Способ соединения стекла с молибденовым сплавом Российский патент 2023 года по МПК B23K20/16 B23K20/22 B23K103/18 

Техническое решение относится к сварке давлением в твердой фазе, в частности, к диффузионной сварке, и может быть использовано для изготовления металлостеклянных конструкций, состоящих из сочетания материалов алюмосиликатное стекло (например, С48-3) + молибденовый сплав (например, ЦМ-2А), в оптико-электронной промышленности, точном приборостроении.

Предложен способ получения неразъемного сварного соединения из стекла с металлами методом диффузионной сварки. Способ диффузионной сварки элементов из стекла и металла включает в себя размещение между ними промежуточного слоя, в качестве которого используют фольгу из алюминия, или алюминия и титана, или промежуточный слой алюминия и титана наносится на поверхность стекла и металла методом напыления, и сварку ведут при температуре ниже температуры размягчения стекла 600°C, и времени выдержки 30 мин с приложением сварочного давления 5-6 кгс/мм².

Техническим результатом является сохранение физико-механических свойств свариваемых материалов, получение сварного соединения высокого качества с требуемыми прочностными характеристиками, а именно: получаемые после диффузионной сварки сборки не должны иметь макропластической деформации стеклянной детали и должны обеспечивать герметичность соединений на уровне от 5⋅10^-12 м³⋅Па/с до 1⋅10^-10 м³⋅Па/с.

Известен способ диффузионной сварки (Казаков Н.Ф. Диффузионная сварка материалов. М.: Машиностроение, 1976, 312 с.), при котором при соединении неметаллических материалов (керамик, стекол) с металлическими материалами для повышения механических свойств соединений между свариваемыми поверхностями размещают промежуточные слои в виде фольг Al, Ti, Ni, Cu и др. металлов, а также, в ряде случаев, предварительно наносят (напыляют) на свариваемые поверхности алюминий или другие металлы. Применение алюминия предпочтительно, т.к. по сравнению с другими металлами процесс получения соединения через титан, медь и др. происходит при температурах Т гораздо выше 700°C, а при этих температурах стекло начинает размягчаться и пластически деформироваться даже под собственным весом. А через алюминий процесс соединения может быть реализован ниже 600°C, при которых стекло еще не размягчается и, следовательно, не деформируется под воздействием сварочного давления.

Параметры процесса диффузионной сварки по данному методу ориентированы, в основном, на получение прочного соединения без вышеуказанных требований. Такие виды промежуточных слоев позволяют получать соединения с прочностью σ_в не менее 100 МПа, но с низкой пластичностью.

Наиболее близким по технологической сущности к предлагаемому способу является способ диффузионной сварки (Бачин В.А. Диффузионная сварка стекла и керамики с металлами. М.: Машиностроение, 1986, 184 с.), в соответствие с которым, стекла различного класса сваривали с молибденом, который предварительно покрыт гальваническим никелем, а между ними помещали слой фольги из алюминия. Используя сложный промежуточный слой (фольга алюминия + гальванический никель), получили соединение стекол с молибденом при температуре ниже температуры размягчения стекла, т.е. при 500-550°C, сварочном давлении 1 кгс/мм² и время сварки 40 мин.

Недостатком этого способа является:

- отсутствие требуемой вакуумной плотности вследствие развитой пористости в зоне контакта;

- низкая производительность процесса из-за необходимости получения сложных промежуточных слоев.

Отсутствие герметичности можно связать, в первую очередь, с интерметаллидами систем Al-Ni и Ni-Mo (MoNi₃, MoNi₄), которые образуются в процессе сварки и которые формируют в сварном шве поры и микротрещины. Эти дефекты и не обеспечивают необходимый уровень герметичности.

Задача, на решение которой направлено техническое решение, заключается в разработке способа соединения стекла с молибденовым сплавом для устранения указанных выше недостатков, в расширении технических возможностей за счет проведения сварки с использованием промежуточного слоя Al, который позволит сформировать прочное вакуумно-плотное сварное соединение при оптимальных температуре и сварочном давлении, которые устранили бы влияние интерметаллидов на качество сварного соединения.

Чем ниже температура сварки через алюминиевый промежуточный слой, тем ниже интенсивность образования и роста интерметаллидов системы Al - Мо, а предложенное сварочное давление в диапазоне 5-6 кгс/мм², с одной стороны, приводит к их пластической деформации и тем самым залечиванию пор и микротрещин, что обеспечивает требуемую герметичность. С другой стороны, такое сварочное давление при такой температуре не деформирует стеклянную деталь. Для справки: стекло С48-3 способно выдержать давление сжатия до 20 кгс/мм².

Это позволяет:

- исключить пластическую деформацию в стеклянной детали;

- обеспечить вакуумно-плотное соединение;

- обеспечить необходимую прочность соединения;

- повысить производительность процесса сварки за счет применения однокомпонентного промежуточного слоя и относительно невысокой температуры процесса сварки.

Сущность предлагаемого способа заключаются в том, что выбранные сварочные режимы и промежуточные слои позволяют активировать свариваемые поверхности за счет диффузионной подвижности атомов материалов. Сварочное давление в диапазоне 5-6 кгс/мм² пластически деформирует образующиеся в процессе подъема температуры интерметаллиды системы Al - Мо (Al₈Mo₃, Al₁₂Mo, Al₂₂Mo₅), что приводит к залечиванию внутренних дефектов сварного соединения (пор и микротрещин), что гарантирует требуемую герметичность, а данное сварочное давление при температуре 600°C исключает деформацию стеклянной детали. Сварочное давление менее 5 кгс/мм² пластически не деформирует интерметаллиды ввиду их повышенной твердости, тем самым не «захлопывает» образовавшуюся пористость. Повышение сварочного давления более 6 кгс/мм² нецелесообразно, т.к. значительного улучшения качества сварного соединения не происходит.

Выдержка 30 минут обеспечивает полное прохождение процесса диффузионного обмена между промежуточным слоем и стеклом, а также промежуточным слоем и молибденом. При выдержке менее 30 мин диффузионные процессы не успевают обеспечить прочное герметичное соединение. Выдержка более 30 мин не оказывает существенного влияния на повышение герметичности и прочности соединения.

Пример №1. Сваривали деталь из алюмосиликатного стекла С48-3, представляющего из себя трубку (внешний диаметр 22,95 мм, внутренний диаметр 19 мм, высота 30,2 мм) и деталь из молибденового сплава ЦМ-2А (диаметр 22,95 мм и высота 0,82 мм). Между ними помещали промежуточный слой фольги из алюминия.

Соединяемые элементы загружали в камеру установки диффузионной сварки и проводили режим сварки с приложением удельного давления сжатия 5,5 кгс/мм², времени выдержки 30 мин, а сварку проводили при температуре 600°C, после чего снимали давление сжатия и проводили охлаждение до комнатной температуры.

Пример №2. Сваривали те же детали. Между ними помещали промежуточный слой, в качестве которого использовали фольгу из титана и фольгу из алюминия, причем сначала производили диффузионную сварку титановой фольги с молибденовым сплавом при температуре 800°C, сварочном давлении 2 кгс/мм², времени выдержки 30 мин. Затем между приваренной титановой фольгой и стеклом помещали фольгу из алюминия и осуществляли диффузионную сварку при температуре 600°C, сварочном давлении 4 кгс/мм², времени выдержки 30 мин, скорости нагрева и охлаждения не выше 5°C/мин.

Соединяемые элементы загружали в камеру установки и устанавливали режим с приложением удельного давления сжатия 4 кгс/мм², времени выдержки 30 мин, сварку проводят при температуре 600°C, скорость нагрева не выше 5°C/мин. После чего снимали давление сжатия и проводили охлаждение до комнатной температуры при скорости охлаждения не выше 5°C/мин.

Пример №3. Сваривали те же детали. Между ними помещали промежуточный слой, в качестве которого использовали напыление титана на молибден толщиной не менее 10 мкм, а на поверхности стекла используют напыленный алюминий толщиной не менее 10 мкм.

Соединяемые элементы загружали в камеру установки и устанавливали режим с приложением удельного давления сжатия 2 кгс/мм², времени выдержки 30 мин, а сварку проводили при температуре 600°C, после чего снимали давление сжатия и проводили охлаждение до комнатной температуры.

Результаты испытаний на герметичность деталей, при температуре 20°C, по стандартным методикам испытания, представлены в таблице.

Таким образом, предлагаемый способ соединения стекла с молибденовым сплавом обеспечивает герметичное соединение и отсутствие деформации стекла, что говорит о более высоких результатах сварки по сравнению с прототипом и аналогом. В результате использования предлагаемого способа расширяется диапазон применения сварных соединений из стекла с металлами и значительно повышается их ресурс.

Способ диффузионной сварки может быть использован для изготовления металлостеклянных конструкций в оптико-электронной промышленности, точном приборостроении. Между свариваемыми деталями из стекла и молибденового сплава размещают промежуточный слой. Варианты реализации способа предполагают использование в качестве промежуточного слоя фольги из алюминия, или алюминия и титана. Промежуточный слой из упомянутых металлов может быть нанесен на поверхность стекла и молибденового сплава методом напыления. Сварку проводят при температуре ниже температуры размягчения стекла 600°С и времени выдержки 30 мин с приложением необходимого сварочного давления. Техническим результатом изобретения является сохранение физико-механических свойств свариваемых материалов, получение сварного соединения с требуемыми прочностными характеристиками, а именно: получаемые после диффузионной сварки сборки не имеют макропластической деформации стеклянной детали и обеспечивают герметичность соединений на уровне от 5⋅10^-12 м³⋅Па/с до 1⋅10^-10 м³⋅Па/с. 3 н.п. ф-лы, 1 табл., 3 пр.

1. Способ соединения стекла с молибденовым сплавом, включающий размещение между свариваемыми материалами промежуточного слоя из металла и проведение диффузионной сварки, отличающийся тем, что в качестве промежуточного слоя используют фольгу из алюминия, а сварку ведут при температуре 600°С и времени выдержки 30 мин с приложением сварочного давления 5-6 кгс/мм².

2. Способ соединения стекла с молибденовым сплавом, включающий размещение между свариваемыми материалами промежуточного слоя из металла и проведение диффузионной сварки, отличающийся тем, что в качестве промежуточного слоя используют фольгу из титана и фольгу из алюминия, причем сначала производят диффузионную сварку титановой фольги с молибденовым сплавом при температуре 800°С, сварочном давлении 2 кгс/мм², времени выдержки 30 мин, скорости нагрева и охлаждения 20-30°С/мин, а затем между приваренной титановой фольгой и стеклом помещают фольгу из алюминия и осуществляют диффузионную сварку при температуре 600°С, сварочном давлении 4 кгс/мм², времени выдержки 30 мин, скорости нагрева и охлаждения не выше 5°С/мин.

3. Способ соединения стекла с молибденовым сплавом, включающий размещение между свариваемыми материалами промежуточного слоя из металла и проведение диффузионной сварки, отличающийся тем, что в качестве промежуточного слоя используют титан и алюминий, причем перед диффузионной сваркой на поверхность молибденового сплава напыляют титан толщиной не менее 10 мкм, а на поверхность стекла - слой алюминия толщиной не менее 10 мкм, а диффузионную сварку проводят при температуре 600°С, сварочном давлении 2 кгс/мм² и времени выдержки 30 мин.