Сварка и пайка при низких температурах представляют собой
специфические процессы соединения материалов, которые требуют учета
физических свойств металлов и сплавов в криогенных условиях. В отличие
от традиционных технологий, здесь существенно меняются тепловые потоки,
пластические и упругие свойства материалов, а также процессы
формирования шва.
Физические
особенности материалов при низких температурах
1. Изменение механических свойств
- Прочность: При температурах ниже 77 К большинство
металлов (например, сталь, медь, алюминий) демонстрируют значительное
увеличение предела текучести и прочности на разрыв.
- Хрупкость: Некоторые сплавы, особенно содержащие
углерод, склонны к хладноломкости, что повышает риск образования трещин
при сварке и пайке.
- Пластичность: Латунь и медь сохраняют достаточную
пластичность, что позволяет уменьшить напряжения в сварных
соединениях.
2. Тепловые свойства
- Теплопроводность: Для большинства металлов
теплопроводность увеличивается при снижении температуры, что приводит к
более интенсивному отведению тепла от зоны сварки.
- Теплоемкость: При температурах ниже 50 К
теплоемкость металлов падает почти на порядок, что делает прогрев шва
более критическим.
3. Поверхностные эффекты
- На поверхности металлов при криогенных температурах может
образовываться тонкая оксидная пленка, которая препятствует адгезии
расплавленного металла и требует применения активных флюсов или
предварительной очистки поверхности.
Технологические
особенности сварки при низких температурах
1. Методы сварки
- Дуговая сварка в защитных газах: Аргоновая и
гелиевая атмосфера предотвращает окисление и позволяет контролировать
температуру зоны сварки.
- Сварка трением и контактная сварка: Применяются для
алюминия и меди, так как локальное нагревание минимизирует термическое
расширение и внутренние напряжения.
- Электронно-лучевая сварка: Используется в вакууме
для особо чистых и ответственных соединений, например, в криогенных
системах сверхпроводников.
2. Контроль температуры
- Для предотвращения образования трещин шов прогревают ступенчато или
используют подогрев подложки.
- Местное охлаждение металла после сварки осуществляется медленно для
уменьшения термонапряжений.
3. Подготовка соединяемых поверхностей
- Очистка от влаги и оксидной пленки обязательна, так как низкие
температуры усиливают адгезионное сопротивление.
- Применяются флюсы, активирующие процесс пайки и сварки при
минимальных температурах.
Пайка при низких
температурах
1. Выбор припоя
- Используются сплавы на основе олова, серебра и индия, обладающие
низкой температурой плавления (от 120 °С до 300 °С).
- Для сверхнизких температур применяются специализированные припои на
основе индия и кадмия, сохраняющие пластичность при 4 К.
2. Методы пайки
- Традиционная капиллярная пайка: Эффективна при
пайке тонких трубок и проводников.
- Индукционная пайка: Позволяет локально разогреть
шов без прогрева всей конструкции.
- Паяние в вакууме: Используется для чувствительных к
окислению материалов, обеспечивая чистоту шва.
3. Контроль качества пайки
- В криогенных условиях критично контролировать отсутствие пустот и
микротрещин.
- Применяются неразрушающие методы контроля: ультразвуковая
дефектоскопия, рентгенография и капиллярные тесты.
Особенности
проектирования швов для низких температур
1. Геометрия шва
- Используются минимальные толщины шва для снижения термических
напряжений.
- Конфигурация соединений предпочтительно двусторонняя, чтобы
уменьшить концентрацию напряжений.
2. Компенсация теплового расширения
- Проектирование учитывает различия коэффициентов теплового расширения
соединяемых металлов.
- Используются компенсаторы деформаций и специальные упругие
вставки.
3. Защита шва
- Швы покрываются антикоррозионными и диэлектрическими покрытиями для
предотвращения воздействия влажности и газов при последующем
охлаждении.
Контроль и мониторинг
процессов
1. Температурный контроль
- Используются термопары, пирометры и инфракрасные датчики для
контроля температуры в реальном времени.
- В критических узлах применяется постепенный нагрев и охлаждение с
фиксированными скоростями для предотвращения трещин.
2. Дефектоскопия и тестирование
- Ультразвуковая проверка шва позволяет выявить микротрещины и
непровары.
- Вакуумная проверка соединений обеспечивает контроль герметичности
криогенных трубопроводов.
Материалы
и сплавы, предпочтительные для низкотемпературной сварки и пайки
- Алюминий и алюминиевые сплавы: Хорошая
пластичность, высокая теплопроводность.
- Медь и медные сплавы: Сохраняют механические
свойства при низких температурах, устойчивы к трещинообразованию.
- Нержавеющая сталь аустенитного типа: Сохраняет
пластичность и коррозионную стойкость.
- Специальные припои на основе индия и олова:
Обеспечивают герметичные соединения при сверхнизких температурах.