Заваряването чрез дифузионно свързване, наричано още дифузионно заваряване, е процес на свързване в твърдо- състояние, който използва контролирана топлина, налягане и време за свързване на плътно прилепнали повърхности без разтопяване на основните материали. Качеството на фугата зависи от подготовката на повърхността, съвместимостта на материала, температурата, приложеното налягане и времето на задържане.
Терминът понякога се бърка с дифузионно запояване или преходно свързване в течна фаза. Тези процеси са свързани, но не са идентични. Конвенционалното дифузионно свързване поддържа повърхността на съединението в твърдо състояние, докато дифузионното запояване използва междинен слой, който временно става течен.
Тази статия обяснява как работи процесът на дифузионно свързване, кои променливи влияят на резултата и как процесът се прилага за ламинирани медни и алуминиеви проводници.
Какво е дифузионно свързващо заваряване?
Заваряването чрез дифузионно свързване е процес, при който две подготвени повърхности се държат заедно при контролирана температура и налягане. Близкият контакт на интерфейса позволява свързването да се развие през свързващите повърхности с течение на времето.
Основните материали остават под техните температури на топене. Топлината увеличава подвижността на материала, докато налягането привежда повърхностите в интимен контакт и помага за затваряне на микроскопични празнини. Периодът на задържане позволява интерфейсът да се развие в свързана връзка.
Дифузионното свързване и дифузионното заваряване обикновено се използват като имена за един и същ процес в твърдо-състояние. Методът може да се приложи към подобни или различни материали, въпреки че различните комбинации изискват допълнително внимание към термичното разширение, образуването на оксид и възможните реакции на интерфейса.
Според описанието на TWI за дифузионно свързване, състоянието на повърхността, температурата, налягането и работната атмосфера са важни фактори за постигане на здрава връзка.
Дифузионно залепване срещу дифузионно запояване
Дифузионното свързване не трябва да се използва като общо име за всеки процес на свързване, който включва атомна дифузия.
Дифузионното запояване, известно също като преходно течнофазово свързване, използва междинен слой с ниска-топяемост. Междинният слой се топи по време на нагряване и образува временна течна фаза. Тъй като елементите дифундират между междинния слой и основните материали, съставът на фугата се променя и течността се втвърдява, докато температурата все още се поддържа.
Конвенционалното дифузионно-свързване в твърдо състояние не зависи от тази временна течна фаза.
| Характеристика на процеса | Твърдо{0}}дифузионно свързване | Дифузионно запояване или TLP залепване |
| Състояние на интерфейса | Интерфейсът остава солиден | Междинният слой образува временна течна фаза |
| Пълнител или междинен слой | Обикновено не е необходимо за подобни материали | Обикновено се изисква подходящ междинен слой-с ниска топимост |
| Основен свързващ механизъм | Повърхностен контакт, локална деформация и-дифузия в твърдо състояние | Топене, омокряне, дифузия и изотермично втвърдяване |
| Основни контроли | Състояние на повърхността, температура, налягане, време и атмосфера | Състав на междинния слой, температура, време и реакции на интерфейса |
| Типични приложения | Слоести структури, топлообменници, аерокосмически компоненти и проводници | Силова електроника, микроелектроника и избрани съединения за висока{0}}температура |
Разграничението е важно при избора на оборудване. Системата за дифузионно свързване-базирана в пещ, системата за свързване TLP и апаратът за дифузионно заваряване на-медно фолио със съпротивление не използват непременно едни и същи инструменти, атмосфера или цикъл на процес.
Как работи процесът на дифузионно свързване?
Един практически процес на дифузионно свързване може да бъде разделен на пет основни етапа.
1. Подгответе повърхностите за залепване
Повърхностите трябва да са достатъчно чисти, за да осъществят плътен и повтарящ се контакт. Масло, свободен оксид, остатъци от полиране и частици могат да предотвратят свързването на участъци от интерфейса.
Подготовката на повърхността зависи от материала и изискванията за продукта. Може да включва механична обработка, контролирано абразия, обезмасляване или друг одобрен процес на почистване. Почистените повърхности трябва да бъдат защитени от ненужно боравене и замърсяване преди сглобяване.
Плоскостта и покритието на повърхността също влияят върху реалната контактна площ. Визуално плоската повърхност все още съдържа микроскопични високи и ниски точки. Приложеният натиск първоначално действа върху по-високите точки, така че прекомерната грапавост или лошата плоскост могат да оставят незалепени зони.
Почистването само по себе си не може да коригира лошо монтираната става. Подготовката на повърхността, размерите на детайлите и подравняването на приспособленията трябва да се разглеждат заедно.
2. Сглобете и подравнете частите
Компонентите са позиционирани в приспособление или инструментална система, която поддържа свързващите повърхности подравнени. За купчина медно или алуминиево фолио, слоевете трябва да бъдат подредени равномерно, така че гънки, уловени частици или неравни ръбове да не нарушават разпределението на налягането.
Приспособлението трябва да поддържа детайла, без да блокира необходимия път на тока, пренос на топлина или движение на инструмента. Ако само част от зоната на залепване получи достатъчна сила, завършеното съединение може да съдържа локални празнини, дори когато настройките на машината изглеждат правилни.
Преди загряване проверете:
- Степен на материала и състояние на повърхността
- Дебелина и брой слоеве
- Свързваща площ и крайно напречно-сечение
- Позиция на съединението вътре в инструмента
- Контакт между притискащите повърхности и детайла
- Необходими готови размери
Тези подробности трябва да бъдат записани като част от графика за заваряване.
3. Приложете контролирана топлина и налягане
Топлината увеличава скоростта на движение на материала на повърхността. Налягането подобрява контакта между повърхностите и помага за затваряне на микроскопични празнини.
Топлината може да бъде доставена от пещ, индукционна система, електрическо съпротивление или друг контролиран източник. Правилният метод зависи от детайла, материала и производствения процес.
Налягането може да се прилага механично, хидравлично, пневматично или чрез комбинирана силова система. Отчитането на въздушно-налягане на машината не трябва автоматично да се третира като действително налягане в съединението. Областта на обработка, размерът на цилиндъра и механизмът на машината влияят върху силата, приложена към детайла.
Температурата и налягането трябва да бъдат разработени за конкретната комбинация от материали. Увеличаването на която и да е стойност не води автоматично до по-добро съединение. Твърде малко топлина или сила може да доведе до непълно свързване, докато прекомерните условия могат да причинят нежелана деформация, повреда на повърхността или проблеми с инструментите.
4. Дръжте ставата при стабилни условия
Частите остават под контролирана температура и сила за определен период. По време на този етап интерфейсът се развива, тъй като контактът се подобрява и дифузията протича през свързващите повърхности.
Времето на задържане зависи от:
- Тип материал
- Температура на залепване
- Приложено налягане
- Подготовка на повърхността
- Ставна зона
- Брой и дебелина на слоевете
- Метод за отопление на оборудването
- Необходими свойства на ставите
По-дългото време на задържане не винаги е по-добро. Това може да увеличи времето на цикъла и може да допринесе за прекомерна деформация или нежелани реакции на интерфейса в някои комбинации от материали.
Целта е да се установи технологичен прозорец, който произвежда повтаряща се връзка при нормални производствени условия.
5. Охладете и проверете връзката
Съединението се охлажда съгласно валидирания процес. Може да се наложи да се поддържа сила по време на част от етапа на охлаждане, за да се защити ставата и да се контролира движението.
Детайлът не трябва да се отстранява само защото програмираното време за нагряване е приключило. Условията на освобождаване трябва да вземат предвид температурата на детайла, температурата на инструмента и риска от деформация.
След отстраняване фугата се проверява с помощта на методите, изисквани от спецификацията на продукта. Външният вид е полезен за идентифициране на повърхностни проблеми, но не може да потвърди пълното състояние на вътрешния интерфейс.
Параметри, които влияят върху качеството на дифузионното залепване
Настройките за дифузионно свързване не могат да се избират само от дебелината на материала. Един използваем запис на процеса трябва да идентифицира материала, състоянието на повърхността, областта на съединението, инструментите и изискванията за проверка.
| Параметър | Ефект върху процеса | Какво трябва да се запише |
| Комбинация от материали | Влияе върху поведението на оксида, дифузията и реакциите на интерфейса | Степен, състояние, покритие и междинен слой, ако се използва |
| Подготовка на повърхността | Влияе върху чистотата и реалната контактна площ | Метод на почистване, повърхностна обработка и време преди залепване |
| Температура на залепване | Влияе върху реакцията на материала и скоростта на дифузия | Настройка на температурата, действителен профил и позиция на измерване |
| Приложена сила или натиск | Контролира контакта и деформацията на интерфейса | Сила, натоварена площ и разположение на инструмента |
| Време на задържане | Влияе върху развитието на връзката и производствения цикъл | Ефективно време при необходимите условия на процеса |
| Обработваща атмосфера | Влияе върху окисляването и повърхностните реакции | Вакуум, защитен газ или действителна производствена среда |
| Състояние на инструмента | Влияе на топлообмена и разпределението на налягането | Материал на инструмента, състояние на контактната повърхност и подравняване |
| Охлаждащ цикъл | Влияе върху отделянето на части и стабилността на размерите | Метод на охлаждане и условия на освобождаване |
Когато разработвате процес, коригирайте една основна променлива наведнъж и проверявайте резултата. Една единствена приемлива проба не е достатъчна, за да се установи производствен график. Опитите трябва да включват предвиденото темпо на производство и представителни условия на инструментална екипировка.
Дифузионното залепване винаги ли изисква вакуум?
Не. Вакуумните пещи се използват широко за конвенционално високо{1}}температурно дифузионно свързване, защото помагат за контролиране на окисляването и осигуряват стабилна среда за обработка. Вакуумът обаче не е универсално изискване за всеки материал или всеки индустриален метод на дифузионно заваряване.
Необходимата атмосфера зависи от:
- Чувствителност на материала към окисление
- Температура на залепване
- Подготовка на повърхността
- Съвместен дизайн
- Метод на нагряване
- Използване на междинен слой
- Задължително съвместно изпълнение
Някои системи работят под вакуум, докато други използват инертен газ или друга контролирана среда. Оборудването за-заваряване на резистентно нагрято фолио може да използва различен процес от системата за дифузионно свързване-на базата на пещ.
Доставчикът на оборудването не трябва да твърди, че дадена машина осигурява обработка с вакуум или-защитна атмосфера, освен ако тази функция действително не е включена.
Какви материали могат да бъдат дифузионно залепени?
Дифузионното свързване може да се обмисли за набор от метали и избрани не-метални материали. Осъществимостта зависи от точния клас, повърхностния оксид, термичното разширение, температурата на обработка и необходимите свойства на съединението.
Обикновено оценяваните материали включват:
- Мед и медни сплави
- Алуминий и алуминиеви сплави
- Титанови сплави
- Неръждаеми стомани
- Сплави на-основа на никел
- Избрани различни{0}}метални комбинации
- Слоести метални фолиа
Подобни материали обикновено са по-лесни за оценка, тъй като тяхното термично и металургично поведение е по-тясно съвпадащо. Различните материали могат да образуват крехки фази, да претърпят неравномерна деформация или да реагират по различен начин по време на нагряване и охлаждане.
За по-широко обсъждане на материалите вижте кои материали могат да бъдат залепени чрез дифузия.
Името на материала само по себе си не е достатъчно, за да одобри процес. Пълната комбинация-включително качество, дебелина, състояние на повърхността и всяко покритие-трябва да бъде оценена.
Как се инспектира дифузионно-залепено съединение?
Проверката трябва да се основава на функцията на готовия компонент. Нито един тест не е подходящ за всеки дифузионно{1}}свързан продукт.
| Метод на проверка | Какво може да покаже | Ограничение |
| Визуална проверка | Обезцветяване, деформация, увреждане на повърхността и очевидно отделяне | Не може да се потвърди пълният вътрешен интерфейс |
| Проверка на размерите | Крайна дебелина, ширина, плоскост и точност на позициониране | Не измерва директно силата на свързване |
| Напречно-изследване | Състояние на интерфейса, локални празнини и деформация | Представлява само подготвената секция |
| Механично изпитване | Поведение при опън, срязване, отлепване или друго определено натоварване | Методът на изпитване и геометрията на пробата оказват влияние върху резултата |
| Изпитване на електрическо съпротивление | Проводими характеристики на медни или алуминиеви връзки | Не замества механични или металографски проверки |
| Мониторинг на процесите | Промени в тока, температурата, силата или времето на цикъла | Записаните променливи не доказват автоматично съвместно приемане |
Критериите за приемане трябва да произтичат от чертежа, спецификацията на клиента или договорения производствен стандарт. Една фуга не трябва да се одобрява само по външен вид.
За одобрение на производството, запишете тествания материал, състоянието на инструмента, настройките на машината и резултата от проверката. Повторете тестването след значителни промени в параметрите на материала, инструментите или процеса.
Поискайте пробен тест за дифузионно заваряване
Често задавани въпроси относно дифузионното залепване
Въпрос: Дифузионното залепване същото ли е като дифузионното заваряване?
A: Да. Дифузионното свързване и дифузионното заваряване обикновено се използват за един и същ процес на свързване в твърдо- състояние. Дифузионното запояване или TLP свързването е различно, защото образува временен течен междинен слой.
Въпрос: Дифузионното свързване стопява ли основния метал?
A: Конвенционалното дифузионно свързване не разтапя основните материали. Топлината и налягането привеждат подготвените повърхности в близък контакт, така че интерфейсът да може да се развие във връзка.
В: Дифузионното свързване изисква ли допълнителен метал?
О: Дифузионното свързване на подобен-материал в-твърдо състояние обикновено не изисква пълнител. Междинен слой може да се използва за някои различни комбинации или специални процеси, но това не трябва автоматично да се описва като дифузионно запояване.
Въпрос: Какви параметри влияят върху качеството на дифузионното залепване?
О: Основните променливи са съвместимост на материала, състояние на повърхността, температура на свързване, приложено налягане, време на задържане, инструментална екипировка и атмосфера на обработка.
Въпрос: Дифузионното залепване същото ли е като съпротивителното заваряване?
О: Не. Дифузионното свързване описва механизма на свързване, докато електрическото съпротивление може да се използва като метод за генериране на топлина в някои съоръжения. Конвенционалното точково или шевно съпротивително заваряване образува фуги чрез различен цикъл на топлина-и-време.
В: Могат ли медта и алуминият да бъдат дифузионно свързани?
О: И двата материала могат да се считат за дифузионно свързване, но те изискват различна подготовка на повърхността, инструменти и развитие на процеса. Съединенията от мед-към-алуминий се нуждаят от отделна оценка поради различното им физическо и металургично поведение.
