Способ диффузионной сварки трубчатых переходников титан-нержавеющая сталь Российский патент 2025 года по МПК B23K20/14 B23K20/22 B23K101/04 B23K103/24 

Изобретение относится к области сварки, а более конкретно к технологии диффузионной сварки трубчатых переходников титан-нержавеющая сталь, и может быть использовано в атомной, судостроительной, авиастроительной и других отраслях промышленности.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к изобретению является способ диффузионной сварки трубчатых переходников титан-нержавеющая сталь, в котором изготавливают втулки из титанового сплава и нержавеющей стали, на внутренней поверхности втулки из нержавеющей стали выполняют кольцевые канавки резьбового профиля и размещают ее снаружи втулки из титанового сплава, после чего нагревают сборку втулок в вакууме до температуры диффузионной сварки и при этой температуре сдавливают свариваемые поверхности втулок, после чего сборку втулок охлаждают (патент РФ №2205732, МПК В23К 20/14, В23К 101/06, опубл. 10.06.2003).

Недостатком известного способа является то, что в процессе сварки в некоторых переходниках металл втулки из титанового сплава сохраняет высокую твердость и не всегда полностью заполняет кольцевые канавки на внутренней поверхности втулки из нержавеющей стали, что связано с недогревом внутренней втулки во время сварки. В результате не происходит удовлетворительного механического сцепления свариваемых деталей трубчатого переходника, что является браком.

Помимо этого недостатка при применении известного способа не обеспечивается полное удаление окисных пленок с поверхности втулки из нержавеющей стали в зоне контакта, что снижает прочность сварного соединения особенно при циклических нагрузках.

Задачей настоящего изобретения является повышение надежности и качества сварного соединения трубчатых переходников титан-нержавеющая сталь.

Технический результат, который достигается при использовании настоящего изобретения, заключается в улучшении взаимной диффузии материалов деталей трубчатого переходника титан-нержавеющая сталь

Указанный технический результат достигается тем, что в соответствии с заявленным способом диффузионной сварки трубчатых переходников титан-нержавеющая сталь изготавливают втулки из титанового сплава и нержавеющей стали, на внутренней поверхности втулки из нержавеющей стали выполняют кольцевые канавки резьбового профиля и размещают ее снаружи втулки из титанового сплава, после чего нагревают сборку втулок в вакууме до температуры диффузионной сварки и при этой температуре сдавливают свариваемые поверхности втулок, после чего сборку втулок охлаждают, а нагрев в вакууме до температуры диффузионной сварки производят в два этапа, причем на первом этапе нагревают сборку втулок до температуры 600°С со скоростью 35-45 град/мин, а на втором этапе нагревают сборку втулок от температуры 600°С до температуры диффузионной сварки со скоростью 15-35 град/мин.

Кроме того, сваренную сборку втулок охлаждают в вакууме до 450°С, затем охлаждают ее на воздухе до комнатной температуры.

Экспериментальным путем было установлено, что для снижения твердости втулки из титанового сплава с целью полного заполнения им профиля кольцевых канавок диффузионную сварку необходимо проводить в два этапа, причем на первом этапе следует осуществлять нагрев до 600°С со скоростью 35-45 град/мин. При нагреве до температуры до 600°С за счетразницы коэффициентов линейного расширения стали и титана в 1,5 раза увеличение геометрических размеров стальной втулки идет быстрее, чем увеличение размеров не успевающей за ней нагреваться титановой втулки, поэтому происходит физический контакт стальных выступов с поверхностью титановой втулки и равномерный прогрев титановой втулки за счет этого контакта. При этом нагрев втулок до 600°С со скоростью выше 45 град/мин приводит к возникновению внутренних напряжений, способствующих образованию внутренних дефектов. С другой стороны нагрев со скоростью ниже 35 град/мин приводит к преждевременной диффузии в местах контакта титана и стали, что ведет к росту интерметаллидного слоя в этих местах, приводящего к охрупчиванию сварного соединения,

На втором этапе следует осуществлять нагрев от температуры 600°С до температуры диффузионной сварки со скоростью 15-35 град/мин, т.к. нагрев свыше 600°С со скоростью меньше 15 град/мин более чем в два раза увеличивает время протекания процесса сварки и ведет к росту зерна в стальной и титановой втулках, что, в свою очередь, снижает механические свойства втулок и сварного соединения. В то же время при нагреве выше 600°С со скоростью нагрева больше 35 град/мин будет образовываться эвтектика на границе контакта стали и титана, что недопустимо вследствие того, что эвтектика на границе титана со сталью является хрупкой прослойкой, склонной при приложении осевых или радиальных напряжений к образованию трещин, способствующей снижению эксплуатационных характеристик переходника.

Если сразу после диффузионной сварки проводить охлаждение сборки на воздухе, существует вероятность проникновения вредных компонентов воздуха (кислорода, азота) в места стыков соединенных металлов, выходящих на внутреннюю и наружную поверхности сваренной сборки, что может привести к образованию оксидов и нитридов в сварном шве, которые делают металл сварного шва более хрупким и снижают его прочность. Поэтому, чтобы исключить такой неблагоприятный вариант, сборку из сваренных втулок сначала охлаждают в вакууме до 450°С и благодаря этому обеспечивают закрытие мест стыков соединенных металлов, выходящих на внутреннюю и наружную поверхности сваренной сборки, и исключает вероятность попадания вредных компонентов воздуха (кислорода, азота) в зону соединения при последующем охлаждении сборки на воздухе. Охлаждение на воздухе увеличивает скорость охлаждения сборки, т.к. отвод тепла от сборки уже не ограничен объемом вакуумной камеры. Это позволяет избежать опасности роста интерметаллидного слоя между титаном и сталью, возникающей при продолжительном остывании сборки при повышенных температурах, отрицательно влияющего на сопротивление хрупкому разрушению сварного соединения.

Пример осуществления способа.

Для выполнения диффузионной сварки переходника титан-нержавеющая сталь втулку из титанового сплава марки ПТ-7М с наружным диаметром 82 мм, длиной 62 мм и толщиной стенки 5 мм сваривали диффузионной сваркой в вакууме со втулкой из нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т диаметром 120 мм, длиной 76 мм и толщиной стенки 19 мм.

Внутреннюю поверхность втулки из нержавеющей стали с одного конца на длине 40 мм расточили до диаметра 82 мм и на этом диаметре протачили резьбовым резцом кольцевые канавки резьбового профиля с шагом 0,72 мм. Далее втулки промыли в ультразвуковой ванне для удаления масел и остатков стружки, после чего свариваемые детали подвергали сушке в сушильном шкафу для удаления влаги.

Далее детали собрали: в отверстие втулки из нержавеющей стали вставили втулку из титанового сплава. Затем в отверстие титановой втулки поместили конусный дорн и сборку установили в индуктор сварочной камеры на подвижный шток.

В сварочной камере создали разрежение 5×10^-5 мм рт. ст., после чего с помощью токов высокой частоты прогрели сборку сначала до 600°С со скоростью 40С/мин, а затем скорость нагрева понизили до 28°С/мин и продолжали прогрев сборки до температуры диффузионной сварки (для представленных материалов втулок она равна 985°С.) Температуру нагрева контролировали термоэлектрическим преобразователем типа ТХА.

После этого дорн стали постепенно вводить во втулку из титанового сплава, раздавая ее в диаметре за счет поступления материала втулки - титана в кольцевые канавки резьбового профиля втулки из нержавеющей стали до их заполнения.

После чего нагрев отключили и сваренную сборку переходника сначала охладили в вакууме до 450°С, а потом продолжили охлаждение сборки на открытом воздухе до комнатной температуры.

После токарной обработки получили переходник с наружным диаметром 80 мм и толщиной стенки 1,2 мм.

Исследование сваренного переходника показало, что использование предлагаемого способа диффузионной сварки сборки втулок из титанового сплава и нержавеющей стали позволило обеспечить высокое качество и надежность сварного соединения за счет улучшения взаимной диффузии соединяемых материалов и минимизации интерметаллидного слоя.

Изобретение относится к изготовлению диффузионной сваркой трубчатых переходников титан-нержавеющая сталь. На внутренней поверхности втулки из нержавеющей стали выполняют кольцевые канавки резьбового профиля и размещают ее снаружи втулки из титанового сплава. Нагревают сборку втулок в вакууме до температуры диффузионной сварки. Нагрев в вакууме до температуры диффузионной сварки производят в два этапа: на первом этапе нагревают сборку втулок до температуры 600°С со скоростью 35-45°С/мин, а на втором этапе нагревают сборку втулок от температуры 600°С до температуры диффузионной сварки со скоростью 15-35°С/мин. При температуре диффузионной сварки сдавливают свариваемые поверхности втулок, после чего сборку втулок сначала охлаждают в вакууме до 450°С, а затем охлаждают ее на воздухе до комнатной температуры. Использование изобретения позволяет повысить надежность и качество сварного соединения трубчатых переходников титан-нержавеющая сталь за счет улучшения взаимной диффузии материалов деталей трубчатого переходника титан-нержавеющая сталь. 1 з.п. ф-лы, 1 пр.

1. Способ диффузионной сварки трубчатых переходников титан-нержавеющая сталь, включающий изготовление втулок из титанового сплава и нержавеющей стали, выполнение на внутренней поверхности втулки из нержавеющей стали кольцевых канавок резьбового профиля и ее размещение снаружи втулки из титанового сплава, осуществление нагрева сборки втулок в вакууме до температуры диффузионной сварки и сдавливание при этой температуре свариваемых поверхностей втулок, а затем охлаждение сборки втулок, отличающийся тем, что нагрев в вакууме до температуры диффузионной сварки производят в два этапа, причем на первом этапе нагревают сборку втулок до температуры 600°С со скоростью 35-45°С/мин, а на втором этапе нагревают сборку втулок от температуры 600°С до температуры диффузионной сварки со скоростью 15-35°С/мин.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что сваренную сборку втулок сначала охлаждают в вакууме до 450°С, а затем охлаждают ее на воздухе до комнатной температуры.