УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИФФУЗИОННОЙ СВАРКИ МЕТАЛЛОВ С НЕМЕТАЛЛАМИ МЕТОДОМ ЭЛЕКТРИЧЕСКИ ВЗРЫВАЕМЫХ ПРОСЛОЕВ В ВАКУУМЕ

Полезная модель - устройство для диффузионной сварки применяется в основном для получения прочного соединения двух или нескольких металлических тел. Тем не менее развитие и совершенствование современной электроники приборостроения, авиационной и других отраслей промышленности невозможно представить без применения новых конструкционных материалов на основе керамики, ситаллов, кварца, ферритов и других неметаллических материалов. Эти материалы созданы на основе оксидов различных элементов и обладают уникальными физико-химическими свойствами.
Соединения этих материалов с металлами и друг с другом широко
применяются для крепления элементов высокочастотных систем, для смотровых и волноводных окон, оболочек и корпусов электронных и газоразрядных приборов, для фотокатодов в приборах ночного видения, корпусах лазерных гироскопов, в ускорительной технике, при изготовлении ювелирных изделий и др. Традиционные методы получения таких соединений -склеивание и пайка - далеко не всегда обеспечивают высокую прочность, вакуумную плотность, термостойкость, надежный тепловой и электрический контакт, сохранение свойств при длительном хранении.
Перспективный методы соединения разнородных материалов со специальными физико-механическими свойствами при пониженных температуре и давлении - сварка с использованием электрически взрываемых прослоев
Известен способ сварки: сварка импульсным электрическим разрядом в жидкости (СИЭЖ) изобретение Юткина Л.А. А.А.Дерибас, В.М.Кудинов, Ф.И.Матвиенков. [авторское свидетельство SU №1309404, №1600101]. (Автор приводит выдержки из книги А.А.Юткина «Электрогидравлический эффект» 1955 год Москва-Ленинград «Машгиз». Тираж 6 500.)
Сущность электродинамического эффекта состоит в том, что при высоковольтным импульсном разряде в жидкости вокруг зоны разряда возникают импульсные сверхвысокие давления в виде ударной волны в жидкости, деформирующей пластичные и разрушающей хрупкие объекты вблизи зоны разряда.
Импульсный электрический разряд внутри объема жидкости осуществляется генератором импульсных токов, состоящим из высоковольтного трансформатора, выпрямителя, батареи конденсаторов и коммутатора. Межэлектронный промежуток в жидкости замкнут металлической проволокой. При пропускании через такую проволоку импульсного разрядного тока возникает явление, называемое электрическим взрывом проводника.
Недостатком способа может служить значительная ширина слоя приводит к формированию дефектов в стыке, для получения готового переходника необходима механическая обработка.
Известен способ диффузионной сварки в вакууме [авторское свидетельство SU №1303335 от 24.12.85 г.], позволяющий сваривать с подогревом диэлектриков и полупроводников с металлами или между собой. На поверхность свариваемых деталей из диэлектрика или полупроводника, противоположную свариваемой, устанавливают полупроводниковую пластину из материала с отрицательной дифференциальной проводимостью с металлизированными контактными поверхностями. Детали нагревают, сдавливают и подводят к ним через полупроводниковую пластину высокое напряжение, под действием которого полупроводниковая пластина начинает генерировать высокочастотные и ультразвуковые колебания, соизмеримые с частотой колебаний атомов в решетке свариваемых материалов, которые активизируют процесс.
Недостатком способа является громоздкость установки и недостаточный уровень качества соединений.
Известен способ диффузионной сварки пористых материалов через металлическую прослойку [авторское свидетельство SU №1750897 от 11.05.90 г.], позволяющий между охлажденными до минусовых температур свариваемым поверхностям пористых материалов прокачивать газообразное металлоорганическое вещество, в процессе пиролиза которого на свариваемых поверхностях образуется металлическая прослойка. Затем детали нагревают с наружной стороны и после прекращения выхода парогазовой смеси сдавливают и осуществляют изотермическую выдержку. В процессе сварки соединение деталей начинаетсч с их периферии к центру.
Недостатком способа является ограниченность применения. Значительные затраты по времени реализации.
Наиболее близким аналогом (прототипом) рассматриваемого решения можно считать устройство для диффузионной сварки с использованием электрически взрываемого проводника [патент: RU 82438 U1, от 27.04.2009 г.]
Описание: Соединение материалов с использованием электрического взрыва прослоев в вакууме (СВзПВ) позволяет решить эти задачи.
Устройство позволяет реализовать принцип, моделей и нанотехнологий соединения конструкционных неметаллов с металлами и с неметаллами через электрически взрываемые прослои в вакууме.
Сущность полезной модели заключается в том, что для электрического взрыва проводников используется устройство с переменным сопротивлением. Устройство размещено компактно в едином независимом модуле и состоит из источника питания 1, высоковольтного импульсного конденсатора 2, замыкателя электрической цепи 3, и зарядного сопротивления 4 установленных на постаянной стойке в модуле, непосредственно около вакуумной камеры 7. На модуле также установлена откачная система 8 для создания заданной чистоты вакуума в рабочей камере. Над вакуумной камерой расположен механизм давления 9 для создания необходимого давления в вакуумной камере 7. Внутри вакуумной камеры 7 закрепляются свариваемые детали 6 таким образом, чтобы взрывающийся проводник 5 подключенный через замыкатель 3 к источнику питания, был зажат между свариваемыми деталями 6 механизмом давления 9.
Схема устройства взрыва прослоя в вакууме показана на фиг.1
Схема для сварки с использованием электрического взрыва проводников:
1 - источник питания,
2 - высоковольтный импульсный конденсатор,
3 - замыкатель электрической цепи,
4 - зарядное сопротивление;
5 - взрывающийся проводник,
6 - свариваемые детали,
7 - вакуумная камера,
8 - откачная система,
9 - механизм давления.
Устройство работает следующим способом: от внешнего источника питания происходит зарядка источника питания 1. Откачная система 8 создает вакуума заданной глубины в вакуумной камере 7 для проведения работы. Механизм давления 9 создает заданное давление между свариваемыми деталями 6, (между ними размещен взрывающийся проводник 5). После чего устройство отключается от источника питания и дальнейшая работа происходит независимо от внешних воздействий. При проверке достижения заданных параметров установки с помощью укрепленных на модуле приборов контроля включается замыкатель электрической цепи 3. Ток проходит от источника питания в вакуумную камеру 7 на взрывающийся проводник 5. В результате в взрыва проводника 5 и давления создаваемого после взрыва механизмом 9 в вакууме происходит диффузия свариваемых деталей 6.
Температурный и временной режим электрического взрыва в устройстве определяет наноструктуру материалов в зоне соединения.
Построенное устройство позволяет использовать среднюю температуру прослоя в процессе взрыва в зависимости от материала прослоя и параметров разрядной цепи: емкости конденсатора, индуктивности цепи, размеров прослоя. Высокие температуры (до 30000 К) и малые времена процессы (микросекунды) обеспечивают образование в зоне соединения наноструктуры из материалов соединяемых деталей и взрываемого проводника.
-4
Это обеспечивает возможность при использовании СВзПВ получать качественные соединения металлов и неметаллов, а также неметаллов с неметаллами (керамика+ферриты, ситалл+кварцевое стекло, рубин+рубин и др.). Устройство может быть использовано например при остаточном давлении в вакуумной камере 10 Па, сварочном давлении 20…30 МПа и температуре деталей 500…600 К.
-2
-3
Предложенное устройство для соединения материалов (металлов с металлами, металлов с не металлами и не металлических материалов друг с другом) включающий нагрев свариваемых материалов в вакууме 10-10 Па (паскаль), первичный нагрев до 200-300°С в вакууме с последующим пропусканием через металлическую прослойку, избранную по физико-химическим свойствам близким к соединяемым материалам, импульсного тока с мощностью 5-10 кило джоулей за счет разряда конденсатора, отличающийся тем, что импульсный ток обеспечивает нагрев прослоя до температуры образования расплавленных кластеров, которые объединяясь образуют разрывной кластер, разрушающий прослой, с образованием соединения наноструктуры из материалов соединяемых деталей и взрываемого прослоя с характерным звуковым сигналом, типа взрыва, и прекращающим протеканием тока, сразу после этого к соединяемым деталям прикладывается сжимающее давление, детали в камере охлаждаются до комнатной температуры, такое протекание процесса обеспечивает формирование качественного соединения за счет подстройки кристаллических решеток соединяемых деталей друг с другом.
Устройство для соединения деталей диффузионной сварки с использованием электрически взрываемого проводника, отличающееся тем, что оно содержит вакуумную камеру и откачную систему, предназначенную для установки в ней соединяемых деталей и размещенного между ними взрываемого проводника, механизм давления, обеспечивающий приложение сжимаемого давления к соединяемым деталям, а также источник питания и высоковольтный импульсный конденсатор с возможностью получения разряда импульсного тока мощностью 5-10 КДж, обеспечивающего взрыв проводника с образованием в зоне соединения наноструктуры из материалов соединяемых деталей и взрываемого проводника.