СПОСОБ ДИФФУЗИОННОЙ СВАРКИ Российский патент 2003 года по МПК B23K20/16 

Изобретение относится к сварке давлением 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.6, 9), при котором соединение разнородных материалов осуществляется за счет пластической деформации деталей при повышенных температурах (Т_св=0,5-0,7 Т_пл материала с более низкой температурой плавления). Наличие деформированных деталей требует проведения последующей механической обработки деталей, а приведенный температурный диапазон не всегда обеспечивает достаточную механическую прочность сварных соединений, особенно металлов и сплавов с высокими температурами плавления Т_пл. Ведь с повышением Т_пл у большинства материалов повышается деформационная способность. Кроме того, многие металлы и сплавы обладают металлургической несовместимостью, образуя между собой при взаимодействии хрупкие интерметаллические фазы, снижающие прочностные характеристики сварных соединений.

Для снижения термодеформационного воздействия на свариваемые материалы и уменьшения пластической деформации деталей, исключения образования интерметаллидов в зоне соединения и получения равнопрочного соединения предложены способы диффузионной сварки с применением промежуточных прокладок в виде фольг, проволок, гальванических или напыленных слоев, порошков (Казаков Н.Ф. Диффузионная сварка материалов. М.: Машиностроение, 1976, с. 154, 202 и др. ).

Известен способ диффузионной сварки с применением расплавляющихся промежуточных прокладок (Теория, технология и оборудование диффузионной сварки. В. А. Бачин, В. Ф. Квасницкий, Д.И. Котельников и др. М.: Машиностроение, 1991, с. 140-144). Они позволяют уменьшить пластическую деформацию деталей за счет снижения сварочного давления и сокращения времени его воздействия, активируя соединяемые поверхности. В качестве расплавляющихся прокладок могут быть припои различного класса или оксиды щелочных элементов, взаимодействующие с оксидами на поверхности основного металла. Жидкая фаза способствует отделению, диспергации и растворению оксидных пленок, как при сварке плавлением или пайке. В большинстве случаев такие прокладки выполняют функции очистки поверхностей и в процессе образования соединения выдавливаются из зоны контактирования.

Основной недостаток таких прокладок - низкое качество сварных соединений, соответствующее по прочности паяному соединению. Кинетика процесса сварки заключается в следующем. В процессе нагрева свариваемых деталей, между поверхностями которых располагают расплавляющуюся прокладку, сначала происходит плавление прокладки по аналогии с припоем и взаимодействие жидкой фазы с каждой из свариваемых поверхностей. Под действием сварочного давления продукты взаимодействия выдавливаются из зоны контакта и на очищенных свариваемых поверхностях начинают протекать процессы образования активных центров, их рост, диффузионный обмен и формирование общих зерен. Наиболее близким аналогом является способ изготовления конструкций диффузионной сваркой ( 1479246, 15.05.89), при котором между свариваемыми поверхностями деталей располагают промежуточную прокладку из материала, образующего эвтектику со свариваемыми материалами при температуре сварки. В частности, наносят слой меди на титановое изделие. Роль сварочного давления в процессе образования соединения не рассматривается.

Техническим результатом изобретения является повышение качества сварки при одновременном снижении температуры процесса сварки и обеспечении прочности соединений за счет применения промежуточной прокладки, образующей эвтектический сплав с одним из свариваемых материалов и особенностей параметров режима диффузионной сварки.

Поставленная техническая задача решается методом диффузионной сварки разнородных материалов с размещением между свариваемыми поверхностями промежуточной прокладки из материала, образующего эвтектический сплав по крайней мере с одним из свариваемых материалов с приложением давления и нагревом до температуры сварки. Температуру сварки выбирают соответственно температуре образования эвтектики, при этом время выдержки составляет 3-5 мин. Сварочное давление в процессе нагрева деталей до температуры сварки устанавливают 0,8-0,9 от предела текучести материала промежуточной прокладки, при этом в момент образования эвтектики давление устанавливают равным нулю.

Способ осуществляют следующим образом.

Для диффузионной сварки двух деталей из разнородных материалов производят выбор промежуточной прокладки, основываясь на ее способности образовывать эвтектический сплав с одним из этих материалов. Детали обезжиривают, между свариваемыми поверхностями располагают промежуточную прокладку, а затем помещают в приспособление для сварки. Приспособление располагают в сварочной камере, вакуумируют и нагревают до температуры сварки Т_св, которая соответствует температуре образования эвтектики Т_{обр.эвт} между прокладкой и одним из материалов. При этом главное внимание уделяют соблюдению параметров режима диффузионной сварки, а именно: температуре процесса, величине сварочного давления в период нагрева деталей и во время выдержки при температуре сварки, времени выдержки при температуре сварки. При нагреве к деталям прикладывают сварочное давление Р_св, равное 0,8-0,9σ_т материала промежуточной прокладки, и поддерживают его до Т_св. Тем самым обеспечивается макропластическая деформация промежуточной прокладки, смятие микровыступов на свариваемых поверхностях, возникают активные центры - очаги взаимодействия промежуточной прокладки с материалом, образующим эвтектику. При температуре сварки образуется эвтектический расплав. Образовавшаяся при температуре сварки жидкая эвтектическая фаза смачивает поверхность другой свариваемой детали аналогично припою. В момент образования эвтектического сплава для исключения выдавливания жидкой фазы из зоны соединения сварочное давление устанавливают равным нулю. Выдержка при данной температуре может варьироваться в зависимости от множества конкретных требований, обеспечивающих конечное качество изделий, но экспериментально установлено, что достаточно 3-5 мин.

ПРИМЕР КОНКРЕТНОГО ВЫПОЛНЕНИЯ СПОСОБА.

Производили диффузионную сварку титанового сплава Сп3М со сплавом 49К2Ф (пермендюр). Необходимая прочность соединения σ_в>600 МПа. Кроме того, температура процесса не должна быть более 950^oС, чтобы избежать структурных изменений в титановом сплаве.

Применение технологии пайки не обеспечивает достаточных прочностных характеристик соединения. Сварка плавлением охрупчивает зону соединения и снижает прочность, ведет к структурным изменениям в сплаве Сп3М. Диффузионная сварка без применения прокладок и с применением различного вида промежуточных слоев также не обеспечивает требуемой прочности соединения при температурах сварки ниже 950^oС.

Выход найден за счет применения прокладки в виде фольги или пористой ленты из ультрадисперсного порошка меди марки M1. В соответствии с диаграммой состояния системы Ti-Cu (Хансен М., Андерко К. Структуры двойных сплавов. М. : Металлургиздат, 1962) эти материалы образуют между собой эвтектический сплав при температуре 890^oС. Жидкая фаза, образовавшаяся при этом, смачивает поверхности детали из сплава 49К2Ф подобно припою, образуя соединение.

При нагреве до Т_св сварочное давление Р_св равно 20 МПа, а в момент образования эвтектики сварочное давление устанавливают равным нулю, чтобы избежать выдавливания жидкой фазы из зоны соединения. Выдержка при данных параметрах сварки составляет 3 мин, что вполне достаточно для образования соединения с прочностью не ниже 680 МПа. Затем детали охлаждают до комнатной температуры, производят визуальный, а затем металлографический контроль качества соединения. Он показывает, что в соединении отсутствуют поры и несплошности, между медной прокладкой и титановым сплавом образовался новый - эвтектический - сплав, который за счет взаимодействия (смачивания) с пермендюром, сформировал соединение.

Таким образом, заявляемый способ диффузионной сварки обеспечивает получение качественных сварных соединений за счет снижения температуры процесса путем применения промежуточных прокладок, которые образуют эвтектический сплав по крайней мере с одним из свариваемых материалов.

Изобретение может быть использовано для изготовления прецизионных узлов, включающих детали из разнородных материалов, в частности в точном машиностроении и приборостроении. Между свариваемыми поверхностями размещают промежуточную прокладку из материала, образующего эвтектический сплав по крайней мере с одним из свариваемых материалов. Температуру процесса сварки выбирают соответствующей температуре образования эвтектики. Время выдержки при температуре сварки составляет 3-5 мин. Сварочное давление в процессе нагрева деталей до температуры сварки устанавливают 0,8-0,9 от предела текучести материала промежуточной прокладки. В момент образования эвтектики давление устанавливают равным нулю. Данный способ обеспечивает качество и требуемую прочность сварных соединений, сохранность исходных свойств соединяемых материалов.

Способ диффузионной сварки разнородных материалов, включающий размещение между свариваемыми поверхностями промежуточной прокладки из материала, образующего эвтектический сплав по крайней мере с одним из свариваемых материалов, приложение давления, нагрев до температуры сварки и выдержку при этой температуре, отличающийся тем, что температуру процесса сварки выбирают соответствующей температуре образования эвтектики, время выдержки при температуре сварки составляет 3-5 мин, а сварочное давление в процессе нагрева деталей до температуры устанавливают 0,8-0,9 от предела текучести σ_т материала промежуточной прокладки, при этом в момент образования эвтектики давление устанавливают равным нулю.