Особенности конструкции металлостеклянных и металлокерамических узлов

Конкретные технологические меры зависят от типа сварного соединения металл+неметалл, его конструкции и

Конструкции узлов металлов с неметаллами разделяют на три группы (рис. 36.1).

1. Соединения, в которых металл охватывает стекло или керамику, при этом ТКЛР металла имеет большее значение, чем неметалла. Такие соединения называют охватывающими (рис. 36.1, а—в).

2. Соединения, в которых керамика или стекло охватывают металлическую деталь, называют внутренними спаями или соединениями (рис. 36.1, г).

3. Соединения, когда металлическая деталь сочленяется с неметаллической по плоскости торца; поэтому они и называются плоскими или торцовыми соединениями (рис. 36.1, д—ж).

Возникновение больших и опасных напряжений в таких соединениях компенсируют следующими способами: использованием металлов небольших толщин и возможно меньшего диаметра; применением для соединений пластичных материалов, позволяющих несколько ослаблять напряжения; использованием более низких температур при получении соединения, а также применением медленного охлаждения в процессе сварки с чередованием промежуточных отжигов.

Чем больше «стеклянной» составляющей в ситалле или керамике, тем диффузионная свариваемость с металлом лучше.

Неразъемное соединение столь разнородных элементов относится к сложной задаче теоретической и практической сварки, многие лучшие модели сварочных инверторов окажутся неприменимы для ее решения. Следует пояснить, что технический термин «стекло» значительно шире его обывательского восприятия. В технике стеклом называют материал аморфной (значит, не проводящей электрической ток) структуры, получаемой сплавлением оксидов разнообразных элементов. То есть имеются «стекла» на основе оксидов кремния, фосфора и бора, как и на базе свинца, алюминия или натрия. К основным классам технических стекол относятся:

§ Силикатное или кремниевое, полностью состоит из SiO₂. Двуокись кремния в значительном количестве входит и в другие классы, ее процент указан в скобках;

§ Боро-силикатное (до 81 % SiO₂);

§ Известково-натриевое (70-72 %);

§ Свинцовое (более 68 %).

Стеклянные соединения используются в дизайне и интерьере, электротехнике и приборостроении. Незаменима их роль в создании электровакуумных приборов, прочных и прозрачных лицевых панелей для современной компьютерной техники и мобильных коммуникаторов. Многие разновидности технических стекол изначально разрабатываются для последующей сварки (сплавления) с металлами. Подобные соединения сложны, к ним предъявляются высокие качественные требования. В качестве аппаратного решения используется специализированное и надежное сварочное оборудование EWM можно упомянуть и другие бренды.

Ситаллами называются соединения, близкие по физико-химическим свойствам к стеклу и подвергшиеся определенным модификациям. Изменения касаются легирования ситаллов различными примесными добавками, последующим отжигом либо комбинации термообработки и легирования. Ситаллы обладают значительной прочностью (куда выше, чем у обычных стекол), большой термической стойкостью и сравнительно малым весом (меньше, чем у стандартных алюминиевых сплавов).

Их электрические свойства варьируются от полупроводниковых до полностью диэлектрических, что перспективно для миниатюрной электротехники. Есть технологии получения прозрачных ситаллов, чем они выгодно отличаются от непрозрачной керамики. Используются ситаллы в ответственной микроэлектронике и космической технике, в ядерной энергетике и высокоточном оружии – и везде сварка ситаллов становится актуальной задачей, ибо их эксплуатационные преимущества требуют прочного и долговечного контакта с металлом.

Керамика традиционно используется в электротехнике и приборостроении, от привычных диэлектриков до пьезоэлементов, композитных сплавов, ферритов и корундов. Расчет и конструирование сварочного узла керамика+металл, стекло+металл и ситалл+металл – важная и сложная задача перспективной сварки. На ее решение направлены значительные научные силы и производственные мощности, разрабатываются лучшие модели сварочных инверторовдля каждого конкретного сплава и с универсальными возможностями. Все эти разработки базируются на нескольких базовых свойствах таких узлов.

Во-первых, коэффициент температурного расширения неметаллических материалов изменяем – стало быть, можно подобрать максимально близкое значение такого коэффициента к металлической составляющей единого узла. Медь и алюминий, железоникелевые и нержавеющие сплавы, никель и титан, ряд редкоземельных металлов обладают хорошей свариваемостью с керамикой и стеклом – если иметь в виду теоретическую возможность такой сварки.

Во-вторых, даже при схожести КТР (коэффициента температурного расширения) между керамикой/стеклом и металлическим сплавом сваривание плавлением выполнить крайне непросто. Подобный стык будет прочен механически, но структурные изменения в ЗТВ необратимо испортят эксплуатационные достоинства неметаллической детали. Поэтому чаще применяется диффузионная сварка композитных стыков. Чем больше «стеклянной» составляющей в ситалле или керамике, тем диффузионная свариваемость с металлом лучше.

Однако самое надежное сварочное оборудование EWM или специализированный Esab не могут гарантировать дефектообразования в процессе сплавления. Основным дефектом становятся трещины в металлостеклянных и металлокерамических соединениях, опасные для любой сварки. Вероятность их возникновения снижается при схожести КТР исходных материалов, при уменьшении сечения металлических деталей будущего соединения и соответствующей подготовке к сварочным работам.

Разнообразие соединений стекла, ситалла и керамики довольно велико, да и металлы с ними сплавляются различные. Предсварочная подготовка неметаллических деталей состоит из трех операций, выполняемых комплексно либо по отдельности:

§ Химическое травление поверхности;

§ Высокотемпературный отжиг;

§ Слабое травление в сочетании с ультразвуковой обработкой.

Металлические детали также подвергаются обязательной очистке от загрязнений и жирных пятен. После механической зачистки детали из Fe, Ni, Co, W, Mo, Mg могут подвергаться процедуре создания поверхностных оксидов – диффузионное сваривание с керамикой и стекло существенно облегчается с помощью таких оксидных пленок, пусть даже минимальной толщины.

Конструктивно соединения ситаллов/керамики/стекол с металлами выполняются по трем схемам:

§ Охват. Металлический проводник полностью или частично облегает неметаллическую деталь по внешнему контуру. Надежное и сравнительно простое соединение, рекомендовано при разнице КТР в пользу металлической составляющей сварного узла;

§ Вставка – в керамике/стекле имеется технологическое отверстие, куда плотно вставляется проводник и заваривается диффузионным методом. Схема актуальна при разнице КТР в пользу неметаллической составляющей сварного узла;

§ Торцевое сваривание выполняется, когда вставка и охват невозможны по технологическим или конструктивным причинам. Надежность торцевого стыка достаточно проблемна, даже при использовании специальных технических приемов (минимизация сечения деталей, многоступенчатый отжиг и охлаждение и др.)

На практике диффузионная сварка сложных узлов из разнородных материалов предполагает использование вспомогательных прослоек и промежуточных прокладок – для сглаживания разницы температурного расширения и предотвращения образования трещин. Конкретные технологические меры зависят от типа сварного соединения металл+неметалл, его конструкции и эксплуатационного назначения.