 5 — нагреватель; |
||||
6 —свариваемая |
деталь; |
7 — термонзолятор; |
8 — |
||
нижняя пробка; |
9 — трубопровод |
подачи |
рабо |
||
чего газа |
|
|
|
|
|
Engineers (США), ABRA AG (Швейцария), Kobe Steel (Япония), National Forge Europe (Бельгия). В СНГ подобное оборудование разработано ВНИИметмашем и выпускается Коломенским СПО (табл. 10.2).
|
|
|
|
|
|
Т А Б Л И Ц А 10.2 |
||
ОСНОВНЫЕ |
ХАРАКТЕРИСТИКИ |
ГАЗОСТАТОВ |
КОНСТРУКЦИИ |
|
||||
|
ВНИИметмаша - КОЛОМЕНСКОГО СПО [б] |
|
|
|||||
Тип |
Размер |
я* |
г*2 |
Размеры газостата, |
мм |
|||
заготовки, мм |
|
|
|
|
||||
газостата |
|
|
шах» |
шах* |
|
|
|
|
|
диаметр |
высота |
МПа |
°С |
высота*3 |
длина |
ширина |
|
|
|
|
||||||
40X100 |
40 |
100 |
N2 - 200 |
2000 |
1 600 |
(1 600) |
2000 |
1600 |
450 |
50 |
250 |
Аг— 100 |
1500 |
2 260 |
(2 260) |
3750 |
1110 |
ГТС-2000 |
100 |
250 |
N2 — 200 |
2000 |
2 800 |
(2 800) |
2500 |
1500 |
320Х 550 |
320 |
550 |
Аг — 220 |
1220 |
5 485 |
(4 665) |
5520 |
1650 |
ЯО6013 |
340 |
550 |
Аг — 200 |
1500 |
5 790 |
(4 980) |
5520 |
1420 |
ЯО 6015 |
320 |
1000 |
Аг — 200 |
1250 |
6 340 |
(5 530) |
5520 |
1420 |
ЯО 6022 |
1100 |
2000 |
Аг — 200 |
1200 |
12 950 |
(10 750) |
8100 |
5000 |
•* Рт ах |
максимальное давление рабочей среды. ** Гт а х — максимальная тем |
|
пература в рабочем пространстве. |
Общая высота газостата (высота под уровнем пола). |
|
Рис. 10.9. Схема диффузионной сварки с использованием горячего иэоста-
тического |
прессования: |
|
|
1 — сборка |
в контейнере; |
2 — герметизация |
контейнера; 3 •—высокотемпера |
турная обработка в газостате; 4 — сваренный |
узел |
||
10.4. Промышленное |
применение |
|
|
10.4.1. Приборостроение
Характерной особенностью конструкций современных приборов и узлов электронной техники является применение прецизион
ных |
элементов, изготовленных из разнородных материалов, |
в том |
числе неметаллических (стекло, керамика и др.). Техно |
логические возможности диффузионной сварки позволяют ши роко использовать этот процесс в промышленности (7, 8] при создании металлокерамических узлов, катодных узлов, вакуумплотных соединений из разнородных материалов, полупровод никовых систем и др. Большинство известных в настоящее время разработок в области технологии и оборудования для диффузионной сварки сделано именно в приборостроении.
В Таллиннском электротехническом институте НПО «Элект ротехника» создана технология производства выпрямительных
элементов |
силовых |
полупроводниковых приборов и разрабо |
||
таны конвейерные |
системы |
для диффузионной |
сварки УДС-5 |
|
и УДС-б, |
обеспечивающие |
высокую степень |
автоматизации |
|
сварки в условиях непрерывной круглосуточной работы комп лекса.
10.4.2. Крупногабаритные заготовки и полуфабрикаты
Диффузионная сварка находит применение для изготовления крупногабаритных заготовок деталей сложной формы, получе ние которых механической обработкой, методами обработки давлением или литьем невозможно или неэкономично. При этом путем соединения простых по форме элементов, изготов ленных из стандартных полуфабрикатов, можно существенно повысить коэффициент использования металла (КИМ), а в ряде случаев получить сложные заготовки из разнородных материа лов, которые практически невозможно изготовить другими ме тодами сварки. Особенно эффективно такое применение диф фузионной сварки в опытном и мелкосерийном производстве.
Рис. 10.10. Схема диффузионной сварки |
крупногабаритной |
заготовки ребристой па |
||||
нели (4J: |
|
|
|
3 — детали оснастки; |
4 — сборка |
|
/ — внешний |
вид панели; |
2 — составные |
элементы; |
|||
в контейнере; |
5 — сварка с |
использованием открытого |
пресса; |
6 — сваренная |
заготовка |
|
При этом чаще всего используются открытые прессы в сочета нии с герметизированными контейнерами (рис. 10.10).
С помощью диффузионной сварки получают крупногабарит ные толстые многослойные заготовки, из которых затем изго тавливают прокаткой слоистые композиционные листы.
10.4.3. Совмещение сварки с формообразованием
Многослойные тонкостенные конструкции типа панелей из ти тановых или алюминиевых сплавов с наполнителем сложной формы (гофры, соты, ребра и др.) получают методом совме щения диффузионной сварки и формообразования в режиме сверхпластичности.
Листовые заготовки сложной панели предварительно сва ривают в необходимых местах в плоском пакете. С этой целью на поверхность листов перед сборкой пакета наносят барьер ное покрытие. Собранный пакет герметизируют по контуру, вакуумируют и осуществляют диффузионную сварку, а затем во внутреннюю полость подается газ или жидкость, заготовка раздувается и принимает форму внутренней поверхности мат рицы (рис. 10.11).
Рис. 10.11. Схема получения многослойной панели методом совмещения диффузионной сварки с формообразованием (SPD/DB-процесс) 19]:
1 — подготовка к сварке; 2 — сварка пакета; 3 — формование панели; .4 — окончатель ная форма детали
10.5. Контроль качества
Основными типами дефектов сварного соединения являются: непровар, т. е. отсутствие соединения в отдельных участках контакта (дефекты 1-го типа), мелкие сферические поры, рас положенные в теле общих зерен, которые образовались в зоне контактирования (дефекты 2-го типа), и плоскоориентирован
ная межфазная граница.
Особенностью дефектов является то, что они располагаются вдоль бывшей поверхности контактирования, а величина рас крытия непроваров и размеры пор, как правило, невелики. Это затрудняет применение традиционных неразрушающих методов для их выявления. Наиболее перспективными методами нераз рушающего контроля являются ультразвуковые методы, а также метод акустической эмиссии.
Гл а в а 11. ТЕРМ ОКОМПРЕССИОННАЯ СВАРКА
11.1.Общие сведения
Появление новой отрасли промышленности — микроэлектроники потребовало разработки новых способов сварки — термокомпрессии и сварки косвенным импульсным нагревом (СКИН). Они являются основными методами для при соединения тонких проводников (выводов) к напыленным на полупроводнико вую или керамическую пластинку (подложку) пленкам в полупроводниковых приборах, гибридных и интегральных микросхемах. В данной главе рассмот рены терминология, основные схемы, физические основы процесса, технология, оборудование, промышленное применение и контроль качества. Ряд вопро сов освещен кратко. В этих случаях рекомендуются работы [1—15].