Technological parameters and quality control while diffusion welding in a glow discharge

Максим  Болотов; Геннадій  Болотов; Тімур  Ганєєв; Ірина  Нагорна; Владислав  Гречка

doi:10.25140/2411-5363-2026-1(43)-34-46

Автор(и)

Максим Болотов Національний університет «Чернігівська політехніка», Україна https://orcid.org/0000-0002-0915-4132
Геннадій Болотов Національний університет «Чернігівська політехніка», Україна https://orcid.org/0000-0003-0305-2917
Тімур Ганєєв Національний університет «Чернігівська політехніка», Україна https://orcid.org/0000-0002-0915-4132
Ірина Нагорна Національний університет «Чернігівська політехніка», Україна https://orcid.org/0000-0002-5075-8712
Владислав Гречка Національний університет «Чернігівська політехніка», Україна

DOI:

https://doi.org/10.25140/2411-5363-2026-1(43)-34-46

Ключові слова:

дифузійне зварювання, тліючий розряд, плазма, технологічні параметри, контроль якості

Анотація

Для отримання зварних з'єднань з однорідних та різнорідних матеріалів у виробах нової техніки широко застосовують дифузійне зварювання, яке здійснюється у твердому стані у вакуумі. Основними параметрами цього способу є температура нагріву зварюваних деталей, зусилля їх стискання та тривалість ізотермічної витримки або зварювання.

Дифузійне зварювання відноситься до низькосилових способів зварювання. Відносно невисокі температура та обмежене зусилля стискання дозволяють отримувати прецизійні зварні з'єднання, що не потребують подальшої механічної обробки. Головним параметром дифузійного зварювання є температура нагріву зони контакту з'єднуваних деталей. Експериментально визначено, що залежність міцності з'єднання від температури має екстремальний характер, тобто максимальна міцність досягається у вузькому діапазоні температур. Тому контролю температурного стану зони зварювання приділяється особлива увага.

У процесах дифузійного зварювання з індукційним та радіаційним нагрівом, що здійснюються у вакуумі, контроль температури здійснюється термопарами або оптичними пірометрами. Для процесів зварювання у плазмі тліючого розряду застосування цих методів обмежено. Це обумовлено, в першу чергу, наявністю світіння плазми на поверхні деталей. Аналіз фізичних особливостей розрядної плазми в умовах дифузійного зварювання при тисках газу 103…104 Па показує, що максимальна інтенсивність випромінювання плазми припадає на видиму область спектра електромагнітних хвиль, що не дозволяє застосовувати оптичні методи контролю. Найбільш ефективним методом у такому випадку є застосування фотоелектричних пірометрів, спектральна чутливість яких знаходиться у межах інфрачервоному випромінюванню зварюваних деталей.

При зварюванні деталей складної форми, коли візуальний контроль зони зварювання може бути обмеженим або недоступним, ефективним методом є прогнозування у реальному часі температурного стану зони з'єднання або будь-якої точки в об'ємі заготовок на основі математичних моделей процесу нагріву. Час зварювання визначає ступінь завершення дифузійних процесів, тобто момент зникнення зони розділу між деталями і, відповідно, якість зварювання. Зазвичай, оптимальний час зварювання знаходиться експериментально. Однак, необхідна тривалість ізотермічної витримки може бути визначена безпосередньо в процесі зварювання технічними засобами, зокрема неперервним вимірюванням електричного опору зони зварювання чотирьохзондовим методом (методом Кельвіна). Зниження опору в процесі зварювання та його стабілізація на мінімальному рівні свідчить про утворення міцного з'єднання.

Посилання

Bachyn, V. А., Kvasnytskyi, V. F., Kotelnikov, D. I., and others. (1991). Тheorie, technologie and equipment of the diffucion welding. Higher school.

John, B., Letsch, H., Wölck, J., Hess, M., & Hensel, J. (2023). Process technology for diffusion welding with cyclically pulsative joining forces. Metals, 13(3), 547. https://doi.org/10.3390/met13030547.

Shi, H., Qiao, S., Qiu, R., Zhang, X., & Yu, H. (2012). Effect of welding time on the joining phenomena of diffusion welded joint between aluminum alloy and stainless steel. Materials and Manufacturing Processes, 27(12), 1366–1369. https://doi.org/10.1080/10426914.2012.663122.

Akca, E., & Gursel, A. (2017). The effect of diffusion welding parameters on the mechanical properties of titanium alloy and aluminum couples. Metals, 7(1), 22. https://doi.org/10.3390/ met7010022.

Neuhaus, P., Herzig, C., & Gust, W. (1989). Grain boundary diffusion of indium in nickel and nickel-indium. Acta Metallurgica, 37(2), 587–595. https://doi.org/10.1016/0001-6160(89)90242-3.

Mittemeijer, E.J. (2010). Recovery, Recrystallization and Grain Growth. In: Fundamentals of Materials Science. Springer, Berlin, Heidelberg. https://doi.org/10.1007/978-3-642-10500-5_10

Kazakov, N. F. (Ed.). (1981). Diffusion welding of materials: Handbook [Dyffuzyonnaia svarka materyalov: Spravochnyk]. Mechanical engineering.

Gietzelt, T., Toth, V., & Huell, A. (2016). Diffusion bonding: Influence of process parameters and material microstructure. In Joining technologies. InTech. https://doi.org/10.5772/64312.

Asperheim, J. I., Das, P., Grande, B., Hömberg, D., & Petzold, T. (2024). Numerical simulation of high-frequency induction welding in longitudinal welded tubes. Journal of Mathematics in Industry, 14(1). https://doi.org/10.1186/s13362-024-00147-8.

Nayak, L. J., & Roy, G. G. (2020). Thermocouple temperature measurement during high speed electron beam welding of SS 304. Optik, 201, 163538. https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2019.163538.

Yasser Abdelaziz, Mahmoud Hammam, Faten Megahed & Ebtesam Qamar. (2022). Characterizing drift behavior in type K and N thermocouples after high temperature thermal exposures. Journal of Advanced Research in Fluid Mechanics and Thermal Sciences, 97(1), 62–74. https://doi.org/ 10.37934/arfmts.97.1.6274.

Wippo, V., Devrient, M., Kern, M., Jaeschke, P., Frick, T., Stute, U., Schmidt, M., & Haferkamp, H. (2012). Evaluation of a pyrometric-based temperature measuring process for the laser transmission welding. Physics Procedia, 39, 128–136. https://doi.org/10.1016/j.phpro.2012.10.022.

Pfefferkorn, F. E., Incropera, F. P., & Shin, Y. C. (2002). Surface Temperature Measurement of Semi-Transparent Ceramics by Long-Wavelength Pyrometry. Heat Transfer, 2. https://doi.org/10.1115/imece2002-39543.

Bolotov, M., Bolotov, G., Stepenko, S., & Ihnatenko, P. (2021). Impact of the samples’ surface state on the glow discharge stability in the metals’ treatment and welding processes. Applied Sciences, 11(4), 1765. https://doi.org/10.3390/app11041765.

Bolotov, M. G., & Prybytko, I. O. (2021). Application of glow discharge plasma for cleaning (activation) and modification of metal surfaces while welding, brazing, and coating deposition. Uspehi Fiziki Metallov, 22(1), 103–128. https://doi.org/10.15407/ufm.22.01.103.

Bolotov, M. (2018). Analiz osnovnykh nestabilnostei tliiuchoho rozriadu serednikh tyskiv v umovakh obrobky materialiv [Analysis of the main instabilities of a medium-pressure glow discharge under materials processing conditions]. Tekhnichni nauky ta tekhnolohii – Technical Sciences and Technologies, (2(12)), 103–115. https://doi.org/10.25140/2411-5363-2018-2(12)-103-115.

Bolotov, M. G., Bolotov, G. P., & Rudenko, M. M. (2024). The impact of nitriding parameters on evolution of properties of stainless-steel surface plasma-nitrided in glow discharge. Progress in Physics of Metals, 25(1), 74–113. https://doi.org/10.15407/ufm.25.01.074.

Bolotov, G., Bolotov, M., & Korzachenko, M. (2021). Ion heating energy efficiency during diffusion welding in a normal DC glow discharge. In 2021 IEEE 2nd KhPI Week on Advanced Technology (KhPIWeek) (pp. 1–4). IEEE. https://doi.org/10.1109/KhPIWeek53812.2021.9569988.

Hranovskyi, V. L. (1971). Electircal current in gas: Established current. Science.

Kahanov, I. L. (1972). Ion devices. Energy.

Bolotov, M., & Bolotov, G. (2020). Calculation of the glow discharge’s stability boundary while welding. In 2020 IEEE 40th International Conference on Electronics and Nanotechnology (ELNANO) (pp. 775–779). IEEE. https://doi.org/10.1109/ELNANO50318.2020.9088784.

Bolotov, G., & Bolotov, M. (2024). The optimal type of glow discharge as a heating source for diffusion welding. In 2024 IEEE 7th International Conference on Smart Technologies in Power Engineering and Electronics (STEE) (pp. TT3.48.1–TT3.48.4). IEEE. https://doi.org/10.1109/ STEE63556.2024.10748058.

Reizer, Yu. P. (1987). Physics of gas discharge. Science.

Liu, D.-W., Lin, C.-N., Lin, W.-S., Lee, S., & Gwo, J. (2024). Influential factors on diffusion bonding strength as demonstrated by bonded multi-layered stainless steel 316L and 430 stack. Materials, 17(3713). https://doi.org/10.3390/ma17153713.