СПОСОБ СОЕДИНЕНИЯ ДВУХ РАЗНОРОДНЫХ МЕТАЛЛОВ Российский патент 1997 года по МПК B23K9/23 B23K9/02 

Изобретение относится к сварочному производству и может быть использовано для непосредственного соединения двух разнородных металлов между собой способом сварки плавлением встык, например, титана и его сплавов с высоконикелевыми нержавеющими и жаропрочными сталями и сплавами, при этом сварку плавлением выполняют неплавящимся электродом или электронным лучом.

Известен способ сварки плавлением встык титана и его сплавов с нержавеющими и жаропрочными сталями и сплавами, с применением промежуточной вставки из биметалла, состоящей со стороны титана из слоя сплава ванадия, а его стороны стали из безникелевой малоуглеродистой стали, при этом используют сплав ванадия, легированный ниобием, в количестве 3-17 мас. При соединении указанных металлов в первую очередь выполняется сварной шов первого промежуточного металла сплава ванадия с титановым сплавом, затем выполняется термическая обработка шва по режимам термообработки, предусмотренным для сплавов титана, а затем во вторую очередь производится сварка первого промежуточного металла с вторым промежуточным металлом малоуглеродистой нержавеющей сталью, после чего выполняется низкий отпуск для снятия напряжения, по режимам термообработки стали [1]
Известен также способ сварки плавлением встык титана и его сплавов с нержавеющими и жаропрочными сталями и сплавами с применением промежуточной вставки из биметалла, состоящей со стороны титана из слоя сплава ванадия, а со стороны стали -из малоуглеродистой стали, причем со стороны стали -малоуглеродистую безникелевую нержавеющую сталь, легированную ванадием [2]
Известные способы обеспечивают высокое качество сварных соединений и отсутствие в них трещин, однако в сварных швах возможно образование хрупких интерметаллидных фаз за счет переизбытка ванадия в сварочной ванне, что в случае длительной эксплуатации в условиях переменного внутреннего давления и теплосмен приводит к снижению ресурса из-за пониженной пластичности шва.

Целью изобретения является устранение указанного недостатка, повышение трещиностойкости и коррозионной стойкости сварных швов, а также увеличение ресурса сварного соединения разнородных металлов в целом.

Поставленная цель достигается тем, что в способе соединения разнородных металлов, например титан-сталь, при котором осуществляют сварку плавлением встык свариваемых металлов через промежуточный переходник из сплава ванадия с хромом со стороны титана и нержавеющей безникелевой стали со стороны стали, согласно изобретению сначала сваривают первый промежуточный металл сплав ванадия с титаном, распределяя тепловой поток от источника нагрева равномерно и симметрично между обеими свариваемыми металлами в соотношении порядка 50% теплового потока на каждый из свариваемых металлов, после чего производят отжиг в вакууме сварного шва сплава ванадия и титана при температуре отжига титана, а затем выполняют сварку первого промежуточного металла с вторым промежуточным металлом, при этом тепловой поток распределяют между обоими свариваемыми металлами неравномерно и несимметрично, направляя основную часть 60-80% от общего теплового потока на более легкоплавкий металл сталь малоуглеродистую нержавеющую, а оставшуюся часть 40-20% от общего теплового потока на более тугоплавкий металл-сплав ванадия с вольфрамом, ниобием или хромом, при этом сдвигают источник нагрева сварочный неплавящийся электрод на более легкоплавкий металл, на величину 0,5-0,8 диаметра электрода или несимметрично расщепляют (делят) электронный луч на 2 части с процентным содержанием в них каждой части по мощности луча соответственно процентному соотношению теплового потока, и направляют каждую часть луча на свариваемую кромку каждого из соединяемых металлов. В общей сварочной ванне расплавленного металла доли более легкоплавкого металла (стали) и более тугоплавкого металла (сплава ванадия) соответствуют процентному делению теплового потока, при этом наибольшее содержание легирующего элемента ванадия в сварочной ванне не должно превышать 8-10 мас. После кристаллизации такого сварного шва он имеет форму, особо благоприятную при действии изгибающих нагрузок, при этом более легкоплавкая расплавленная сталь охватывает более тугоплавкий сплав ванадия с обеих сторон сверху и снизу, составляя 10-20% от сечения сварного шва, а внутри располагается частично оплавленный слой более тугоплавкого металла сплава ванадия, составляющий от 80 до 60% от общего сечения сварного шва по его толщине, одновременно сплав ванадия вдается в сталь, составляя от 20 до 50% сечения по ширине сварного шва. Ограничение содержания ванадия в шве (не более 8-10%) предотвращает образование хрупких интерметаллидных фаз в зоне сплавления по границе сварного шва и ввиду этого обеспечивает отсутствие в этой наиболее опасной зоне зародышевых трещин. При этом процессе эксплуатации достигается ресурс переходников, соответствующий ресурсу остальных элементов, составляющих трубопровод.

На чертеже показано поперечное сечение сварного шва сплава ванадия с нержавеющей сталью.

Легкоплавкая расплавленная сталь 1 охватывает более тугоплавкий сплав ванадия 2 с обеих сторон сверху и снизу, составляют 10-20% от сечения сварного шва 3, а внутри располагается частично оплавляющий слой более тугоплавкого металла сплава ванадия 4, составляющий от 80 до 60% от общего сечения сварного шва по его толщине, одновременно сплав ванадия вдается в сталь, составляя от 20 до 50% сечения по ширине сварного шва, после чего выполняется низкий отпуск по режимам термообработки стали.

В предлагаемом способе соединения разнородных металлов, например титан-сталь, при котором осуществляют сварку плавлением встык обоих свариваемых металлов, через промежуточный переходник из сплава ванадия с вольфрамом, ниобием или хромом со стороны титана, нержавеющей безникелевой стали со стороны стали, сначала сваривают первый промежуточный металл сплав ванадия с титаном, распределяя тепловой поток от источника нагрева равномерно и симметрично между обоими свариваемыми металлами в соотношении порядка 50% теплового потока на каждый из свариваемых металлов. После этого производят отжиг в вакууме сварного шва сплава ванадия и титана при температуре отжига титана, а затем выполняют сварку первого промежуточного металла с вторым промежуточным металлом, после чего выполняется низкий отпуск для снятия напряжений по стали. После чего указанная промежуточная вставка из трех металлов сплава титана, сплава ванадия и безникелевой нержавеющей стали соединяется сваркой плавлением с основными металлами: в любом по составу сплавом титана, с одной стороны, и высоконикелевой нержавеющей сталью, с другой стороны.

Температурный поток распределяют между обоими свариваемыми металлами, неравномерно и несимметрично направляя основную часть 60-80% от общего теплового потока на более легкоплавкий металл сталь малоуглеродистую нержавеющую, а оставшуюся часть 40-20% от общего теплового потока на более тугоплавкий металл сплав ванадия с вольфрамом или хромом. Сдвигают источник нагрева сварочный неплавящийся электрод на более легкоплавкий металл на величину 0,5-0,8 диаметра электрода или делят электронный луч по 2 части с процентным содержанием их по мощности луча, соответствующим процентному делению теплового потока, и направляют каждую часть луча на свариваемую кромку каждого из соединяемых металлов, причем в общей сварочной ванне расплавленного металла доли тугоплавкого и более легкоплавкого металлов соответствуют процентному делению теплового потока. Изложенное подтверждается следующими примерами.

Пример 1. При обработке процесса опробовали смещение электрода на более тугоплавкий металл сплав ванадия, на величину 0,8 от диаметра электрода, при этом рентгено-контролем и металлографическим контролем обнаружены частичные несплавления по периметру кольцевого шва до 30% от его всей длины, что является недопустимым.

Пример 2. Опробована установка электрода, при том же режиме сварки, что и в примере 1 точно по центру стыка, без смещения после сварки несплавлений в шве не обнаружено. Однако химический анализ, выполненный на микроанализаторе, показал, что в зоне сплавления по всему периметру образуется участок шва, обогащенный ванадием, содержание которого составляет до 13% что с учетом возможной микроликвации по границам зерен и обогащением их значительно увеличивает возможность появления хрупких интерметаллических фаз и соответственно образования зародышевых трещин с последующим снижением ресурса сварных швов. С точки зрения возможности появления хрупких интерметаллидов по диаграммам состояния (тройная система) теоретически опасным является критическое содержание ванадия более 15 мас. в составе сплава.

Пример 3. Для серийного производства отработано смещение электрода на 0,8 от электрода 2,5 мм в сторону более легкоплавкого металла безникелевой нержавеющей стали. При этом положении электрода гарантируется отсутствие несплавления по шву, т.к. более тугоплавкий металл сплав ванадия полностью омывается и частично оплавляется расплавленной массой более легкоплавкой нержавеющей сталью как сверху, так и снизу, т.е. с лицевой стороны и обратной стороны шва за счет взаимодействия со сплавом ванадия сварочной ванны образуются характерные охватывающие сплав ванадия участки толщиной от 10 до 20% от сечения сварного шва. При этом в средней части шва размещен частично оплавленный слой сплава ванадия сечением от 80 до 60% от всего сечения сварного шва.

Химический микроспектральный анализ металла шва показал, что в этом случае максимальное содержание ванадия в опасном по микротрещинам участке не превышает 10 мас. Такое содержание ванадия, даже с учетом возможной микроликвации его по границам зерен, не является критическим и не ведет к образованию зародышевых трещин в зоне сплавления сплава ванадия с нержавеющей безникелевой сталью. Таким образом, сварные соединения сплава ванадия с безникелевой сталью, выполненные по технологии, приведенной в примере 3, являются оптимальными как по качеству сварных швов (без несплавлений), так и по требуемому химическому составу (отсутствие зародышевых трещин) и в связи с этим имеют высокий эксплуатационный ресурс.

Предлагаемый способ соединения двух разнородных металлов может быть осуществлен промышленными средствами.

Использование: для соединения сваркой двух разнородных металлов титан-сталь. Сущность изобретения: при сварке титана со сталью сначала сваривают первый промежуточный металл-сплав ванадия с титаном и его сплавами, распределяя тепловой поток равномерно и симметрично. Затем производят отжиг в вакууме сварного шва сплава ванадия и титана и обеих деталей переходников титана и ванадия по режимам термообработки титана. Далее выполняют сварку первого промежуточного металла сплава ванадия с вторым промежуточным безникелевой нержавеющей сталью, направляя 60-80% теплового потока на нержавеющую сталь. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ соединения двух разнородных металлов титан сталь в переходниках тонколистовых трубопроводов, при котором осуществляют сварку плавлением встык обоих свариваемых металлов через промежуточный переходник из сплава ванадия со стороны титана и безникелевой нержавеющей стали со стороны других сталей с различным рапределением вводимого от источника нагрева теплового потока при сварке промежуточных металлов переходников, отличающийся тем, что сначала сваривают первый промежуточный металл сплав ванадия с титаном или его сплавами, распределяя тепловой поток от источника нагрева равномерно и симметрично между обоими свариваемыми металлами в соотношении порядка 50% теплового потока на каждый из них, после чего производят отжиг в вакууме сварного шва сплава ванадия и титана и обеих деталей переходников - титана и ванадия по режимам термообработки титана, затем выполняют сварку первого промежуточного металла сплава ванадия с вторым промежуточным металлом безникелевой нержавеющей сталью, направляя 60-80% теплового потока на нержавеющую сталь, а оставшуюся часть на сплав ванадия. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при сварке неплавящимся электродом электрод сдвигают на нержавеющую сталь на величину от 0,5 до 0,8 диаметра электрода. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при сварке электронным лучом электронный луч несимметрично делят на две части, направляя каждую часть луча на свариваемые металлы, а затем выполняют низкий отпуск на режимах термообработки стали.