Спосіб дифузійного зварювання металів

1. Спосіб дифузійного зварювання металів, що включає нагрівання з'єднуваних деталей до температури зварювання, їх стиснення і витримку при заданих умовах, який відрізняється тим, що з'єднувані поверхні попередньо обробляють високострумовим імпульсним електронним пучком. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що щільність потужності електронного пучка вибирають з урахуванням властивостей з'єднуваних матеріалів та бажаної глибини модифікування. (19) (21) u200909042 (22) 31.08.2009 (24) 25.01.2010 (46) 25.01.2010, Бюл.№ 2, 2010 р. (72) КОВАЛЬ МИКОЛАЙ МИКОЛАЙОВИЧ, ІВАНОВ ЮРІЙ ФЕДОРОВИЧ, КВАСНИЦЬКИЙ ВІКТОР ВЯЧЕСЛАВОВИЧ, КВАСНИЦЬКИЙ ВЯЧЕСЛАВ ФЕДОРОВИЧ, МАРКАШОВА ЛЮДМИЛА ІВАНІВНА, МАТВІЄНКО МАКСИМ ВАЛЕНТИНОВИЧ (73) НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ КОРАБЛЕБУДУВАННЯ ІМЕНІ АДМІРАЛА МАКАРОВА 3 нагрів з'єднуваних деталей до температури зварювання, їх стиснення і витримку при заданих умовах зварювання, згідно с пропозицією попередньо з'єднувані поверхні обробляють високострумовим імпульсним електронним пучком. Електронний пучок має щільність енергії від 10Дж/см2 до 35Дж/см2 та тривалість імпульсу від 50мкс до 150мкс залежно від властивостей з'єднуваних матеріалів та від бажаної глибини модифікування. При обробці поверхні електронним пучком за рахунок гальмування в приповерхневому шарі високошвидкісних електронів, що мають високу кінетичну енергію, інтенсивний розігрів тонкого поверхневого шару (аж до температури плавлення і кипіння) за рахунок перетворення більшої частки кінетичної енергії електронів в теплову. Внаслідок надвисоких швидкостей нагрівання та охолодження відбувається подрібнення зерен матеріалу приповерхневого шару з утворенням субмікрокристалічної нерівноважної структури з високою щільністю дефектів, насамперед дислокацій, та збільшення сумарної площі границь зерен. Глибину модифікованого шару, що напряму залежить від стану початкової поверхні і режимів обробки, можливо змінювати від декількох мікрометрів до 20мкм. Внаслідок опромінення поверхні висококонцентрованим імпульсним електронним пучком в поверхневих шарах формується напружений стан та нерівноважна нано- і субмікрокристалічна структура, що сприяє інтенсифікації розвитку пластичних деформацій та інтенсифікації дифузійного зварювання, що в свою чергу сприяє підвищенню якості зварного з'єднання. Для пояснення суті способу наведені такі малюнки: Фіг.1 - вигляд поверхні армко-заліза після обробки високострумовим імпульсним електронним пучком (х100); Фіг.2 - косий шліф мікроструктури поверхневого шару армко-заліза після обробки поверхонь високострумовим імпульсним електронним пучком (х320); Фіг.3 - вигляд поверхні сталі 12Х18Н10Т після обробки високострумовим імпульсним електронним пучком (х100); Фіг.4 - мікроструктура зварного з'єднання армко-заліза і сталі 12Х18Н10Т після обробки обох поверхонь високострумовим імпульсним електронним пучком (х400); Фіг.5 - мікроструктура зварного з'єднання армко-заліза і сталі 12Х18Н10Т, виготовленого за технологією аналогу (х400); Фіг.6 - вигляд поверхні сплаву ЧС-88 після обробки високострумовим імпульсним електронним пучком (х250); Фіг.7 - мікроструктура зварного з'єднання сплаву ЧС-88 після обробки обох поверхонь високострумовим імпульсним електронним пучком (х400); Фіг.8 - мікроструктура зварного з'єднання сплаву ЧС-88, виготовленого за технологією аналогу (х400); Здійснення способу дифузійного зварювання показано на наступних прикладах. Приклад перший. 47368 4 Проводили дифузійне зварювання деталі, виготовленої з армко-заліза і деталі зі сталі 12Х18Н10Т. Поверхні з'єднуваних матеріалів після обробки на токарному верстаті обробляли високострумовим імпульсним електронним пучком за режимами: ES=20Дж/см2, t= 100мкс, кількість імпульсів n=5. Це забезпечило чистоту поверхні не гіршу ніж полірування (RZ=0,3мкм) та субмікрокристалічну структуру. Вигляд обробленої поверхні армко-заліза показано на Фіг.1, а косий шліф мікроструктури поверхневого шару армко-заліза на Фіг.2. Вигляд обробленої поверхні сталі 12Х18Н10Т показано на Фіг.3. Деталі встановлювали в зварювальну камеру установки дифузійного зварювання і після досягнення вакууму 10-2Па нагрівали до температури Т1=1050°С і стискували постійним зусиллям, яке забезпечує тиск Рзв=15,0МПа. При даній температурі витримували деталі протягом 720с, після чого охолоджували у вакуумній камері. Механічні випробування зварних з'єднань показали стабільні результати по міцності (не менші міцності армко-заліза). Границя міцності при розтягуванні складала не менше sв= 390МПа. Руйнування відбувалося по армко-залізу.Вивчення мікроструктури (Фіг.4) показало, що в зоні з'єднання утворюються загальні зерна. Це говорить про високу якість з'єднання. Для порівняння здійснювали зварювання за схемою прототипу при наступних параметрах: температура Т=1050°С, стискувальне зусилля, що забезпечує тиск Рзв=1520,0МПа, час зварювання t=720-900с. Механічні випробування зварних з'єднань показали, що границя міцності при розтягуванні склала = 230…310МПа. Руйнування відбувалося по зваsв рному шву. Вивчення мікроструктури (Фіг.5) показало, що по стику проходить чітко орієнтована межа, по якій і відбувається руйнування. Зіставлення об’ємних доль загальних зерен на межі розділу в з'єднанні оброблених поверхонь високострумовим імпульсним електронним пучком збільшується більш ніж на півтора порядки в порівнянні із з'єднанням полірованих поверхонь. Приклад другий. Проводили дифузійне зварювання деталі, виготовленої зі сплаву ЧС-88. З'єднувані поверхні обробляли високострумовим імпульсним електронним пучком за режимом ЕS=25Дж/см2, t= 100мкс, кількість імпульсів n=5. Вигляд обробленої поверхні ЧС-88 показано на Фіг.6. Деталі встановлювали в зварювальну камеру установки дифузійного зварювання і після досягнення вакууму 10-2Па нагрівали до температури Т1=1150°С і стискували постійним зусиллям, яке забезпечує тиск Рзв=25,0МПа. При даній температурі витримували деталі протягом 720с, після чого охолоджували у вакуумній камері. Механічні випробування зварних з'єднань показали стабільні результати по міцності. Границя міцності при розтягуванні була на рівні основного металу (sв= 820…880МПа). Вивчення мікроструктури (Фіг.7) показало високу якість з'єднання, оскільки в зоні стику відбувається рекристалізація з утворенням спільних зерен. Для порівняння здійснювали зварювання за схемою прототипу при наступних параметрах: температура Т=1150°С, стискувальне зусилля, що забезпе 5 чує тиск Рзв=25,0МПа, час зварювання t=720с. Механічні випробування зварних з'єднань показали, що границя міцності при розтягуванні склала sв= 670…700МПа. Руйнування відбувалося по стику. Вивчення мікроструктури (Фіг.8) показало чітко орієнтовану межу зерен по стику, що і призводить до руйнування з'єднання по стику. Використання корисної моделі в порівнянні з відомим способом дозволяє підвищити якість з'єд 47368 6 нань за рахунок інтенсифікації процесу дифузійного зварювання, забезпечення міцності зварного з'єднання на рівні основного або менш міцного металу, зниження величини зварювальних деформацій шляхом зосередження деформацій в зоні контакту. При цьому відсутня необхідність у застосуванні додаткового устаткування у процесі зварювання, а також можливо з'єднувати деталі різноманітної форми. 7 Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська 47368 8 Підписне Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601