Hvad er diffusionssvejsning?

Henvisning

Diffusionssvejsning (DFW) er en faststofsvejseteknik, der producerer en stærk binding ved letter diffusion og koalescens under kontrollerede forhold ved hjælp af varme og tryk. Fordi den kan forhindre almindelige metallurgiske vanskeligheder, der observeres i konventionelle svejseprocedurer, er denne specialiserede teknologi afgørende inden for metallurgi. Den bevarer korrosionsbestandigheden over for samlinger intakt og gør det muligt at fremstille komponenter med nøjagtige dimensioner, især i titanium og zirconium. DFW er fremragende til nogle højtydende applikationer, fordi den kan producere kraftige sektioner med ensartede kvaliteter overalt, såsom titaniumlaminater. For at DFW-samlinger skal være vellykkede, skal komponenterne designes og bearbejdes omhyggeligt.

Diffusionssvejsningsproces

I faststofprocessen med diffusionssvejsning bringes overflader, der er korrekt forberedt, sammen under præcise tryk-, temperatur- og tidsbegrænsninger. Jævn overfladekontakt sikres af det påførte tryk, hvilket forhindrer makroskopisk deformation. For at forhindre alvorlig plastisk deformation af overfladerne er den anvendte temperatur typisk 50 % af metallernes smeltepunkt. Et tilsatsmetal, der kan belægges eller anvendes som en indsats, anvendes ofte. Dette tilsatsmetal muliggør svejsning i et billigere miljø eller reducerer den nødvendige temperatur, tryk eller svejsetid.

Henvisning

Tryk kan tilvejebringes via egenvægtbelastning, presser, differensgastryk eller differentiel termisk udvidelse af komponenter eller værktøj. Opvarmningsmetoder til diffusionssvejsning omfatter ovne, retorts og modstandsmetoder. Et specielt sæt værktøjer til svejsning af samlinger med skærende flade overflader er højtryksautoklaver og differensgastrykmetoder. Til svejsning af parallelle plane overflader vinkelret på belastningsretningen er enaksede trykmetoder dog passende. Specialudstyr er nødvendigt til disse stærkt mekaniserede processer. Det er fordelagtigt at bruge konservering eller indkapsling af dele til andre metoder end differenstrykmetoder.

Trin i diffusionssvejseprocessen

• Juster pladerne med hinanden for at sikre, at de er i samme plan, hvilket er et kritisk krav for diffusion.

• Maskinbearbejde, polér og rengør overfladerne grundigt for at fjerne eventuelle kemiske urenheder, der kan hæmme diffusionen.

• Sæt pladerne sammen med klemmer for at holde dem på plads.

• Påfør højt tryk og varme på samlingen for at starte diffusionsprocessen.

• Oprethold disse forhold i en længere periode for at muliggøre korrekt diffusion.

• I starten kan der forekomme lokal deformation ved grænsefladen på grund af krybning og flydeprocesser.

• Efterhånden som diffusionen skrider frem, transformeres grænsefladen, og overfladerne blandes sammen og danner en stærk binding.

• Til sidst forsvinder grænsefladelinjen, hvilket resulterer i en samling med de samme egenskaber og styrke som basismaterialet.

Diffusionsprincipper og -mekanismer

Diffusion involverer bevægelse og omfordeling af atomer, som sker med hastigheder afhængige af atomernes migrerende hastighed.

Henvisning

Diffusion i metalsystemer klassificeres ofte i tre processer: volumendiffusion, korngrænsediffusion og overfladediffusion, alt efter den rute, som de diffunderende atomer bevæger sig i. Forskellige diffusivitetskonstanter gælder for hver af disse processer; overflade- og korngrænsediffusion sker hurtigere end volumendiffusion.

Diffusion efter volumen: Dette finder sted i størstedelen af ​​stoffet. På grund af kravet om at komme forbi energibarriererne, der udgøres af de tætliggende atomer i gitteret, er atommigration gennem krystalgitteret ofte en langsommere proces.

Korngrænsediffusion: Dette forekommer ved grænsefladerne mellem forskellige krystaller eller korn i et polykrystallinsk materiale eller langs korngrænserne. Sammenlignet med volumen er der mindre orden i atomarrangementet ved disse grænser, hvilket muliggør hurtigere diffusion.

Overfladediffusion: Dette sker på materialets overflader. Overfladediffusion sker hurtigere, fordi atomerne der er mindre fast bundet end dem i bulken.

Diffusion ifølge Ficks første lov

Ifølge Ficks første lov er den underliggende formel, der styrer diffusion i metaller, som følger:

Hvor:

• dm/dt er metalets strømningshastighed hen over et plan vinkelret på diffusionsretningen (g/s),

• D er diffusionskoefficienten (cm²/s), som varierer med det metalliske system, temperatur, koncentration og krystalstruktur,

• A er arealet af det plan, hvor diffusionen sker (cm²),

• &x/&x​ er koncentrationsgradienten i det pågældende plan (g/cm³).

Det negative fortegnet angiver, at diffusion sker fra områder med højere koncentration til områder med lavere koncentration.

Diffusionskoefficient og påvirkningsfaktorer

Følgende faktorer påvirker diffusionskoefficienten D, som ikke er konstant:

Temperatur: Diffusionshastigheden stiger med stigende temperatur. Som hovedregel fordobles diffusionskonstanten med en temperaturstigning på 11°C (20°F).

Koncentration: Diffusionskonstanten kan påvirkes kraftigt af variationer i koncentrationen. For eksempel tredobles diffusionskonstanten for kulstof i jern ved 930 °C (1700 °F) med en stigning i kulstofkoncentrationen fra 0 til 1.4 %.

Krystalstruktur: Forskellige krystalformer har varierende diffusionshastigheder. For eksempel diffunderer jern 100 gange hurtigere i ferrit end i austenit.

Krystalretning og forvrængning: Krystallens orientering samt eventuelle forvrængninger forårsaget af plastisk deformation har indflydelse på diffusionshastighederne.

Diffusionsmekanismer

Henvisning

De to primære måder, hvorpå atomer spredes i metaller, er gennem vakans- og interstitielle mekanismer, selvom der også findes andre mekanismer.

Bevægelsen af ​​mindre atomer gennem hulrummene eller mellemrummene i krystalgitteret er kendt som den interstitielle mekanisme. Disse atomer er i stand til at migrere fra et mellemrum til et andet uden at forårsage større forstyrrelser i matrixatomerne, fordi de har mindre atomradier end matrixatomerne.

Vakansmekanisme: Denne mekanisme vedrører større atomer, der ikke kan passe ind i de interstitielle rum, såsom matrix- eller substitutionelle atomer. Ved at hoppe ind i ubesatte gitterrum migrerer disse atomer. Færre tilgængelige ledighedssteder får hastigheden til at være langsommere, selvom den nødvendige energi til disse bevægelser er sammenlignelig med den interstitielle diffusion.

Variabler der påvirker diffusionssvejsning

En vigtig faktor i diffusionssvejsning er tid. Temperaturen har en stor indflydelse på, hvor lang tid diffusionen tager. Længere varigheder mister deres effektivitet over tid. Den nødvendige periode skal fastslås empirisk, da den ikke kan forudsiges på forhånd. Når svejsningen er færdig, forbedrer mere tid ikke bindingens egenskaber.

Tryk har en direkte effekt på resultaterne af diffusionssvejsning, især i de tidlige faser. Det er forbundet med flydegrænsen for de indgående komponenter, selvom det er vanskeligt at finde en præcis værdi i teorien. For at opnå de bedste resultater skal der udøves tilstrækkeligt tryk, selvom lokal deformation på bindingsstedet er en naturlig del af processen. For at kunne danne stærke bindinger er det afgørende at afbalancere varme og tryk, fordi høj kompression er korreleret med høje udstyrsomkostninger.

Ved diffusionssvejsning er temperaturen den vigtigste variabel. For at forhindre materialeændringer og give en solid og stabil binding skal den ideelle temperatur vælges. For at svejseprocessen kan lykkes, er korrekt temperaturopretholdelse nødvendig.

Udstyr og egnede materialer anvendt til diffusionssvejsning

Der kræves specialværktøj til diffusionssvejsning, herunder specialdesignede armaturer, varmekilder, presser og autoklaver. For at etablere den ideelle atmosfære kombineres disse værktøjer ofte med keramiske komponenter. Denne teknik er perfekt til at sammenføje materialer som titanium-, aluminium- og nikkellegeringer, som er vanskelige at sammenføje med traditionelle teknikker. Selvom der findes billigere måder at svejse stål på, kan diffusionssvejsning være en omkostningseffektiv metode til svejsning af store, flade overflader af lavkulstofstål uden behov for tilsatsmateriale, når de rette betingelser er opfyldt.

Fordele ved diffusionssvejsning

Diffusionssvejsning har forskellige fordele.

Den resulterende samlings kemiske og fysiske egenskaber er sammenlignelige med grundmetallets. Den garanterer en pletfri svejsning, der er fri for porøsitet og brud. Denne proces er perfekt til præcisionskomponenter, fordi den tilbyder høj dimensionsnøjagtighed. I modsætning til lysbuesvejsning kan den kombinere materialer, der er ens eller forskellige, uden behov for tilsatsmateriale. Svejsning er en billig teknologi, der kan bruges til effektivt at forbinde komplekse former og materialer. Den omgår vanskelighederne forbundet med smeltesvejsning og er nem at bruge. Diffusionssvejsning er også meget effektiv og automatiseret og kræver kun lidt ekspertarbejde, fordi den kan sammensætte flere dele i en enkelt opsætning.

Ulemper og begrænsninger ved diffusionssvejsning

Diffusionssvejsning har adskillige fordele, men også nogle ulemper. Udstyret er dyrt, især til store svejsninger, og kræver en specifik opsætning med præcis rengøring og overfladebehandling. Det er ikke ideelt til høje produktionshastigheder, fordi det kræver en beskyttet atmosfære eller vakuum og tager tid. Trods beskedne driftsomkostninger er den indledende opsætning dyr. Forberedelse af emner er vigtig, men kan være vanskelig. Maskineriet begrænser størrelsen af ​​svejsningerne, og der er ikke mange muligheder for inspektion. På grund af dens store afhængighed af nøjagtige svejseparametre (temperatur, tryk, overfladefinish og anvendte materialer) er processen ikke egnet til masseproduktion. Der skal også tages særligt hensyn til materialernes forskellige termiske udvidelser.

Anvendelser af diffusionssvejsning

Diffusionssvejsning (DFW) er meget udbredt i industrier som luftfart og atomkraft til at sammenføje højstyrke- og ildfaste metaller. Et bemærkelsesværdigt eksempel på den udbredte anvendelse af DFW i luftfartsindustrien er motorophænget på rumfærger, som består af 28 titaniumstykker, der er diffusionssvejset sammen for at håndtere en trykkraft på tre millioner pund. DFW bruges også til fremstilling af rør med en maksimal størrelse på 203 mm gange 255 cm gange 457 cm. Ved at bruge DFW for første gang i en roterende motorkomponent er gasturbineindustrien i stand til at skabe Ti-6%Al-4%V-komponenter til avancerede motorer med højt tryk. Til disse vanskelige applikationer muliggør DFW de stærke og højtydende strukturer, der kræves.