2.1 Difúzní svařování
2.1.1 Definice difúzního svařování
Difúzní svařování se řadí mezi způsoby svařování tlakem, které probíhá za nižších tep-lot, než je teplota tavení základních materiálů. Využitím dostatečného tlaku je vyvolána místní plastická deformace, při níž jsou k sobě materiály přiblíženy na takové vzdále-nosti, že začínají působit vazebné síly na úrovni atomové mřížky. [3]
Jedná se o proces svařování, při kterém je materiál ohřát na požadovanou teplotu za kontrolovaného tlaku a po určitý čas tak, aby pomocí difúzního toku atomů byla pře-konána mezera ve styčných plochách jak v tuhém, tak i v kapalném skupenství (při pou-žití roztavené mezivrstvy). Za těchto podmínek je dosaženo kompaktního spojení mezi dvěma spojovanými částmi. Kvalita a pevnost svarového spoje může za příhodných podmínek dosáhnout mechanických vlastností základního materiálu. [3]
Vzhledem k důležitosti difúze, která hraje při difúzním svařování velice podstatnou roli, bude tento děj v následujících odstavcích vysvětlen podrobněji.
13 2.1.2 Difúze
Výskyt difúze je založen na změnách, které je možné zkoumat na kovech a slitinách jako je např. růst zrna, zotavení a rekrystalizace, chemicko-tepelné zpracování, svařová-ní tlakem atd. Difúze je rozdělena na dva druhy, a to na samodifúzi a heterodifúzi. [3]
2.1.2.1 Samodifúze
Jedná se o proces, při kterém se jednotlivé atomy uloží do základní mřížky. Podstatou tohoto procesu je základní difúzní síla, která je vyvolána zmenšením chemického po-tenciálu Q, jednoduše řečeno se difúze může uskutečnit při vzniku gradientů napětí, při vzniku gradientů teploty, ale nejvýznamnější vliv má především při vzniku gradientů koncentrace. Proces samodifúze je zobrazen na obr. 2.1. [3]
Obr. 2.1 Zobrazení samodifúze v závislosti koncentrace na vzdálenosti [6]
Poznatky o koncentraci jsou shrnuty ve Fickových zákonech. Podle prvního Fickova zákona (2. 1.) je difúzní tok JA atomů prvku A za určitý čas ve směru osy a přes jednot-ku plochy závislý na gradientu koncentrace elementu a úměrný koeficientu difúze D. Jednoduše řečeno, první Fickův zákon vyjadřuje, jak velké množství atomů a iontů a jakou rychlostí difunduje materiálem. [4]
= − (2. 1.)
14
V případě proměnného difuzního toku se uvažuje změna koncentrace v závislosti na čase. Jedná se o nestacionární difúzi, která je popsána dle druhého Fickova zákona (2. 2.):[3]
= (2. 2.) kde CA je koncentrace prvku A, x je směr změny koncentrace difúze, t je čas změny koncentrace a D je koeficient difúze. [4]
V tab. 2.1 je uveden koeficient difúze D pro vybrané materiály. Z tabulky je patrné, že koeficient difúze je závislý na teplotě.
Tab. 2.1. Koeficient difúze pro určité materiály [7]
Tabulka difúzních koeficientů pro vybrané slitiny
Složení Teplota
15 se energie kmitání samostatných atomů mění nahodile. [3,6]
Názorný příklad je znázorněn na dvou odlišných článcích tvořených z čistých složek mědi a niklu. Obr. 2.2 představuje materiály, u nichž dochází k difúzi, pozici atomů a rozložení atomů napříč rozhraním před zvýšením teploty. Na obr. 2.3 jsou difúzní články po určitou dobu zahřáty (na nižší teplotu než je teplota tání obou kovů) a násled-ně ochlazeny na pokojovou teplotu. Výslednou analýzou bylo zjištěno, že se násled-některé atomy z okrajů materiálů přesunuly, neboli difundovaly a naopak. Tento proces se na-zývá vzájemná difúze nebo difúze příměsí. [6]
Obr. 2.2 (a) Jednotlivé články tepelném zpracování vytvoří slitina mě-di a niklu. (b) Rozmístění atomů po te-pelném zpracování. (c) Koncentrace mědi a niklu napříč článkem po tepel-ném zpracování. [6]
16 2.1.3 Stádia difúzního svařování
K vytvoření pevné vazby je důležité povrchy přiblížit natolik, aby jejich vzájemné pů-sobení bylo maximální. Požadovaného spoje je dosaženo bez relativního pohybu nebo viditelné deformace vzorků. [8]
Proces difúzního svařování je rozdělen na tři stádia viz obr. 2.4:
a) Počáteční kontakt obou povrchů obrobků, které se vlivem nerovnosti povrchů dotýkají pouze vrcholky.
b) První stádium je vlivem tlaku a aplikačního tepla charakterizováno deformací zrna na rozhraní obrobků.
c) Ve druhém stádiu dochází k přemisťování vakancí a dislokací při počátku vzá-jemné difúze atomů.
d) Třetí stádium je charakterizováno růstem nového zrna přes rozhraní, kdy postu-pem času dochází k vymizení původní hranice mezi spojovanými povrchy ve snaze o vyrovnání energií rovnovážné struktury. [8]
Obr. 2.4 Stádia vytváření difuzního spoje a) počáteční kontakt b) první stádium, defor-mace zrna na povrchu rozhraní c) druhé stádium, intenzivní difúze a mikrodefordefor-mace
d) dokonalý difuzní spoj [8]
17
2.1.4 Hlavní parametry ovlivňující difúzní svařování
Difuzní svařování je podmíněno a ovlivňováno třemi základními parametry. Tyto para-metry musí být vhodně zvoleny a následně pečlivě kontrolovány. Patří mezi ně teplota, tlak a doba výdrže při dané teplotě a tlaku. Celý proces svařování je přiblížen na obr. 2.5, kde je možné vidět celý pracovní cyklus difúzního svařování a princip di-fúzního svařování s indukčním ohřevem. [5]
Obr. 2.5 Levý obrázek určuje pracovní cyklus difúzního svařování, kde Tzv určuje teplo-tu, pV tlak a tZV je čas. Pravý obrázek přibližuje princip difúzního svařování indukčním
ohřevem. [4]
2.1.4.1 Teplota svařování
Teplota svařování je podmíněna především teplotou tavení základních materiálů.
Při svařování dvou heterogenních materiálů se teplota odvíjí od kovu s nižší teplotou tavení. Je experimentálně dokázáno, že difúzní koeficient roste s teplotou (obr. 2.6), což znamená, že rychlost difúze je zásadně ovlivněna teplotou. [4,5]
Obr. 2.6 Vliv teploty na difúzní koeficient [4]
18
Teplotní závislost koeficientu difúze je možné vyjádřit vztahem (2. 3.): [4]
= (2. 3.) kde D je difúzní koeficient při teplotě T, D0 představuje teplotně nezávislou materiálo-vou konstantu, která je závislá na struktuře, Qm je aktivační energie difúze, Rm určuje molární plynovou konstantu a T je absolutní teplota. Z uvedené rovnice vyplývá, že proces difúze je exponenciálně závislý na velikosti teploty, tedy i malé změny teploty mají značný vliv na kinetiku difúze. [4]
Svařovací teplota se pohybuje mezi 55 až 90% teploty tání daného materiálu. Podle N. F. Kazakova se považuje za optimální parametr 70% teploty tavení. Je ale snaha o snížení teploty za účelem eliminace degradace materiálu. [5]
Závislost difuzivity na teplotě pro vybrané binární soustavy je zobrazena na obr. 2.7. [9]
Obr. 2.7 Závislost difuzivity na teplotě v binárních soustavách [9]
19 2.1.4.2 Svařovací tlak
Nedostatečný tlak snižuje jakost svarového spoje díky malé stykové ploše, v níž dochází k difúzi na počátku svařování. To má za následek snížení mechanických vlastností, pro-tože nedošlo k difúznímu spojení v celé stykové ploše. Tlak má i další funkce, mezi které patří například rozrušení povrchových oxidů a udržení nutné čistoty spojovaných povrchů, které se uplatňuje zejména u svařování kovů s vysokou afinitou ke kyslíku jako je např. hliník. [3]
2.1.4.3 Svařovací čas
Svařovací čas bezprostředně souvisí s teplotou a tlakem při svařování, kdy správně zvo-lený čas zajišťuje vznik difúzního spojení v celé svarové ploše. Délka procesu se pohy-buje v závislosti na teplotě a tlaku v rozmezí od 3 do 60 minut. [5]
Provedené experimenty poukazují na to, že prodloužení doby svařování a zvýšení tla-kové sily zvyšuje pevnost pouze do určité hranice. Poté se již pevnost svarového spoje dále nezvyšuje. [3]
Při zvolení krátké doby svařování nedojde k ukončení difúzního procesu, kdy se neu-skuteční potřebné svarové spojení v celé stykové ploše dvou spojovaných součástí.
Naopak při dlouhé době svařování dochází u heterogenních spojů k nežádoucímu proce-su tvorby intermetalických fází. Dalším negativem při setrvaní na určité teplotě po dlouhou dobu je růst zrna, které významně snižuje výslednou pevnost svaru. [3]
Předpokládá-li se lineární deformace, lze určit svařovací čas dle vtahu (2. 4.), který je uveden dle M. Ch. Šoršorova, [4]
= ( ) (2. 4.)
kde A, B, m představují konstanty; σ je svařovací tlak; T je absolutní teplota svařování;
Q určuje aktivační energii difúze a k je Boltzmannova konstanta.[4] Vybrané materiály a základní svařovací parametry přibližuje (tab. 2.2).
20
Tab. 2.2. Parametry difúzního svařování u vybraných kombinací materiálů [4]
2.1.5 Další parametry ovlivňující difúzní svařování
Při difúzním svařování nemůžeme být zanedbána čistota a jakost svarových ploch mate-riálů. Tyto dva parametry mají významný vliv na výslednou pevnost svarového spoje.
Před samotným procesem svařování musí být svarová plocha opracována na požadova-nou drsnost a zároveň musí být odmaštěna. [5]
Svařované materiály Tsv
21
Obr. 2.8 Pevnost svarového spoje v závislosti na drsnosti povrchu [5]
Na obr. 2.8 je zobrazen heterogenní svar ocelí 19 436 a 12 060 uskutečněný za teploty 950°C při tlaku 20 MPa, kdy svařování probíhá ve vakuu po dobu 5 minut. Pro tuto kombinaci bylo dosaženo nejlepších pevnostních vlastností při drsnosti povrchu v rozmezí Ra je rovno 1,6 až 3,2. [5]
Obr. 2.9 Pevnost svarového spoje v závislosti na způsobu čištění povrchu [5]
Na obr. 2.9 jsou znázorněny různé pevnostní parametry, které jsou dosaženy různými způsoby čištění dvou rozdílných materiálů. Kvalita difúzního spoje je ovlivněna několi-ka dalšími aspekty, které nelze zanedbat. Mezi ně patří např. velikost vakua, způsob ochlazování či použití mezivrstvy. [5]
22
2.1.6 Využití v praxi, výhody a nevýhody difúzního svařování
Difúzní svařování se používá v takových případech, kdy nelze klasickými technologie-mi daný materiál svařovat, protože by to bylo náročné či nákladné. Jedná se zejména o žáropevné, velice tvrdé materiály nebo materiály s vysokou afinitou ke kyslíku. [4]
V praxi je difúzní svařování využíváno zejména ke spojení různých kombinací materiá-lů. Výhodou této metody je možnost vytvoření svaru mezi kovy a nekovy, jako je např. keramika s ocelí, sklo s různou kombinací kovů, hliník s ocelí apod. [3]
Difúzní svařování je oproti jiným konvenčním způsobům svařování charakterizováno řadou výhod, má však i své nevýhody. Mezi největší výhody patří to že:
Nejsou potřeba přídavné materiály (svařovací dráty, drahé pájky, apod.)
Možnost svarového spoje mezi kovy a nekovy
Při svařování nevzniká licí struktura, netvoří se okuje, struska ani výronky
Při procesu svařování se nezvětšuje hmotnost výsledné konstrukce
Tepelně ovlivněná oblast je příznivější než u tavného svařování
Kvalita svaru není přímo závislá na lidském faktoru
Samotný proces probíhá v hygienickém prostředí bez dýmu, prachu a záření
Nedochází k tavení kovu, a proto nevzniknou problémy s licí strukturou [3,5]
Největšími nevýhodami jsou:
Velikost svařených dílů je omezena velikostí vakuové komory
Zařízení pro difúzní svařování jsou velice nákladné
Náročnější a nákladnější úprava svarových ploch
Delší svařovací časy [3,5]
23
2.2 Teplotně-napěťový simulátor Gleeble 3500
S příchodem nových materiálů nastává problém s jejich následným uvedením do výro-by, které je často zdlouhavé a velice nákladné. Nové materiály umožňují zejména sní-žení hmotnosti výsledného výrobku při zachování příznivých mechanických podmínek.
Ke zrychlení testovací fáze přispěla významnou částí fyzická simulace. Jedná se o tes-tování výrobků za určitých teplotně-napěťových podmínek, které probíhají v laboratoři a simulují technologické zpracování materiálu. Výhodou oproti klasickým zkušebním testům je zejména využití malého testovacího vzorku, které přiblíží konečné změny sku-tečného dílu a jeho podmínky zpracování. Při správném nastavení mohou být výsledky fyzických simulací použity přímo v reálné výrobě. Mezi velice populární simulátory patří systém Gleeble od americké firmy Dynamic Systems Inc. [10]
2.2.1 Systém Gleeble 3500
Jedná se o servo-hydraulický plastometr americké firmy Dynamic Systems Inc., jenž splňuje nejnáročnější požadavky na dynamické, tepelně mechanické zkoušení a simula-ci. Existuje mnoho možností využití tohoto systému, mezi které patří například simulace difúzního nebo laserového svařování, teplotní únava materiálu, simulace objemového tváření a válcování za tepla, či testování vzniku trhlin za tepla. Systém Gleeble 3500 lze využít k výzkumu chování kovových materiálů za vyšších teplot, které se využívají zejména ke studiu difúze, tání a tuhnutí, rekrystalizace, růst zrna, či precipitace. [10,11]
Zařízení lze rozdělit na tři hlavní části. Jedná se o ovládací (řídící panel), hlavní jednot-ku využívající hydraulijednot-ku a transformátor k ohřevu a vlastní testovací zařízení. Jednot-livé části jsou ukázány na obr. 2.10. Základní výkonnostní parametry systému Gleeble 3500 uvádí tab. 2.3. [10]
24
Obr. 2.10 Systém Gleeble 3500, 1 řídící panel, 2 hlavní jednotka, 3 vlastní testovací zařízení [10]
Tab. 2.3. Vybrané výkonnostní parametry systému Gleeble 3500 [11]
Výkonnostní parametry Gleeble 3500
Maximální rychlost ohřevu 10 000 ̊C.s-1
Maximální ochlazovací rychlost 6 000 ̊C.s-1
Maximální zdvih 100 mm
Největší rychlost pohybu 1 000 mm.s-1
Maximální síla 10 000 N
Maximální průměr vzorku 20 mm
2.2.2 Komponenty a součásti systému Gleeble 3500
Zařízení se skládá z mnoha součástí a komponent, které tvoří systém jako celek. Hlavní jednotka využívá hydraulického systému, který slouží jako pohon samotného zařízení.
K hlavní jednotce je připojena mobilní jednotka. Požadovanou tahovou a tlakovou sílu zabezpečuje hydraulické čerpadlo, které dodává tlak hydraulickému systému v hlavní jednotce. Další důležitou součástí systému je vakuový systém, který má za úkol odčer-pání vzduchu z vakuové komory. Vytvořené vakuum brání vzorek před vysokoteplotní oxidací a zároveň poskytuje ochranu součástkám uvnitř vakuové komory. Díky vakuové pumpě je uvnitř pracovní komory vytvořeno vakuum větší než 10-1 Pa. Vakuový systém umožňuje zpětně naplnit vakuovou komoru inertním plynem, protože při teplotách
25
nad 1200 ̊C je problematické udržet dostatečné vakuum k ochraně testovaného materiá-lu. Velmi důležitou součástí systému je rovněž chladící zařízení. [10]
Přístroj Gleeble 3500 může dosáhnout velmi vysoké rychlosti ohřevu daného materiálu.
Je uplatňován při fyzických experimentech a tepelně-mechanických simulacích. Díky přímému odporovému ohřevu lze dosáhnout rychlosti ohřevu až 10 000°C.s-1. Tato rychlost se odvíjí především od průřezu vzorku, způsobu namáhání a volné délky vzor-ku mezi vysokoteplotními čelistmi viz obr. 2.11. [10,11]
Obr. 2.11 Schematické zobrazení volné délky vzorku mezi vysokoteplotními čelistmi [10]
Výhodou ohřevu za pomoci elektrického odporu se současným chlazením vzorku po-mocí vysokoteplotních upínacích čelistí je možné regulovat rychlosti ohřevu a výdrže na požadované teplotě s vysokou přesností ±1°C. K měření teploty vzorku lze využít infračervený pyrometr nebo termoelektrické články, které poskytují velice rychlou ode-zvu.[9] Vzorek je upnut do vysokoteplotních čelistí, které slouží jak k ohřevu, tak k ochlazování vzorku. Rychlost ohřevu a ochlazování se liší především podle druhu použitého materiálu, tvaru a materiálu čelistí. [10]
Systém Gleeble 3500 umožňuje využití celkem čtyř kanálů pro měření teploty. Na kaž-dý kanál může být připojen jeden termočlánek nebo může být jeden kanál využit k při-pojení pyrometru. Ke snímání teploty lze použít různé druhy termočlánků, které se liší chemickým složením a rozsahem teplotní aplikovatelnosti, ve které mohou být použity.
Systém Gleeble 3500 umožňuje použití termočlánků typu E, K, S, R a B. [10]
26
Při experimentech prováděných v této práci bude využit termočlánek typu K (tab. 2.4).
Jedná se o nejběžnější termoelektrický článek, který je použitelný v řadě aplikací. Díky jeho složení se vyznačuje odolností proti korozi. Termočlánky tohoto typu vykazují nejlepší výsledky v čistých oxidačních prostředích.[12] Použití tohoto termočlánku je výhodné jak z hlediska jeho teplotního rozsahu, tak i možností použití ve vakuu a inert-ních plynech případně na vzduchu. Správný výběr vhodného termočlánku je velice dů-ležité pro bezproblémový průběh testu. [10,12]
Tab. 2.4. Základní charakteristika termočlánku typu K [12]
Typ termočlánku Charakteristika
Způsob ohřevu vzorku v simulátoru Gleeble spolu s variabilitou upínacích vysokotep-lotních čelistí, umožňuje ve vzorku vytvořit různé teplotní gradienty. Při samotném tes-tování lze využít gradienty s vysokou rovnoměrností ve směru délky vzorku, ale i gradienty strmé. V případě difúzního svařování je snaha o co nejstrmější teplotní gra-dient, aby byla pracovní teplotou ovlivněna co nejmenší oblast svařovaného vzorku.
Výsledný gradient se odvíjí od druhu materiálu, teplotního a elektrického odporu, po-měru povrchu a objemu, ale také od volné délky vzorku, která byla ukázána na obr.
2.11. Můžeme říci, že čím je volná délka vzorku kratší, tím je dosaženo strmějšího tep-lotního gradientu. [10]
2.2.4 Výběr vhodného typu vysokoteplotních čelistí
V místě, kde vysokoteplotní čelisti upínají vzorek, dochází k vedení tepla, které snižuje teplotu v daném místě. Čelisti jsou navíc chlazeny vodou, což přispívá k intenzivnímu odvodu tepla. Výsledný teplotní gradient ovlivňuje zejména tvar vysokoteplotních čelis-tí, jejich materiál a volná délka mezi čelistmi. Podle tvaru rozdělujeme čelisti na čelisti s plným kontaktem a čelisti s částečným kontaktem. [10]
27
Při simulaci difúzního svařování jsou využity měděné čelistí s plným kontaktem. Díky vysoké tepelné vodivosti mědi a úplnému kontaktu čelistí se vzorkem dosáhneme poža-dovaného teplotního gradientu.
V praxi se nejčastěji setkáváme s měděnými čelistmi (Cu 99%) a s čelistmi z austenitic-ké vysokolegované oceli (X5CrNi18-8). Tyto materiály se velmi liší tepelnou vodivostí, proto lze pomocí nich dosáhnout různých teplotních gradientů. Na obr. 2.12. a 2.13.
jsou ukázány rozdílné teplotní gradienty podle použitých čelistí, pro volnou délku vzor-ku 30 mm. [10]
Obr. 2.12 Rozdílné teplotní gradienty měděných čelistí podle použitého typu čelistí a materiálu vzorku [10]
Obr. 2.13 Rozdílné teplotní gradienty ocelových čelistí podle použitého typu čelistí a materiálu vzorku [10]
28 2.3 Hliník a jeho slitiny
Podle posledních měření se zastoupení hliníku v zemské kůře pohybuje mezi 7,5-8,3%.
Patří mezi třetí nejvíce zastoupený prvek v zemské kůře hned po kyslíku a křemíku. v Austrálii, Guinei, Jamajce, Brazílii a Číně. [14,15]
Hliník je kov šedé barvy, který se vyznačuje kombinací vlastností (tab. 2.5), které se uplatňují v širokém spektru průmyslu. Krystalizuje v kubické plošně centrované sou-stavě, čehož důsledkem jsou dobré plastické vlastnosti za tepla i za studena pro čistý kov i slitiny. Měrná hmotnost Al se pohybuje kolem 2700 kg.m-3, což ho řadí mezi leh-ké kovy. Jeho teplota tání činí přibližně 660°C. Vyznačuje se vynikající tepelnou a elek-trickou vodivostí. Rozdělení hliníkových slitin je popsáno v následujících kapitolách.
[16]
Tab. 2.5. Vybrané fyzikální vlastnosti hliníku [13,16]
Vlastnost Hodnota
V technické praxi využíváme spíše slitiny hliníku, které se vyznačují lepšími mechanic-kými vlastnostmi než samotný čistý kov. Tyto slitiny obsahují přísadové prvky, které mají významný vliv na výsledné materiálové vlastnosti. Mezi nejdůležitější přísadové prvky řadíme Cu, Mg, Zn, Si a Mn. Ve výrobě se používá pouze několik základních typů slitin hliníku, i když bylo vyvinuto a zkoušeno velké množství slitin. Na obr. 2.14
29
je ukázáno základní rozdělení slitin hliníku a jejich využití pro tváření, slévání, či jejich vhodnost k tepelnému zpracování. [16]
Obr. 2.14 Obecný rovnovážný binární diagram slitiny hliníku [17]
Podle využití jsou hliníkové slitiny rozděleny na:
slévárenské slitiny
slitiny určené k tváření
Podle možnosti tepelného vytvrzování jsou hliníkové slitiny rozděleny na:
vytvrditelné slitiny
nevytvrditelné slitiny
2.3.2 Slitiny hliníku určené k tváření
Slitiny hliníku jsou označovány podle ČSN EN 573-1 až 3. Tato norma se používá pro výrobky a ingoty určené pro tváření. Jednotlivé materiály jsou označovány písmeny EN AW (EN – Evropská norma, A – hliník, W – tvářený) a čtyřmi číslicemi. Podle prv-ního čísla z daného čtyřčíslí lze určit hlavní slitinové prvky materiálu viz tab. 2.6. [16]
30 Tab. 2.6. Slitiny hliníku určené k tváření [16]
30 Tab. 2.6. Slitiny hliníku určené k tváření [16]