Способ диффузионной сварки тугоплавкого металла

 

Изобретение может быть использовано для соединения тугоплавких металлов, например прутков различного сечения после пластической деформации (ротационной ковки). Торцы образцов сдавливают с усилием, не превышающим предел текучести свариваемого металла, но не менее 0,5 его значения. Перед сдавливанием в зону сварки вводят порошок одноименного металла со средним размером зерна меньше, чем у свариваемого металла после первичной рекристаллизации. Производят нагрев соединения до температуры рекристаллизации тугоплавкого металла и изотермическую выдержку в течение времени, обеспечивающего прохождение процесса первичной рекристаллизации, не более 30-60 мин. Предлагаемый способ обеспечивает прочное соединение (не менее 80% от предела прочности при изгибе монолитного металла), сохранение мелкозернистой рекристаллизованной структуры, что позволяет проводить дальнейшую пластическую деформацию металла. 2 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к сварке, а именно к способам соединения тугоплавких металлов методом диффузионной сварки и может быть использовано, в частности, для обеспечения непрерывного технологического цикла в промышленном производстве тугоплавких металлов для сращивания, например, прутков тугоплавкого металла различного сечения после пластической деформации (ротационной ковки).

Известен способ соединения тугоплавких металлов [заявка Японии 32-97555, кл. B 23 K 1/19, опубл. 27.12.91], например вольфрама и молибдена. Способ заключается в том, что в стык свариваемых тугоплавких металлов вводят кобальт и нагревают соединение выше температуры плавления кобальта (1300-1600^oС) в безокислительной атмосфере или вакууме.

Недостатком этого способа является то, что, например, для электротехнической промышленности, где предъявляются высокие требования к химической чистоте металла, использование различного рода прокладок из других металлов или сплавов нежелательно, так как они сильно влияют на эксплуатационные свойства свариваемого металла.

Известен способ стыковой контактной сварки тугоплавких металлов [заявка Японии 55-73483, кл. B 23 K 11/02, опубл. 3.06.80], например вольфрама, молибдена, обеспечивающий повышенную прочность соединения с образованием грота и утолщения диаметра при осадке. С этой целью соединяемые торцы механически обрабатываются под конус с углом при вершине 15^o, нагревают и сдавливают, чтобы в процессе осадки нагретых деталей заполнить пространство в стыке.

Недостатком данного способа, взятого за прототип, является то, что при сращивании прутков в месте сварного шва в результате выдавливания жидкого металла образуется грот и утолщенная зона, которые не позволяют проводить дальнейшее волочение металла без предварительной механической обработки места сварки. Кроме того, высокая температура сварки приводит к резкому росту зерна в зоне термического влияния за счет процессов вторичной и собирательной рекристаллизации, что затрудняет дальнейшую пластическую деформацию металла из-за сильного охрупчивания сварного шва.

Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в разработке способа диффузионной сварки тугоплавкого металла при возможно более низких температурах в вакууме или атмосфере инертного газа. Это позволит внести минимальные изменения в структуру свариваемого тугоплавкого металла, обеспечить необходимую прочность места сварки, исключить его последующую механическую обработку и возможность проведения дальнейшей пластической деформации металла.

Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе диффузионной сварки тугоплавкого металла, включающем пластическую деформацию, сдавливание, нагрев до температуры сварки и изотермическую выдержку в вакууме или атмосфере инертного газа, перед сдавливанием в зону сварки вводят порошок одноименного металла, сдавливают с усилием, не превышающим предел текучести свариваемого металла, но не менее 0,5 его значения, нагревают соединение до температуры рекристаллизации тугоплавкого металла и изотермическую выдержку проводят в течение времени, обеспечивающего прохождение процесса первичной рекристаллизации.

Кроме того, вводят порошок одноименного металла со средним размером зерна меньше, чем у свариваемого металла после первичной рекристаллизации.

Кроме того, изотермическую выдержку проводят не более 30-60 минут.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что предварительная пластическая деформация тугоплавкого металла (ротационная ковка) позволяет активизировать диффузионные процессы при более низкой температуре (температура рекристаллизации соединяемого металла), что способствует эффективному процессу сварки. Для интенсификации диффузионной подвижности в стык свариваемых тугоплавких металлов предлагается вводить порошок одноименного металла с более мелким зерном, чем у свариваемого металла после пластической деформации и первичной рекристаллизации. Это позволит активизировать диффузионную подвижность атомов тугоплавкого металла в порошковой прослойке и зоне термического влияния основного металла и тем самым обеспечить высокие механические свойства сварочному шву. Прикладываемое давление должно быть ниже предела текучести для того, чтобы оно не вызывало пластическую деформацию свариваемого металла в зоне термического влияния и, следовательно, не было необходимости механической обработки перед дальнейшей пластической деформацией (волочением). При давлении ниже 0,5 предела текучести свариваемого металла не обеспечивается прочный контакт в зоне сварки, что не позволяет проводить дальнейшую пластическую деформацию.

Выбор температуры обусловлен тем, что при нагревании ниже температуры первичной рекристаллизации тугоплавкого металла не достигается высокая диффузионная подвижность атомов и не обеспечивается высокая прочность сварного шва. При нагреве выше температуры рекристаллизации металла наблюдается резкий рост зерна за счет процессов вторичной и собирательной рекристаллизации, что не позволяет проводить дальнейшую пластическую деформацию. Сварку проводят в вакууме или атмосфере инертного газа с изотермической выдержкой, обеспечивающей полное прохождение процесса полигонизации и первичной рекристаллизации, но не более 30-60 мин. При выдержке менее 30 минут диффузионные процессы не успевают обеспечить прочное соединение, при выдержке более 60 мин не происходит дальнейшее упрочнение места сварки и обеспечивается постепенный рост зерна тугоплавкого металла в зоне термического влияния.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.

Торцы образцов тугоплавкого металла после ротационной ковки шлифуют, помещают в сварочную камеру, в стык свариваемых прутков вводят порошок одноименного металла с размером частиц меньше рекристаллизованного зерна свариваемого металла, прикладывают давление меньше предела текучести. Далее осуществляется нагрев стыка свариваемых образцов в вакууме или атмосфере инертного газа до температуры рекристаллизации свариваемого металла и изотермическая выдержка. Время выдержки выбирается из условия протекания полного процесса первичной рекристаллизации. Далее происходит охлаждение и разгрузка образца.

Пример конкретного исполнения Берут два прутка молибдена диаметром 8 мм после ротационной ковки. Средний размер зерна в поперечном сечении равен 15 мкм, в продольном 60 мкм. Температурный интервал рекристаллизации данного металла равен 1000-1100^oС. Средний диаметр рекристаллизованного зерна составляет 20 мкм.

Торцы свариваемых прутков шлифуют. В стык свариваемых прутков вводят порошок молибдена с размером частиц меньше 10 мкм. Помещают сварочный шов в сварочную камеру, прикладывают давление ~70 МПа. Далее осуществляют нагрев стыка прутков в вакууме или атмосфере инертного газа до температуры 1050^oС и изотермическую выдержку проводят в течение 40 мин. Далее происходит охлаждение и разгрузка прутков.

Предлагаемый способ диффузионной сварки тугоплавкого металла обеспечивает прочное соединение (не менее 80% от предела прочности при изгибе монолитного металла), сохранение мелкозернистой рекристаллизованной структуры, что позволяет проводить дальнейшую пластическую деформацию металла.

Формула изобретения

1. Способ диффузионной сварки тугоплавкого металла, включающий пластическую деформацию, сдавливание, нагрев до температуры сварки и изотермическую выдержку в вакууме или атмосфере инертного газа, отличающийся тем, что перед сдавливанием в зону сварки вводят порошок одноименного металла, сдавливают с усилием, не превышающим предел текучести свариваемого металла, но не менее 0,5 его значения, нагревают соединение до температуры рекристаллизации тугоплавкого металла, а изотермическую выдержку проводят в течение времени, обеспечивающего прохождение процесса первичной рекристаллизации.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что вводят порошок одноименного металла со средним размером зерна меньше, чем у свариваемого металла после первичной рекристаллизации.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что изотермическую выдержку проводят не более 30-60 мин.