Los átomos de la materia están en constante movimiento, por lo que los líquidos y los gases pueden mezclarse. Los sólidos también tienen partículas elementales móviles, pero tienen una red cristalina más rígida. Y, sin embargo, si dos cuerpos sólidos se acercan a la distancia de interacción de las fuerzas atómicas, entonces, en el punto de contacto, las partículas de una sustancia penetrarán en otra y viceversa. Tal penetración mutua de sustancias se denominó difusión, y el efecto fue la base de uno de los métodos para unir metales. Así se llama: soldadura por difusión de metales.
Qué se puede unir mediante soldadura por difusión
La soldadura por difusión en vacío tiene enormes posibilidades tecnológicas. Con él, puede conectarse:
- Metales de estructura homogénea y no homogénea, así como sus aleaciones. Sustancias metálicas refractarias como tantalio, niobio y tungsteno.
- Sustancias no metálicas con metales: grafito con acero, cobre con vidrio.
- Materiales de construcción a base de metal, cerámica, cuarzo, ferritas, vidrio, estructuras semiconductoras (homogéneas y no homogéneas), grafito y zafiro.
- Materiales compuestos, porosos con conservación de sus propiedades y textura.
- Sustancias poliméricas.
Con respecto a la configuración y el tamaño de los espacios en blanco, pueden ser diferentes. Dependiendo del tamaño de la cámara de trabajo, es posible trabajar con piezas desde unas pocas micras (elementos semiconductores) hasta varios metros (estructuras complejas en capas).
Cómo funciona la planta de difusión
Complejo para soldadura por difusión incluye los siguientes elementos principales:
- Cámara de trabajo. Está hecho de metal y está diseñado para limitar el entorno de trabajo en el que se crea el vacío.
- Soporte - soporte pulido. Sobre ella descansa la cámara de trabajo, a lo largo de la cual puede moverse.
- Envasadora al vacío. Es un espaciador entre la cámara y el soporte.
- Mecanismo de rodillos y tornillo de sujeción. Con su ayuda, la cámara se mueve a lo largo de los rieles y se fija en el soporte.
- Bomba de vacío. Crea un vacío en el área de trabajo.
- Generador con inductor. Actúan como sistema de calentamiento de las piezas a soldar.
- Los punzones resistentes al calor, los cilindros hidráulicos y una bomba de aceite representan un mecanismo para comprimir piezas bajo una presión dada.
Dependiendo de la modificación, las instalaciones de soldadura por difusión pueden diferir en la forma de las cámaras y el métodosu sellado. También son diferentes los métodos de calentamiento de piezas. Se pueden utilizar calentadores de radiación, generadores de alta corriente, unidades de descarga luminiscente, calentadores de haz de electrones.
Procesos de difusión durante la soldadura
Si toma placas de metal pulido, las conecta y las pone bajo carga, luego, en unas pocas décadas, se notará el efecto de la penetración mutua de los metales entre sí. Además, la profundidad de penetración estará dentro de un milímetro. El caso es que la velocidad de difusión depende de la temperatura de los materiales que se unen, la distancia entre las partículas elementales de las sustancias, así como del estado de las superficies en contacto (ausencia de contaminación y oxidación). Por eso su proceso natural es tan lento.
En la industria, para obtener rápidamente un compuesto, se acelera el proceso de difusión, teniendo en cuenta todas estas condiciones. En la cámara de trabajo:
- Cree un vacío con un nivel de presión residual de hasta 10-5 mm Hg o llene el medio con un gas inerte. Por lo tanto, las piezas no están expuestas al oxígeno, que es un agente oxidante para cualquier metal.
- Los materiales se calientan a una temperatura del 50 al 70 % de la temperatura de fusión de las piezas de trabajo. Esto se hace para aumentar la plasticidad de las piezas debido al estado más móvil de sus partículas elementales.
- Los blancos son sometidos a presiones mecánicas en el rango de 0.30-10.00 kg/mm2, acercando las distancias interatómicas a tamaños que permitan establecer enlaces comunes ypenetran mutuamente en las capas cercanas.
Requisitos para la preparación de materiales
Antes de colocar las piezas brutas de los elementos a soldar en la unidad de difusión, se someten a un pretratamiento. El objetivo principal del procesamiento de las partes en contacto de los espacios en blanco tiene como objetivo obtener superficies más lisas, uniformes y uniformes, así como eliminar las formaciones aceitosas invisibles y la suciedad del área de la junta. El procesamiento de las piezas ocurre:
- química;
- mecánica;
- electrolítico.
Las películas de óxido, por regla general, no afectan el proceso de difusión, ya que se autodestruyen durante el calentamiento en un entorno de vacío.
Cuando la soldadura por difusión no es lo suficientemente efectiva entre sustancias que tienen un coeficiente de expansión térmica desigual, o se forma una costura quebradiza, se utilizan las denominadas almohadillas amortiguadoras. Pueden servir como una lámina de varios metales. Por lo tanto, la lámina de cobre se utiliza en la soldadura por difusión de espacios en blanco de cuarzo.
Características de los compuestos resultantes
A diferencia de los métodos tradicionales de soldadura por fusión, donde se agrega metal adicional al metal base en la costura, la soldadura por difusión permite obtener una costura uniforme sin cambios importantes en la composición física y mecánica de la unión. La junta terminada tiene las siguientes características:
- la presencia de una costura continua sin poros y formaciones de conchas;
- sin inclusiones de óxido en el compuesto;
- estabilidad mecánicapropiedades.
Debido a que la difusión es un proceso natural de penetración de una sustancia en otra, la red cristalina de los materiales no se altera en la zona de contacto y, por lo tanto, no hay fragilidad en la costura.
Conexión de piezas de titanio
La soldadura por difusión del titanio y sus aleaciones se caracteriza por obtener una unión de alta calidad con una alta eficiencia económica. Es muy utilizado en medicina para la fabricación de piezas de prótesis, así como en otros campos.
Las piezas se calientan a temperaturas entre 50º y 100º inferiores a la temperatura a la que se produce la transformación polimórfica. Al mismo tiempo, se ejerce una ligera presión de 0,05–0,15 kgf/mm² sobre los materiales.
La composición química de la aleación de titanio no afecta la resistencia de la conexión de los elementos en esta forma de soldadura.
Ventajas del método
Cuando es posible la soldadura por difusión:
- combinar sólidos homogéneos y heterogéneos;
- evitar la deformación de las piezas;
- no utilice consumibles en forma de soldaduras y fundentes;
- recibir producción sin residuos;
- no utilice sistemas complejos de suministro y ventilación de escape, ya que no se generan gases nocivos en el proceso;
- recibir cualquier área de la zona de conexión de contactos, limitada únicamente por la posibilidad de equipos;
- asegurar un contacto eléctrico fiable.
A esto se suma el excelente aspecto estético de la pieza terminada,que no requiere la aplicación de operaciones de procesamiento adicionales, como la eliminación de cascarilla de soldadura, por ejemplo.
Defectos de la tecnología
La soldadura por difusión es un proceso tecnológico complejo, entre sus principales desventajas se encuentran:
- necesita usar equipo costoso específico;
- requisito de espacio de producción, la instalación tiene dimensiones considerables;
- requisito de tener conocimientos especializados, habilidades y comprensión del proceso de trabajo;
- tiempo dedicado al preprocesamiento cuidadoso de las piezas de trabajo;
- mantenga la unidad de vacío lo más limpia posible, de lo contrario, el polvo invisible puede depositarse en las piezas soldadas y provocar defectos en las uniones;
- dificultad para comprobar la calidad de la costura sin tener que destruirla.
Dado todo esto, así como los detalles del uso de instalaciones de vacío, la soldadura por difusión tiene demanda solo en las condiciones de las empresas, y no para uso privado.
Equipo de soldadura por difusión industrial
Existen varios tipos de equipos industriales diseñados para la soldadura por difusión. Se diferencian principalmente entre sí en las características específicas de los materiales que se sueldan y en el uso de diferentes sistemas para calentar las piezas.
El tipo de instalación MDVS está diseñado para la producción de barras colectoras de cobre flexibles, grupos de contacto de interruptores de alto voltaje hechos de cobre y kerrita, partes de válvulas elevadoras de gas para bombas de pozo hechas de acero inoxidable y aleaciones de metales duros. El sistema aplica el efecto del calentamiento por contacto eléctrico.
Complejo de soldadura tipo UDVM-201. Realiza una conexión por soldadura por difusión de materiales de vidrio de diferentes grados. El calentamiento de la superficie de trabajo se realiza mediante el método de radiación.
Equipos de soldadura USDV-630. Instalación de calentamiento por inducción para la soldadura de materiales compuestos en base titanio y cobre. Dichos sistemas permiten calentar piezas grandes.
Máquina MDVS-302 para soldadura por difusión mediante calentamiento de piezas por alta frecuencia. Se caracteriza por la presencia de un generador de pequeño tamaño en un circuito de transistores.
