Спосіб дифузійного зварювання металів

1. Спосіб дифузійного зварювання металів, що включає в себе нагрів 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. Винахід відноситься до галузі зварювання матеріалів, зокрема до технології виготовлення конструкцій з нероз'ємними з'єднаннями тиском, а саме дифузійним зварюванням металів, і може знайти застосування в машинобудівній, авіакосмічній, приладобудівній галузях тощо. Відомо про спосіб підготовки заготівок для дифузійного зварювання різнорідних металів, при якому контактуючі поверхні, на яких зроблені виступи та западини, що чергуються, встановлені з кутовим зміщенням вершин виступів відносно один одного. (Патент РФ № 2243872. Заготовка для диффузионной сварки разнородных металлов, В.П. Гордо, В. Н. Елкин, МПК В23K20/14, опубл. 10.01. 2005 Бюл. №1). Вказаний спосіб не забезпечує високу якість зварювання по всій поверхні внаслідок складності забезпечення рівномірності пластичної деформації. Відомо про спосіб дифузійного зварювання, при якому у процесі підготовки деталей, що зварюються, на поверхні однієї з деталей, що з'єднуються, створюють стискаючі однорідні внутрішні напруження, а на поверхні іншої деталі, що з'єднується, створюють однакові розтягуючі внутрішні напруження (А.с. СССР № 1260145. Способ сварки разнородных материалов, П. К. Янышев, МПК В23K20/14, опубл. 30.09. 1986 Бюл. №36). В цьому способі дифузійного зварювання внаслідок ускладнення процесу механічної підготовки поверхонь, що з'єднуються, не забезпечується гарантована висока якість зварювання по всій поверхні. Найбільш близьким за технічною сутністю є спосіб дифузійного зварювання виробів, що мають полку та стінку, при якому на одній із з'єднуваних поверхонь роблять зону вільної деформації у вигляді макровиступів, а на іншій роблять виступ, нагрівають елементи, що з'єднуються, електронним променем малої потужності, здійснюють додатковий нагрів виступу до температури зварювання, підвищуючи потужність електронного променя, додають стискувальне зусилля, при якому макровиступи вдавлюються на 1,0-1,5 їх висоти у виступ, знижують стискувальне зусилля і здійснюють ізотермічну витримку (Патент РФ №2164462. Способ диффузионной сварки двух элементов, И. И. Столяров, В. А Рогожин, МПК В23K20/14, опубл. 27.03. 2001). Вказаний спосіб не забезпечує високу якість зварювання внаслідок складності забезпечення необхідного рівня стискувального зусилля по всій з'єднуваній поверхні, призводить до значних зварювальних деформацій, ускладнено процес механічної підготовки поверхонь, що з'єдну (19) UA (11) 93607 (13) C2 (21) a200907966 (22) 28.07.2009 (24) 25.02.2011 (46) 25.02.2011, Бюл.№ 4, 2011 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 (56) RU 2135337 C1; 27.08.1999 RU 2205732 C1; 10.06.2010 SU 1260145 A1; 30.09.1986 RU 2164462 C2; 27.03.2001 RU 2243872 C1; 10.01.2005 UA 8703 C2; 10.06.2009 3 ються, має вузьке коло можливого використання способу. В основу винаходу поставлено задачу удосконалення способу дифузійного зварювання матеріалів, у якому нова сукупність дій дозволила забезпечити високу якість зварювання за рахунок підготовки поверхні на рівні полірування, утворення нано- та субмікрокристалізаційної структури у зоні з'єднання та інтенсифікації термодеформаційних процесів. Вирішується задача тим, що у способі дифузійного зварювання металів, який включає в себе нагрів з'єднуваних деталей до температури зварювання, їх стиснення і витримку при заданих умовах зварювання, згідно з пропозицією попередньо з'єднувані поверхні обробляють високострумовим імпульсним електронним пучком. Електронний пучок має щільність енергії від 10 Дж/см2 до 35 Дж/см2 та тривалість імпульсу від 50 мкс до 150 мкс 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 20 мкм. 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: Фігура 1 - вигляд поверхні армко-заліза після обробки високострумовим імпульсним електронним пучком (х100); Фігура 2 - косий шліф мікроструктури поверхневого шару армко-заліза після обробки поверхонь високострумовим імпульсним електронним пучком (х320); Фігура 3 - вигляд поверхні сталі 12Х18Н10Т після обробки високострумовим імпульсним електронним пучком (х100); Фігура 4 - мікроструктура зварного з'єднання армко-заліза і сталі 12Х18Н10Т після обробки обох поверхонь високострумовим імпульсним електронним пучком (х400); Фігура 5 - мікроструктура зварного з'єднання армко-заліза і сталі 12Х18Н10Т, виготовленого за технологією аналогу (х400); Фігура 6 - вигляд поверхні сплаву ЧС-88 після 93607 4 обробки високострумовим імпульсним електронним пучком (х250); Фігура 7 - мікроструктура зварного з'єднання сплаву ЧС-88 після обробки обох поверхонь високострумовим імпульсним електронним пучком (х400); Фігура 8 - мікроструктура зварного з'єднання сплаву ЧС-88, виготовленого за технологією аналогу (х400); Здійснення способу дифузійного зварювання показано на наступних прикладах. Приклад перший. 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=20 Дж/см2, =100 мкс, кількість імпульсів n=5. Це забезпечило чистоту поверхні не гіршу ніж полірування (Rz=0,3 мкм) 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 10-2 Па нагрівали до температури Т1=1050 °С і стискували постійним зусиллям, яке забезпечує тиск Рзв=15,0 МПа. При даній температурі витримували деталі протягом 720 с, 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 В =390 МПа. 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=1520,0 МПа, час зварювання t=720-900 с. Механічні випробування зварних з'єднань показали, що границя міцності при розтягуванні склала В =230-310 МПа. Руйнування відбувалося по зварному 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 сплава ЧС-88. З'єднувані поверхні обробляли високострумовим імпульсним елект2 ронним пучком за режимом Es=25 Дж/см , =100 мкс, 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 10-2 Па нагрівали до температури Т1=1150 °С і стискували постійним зусиллям, яке забезпечує тиск 5 Рзв=25,0 МПа. При даній температурі витримували деталі протягом 720 с, 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 (В =820-880 МПа). Вивчення мікроструктури (Фіг.7) показало високу якість з'єднання, оскільки в зоні стика відбувається рекристалізація з утворенням спільних зерен. Для порівняння здійснювали зварювання за схемою прототипу при наступних параметрах: температура Т=1150 °С, стискувальне зусилля, що забезпечує тиск Рзв=25,0 МПа, час зварювання t=720 с. Механічні випробування зварних з'єднань показали, що границя міцності при розтягуванні склала 93607 6 В=670-700 МПа. 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 винаходу в порівнянні з відомим способом дозволяє підвищити якість з'єднань 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.Литвиненко 93607 8 Підписне Тираж 23 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