RU2215627C1

RU2215627C1 - Method for diffusion welding of refractory metals

Info

Publication number: RU2215627C1
Application number: RU2002103136A
Authority: RU
Inventors: С.Ф. Гнюсов; И.Н. Севостьянова; А.Г. Мельников; С.Н. Кульков
Original assignee: Институт физики прочности и материаловедения СО РАН
Priority date: 2002-02-04
Filing date: 2002-02-04
Publication date: 2003-11-10

Abstract

FIELD: joining of refractory metals, for example rods with different cross section after their plastic deformation such as rotary forging. SUBSTANCE: method comprises steps of compressing end faces of samples with effort not exceeding yield limit of welded metal but no less than 0.5 of its value; before compression introducing to welding zone powder of similar metal with mean grain size being less than that of welded metal after primary recrystallization; heating joint until recrystallization temperature of refractory metal; realizing isothermic soaking during time period providing realization of primary recrystallization process and being no more than 30 - 60 min. Method provides high-strength joint, no less than 80% of ultimate bending strength of monolithic metal, sustaining of small-grain recrystallization structure allowing to perform further plastic deformation of metal. EFFECT: enhanced quality and reliability of welded joints. 1 ex

Description

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). The invention relates to welding, and in particular to methods of joining refractory metals by diffusion welding and can be used, in particular, to ensure a continuous technological cycle in the industrial production of refractory metals for splicing, for example, rods of refractory metal of various sections after plastic deformation (rotational forging) .

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.A known method of combining refractory metals [Japanese application 32-97555, class. B 23 K 1/19, publ. 12/27/91], for example, tungsten and molybdenum. The method consists in the fact that cobalt is introduced into the joint of the refractory metals being welded and the compound is heated above the melting temperature of cobalt (1300-1600 ^{° C.} ) in an oxidizing atmosphere or vacuum.

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. The disadvantage of this method is that, for example, for the electrical industry, where high demands are made on the chemical purity of the metal, the use of various types of gaskets from other metals or alloys is undesirable, since they strongly affect the performance of the metal being welded.

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.A known method of flash butt welding of refractory metals [Japanese application 55-73483, class. B 23 K 11/02, publ. 3.06.80], for example, tungsten, molybdenum, providing increased connection strength with the formation of the mainsail and thickening of the diameter during upsetting. To this end, the connected ends are machined to a cone with an angle at the apex of 15 ^° , heated and squeezed so as to fill the space at the junction during the deposition of heated parts.

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. The disadvantage of this method, taken as a prototype, is that when the splices of the rods in the place of the weld as a result of extrusion of the molten metal, a mainsail and a thickened zone are formed, which do not allow further drawing of the metal without preliminary machining of the welding site. In addition, a high welding temperature leads to a sharp increase in grain in the heat-affected zone due to secondary and collective recrystallization processes, which complicates further plastic deformation of the metal due to severe embrittlement of the weld.

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. The problem to which the invention is directed, is to develop a method for diffusion welding of refractory metal at the lowest possible temperatures in a vacuum or inert gas atmosphere. This will allow you to make minimal changes to the structure of the refractory metal being welded, to provide the necessary strength of the weld place, to exclude its subsequent machining and the possibility of further plastic deformation of the metal.

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. The specified technical result is achieved by the fact that in the proposed method of diffusion welding of refractory metal, including plastic deformation, compression, heating to a welding temperature and isothermal holding in vacuum or an inert gas atmosphere, powder of the same metal is introduced into the welding zone before being pressed, it is pressed with force, not exceeding the yield strength of the welded metal, but not less than 0.5 of its value, heat the compound to the temperature of recrystallization of the refractory metal and isothermal exposure spend over time, ensuring the passage of the primary recrystallization process.

Кроме того, вводят порошок одноименного металла со средним размером зерна меньше, чем у свариваемого металла после первичной рекристаллизации. In addition, a powder of the same metal is introduced with an average grain size less than that of the metal being welded after primary recrystallization.

Кроме того, изотермическую выдержку проводят не более 30-60 минут. In addition, isothermal aging is carried out no more than 30-60 minutes.

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. The essence of the invention lies in the fact that preliminary plastic deformation of refractory metal (rotational forging) allows you to activate diffusion processes at a lower temperature (recrystallization temperature of the metal being joined), which contributes to an efficient welding process. To intensify diffusion mobility, it is proposed to introduce a powder of the same metal with a finer grain into the joint of welded refractory metals than that of a welded metal after plastic deformation and primary recrystallization. This will make it possible to activate the diffusion mobility of atoms of the refractory metal in the powder interlayer and the heat-affected zone of the base metal, and thereby ensure high mechanical properties of the weld. The applied pressure should be below the yield strength so that it does not cause plastic deformation of the welded metal in the heat-affected zone and, therefore, there is no need for mechanical processing before further plastic deformation (drawing). At a pressure below 0.5 the yield strength of the metal being welded, strong contact in the welding zone is not ensured, which does not allow further plastic deformation.

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. The choice of temperature is due to the fact that when heated below the primary recrystallization temperature of the refractory metal, high diffusion mobility of atoms is not achieved and high strength of the weld is not provided. When heated above the metal recrystallization temperature, a sharp increase in grain is observed due to the processes of secondary and collective recrystallization, which does not allow further plastic deformation. Welding is carried out in a vacuum or inert gas atmosphere with isothermal aging, which ensures the complete passage of the polygonization process and primary recrystallization, but not more than 30-60 minutes. When holding for less than 30 minutes, diffusion processes do not have time to provide a strong connection, when holding for more than 60 minutes, further strengthening of the welding site does not occur and a gradual increase in the grain of the refractory metal in the heat-affected zone is ensured.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом. The proposed method is as follows.

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. The ends of the refractory metal samples after rotational forging are ground, placed in the welding chamber, a metal powder of the same metal with a particle size less than the recrystallized grain of the metal being welded is introduced into the joint of the welded rods, pressure is applied less than the yield strength. Next, the junction of the welded samples is heated in a vacuum or inert gas atmosphere to the recrystallization temperature of the welded metal and isothermal exposure. The exposure time is selected from the conditions of the complete process of primary recrystallization. Next, cooling and unloading of the sample occurs.

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.Concrete example
Take two rods of molybdenum with a diameter of 8 mm after rotational forging. The average grain size in the cross section is 15 μm, in the longitudinal 60 μm. The temperature range of recrystallization of this metal is 1000-1100 ^o C. The average diameter of the recrystallized grain is 20 microns.

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.The ends of the welded rods are ground. Molybdenum powder with a particle size of less than 10 microns is introduced into the joint of the welded rods. Place the weld in the welding chamber, apply a pressure of ~ 70 MPa. Next, the junction of the rods is heated in a vacuum or an inert gas atmosphere to a temperature of 1050 ^o C and isothermal exposure is carried out for 40 minutes Then there is cooling and unloading of the rods.

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. The proposed method of diffusion welding of refractory metal provides a solid connection (not less than 80% of the tensile strength when bending a monolithic metal), preservation of a fine-grained recrystallized structure, which allows further plastic deformation of the metal.

Claims

1. The method of diffusion welding of refractory metal, including plastic deformation, compression, heating to a welding temperature and isothermal holding in a vacuum or inert gas atmosphere, characterized in that the powder of the same metal is introduced into the welding zone before compression, compressing with a force not exceeding the yield strength welded metal, but not less than 0.5 of its value, heat the compound to the temperature of recrystallization of the refractory metal, and isothermal exposure is carried out over a period of time, providing ohozhdenie primary recrystallization process.

2. The method according to p. 1, characterized in that the powder of the same metal is introduced with an average grain size less than that of the metal being welded after primary recrystallization.

3. The method according to p. 1, characterized in that the isothermal exposure is carried out no more than 30-60 minutes