RU2184018C1

RU2184018C1 - Diffusion welding method

Info

Publication number: RU2184018C1
Application number: RU2000132839A
Authority: RU
Inventors: А.В. Люшинский; Г.И. Джанджгава; А.А. Ефанов
Original assignee: ОАО "Раменское приборостроительное конструкторское бюро"
Priority date: 2000-12-28
Filing date: 2000-12-28
Publication date: 2002-06-27

Abstract

FIELD: solid phase welding of precision parts of different type materials. SUBSTANCE: method comprises steps of placing between welded surfaces of joined parts intermediate gasket in the form of porous belt with thickness (50-75) micrometers and porosity (50-60)% prepared by rolling. Such belt includes ultrafine high-active metal powder or mixture of ultrafine high active powders of metals obtained by thermal decomposition of organic metal salt or mixture of metal salts. Said gasket is made at normalizing roughness of its surface in depending upon surface roughness of welded materials. EFFECT: enhanced intensity of welding process, improved strength properties of welded joints. 2 cl, 2 dwg, 1 ex

Description

Изобретение относится к сварке давлением в твердой фазе и может быть использовано для изготовления прецизионных узлов, состоящих из разнородных материалов, во многих отраслях промышленности, в частности в точном машиностроении и приборостроении. The invention relates to pressure welding in the solid phase and can be used for the manufacture of precision units consisting of dissimilar materials in many industries, in particular in precision engineering and instrument making.

Известен способ диффузионной сварки (Казаков Н.Ф. Диффузионная сварка материалов. М.: Машиностроение, 1976, с.202), при котором при соединении разнородных материалов для снижения основных параметров сварки - температура, давление, время выдержки - между свариваемыми поверхностями размещают промежуточную прокладку из ультрадисперсных порошков металлов. Такой вид промежуточной прокладки по сравнению с широко применяемыми прокладками (фольга, проволока, гальванические или напыленные слои) позволяет, наряду с пониженным термодеформационным воздействием на свариваемые материалы, получать соединения с прочностью σ_в не менее 100 МПа.A known method of diffusion welding (Kazakov NF Diffusion welding of materials. M: Mashinostroenie, 1976, p.202), in which when connecting dissimilar materials to reduce the main welding parameters - temperature, pressure, holding time - an intermediate is placed between the surfaces to be welded laying of ultrafine metal powders. This type of intermediate gasket in comparison with widely used gaskets (foil, wire, galvanic or sprayed layers) allows, along with a reduced thermal deformation effect on the materials to be welded, to obtain joints with a strength σ of _at least 100 MPa.

Основной недостаток данной технологии - трудоемкость нанесения равномерного по толщине и плотности порошкового слоя на свариваемые поверхности, особенно в миниатюрных деталях, имеющих разветвленные поверхности. The main disadvantage of this technology is the complexity of applying a powder layer uniform in thickness and density on the surfaces to be welded, especially in miniature parts having branched surfaces.

Наиболее близким к предлагаемому является способ диффузионной сварки по а.с. 1418019, В 23 К 20/16, в соответствии с которым между свариваемыми поверхностями соединяемых деталей располагают промежуточную прокладку из компактного пластичного материала, у которой на каждую из сторон предварительно прокаткой наносят материал, из которого в процессе нагрева образуются ультрадисперсные порошки. Детали сдавливают, нагревают и осуществляют изотермическую выдержку. Closest to the proposed is a method of diffusion welding by A. with. 1418019, B 23 K 20/16, according to which an intermediate gasket of compact plastic material is placed between the surfaces to be welded to be joined, in which a material is deposited on each side by preliminary rolling, from which ultrafine powders are formed during heating. The details are squeezed, heated and isothermal.

Недостатки способа-прототипа:
- в составе прокладки присутствует компактный материал, не всегда являющийся необходимым элементом при сварке прецизионных узлов;
- имеются производственно-технологические трудности по созданию такой трехслойной прокладки с необходимыми толщиной, пористостью, шероховатостью поверхности;
- в процессе нагрева при образовании ультрадисперсных порошков происходит обильное газовыделение с образованием закрытых пор, которые являются дефектами сварного шва, приводящими к снижению прочностных характеристик соединений.The disadvantages of the prototype method:
- the gasket contains a compact material, which is not always a necessary element when welding precision assemblies;
- there are production and technological difficulties in creating such a three-layer gasket with the necessary thickness, porosity, and surface roughness;
- during heating during the formation of ultrafine powders, abundant gas evolution occurs with the formation of closed pores, which are defects in the weld, leading to a decrease in the strength characteristics of the joints.

Техническим результатом изобретения является повышение прочностных характеристик сварного соединения и интенсификация процесса сварки. The technical result of the invention is to increase the strength characteristics of the welded joint and the intensification of the welding process.

Поставленная техническая задача решается путем применения промежуточной прокладки в виде ленты, полученной прокаткой ультрадисперсного высокоактивного порошка металла или смеси ультрадисперсных высокоактивных порошков металлов, которые предварительно получают термическим разложением органической соли металла или смесей солей металлов. При этом лента после прокатки имеет толщину τ = 50-75 мкм и пористость θ = 50-60%. The stated technical problem is solved by using an intermediate strip in the form of a tape obtained by rolling an ultrafine highly active metal powder or a mixture of ultrafine highly active metal powders, which are preliminarily obtained by thermal decomposition of an organic metal salt or mixtures of metal salts. In this case, the strip after rolling has a thickness τ = 50-75 μm and porosity θ = 50-60%.

Указанный диапазон толщины и пористости выбран не эмпирически. Из теории и практики сварочного производства известно влияние ряда свойств промежуточных слоев (толщина, пористость, деформационная способность, чистота поверхности и др.) на прочность сварных соединений. Нами экспериментально установлены зависимости прочности сварных швов, полученных сваркой через пористую прокатанную ленту на основе ультрадисперсных порошков никеля, меди, кобальта и их двойных смесей от толщины τ и пористости θ прокатанной ленты. Как показано на фиг.1 и 2, зависимости σ_в(τ) и σ_в(θ) носят экстремальный характер и максимумы σ_в соответствуют указанным диапазонам толщины и пористости (1, 2, 3, 4 - скорости прокатки порошков. В данной заявке роль скорости прокатки не рассматривается).The indicated range of thickness and porosity is not selected empirically. From the theory and practice of welding production, the influence of a number of properties of the intermediate layers (thickness, porosity, deformation ability, surface cleanliness, etc.) on the strength of welded joints is known. We experimentally established the dependences of the strength of welds obtained by welding through a porous rolled strip based on ultrafine powders of nickel, copper, cobalt and their double mixtures on the thickness τ and porosity θ of the rolled strip. As shown in figures 1 and 2, the dependences of σ _in (τ) and σ _in (θ) are extreme and the maxima of σ _in correspond to the indicated ranges of thickness and porosity (1, 2, 3, 4 are the rolling speeds of the powders. In this application the role of rolling speed is not considered).

Параметры режимов диффузионной сварки через промежуточные прокладки в большинстве случаев не учитывают влияние шероховатости поверхности прокладки на кинетику формирования сварного соединения, а учет влияния соотношения шероховатостей поверхностей прокладки и свариваемых материалов вообще не производится. The parameters of the modes of diffusion welding through intermediate gaskets in most cases do not take into account the influence of the roughness of the surface of the gasket on the kinetics of the formation of the welded joint, and no account is taken of the effect of the ratio of the roughnesses of the surfaces of the gasket and the materials being welded.

При сварке через промежуточные прокладки в виде пористых лент качество сварного соединения определяется процессами спекания, протекающими в самой прокладке, а также процессами припекания прокладки к свариваемым поверхностям. Чем больше активных центров на поверхности ленты, которые способствуют образованию соединения, тем быстрее и качественнее происходит образование соединения. Такими активными центрами на поверхности прокладки могут быть дефекты частиц ультрадисперсных порошков, заложенные в процессе его получения, но не ликвидированные в процессе прокатки в ленту. When welding through intermediate gaskets in the form of porous tapes, the quality of the welded joint is determined by the sintering processes that occur in the gasket itself, as well as by the processes of sintering the gasket to the surfaces to be welded. The more active centers on the surface of the tape that contribute to the formation of the compound, the faster and better the formation of the compound. Such active centers on the surface of the gasket may be defects of particles of ultrafine powders embedded in the process of its preparation, but not eliminated during the rolling process in the tape.

Интенсифицировать процесс образования соединения предлагается за счет того, что сварку осуществляют при соотношении высот неровностей профиля поверхностей промежуточной прокладки и свариваемых материалов
1,0<R_a ^пр/R_a ^см<100,0,
где R_a ^пр - высота неровностей профиля поверхности промежуточной прокладки, мкм;
R_a ^см - высота неровностей профиля поверхности свариваемых материалов, мкм.It is proposed to intensify the process of joint formation due to the fact that welding is carried out at a ratio of the heights of the surface irregularities of the intermediate strip and the materials being welded
1.0 <R _a ^pr / R _a ^cm <100.0,
where R _a ^CR - the height of the irregularities of the surface profile of the intermediate strip, microns;
R _a ^cm - the height of the surface roughness of the surface of the welded materials, microns.

Как правило, R_a ^см изменяется в пределах от 0,02-0,01 до 2,5-1,25 мкм, в то время как R_a ^пр не хуже 2,5-1,25 мкм.Typically, R _a ^see ranges from up to 0,02-0,01 2,5-1,25 mm, while R _a ^straight no worse 2,5-1,25 mm.

Чем шероховатее поверхность у прокатанной ленты, тем больше сохранилось дефектов у частиц ультрадисперсного порошка. Следовательно, тем интенсивнее будут возникать активные центры взаимодействия и формирование соединений. The rougher the surface of the rolled strip, the more defects are retained in the particles of the ultrafine powder. Consequently, the more intense will be the active centers of interaction and the formation of compounds.

При R_a ^пр/R_a ^см<1,0 - например, 0,9, в прокладке минимум дефектов, процесс формирования сварного соединения происходит медленно. В плоскости контакта (граница раздела) стабилизируется межзеренная граница. Для повышения прочности необходим дополнительный отжиг, обеспечивающий миграцию границы раздела. Кроме того, при таких значениях R_a ^пр/R_a ^см возникают дефекты в прокладке (сварном шве) в результате ее растрескивания при деформации значительными микровыступами поверхностей соединяемых материалов.When R _a ^pr / R _a ^cm <1.0 - for example, 0.9, in laying a minimum of defects, the process of forming a welded joint is slow. In the contact plane (interface), the grain boundary is stabilized. To increase the strength, additional annealing is required to ensure the migration of the interface. In addition, with such values of R _a ^pr / R _a ^cm , defects arise in the gasket (weld) as a result of cracking during deformation by significant microprotrusions of the surfaces of the materials being joined.

При R_a ^пр/R_a ^см>100 (например, 110) вследствие значительной шероховатости прокладки в зоне соединения остается множество несплошностей. Для их залечивания необходимо длительное время выдержки при температуре сварки. Это снижает интенсивность формирования прочного соединения, хотя на участках схватывания по мере деформации микровыступов обеспечивается требуемая механическая прочность.When R _a ^pr / R _a ^cm > 100 (for example, 110) due to the significant roughness of the gasket in the joint zone, many discontinuities remain. For their healing, a long exposure time at the welding temperature is necessary. This reduces the intensity of formation of a durable joint, although the required mechanical strength is provided in the setting areas as the microprotrusions deform.

Способ осуществляется следующим образом. The method is as follows.

Ультрадисперсный порошок металла, полученный термическим разложением формиата никеля, прокатывают в ленту на специальном прокатном стане. Далее из ленты высекают пуансоном промежуточные прокладки необходимой формы (круглые, квадратные и др.). Свариваемые поверхности деталей протирают (обезжиривают) батистовой салфеткой, смоченной в спирто-бензиновой смеси. Детали собирают в приспособление, поместив промежуточную прокладку между свариваемыми поверхностями. Приспособление помещают в вакуумную камеру сварочной установки, вакуумируют и проводят режим сварки по выбранным параметрам. После проведения режима детали охлаждают, производят напуск воздуха в камеру, детали извлекают из приспособления, контролируют качество полученного соединения. The ultrafine metal powder obtained by thermal decomposition of nickel formate is rolled into a strip on a special rolling mill. Next, intermediate gaskets of the required shape (round, square, etc.) are carved from the tape with a punch. The surfaces to be welded are wiped (degreased) with a cambric napkin dipped in an alcohol-gasoline mixture. Parts are assembled into the fixture by placing an intermediate gasket between the surfaces to be welded. The fixture is placed in the vacuum chamber of the welding installation, vacuum and carry out the welding mode according to the selected parameters. After the regime, the parts are cooled, air is let into the chamber, the parts are removed from the device, and the quality of the obtained compound is monitored.

Пример конкретного выполнения способа. An example of a specific implementation of the method.

Производили сварку деталей из армко-железа. Промежуточные прокладки - пористые ленты, полученные прокаткой ультрадисперсного порошка никеля, предварительно произведенного из формиата никеля Ni(COOH)₂•2H₂O термическим разложением. Переменные параметры: толщина, пористость, соотношения высот неровностей профиля поверхностей прокладки и свариваемых материалов.Welded parts made of armco iron. Intermediate gaskets - porous tapes obtained by rolling an ultrafine nickel powder preliminarily produced from nickel formate Ni (COOH) ₂ • 2H ₂ O by thermal decomposition. Variable parameters: thickness, porosity, the ratio of the heights of the irregularities in the profile of the surfaces of the gasket and the materials being welded.

Параметры режима сварки: Т=550^oС, Р=20 МПа, t=30 мин.Welding mode parameters: T = 550 ^o C, P = 20 MPa, t = 30 min.

Результаты по исследованию влияния толщины и пористости ленты на прочность сварного соединения представлены на фиг.1 и 2, а влияния соотношения высот неровностей профиля поверхностей прокладки и свариваемых материалов:
R_а ^пр/R_а ^см - 0,9; 1,0; 20; 50; 100; 110.The results of the study of the influence of the thickness and porosity of the tape on the strength of the welded joint are presented in figures 1 and 2, and the influence of the ratio of the heights of the roughnesses of the profile of the surfaces of the strip and the materials being welded:
R _a ^pr / R _a ^cm - 0.9; 1.0; 20; fifty; 100; 110.

- 0,73; 0,80; 0,92; 0,85; 0,89; 0,6.

- 0.73; 0.80; 0.92; 0.85; 0.89; 0.6.

Таким образом, заявляемый способ диффузионной сварки позволяет интенсифицировать процесс образования сварного соединения и повысить прочностные характеристики сварных соединений. Thus, the claimed method of diffusion welding allows you to intensify the process of formation of a welded joint and to increase the strength characteristics of welded joints.

Claims

1. The method of diffusion welding, in which between the surfaces of the parts to be joined are placed an intermediate strip in the form of a strip obtained by rolling, containing ultrafine highly active metal powder or a mixture of ultrafine highly active metal powders, which are obtained by thermal decomposition of an organic metal salt or a mixture of metal salts, characterized in that the intermediate gasket is made in the form of a porous tape with a thickness of 50-75 microns and a porosity of 50-60%.

2. The method according to p. 1, characterized in that the gasket is made with a height of roughness of the surface profile of 1.0 <R _a ^pr / R _a ^cm > 100.0, where R _a ^pr and R _a ^cm is the height of the roughness of the surface profile of the intermediate strip and materials to be welded, respectively.