СПОСОБ ДИФФУЗИОННОЙ СВАРКИ РАЗНОРОДНЫХ СТАЛЕЙ Российский патент 2004 года по МПК B23K20/14 B23K20/16 B23K20/227 B23K20/02 B23K103/04 

Изобретение относится к области диффузионной сварки встык коротких толстостенных труб из разнородных материалов, преимущественно из немагнитных (аустенитных) и магнитных (ферритных) сталей, широко используемых в промышленности, например, в корпусах шаговых двигателей, у которых корпус выполнен в виде набора чередующихся между собой колец из немагнитной и магнитной сталей.

Шаговые двигатели распространены в многочисленных системах дистанционного управления, например в системах ядерных реакторов различного назначения.

Известен способ диффузионной сварки разнородных сталей, в частности магнитных сталей марок 2Х13, 25Х17М4Г5АФ2 и т.д. с немагнитными сталями марок ОХ18Н10Т, ОХ20Н4АГ10 и т.д. (см. Казаков Н.Ф. Диффузионная сварка материалов. М.: Машиностроение, 1976, с. 132-141).

Для получения прочного сварного соединения с помощью диффузионной сварки необходимы четыре основных условия: наличие безокислительной среды, например вакуума, температуры нагрева свариваемых деталей до 0,6-0,7 температуры плавления наиболее легкоплавкого из свариваемых материалов, сдавливание свариваемых поверхностей с усилием 0,5-3 кг/мм², чтобы обеспечить плотный контакт между свариваемыми поверхностями и создать условия для протекания диффузионных процессов между свариваемыми металлами, и выдержки при этих условиях для формирования диффузионного сварного соединения.

При диффузионной сварке чаще всего применяется высокочастотный нагрев, с помощью которого нагревают свариваемые детали до температуры диффузионной сварки. Высокочастотный нагрев в первую очередь греет заготовку из магнитной стали, а заготовка из немагнитной стали в основном нагревается от тепла заготовки из магнитной стали. Известно, что жаропрочность ферритных (магнитных) сталей значительно ниже аустенитных и они в первую очередь при сварочном сдавливании начинают интенсивно ползти, изменяя свои осевые размеры. Это происходит потому, что ферритная сталь типа марки 1Х13 при нагреве свыше 600°С резко теряет свои прочностные характеристики (см. Химушин Ф.Ф. Нержавеющие стали. М.: Металлургия, 1967, рис. 67, с. 113).

При диффузионной сварке сборок, состоящих из двух-трех заготовок, это относительно легко компенсируется за счет увеличения расчетных припусков в заготовках, но если сборка состоит из заготовок в виде колец, собранных в трубчатый пакет из чередующихся между собой магнитных и немагнитных сталей, то проблема высокотемпературной ползучести колец из ферритной стали становится труднопреодолимой при применении высокочастотного нагрева, т.к. при этом нагреве в трубчатом пакете в основном нагреваются заготовки из ферритной стали, которые имеют низкую жаропрочность и при небольшом перегреве интенсивно ползут от силы сварочного сдавливания. Необходимо отметить, что требование к осевым размерам колец в корпусах шаговых двигателей при их изготовлении не допускает изменения размеров колец и их положения в готовой сборке.

Отказ от высокочастотного нагрева и переход к печному в целом не решает проблему, т.к. высокая температура и сдавливание остаются при диффузионной сварке аустенитных и ферритных сталей. Например, оптимальный режим диффузионной сварки аустенитной стали 12Х18Н10Т с ферритной сталью 12Х13 составляет: температура сварки 1050°С, усилив сдавливания 1,5 кг/мм² и время выдержки при температуре и сдавливании составляет не менее 20 мин (см. Казаков Н.Ф. Диффузионная сварка материалов. М.: Машиностроение, 1976, с. 133-134).

При таких величинах сварочного сдавливания и температуре диффузионной сварки сохранить габариты колец из ферритной стали не представляется возможным.

Однако в диффузионной сварке известны технологические приемы использования промежуточных прослоек, с помощью которых можно изменять режимы сварки и улучшать условия для образования диффузионного сварного соединения (см. Казаков Н.Ф., с. 188-189).

Диффузионная сварка разнородных материалов с использованием промежуточной прослойки взята в качестве прототипа заявляемого способа.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в том, чтобы создать технологию диффузионной сварки деталей из ферритной и аустенитной сталей, которая бы позволила снизить усилие сварочного сдавливания до такого уровня, который бы не приводил в процессе диффузионной сварки к заметной ползучести заготовок из ферритной стали, а при этом плотность контакта и диффузионные процессы между свариваемыми поверхностями были бы не хуже, чем при силе сдавливания по известным технологиям диффузионной сварки аустенитных сталей с ферритными.

Технический результат, получаемый при осуществлении заявленного изобретения, состоит в том, что сила сварочного сдавливания по сравнению с известной технологией диффузионной сварки ферритных и аустенитных сталей снижена в 10-20 раз, а плотность контакта при температуре сварки свариваемых поверхностей увеличена за счет образования в зоне контакта жидкой прослойки эвтектического состава, что вместе взятое практически исключает высокотемпературную ползучесть ферритной стали от силы сварочного сдавливания.

Практическое отсутствие в заявляемом способе диффузионной сварки высокотемпературной ползучести ферритной стали обеспечивает сохранение первоначальных осевых размеров колец из ферритной стали, например, при диффузионной сварке корпуса шагового двигателя, состоящего из набора чередующихся между собой колец из ферритной и аустенитной сталей, а это, в свою очередь, обеспечивает сохранение размеров корпуса шагового двигателя и его магнитно-электрических показателей.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе диффузионной сварки, в котором между свариваемыми поверхностями двух разнородных сталей размещают прокладку из третьего металла, нагревают место сварки до заданной температуры, сдавливают поверхности и выдерживают при этой температуре;

- прокладку выполняют из титана или его сплавов, соединение с титановой прокладкой нагревают до температуры, превышающей не менее чем на 15°С температуру образования между титаном и одной из свариваемых сталей жидкой эвтектики, а после образования эвтектики ее выдавливают из стыка;

- кроме того, сдавливание свариваемых поверхностей производят при усилиях, не превышающих 0,2 кгс/мм²;

- кроме того, после выдавливания из стыка жидкой эвтектики соединение выдерживают при температуре, превышающей температуру эвтектики, не менее 15 мин;

- кроме того, после выдавливания из стыка жидкой эвтектики соединение выдерживают при температуре ниже образования эвтектики не менее 25 мин.

Заявленный способ диффузионной сварки встык коротких толстостенных труб из разнородных сталей обеспечивает возможность сварки разнородных труб в виде чередующихся между собой колец из магнитной и немагнитной стали в корпусах шаговых двигателей, сохраняя при этом исходные осевые размеры колец и корпуса в целом.

Достигается это за счет того, что для создания условий, при которых обеспечиваются активные диффузионные процессы на свариваемых поверхностях по заявленному способу, уже не требуется сильного сварочного сдавливаиия, т.к. происходит образование между свариваемыми поверхностями жидкой прослойки из такого активного металла, как титан или его сплавы, которые легко восстанавливают все окисные пленки на свариваемых поверхностях, убирая тем самым препятствия для взаимной диффузии и химического взаимодействия.

В случае диффузионной сварки через титановую прокладку ферритной стали с аустенитной, например марки ОХ18Н10Т, требуется небольшое усилие контакта, менее 0,1 кг/мм², чтобы между сталью ОХ18Н10Т при температуре свыше 970°С образовалась жидкотекучая эвтектика. При этом достаточен плотный контакт титана со сталью ОХ18Н10Т всего в нескольких точках поверхности, как практически за несколько секунд вся титановая прокладка перейдет в эвтектику Ti-Ni. От постоянного небольшого сварочного сдавливания, величиной всего около 0,05 кг/мм², жидкая эвтектика тут же будет выдавлена из стыка, в котором останутся только смоченные эвтектикой свариваемые поверхности ферритной и аустенитной сталей. Эвтектика на базе Ti-Ni обладает высокой коррозионной стойкостью в воде и паре до 350°С, которая в несколько раз превышает коррозионную стойкость в воде и паре свариваемые стали. Если свариваемому изделию не требуется высокая ударная вязкость, то процесс диффузионной сварки можно на этом и прекратить.

Если необходимо устранить тонкую, менее 5 мкм, диффузионную прослойку, то производят ее диффузионное рассасывание, например ускоренное, путем нагрева соединения до 1050-1100°С, или постепенное при температурах ниже температуры образования эвтектики Ti-Ni, равной 955°С.

Для диффузионного рассасывания в первом случае требуется 15-30 мин, а во втором 45-60 мин.

Пример осуществления способа

Сваривали по заявляемому способу диффузионной сварки кольца-заготовки из стали 1Х13 и стали ОX184 10Т для последующего получения корпуса шагового двигателя.

Наружный диаметр колец - 112 мм, внутренний диаметр - 78 мм. Кольца сваривали в наборе с общим усилием сдавливания около 300 кг, что составило удельное усилие сдавливания около 0,06 кг/мм². Промежуточная прокладка была изготовлена из титанового сплава ВТ-1 толщиной 0,1 мм.

Температура нагрева для образования эвтектики составила 975°С. После вытекания эвтектики температуру нагрева подняли при сохранении заданного усилия сдавливания (0,06 кг/мм²) до 1075°С и выдержали при этой температуре 25 мин.

Прочностные испытания показали:

прочность на растяжение - 39 кгс/мм²,

ударная вязкость - 1,3 кгс·м/см².

Эти прочностные характеристики удовлетворяют требованиям, предъявляемым к прочностным характеристикам шаговых двигателей.

Изобретение относится к диффузионной сварке встык коротких толстостенных труб из разнородных сталей. Между свариваемыми поверхностями двух разнородных сталей размещают прокладку из титана или его сплавов. Место сварки сдавливают с усилием, не превышающим 0,2 кгс/мм², а нагрев осуществляют до температуры, превышающей не менее чем на 15⁰С температуру образования между титаном и одной из свариваемых сталей жидкой эвтектики. После образования эвтектики её выдавливают из стыка. В результате получаются качественные сварные соединения при меньших усилиях сдавливания, что не приводит к заметной ползучести заготовок. 3 з.п. ф-лы.

1. Способ диффузионной сварки разнородных сталей, включающий размещение между свариваемыми поверхностями двух разнородных сталей прокладки из третьего металла, нагрев места сварки до заданной температуры, сдавливание свариваемых поверхностей и выдержку при этой температуре, отличающийся тем, что прокладку выполняют из титана или его сплавов, соединение с титановой прокладкой нагревают до температуры, превышающей не менее чем на 15°С температуру образования между титаном и одной из свариваемых сталей жидкой эвтектики, а после образования эвтектики ее выдавливают из стыка.2. Способ диффузионной сварки по п.1, отличающийся тем, что сдавливание свариваемых поверхностей производят при усилиях, не превышающих 0,2 кгс/мм².3. Способ диффузионной сварки по п.1, отличающийся тем, что после выдавливания из стыка жидкой эвтектики соединение выдерживают при температуре, превышающей температуру образования эвтектики не менее 15 мин.4. Способ диффузионной сварки по п.1, отличающийся тем, что после выдавливания из стыка жидкой эвтектики соединение выдерживают при температуре ниже образования эвтектики не менее 25 мин.