Способ диффузионной сварки

Изобретение может быть использовано в электронной, ювелирной промышленности и других областях техники. В зоне сварки размещают материал, обеспечивающий экзотермическую реакцию между входящими в него компонентами. Упомянутый материал получают путем заполнения термореагирующим порошком полой герметичной металлической оболочки. В качестве термореагирующего порошка используют порошок, содержащий компоненты, обеспечивающие реакцию самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), или порошок, содержащий компоненты в смеси с галлием, обеспечивающие экзотермическую реакцию с диффузионным твердением. В зоне сварки размещают, по меньшей мере, одну упомянутую оболочку или две оболочки разного состава. Осуществляют ее нагрев путем пропускания тока для инициирования экзотермической реакции между входящими в термореагирующий порошок компонентами. Испаряют оболочку электрическим взрывом с получением металлической прослойки на поверхностях свариваемых деталей. Свариваемые детали приводят в контакт и проводят их изотермическую выдержку в атмосфере азота под давлением. Способ позволяет снизить энергозатраты и повысить качество соединения за счет снижения верхнего предела температуры экзотермической выдержки. 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к технологии получения неразъемного соединения диффузионной сваркой в вакууме через прослойку и может быть использовано в электронной, ювелирной промышленности и других областях техники.

Известен способ диффузионной сварки, при котором на одной из свариваемых поверхностей выполняют глухие цилиндрические отверстия и размещают промежуточную прокладку, через которую производят соединение деталей (см. SU 1463415, МПК 7 В 23 К 20/14, 1989). Недостатком данного способа является трудоемкость изготовления перфорированных отверстий, а также высокие энергозатраты.

Известен способ диффузионной сварки, при котором в процессе пиролиза прокачиваемого между свариваемыми поверхностями вещества на них образуется металлическая прослойка, после чего осуществляют изотермическую выдержку под давлением (см. SU 1750897, МПК 7 В 23 К 20/16, 30.07.1992).

Наиболее близким аналогом предлагаемого способа можно считать способ диффузионной сварки по RU 2025241, МПК 7 В 23 К 20/16, 30.12.1994, согласно которому, по крайней мере, на поверхности одной из свариваемых деталей выполняют полость и заполняют ее защитно-активирующей средой в виде экзотермической смеси. Подготовленные к сварке детали сжимают, нагревают до температуры сварки с высокой скоростью, осуществляют изотермическую выдержку и после образования соединения детали охлаждают. Под действием температуры и давления происходит вытеснение защитно-активирующей среды из полости и ее подача на разогретые свариваемые поверхности, что приводит к получению качественного соединения за счет удаления окисных пленок и смятия микрошероховатостей. Однако защита свариваемых поверхностей от окисления оказывается недостаточной, приводит к снижению качества сварки.

Задачей изобретения является снижение энергозатрат и повышение качества соединения за счет снижения верхнего предела температуры экзотермической выдержки.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе диффузионной сварки, включающем размещение в зоне сварки материала, обеспечивающего экзотермическую реакцию между входящими в него компонентами, приведение свариваемых деталей в контакт и изотермическую выдержку их под давлением, упомянутый материал получают путем заполнения термореагирующим порошком полой герметичной металлической оболочки, при этом в зоне сварки размещают, по меньшей мере, одну упомянутую оболочку, нагревают ее путем пропускания тока для инициирования экзотермической реакции между входящими в термореагирующий порошок компонентами и испаряют оболочку электрическим взрывом с получением металлической прослойки на поверхностях свариваемых деталей, а изотермическую выдержку проводят в атмосфере инертного газа, предпочтительно азота.

В качестве термореагирующего порошка может быть использован порошок, содержащий компоненты, обеспечивающие реакцию самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), при этом оболочку вакуумируют. В этом случае оболочку изготавливают из сплава пермендюр. В качестве термореагирующего порошка может быть использован порошок, содержащий компоненты в смеси с галлием, обеспечивающие экзотермическую реакцию с диффузионным твердением, при этом галлий предварительно насыщают азотом, а оболочку перед герметизацией заполняют азотом. В этом случае оболочку изготавливают из никеля или никелевого сплава. В зависимости от соединяемых материалов можно использовать, по меньшей мере, одну оболочку одного состава или, по меньшей мере, две оболочки с различным составом, при этом их испарение проводят последовательно.

По первому варианту использования термореагирующих порошков применены порошки с компонентами, обеспечивающими реакцию СВС. Известны технические решения, касающиеся синтеза материалов (нитридов, карбидов) по реакции СВС. Однако в заявленном решении проводят в одном технологическом цикле синтез и напыление покрытия на поверхность соединяемых деталей при пропускании тока через оболочку с порошком СВС, при этом плазмой разряда проводят очистку свариваемых поверхностей. Зная скорость реакции СВС, возможно получение ювенальных поверхностей, что обеспечивает высокую адгезию напыленного материала.

В экспериментах использовались порошки, содержащие графит, вольфрам и алюминий.

По второму варианту использования термореагирующих порошков применяют порошки, содержащие компоненты в смеси с галлием, обеспечивающие экзотермическую реакцию с диффузионным твердением. Известны технические решения использования термореагирующих порошков для ремонта деталей машин, например, гильз двигателя внутреннего сгорания. Известны также технологические приемы и режимы получения неразъемных соединений с помощью диффузионно-твердеющих паст на основе галлия. Галлий при повышении температуры растворяет в себе металлы, кварцевое стекло, газы и т.д. Известно также, что азот в молекулярном состоянии это защитный газ, а, растворяясь галлием, переходит в атомное состояние и становится чрезвычайно активным.

В заявленном техническом решении термореагирующие порошки совместно с галлием, насыщенным азотом, обеспечивают в процессе экзотермической реакции 100% диффузионное твердение и получение неразъемного соединения прочностью до 50 МПа. Галлий при температуре 30°С и выше растворяет в себе все металлы, оксиды и т.д. При этом галлий является только катализатором, растворяя все металлы, входящие в термореагирующий состав, позволяя синтезировать нитриды растворенных металлов и не участвуя в процессе синтеза. Повышение прочности соединения авторы объясняют получением пересыщенных твердых растворов.

В экспериментах использовались порошки преимущественно с избытком алюминия (7-10%) на основе меди и никеля. В процессе диффузионного твердения сплав переходит в равновесное состояние, а разорвавшиеся связи алюминия замещаются атомарным азотом; формируется пространственная сетка из нитридов, синтезированных на галлиевом катализаторе, что обеспечивает высокую прочность соединения.

Использование одной или более оболочек одного или различного составе обусловлено материалом соединяемых деталей. Предложенный способ позволяет осуществлять соединение как трудносвариваемых металлов, так и неметаллов в различных сочетаниях.

Изготовление оболочек с термореагирующим порошком осуществляют следующим образом.

I вариант. Используют смесь для реакции СВС: чистый порошок графита 60 весовых частей, чистый порошок вольфрама - 40 весовых частей с добавлением порошка алюминия - 2 весовых части. Упомянутые порошки загружают в оболочку из пермендюра и профилируют в виде прямоугольной трубки. Оболочку герметизируют и вакуумируют.

II вариант. Технический галлий Гл. 0,96 по известной технологии предварительно насыщают азотом. В оболочку из никеля помещают термореагирующий порошок марки ПТ-19М-01 и галлий в содержании 1:1 по весу, предварительно помешав. Оболочку с одной стороны герметизируют, заполняют по известной технологии азотом, герметизируют и помещают в холодильник.

На чертеже показана схема установки диффузионной сварки.

В вакуумной камере 1 между рабочим столом 2 и пуансоном 3 размещают свариваемые детали 4 и 5 с установленными между ними оболочкой 6, содержащей смесь термореагирующих порошков 7. Оболочку соединяют с держателями высоковольтных электродов 8. Держатели включены в цепь генератора импульсного тока 9. Нагреватель 10, расположенный в технологической камере, служит для проведения изотермической выдержки. Для подачи газа в камеру служит система подачи газа 11.

Пример выполнения способа, в котором используются две оболочки различного состава.

На пуансоне и рабочем столе закрепляют свариваемые детали, изготовленные, например, из кварца 12В1 и молибдена МВ4П, на державках закрепляют оболочки с термореагирующими порошками, между которыми проходит экзотермическая реакция по двум вариантам. Камеру герметизируют и вакуумируют, приблизительно до давления 1,33×10-2 Па. Затем первую оболочку (с порошком СВС) прямым пропусканием тока от силового трансформатора 10 нагревают в течение 20-25 сек до температуры 1000°С и электрическим взрывом испаряют, коммутируя электрическую цепь на 2 UT, с запасенной энергией 20 Кдж. Затем аналогичную операцию проводят со второй оболочкой (компоненты в смеси с галлием), только температура нагрева оболочки составляет 750°С.

После испарения последней оболочки в технологическую камеру подают азот через систему подачи газа и включают нагреватель изотермической выдержки. Скорость подъема температуры не ограничена, но она должна исключать термоудар свариваемой детали.

После достижения температуры свариваемых деталей 200°С их приводят контакт под давлением 5,0 МПа. Температурный интервал изотермической выдержки не определяют, т.к. он может быть от 40°С до 1000°С в зависимости от свариваемых материалов.

Преимуществом заявляемого способа диффузионной сварки через прослойку является предельно низкая температура изотермической выдержки (от 40°С) и малые давления (от 1,0 МПа).

Далее приведены примеры сварки с использованием оболочек с порошками, способными к реакции самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), с различными сочетаниями составов порошков и материалов соединяемых деталей.

ПРИМЕР 1.

Известно, что только два способа напыления проходят с диффузией в подложку. Это напыление из плазменных фокусов и электрическим взрывом. Предлагается способ формирования опоры из карбида вольфрама для опор ротора гироскопа. Оболочка из сплава 29 КФ (пермендюр). Состав порошка - вольфрам плюс углерод в равных массовых долях и 2 мас.% алюминия. Оболочки такого состава испаряются в отверстии опоры до формирования тугоплавкой опоры толщиной до 1 мм, далее проводят диффундирующий отжиг и шлифовку. Преимущество способа заключается в том, что исключено использование технологии высоких температур и формирование покрытий спорами для удержания смазки.

ПРИМЕР 2.

Сварка сплава, например ВК8 с СТЗ, для высокотемпературной резки материалов, когда пайка таких материалов исключена. Оболочка имеет состав порошка такой же, как приведен в Примере 1. Материал оболочки должен иметь температуру не ниже температуры плавления стали. После испарения ряда проводников детали приводят в контакт с деформацией до 20% с последующим диффундирующим отжигом. Диффундирующий отжиг проводят в вакууме.

ПРИМЕР 3.

Использование оболочки с порошками, способными к термореагированию при нагреве и диффузионному твердению, для сварки тугоплавких материалов с материалами со сложноорганизованной структурой, нагрев которых выше 400-500°С при сварке недопустим (ситаллы, ферриты, пьезокерамика и т.д.).

Состав порошков - 50% термореагирующего порошка и 50% галлия (по массе). После испарения ряда проводников при температуре свариваемых образцов не выше 400°С свариваемые детали приводят в контакт, проводят диффундирующий отжиг с последующим охлаждением со скоростью не более 12°С в минуту. Диффундирующий отжиг проводят в атмосфере азота.

ПРИМЕР 4.

Выполнение сварки с использованием оболочек с составом, способным к реакции СВС, и порошков, способных к термореагированию и диффузионному твердению.

Сваривают нитрид алюминия с материалами, перечисленными в Примерах 1-2. Сварку осуществляют в вакууме с диффундирующим отжигом при температуре не выше 400°С в атмосфере азота.

При сварке образцы нагревают до 400°С, последовательно испаряют оболочки с порошками, способными к реакции СВС, и термореагирующими порошками. Детали приводят в контакт, проводят изотермическую выдержку и охлаждение со скоростью 12°С в минуту. Аналогично проводят сварку драгоценных металлов с полудрагоценными и драгоценными кристаллами, причем всегда первыми испаряют порошки, способные к реакции СВС.

1. Способ диффузионной сварки, включающий размещение в зоне сварки материала, обеспечивающего экзотермическую реакцию между входящими в него компонентами, приведение свариваемых деталей в контакт и изотермическую выдержку их под давлением, отличающийся тем, что в качестве упомянутого материала используют заполненную термореагирующим порошком полую герметичную металлическую оболочку, при этом в зоне сварки размещают, по меньшей мере, одну упомянутую оболочку, нагревают ее путем пропускания тока для инициирования экзотермической реакции между входящими в термореагирующий порошок компонентами и испаряют оболочку электрическим взрывом с получением металлической прослойки на поверхностях свариваемых деталей, а изотермическую выдержку проводят в атмосфере инертного газа.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве термореагирующего порошка используют порошок, содержащий компоненты, обеспечивающие реакцию самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), при этом оболочку вакуумируют.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что оболочку изготавливают из сплава пермендюр.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве термореагирующего порошка используют порошок, содержащий компоненты в смеси с галлием, обеспечивающие экзотермическую реакцию с диффузионным твердением, при этом галлий предварительно насыщают азотом, а оболочку перед герметизацией заполняют азотом.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что оболочку изготавливают из никеля или никелевого сплава.

6. Способ по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что используют, по меньшей мере, две оболочки, заполненные различными составами, при этом их испарение проводят последовательно.



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к диффузионной сварке деталей из металлов и сплавов под давлением и нагреве через промежуточный слой. .
Изобретение относится к обработке металлов давлением и может быть использовано для изготовления плоских биметаллических заготовок широкого размерного сортамента по толщине и соотношению толщин слоев.
Изобретение относится к диффузионной сварке встык коротких толстостенных труб из разнородных сталей. .

Изобретение относится к способам соединения разнородных металлов и может найти применение в производстве сборочных единиц изделий, используемых в приборостроении, в авиации, космической и ракетной технике, транспорте, связи, электронике, электротехнике и других областях.
Изобретение относится к сварке, а именно к способам соединения тугоплавких металлов методом диффузионной сварки и может быть использовано, в частности, для обеспечения непрерывного технологического цикла в промышленном производстве тугоплавких металлов для сращивания, например, прутков тугоплавкого металла различного сечения после пластической деформации (ротационной ковки).

Изобретение относится к технологии сборки деталей и узлов, в частности при соединении трубчатых деталей из разнородных материалов, и может быть использовано в различных областях техники.

Изобретение относится к сварке давлением в твердой фазе и может быть использовано для изготовления прецизионных узлов, состоящих из разнородных материалов, во многих отраслях промышленности, в частности в точном машиностроении и приборостроении.

Изобретение относится к области диффузионной сварки деталей через проволочные промежуточные прослойки и может быть использовано в технологии точного приборостроения, где одним из основных технических требований является высокая прецизионность сварных узлов, что во многом обеспечивается наилучшими условиями деформирования именно проволочных прослоек, требующих относительно меньших температур и давлений сварки по сравнению с прослойками других конфигураций (фольги, порошки и т.д.).

Изобретение относится к диффузионной сварке в вакууме коротких труб из разнородных материалов методом роликовой раскатки охватываемой трубы при температуре диффузионной сварки
Изобретение относится к области изготовления труб из конструкционных среднеуглеродистых или низколегированных сталей, а именно к способу изготовления насосно-компрессорных труб (НКТ) и может найти применение в нефтяной и газовой промышленности

Изобретение относится к электронным устройствам, использующим микроканальные пластины (МКП), а более конкретно к способам соединения микроканальной пластины с другими компонентами
Изобретение относится к диффузионной сварке химически активных разнородных металлов и сплавов под давлением при нагреве через промежуточный слой, например деталей соединения трубопроводов (переходников), одна или обе из которых может быть выполнена с проточками или канавками на свариваемой поверхности, и может быть использовано в атомной, криогенной технике и других областях

Изобретение относится к получению неразъемных соединений деталей и узлов из жаропрочных сплавов между собой и с другими сталями и сплавами и может быть использовано в авиационно-космической промышленности при изготовлении, прежде всего, ротора турбины газотурбинных двигателей, а также в газовой отрасли промышленности
Изобретение относится к способам диффузионной сварки меди и низкоуглеродистой стали или армко-железа и может быть использовано при изготовлении узлов электровакуумных приборов (ЭВП), например полюсных наконечников, используемых в этих приборах в качестве магнитопроводов, или замедляющих систем
Изобретение относится к области сварки давлением заготовок из титанового сплава через промежуточную прокладку из титанового сплава с размером зерен менее 1 мкм и может быть использовано в промышленности для изготовления разнообразных изделий, в том числе сложнопрофильных и/или крупногабаритных изделий из отдельных более мелких и/или простых по форме заготовок
Изобретение относится к области изготовления слоистого композиционного материала посредством диффузионной сварки листовых заготовок

Изобретение может быть использовано при диффузионной сварке металлических и неметаллических материалов. Между свариваемыми деталями, установленными в вакуумной камере, размещают металлическую прослойку. В вакуумной камере создают вакуум 10-2 - 10-3 Па. Осуществляют нагрев деталей до температуры 200-300оС и пропускают через прослойку импульсный ток, полученный за счет разряда конденсатора, с обеспечением ее взрыва. Мощность импульсного тока выбирают 5-10 кДж из условия нагрева прослойки до температуры образования расплавленных кластеров, обеспечивающей получение наноструктуры слоя из материалов свариваемых деталей и металлической прослойки в зоне их соединения. Прикладывают к свариваемым деталям сжимающее давление и охлаждают их в вакуумной камере до комнатной температуры. Процесс обеспечивает формирование качественного соединения за счет подстройки кристаллических решеток соединяемых деталей друг к другу. 5 ил.
Изобретение относится к производству слоистых композиционных материалов сталь-алюминий. Стальные листы предварительно покрывают водным раствором флюса, содержащего KF - 36-40%; AlF3 - 44-50%; K2TiF6 - 10-20%, удаляют влагу, а затем собирают в пакеты и пропитывают алюминиевым расплавом с температурой перегрева на 50-100°С выше линии ликвидус алюминиевого сплава. Способ позволяет обеспечить формирование качественной адгезионной связи между алюминием и сталью за счет улучшения смачивания стали алюминием и получить легированный титаном переходный интерметаллидный слой между алюминием и сталью, что способствует повышению прочности сцепления слоев композиционного материала. 1 пр.
Наверх