Способ диффузионной сварки деталей из трудно свариваемых сплавов

Изобретение может быть использовано для диффузионной сварки изделий из трудно свариваемых сплавов, в частности, на основе титана, алюминия. Осуществляют очистку поверхностей свариваемых деталей от оксидов, шлифовку, зачистку от различных загрязнений, приведение их в контакт. После этого детали помещают в обваренный контейнер, в котором создают вакуум до рабочего давления Р = 10^-1-10^-4 Па. Затем помещают контейнер в пресс-печь, где прогревают до температуры 0,6-0,9 от температуры плавления материала, прикладывают давление, обеспечивающее механическую деформацию свариваемых деталей в контейнере на величину от 2 до 5% от их геометрических размеров, и осуществляют выдержку под давлением при указанной температуре 180-240 минут. После завершения сварки контейнер вынимают из пресс-печи и охлаждают вместе с печью. Для приложения давления на свариваемые детали может быть использован контейнер с расположенной в его крышке мембраной, через которую подают инертный газ. Изобретение позволяет повысить прочность и качество сварного соединения от 80 до 96 процентов прочности от основного материала и получить сварные соединения без деформации и усадки. 1 з.п. ф-лы, 2 ил., 2 пр.

 

Изобретение относится к области сварки и может быть использовано для диффузионной сварки изделий из трудно свариваемых сплавов на основе титана, алюминия и т.д. для снижения веса изделий, применяемых в авиа и ракетостроении.

Известен способ диффузионной сварки деталей из металлов и сплавов, включающий нанесение на одну из свариваемых поверхностей детали промежуточного слоя в виде покрытия металла, сродственного по крайней мере с одним из элементов материала подложки, сборку конструкции, нагрев и диффузионную сварку с приложением к ней нагрузки, способствующей протеканию диффузионных процессов в сварном соединении, причем промежуточный слой наносят толщиной, соответствующей количеству металла, способного в процессе сварки полностью продиффундировать в материал подложки с образованием монолита, а сварку проводят при температуре 0,9-0,95 температуры плавления наименее тугоплавкого из диффундирующих металлов. [Патент RU 2253554 A, B23K 20/16, опубликовано 10.06.2005]

Недостатком аналога являются ограниченные эксплуатационные возможности, обусловленные низкими физико-механическими свойствами и низким качеством сварных соединений, соответствующих по прочности паяному соединению, так как в процессе нагрева свариваемых деталей, между поверхностями которых располагают расплавляющуюся прокладку, сначала происходит плавление прокладки по аналогии с припоем и взаимодействие жидкой фазы с каждой из свариваемых поверхностей.

Известен способ диффузионной сварки заготовок из сплава АМг3, включающий размещение в камере печи установки для диффузионной сварки садки пластинчатых заготовок, установленных попарно через прокладки, создание вакуумной среды и температуры 530 град. в рубашке камеры печи, при этом заготовки нагревают до 510 град. при контроле температуры с помощью термопар, установленных внутри заготовок, и выдерживают их при этой температуре в течение 1 ч, затем создают нагрузку в 1 т на верхнюю плиту упомянутой установки для удаления остаточных зазоров между прокладками и заготовками и определения высоты садки заготовок с учетом коэффициента их линейного расширения, и обнуляют датчик перемещения верхней плиты, после чего создают нагрузку на верхнюю плиту 100 т и контролируют величину нагрузки на заготовки путем слежения за величиной их пластической деформации, допустимая величина которой составляет 0,4% исходной высоты садки заготовок, при этом при превышении деформации более 1200-1400 мкм регулируют нагрузку на заготовки, после окончания сварки выключают нагрев и подают в камеру печи азот для интенсивности охлаждения заготовок без снятия нагрузки, а после охлаждения заготовок до 150-170 град. снимают нагрузку с заготовок и остужают их до 30 град. [Патент RU 2730349 C1, B23K 20/14, B23K 20/02, опубликовано 21.08.2020].

Недостатком данного аналога является интенсивное охлаждение азотом, что может привести к внутренним напряжениям в заготовках.

Известен способ диффузионной сварки , включающий предварительное нанесение на свариваемую поверхность одной из деталей промежуточной прослойки в виде суспензии порошка никеля и связующего вещества, подсушивание, сборку свариваемых деталей и их сварку, промежуточную прослойку в виде суспензии получают путем смешивания порошка никеля с размерами частиц в диапазоне от 0,01 до 10 мкм и 3% раствора поливинилбутираля в этиловом спирте с весовым соотношением указанных компонентов 1:1 под воздействием ультразвуковых колебаний в течение 30-40 минут и наносят на свариваемые поверхности обеих деталей слоем толщиной 1-2 мм. [Патент RU 2573462 C2, B23K 20/16, опубликовано 20.01.2016].

Недостатком данного способа является наличие микропор в сварном соединении.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявленному является способ диффузионной сварки изделий из сплавов на основе никелида титана, включающий очистку поверхности соединяемых изделий от оксидов, приведение их в контакт, нагрев в вакууме, приложение давления и выдержку, процесс диффузионной сварки проводят в 2 этапа, при этом на первом этапе проводят нагрев до 900-1100°C, прикладывают давление 35-100 МПа и осуществляют выдержку в течение 10-60 мин, а на втором этапе снимают давление и проводят нагрев до 1120-1200°C с выдержкой 60-120 мин. [Патент RU 2504464 C1, B23K 20/22, опубликовано 20.01.2014].

Недостатком прототипа является снятие давления на втором этапе диффузионной сварки, что может привезти к изменению геометрических размеров заготовки.

Задачей изобретения является повышение надежности сварного соединения трудно свариваемых материалов, получение сварных соединений без деформации и усадки

Технический результат заключается в повышении прочности и качества сварного соединения деталей, которые испытывают нагрузку на растяжение.

Поставленная задача и технический результат достигаются способом сварки деталей из трудносвариваемых сплавов, включающим очистку поверхности свариваемых деталей от оксидов, шлифовку, зачистку от различных загрязнений, приведение их в контакт, нагрев в вакууме, приложение давления и выдержку, в котором в отличие от прототипа детали помещают в обваренный контейнер, в котором создают вакуум до рабочего давления Р = 10^-1-10^-4 Па, и помещают контейнер в пресс-печь, где его прогревают до температуры 0,5-0,9 от температуры плавления материала, затем прикладывают давление, обеспечивающее механическую деформацию на величину от 2 % до 5% от геометрических размеров свариваемых деталей в контейнере, и осуществляют выдержку под давлением при указанной температуре в течение 180-240 минут, после чего контейнер вынимают из пресс-печи и помещают в рабочее пространство печи, обеспечивая охлаждение контейнера вместе с печью.

Согласно изобретению сварку деталей можно осуществлять в контейнере, в котором давление на свариваемые детали прикладывают через расположенную в крышке контейнера мембрану, на которую подают инертные газы.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг. 1 изображена схема реализации способа диффузионной сварки в обваренном контейнере. Схема содержит свариваемые детали 1, обваренный аргонодуговой сваркой контейнер 2, штуцер 3 для создания вакуума внутри контейнера (в пространстве между деталями и стенками контейнера).

На фиг. 2 изображена схема реализации способа диффузионной сварки в контейнере с мембраной. Схема содержит свариваемые детали 1, нижнюю часть контейнера 4 с крышкой 5, зажимаемой прессом, мембрану 6 для передачи давления на свариваемые детали, штуцер 7 для подачи на мембрану инертного газа, штуцер 8 для создания вакуума внутри контейнера (в пространстве между деталями и стенкой контейнера).

Примеры конкретной реализации способа

ПРИМЕР 1. Перед проведением диффузионной сварки свариваемую поверхность деталей из материала ВТИ-4 механически очищают от оксидов, полируют для уменьшения величины шероховатости поверхности до 5..10 мкм. После этого заготовки промывают в ультразвуковой машине в среде поверхностно-активного вещества с последующей промывкой в ацетоне для удаления частиц абразива с поверхности металла, затем детали помещают в предварительно обваренный контейнер и приваривают стенку контейнера со штуцером для откачки воздуха, после чего контейнер с деталями предварительно нагревают до температуры Т=600°С на протяжении 3 часов в электрической печи, производят выгрузку контейнера с деталями из печи в рабочую камеру пресса, после чего в контейнере создают вакуум до рабочего давления Р = 10^-1-10^-2 Па, нагревают его до 930 градусов, что составляет 0.55 от температуры плавления материала и прикладывают давление в 16.5 т.с. в течение 30 минут и выдерживают под этим давлением 1.5 часа, после чего давление на контейнер увеличивают до 26.5 т.с. и выдерживают еще 1.5 часа, затем давление снимают. Указанная величина давления обеспечивает механическое деформацию детали 2-5 % от исходных размеров детали. Затем контейнер вынимают из рабочей камеры пресса и помещают в рабочее пространство печи, где осуществляют его охлаждение вместе с печью.

Анализ полученного соединения показал, что его прочность на разрыв составляет 920 МПа, что по сравнению с основным материалом где прочность на разрыв составляет 960 МПа, составляет 96% от основного материала.

ПРИМЕР 2. Перед проведением диффузионной сварки свариваемые поверхности деталей из материала В 95ПЧ очищают от оксидной пленки, механически полируют для уменьшения величины шероховатости до 5..10 мкм, после этого на свариваемые поверхности деталей в защитной среде аргона наносят слой глицерина, затем детали помещают в контейнер, из которого откачивают воздух и создают вакуум P=10^-2-10^-4 и помещают его в пресс-печь , где нагревают до температуры Т=530°С, что составляет 0,8 от температуры плавления материала на протяжении 1 часа, после прогрева на деталь прилагается давление через мембрану инертного газа в 17.5 атм, которое выдерживается при данной температуре в течение 3 часов. Указанная величина давления обеспечивает механическое деформацию детали 2-5 % от исходных размеров детали. Затем контейнер разгружают и вынимают из пресс-печи.

Анализ полученного соединения показал, что его прочность на разрыв составляет 416 МПа, что по сравнению с основным материалом где прочность на разрыв составляет 520 Мпа, составляет 80% от основного материала.

Полученные по приведенным примерам сварные детали подвергались разрезу поперек сварного соединения сварного шва для визуального анализа его качества. Осмотр показал отсутствие трещин и пустот.

Итак, заявленное изобретение позволят получать качественный сварной шов без дефектов и повысить прочность сварного соединения от 80 до 96 процентов прочности от основного материала.

1. Способ сварки деталей из трудно свариваемого сплава, включающий очистку поверхности свариваемых деталей от оксидов, шлифовку, зачистку от загрязнений, приведение их в контакт, нагрев в вакууме, приложение давления и выдержку, отличающийся тем, что детали помещают в обваренный контейнер, в котором создают вакуум до рабочего давления Р = 10^–1–10^–4 Па, и помещают контейнер в пресс-печь, где его нагревают до температуры 0,5-0,9 от температуры плавления сплава, затем прикладывают давление, обеспечивающее механическую деформацию на величину от 2 до 5% от геометрических размеров свариваемых деталей в контейнере, и осуществляют выдержку под давлением при указанной температуре в течение 180-240 минут, после чего контейнер вынимают из пресс-печи и помещают в рабочее пространство печи с обеспечением охлаждения контейнера вместе с печью.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что давление на свариваемые детали прикладывают через расположенную в крышке контейнера мембрану, через которую подают инертные газы.