СПОСОБ ДИФФУЗИОННОЙ СВАРКИ Российский патент 2002 года по МПК B23K20/16 

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 или приборостроении.

Известен способ диффузионной сварки (Казаков Н.Ф. Диффузионная сварка материалов. М.: Машиностроение, 1976 г.), в соответствии с которым между соединяемыми поверхностями свариваемых деталей помещают промежуточную прокладку в виде промышленного порошка с размером частиц более 1 мкм и удельной поверхностью не более 0,5 м²/г. Это позволяет исключить образование хрупких интерметаллидов в зоне соединения, устранить влияние разницы коэффициентов линейного термического расширения (КЛТР) свариваемых материалов и т.д.

Основными недостатками этой технологии следует считать то, что такие порошковые прокладки не обеспечивают снижения основных параметров режима сварки: температуры, давления, времени выдержки. Кроме того, порошковые прокладки с такой дисперсностью и развитостью поверхности после спекания на режимах сварки имеют малую величину усадки и как следствие высокую окончательную пористость сварного шва (до 50%), не обеспечивая вакуум-плотность соединения. Поры также являются концентраторами напряжений, что снижает механическую прочность сварного соединения.

Наиболее близким к предлагаемому является способ диффузионной сварки по а.с. 238022 В 23 К 20/16 от 1969 г., в соответствии с которым при реализации способа в качестве промежуточной прокладки применяют ультрадисперсный порошок (УДП) металла (например, никеля), полученный термическим разложением органической соли - формиата этого же металла (например, формиата никеля Ni(COOH)₂•2H₂0). Такой порошок имеет размер частиц менее 0,1 мкм и удельную поверхность свыше 3 м²/г.

Недостатком способа является также наличие остаточной пористости в сварном шве (промежуточной прокладке), что не обеспечивает поддержание вакуума в изделиях лучше 1,33•10^-2 мм рт. ст.

Техническим результатом изобретения является повышение качества сварных соединений за счет снижения остаточной пористости сварных швов и обеспечение их вакуумплотности.

Указанный результат достигается тем, что при данном способе диффузионной сварки, при котором между свариваемыми поверхностями соединяемых деталей располагают промежуточную прокладку, содержащую ультрадисперсный высокоактивный порошок металла, промежуточная прокладка дополнительно содержит органическую соль металла ультрадисперсного порошка при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Ультрадисперсный порошок металла - 65
Органическая соль металла порошка - 35
Согласно предлагаемому способу диффузионной сварки порошок смеси предварительно наносится на соединяемые поверхности. После этого детали собирают в приспособление и загружают в камеру, где процесс соединения осуществляют при соответствующих температуре, давлении и времени выдержки.

В процессе сварки ультрадисперсная структура активной промежуточной прокладки формируется путем восстановления металлического порошка из органической соли и взаимодействия с предварительно полученным ультрадисперсным порошком металла.

При этом ультрадисперсный металлический порошок, входящий в состав смеси, способствует уплотнению прокладки и ликвидирует порообразование. Отсутствие пор увеличивает вакуумную плотность соединения и позволяет повысить пластические свойства прокладки, а значит, повышает прочностные характеристики соединения.

Диффузионная сварка изделий ведется по определенному режиму, который обеспечивает формирование активного слоя и получение качественного вакуумплотного соединения. Отличительная особенность режима заключается в следующем. Сварочное давление прикладывается постепенно: Р = 0,5 Ррасчет с выдержкой 5 мин при температуре начала термического разложения органической соли металла; при температуре окончания термического разложения этой соли Р=0,8 Ррасчет с выдержкой 5 мин. Это связано с тем, что при температуре начала термического разложения органической соли металла начинает активно восстанавливаться металл, происходит выделение газообразных продуктов, поэтому при данной температуре необходима выдержка в течение 5 мин, а давление составляет 0,5 Ррасчет для того, чтобы газообразные продукты могли свободно удалиться из зоны соединения. Далее в режиме сварки предусмотрен подъем температуры до температуры окончания термического разложения и равномерный подъем сварочного давления с 0,5 до 0,8 Ррасчет. В этот момент осуществляют выдержку в течение 5 мин для окончательного удаления газообразных продуктов и снижения пористости. Затем система выводится на номинальный режим.

Более высокий уровень качества можно достичь, если при способе сварки, при котором между свариваемыми поверхностями соединяемых деталей располагают промежуточную прокладку, содержащую ультрадисперсный высокоактивный порошок металла, прокладка дополнительно содержит смесь, по крайней мере, двух органических солей металлов, не образующих между собой интерметаллических соединений, причем окончательное соотношение между элементами в смеси выбирают произвольно. В процессе сварки через такую прокладку осуществляют нагрев до температуры начала термического разложения каждой из органических солей, выдержку в течение 5 мин при этой температуре и сварочном давлении равном 0,5 Ррасчет давления, затем - нагрев до температуры окончания термического разложения каждой из солей, равномерное увеличение давления до 0,8 Ррасчет давления и выдержку при этой температуре и давлении в течение 5 мин.

Конкретный пример выполнения способа.

По предлагаемому способу производили сварку образцов из армкожелеза и никеля НП2 через промежуточную прокладку, состоящую, мас.%
Ультрадисперсный высокоактивный порошок никеля - 65
Органическая соль муравьинокислого никеля (формиат) - 35
Параметры режима сварки: Тсв = 550^oС; Ррасчет = 12 МПа; t = 30 мин.

График ведения процесса сварки приведен на фиг. 1.

Термическое разложение формиата никеля начинается при Т=200^oС, поэтому при достижении этой температуры осуществляли выдержку 5 мин, при этом Р = 0,5 Ррасчет = 6 МПа. За это время происходит обильное выделение газообразных продуктов термического разложения. Далее температуру поднимали до Т=380^oС - температуры окончания термического разложения формиата, а сварочное давление увеличивали до Р = 0,8 Ррасчет = 9,6 МПа. Время выдержки при этих Т и Р - 5 мин. Остаточные газообразные продукты термического разложения под действием давления удаляются из зоны сварки. Затем осуществляли подъем температуры до Тсв, а Р до Ррасчет и производили выдержку в течение 30 мин. Далее нагрев выключали и детали охлаждали до Ткомнатной.

Механические свойства соединений: σ_в>220 МПа; а_н= 14 МПа.

Соединения обеспечивают поддержание вакуума в закрытом объеме 4,5•10^-5 мм рт. ст.

При использовании прокладки, состоящей из смеси ультрадисперсного высокоактивного порошка никеля и двух органических солей металлов - формиата никеля и формиата меди (соотношение компонентов смеси произвольное) режим сварки ведут в соответствии с графиком на фиг. 2. При добавлении в указанную смесь формиата кобальта режим сварки ведут по графику на фиг. 3.

Применение данного способа позволяет сохранить структуру и исходные характеристики соединяемых материалов, повышая тем самым надежность и качество сварных узлов. Способ не требует применения специализированного оборудования, экономически выгоден для производства прецизионных изделий.

Способ может быть использован при изготовлении сваркой в твердой фазе прецизионных узлов из разнородных материалов. Между свариваемыми поверхностями соединяемых деталей располагают промежуточную прокладку, содержащую ультрадисперсный высокоактивный порошок металла и органическую соль того же металла. В процессе сварки осуществляют нагрев деталей до температуры начала термического разложения органической соли металла и выдержку при этой температуре и сварочном давлении 0,5 расчетного в течение 5 мин. Затем производят нагрев до температуры окончания термического разложения органической соли металла с равномерным увеличением сварочного давления до 0,8 расчетного и выдержку при этой температуре и давлении в течение 5 мин. Может быть использована смесь нескольких органических солей металлов, не образующих между собой интерметаллических соединений. Способ позволяет повысить качество сварных соединений за счет снижения остаточной пористости сварных швов и обеспечения их вакуум-плотности. 3 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Способ диффузионной сварки, при котором между свариваемыми поверхностями соединяемых деталей располагают промежуточную прокладку, содержащую ультрадисперсный высокоактивный порошок металла, отличающийся тем, что используют прокладку, содержащую дополнительно органическую соль металла ультрадисперсного порошка при следующем соотношении компонентов, мас. %: ультрадисперсный высокоактивный порошок металла - 65, органическая соль металла порошка - 35. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в процессе сварки осуществляют нагрев деталей до температуры начала термического разложения органической соли металла и выдержку при этой температуре и сварочном давлении, равном 0,5 расчетного, в течение 5 мин, затем нагрев до температуры окончания термического разложения органической соли металла с равномерным увеличением сварочного давления до 0,8 расчетного и выдержку при этой температуре и давлении в течение 5 мин. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что используют прокладку, содержащую дополнительно, по меньшей мере, одну органическую соль другого металла, не образующую в смеси между металлами интерметаллических соединений, причем соотношение металлов в смеси выбирают произвольно. 4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что в процессе сварки осуществляют нагрев деталей до температуры начала термического разложения каждой из органических солей металла и выдержку при этой температуре и сварочном давлении, равном 0,5 расчетного, в течение 5 мин, затем нагрев до температуры окончания термического разложения каждой из органических солей металла с равномерным увеличением сварочного давления до 0,8 расчетного и выдержку при этой температуре и давлении в течение 5 мин.