СПОСОБ НЕРАЗЪЕМНОГО СОЕДИНЕНИЯ ПРЕИМУЩЕСТВЕННО ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ Российский патент 1999 года по МПК B23K20/14 

Изобретение относится к сварке давлением с подогревом, в частности к диффузионной сварке, и может быть использовано при сварке прецизионных деталей. Наибольший эффект от использования изобретения достигается при сварке пористых цилиндрических деталей из поверхностно-активных материалов.

Известен способ диффузионной сварки цилиндрических деталей, включающий помещение их в вакуумированную камеру, приложение сварочного давления, нагрев и изотермическую выдержку до получения неразъемного соединения деталей [1].

Недостатком способа является то, что активация контактирующих поверхностей происходит только за счет температуры и приложенного давления, что не всегда оправдано, т. к. процесс активации контактирующих поверхностей зависит от их состояния и в некоторых случаях требуется существенное увеличение значений температуры и давления, вплоть до весьма высоких значений, либо какого-то другого внешнего энергетического воздействия, что является экономически невыгодным, а технически - довольно сложным.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению по мнению заявителей является способ диффузионной сварки [2], также включающий помещение свариваемых цилиндрических деталей из сплава ОТ4 в сварочную камеру, вакуумирование ее объема (разрежение 10^-3 мм. рт. ст.), нагрев до сварочной температуры, например до 950^oC, приложение сварочного давления 0,5 кг/мм и изотермическую выдержку в течение 30 минут. При этом на свариваемой поверхности одной из деталей предварительно выполняют кольцевой выступ наволакиванием металла с боковой поверхности детали для того, чтобы герметизировать зону соединения.

Как видно из приведенных значений сварочного давления, оно является достаточно высоким, чтобы нарушить структуру, в частности, деталей из пористых материалов, например из пористого титана. К тому же происходит дополнительное уплотнение этой структуры за счет приложения давления для деформации кольцевого выступа. С этим же недостатком связано повышение значений высокотемпературной ползучести. Что же касается температуры нагрева при сварке, то ее значения также весьма высоки, что является энергетически и экономически невыгодным. Столь высокие сварочные значения давления и температуры связаны с преодолением спорадических загрязнений (окисных пленок, жировых загрязнений и прочих) поверхностей соединяемых деталей при сварке, что является особенно существенным для деталей из таких поверхностно-активных материалов, как пористый титан и др.

Поэтому задача, которую решали авторы при создании изобретения, состояла в достижении эффективного соединения по методу диффузионной сварки прежде всего деталей из пористых поверхностно-активных материалов при сохранении структуры деталей за счет снижения сварочного давления и повышения экономичности способа за счет снижения энергетических затрат с уменьшением значений высокотемпературной ползучести и доуплотнения материала.

Поставленная задача была решена в заявляемом способе тем, что при выполнении ранее известных приемов диффузионной сварки (помещение деталей в сварочную камеру, приведение в контакт соединяемых поверхностей, совмещение их контуров, вакуумирование объема камеры, нагрев деталей до температуры сварки, приложение к ним сварочного давления перпендикулярно соединяемым поверхностям и изотермическая выдержка свариваемых деталей в камере) после приведения в контакт соединяемых поверхностей и вакуумирования объема сварочной камеры к деталям прикладывают давление, составляющее 0,4 - 0,5 от сварочного, нагревают их до температуры, составляющей 0,6 - 0,7 от температуры сварки и осуществляют перемещение свариваемых поверхностей в течение времени, равного 0,05 - 0,1 от времени изотермической выдержки со скоростью, обеспечивающей один оборот взаимного перемещения стыкуемых поверхностей, после чего доводят температуру в камере и давление на детали до сварочных значений. Приведенная совокупность признаков обеспечивает получение технического результата во всех случаях. Как показали эксперименты, проведенные авторами, предпочтительным вариантом взаимного перемещения деталей является их вращение во взаимно противоположных направлениях.

При этом совокупность признаков, отличительных от наиболее близкого аналога, сводится к следующему:
после приведения в контакт соединяемых поверхностей и вакуумирования объема сварочной камеры к свариваемым деталям прикладывают давление и нагревают их с одновременным взаимным вращением свариваемых поверхностей;
величина прикладываемого предварительного давления составляет 0,4 - 0,5 от сварочного;
значение предварительной температуры нагрева деталей составляет 0,6 - 0,7 от температуры сварки;
взаимное вращение свариваемых поверхностей осуществляют в течение времени, равного 0,05 - 0,1 времени изотермической выдержки деталей со скоростью, обеспечивающей один оборот взаимного перемещения стыкуемых поверхностей;
после предварительной обработки деталей температуру в камере и давление на детали доводят до сварочных значений.

Как видно из представленной совокупности отличительных признаков, она включает в себя новую последовательность приемов способа неразъемного соединения деталей, новый прием, заключающийся во введении предварительной обработки деталей перед сваркой в условиях разрежения сварочной камеры, в новых режимах, отличных от режимов собственно процесса диффузионной сварки.

Совершенно очевидно, что режимы (параметры процесса) предварительной обработки деталей перед диффузионной сваркой таковы, что они не приводят непосредственно к взаимной диффузии молекул из материала деталей на этом этапе. Однако предварительное взаимное вращение свариваемых поверхностей деталей приводит к устранению на них спорадических оксидных пленок, всякого рода включений и загрязнений на поверхностях в вакуумированном объеме сварочной камеры, т. е. происходит очистка указанных поверхностей и устраняется возможность их повторного окисления и загрязнения вплоть до собственно процесса диффузионной сварки. Это позволяет снизить значения прикладываемого давления к деталям и их нагрева при сварке, что, с одной стороны, позволяет исключить деформацию деталей, особенно из пористых материалов, а с другой - обеспечить экономичный режим сварки, причем качество неразъемного соединения деталей не ухудшается.

Значения параметров предварительной обработки деталей в вакуумированном объеме сварочной ванны и оговоренных пределов зависят от материалов свариваемых деталей и варьируются в достаточно узких диапазонах. Они определены авторами экспериментально при сварке деталей из различных металлов с различной структурой и плотностью.

В общем виде способ неразъемного соединения цилиндрических деталей по методу диффузионной сварки сводится к следующему.

Соединяемые детали, зажатые в патроне, герметизируют в сварочной камере. После этого свариваемые поверхности деталей приводят в контакт и совмещают их контуры. Затем производят откачку газов из объема камеры. Далее сообщают деталям, например, вращательное движение, по крайней мере одной из деталей. При этом детали прижимают друг к другу при давлении, меньшем давления, прикладываемого при диффузионной сварке, и нагревают их до температуры, также меньшей температуры диффузионной сварки. После предварительной обработки свариваемых поверхностей деталей повышают давление до необходимого и достаточного для сварки, а температуру - до соответствующего сварочного значения. В этих режимах осуществляют выдержку деталей в сварочной камере в течение времени, необходимого и достаточного для осуществления взаимной диффузии молекул из материалов деталей и получения их неразъемного соединения.

Для иллюстрирования заявляемого способа приведем пример его конкретного осуществления.

Производили сварку двух цилиндрических деталей из сплава ВТ5-1. Детали зажимали в патроны и вводили в сварочную камеру. Затем детали приводили в контакт и совмещали их контуры. Камеру вакуумировали до давления 10^-3 мм. рт. ст. , затем прикладывали давление, равное 2,5 МПа и нагревали до 650^oC. Осуществляли вращение одной из деталей со скоростью 0,7 об/мин в течение 1,5 мин. После этого температуру нагрева деталей повышали до 900^oC, а давление постепенно доводили до 4,5 МПа. В этих режимах осуществляли изотермическую выдержку деталей в камере в течение 25 минут.

Последующее испытание неразъемного соединения деталей показало высокое его качество (разрыв соединения произошел по основному материалу).

Для сравнения необходимо отметить, что обычные режимы диффузионной сварки для получения неразъемного соединения цилиндрических деталей из того же сплава при одинаковой площади их сечения составляли: температура сварки T = 980^oC, давление сварки P = 5 МПа, время изотермической выдержки - 30 минут.

Таким образом, за счет выполнения предварительной обработки соединяемых поверхностей деталей перед непосредственно сваркой в вакуумированном объеме рабочей камеры все параметры процесса снижены примерно на 10% для единичного соединения деталей. Это позволяет, прежде всего, соответственно снизить энергетические затраты при нагреве и уменьшить длительность цикла сварки, что повышает экономичность способа. Снижение сварочного давления позволяет уменьшить структурные и пластические деформации деталей. Качество неразъемного соединения деталей, как было отмечено выше, по крайней мере не снижается.

Источники информации, принятые во внимание при составлении описания:
1. Казаков Н. Д. Диффузионная сварка материалов. М.: Машиностроение, 1976.

2. А.С. СССР N 816722, кл. B 23 K 20/00, заявл. 19.03.79 (прототип).

Изобретение относится к сварке давлением с подогревом, в частности к диффузионной сварке, и может быть использовано при сварке цилиндрических деталей и, в первую очередь, из пористых материалов. После приведения в контакт соединяемых поверхностей и вакуумирования объема камеры осуществляют предварительную обработку, для чего к деталям прикладывают давление, составляющее 0,4-0,5 от сварочного. Нагревают их до температуры, составляющей 0,6-0,7 от температуры сварки, и осуществляют взаимное вращение свариваемых поверхностей в течение времени, равного 0,05-0,1 времени изотермической выдержки со скоростью, обеспечивающей один оборот взаимного перемещения стыкуемых поверхностей. После чего доводят температуру в камере и давление на детали до сварочных значений и осуществляют сварку. Такая технология позволяет снизить энергозатраты при нагреве, уменьшить длительность сварки. Снижение сварочного давления позволяет уменьшить структурные и пластические деформации деталей. 1 з.п. ф-лы.

1. Способ неразъемного соединения преимущественно цилиндрических деталей с плоскими соединяемыми поверхностями диффузионной сваркой, включающий помещение деталей в сварочную камеру, приведение в контакт соединяемых поверхностей и совмещение их контуров, создание разрежения в камере, нагрев деталей до температуры сварки, приложение к ним сварочного давления перпендикулярно соединяемым поверхностям и изотермическую выдержку свариваемых деталей в камере, отличающийся тем, что после создания разрежения в камере осуществляют предварительную обработку, для чего к деталям прикладывают давление, составляющее 0,4 - 0,5 от сварочного, нагревают их до температуры, составляющей 0,6 - 0,7 от температуры сварки, и осуществляют взаимное перемещение свариваемых поверхностей путем вращения деталей в течение времени, равного 0,05 - 0,1 времени изотермической выдержки, со скоростью, обеспечивающей один оборот взаимного перемещения стыкуемых поверхностей, после чего доводят температуру в камере и давление на детали до сварочных значений. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что приведенные в контакт поверхности деталей перед сваркой вращают во взаимно противоположных направлениях.