СПОСОБ ДИФФУЗИОННОЙ СВАРКИ РАЗНОРОДНЫХ МЕТАЛЛОВ Российский патент 2004 года по МПК B23K20/14 B23K101/04 B23K103/18 

Изобретение относится к области сварки, а более конкретно к диффузионной сварке встык преимущественно коротких толстостенных труб (колец) из разнородных металлов, например из аустенитных и ферритных сталей. Такие конструкции широко применяются в атомной промышленности, например в корпусах шаговых электродвигателей, у которых корпус выполнен в виде набора чередующихся между собой колец из немагнитной (аустенитной) и магнитной (ферритной) сталей, соединенных между собой сваркой. Сварные конструкции шаговых электродвигателей атомных реакторов должны обладать высокой надежностью, поэтому актуальным является вопрос объективного контроля сварных соединений. Кроме того, они должны иметь предельно узкие зоны перехода между кольцами из разнородных сталей. При этом предъявляются высокие требования к точности осевых размеров соединяемых колец, получаемых после сварки.

Наиболее приемлемым способом сварки указанных конструкций из разнородных сталей является сварка в твердой фазе.

Известен способ диффузионной сварки колец из разнородных металлов. Этим способом соединяли кольца из стали марки Э10 с кольцами из стали марки 12Х18Н10Т (Казаков Н.Ф. Диффузионная сварка материалов. М., Машиностроение, 1976 г., с.283).

Недостатком этого способа является то, что контроль качества таких сварных соединений осуществляют по образцам свидетелям. Надежность такого контроля невысока. Кроме того, сварка указанным способом предполагает одноосное сдавливание заготовок. При этом заготовка, обладающая меньшей жаропрочностью, потечет при температуре сварки в большем объеме. В связи с этим затруднительно выдержать точные осевые размеры свариваемых деталей из ферритной стали.

Известен способ диффузионной сварки набора колец из разнородных сталей (Казаков Н.Ф. Диффузионная сварка материалов. М., Машиностроение, 1976 г., с.299-300). Такие конструкции сваривают в камере, из которой откачивают воздух. Механизмом сдавливания заготовок, как правило, является гидравлический пресс, а нагрев заготовок осуществляют индукционными токами (Казаков Н.Ф. Диффузионная сварка материалов. М., Машиностроение, 1976 г., с.90). При сварке набора колец из разнородных металлов указанным способом затруднительно обеспечить прогнозируемую деформацию заготовок в связи с неравномерным нагревом и различной жаропрочностью соединяемых металлов. Поэтому практически невозможно обеспечить точность осевых размеров сваренных заготовок, не применяя промежуточную механическую обработку. Это является существенным недостатком приведенного способа сварки, особенно по отношению к сварке набора колец из магнитной и немагнитной сталей.

Недостатком этого способа является также отсутствие объективного контроля качества сварных соединений, так как контроль таких сварных соединений осуществляют по образцам-свидетелям. Такой контроль не может надежно гарантировать высокое качество сварных соединений в готовом изделии.

Задачей изобретения является создание способа диффузионной сварки набора кольцевых заготовок из разнородных металлов, позволяющего обеспечить точность осевых размеров сваренной заготовки и позволяющего осуществлять объективный контроль всех сварных соединений в готовом изделии.

Технический результат, получаемый при осуществлении заявляемого изобретения, состоит в том, что при диффузионной сварке обеспечивается незначительная деформация заготовок при достаточно высоком удельном давлении на контактных поверхностях, а также этот способ дает возможность надежно контролировать все сварные соединения, входящие в готовое изделие, путем изготовления образцов для контроля качества всех сварных соединений набора колец.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе диффузионной сварки кольцевых заготовок из разнородных металлов, заключающемся в установке кольцевых заготовок друг на друга, помещение их в камеру, из которой откачивают воздух, нагрев до температуры сварки, сдавливание заготовок, выдержку при температуре сварки, охлаждение и контроль качества сварных соединений, при этом кольцевые заготовки выполняют с отверстиями в центральной части диаметром не более чем 1,5 толщины стенки камеры и помещают их в камеру с зазорами не более 1 мм, после чего камеру с заготовками устанавливают в герметичном объеме и производят всестороннее сдавливание камеры нейтральным газом, нагретым до температуры сварки, затем камеру охлаждают и удаляют центральную часть сваренных кольцевых заготовок;

- кроме того, в качестве герметичного объема для всестороннего сдавливания камеры и нагрева используют газостат;

- кроме того, сдавливание камеры осуществляют созданием в газостате давления нейтрального газа не менее 200 атм.;

- кроме того, в качестве нейтрального газа используют аргон;

- кроме того, толщину стенок камеры выбирают в пределах 0,5-3 мм;

- кроме того, удаление центральной части сваренных кольцевых заготовок осуществляют кольцевой фрезой;

- кроме того, из удаленной центральной части сваренных кольцевых заготовок изготавливают образцы для контроля всех сварных соединений.

Заявляемый способ диффузионной сварки осуществляют в газостате. Кольцевые заготовки помещают в камеру в виде очехловки, которую выполняют из тонкостенной трубы с приваренными по торцам донышками. Материалом камеры служит, как правило, пластичная сталь. Толщину стенки камеры берут в пределах 0,5-3 мм. Толщина пластичной стенки камеры более 3 мм препятствует в полной мере передаче давления нагретого газа через стенки на кольцевые заготовки. Толщина стенки камеры менее 0,5 мм не оправдана с точки зрения технологической, так как такую камеру затруднительно изготавливать и герметизировать. Камеру герметизируют в электроннолучевой сварочной установке. Для этого камеру помещают в электроннолучевую установку и производят откачку воздуха через откачное отверстие в стенке камеры. Отверстия в центре заготовок выполняют для улучшения условий откачки воздуха между контактными поверхностями свариваемых колец. Отверстия в заготовках должно быть диаметром не более 1,5 толщинам стенки камеры. При выполнении отверстия более 1,5 толщин стенки камеры при ее сдавливании во время сварки она может разрушиться в результате продавливания стенки камеры в отверстие. Затем камеру проверяют на вакуумную плотность. Также для улучшения условий откачки воздуха кольцевые заготовки помещают в камеру с зазором. Практикой было установлено, что указанный зазор не должен превышать 1 мм. При зазоре более 1 мм имеется опасность разрушения камеры и, соответственно, ее разгерметизации в процессе выхода на режим при сдавливании камеры нагретым газом в газостате, что приведет к ухудшению схватывания между кольцевыми заготовками. После достижения в камере разрежения, не извлекая ее из установки, заваривают откачное отверстие электронным лучом.

После проверки герметичности камеры ее устанавливают в газостат, где после напуска нейтрального газа под давлением производят его нагрев до температуры сварки. В результате чего происходит нагрев камеры с кольцевыми заготовками и повышение давления внутри герметичного объема газостата до требуемой величины, необходимой для диффузионной сварки, что обеспечивает всестороннее сдавливание камеры, а через стенку камеры и кольцевых заготовок. При сдавливании кольцевых заготовок происходит сближение свариваемых поверхностей до межатомного взаимодействия и, соответственно, их схватывание. Всестороннее сдавливание не дает проявиться преимущественной объемной деформации кольцевых заготовок из менее жаропрочного металла, что и позволяет при сварке выдерживать точные осевые размеры сваренной заготовки.

В герметичном объеме газостата в качестве нейтрального газа применяют аргон. Применение аргона при сварке в газостате оправдано технологически и экономически.

Из условий диффузионной сварки разнородных сталей рабочее давление внутри герметичного объема газостата должно быть не менее 200 атм. Рабочее давление рассчитывается, исходя из начального давления нейтрального газа и повышения давления газа при его нагреве до температуры сварки. После выхода на рабочий режим осуществляют выдержку, а затем охлаждают камеру со сваренными заготовками. Из сваренной заготовки удаляют центральную часть. Удаление производят кольцевой фрезой. Из удаленной центральной части изготавливают либо отдельные микрообразцы для, например, разрушающего контроля, либо целиковый образец, который охватывает все сварные соединения всех сваренных заготовок. Таким образом, имеется возможность объективно оценивать качество всех сваренных колец.

Пример осуществления способа.

Сваривали заготовки из стали марки 09Х17Н и из стали марки 08Х18Н10Т. Наружный диаметр кольцевых заготовок был 120 мм. Внутренний диаметр кольцевых заготовок был 3 мм. В приведенном примере внутреннее отверстие сваренной заготовки после удаления центральной части составило 80 мм. Толщина стенки камеры была 2 мм. Рабочее давление газа было 250 атм. Температура сварки 1050°С. Время выдержки 25 мин. Вырезку центральной части сваренной заготовки осуществляли кольцевой фрезой. Из удаленной центральной части сваренной заготовки был изготовлен образец для испытания его на разрыв с определением предела прочности. Образец включал все сварные соединения данной заготовки. В наборе колец заготовки было 6 колец из стали марки 08Х18Н10Т и 5 колец из стали марки 09Х17Н. Ширина колец из стали марки 08Х18Н10Т и стали марки 09Х17Н была 17 мм. Испытания образцов на разрыв показали, что средний показатель предела прочности составил 39,5 кгс/мм², т.е. был на уровне прочности основного металла стали марки 09Х17Н.

Изобретение относится к области сварки, а именно к диффузионной сварке встык кольцевых заготовок из разнородных металлов. В центральной части кольцевых заготовок выполняют отверстия и устанавливают заготовки друг на друга. Заготовки помещают в камеру с зазорами не более 1 мм, из которой откачивают воздух. Камеру с заготовками устанавливают в герметичном объеме и производят всестороннее сдавливание камеры нейтральным газом, нагретым до температуры сварки. Из сваренных кольцевых заготовок удаляют центральную часть, из которой изготавливают образцы для контроля всех сварных соединений. Это позволяет осуществлять диффузионную сварку кольцевых заготовок из разнородных металлов с обеспечением точности осевых размеров, а также объективно контролировать все сварные соединения в готовом изделии. 6 з.п. ф-лы.

1. Способ диффузионной сварки кольцевых заготовок из разнородных металлов, включающий установку кольцевых заготовок друг на друга, помещение их в камеру, из которой откачивают воздух, нагрев до температуры сварки, сдавливание заготовок, выдержку при температуре сварки и контроль качества сварных соединений, отличающийся тем, что кольцевые заготовки выполняют с отверстиями в центральной части диаметром не более чем 1,5 толщины стенки камеры и помещают их в камеру с зазорами не более 1 мм, после чего камеру с заготовками устанавливают в герметичном объеме и производят всестороннее сдавливание камеры нейтральным газом, нагретым до температуры сварки, затем камеру охлаждают и удаляют центральную часть сваренных кольцевых заготовок.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве герметичного объема для всестороннего сдавливания камеры и нагрева используют газостат.3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что сдавливание камеры осуществляют созданием в газостате давления нейтрального газа не менее 200 атм.4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что в качестве нейтрального газа используют аргон.5. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что толщину стенок камеры выбирают в пределах 0,5-3 мм.6. Способ по п.1, отличающийся тем, что удаление центральной части сваренных кольцевых заготовок осуществляют кольцевой фрезой.7. Способ по п.1, отличающийся тем, что из удаленной центральной части сваренных кольцевых заготовок изготавливают образцы для контроля всех сварных соединений.