СПОСОБ ДИФФУЗИОННОЙ СВАРКИ Российский патент 2002 года по МПК B23K20/14 

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.

Известен способ диффузионной сварки (Казаков Н.Ф. Диффузионная сварка материалов. М.: Машиностроение, 1976, с.124, 132-134 и др.), при котором при соединении металлических и неметаллических материалов с металлами и сплавами, обладающими, например, упругими свойствами, для обеспечения необходимых упругих свойств этим металлам и сплавам после сварки весь технологический цикл разбит на две стадии. На первой стадии производят диффузионную сварку деталей при параметрах режима (температура, сварочное давление, время выдержки), обеспечивающих качественное соединение разнородных материалов. При этом температура процесса сварки и скорость охлаждения могут быть ниже или выше соответственно температуры процесса закалки и скорости охлаждения, характерных для материала, обладающего упругими свойствами. В результате сварное соединение имеет гарантированное качество по механическим свойствам, например по прочности на разрыв, но деталь из упругого материала не обладает необходимыми упругими свойствами. Поэтому на второй стадии производят термическую обработку сварного соединения на придание упругих свойств детали из упругого материала при соответствующих температуре и скоростях нагрева и охлаждения.

Недостатком такой технологии является длительный технологический цикл изготовления деталей.

Наиболее близким к предлагаемому является способ диффузионной сварки (Казаков Н. Ф. Диффузионная сварка материалов. М.: Машиностроение, 1976, с. 162-220), в соответствии с которым для уменьшения потерь упругих и других исходных свойств материалов при диффузионной сварке применяют промежуточные прокладки в виде фольг или порошков металлов, обеспечивающие снижение температуры сварки.

Недостатком данного способа является то, что и в этом случае необходима дополнительная термическая обработка сварного соединения для придания упругому материалу необходимых упругих свойств.

Техническим результатом изобретения является одновременное обеспечение качества сварного соединения и придание необходимых упругих свойств материалам, обладающим упругими свойствами.

Поставленная техническая задача решается за счет того, что в предлагаемом способе диффузионной сварки, при котором производят нагрев деталей до температуры сварки и их сдавливание, изотермическую выдержку и охлаждение, сварку производят при температуре, соответствующей температуре процесса закалки упругого материала, причем скорость охлаждения при сварке соответствует скорости охлаждения при закалке, а при охлаждении до температуры 250-300^oС производят дополнительную изотермическую выдержку в течение 3-2 часов.

При температуре диффузионной сварки, которая соответствует температуре закалки упругого материала на упругие свойства, одновременно происходит два процесса: образование сварного соединения и термическая обработка упругого материала на придание ему необходимых упругих свойств. После изотермической выдержки при температуре сварки (термообработки) охлаждение ведут с контролируемой скоростью, которая соответствует скорости охлаждения при термообработке упругого материала на упругие свойства. При этом в сварном шве возникают остаточные напряжения, которые могут снизить прочностные свойства соединения. Для стабилизации прочностных свойств соединения и упругих свойств материала в процессе охлаждения при достижении 250-300^oС производят дополнительную изотермическую выдержку в течение 3-2 часов. Далее охлаждение ведут произвольно.

Способ осуществляют следующим образом.

Детали из обычного материала и материала, обладающего упругими свойствами, обезжиривают, собирают в приспособление и помещают в вакуумную камеру сварочной установки. В камере создают вакуум не хуже 1,33•10^-3 мм рт. ст., детали нагревают до температуры сварки, которая соответствует температуре закалки упругого материала на упругие свойства, выдерживают в течение 20-30 мин для образования сварного соединения и начала термообработки, затем охлаждают со скоростью, равной скорости охлаждения упругого материала при закалке на упругие свойства. При достижении 250-300^oС производят дополнительную изотермическую выдержку в течение 3-2 часов для стабилизации прочностных свойств соединения, упругих свойств материала и снятия остаточных напряжений.

Пример конкретного выполнения способа.

Производили диффузионную сварку деталей из серого чугуна СЧ 15-32 со сталью 40Х13, обладающей упругими свойствами в исходном состоянии. Основным параметром, характеризующим упругие свойства, будем считать твердость HV. В исходном состоянии у стали 40Х13 твердость равна 580-610 HV.

Техническая задача: получить сварное соединение указанных материалов, при этом прочность σ_в не должна быть менее 200 МПа, а твердость после сварки должна быть равна твердости в исходном состоянии. При значении HV, меньшем исходному, соединение не работоспособно в виду низких (недостаточных) упругих свойств упругого материала; превышение этого значения свидетельствует о хрупкости и, следовательно, низкой прочности соединения.

Одним из промышленных режимов термообработки стали 40Х13 на упругие свойства является: температура Т= 1000^oС, скорость охлаждения - не менее 100^oС/мин.

Параметры режима диффузионной сварки выбраны следующие: Т_св=1000^oС, время выдержки t= 30 мин, сварочное давление Р=10 МПа, скорость нагрева не контролируемая, скорость охлаждения 100^oС/мин; при охлаждении до температуры 250-300^oС производили выдержку в течение 3-2 часов, далее охлаждение произвольное.

В ходе исследований производилась сварка образцов и при температурах ниже и выше принятой, при различных скоростях охлаждения и без дополнительной изотермической выдержки при 250-300^oС.

Все полученные данные сведены в таблицу.

Кроме того, производили сварку стали 40Х13 с нержавеющей сталью 12Х18Н10Т, со сплавом 49К2Ф, керамикой ВК-94 и др. по вышеприведенному режиму. Выбранные параметры режима дали положительные результаты.

Таким образом, вышеприведенные результаты исследований показывают, что заложенный принцип выбора параметров режимов диффузионной сварки металлов и неметаллов с материалами, обладающими упругими свойствами, позволяет получать качественные сварные соединения с требуемыми упругими свойствами.

Способ может быть использован при изготовлении сваркой в твердой фазе прецизионных узлов из разнородных материалов, в частности металлов или неметаллов и упругих металлических материалов. Производят нагрев деталей до температуры сварки, соответствующей температуре закалки упругого материала, и их сдавливание. Осуществляют изотермическую выдержку и охлаждение со скоростью, соответствующей скорости охлаждения при закалке упругого материала. При достижении температуры 250-300^oС проводят дополнительную изотермическую выдержку в течение 2 - 3 ч. Способ позволяет при обеспечении качества соединения получить требуемые упругие свойства. 1 табл.

Способ диффузионной сварки металлов и неметаллов с упругими металлическими материалами, при котором производят нагрев деталей до температуры сварки и их сдавливание, изотермическую выдержку и охлаждение, отличающийся тем, что сварку производят при температуре, соответствующей температуре закалки упругого материала, охлаждение осуществляют со скоростью, соответствующей скорости охлаждения при закалке упругого материала, а при достижении температуры 250-300^oС проводят дополнительную изотермическую выдержку в течение 2-3 ч.