способ диффузионной сварки заготовок из титанового сплава от4-1

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к сварке давлением, а именно к диффузионной сварке с низкоинтенсивным силовым воздействием, и может быть использовано для изготовления тонкостенных конструкций из титанового сплава ОТ4-1.

Процесс образования диффузионного соединения в условиях с низкоинтенсивным силовым воздействием титановых сплавов лимитируется стадией формирования физического контакта, в процессе которого происходит сближение свариваемых поверхностей. Формирование физического контакта сопровождается смятием микронеровностей на соединяемых поверхностях и образованием несплошностей. Для дальнейшего развития контакта требуются большие деформации, приводящие к накоплению остаточных деформаций свариваемыми заготовками.

Снижение накопленной деформации свариваемых заготовок является одним из факторов, определяющих качество и эксплутационные свойства сварного соединения.

Повысить качество и эксплутационные свойства сварного соединения возможно, управляя процессами приложения давления (Каракозов Э.С. Сварка металлов давлением. - М.: Машиностроение, 1986, 280 с.).

Наиболее близким к заявляемому способу является способ сварки давлением заготовок из титанового сплава ОТ4-1, включающий размещение между заготовками промежуточной прокладки из титанового сплава с исходным размером зерен менее 1 мкм и соединение заготовок и прокладки путем приложения давления к заготовкам. Соединение заготовок и прокладки осуществляют за два этапа. На первом этапе давление прикладывают при температуре ниже температуры второго этапа и близкой к нижней границе температурного интервала, обеспечивающего соответствующую условиям сверхпластичности скорость деформации, в течение времени, достаточного для образования физического контакта между соединяемыми поверхностями заготовок и прокладки. Второй этап проводят при температуре и времени, необходимыми для развития объемного взаимодействия (описание к патенту RU 2415738 МПК B23K 20/16 (2006.01) B23K 20/22 (2006.01), опубликовано 10.04.2011).

В известном способе процессы образования физического контакта и развитие объемного взаимодействия между соединяемыми поверхностями заготовок и прокладки сопровождается контактным упрочнением последней, которое является следствием приложения давления и трения.

Кроме того, получение промежуточной прокладки с размером зерен менее 1 мкм термодеформационной обработкой операция энергоемкая и трудоемкая.

Задача изобретения - упрощение технологии получения и повышение качества сварного соединения в изготавливаемых титановых тонкостенных сварных конструкциях.

Технический результат - снижение накопленной деформации в свариваемых заготовках и снижение энергоемкости и трудоемкости изготовления.

Технический результат достигается в заявленном способе диффузионной сварки заготовок из титановых сплавов. Способ включает нагрев до температуры сварки, соединение заготовок в два этапа в течение времени, достаточного для образования физического контакта между соединяемыми поверхностями заготовок на первом этапе с приложением сварочного давления и для развития объемного взаимодействия на втором этапе без приложения сварочного давления. При этом на первом этапе нагрев осуществляют в интервале температуры α+β→β превращения и в течение времени τ_св, которое определяют из условия:

τ_св=k·p^-n·exp(E/RT)·lnR_a, где

k - эмпирический коэффициент, характеризующий кинетику развития площади физического контакта между соединяемыми поверхностями заготовок, равный 1,75·10^-7 сек;

р - численное значение сварочного давления, измеренного в МПа;

n - эмпирический коэффициент, характеризующий ползучесть материала заготовки, равный 1,2;

Е - энергия активации, Дж/моль;

R - газовая постоянная, Дж/(K·моль);

Т - температура нагрева, K;

R_a - численное значение шероховатости свариваемых поверхностей, измеренное в мкм.

Зависимость установлена из условия сближения на первом этапе свариваемых поверхностей на расстояние, соизмеримое с высотой деформационных рельефов, образующихся под действием собственных (внутренних) напряжений. Выбранное время при выбранной температуре нагрева обеспечивает создание в контактном зазоре центров (очагов), вокруг которых развиваются процессы, протекающие при спекании металлов. Контактные несплошности, образованные в результате смятия микровыступов, в результате развития деформационных рельефов под действием внутренних напряжений разделяются на более мелкие, которые соизмеримы с высотой субструктурного рельефа и залечиваются за счет вязкого течения вещества матрицы в пору без приложения давления на втором этапе сварки.

Пример осуществления способа. Сваривали цилиндрические образцы высотой 30 мм и диаметром 16 мм из сплава ОТ4, у которых шероховатость свариваемых поверхность определена равной R_a=10 мкм.

Процесс диффузионной сварки ведут в два этапа по режиму:

1 этап - нагрев до температуры сварки Т=950°C, сварочное давление р=2 МПа поддерживают в течение времени τ_св, рассчитанного по зависимости τ_св=k·p^-n·exp(E/RT)·lnR_a., принимая для вычислений расчетное значение коэффициентов k=1,75·10^-7 сек и n=1,2, также значения Е=230000 Дж/моль, R=8,3 Дж/(K·моль) и Т=1223 K.

Рассчитывают значения коэффициентов k и n путем изучения закономерностей высокотемпературной деформации для конкретного титанового сплава при сжатии по известной методике, описанной в кн. Диффузионная сварка титана авт.: Э.С. Каракозов, Л.М. Орлова, В.В. Пешков, В.И. Григорьевский, «Металлургия», 1977, с.42-47. Для каждого конкретного титанового сплава эмпирические коэффициенты k и n соответствуют аппроксимирующим коэффициентам уравнения изменения скорости ползучести вида $${\epsilon }^{\prime }=k\cdot p^n\cdot \exp (E/RT)$$ .

Согласно численному расчету время выдержки 20 минут.

τ_св=1,75·10^-7-2^-1,2·ехр(230000/(8,3·1223)·ln 10≈1198 сек≈20 минут

2 этап - сварочное давление снимают, нагрев при температуре сварки продолжают в течение 40 минут - времени, необходимого для образования сварного соединения.

Способ диффузионной сварки заготовок из титанового сплава ОТ4-1, включающий нагрев до температуры сварки, соединение заготовок в два этапа в течение времени, достаточного для образования физического контакта между соединяемыми поверхностями заготовок на первом этапе с приложением сварочного давления и для развития объемного взаимодействия на втором этапе без приложения сварочного давления, отличающийся тем, что на первом этапе нагрев осуществляют в интервале температуры α+β→β превращения и в течение времени τ_св, которое определяют из условия: τ_св=k·р^-n·exp(E/RT)·lnR_a, где
k - эмпирический коэффициент, характеризующий кинетику развития площади физического контакта между соединяемыми поверхностями заготовок, равный 1,75-10^-7 с;
р - численное значение сварочного давления, измеренного в МПа;
n - эмпирический коэффициент, характеризующий ползучесть материала заготовки, равный 1,2;
Е - энергия активации, Дж/моль;
R - газовая постоянная, Дж/(К·моль);
Т - температура нагрева, К;
R_a - численное значение шероховатости свариваемых поверхностей, измеренное в мкм.