способ диффузионной сварки тугоплавкого 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.

Описание изобретения к патенту

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.