Difúzní svařování - 45

Difúzní svařování - 45 PRINCIP TECHNOLOGIE Difúzní svařování rozdělujeme na: -svařování stejných materiálů bez mezivrstvy, -svařování stejných materiálů s mezivrstvou, -svařování nestejných materiálů bez mezivrstvy, -svařování nestejných materiálů s mezivrstvou. Někteří autoři zahrnují do difúzního svařování také svařování s roztavenou mezivrstvou. Rozdíl je v tom, že roztavená mezivrstva po dobu svařování zmizí v důsledku difúze do svařovaných materiálů. Při difúzním svařování hraje hlavní roli difúze. Difúzní svařování v tuhém stavu je způsob dosažení monolitého spojení vznikem vazeb na atomové úrovni. Spojení vzniká v důsledku lokální plastické deformace při zvýšené teplotě, které zaručuje vzájemnou difúzi v povrchových vrstvách spájených materiálů. Úvahy o difúzi v ideálních strukturách jsou podstatně odlišné od podobných úvah pro reálné soustavy obsahující vždy určité množství poruch jakéhokoliv druhu. Aktivační energie difúze v oblasti nedokonalého krystalu bude jiná než krystalu s ideální stavbou. Průběh difúze záleží na struktuře. V určité oblasti se dá koeficient difúze definovat pohybem atomů podél volných ploch, hranic zrn nebo jednotlivých difúzních čar a můžeme očekávat, že všechny tyto koeficienty budou větší než koeficient objemové difúze. Analýzu koncentračních diagramů, které vznikly z pozorování a experimentálních měření koeficientů podél hranic zrn, podal poprvé Fisher (Fisherův model 1).

Obr. 1 Fisherův model 1 Fisher předpokládal hranici zrn stejné tloušťky s difúzním koeficientem DB. Uvažoval také, že koncentrace difundující látky C0 v uvažovaném prostoru se v závislosti na čase nemění a tato rovnovážná koncentrace je stejná uvnitř zrna i na jeho hranici. Další předpoklady byly, že koncentrace bude stejná v celé šířce hranice, oba dva difúzní koeficienty jsou závislé na difúzi a že difúze po hranicích zrn neovlivňuje difúzi uvnitř zrna. Le Claire navrhl jednoduší způsob měření koeficientu difúze na hranicích zrn, a to měřením úhlu orientace zrn ψ, které tvoří hranici. Ukázalo se, že hodnota difúze na hranicích 1

zrn závisí na difúzním koeficientu DB a tloušťce hranice zrna δB. Z uvedeného vyplývá, že průběh difúzního procesu ovlivňují vnitřní faktory. Kromě nich je třeba brát v úvahu i vnější faktory – teplotu a tlak. Pozorování zaznamenalo velmi podstatné zvětšení rychlosti difúze v kovech, které byly podrobené krutu a stlačení v procesu difúze. Toto zvětšení je v některých případech 100÷1000 násobné. Závislost na deformaci není jednoznačná, protože v jiných případech není možné sledovat nějaké změny v rychlosti difúze, a to ani při velkých deformacích a vysokých rychlostech deformace. Pro stříbro nastávají tyto rozdíly při teplotách okolo 800°C. Některé podmínky význačně zrychlují proces hlavně při snížených teplotách. Mechanismus zrychlení difúze není přesně známý – podle některých autorů deformace a takové napětí zrychlují samodifúzi v α-železe při 750÷850°C. Při malé – pružně elastické deformaci koeficient samodifúze vzroste víc než 2x. Zrychlení samodifúze je podmíněno zmenšení energetických bariér v atomové mřížce, což způsobuje snížení aktivační energie samodifúze při deformaci. Se zvětšením deformace mřížky se zmenšuje úloha difúze na hranicích zrn. Deformace podstatně zvětšuje jen objemovou difúzi, protože na hranicích zrn je struktura materiálu narušená už bez deformace. Z toho vyplývá, že teplota a tlak ve velké míře ovlivňují průběh difúzního procesu. Správná volba těchto veličin může natolik ovlivnit difúzi, aby po kontaktu dvou materiálů vznikl mezi nimi za určitý čas difúzní spoj požadovaných vlastností. Umožňuje to využít difúzní proces při spojování materiálů. Teplota a tlak jsou pak parametry spojení materiálů. Difúzní procesy jsou podstatou procesu difúzního spojení materiálů. Ovlivňují celou řadu důležitých dějů, mezi jinými strukturu a vlastnosti svarových spojů.

MECHANISMUS VZNIKU SPOJE Spojení dvou kovů si vyžaduje přiblížit je na vzdálenost dostačující na utvoření pevné vazby mezi jejich atomy, aby jejich vzájemné působení bylo maximální. Proces difúzního svařování dělí N. F. Kazakov na tři stádia: a) vznik počátečního kontaktu povrchů – v tomto stádiu nastává deformace nerovnosti a tenkých vrstev povrchu potřebná na uskutečnění mechanického kontaktu; b) vzájemná difúze atomů a pohyb vakanací a dislokací umožňující zánik původního rozhraní mezi povrchy. c) intenzivní difúzní pochody - kdy v příhodných kombinacích dochází k vymizení původního rozhraní mezi spojovanými povrchy ve snaze o vyrovnání energií rovnovážné struktury. Při difúzních jevech se jedná především o objemovou difúzi, difúzi po hranicích zrn a v menší míře o povrchovou difúzi. Pro existenci kohezních sil je třeba, aby povrchy byly kovově čisté, bez oxidů a kontaminačních vrstev.

2

a)počáteční kontakt migrace atomů, vytváření můstků b) plastické zarovnání mikronerovností c) intenzivní difúze a mikrodeformace d) dokonalý difúzní spoj Obr. 2 Stádia procesu difuze Stádia v procesu difúzního svařování se dělí na slabé mechanické interakce, svědčící o tvorbě skutečného kontaktu svařovaných ploch, chemické interakce, projevující se při určitém stupni aktivity povrchů svařovaných ploch, rozvoj objemového stádia v zóně styku svařovaných materiálů.

SVAŘOVACÍ ZAŘÍZENÍ Na difúzní svařování se používá vícero zařízení s rozličnými druhy ohřevu. V průmyslové praxi převládají zařízení s odporovým a indukčním ohřevem. Svařuje se buď ve vakuu nebo v ochranné atmosféře plynů. Existují případy svařování také na volné atmosféře. Zvláštním případem difúzního svařování je svařování v kapalných prostředích podle Finkelštejna. Některá svářecí zařízení jsou zobrazena na obrázcích 3, 4 a 5.

1 vakuová komora 2 hydrocylindr 3 zdvih dna komory 4 tlakoměr

Obr. 3 Schéma zařízení na difúzní svařování ve vakuu¨ 3

Obr. 4 Difúzní svařování ve vakuu indukčním ohřevem (a), odporovým ohřevem (b)

Obr. 5 Vakuová pec VP 500

4

Svařovací zařízení se obvykle skládá ze svářecí komory, zdroje ohřevu svařovaných součástek, hydraulického systému na vyvození svářecího tlaku, vakuového systému či jiného systému (ochranná atmosféra, kapalné prostředí), chladícího systému, měřících, regulačních, ovládacích, bezpečnostních a jiných částí.

PARAMETRY A PODMÍNKY DIFÚZNÍHO SVAŘOVÁNÍ Za hlavní parametry difúzního svařování se považuje teplota, tlak a čas. Diagramprocesu svařování je na obr. 6.

Svařovací parametry: Tzv – teplota, pv – tlak, tzv – čas Obr. 6. Pracovní cyklus difúzního svařování Kvalita difúzního spoje se v podstatě určuje správnou volbou teploty svařování. Teplota svařování ovlivňuje průběh všech tří stádií procesu vzniku spoje v zóně styku, na změnu fyzikálních vlastností svařovaných materiálů, strukturní přeměny v tepelně ovlivněné oblasti, procesy difúze apod. Svařovací teplota se ve většině případů volí v závislosti na teplotě tavení svařovaných materiálů. Maximální teplotu svařování je třeba volit tak, aby se zabránilo nadměrnému růstu zrna v tepelně ovlivněné oblasti při svařování a fázovým změnám, které snižují mechanické vlastnosti svařovaných materiálům, a tím i difúzního spoje. Při svařování nestejných materiálů je třeba vzít k úvahu skutečnost, že rychlost ohřevu a ochlazování svařovaných materiálů bude záviset na jejich elektrické a tepelné vodivosti. Svařovací tlak stejně jako teplota ovlivňuje průběh všech změn vzniku difúzního spoje, od kontaktování povrchu po rekrystalizaci a difúzi. Průběh svařovacího tlaku a tlaku při ohřevu a ochlazování svařovaných materiálů bude ovlivňovat také průběh vnitřních napětí ve svarovém spoji.

5

Tab 1: Ukázka parametrů vybraných kombinací materiálů Svařované materiály nízkouhlíková ocel ocel 12060 +19858 austenitická ocel+ Cu ocel 0,5 %C + Cu Cu AlMg Mo Mo + Nb Grafit + Ti TiC + Mo ZrC + Nb WC + Mo TaC + Mo Al2O3 + Cu silikáthliníkové sklo + Nb borosilikátové sklo + kovar

Teplota (K)

tlak (MPa)

čas (min)

1223 1273 923 1123 1158 773 1873 1673 1223 1700 1673 2123 1873 1300 840 770

16 20 18 5 6 2 10 10 7 5 15 5 5 20 50 5

6 3 40 10 8 10 20 20 20 10 10 10 10 15 20 20

Průběh deformačního procesu bude záviset na teplotě, času svařování, velikosti specifického tlaku, chemického složení základních materiálů, čistotě a struktury kovu, stavu povrchu apod.

Obr. 7 Rozsah svařovacích tlaků na difúzní svařování oceli

6

Svařovací čas bezprostředně souvisí s předcházejícími dvěma parametry – teplotou a tlakem při svařování. Kromě uvedených hlavních parametrů svařování budou průběh svařovacího procesu a kvalitu svarových spojů ovlivňovat další faktory, jako např. výška vakua, způsob ochlazování ve vakuu, čistota a drsnost povrchu, způsob opracování a čistění svarových ploch, druh mezivrstvy apod.

PŘÍPRAVA SVAROVÝCH PLOCH Při difúzním svařování se vyžaduje, aby svarové plochy byly kovově čisté, opracované na požadovanou drsnost a odmaštěné. Čím hladší a čistější jsou svařované plochy, tím lepší je kvalita svarových spojů. Doporučuje se jemné opracování svarových ploch řeznými nástroji a odmaštěné, např. acetonem.

POUŽITÍ MEZIVRSTEV Při difúzním svařování se dost často používají přechodové materiály, tzv. mezivrstvy. Mezivrstvy je možné použít na zabezpečení difúze při nižších teplotách, jako jsou teploty potřebné na svařování základních materiálů, plastické tečení, schopnost přizpůsobení povrchu při nízkých tlacích, zamezení vzniku intermetalických sloučenin, dosáhnutí čistých povrchů apod. Mezivrstvy nebo aktivující materiály se obyčejně používají ve tvaru fólie, stříkaných povlaků, galvanických povlaků nebo prášků. Jako mezivrstvy na svařování materiálů na bázi železa se v literatuře uvádějí Ni, Fe a Cu. V některých případech jsou uvedené také další, jako např. permalloy, kovar, Ti, V, Cr, Co, Ni-Cr-Be-Fe . Druh, kvalita a tloušťka mezivrstvy budou ovlivňovat pevnost svarového spoje. Mimo tohoto také ovlivňuje tyto vlastnosti faktor kontaktního a mechanického zpevnění. Geometrické rozměry mezivrstvy určují nejen pevnost, ale také houževnatost svarového spoje.

VYHOTOVENÍ SVAROVÝCH SPOJŮ Svarové spoje se vyrábějí podle potřeby na zařízeních, které vyhovují z hlediska ohřevu, ochranné atmosféry, chemického složení svařovaných materiálů, tvaru, rozměrů součástky apod. Svarové spoje je třeba vyrobit s optimalizovanými parametry a podmínkami svařování. U některých materiálů je třeba využít speciální pracovní cyklus s předhřevem a dohřevem svařovaných dílců.

KONTROLA KVALITY SVAŘOVANÝCH SPOJŮ Kvalitu svařovaných spojů je možné ověřit různými jak destruktivními, tak nedestruktivními zkouškami známými ze zkoušení svařovaných spojů vyhotovených jinými technologiemi. Na ověření základních parametrů se v praxi osvědčila rázová ohybová zkouška se vzorkem upnutým tak, aby maximální ohybový moment byl situovaný v místě svarového spoje. Velmi důležité na posouzení celistvosti, a tím i kvality svarového spoje, je jeho metalografické šetření.

7

Na ověření navázání a difúze prvků v místě rozhraní svarových spojů je výhodné použít rentgenovou mikroanalýzu. Lomové plochy z hlediska navázání je vhodné vyhodnocovat na elektronovém a řádkovacím elektronovém mikroskopu.

VYUŽITÍ DIFÚZNÍHO SVAŘOVÁNÍ V PRAXI Difúzní svařování se v praxi hodně využívá hlavně na svařování materiálů, u kterých je svařování náročné, nebo se nedají svařovat tradičními technologiemi tavného svařování. Jde např. o materiály žáropevné, těžko tavitelné, super tvrdé, materiály s vysokou afinitou ke kyslíku apod. Difúzní svařování se hodně využívá na svařování kombinovaných materiálů, a to jak kovů, tak kovů s nekovy. Z množství kombinací materiálů svařovaných difúzně ve vakuu můžeme uvést např. keramika + ocel, keramika + neželezné a lehké kovy, sklo + kovy, Al + ocel, W + ocel, rychlořezná ocel + konstrukční uhlíková ocel apod.

VÝHODY DIFÚZNÍHO SVAŘOVÁNÍ - možnost svařovat velmi tenké součásti se silnými - kov se netaví, a proto odpadají problémy související s litou strukturou - většinou jsou vyloučené problémy spojené se segregací, praskavostí a pórovitostí - nejsou potřebné taviva a v případě, že se svařuje ve vakuu, ani ochranná atmosféra - odpadá mechanické opracování po svařování - svarový spoj neobsahuje oxidy a strusku - svařuje se bez výronku, tudíž beze ztrát často drahého svařovaného materiálu - součásti se při optimálních parametrech svařování nedeformují - příznivější tepelně ovlivněná zóna než při tavném svařování - nezvětšuje se hmotnost konstrukce - úspora elektrické energie - hygienické prostředí bez dýmů, prachu a žáru - kvalita spoje není přímo závislá na zručnosti svářeče

NEVÝHODY DIFÚZNÍHO SVAŘOVÁNÍ - omezený rozměr svařovaných dílů velikostí vakuové komory - zvýšení ceny zařízení o vakuový systém a přítlačné zařízení - delší svařovací časy spojené hlavně s výrobou vakua - složitější obsluha svařovacího zařízení - náročnější a nákladnější příprava svařovaných ploch

POUŽITÁ LITERATURA [1] TURŇA M. Špeciálne metódy zvárania, Vydavateľstvo technickej a ekonomickej literatúry ALFA Bratislava, 1989, ISBN 80-05-00097-9 [2] NIKOLAJ FEDOTOVIČ KAZAKOV Difúzní svařování ,přeložil Ing.Košek J.,SNTLnakladatelství technické literatury Praha 1983 [3] http://www.pzp.cz/kestazeni/3b311927/Vakuova_technika_CZ.pdf 8