СПОСОБ СВАРКИ НЕ РАСТВОРЯЮЩИХСЯ ДРУГ В ДРУГЕ МЕТАЛЛОВ Российский патент 2007 года по МПК B23K9/23 B23K10/02 

Изобретение относится к способам сварки металлов концентрированным потоком энергии с использованием плазмы для создания локальных сплавов металлов, не растворяющихся друг в друге, как, например, вольфрам и медь, и может быть использовано в радиоэлектронной, аэрокосмической, ядерной и других отраслях промышленности при создании изделий с поверхностями, обладающими высокой тепло- и электропроводностью.

В промышленности существует потребность соединения разнородных материалов, в частности, при изготовлении термопар, предназначенных для работы вплоть до 2500°С, в электровакуумных приборах, для изготовления нагревателей, экранов, в качестве электроконтактов и т.д.

Известен способ получения псевдотвердых растворов не растворимых друг в друге металлов [1], основанный на так называемой имплантации отдачи и заключающийся в нанесении на поверхность материала слоя имплантированного элемента с последующим или одновременным "вбиванием" атомов этого элемента высокоскоростными ионами химически нейтральных газов (гелий, аргон). Такой способ используют в электронной промышленности.

Так, например, в известном способе получения псевдотвердого раствора меди в вольфраме [2] осуществляют "вбивание" атомов меди, нанесенных на поверхность другого металла, ионами аргона.

Основным недостатком этого метода является длительность процесса достижения необходимой концентрации внедряемого элемента в поверхностный слой тугоплавкого материала.

Из технических решений наиболее близким к предлагаемому изобретению является известный способ электродуговой плазменной сварки металлов [3], включающий поджигание дежурной электрической дуги между электродом и соплом-анодом плазменной горелки, подвод к зоне горения указанной дежурной дуги плазмообразующей среды, обжатие дежурной дуги указанной плазмообразующей средой в сопле-аноде горелки и получение при этом плазменной струи, создание основной электрической дуги между электродом плазменной горелки и свариваемым металлом, стабилизацию основной электрической дуги указанной плазменной струей, плавление металла указанной стабилизированной основной электрической дугой, при этом в качестве плазмообразующей среды используют водяной пар, а сварку металлов ведут на прямой полярности основной электрической дуги.

Недостатком известного технического решения является ограниченная область применения, поскольку такой способ не обеспечивает возможности сварки не растворяющихся друг в друге металлов.

Задачей данного изобретения является обеспечение возможности создания псевдотвердых растворов металлов, не растворяющихся друг в друге, как, например, вольфрам и медь, путем использования импульсных концентрированных потоков энергии.

Технический результат, заключающийся в устранении указанного недостатка прототипа, достигается в предлагаемом способе сварки не растворяющихся друг в друге металлов, основанном на воздействии высокотемпературной плазмой на место контакта свариваемых металлов, тем, что формируют сфокусированную магнитным полем до апертуры 3-5 мм кумулятивную плазменную струю в импульсном режиме со скоростью истечения струи (4-10)·10⁵ м/сек с обеспечением в импульсе давления струи на свариваемые материалы 10⁵-10⁶ атмосфер, температурой более 10⁶°С и плотностью потока энергии в плазменной струе 10⁸-10¹¹ Вт/см².

При этом плазменную струю формируют в газовой среде, а именно в среде неона, или аргона, или водорода, или азота, или их смеси.

Указанная цель достигается также тем, что длительность импульсного воздействия кумулятивной струи на место контакта свариваемых металлов составляет (5-10)·10^-8 сек.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где:

- на фиг.1 изображена установка для осуществления сварки и создания локальных сплавов не растворяющихся друг в друге металлов;

- фиг.2 иллюстрирует процесс воздействия кумулятивной плазменной струи на свариваемые металлы;

- на фиг.3 изображен вольфрамовый образец, к которому посредством предлагаемого способа приварена медная пластина;

- на фиг.4 показаны образцы после сварки различных не растворимых друг в друге металлов.

Установка для осуществления способа (фиг.1) выполнена в виде закрытой камеры 1, заполненной газовой средой, и содержит заземленный катод 2, медный анод 3 со вставкой 4 из тугоплавкого металла (вольфрама), фарфоровый изолятор 5, а также конденсаторную батарею 6 и разрядник 7. На поверхности катода располагаются свариваемые образцы 8 и 9, в данном случае - из меди (Cu) и из вольфрама (W).

Катод 2 и анод 3 образуют коаксиальное устройство.

Разрядный импульс подается на вход 10. Образующаяся кумулятивная струя обозначена стрелкой 11.

Фиг.2 иллюстрирует процесс возникновения плазменной струи 11. Утолщенными стрелками показано направление движения плазменной струи и ионизированной газовой среды.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.

При воздействии на свариваемые металлы формируют сфокусированную магнитным полем до апертуры 3-5 мм кумулятивную плазменную струю в импульсном режиме со скоростью истечения струи (4-10)·10⁵ м/сек с обеспечением в импульсе давления струи на свариваемые материалы 10⁵-10⁶ атмосфер, температурой более 10⁶°С и плотностью потока энергии в плазменной струе 10⁸-10¹¹ Вт/см².

Кумулятивную плазменную струю формируют в газовой среде с длительностью импульсного воздействия на место контакта свариваемых металлов (5-10)·10^-8 сек для обеспечения высоких энергетических характеристик плазменной струи в коротком интервале времени.

Устройство, осуществляющее предлагаемый способ, работает следующим образом.

Свариваемые образцы 8 и 9 из не растворяющихся друг в друге металлов помещаются в камеру 1 и закрепляются на поверхности катода 2. Камера 1 заполняется газовой средой (из неона, или аргона, или водорода, или азота, или их смеси).

После подачи пускового импульса на разрядник 7 замыкается цепь заряженной батареи 6 конденсаторов и коаксиального устройства, предназначенного для образования так называемого "плазменного фокуса мейзеровского типа". Начинается колебательный процесс разряда емкостной батареи 6. После подачи высокого напряжения на анод 3 электрическое поле, следовательно, и ток распределены по всему его объему. С ростом тока увеличивается проводимость плазмы и ток концентрируется в скин-слое вблизи изолятора 5. Одновременно с формированием скин-слоя токовая оболочка под действием электродинамической силы начинает двигаться от изолятора вверх, "сгребая" перед собой плазму. На вершине центрального электрода 3 токовая оболочка имеет вид воронки, которая "схлопывается" и выбрасывает кумулятивную струю 11 плазмы. Плазма, воздействуя на мишень (образцы), имеет температуру более миллиона градусов Цельсия.

Кумулятивная плазменная струя формируется в газовой среде на вершине центрального электрода (анода 3) и движется по оси вверх со скоростью 4·(10⁵-10⁶) м/c.

Для сравнения: в кумулятивном боеприпасе струя в твердом теле имеет скорость около 5·10³ м/с.

Проникновение меди в вольфрам с образованием псевдосплава обеспечивается оплавлением меди под воздействием сверхвысокого давления, а также увеличением на несколько порядков диффузии меди в вольфрам. Проникновению меди способствовало также образование дополнительных вакансий, возникающих под воздействием высокой температуры и сверхвысокого давления. В образующемся на поверхности вольфрама слое содержится около 12 ат.% меди. Содержание меди можно довести и до 100 ат.%, увеличив число воздействующих плазменных импульсов. С удалением от поверхности раздела вольфрам-медь ее содержание понижается до ˜2 ат.% на глубине до 20 мкм. На образовавшийся на поверхности вольфрама слой меди можно осуществлять пайку подводящих электродов.

Плотное и надежное соединение вольфрам-медь, а также вольфрама с другими металлами (железом, алюминием, латунью) происходит и при соединении листового вольфрама с сетками из этих металлов (Фиг.4а, в).

В предлагаемом способе использование различных рабочих газов - азота, водорода, ксенона, аргона и др., заполняющих камеру, дает возможность легировать соединения с приданием ему новых свойств.

Сочетание высокого давления и градиента температуры (с коротким временем воздействия плазменного потока на образец - не более 50 нс) вызывает абляцию меди или других металлов и захват их кумулятивной струей плазмы. Плазменный поток, насыщенный металлом, с большой скоростью воздействует на вольфрам и происходит внедрение меди в вольфрам. При воздействии концентрированных импульсных потоков энергии на материал возникают нелинейные ударные волны, скорость распространения которых в материале превышает скорость звука, а их диссипация на элементах кристаллической структуры порождает межузловые атомы и вакансии, которые влияют на глубину проникновения внедренных атомов и их коагуляцию. Кроме того, сама ударная волна может способствовать внедрению имплантированных атомов на большие расстояния от поверхности.

Предлагаемый способ был опробован на описанной выше установке для различных не растворяющихся друг в друге металлов в испытательной лаборатории Физического института им. П.Н.Лебедева РАН, показал стабильность и воспроизводимость результатов и рекомендуется к внедрению в различных отраслях промышленности.

Источники информации

1. Carter G., Grant W. Ion implantation of semiconductors. Edwar Arnold. 1976. UK.

2. Бабаев В.П., Вальднер В.О., Заболотный В.Т., Мельников В.Н. Ионное перемешивание вольфрама и меди. Физика и химия обработки материалов. №3. 1989. С.5-7.

3. Патент РФ №2103129, М. кл. В23К 10/02, опублик. 1998 г.

Изобретение относится к сварке, в частности к способу сварки не растворяющихся друг в друге металлов, и может найти использование в радиоэлектронной, аэрокосмической, ядерной и других отраслях промышленности. На место контакта свариваемых металлов воздействуют высокотемпературной плазмой. Кумулятивную плазменную струю формируют сфокусированной магнитным полем до апертуры 3-5 мм в импульсном режиме со скоростью истечения струи (4-10)•10⁵ м/сек с обеспечением в импульсе давления струи на свариваемые материалы 10⁵-10⁶ атмосфер, температурой более 10⁶°С и плотностью потока энергии в плазменной струе 10⁸-10¹¹ Вт/см². Плазменную струю формируют в газовой среде, а именно в среде неона, или аргона, или водорода, или азота, или их смеси. Длительность импульсного воздействия кумулятивной струи на место контакта свариваемых металлов составляет (5-10)•10^-8 сек. Технический результат заключается в обеспечении возможности создания псевдотвердых растворов металлов, не растворяющихся в друг друге, например, таких как вольфрам и медь. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ сварки не растворяющихся друг в друге металлов, основанный на воздействии высокотемпературной плазмой на место контакта свариваемых металлов, отличающийся тем, что формируют сфокусированную магнитным полем до апертуры 3-5 мм кумулятивную плазменную струю в импульсном режиме со скоростью истечения струи (4-10)·10⁵ м/с, с обеспечением в импульсе давления струи на свариваемые материалы 10⁵-10⁶ атмосфер, температурой более 10⁶°С и плотностью потока энергии в плазменной струе 10⁸-10¹¹ Вт/см².2. Способ по п.1, отличающийся тем, что плазменную струю формируют в газовой среде.3. Способ по п.2, отличающийся тем, что плазменную струю формируют в среде неона, или аргона, или водорода, или азота, или их смеси.4. Способ по п.1, отличающийся тем, что длительность импульсного воздействия кумулятивной струи на место контакта свариваемых металлов составляет (5-10)·10^-8 с.