СПОСОБ СВАРКИ ТРУБ ИЗ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ С ТРУБАМИ ИЗ НЕРЖАВЕЮЩЕЙ СТАЛИ Российский патент 2003 года по МПК B23K20/00 B23K101/06 

Изобретение относится к области сварки, а более конкретно к технологии сварки труб из алюминиевых сплавов с трубами из нержавеющей стали.

В современном машиностроении достаточно широко используются трубы из нержавеющей стали в сочетании с трубами из алюминиевых сплавов, и в связи с этим постоянно возникает необходимость их соединения с помощью сварки.

Алюминий и сталь обладают металлургической несовместимостью, которая выражается в образовании хрупких интерметаллидных соединений при их взаимодействии в процессе нагрева. Это делает невозможным их непосредственное соединение сваркой плавлением. Для ограничения температурно-временных условий взаимодействия стали с алюминием процесс ведут по режиму сварко-пайки и с применением промежуточных слоев на стали в месте будущего сварного соединения. Применяют слой из алюминия и в сочетании с подслоем из других металлов.

Известен способ сварко-пайки труб из алюминиевых сплавов с трубами из нержавеющей стали с применением промежуточного слоя из алюминия с подслоем из никеля, меди и цинка, наносимых на сталь (Рябов В.Р. Сварка плавлением алюминия со сталью. Киев: Наукова думка, 1969 г., стр. 180). Подслой никель-медь-цинк наносили гальваническим путем, а слой из алюминия - погружением в расплав. После получения на конце нержавеющей трубы промежуточного слоя сварку трубы из алюминиевого сплава с трубой из нержавеющей стали производили непосредственно с промежуточным слоем по технологии сварки алюминиевых труб внахлестку с определенными ограничениями на тепловложение в промежуточный слой во избежание его прожога.

В связи со сложностью технологии получения на конце длинномерной трубы необходимого промежуточного слоя, этот процесс чаще всего осуществляют на коротком отрезке трубы в виде втулки. После получения на одном конце втулки промежуточного слоя ее приваривают к длинномерной трубе из нержавеющей стали. После этого к промежуточному слою на втулке приваривают сварко-пайкой трубу из алюминиевого сплава.

Недостатком данного способа является необходимость использования большой номенклатуры металлов для нанесения промежуточного слоя и сложность как процесса алитирования, так и процесса нанесения подслоя гальваническим путем. Кроме того, приваривая трубу из алюминиевого сплава, требуется весьма высокое мастерство сварщика, т.к. сварочную дугу необходимо вести точно по кромке алюминиевой трубы, оберегая промежуточный слой от воздействия тепла дуги во избежание его прожога. Кроме того, этот способ не позволяет получать высокопластичные соединения труб из алюминиевых сплавов с трубами из нержавеющей стали.

Наиболее близким к заявляемому способу по совокупности существенных признаков является способ сварки алюминия и его сплавов со сталью, включая сварку труб, по которому на конце нержавеющей трубы или коротком его отрезке образуют промежуточный слой путем накатки порошка из чистого алюминия с помощью накатного ролика (А.С. СССР 208851, МПК Н 05 В "Способ сварки алюминия и его сплавов со сталью", автор Рябов В.Р., 1968 г.). Этим способом можно получать промежуточные слои из алюминия достаточно большой толщины, что упрощает процесс приварки к нему алюминиевой трубы. Однако получение качественного сцепления этого слоя с поверхностью нержавеющей трубы требует высокой технологической дисциплины, при этом объективного способа контроля качества этого слоя и его сцепления с поверхностью трубы практически не существует и оценить качество слоя и его прочность сцепления со сталью возможно только после сварко-пайки с алюминиевым сплавом. Вышеизложенное не позволяет широко использовать этот способ в массовом производстве.

Отсутствие объективного контроля качества сцепления промежуточного слоя с поверхностью нержавеющей трубы характерно для всех известных способов нанесения слоев, включая способ алитирования в вакууме.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является разработка способа сварки, стабильно обеспечивающего при массовом производстве прочно-плотное соединение труб из алюминиевых сплавов с трубами из нержавеющей стали.

Технический результат, получаемый при осуществлении заявленного изобретения, состоит в том, что в заявленном способе стабильно обеспечивается высокая прочность между промежуточным слоем и трубой из нержавеющей стали, а также между промежуточным слоем и трубой из алюминиевого сплава.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе сварки труб из алюминиевых сплавов с трубами из нержавеющей стали, включающем выполнение на конце трубы из нержавеющей стали промежуточного слоя и сварку с ним трубы из алюминиевого сплава:
- промежуточный слой изготавливают путем соединения втулки из титанового сплава со втулкой из нержавеющей стали посредством диффузионной сварки в виде трубчатого переходника, а затем втулку из нержавеющей стали соединяют с трубой из нержавеющей стали сваркой плавлением, после чего конец втулки из титанового сплава соединяют с трубой из алюминиевого сплава сварко-пайкой, при этом места соединения сварко-пайкой и диффузионной сваркой размещают на расстоянии друг от друга;
- кроме того, один конец втулки из титанового сплава размещают внутри втулки из нержавеющей стали, а другой ее конец размещают снаружи трубы из алюминиевого сплава;
- кроме того, при сварко-пайке втулки из титанового сплава с трубой из алюминиевого сплава температуру в месте их контакта поддерживают не выше 1100^oС;
- кроме того, при сварке плавлением втулки из нержавеющей стали с трубой из нержавеющей стали и при сварко-пайке втулки из титанового сплава с трубой из алюминиевого сплава нагрев диффузионного соединения втулки из титанового сплава со втулкой из нержавеющей стали ограничивают температурой 600^oС.

Заявленный способ сварки труб из алюминиевых сплавов с трубами из нержавеющей стали позволяет получать высоконадежные соединения, в технологии получения которых отсутствуют нестабильные и трудноконтролируемые процессы, такие как гальванический и алитирование, не поддающиеся объективным методам контроля как в процессе нанесения слоев, так и после их получения.

В заявленном способе место соединения втулки из титанового сплава со втулкой из нержавеющей стали и место приварки трубы из алюминиевого сплава ко втулке из титанового сплава выполнены на расстоянии друг от друга. В этом случае место соединения втулки из титанового сплава со втулкой из нержавеющей стали не подвергается повторному интенсивному нагреву и сохраняет свои первоначальные свойства, что обеспечивает его устойчивую работоспособность в составе будущего трубопровода. При этом схемы соединения титановой втулки с нержавеющей втулкой и трубой из алюминиевого сплава выбраны таким образом, что они способствуют оптимальному протеканию процессов сварки. В случае диффузионной сварки втулки из нержавеющей стали со втулкой из титанового сплава последнюю выполняют охватываемой. Это обеспечивает в нахлесточном соединении при охлаждении после нагрева по сварочному режиму кроме диффузионного сварного соединения еще и горячепрессовую посадку, т.к. коэффициент термического расширения (КТР) нержавеющей стали Х18Н10Т в два раза больше, чем у титана.

При сварко-пайке титановую втулку выполняют охватывающей, что способствует оптимальному протеканию процесса сварко-пайки, т.к. при нагреве в процессе сварки труба из алюминиевого сплава, имея в 2,5 раза больший КТР, чем у втулки из титанового сплава, плотно прижимается к внутренней поверхности втулки из титанового сплава. Это является одним из необходимых условий образования качественного соединения, т.к. способствует оптимальной теплопередаче алюминиевому сплаву и соответственно растеканию его по титановому сплаву с образованием сварного шва.

Сварку титанового сплава с алюминиевым сплавом в связи с их высокой металлургической совместимостью производят в широком диапазоне температур (900-1100^oС), при которых образуются прочные металлические связи между титаном и алюминием, что обеспечивает высокие механические характеристики сварных соединений. В этом интервале температур сварные соединения имеют в переходной зоне оптимальную объемную долю интерметаллидов ТiАl₃, равную 5-20%. Кроме того, при температурах контакта алюминия с титаном 900-1100^oС в оптимальной степени реализуется механизм удаления оксидов алюминия путем восстановления оксидов титаном, что в значительной степени определяет процесс растекания и смачивания титана алюминием.

Ограничение температуры нагрева диффузионного соединения титановый сплав-нержавеющая сталь 600^oС обусловлено опасностью образования интерметаллидов Ti_nFe_m, наличие которых в переходной зоне в виде прослойки толщиной более 5 мкм может снизить механические свойства сварного соединения.

Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 показан промежуточный слой в виде трубчатого переходника, в котором втулка 1 из титанового сплава соединена со втулкой 2 из нержавеющей стали посредством диффузионной сварки.

На фиг. 2 показан промежуточный слой в виде переходника, конец которого из нержавеющей стали соединен с трубой 3 из нержавеющей стали сваркой плавлением по традиционной технологии.

На фиг. 3 показано сварное соединение трубы 4 из алюминиевого сплава с трубой 3 из нержавеющей стали через промежуточный слой в виде трубчатого переходника, конец 2 которого из нержавеющей стали соединен с трубой 3 из нержавеющей стали сваркой плавлением, а конец 1 из титанового сплава соединен с трубой из алюминиевого сплава сварко-пайкой.

Заявленный способ на примере сварки труб из сплава Амг3 с трубами из нержавеющей стали 08Х18Н10Т осуществляется следующим образом.

Промежуточный слой в виде трубчатого переходника изготавливали диффузионной сваркой втулки 1 из титанового сплава со втулкой 2 из нержавеющей стали по конструктивной схеме, когда втулка из нержавеющей стали охватывает втулку из титанового сплава.

Такую схему соединения выбрали, учитывая коэффициент термического расширения у стали и титана, который у нержавеющей стали в 2 раза больше, чем у титана. При охлаждении переходника после цикла сварки по режиму нагрев-деформация получаем кроме диффузионного соединения с металлической связью еще и горячепрессовую посадку, что дополнительно способствует упрочнению данного сварного соединения. После охлаждения переходник механически обрабатывали под размеры труб из алюминиевого сплава и труб из нержавеющей стали.

С нержавеющей трубой переходник сваривали встык по традиционной технологии аргоно-дуговым способом. Длину нержавеющей втулки выбирали такой, чтобы при сварке плавлением нержавеющей втулки с нержавеющей трубой температура в диффузионном соединении не превышала 600^oС.

С трубой из алюминиевого сплава титановый конец переходника сваривали сварко-пайкой, при этом он был охватывающим по отношению к трубе из алюминиевого сплава. Необходимым условием сварко-пайки является плотный контакт свариваемых материалов. Поэтому механическую обработку титанового конца переходника и конца привариваемой трубы вели с обеспечением минимального зазора между ними. Кроме того, разница в коэффициентах термического расширения свариваемых материалов дополнительно обеспечивала плотный контакт между ними, что способствовало оптимальной теплопередаче от титана к алюминию, растеканию его по титану с образованием галтели сварного шва. Качество соединения контролировали по образованию галтели в торце титанового конца переходника.

При сварке конца втулки переходника из титанового сплава с трубой из алюминиевого сплава также принимали меры по ограничению нагрева диффузионного соединения титановый сплав-нержавеющая сталь 600^oС с помощью накладных холодильников.

Испытания сварных соединений труб нержавеющая сталь-алюминиевый сплав Амг3 по заявленному способу показали высокую работоспособность сварных соединений.

Высокие надежность и качество заявленного способа сварки труб из алюминиевых сплавов с трубами из нержавеющей стали обеспечиваются применением известных и хорошо отработанных процессов диффузионной сварки нержавеющей стали и титана, аргоно-дуговой сварки труб из нержавеющей стали и сварко-пайки титана с алюминием, а также хорошо известными методами контроля качества этих процессов.

Изобретение относится к области сварки, а более конкретно к технологии сварки труб из алюминиевых сплавов с трубами из нержавеющей стали. На конце трубы из нержавеющей стали выполняют промежуточный слой и сваривают с ним трубы из алюминиевого сплава. Промежуточный слой изготавливают путем соединения втулки из титанового сплава со втулкой из нержавеющей стали посредством диффузионной сварки в виде трубчатого переходника. Втулку из нержавеющей стали соединяют с трубой из нержавеющей стали сваркой плавлением. Конец втулки из титанового сплава соединяют с трубой из алюминиевого сплава сварко-пайкой. Соединение сварко-пайкой размещают от соединения диффузионной сваркой на расстоянии, обеспечивающем отсутствие повторного нагрева соединения диффузионной сваркой. Один конец втулки из титанового сплава может быть размещен внутри втулки из нержавеющей стали, а другой ее конец - снаружи трубы из алюминиевого сплава. При сварко-пайке втулки из титанового сплава с трубой из алюминиевого сплава температуру в месте их контакта поддерживают не выше 1100^oС. Реализация данного способа позволяет обеспечить стабильно высокое качество сварного соединения. 3 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Способ сварки труб из алюминиевых сплавов с трубами из нержавеющей стали, включающий выполнение на конце трубы из нержавеющей стали промежуточного слоя и сварки с ним трубы из алюминиевого сплава, отличающийся тем, что промежуточный слой изготавливают в виде трубчатого переходника путем соединения втулки из титанового сплава со втулкой из нержавеющей стали посредством диффузионной сварки, а затем втулку из нержавеющей стали соединяют с трубой из нержавеющей стали сваркой плавлением, после чего втулку из титанового сплава соединяют с трубой из алюминиевого сплава сварко-пайкой, при этом соединение сварко-пайкой размещают от соединения диффузионной сваркой на расстоянии, обеспечивающем отсутствие повторного нагрева соединения диффузионной сваркой. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что соединение втулки из титанового сплава осуществляют путем размещения одного конца втулки из титанового сплава внутри втулки из нержавеющей стали, а другого конца снаружи трубы из алюминиевого сплава. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при сварко-пайке втулки из титанового сплава с трубой из алюминиевого сплава температуру в месте их контакта поддерживают не выше 1100^oС. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что диффузионное соединение втулки из титанового сплава со втулкой из нержавеющей стали производят с нагревом при температуре, ограниченной 600^oC.