RU2164462C2

RU2164462C2 - Method of diffusion welding of two members

Info

Publication number: RU2164462C2
Application number: RU99107938A
Authority: RU
Inventors: И.И. Столяров; В.А. Рогожин
Original assignee: Открытое акционерное общество "Пермский моторный завод"
Priority date: 1999-04-13
Filing date: 1999-04-13
Publication date: 2001-03-27

Abstract

FIELD: diffusion welding; applicable in diffusion welding in vacuum of articles with flange and wall. SUBSTANCE: method includes formation of protrusion on one of welded surfaces. Thickness of the other member shall be equal to 0.4-0.7 of made protrusion thickness. Formed preliminarily on other member end face is zone of free deformation in the form of macroprotrusions. Welded surfaces are heated with low-power electronic beam. Then protrusion is additionally heated up to welding temperature by increasing power of electronic beam. Macroprotrusions are presented into protrusion through 1.0-1.5 of their height by applying definite force. The, compressing force is reduced. EFFECT: higher quality of obtained welded joints due to increase of contact area of welded surfaces and provided required geometry of welded unit. 3 cl, 3 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к диффузионной сварке в вакууме и может быть использовано во многих отраслях промышленности. The invention relates to diffusion welding in vacuum and can be used in many industries.

Известен способ изготовления диффузионной сваркой газотурбинных лопаток из двухфазных титановых сплавов, при котором перо и перпендикулярные ему полки и цапфу устанавливают с предварительным сжатием между ограничительными элементами оснастки, нагревают их до температуры ниже температуры полиморфного превращения свариваемого материала, сдавливают и осуществляют изотермическую выдержку, сжатие осуществляют упругим элементом, а нагрев осуществляют только зоны соединения (а.с. СССР N 1706811, B 23 K 20/14, 1990 г.). A known method of manufacturing diffusion welding of gas-turbine blades from two-phase titanium alloys, in which the pen and the shelves perpendicular to it and the trunnion is installed with preliminary compression between the restrictive elements of the snap, heat them to a temperature below the temperature of the polymorphic transformation of the material being welded, squeeze and carry out isothermal holding, the compression is carried out elastic element, and heating is carried out only by the connection zone (AS USSR N 1706811, B 23 K 20/14, 1990).

Недостатком известного способа является возможность появления дефектов в зоне сварного соединения и искажение геометрии сварного соединения. The disadvantage of this method is the possibility of defects in the weld zone and distortion of the geometry of the weld.

Наиболее близким по технической сущности является способ диффузионной сварки двух элементов, при котором на одной из свариваемых поверхностей выполняют выступ, узел сдавливают и нагревают, причем деформируемую часть стенки тавра выполняют толщиной, равной 0,8-0,95 ее толщины, а выступ выполняют на полке высотой 0,4-1,0 высоты деформируемой части стенки и шириной, равной толщине этой части (а.с. СССР N 1296342, B 23 K 20/14, 1985 г.). The closest in technical essence is the method of diffusion welding of two elements, in which a protrusion is performed on one of the surfaces to be welded, the assembly is squeezed and heated, and the deformable part of the brand wall is made with a thickness equal to 0.8-0.95 of its thickness, and the protrusion is performed on a shelf with a height of 0.4-1.0 of the height of the deformable part of the wall and a width equal to the thickness of this part (a.s. of the USSR N 1296342, B 23 K 20/14, 1985).

Задачей изобретения является повышение качества сварного соединения за счет увеличения фактической площади контакта свариваемых поверхностей и обеспечение геометрии свариваемого узла. The objective of the invention is to improve the quality of the welded joint by increasing the actual contact area of the welded surfaces and ensuring the geometry of the welded assembly.

Технический результат достигается за счет того, что при диффузионной сварке двух элементов, при которой на одной из свариваемых поверхностей выполняют выступ, узел сдавливают и нагревают, толщину второго свариваемого элемента выполняют толщиной, равной 0,4-0,7 толщины выступа, на торце второго свариваемого элемента предварительно выполняют зону свободной деформации в виде макровыступов, свариваемые поверхности обрабатывают электронным лучом малой мощности, затем увеличивают мощность электронного луча и нагревают выступ до температуры сварки, макровыступы вдавливают на 1,0-1,5 их высоты в выступ, сдавливающее усилие снижают и осуществляют изотермическую выдержку. The technical result is achieved due to the fact that during diffusion welding of two elements, in which a protrusion is performed on one of the surfaces to be welded, the assembly is pressed and heated, the thickness of the second element to be welded is made with a thickness equal to 0.4-0.7 of the thickness of the protrusion, at the end of the second the element to be welded preliminarily performs the free deformation zone in the form of macroprotrusions, the surfaces to be welded are treated with a low-power electron beam, then the power of the electron beam is increased and the protrusion is heated to a temperature welding, macroprotrusions are pressed by 1.0-1.5 of their height into the protrusion, the compressive force is reduced and isothermal exposure is carried out.

Сдавливающее усилие в режиме сверхпластичности снижают до 0,033-0,065 первоначального давления. The compressive force in the superplasticity mode is reduced to 0.033-0.065 of the initial pressure.

Соотношение ширины макровыступа к его высоте составляет (1-3):1. The ratio of the width of the macroprotrusion to its height is (1-3): 1.

Известно выполнение на свариваемых деталях зоны свободной деформации, которая позволяет приконтактным объемам металла деформироваться, не оказывая влияния на соседние обработанные поверхности. Отношение основания зоны к высоте составляет 1:10. Обычно стремятся обеспечить максимальную фактическую площадь контакта свариваемых поверхностей, которые не обладают ювенильной поверхностью и имеют микронеровности. (Диффузионная сварка материалов. Справочник, под редакцией Н.Ф.Казакова, М., Машиностроение, 1981, с. 198-200, рис. 6, 7, с. 52). It is known to perform a free deformation zone on the parts to be welded, which allows contact metal volumes to deform without affecting adjacent machined surfaces. The ratio of the base of the zone to the height is 1:10. Usually they strive to provide the maximum actual contact area of the welded surfaces that do not have a juvenile surface and have microroughnesses. (Diffusion welding of materials. Reference, edited by N.F. Kazakova, M., Mechanical Engineering, 1981, p. 198-200, Fig. 6, 7, p. 52).

Известен способ диффузионной сварки, по которому на торцах свариваемых деталей выполняют макровыступы в виде конуса, детали сдавливают и нагревают. Отношение основания к высоте макровыступа составляет (16-20):1. Основным условием является соосное расположение вершин макровыступов (а.с. СССР 1181829, B 23 K 20/14, 1984). Теоретически при контакте элементарный микровыступ, который представляет собой прямой круговой конус, в процессе деформации преобразуется в прямой усеченный конус. В зоне контакта микровыступов возможно образование дефектов (Э.С. Каракозов, Соединение металлов в твердой фазе, М., Металлургия, 1979, с. 45, 76-78, 206-210). A known method of diffusion welding, in which at the ends of the parts to be welded, macroprotrusions are made in the form of a cone, the parts are squeezed and heated. The ratio of the base to the height of the macroprotrusion is (16-20): 1. The main condition is the coaxial arrangement of the peaks of the macroprotrusions (AS USSR 1181829, B 23 K 20/14, 1984). Theoretically, upon contact, an elementary microprotrusion, which is a straight circular cone, is transformed into a straight truncated cone during deformation. In the contact zone of microprotrusions, the formation of defects is possible (E.S. Karakozov, Compound of metals in the solid phase, M., Metallurgy, 1979, p. 45, 76-78, 206-210).

В предлагаемом техническом решении зона свободной деформации выполнена в виде макровыступов на одной из свариваемых поверхностей. Отношение основания макровыступа к высоте составляет (1-3): 1. Это позволяет на первом этапе сварки уменьшить фактическую площадь контакта свариваемых поверхностей и обеспечить пластическую деформацию нагретым приконтактным объемам металла. Приконтактные объемы металла заполняют объемы между макровыступами, при этом увеличивается фактическая площадь контакта свариваемых поверхностей. Оставшиеся микропустоты будут "зарастать" в процессе взаимной диффузии. In the proposed technical solution, the free deformation zone is made in the form of macroprotrusions on one of the surfaces to be welded. The ratio of the base of the macroprotrusion to the height is (1-3): 1. This allows, at the first stage of welding, to reduce the actual contact area of the surfaces to be welded and to provide plastic deformation to heated near-contact volumes of metal. The contact volumes of metal fill the volumes between macroprotrusions, while the actual contact area of the surfaces to be welded increases. The remaining microvoids will "overgrow" in the process of mutual diffusion.

Известно, что невысоким нагревом можно освободить поверхность от адсорбированных слоев воды. Сильным нагревом в защитных средах можно испарить окисные пленки (Диффузионная сварка материалов. Справочник, под редакцией Н. Ф.Казакова, М., Машиностроение, 1981, с. 27). It is known that low heat can free the surface of adsorbed layers of water. Strong heating in protective environments can evaporate oxide films (Diffusion welding of materials. Handbook, edited by N. F. Kazakova, M., Mechanical Engineering, 1981, p. 27).

В предлагаемом техническом решении перед сваркой зону стыка обрабатывают электронным лучом малой мощности, нагревая сварной узел до температуры, исключающей пластическое деформирование зоны стыка при заданном усилии сжатия. Данный процесс позволяет очистить зону стыка для сварки. Выполнение зоны свободной деформации в виде макровыступов позволяет обеспечить доступ электронного луча ко всей свариваемой поверхности, очищая и активизируя ее. In the proposed technical solution, before welding, the joint zone is treated with a low-power electron beam, heating the welded assembly to a temperature that excludes plastic deformation of the joint zone for a given compression force. This process allows you to clean the joint area for welding. The implementation of the free deformation zone in the form of macroprotrusions makes it possible to provide access of the electron beam to the entire surface to be welded, cleaning and activating it.

При диффузионной сварке осуществляют нагрев свариваемых деталей (Н.Ф.Казаков, Диффузионная сварка в вакууме, М. Машиностроение, 1968, с. 87-97; патент РФ N 1202170, B 23 K 20/14, 1984) или зоны стыка (Н.Ф.Казаков, Диффузионная сварка в вакууме, М., Машиностроение, 1968, с. 98-99, рис. 37; а.с. СССР N 1706811, B 23 K 20/14, 1990). При контакте элементарный микровыступ, который представляет собой прямой круговой конус, в процессе деформации преобразуется в прямой усеченный конус. Оставшиеся микропустоты будут "зарастать" в процессе взаимной диффузии (Э.С.Каракозов, Соединение металлов в твердой фазе, М., Металлургия, 1979, с. 45, 76-78). Величина вдавливания микровыступов не контролируется. During diffusion welding, the parts to be welded are heated (N.F. Kazakov, Diffusion welding in vacuum, M. Mechanical Engineering, 1968, pp. 87-97; RF patent N 1202170, B 23 K 20/14, 1984) or the joint zone (N .F.Kazakov, Diffusion welding in vacuum, Moscow, Mashinostroenie, 1968, pp. 98-99, Fig. 37; AS USSR N 1706811, B 23 K 20/14, 1990). Upon contact, an elementary microprotrusion, which is a straight circular cone, is transformed into a straight truncated cone during deformation. The remaining microvoids will “overgrow” in the process of mutual diffusion (E.S. Karakozov, Compound of metals in the solid phase, M., Metallurgy, 1979, pp. 45, 76-78). The magnitude of the indentation of the microprotrusion is not controlled.

В предлагаемом техническом решении нагревают только одну из свариваемых деталей, вторая остается "холодной". Вдавливание макровыступов на 1,0-1,5 их высоты позволяет контролировать (гарантировать) максимальную фактическую площадь контакта. Удельное давление при вдавливании "холодной" стенки в полку обеспечивает пластическое деформирование приконтактных объемов металла. Макровыступы нагреваются, деформируются и микропустоты сварного шва почти исчезают. После вдавливания макровыступов сдавливающее усилие снижают и дальнейший процесс пластической деформации в контактной зоне проходит в режиме сверхпластичности. Данный прием позволяет исключить нагрев более тонкой стенки и потерю геометрии сварного соединения. In the proposed technical solution, only one of the parts to be welded is heated, the second remains “cold”. Indenting macroprotrusions at 1.0-1.5 of their heights allows you to control (guarantee) the maximum actual contact area. The specific pressure when pushing the "cold" wall into the shelf provides plastic deformation of the contact volumes of the metal. Macroprotrusions heat up, deform, and microvoids of the weld almost disappear. After pressing the macroprotrusions, the compressive force is reduced and the further process of plastic deformation in the contact zone takes place in the superplasticity mode. This technique eliminates the heating of a thinner wall and the loss of weld geometry.

Обычно площади свариваемых поверхностей равны. (а.с. СССР N 1077734, B 23 K 20/14, 1983; патент РФ N 1202170 B 23 K 20/14, 1984; а.с. СССР 1296342, B 23 K 20/14, 1985; а.с. СССР 1708611, B 23 K 20/14, 1990). Usually the areas of surfaces to be welded are equal. (USSR AS N 1077734, B 23 K 20/14, 1983; RF patent N 1202170 B 23 K 20/14, 1984; USSR AS 1296342, B 23 K 20/14, 1985; AS . USSR 1708611, B 23 K 20/14, 1990).

В предлагаемом техническом решении толщину стенки выбирают равной 0,4-0,7 толщины выступа. При таком соотношении толщин свариваемых деталей обеспечивается качественная геометрия сварного соединения. In the proposed technical solution, the wall thickness is chosen equal to 0.4-0.7 of the thickness of the protrusion. With this ratio of the thicknesses of the parts to be welded, high-quality geometry of the welded joint is ensured.

На фиг. 1 - принципиальная схема реализации способа диффузионной сварки двух элементов;
на фиг. 2 - вид А на фиг. 1;
на фиг. 3 - макрошлиф зоны сварки, 10^x.In FIG. 1 is a schematic diagram of the implementation of the method of diffusion welding of two elements;
in FIG. 2 is a view A in FIG. 1;
in FIG. 3 - macro section of the welding zone, 10 ^x .

Способ диффузионной сварки двух элементов реализуется следующим образом. The diffusion welding method of two elements is implemented as follows.

Заготовка содержит полку 1 с выступом 2 и стенку 3. На торце стенки 3 предварительно выполняют зону свободной деформации в виде макровыступов 4 высотой h. Сборку полки 1 и стенки 3 производят в оснастке 5 в вакуумной камере. Макровыступы 4 прижимают к выступу 2. The blank comprises a shelf 1 with a protrusion 2 and a wall 3. At the end of the wall 3, a free deformation zone is preliminarily made in the form of macroprotrusions 4 of height h. The assembly of the shelf 1 and the wall 3 is carried out in a snap 5 in a vacuum chamber. Macroprotrusions 4 are pressed against the protrusion 2.

Для очистки сварного узла от загрязнений и адсорбированных на них газов стык полки 1 и стенки 3 обрабатывают электронным лучом. To clean the welded assembly from contaminants and gases adsorbed on them, the joint of the shelf 1 and wall 3 is treated with an electron beam.

После очистки сварного узла от загрязнений и адсорбированных на них газов увеличивают мощность электронного луча и нагревают выступ 2 до температуры сварки. В нагретый выступ 2 вдавливают "холодные" макровыступы 4 на 1,0-1,5 h. Удельное давление при вдавливании "холодной" стенки 3 в полку 2 обеспечивает пластическое деформирование приконтактных объемов метала. Соотношение ширины макровыступа 4 к его высоте составляет (1-3):1, что обеспечивает заполнение свободного пространства между макровыступами 4 нагретым приконтактным объемом металла. After cleaning the welded assembly from contaminants and gases adsorbed on them, the electron beam power is increased and the protrusion 2 is heated to a welding temperature. “Cold” macroprotrusions 4 are pressed into heated protrusion 2 for 1.0-1.5 h. The specific pressure when pushing the "cold" wall 3 into the shelf 2 provides plastic deformation of the contact volumes of metal. The ratio of the width of the macroprotrusion 4 to its height is (1-3): 1, which ensures the filling of the free space between the macroprotrusions 4 with a heated contact volume of the metal.

Первый цикл сварки завершен. The first welding cycle is completed.

После вдавливания макровыступов 4 в выступ 2 на 1,0-1,5 h усилие давления снижают до 0,033-0,065 первоначального давления. Макровыступы 4 при вдавливании в разогретый выступ нагреваются, и происходит совместная деформация зоны соединения в режиме сверхпластичности. Производят изотермическую выдержку. After pressing the macroprotrusions 4 into the protrusion 2 by 1.0-1.5 h, the pressure force is reduced to 0.033-0.065 of the initial pressure. Macroprotrusions 4, when pressed into a heated protrusion, are heated, and joint deformation of the joint zone occurs in the superplasticity mode. Produce isothermal exposure.

Пример конкретного выполнения. Сваривают детали из сплава ВТ8М. Толщина стенки равна 0,5 толщины выступа. На торце стенки выполнены макровыступы высотой 0,5 мм. Стенку прижимают к полке с усилием 430 кг. Место контакта обрабатывают электронным лучом в течение 15-30 с, не допуская нагрева стенки с макровыступами и полки выше 250-300^oC. Затем электронным лучом нагревают выступ до температуры 850-900^oC. В выступ вдавливают торец стенки, после чего сдавливающее усилие снижают до 35 кг и осуществляют выдержку при температуре сварки в течение 10 минут.An example of a specific implementation. Weld parts from VT8M alloy. The wall thickness is equal to 0.5 of the thickness of the protrusion. Macroprotrusions 0.5 mm high are made at the end of the wall. The wall is pressed against the shelf with a force of 430 kg. The contact point is treated with an electron beam for 15-30 s, preventing the wall with macroprotrusions and shelves from heating above 250-300 ^o C. Then the electron beam is heated to a temperature of 850-900 ^o C. The wall end is pressed into the protrusion, followed by a compressive force reduce to 35 kg and carry out exposure at a welding temperature for 10 minutes.

Сравнительные характеристики вариантов диффузионной сварки приведены в таблице. Comparative characteristics of diffusion welding options are given in the table.

Claims

1. The method of diffusion welding of two elements, in which a protrusion is performed on the surface to be welded on one of the elements, a compressive force is applied to the elements, heated and isothermal exposure is carried out, characterized in that the second element is used with a thickness equal to 0.4 - 0.7 of the thickness of the protrusion , a free deformation zone is preliminarily formed at its end in the form of macroprotrusions, the surfaces to be welded are heated by processing with a low-power electron beam, then the protrusion is additionally heated to welding temperature by increasing the power of the electron beam, while applying a force to the elements, the macroprotrusions press 1.0 to 1.5 of their height into the protrusion, and then the compressive force is reduced.

2. The method according to claim 1, characterized in that the compressive force is reduced to 0.033-0.065 from the initial pressure.

3. The method according to claim 1, characterized in that the ratio of the width of the macroprotrusion and its height is (1 - 3): 1.