Способ диффузионной сварки деталей из трудно свариваемых сплавов Российский патент 2023 года по МПК B23K20/14 B23K20/22 

Изобретение относится к области сварки и может быть использовано для диффузионной сварки изделий из трудно свариваемых сплавов на основе титана, алюминия и т.д. для снижения веса изделий, применяемых в авиа и ракетостроении.

Известен способ диффузионной сварки деталей из металлов и сплавов, включающий нанесение на одну из свариваемых поверхностей детали промежуточного слоя в виде покрытия металла, сродственного по крайней мере с одним из элементов материала подложки, сборку конструкции, нагрев и диффузионную сварку с приложением к ней нагрузки, способствующей протеканию диффузионных процессов в сварном соединении, причем промежуточный слой наносят толщиной, соответствующей количеству металла, способного в процессе сварки полностью продиффундировать в материал подложки с образованием монолита, а сварку проводят при температуре 0,9-0,95 температуры плавления наименее тугоплавкого из диффундирующих металлов. [Патент RU 2253554 A, B23K 20/16, опубликовано 10.06.2005]

Недостатком аналога являются ограниченные эксплуатационные возможности, обусловленные низкими физико-механическими свойствами и низким качеством сварных соединений, соответствующих по прочности паяному соединению, так как 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.

Известен способ диффузионной сварки заготовок из сплава АМг3, включающий размещение в камере печи установки для диффузионной сварки садки пластинчатых заготовок, установленных попарно через прокладки, создание вакуумной среды и температуры 530 град. в рубашке камеры печи, при этом заготовки нагревают до 510 град. при контроле температуры с помощью термопар, установленных внутри заготовок, и выдерживают их при этой температуре в течение 1 ч, затем создают нагрузку в 1 т на верхнюю плиту упомянутой установки для удаления остаточных зазоров между прокладками и заготовками и определения высоты садки заготовок с учетом коэффициента их линейного расширения, и обнуляют датчик перемещения верхней плиты, после чего создают нагрузку на верхнюю плиту 100 т и контролируют величину нагрузки на заготовки путем слежения за величиной их пластической деформации, допустимая величина которой составляет 0,4% исходной высоты садки заготовок, при этом при превышении деформации более 1200-1400 мкм регулируют нагрузку на заготовки, после окончания сварки выключают нагрев и подают в камеру печи азот для интенсивности охлаждения заготовок без снятия нагрузки, а после охлаждения заготовок до 150-170 град. снимают нагрузку с заготовок и остужают их до 30 град. [Патент RU 2730349 C1, B23K 20/14, B23K 20/02, опубликовано 21.08.2020].

Недостатком данного аналога является интенсивное охлаждение азотом, что может привести к внутренним напряжениям в заготовках.

Известен способ диффузионной сварки , включающий предварительное нанесение на свариваемую поверхность одной из деталей промежуточной прослойки в виде суспензии порошка никеля и связующего вещества, подсушивание, сборку свариваемых деталей и их сварку, промежуточную прослойку в виде суспензии получают путем смешивания порошка никеля с размерами частиц в диапазоне от 0,01 до 10 мкм и 3% раствора поливинилбутираля в этиловом спирте с весовым соотношением указанных компонентов 1:1 под воздействием ультразвуковых колебаний в течение 30-40 минут и наносят на свариваемые поверхности обеих деталей слоем толщиной 1-2 мм. [Патент RU 2573462 C2, B23K 20/16, опубликовано 20.01.2016].

Недостатком данного способа является наличие микропор в сварном соединении.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявленному является способ диффузионной сварки изделий из сплавов на основе никелида титана, включающий очистку поверхности соединяемых изделий от оксидов, приведение их в контакт, нагрев в вакууме, приложение давления и выдержку, процесс диффузионной сварки проводят в 2 этапа, при этом на первом этапе проводят нагрев до 900-1100°C, прикладывают давление 35-100 МПа и осуществляют выдержку в течение 10-60 мин, а на втором этапе снимают давление и проводят нагрев до 1120-1200°C с выдержкой 60-120 мин. [Патент RU 2504464 C1, B23K 20/22, опубликовано 20.01.2014].

Недостатком прототипа является снятие давления на втором этапе диффузионной сварки, что может привезти к изменению геометрических размеров заготовки.

Задачей изобретения является повышение надежности сварного соединения трудно свариваемых материалов, получение сварных соединений без деформации и усадки

Технический результат заключается в повышении прочности и качества сварного соединения деталей, которые испытывают нагрузку на растяжение.

Поставленная задача и технический результат достигаются способом сварки деталей из трудносвариваемых сплавов, включающим очистку поверхности свариваемых деталей от оксидов, шлифовку, зачистку от различных загрязнений, приведение их в контакт, нагрев в вакууме, приложение давления и выдержку, в котором в отличие от прототипа детали помещают в обваренный контейнер, в котором создают вакуум до рабочего давления Р = 10^-1-10^-4 Па, и помещают контейнер в пресс-печь, где его прогревают до температуры 0,5-0,9 от температуры плавления материала, затем прикладывают давление, обеспечивающее механическую деформацию на величину от 2 % до 5% от геометрических размеров свариваемых деталей в контейнере, и осуществляют выдержку под давлением при указанной температуре в течение 180-240 минут, после чего контейнер вынимают из пресс-печи и помещают в рабочее пространство печи, обеспечивая охлаждение контейнера вместе с печью.

Согласно изобретению сварку деталей можно осуществлять в контейнере, в котором давление на свариваемые детали прикладывают через расположенную в крышке контейнера мембрану, на которую подают инертные газы.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг. 1 изображена схема реализации способа диффузионной сварки в обваренном контейнере. Схема содержит свариваемые детали 1, обваренный аргонодуговой сваркой контейнер 2, штуцер 3 для создания вакуума внутри контейнера (в пространстве между деталями и стенками контейнера).

На фиг. 2 изображена схема реализации способа диффузионной сварки в контейнере с мембраной. Схема содержит свариваемые детали 1, нижнюю часть контейнера 4 с крышкой 5, зажимаемой прессом, мембрану 6 для передачи давления на свариваемые детали, штуцер 7 для подачи на мембрану инертного газа, штуцер 8 для создания вакуума внутри контейнера (в пространстве между деталями и стенкой контейнера).

Примеры конкретной реализации способа

ПРИМЕР 1. Перед проведением диффузионной сварки свариваемую поверхность деталей из материала ВТИ-4 механически очищают от оксидов, полируют для уменьшения величины шероховатости поверхности до 5..10 мкм. После этого заготовки промывают в ультразвуковой машине в среде поверхностно-активного вещества с последующей промывкой в ацетоне для удаления частиц абразива с поверхности металла, затем детали помещают в предварительно обваренный контейнер и приваривают стенку контейнера со штуцером для откачки воздуха, после чего контейнер с деталями предварительно нагревают до температуры Т=600°С на протяжении 3 часов в электрической печи, производят выгрузку контейнера с деталями из печи в рабочую камеру пресса, после чего в контейнере создают вакуум до рабочего давления Р = 10^-1-10^-2 Па, нагревают его до 930 градусов, что составляет 0.55 от температуры плавления материала и прикладывают давление в 16.5 т.с. в течение 30 минут и выдерживают под этим давлением 1.5 часа, после чего давление на контейнер увеличивают до 26.5 т.с. и выдерживают еще 1.5 часа, затем давление снимают. Указанная величина давления обеспечивает механическое деформацию детали 2-5 % от исходных размеров детали. Затем контейнер вынимают из рабочей камеры пресса и помещают в рабочее пространство печи, где осуществляют его охлаждение вместе с печью.

Анализ полученного соединения показал, что его прочность на разрыв составляет 920 МПа, что по сравнению с основным материалом где прочность на разрыв составляет 960 МПа, составляет 96% от основного материала.

ПРИМЕР 2. Перед проведением диффузионной сварки свариваемые поверхности деталей из материала В 95ПЧ очищают от оксидной пленки, механически полируют для уменьшения величины шероховатости до 5..10 мкм, после этого на свариваемые поверхности деталей в защитной среде аргона наносят слой глицерина, затем детали помещают в контейнер, из которого откачивают воздух и создают вакуум P=10^-2-10^-4 и помещают его в пресс-печь , где нагревают до температуры Т=530°С, что составляет 0,8 от температуры плавления материала на протяжении 1 часа, после прогрева на деталь прилагается давление через мембрану инертного газа в 17.5 атм, которое выдерживается при данной температуре в течение 3 часов. Указанная величина давления обеспечивает механическое деформацию детали 2-5 % от исходных размеров детали. Затем контейнер разгружают и вынимают из пресс-печи.

Анализ полученного соединения показал, что его прочность на разрыв составляет 416 МПа, что по сравнению с основным материалом где прочность на разрыв составляет 520 Мпа, составляет 80% от основного материала.

Полученные по приведенным примерам сварные детали подвергались разрезу поперек сварного соединения сварного шва для визуального анализа его качества. Осмотр показал отсутствие трещин и пустот.

Итак, заявленное изобретение позволят получать качественный сварной шов без дефектов и повысить прочность сварного соединения от 80 до 96 процентов прочности от основного материала.

Изобретение может быть использовано для диффузионной сварки изделий из трудно свариваемых сплавов, в частности, на основе титана, алюминия. Осуществляют очистку поверхностей свариваемых деталей от оксидов, шлифовку, зачистку от различных загрязнений, приведение их в контакт. После этого детали помещают в обваренный контейнер, в котором создают вакуум до рабочего давления Р = 10^-1-10^-4 Па. Затем помещают контейнер в пресс-печь, где прогревают до температуры 0,6-0,9 от температуры плавления материала, прикладывают давление, обеспечивающее механическую деформацию свариваемых деталей в контейнере на величину от 2 до 5% от их геометрических размеров, и осуществляют выдержку под давлением при указанной температуре 180-240 минут. После завершения сварки контейнер вынимают из пресс-печи и охлаждают вместе с печью. Для приложения давления на свариваемые детали может быть использован контейнер с расположенной в его крышке мембраной, через которую подают инертный газ. Изобретение позволяет повысить прочность и качество сварного соединения от 80 до 96 процентов прочности от основного материала и получить сварные соединения без деформации и усадки. 1 з.п. ф-лы, 2 ил., 2 пр.

1. Способ сварки деталей из трудно свариваемого сплава, включающий очистку поверхности свариваемых деталей от оксидов, шлифовку, зачистку от загрязнений, приведение их в контакт, нагрев в вакууме, приложение давления и выдержку, отличающийся тем, что детали помещают в обваренный контейнер, в котором создают вакуум до рабочего давления Р = 10^–1–10^–4 Па, и помещают контейнер в пресс-печь, где его нагревают до температуры 0,5-0,9 от температуры плавления сплава, затем прикладывают давление, обеспечивающее механическую деформацию на величину от 2 до 5% от геометрических размеров свариваемых деталей в контейнере, и осуществляют выдержку под давлением при указанной температуре в течение 180-240 минут, после чего контейнер вынимают из пресс-печи и помещают в рабочее пространство печи с обеспечением охлаждения контейнера вместе с печью.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что давление на свариваемые детали прикладывают через расположенную в крышке контейнера мембрану, через которую подают инертные газы.