Difúzní svařování

Jedná se o technologii difuzního svařování, která byla vyvinuta již v polovině 20. století. Je to proces spojování materiálů v tuhém stavu, kdy je spoj tvořen působením tlaku na stykové plochy spoje za zvýšené teploty po dostatečně dlouhou dobu.

Dnešní doba vyžaduje vytvářet stále náročnější výrobky z různých typů kovových i nekovových materiálů, které mají požadované mechanické vlastnosti při různých teplotách a zatíženích, např. korozní a erozní stálost v různých prostředích, fyzikální vlastnosti, které se nemění při působení elektromagnetických a elektrických polí nebo radioaktivního záření apod. K takovým materiálům patří některé typy ocelí s vysokým obsahem uhlíku, korozivzdorné oceli, žáropevné oceli a různé typy neželezných kovů a slitin (Al, Cu, Ti, Ni atd.), těžko tavitelné kovy a jejich slitiny (W, Mo atd.), slinuté materiály, keramika, křemen, sklo, grafit, cermety, safír apod. Tyto materiály jsou obvykle drahé, málo tvárné, vzájemně nerozpustné a často mají i vysokou tavicí teplotu. Běžně používané konvenční způsoby tavného i tlakového svařování nelze často použít k vytvoření kvalitního spoje těchto materiálů. Proto je nutné použít některou ze speciálních metod svařování, mezi něž patří i difuzní svařování [3].

Difuzní svařování je proces, při kterém jsou součásti v těsném kontaktu za kontrolovaného tlaku a v určeném čase ohřívány na danou teplotu. Tyto podmínky umožní při místní plastické deformaci a maximálním přiblížení povrchů difuzi atomů mezi dvěma spojovanými částmi, což zajistí vysokou pevnost spoje.
Difuzní svařování materiálů ve vakuu nebo v plynném prostředí vyvinul N. F. Kazakov [4] v roce 1953 a lze ho definovat následovně: „Difuzní svařování materiálů v tuhém skupenství je metoda získávání monolitního spojení, jež je vytvořeno na základě vzniku atomových vazeb, které jsou výsledkem maximálního přiblížení spojovaných povrchů a lokální plastické deformace při zvýšené teplotě. Ta zabezpečuje difuzi v povrchových vrstvách spojovaných materiálů“ [5].
Difuze je samovolný proces, kdy dochází k přesunu látky z míst s vyšší koncentrací do míst s nižší koncentrací. Uvažujme dva vzorky slitiny AB. Pokud bude koncentrace prvku A v prvním vzorku CA1 a ve druhém vzorku CA2, přičemž bude platit, že CA1 < CA2. Po kontaktování vzorků a jejich vyžíhání při vysoké teplotě T nastane po určitém čase t ve společném okolí obou vzorků změna koncentrace v důsledku difuze prvku A ze vzorku 1 do vzorku 2 a naopak, prvku B ze vzorku 2 do vzorku 1 [1].

Difuzní tok JA atomů prvku A je za jednotku času ve směru osy a přes jednotku plochy úměrný gradientu

Tento vztah bývá označován jako první Fickův zákon. V případě nestacionární difuze v závislosti na čase je možné pro ni odvodit vztah:

což je matematická formulace tzv. druhého Fickova zákona uvažující rychlost změny koncentrace

Proces difuzního svařování lze rozdělit na tři stadia:

1) Počáteční kontakt povrchu, při kterém nastává deformace povrchových nerovností.
2) Druhé stadium je charakterizováno přemísťováním vakancí a dislokací při počátku
vzájemné difuze atomů.
3) Ve třetím stadiu dochází k intenzivním difuzním pochodům, kdy v příhodných kombinacích dochází k vymizení původního rozhraní mezi spojovanými povrchy ve snaze o vyrovnání energií rovnovážné struktury.

Při difuzních jevech jde především o objemovou difuzi, difuzi po hranicích zrn a v menší míře o povrchovou difuzi.

Hlavními parametry difuzního svařování jsou teplota, tlak a čas svařování.

Teplota svařování

Teplota je důležitý parametr, protože tepelně aktivované procesy v kovových materiálech začínají při vyšších teplotách, např. v oceli okolo 400–500 °C. Při těchto teplotách dochází už k difuzi, dislokačním reakcím, ale i precipitačním procesům nebo procesům změkčení. Teplota svařování závisí na tavicí teplotě (Tt) svařovaných materiálů, přičemž u dvou rozdílných kovů se řídí nižší tavicí teplotou kovu. Výrazně ovlivňuje rychlost difuze jednotlivých prvků ve svařovaných materiálech a zvyšuje plasticitu kovů. Teplotní závislost koeficientu difuze je možné vyjádřit vztahem [2]:

kde D je difuzní koeficient při teplotě T, D0 je teplotně nezávislá konstanta, Q je aktivační energie difuze, T je absolutní teplota a k je Boltzmannova konstanta. Z rovnice vyplývá, že procesy, které jsou kontrolované difuzí, závisí exponenciálně na velikosti teploty, tedy že i malé změny teploty mohou mít významný vliv na kinetiku difuze.

Obecně začínají výraznější difuzní procesy při teplotách nad 0,5 Tt a proto se pro difuzní svařování se doporučuje obvykle teplota 0,6–0,8 Tt. Spojované součásti se mohou ohřívat v peci nebo pomocí indukčního či odporového ohřevu.

Čas svařování

Doba svařování (doba setrvání na teplotě svařování) je velmi úzce závislá právě na teplotě a volí se tak, aby byla zajištěna dostatečná difuze vzhledem k velikosti svařovaných ploch. Z Fickova zákona je možné spočítat difuzní dráhu pro migrující atomy x v závislosti na použité teplotě následovně:

Experimenty různých autorů ukazují [1, 4], že prodloužení doby svařování a zvýšení tlakové síly zvyšuje pevnost spoje do určité hranice. Za touto hranicí se již další zvýšení pevnosti nezíská. Z toho vyplývá, že při difuzním svařování není doba setrvání na teplotě tím nejdůležitějším parametrem. Proto se čas svařování může pohybovat v poměrně širokém rozmezí hodnot od několika sekund do několika hodin.

Při nastavení krátké doby svařování nedojde k ukončení procesů, které vedou ke vzniku těsného kontaktu, eliminaci povrchových kontaminantů procesy vnitřní oxidace, a tedy navázání sil kovové vazby. Na druhé straně, při dlouhé době svařování může v důsledku difuze dojít i k nežádoucím procesům tvorby intermediálních nebo intermetalických fází, které mohou zvýšit křehkost fázového rozhraní.

Tlak při svařování

Během svařování je nutné, aby na spojované povrchy působil tlak kolmý na rovinu spoje. Použitý tlak je opět vázaný na ostatní procesní parametry – teplotu a čas svařování. Účelem zvýšeného tlaku je vytvoření vzájemného kontaktu spojovaných povrchů. Svařovací tlak musí zaručit přiblížení spojovaných ploch na takovou vzdálenost, aby mohla nastat difuze v celé ploše, ale současně nesmí být příliš velký, aby nedošlo k tvorbě makroskopické deformace. Působením tlaku při teplotách, při kterých dochází k tepelně aktivovaným procesům, dochází i k tečení (krípu) zejména vrcholků mikronerovností v kontaktní ploše. V případě složitých tvarů může být vzájemná poloha svařovaných součástí fixována tím, že se díly umístí do vhodné zápustky. Tlak se volí v závislosti na mechanických vlastnostech, chemickém složení materiálu, velikosti svařovací teploty a druhu mezivrstvy. Pro svařování oceli je vhodný tlak v rozmezí 10 až 20 MPa.

Parametry svařování musí být ve vzájemném souladu, tak aby teplota svařování umožnila nastartovat tepelně aktivované procesy a aby tlak vedl k lokální plastizaci vrcholků nerovností stykových ploch. Kvalita difuzního spoje se v podstatě určuje především správnou volbou teploty svařování.
Kromě uvedených hlavních parametrů svařování budou mít na průběh svařovacího procesu a kvalitu svarového spoje vliv i další faktory, např. velikost vakua, způsob ochlazování, čistota a drsnost povrchu, způsob opracování a čištění svarových ploch, druh použité mezivrstvy apod.
Jednu z rozhodujících úloh má z tohoto pohledu kvalita povrchu svařovaných dílů. Při difuzním svařování se vyžaduje, aby svarové plochy byly kovově čisté, opracované na požadovanou drsnost a aby byly odmaštěné. Čím hladší a čistší jsou svarové plochy, tím lepší bude i kvalita svarových spojů. Důležitou úlohu zde hrají i vlastnosti povrchových oxidů.
Velice důležité je i prostředí, ve kterém svařování probíhá. Převážně se difuzní svařování provádí ve vakuu (p = 10-1 až 10-2 Pa), přičemž velikost vakua má vliv na kvalitu spoje i rychlost svařování. Méně často se svařuje při sníženém tlaku v ochranných plynech nebo v taveninách solí různých kovů.
Použití vakua při svařování umožňuje získat spoj s minimálním obsahem škodlivých příměsí i při svařování aktivních kovů, které jsou velmi náchylné na styk s kyslíkem a ostatními vzdušnými plyny. Vakuum je výhodnější než ochranná atmosféra inertních plynů, protože se dá snadněji získat a kontrolovat, navíc náklady na dopravu a skladování inertních plynů tím odpadají [4].

Přechodové materiály

Při difuzním svařování se často používají přechodové materiály, tzv. mezivrstvy. Ty jsou vkládány mezi svařované povrchy ve formě fólií, prášků, nebo jsou galvanicky vyloučeny, případně žárově nastříkány. Materiály mezivrstev jsou nejčastěji plastické kovy – Ni, Ti, Co, Cu, Mo, Fe atd. Uvedené přechodové materiály mohou současně zajistit čištění povrchů, správný průběh difuze při nižších teplotách, plastické tečení, přizpůsobení povrchů při nízkých hodnotách tlaků a zamezení vzniku intermetalických sloučenin [6].

Výhody a nevýhody difuzního svařování

Difuzní svařování má celou řadu výhod: nejsou potřeba přídavné materiály (drahé pájky, elektrody, svařovací dráty, ochranné plyny, tavidla apod.), je možné vzájemně svařovat tenkostěnné a silnostěnné materiály stejného i rozdílného chemického složení. Při svařování nevzniká licí struktura, netvoří se okuje, struska ani výronky, což vylučuje ztráty materiálu. Hmotnost konstrukce se tím nenavyšuje a odpadá nutnost mechanického obrábění. Součásti se při tomto způsobu svařování nedeformují a vlastnosti kovů v oblasti spoje se nemění. Svařování probíhá při nižších teplotách a menších tlacích, nevznikají tedy nerovnovážné struktury a odpadá tak nutnost tepelného zpracování a zvyšuje se jakost a životnost výrobků. Spoje mají vyhovující pevnostní vlastnosti a vyhovují i z hlediska tvárnosti, tepelné a korozní stálosti, takže výrobky mohou být i velmi přesné.

Nevýhodami difuzního svařování jsou zejména: omezení rozměrů svařovaných součástí velikostí vakuové komory, vysoká pořizovací cena zařízení, někdy dlouhé svařovací časy a náročná příprava svarových ploch.

Z hygienického hlediska však nevzniká při tomto způsobu svařování škodlivé světelné záření ani jemně rozptýlený prach, plyny nebo kovové páry, které obvykle vznikají při tavných způsobech svařování.

Difuzní svařování může být velmi produktivní metoda výroby součástí, která se dá lehce automatizovat. Umožňuje spojovat jedním úkonem velké množství součástí, při vysokém koeficientu využití materiálů.

Svarové spoje se vyhotovují podle potřeby na zařízeních, které vyhovují z hlediska ohřevu, pracovního prostředí (vakuum nebo ochranná atmosféra), tvaru a rozměrů součástí apod. Příklady svařovacích zařízení jsou uvedeny na obrázku 3.

Ladislav Kolařík, Marie Kolaříková, Karel Kovanda, Petr Vondrouš
Příspěvek vznikl v rámci počáteční studie výzkumného projektu SGS ČVUT 2010 č. OHK 2-038/10.

ČVUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav strojírenské technologie

Použité literární zdroje:

[1] Turňa, M. Špeciálne metódy zvárania. Alfa, Bratislava, 1989.
[2] Hrivňák, I. Zváranie a zvaritelnosť materiálov. STU v Bratislavě, Bratislava, 2009.
[3] Kazakov, N. F. Difuzní svařování. SNTL, Praha, 1983, 272 s.
[4] Kazakov, N. F. O processe obrazovani jaso jedinenija materialov při diffuzionnojv svarke, Svaročnoje proizvodstvo, č. 9, 1973, s. 48–50.
[5] Kazakov, N. F. Diffuzionaja svarka v vakuume, Moskva, Mašinostrojenije, 1968, 332 s.
[6] Kolektiv autorů. Technologie svařování a zařízení. Zeross, Ostrava, 2001.

Ladislav.kolarik@fs.cvut.cz