Vad är diffusionssvetsning?

Hänvisning

Diffusionssvetsning (DFW) är en fastfassvetsningsteknik som producerar en stark bindning genom underlättar diffusion och koalescens under kontrollerade förhållanden med hjälp av värme och tryck. Eftersom den kan förhindra vanliga metallurgiska svårigheter som observeras vid konventionella svetsprocedurer är denna specialiserade teknik avgörande inom metallurgiområdet. Den bibehåller korrosionsbeständigheten mot fogar intakt och gör det möjligt att tillverka komponenter med exakta dimensioner, särskilt i titan och zirkonium. DFW är utmärkt för vissa högpresterande applikationer eftersom det kan producera kraftiga sektioner med konsekventa egenskaper rakt igenom, såsom titanlaminat. För att DFW-fogar ska vara framgångsrika måste komponenterna utformas och bearbetas noggrant.

Diffusionssvetsningsprocess

I diffusionssvetsning i fast tillstånd sammanförs ytor som har förberetts korrekt under exakta tryck-, temperatur- och tidsbegränsningar. Jämn ytkontakt säkerställs av det applicerade trycket, vilket förhindrar makroskopisk deformation. För att förhindra allvarlig plastisk deformation vid ytorna är den använda temperaturen vanligtvis 50 % av metallernas smältpunkt. Ett tillsatsmaterial, som kan pläteras eller användas som en insats, används ofta. Detta tillsatsmaterial möjliggör svetsning i en mindre kostsam miljö eller minskar den nödvändiga temperaturen, trycket eller svetstid.

Hänvisning

Tryck kan tillhandahållas via egenviktsbelastning, pressar, differentiellt gastryck eller differentiell termisk expansion av komponenter eller verktyg. Uppvärmningsmetoder för diffusionssvetsning inkluderar ugnar, retorts och motståndsmetoder. En speciell uppsättning verktyg för svetsning av sammansättningar med korsande plana ytor är högtrycksautoklaver och differentiellt gastrycksmetoder. För svetsning av parallella plana ytor vinkelräta mot belastningsriktningen är dock enaxiella tryckmetoder lämpliga. Specialutrustning behövs för dessa högmekaniserade processer. Det är fördelaktigt att använda konservering eller inkapsling av delar för andra metoder än differentiellt tryckmetoder.

Steg i diffusionssvetsprocessen

• Rikta in plattornas motytor för att säkerställa att de är i samma plan, ett kritiskt krav för diffusion.

• Maskinbearbeta, polera och rengör ytorna noggrant för att avlägsna eventuella kemiska föroreningar som kan hindra diffusion.

• Stapla plattorna ihop med hjälp av klämmor för att hålla dem på plats.

• Applicera högt tryck och värme på aggregatet för att starta diffusionsprocessen.

• Bibehåll dessa förhållanden under en längre tid för att möjliggöra korrekt diffusion.

• Initialt kan lokal deformation uppstå vid gränssnittet på grund av kryp- och flytprocesser.

• Allt eftersom diffusionen fortskrider transformeras gränssnittet och ytorna smälter samman och bildar en stark bindning.

• Så småningom försvinner gränssnittslinjen, vilket resulterar i en fog med samma egenskaper och hållfasthet som grundmaterialet.

Diffusionsprinciper och mekanismer

Diffusion innebär förflyttning och omfördelning av atomer, vilket sker i en hastighet som är beroende av hastigheten hos atomernas migrerande rörelse.

Hänvisning

Diffusion i metallsystem klassificeras ofta i tre processer: volymdiffusion, korngränsdiffusion och ytdiffusion, beroende på den väg som de diffunderande atomerna färdas. Olika diffusivitetskonstanter gäller för var och en av dessa processer; yt- och korngränsdiffusion sker snabbare än volymdiffusion.

Diffusion per volym: Detta sker i majoriteten av ämnet. På grund av kravet att ta sig förbi energibarriärerna som utgörs av de tätt placerade atomerna i gittret, är atommigration genom kristallgittret ofta en långsammare process.

Korngränsdiffusion: Detta sker vid gränssnitten mellan distinkta kristaller eller korn i ett polykristallint material eller längs korngränserna. Jämfört med volymen är det mindre ordning i atomarrangemanget vid dessa gränser, vilket underlättar snabbare diffusion.

Ytdiffusion: Detta sker på materialets ytor. Ytdiffusion sker snabbare eftersom atomerna där är mindre fast bundna än de i bulken.

Diffusion enligt Ficks första lag

Enligt Ficks första lag är den underliggande formeln som styr diffusion i metaller följande:

Var:

• dm/dt är metallens flödeshastighet över ett plan vinkelrätt mot diffusionsriktningen (g/s),

• D är diffusionskoefficienten (cm²/s), vilken varierar med metallsystemet, temperaturen, koncentrationen och kristallstrukturen,

• A är arean av det plan över vilket diffusion sker (cm²),

• &x/&x​ är koncentrationsgradienten vid det aktuella planet (g/cm³).

Det negativa tecknet indikerar att diffusion sker från områden med högre koncentration till områden med lägre koncentration.

Diffusionskoefficient och påverkande faktorer

Följande faktorer påverkar diffusionskoefficienten D, som inte är konstant:

Temperatur: Diffusionshastigheten ökar med ökande temperatur. Som en allmän regel fördubblas diffusionskonstanten med en temperaturökning på 11 °C (20 °F).

Koncentration: Diffusionskonstanten kan påverkas kraftigt av variationer i koncentrationen. Till exempel, vid 930 °C (1700 °F), tredubblas diffusionskonstanten för kol i järn med en ökning av kolkoncentrationen från 0 till 1.4 %.

Kristallstruktur: olika kristallformer har varierande diffusionshastigheter. Till exempel diffunderar järn 100 gånger snabbare i ferrit än i austenit.

Kristallriktning och distorsion: Kristallens orientering såväl som eventuella distorsioner orsakade av plastisk deformation påverkar diffusionshastigheterna.

Diffusionsmekanismer

Hänvisning

De två huvudsakliga sätten som atomer sprids i metaller är genom vakans- och interstitiella mekanismer, även om det också finns andra mekanismer.

Förflyttningen av mindre atomer genom tomrummen, eller mellanrummen, i kristallgittret är känd som den interstitiella mekanismen. Dessa atomer kan migrera från ett mellanrum till ett annat utan att orsaka större störningar i matrisatomerna eftersom de har mindre atomradier än matrisatomerna.

Vakansmekanism: Denna mekanism avser större atomer som inte kan passa in i interstitiella utrymmen, såsom matris- eller substitutionsatomer. Genom att hoppa in i lediga gitterutrymmen migrerar dessa atomer. Ju färre tillgängliga vakansplatser som gör att hastigheten är långsammare, även om den energi som behövs för dessa rörelser är jämförbar med den för interstitiell diffusion.

Variabler som påverkar diffusionssvetsning

En viktig faktor vid diffusionssvetsning är tiden. Temperaturen har stor inverkan på hur lång tid diffusionen tar. Längre svetstider förlorar sin effektivitet med tiden. Den erforderliga tiden måste fastställas empiriskt, eftersom den inte kan förutsägas i förväg. Efter att svetsningen är klar förbättrar inte längre tid bindningens egenskaper.

Tryck har en direkt effekt på diffusionssvetsresultaten, särskilt i de tidiga faserna. Det är kopplat till sträckgränsen för de ingående komponenterna, även om det är svårt att fastställa ett exakt värde i teorin. För bästa resultat måste trycket utövas tillräckligt även om lokal deformation vid bindningspunkten är en naturlig del av processen. För att framgångsrikt kunna bilda starka bindningar är det avgörande att balansera värme och tryck eftersom hög kompression är korrelerad med höga utrustningskostnader.

Vid diffusionssvetsning är temperaturen den viktigaste variabeln. För att förhindra materialförändringar och ge en solid, stabil bindning måste den ideala temperaturen väljas. För att svetsprocessen ska lyckas är korrekt temperaturhållning nödvändig.

Utrustning och lämpliga material som används vid diffusionssvetsning

Specialverktyg behövs för diffusionssvetsning, inklusive specialdesignade fixturer, värmekällor, pressar och autoklaver. För att skapa den ideala atmosfären kombineras dessa verktyg ofta med keramiska komponenter. Denna teknik är perfekt för att sammanfoga material som titan-, aluminium- och nickellegeringar, vilka är svåra att sammanfoga med traditionella tekniker. Även om det finns billigare sätt att svetsa stål, kan diffusionssvetsning vara en kostnadseffektiv metod för att svetsa stora, plana ytor av lågkolstål utan behov av tillsatsmaterial när de rätta förutsättningarna är uppfyllda.

Fördelar med diffusionssvetsning

Diffusionssvetsning har flera fördelar.

Den resulterande fogens kemiska och fysikaliska egenskaper är jämförbara med grundmetallens. Den garanterar en fläckfri svets som är fri från porositet och sprickor. Denna process är perfekt för precisionskomponenter eftersom den erbjuder hög dimensionsnoggrannhet. Till skillnad från bågsvetsning kan den kombinera material som är lika eller olika utan behov av tillsatsmaterial. Svetsning är en lågkostnadsteknik som kan användas för att effektivt sammanfoga komplexa former och material. Den kringgår svårigheterna som är förknippade med smältsvetsning och är enkel att använda. Diffusionssvetsning är också mycket effektiv och automatiserad och kräver lite expertarbete eftersom den kan fästa flera delar i en enda uppställning.

Nackdelar och begränsningar med diffusionssvetsning

Diffusionssvetsning har flera fördelar, men också vissa nackdelar. Utrustningen är dyr, särskilt för stora svetsfogar, och kräver en specifik installation med noggrann rengöring och ytbehandling. Den är inte idealisk för höga produktionshastigheter eftersom den kräver en skyddad atmosfär eller vakuum och tar tid. Trots blygsamma driftskostnader är den initiala installationen dyr. Förberedelse av arbetsstycket är viktigt men kan vara svårt. Maskinen begränsar svetsfogarnas storlek och det finns inte många alternativ för inspektion. På grund av dess stora beroende av exakta svetsparametrar (temperatur, tryck, ytfinish och använda material) är processen inte lämplig för masstillverkning. Särskild hänsyn måste också tas till materialens olika termiska expansioner.

Tillämpningar av diffusionssvetsning

Diffusionssvetsning (DFW) används ofta inom industrier som flyg- och kärnkraft för att sammanfoga höghållfasta och eldfasta metaller. Ett anmärkningsvärt exempel på den utbredda användningen av DFW inom flygindustrin är motorfästet på rymdfärjan, som består av 28 titandelar som diffusionssvetsas samman för att hantera en dragkraft på drygt 1,4 miljoner kg. DFW används också vid tillverkning av rör med en maximal storlek på 203 mm x 255 cm x 457 cm. Genom att använda DFW för första gången i en roterande motorkomponent kan gasturbinindustrin skapa Ti-6%Al-4%V-komponenter för avancerade motorer med hög dragkraft. För dessa svåra tillämpningar möjliggör DFW de starka och högpresterande strukturer som krävs.