Способ диффузионной сварки в вакууме без приложения внешнего давления

Изобретение относится к способу диффузионной сварки изделий из разнородных материалов и может быть использовано для бронзирования внутренних, глубоких отверстий корпусов плунжерных гидронасосов, работающих в условиях трения-скольжения. Охватываемую деталь в виде втулки устанавливают в охватывающую деталь с зазором 0,02-0,05 мм. При этом охватываемую деталь выполняют из металла с коэффициентом термического расширения, большим, чем коэффициент термического расширения металла охватывающей детали. Охватываемую деталь, установленную в охватывающую деталь, подвергают дорнованию с натягом 0,25-0,75 мм. Затем осуществляют нагрев деталей в вакууме не ниже 1-10-5 мм р.ст. до температуры 0,5-0,7 Тпл, где Тпл - температура плавления менее тугоплавкого металла. 1 з.п. ф- лы, 2 ил., 2 табл.

 

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано для бронзирования внутренних отверстий малого диаметра, например плунжерных гидронасосов высокого давления, корпусов подшипников скольжения.

Широко известна технология соединения металлов, сплавов путем диффузионной сварки в вакууме (Диффузионная сварка металлов: Справочник / Под редакцией Н.Ф. Казакова. М.: Машиностроение, 1981. 271 С.).

Известен также способ «диффузионной сварки труб внахлестку» (Патент РФ №2164198, опубликован 20.03.2001), при котором раскатка свариваемых труб осуществляется в вакуумной камере, что усложняет данный технологический процесс.

Наиболее близким по технической сущности является способ соединения однородных по химическому составу сталей путем теплового натяга (Патент РФ №2271914, МПК B23P 11/02, опубликовано 20.03.2006. Бюл. №8). Сущность этого способа заключается в том, что охлажденный стержень устанавливается в отверстие нагретой детали, последующее выравнивание температуры обеспечивает неподвижность элементов соединения.

Далее полученное соединение нагревают до температуры рекристаллизации, при которой происходит диффузионная сварка.

Способ предназначен для заварки литейных технологических отверстий.

Недостатками данного способа являются:

- способ не предназначен для сварки разнородных металлов;

- не предусмотрено использование вакуумного нагрева, что не позволяет исключить наличие окислов в зоне сварки, а тепловой натяг, т.е. напряжения в зоне соединения релаксируют уже в процессе нагрева и диффузионная сварка не может быть реализована;

- нет оценки адгезионной прочности, по-видимому, для заварки литейных технологических отверстий высокая адгезионная прочность и не требуется.

Отмеченные недостатки не позволяют использовать данный способ для получения прочного диффузионного соединения разнородных металлов, сплавов и изделий из них.

Техническая задача изобретения - создание простой, воспроизводимой технологии, например бронзирования небольших по диаметру и глубоких отверстий в стальном корпусе, без приложения внешнего давления механическим способом.

Поставленная задача достигается тем, что способ диффузионной сварки металлических изделий включает установку охватываемой детали в охватывающую деталь с последующим их нагревом, причем охватываемая деталь, выполненная в виде втулки, металл которой имеет коэффициент термического расширения больше, чем металл охватывающей детали, в которую она устанавливается с зазором 0,02…0,05 мм (больший зазор снижает эффективность дорнования), подвергается дорнованию с натягом 0,25…0,75 мм, а далее осуществляется нагрев в вакууме не ниже 1·10-5 мм р.ст. при температуре 0,5…0,7 Тпл менее тугоплавкого металла. Относительно высокий вакуум не только исключает окисление свариваемых поверхностей, но и имеющиеся окислы при температуре 750°C и выдержке при ней испаряются (сублимируют), что обеспечивает качественную диффузионную сварку. Выбранная температура 750°C соответствует 0,61 Тпл меди, то есть находится в рекомендованном теорией интервале.

Сравнение заявляемого изобретения с прототипом показывает, что оно отличается следующими признаками:

- охватываемая деталь, выполненная в виде втулки, металл которой имеет коэффициент термического расширения больше, чем металл охватывающей детали;

- втулка устанавливается в охватывающую деталь с зазором 0,02…0,05 мм и подвергается дорнованию с натягом 0,25…0,75 мм;

- затем осуществляется нагрев в вакууме не ниже 1·10-5 мм р.ст. при температуре 0,5…0,7 Тпл менее тугоплавкого металла.

Поэтому можно предположить, что заявляемое техническое решение соответствует критерию «новизна».

Изобретение осуществляется с применением известных технологических процессов, поэтому оно соответствует критерию «промышленная применимость».

В изобретении вместо «внешнего давления», необходимого для диффузионной сварки, предлагается использовать различие коэффициентов термического расширения свариваемых разнородных металлов, сплавов, что при нагревании соответствующих узлов, конструкций обеспечивает достаточное давление в зоне сварки в вакууме. Свойства металлов с различными коэффициентами термического расширения известны. Однако при проведении патентно-информационных исследований не была выявлена заявляемая совокупность признаков, которая обеспечивала достигнутую прочность соединения, при сварке разнородных металлов, в частности бронзирования стальных изделий. Поэтому заявляемое изобретение соответствует критерию «изобретательский уровень».

Фиг.1 - Схема дорнования бронзовой втулки (а), как показано на позиции (б): 1 - втулка; 2 - корпус из стали 18ХГТ; 3 - основание; 4 - дорн. И схема определения адгезионной прочности сварного соединения (в), где 5 - бронзовая втулка; 6 - основание из стали 20; 7 - корпус из стали 18ХГТ; 8 - пуансон.

Фиг.2 - Зависимость «волнистости» зоны контакта сварного соединения от величины натяга: а) 0,25 мм; б) 0,50 мм; в) 0,75 мм. Эта «волнистость» обусловлена различиями в твердости структурных составляющих перлита и феррита стали 18ХГТ.

ПРИМЕР КОНКРЕТНОГО ВЫПОЛНЕНИЯ

Бронзовая (БрО10) втулка (фиг.1a, DH=23,8-0,2 мм, d=16-0,1 мм, h=50+1,0) устанавливается в корпус из стали 18ХГТ на основание из стали 20 (фиг.1б). Далее на прессе осуществляется дорнование с натягом, в данном случае - 0,5 мм ((Dдорн.-d)/2), в результате дорнования втулка плотно прилегает к корпусу. Полученное соединение помещается в вакуумную печь СШВЭ-1,25/25И2 и при вакууме не ниже 1·10-5 мм р.ст. нагревается до температуры 750°C и выдерживается при этой температуре 15 минут. В процессе нагрева бронзовая втулка, коэффициент термического расширения которой (α=18,5·10-6), расширяется больше, чем стальной корпус (α=13,6·10-6), что обеспечивает в зоне сварки давление более 40 МПа - это и обусловливает качественную диффузионную сварку.

Далее производилось определение адгезионной прочности соединения бронза БрО10 - сталь 18ХГТ путем «выпрессовки» втулки из стального корпуса (схема представлена на фиг.1в). Адгезионная прочность оценивалась величиной напряжения сдвига бронзовой втулки относительно корпуса

где SCB=πDHh, мм2

Таким образом, в процессе дорнования бронзовая втулка запрессовывается в стальной корпус.

Внутренняя поверхность стального корпуса перед дорнованием может иметь разную шероховатость Ra, мкм или резьбу разного шага и глубины. Впадины этой резьбы в процессе дорнования «заполняются» бронзой, а после диффузионного отжига получается соединение с высокой адгезионной прочностью.

В табл.1, 2 показано влияние способов подготовки поверхностей стального корпуса (шероховатость, параметры резьбы) и величины натяга при дорновании на адгезионную прочность соединений после диффузионной сварки. При этом установлено, что чем больше шероховатость поверхности втулки, тем выше адгезионная прочность соединения после диффузионной сварки (см. табл.1), а параметры резьбы на корпусе перед дорнованием влияют по-разному, показано в табл.1 и 2.

Таблица 1
Влияние шероховатости и шага резьбы на поверхности корпуса из стали 18ХГТ, перед установкой в него дорнуемой втулки из бронзы БрО10, на адгезионную прочность соединения
Ra, мкм Шаг резьбы, мм при ее глубине 0,5 мм
2,2 3,5 5,5 1 2 4
τсдв, МПа
12,1 26,1 30,6 88,5 51,7 29,3
Примечание: Дорнование осуществлялось с постоянным натягом 0,5 мм.
Таблица 2
Влияние высоты резьбы на поверхности корпуса и натяга при дорновании на адгезионную прочность соединения
Параметры резьбы на стальной втулке Натяг при дорновании, мм
0,25 0,50 0,75
τсдв, МПа
М24×1,5 hвыступов=0,5 мм неполная резьба 92,2 142,1 156,0
М24×1,5 hвыступов=1,2 мм 166,0 188,4 188,3

Таким образом, предлагаемый способ бронзирования внутренних отверстий обеспечивает прочное соединение деталей без приложения внешнего давления.

1. Способ диффузионной сварки изделий из разнородных металлов, включающий установку охватываемой детали в охватывающую деталь с последующим их нагревом и выдержкой, отличающийся тем, что охватываемую деталь выполняют в виде втулки из металла с коэффициентом термического расширения, большим, чем коэффициент термического расширения металла охватывающей детали, устанавливают с зазором 0,02-0,05 мм в охватывающую деталь и подвергают дорнованию с натягом 0,25-0,75 мм, затем осуществляют нагрев деталей в вакууме не ниже 1-10-5 мм р.ст. до температуры 0,5-0,7 Тпл, где Тпл - температура плавления менее тугоплавкого металла.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что на внутреннюю поверхность охватывающей детали наносят резьбу.



 

Похожие патенты:

Изобретение может быть использовано для изготовления сваркой давлением с подогревом многослойных металлических панелей корпусов летательных аппаратов. Локально соединяют листы заполнителя и собирают пакет в штампе с размещением их между листами обшивок.

Изобретение может быть использовано для изготовления многослойных металлических панелей, например, в аэрокосмическом машиностроении. Предварительно листы заполнителя локально соединяют между собой по пересекающимся зонам.
Изобретение может быть использовано при изготовлении слоистых тонкостенных титановых конструкций из листового материала, в частности, выпускных окон энергетических установок для вывода пучка электронов.

Изобретение может быть использовано при соединении деталей из титана и стали путем диффузионной сварки, в частности, для получения турбинных валов для газотурбинных двигателей.

Изобретение может быть использовано при изготовлении аппаратов для нефтегазопереработки и сварки технологических трубопроводов. После механической обработки поверхностей деталей их покрывают защитной консервирующей смазкой и соединяют между собой обработанными поверхностями.

Изобретение относится к сварке давлением, а именно к диффузионной сварке с низкоинтенсивным силовым воздействием, и может быть использовано для изготовления тонкостенных конструкций из титанового сплава ОТ4-1.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к производству изделий из литейных жаропрочных сплавов на никелевой основе, и может быть использовано при изготовлении деталей газотурбинных двигателей, в особенности полых тонкостенных лопаток турбины.
Изобретение относится к приборостроению и может применяться при изготовлении полупроводниковых микромеханических устройств, например, чувствительных элементов интегральных датчиков.

Изобретение относится к способам неразъемного соединения изделий из сплавов на основе никелида титана (TiNi, нитинол) и представляет собой диффузионную сварку с использованием жидкой фазы.
Изобретение относится к области изготовления слоистого композиционного материала посредством диффузионной сварки листовых заготовок. .

Изобретение может быть использовано в аэрокосмическом машиностроении для изготовления многослойных панелей из титанового сплава ВТ-23. После предварительного отжига листов заполнителя при температуре 680°C с последующей выдержкой на воздухе в течение 25 минут осуществляют сборку в пакет упомянутых листовых заготовок. Соединяют листы локально между собой электроконтактной сваркой рядом непрерывных ортогональных швов и герметизируют пакет по периметру. Располагают пакет между листами обшивок, его нагревают до температуры 875°C и производят формовку и сварку заполнителя с обшивкой путем подачи газа под давлением. Предварительный отжиг листов с соблюдением указанных режимов увеличивает значение показателя скоростной чувствительности напряжения, что позволяет повысить прочностные характеристики готовых изделий из титанового сплава. 2 ил.

Изобретение может быть использовано для изготовления деталей из порошковых жаропрочных никелевых сплавов методом диффузионной сварки, например, при изготовлении рабочих лопаток и дисков газовых турбин. После сборки элементов под сварку проводят вакуумирование и нагрев их до температуры, не превышающей температуру сольвуса более чем на 10°C. Прикладывают сварочное усилие, составляющее 1,5-2,5 кг/мм2 с выдержкой в течение 1,5-2 ч. Затем снимают сварочное усилие и проводят выдержку в течение 2 ч. Осуществляют ступенчатое охлаждение сначала до температуры 800°C со скоростью не ниже 50°С/мин и выдержкой 8 ч, затем до температуры 700°C со скоростью 25-30°С/мин с выдержкой 8 ч, а затем до комнатной температуры со скоростью не более 30°C/мин. Способ обеспечивает получение сварного соединения с прочностью не менее 90% от прочности основного материала и с сохранением однородной мелкозернистой рекристаллизованной структуры, что позволяет проводить дальнейшую механическую обработку деталей. При этом сохраняется жаропрочность сварного соединения при высоких температурах, а также значительно увеличивается ресурс и надежность деталей, работающих в условиях нагружения. 2 з.п. ф-лы, 1 табл., 3 пр.

Изобретение относится к способу диффузионной сварки элементов из литейных жаропрочных сплавов на никелевой основе. Изобретение может быть использовано для изготовления рабочих лопаток, дисков газовых турбин и др., которые работают при высоких нагрузках и температурах. Собирают элементы под сварку, вакуумируют. Нагревают элементы до температуры, определяемой из следующего соотношения: 0,987Тs<Тсв<1,001Тлп, где Тлп - температура локального плавления литейного сплава, Тсв - температура сварки, Ts - температура солидуса свариваемого материала, а сжатие осуществляют сварочным усилием 1-3,5 кг/мм2, обеспечивающим макропластическую деформацию в течение времени, требуемого на осуществление процесса сварки, 0,5-2,5 часа. Затем снимают сварочное усилие и охлаждают до комнатной температуры со скоростью не более 30-50°C/мин. Изобретение позволяет получить сварное соединение требуемого качества с необходимой прочностью не менее 90% от прочности основного материала и с сохранением однородной мелкозернистой рекристаллизованной структуры, что позволяет проводить дальнейшую механическую обработку деталей. Кроме того, применение диффузионной сварки позволяет упростить конструкцию изделий, повысить технологичность и уменьшить массу конструкций. 1 табл.
Изобретение может быть использовано при изготовлении сверхпластической формовки изделий сложной формы, в частности лопаток компрессора. Изготавливают лопатки компрессора из высокопрочного титанового сплава ВТ6 на основе эвтектоидной системы легирования. Производят горячую деформацию газовой формовкой с использованием эффекта сверхпластичности при температуре от 870°C до 1000°C и скорости деформации 10-4 с-1. Проводят термическую обработку готовых лопаток компрессора при температуре от 870 до 950°C с продолжительностью выдержки при гомогенизации и старении от 450 до 600°C. Изобретение обеспечивает оптимизацию технологического процесса при улучшении механических свойств лопаток, а именно прочности, жаропрочности, вязкости разрушения.
Изобретение может быть использовано для оптимизации технологического процесса сверхпластической формовки при изготовлении ответственных силовых деталей, в частности шпангоутов, силовых нервюр, балок шассийных и т.д. Осуществляют горячую газовую формовку заготовок из титанового сплава ВТ22 с использованием сверхпластической деформации при температуре от 870 до 960°С и скорости деформации 10-3 с-1. Готовые детали дополнительно подвергают термической обработке в (α+β)-области при температуре от 860 до 880°С. Способ обеспечивает улучшение прочностных свойств изделий из титанового сплава ВТ22, в частности трещиностойкости.
Изобретение относится к способу диффузионной сварки. Очищают детали из нержавеющей стали и мембраны из фольги палладия или палладиевого сплава электрополировкой. Собирают в пакет. В качестве промежуточного слоя применяют фольгу из никеля. Размещают в вакуумной камере. Нагревают. Прикладывают сварочное давление и изотермически выдерживают. Сварку ведут в вакууме не хуже 5·10-5 мм рт.ст. при температуре процесса Т=930-980˚C с выдержкой в течение 30-45 мин, при этом прикладывают сварочное давление, которое обеспечивает пластическую деформацию промежуточного слоя на 50% от его исходной толщины. Изобретение позволяет изготавливать герметичную по гелию стенку мембранного элемента, который используется для получения сверхчистого водорода (99,9999 об.%). Потребность в таком водороде для водородной энергетики и высоких технологий неуклонно растет.

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к способу получения композиционного материала из титана или его сплава, и может быть использовано для медицинских изделий, в частности, погружных фиксирующих имплантатов, применяемых в травматологии и ортопедии. Способ включает создание механическим способом на поверхности металла сети канавок, стенки которых наклонены к поверхности, формирование на этой поверхности слоя порошка с размерами частиц, в 4-5 раз меньшими размеров канавок, прессование под давлением металлического слоя со слоем порошка, вакуумную диффузионную сварку полученной двухслойной конструкции при температуре ниже температуры плавления материалов слоев. Затем осуществляют плазменное осаждение углеродного алмазоподобного покрытия толщиной 0,05-1 мкм и твердостью 70-80 ГПа. Техническим результатом изобретения является повышение прочности композиционного материла за счет увеличения прочности сцепления пористого слоя с металлической поверхностью и твердости поверхности. 3 ил.
Изобретение относится к способу сварки давлением металлических деталей и может быть использовано в различных отраслях машиностроения. Свариваемые детали сжимают. Осуществляют нагрев зоны сварки до температуры ниже температуры рекристаллизации по одну сторону зоны контакта с перемещением температурного поля через зону контакта. Осуществляют сварку. После сварки осуществляют изотермическую выдержку при температуре, превышающей порог рекристаллизации. Нагрев под изотермическую выдержку выполняют по одну сторону зоны контакта с перемещением фронта рекристаллизации через зону контакта. 1 пр.
Наверх