Способ сварки плавлением разнородных металлов Советский патент 1984 года по МПК B23K9/02 

S

СПОСОБ СВАРКИ ПЛАВЛЕНИЕМ РАЗНОРОДНЫХ МЕТАЛЛОВ, одним из которых является титан, с использованием промежуточной вставки из ниобия. отличающийся тем, что, с целью повышения качества при сварке титана с никелидом титана путем обеспечения 5-25% ниобия в шве ниобий-нйкелид титана, вставку берут шириной в 2-5 раз больше толш,ины свариваемых металлов и приваривают ее вначале к титану, а затем к никелиду титана, смеш.ая при этом дугу от оси шва на никелид титана, а температуру ванны расплава никелида титана в зоне его контакта со вставкой поддерживают в интервале между 10°С выше температуры солидуса и 100°С выше температуры ликвидуса в течение 2-120 с.

Ю

оо

Изобретение относится к машиностроению, в частности, к производству сварных деталей из разнородных металлических материалов, и может быть использовано в различных отраслях техники при изготовлении тяжелонагруженных изделий с повышенными вибро-акустическими, а также износостойкими характеристиками.

Известен способ сварки титана и его сплавов с медью и ее сплавами с использованием промежжуточной вставки из ниобия 1.

Недостатком известного способа указанных разнородных металлов является то, что он не позволяет обеспечить соединение. титана с никелидом титана, так как для его осуществления необходим определенный порядок выполнения швов, а также такие температурно-временные параметры суш.ествования сварочной ванны при выполнении шва ниобий - никелид титана, которые обеспечивали бы содержание ниобия в этом шве равное 5-25%.

Целью изобретения является повышение качества при сварке титана с никелидом титана путем обеспечения ниобия в шве ниобий -- никелид титана.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу сварки плавлением разнородных металлов, одним из которых является титан с использованием промежуточной вставки из ниобия, вставку берут шириной в 2-5 раз больше толшины свариваемых металлов и приваривают ее вначале к титану, а затем к никелиду тита-ча, смеш,ая при этом дугу от оси шва на никелид титана, а температуру ванны расплава никелида титана в зоне его контакта со вставкой поддерживают в интервале между 10°С выше температуры солидуса и 100°С выше температуры ликвидуса в течение 2-120°С.

Ограничение температурно-временных параметров сварки объясняется следуюшим. Используемая в предложенном способе вставка из тугоплавкого металла характеризуется способностью быстро растворяться в жидким никелиде титана в значительном количестве (5-25% по массе) при сохранении стехиометрического соотношения между титаном и никелем и не окрупчивать никелид титана. Нижняя граница содержания тугоплавкого металла (ниобий, ,титан) в металле шва (5% по массе) определяется из требования исключения несплавления кромки вставки с никелидом титана, а верхняя (25% по массе) -температурой и временем существования расплава, так как более высокое содержание тугоплавкого элемента может быть получено лишь при значительном перегреве расплава. Но в этом случае происходит увеличение размеров сварочной ванны, следствием чего является неудовлетворительное формирование шва - увеличение его ширины и чрезмерная вогнутость, вследствие, прописания сварочной ванны. Таким образом, нижняя граница температуры нагрева и величина минимального времени выдержки определяются из услоВИЯ обеспечением содержания в расплаве 5% ниобия и гарантированного сплавления кромок никелида титана с тугоплавкой вставкой, верхняя граница температуры нагрева и максимальное значение времени существования расплава из условия удовлетворительного формирования шва. Кроме того увеличение времени и температуры нагрева экономически нецелесообразно.

Подтверждением образования сплава с 5-25% ниобия в зоне соединения никелида титана марки ТН1 с тугоплавким металлом (ниобий марки HI) служат экспериментальные данные, полученные микрорентгеноспектральным анализом. Соединения были получены при взаимодействии жидкой и твердой фаз в условиях, близких к граничным: температура нагрева 1200°С, выдержка 1,8 с, температура нагрева 1300°С, выдержка 120 с. Нагрев контактирующих деталей осуществляли индукционным способом, контроль температуры - с помощью

термопары и потенциометра, время нагрева - с помощью секундомера.

В обоих случаях наблюдается скачкообразное изменение содержания элементов в зоне соединения, что свидетельствует об отсутствии значительной диффузии элементов из .жидкой фазы (Ti, Ni) в твердую (NB). В то же время на участке никелида титана, подвергаемого расплавлению, обнаружен ниобий: в первом участке на длине 0,7 мм - 5-15% по массе, во втором на длине около 2 мм - 20-25% по массе. Соотношение между никелем и титаном при этом не изменилось.

Пример. Элементы с фрезерованными и обезжиренными кромками из титанового сплава марки ВТ6С и никелида титана марки THI плотно состыковывали по толщине, равной 2 мм, с фрезерованным и обезжиренными боковыми кромками промежуточной вставки, выполненной из листа ниобиевого сплава марки HI. Для контроля температуры стыка никелида титана и ниобия в последний в непосредственной близости от кромки, зачеканили платинородиевую термопару, соединенную с осциллографом. Спай термопары зачеканивали в отверстие Глубиной 1 мм и диаметром 0,5 мм со стороны противоположной электроду сварочной горелки (с нижней стороны соединения). Первоначально сваривали элементы из более тугоплавких металлов ниобия и титанового сплава, так как если сначала сваривать никелид титана с ниобием, а затем приваривать

к ниобию титановый сплав, то при малой ширине вставки (менее 2 толщин) происходит вторичное чрезмерное расплавление шва ниобий - никелид титана и его неблагоприятное формирование. Сварку производили аргонодуговым способом вольфрамовым электродом. В различных опытах варьировали: температуру стыка ниобий - никелид титана путем изменения сварочного

3

1 2

5

11

тока, смещение от стыка оси электрода, ширину вставки из ниобия.

Влияние различных параметров на качество сварки приведены в таблице.

1350 Расплавление кромки

80 ниобия в верхней части

Несилавление в корне шва

То же

Удовлетворительное То же

Удовлетворительное, отдельные участки сплавления ниобия с ТН1 при сварке певого шва ниобийВТ6С

-Произошло сплавление

всех трех компонентов при сварке первого шва титан-ниобий. Элемент из ТН1 хрупко отломился по всей длине шва

1230Удовлетворит.ельное

1150Иесплавление стыка

ниобий-ТН1

1450Сильная вогнутость

(провисание) и увеличение ширины шва I 1,5 раза по сравнению с примерами № 3 и № 4

1360Незначительная вогнутость шва

При смещении электрода на элемент из ниобия (примеры № 2 и № 3) имеет место несплавление стыка ниобий - никелид титана с нижней стороны. Удовлетворительное формирование шва имело место при смещении оси электрода в сторону никелида титана, температуре стыка 1240-1330°С и щирине вставки не менее 4 мм, что равняется удвоенной толщине свариваемых элементов (примеры № 4, 5, 6, 8, 11). При меньщей щирине вставки (2 мм в примере 7) произощло расплавление элементов из сплава ВТ6С, ниобия и кромки никелида титана с образованием общей ванны с лицевой стороны соединения, что привело к нарущению стехиометрического состава между никешем и титаном. Шов оказался хрупким и при небольщой деформации изгиба разрущился.

При недостаточном нагреве кромки из ниобия (до 1150°С пример ч№ 9) имело место несплавление кромок стыка ниобий - никелид титана, а при его перегреве (1360- 1420°С, примеры № 10,11) щов имел вогнутую форму.

Отсутствие смещения электрода относительно стыка никелид титан-ниобий (примерно № 1) приводит к расплавлению последнего -и образованию общей сварочной ванны.

При минимально допустимой щирине вставки это может привести к частичному расплавлению щва, соединяющему титан с ниобием, увеличению содержания титана в щве, соединяющем никелид титана с ниобием, нарущению в нем стехиометрического соотнощения между титаном и никелем и охрупчиванию.

Верхняя граница ширинь вставки (в 5 раз больше толщины) определяется технической целесообразностью, так как сплавы на основе ниобия характеризуются большей плотностью и меньшей прочностью.

Испытание на изгиб соединений с удо5 влетворительным формированием швов (примеры № 4, 5, 6, 8, 11) показало их высокую пластичность. Трещины зарождались в основном металле или зоне термического влияния наименее пластичного сплава ВТ6С

o (рис 3,4). При использовании в качестве вставки ниобиевого сплава 5ВМЦ образцы с поперечным соединением имели высокую прочность. Разрушение их при растяжении происходило по основному металлу вставки при напряжениях 590 МПа ()

5 505 МПа (20°С) и 425 МПа (150°С).

Таким образом, способ позволяет сварить состыкованные по толщине элементы их разнородных металлических материалов,

0 одним из которых является никелид титана, обладающий высокой демпфирующей способностью, термомеханической памятью, стойкостью против износа и коррозии в агрессивных средах, а другим - титановый сплав.

5 Способ достаточно универсален в связи с его принципиальной пригодностью для изготовления детали с элементами, выполненными из других KOHctpyKTHBHbix металлических материалов таких как стали сплаQ ВОВ циркония и других тугоплавких металлов. Способ позволяет экономно использовать дефицитный и дорогостоящий (60- 100 руб. за 1 кг заготовки) никелид титана, так как делает возможным из этого материала изготавливать не всю деталь, а только

5 ее активную часть, герметично и надежно соединенную с элементами, состовляющими остальную часть детали.