RU2231432C1

RU2231432C1 - Method for diffusion welding of different type steels

Info

Publication number: RU2231432C1
Application number: RU2003114291/02A
Authority: RU
Inventors: А.Н. Семёнов (RU); А.Н. Семёнов; В.Н. Тюрин (RU); В.Н. Тюрин; В.П. Гордо (RU); В.П. Гордо; И.А. Никитин (RU); И.А. Никитин; Г.Н. Шевелёв (RU); Г.Н. Шевелёв
Priority date: 2003-05-14
Filing date: 2003-05-14
Publication date: 2004-06-27

Abstract

FIELD: processes and equipment for diffusion butt welding of short thick-wall tubes of different type steels.

SUBSTANCE: method comprises steps of placing between welded surfaces of two different type steels gasket of titanium or its alloy; compressing welding zone with effort no more than 0.2 kgf /sq.mm; heating it until temperature exceeding at least by 15 C temperature of creating liquid eutectics between titanium and one of welded steel; pressing liquid eutectics out off butt.

EFFECT: enhanced quality of welded joint at less compression efforts, elimination of blank creeping.

4 cl, 1 ex

Description

Изобретение относится к области диффузионной сварки встык коротких толстостенных труб из разнородных материалов, преимущественно из немагнитных (аустенитных) и магнитных (ферритных) сталей, широко используемых в промышленности, например, в корпусах шаговых двигателей, у которых корпус выполнен в виде набора чередующихся между собой колец из немагнитной и магнитной сталей.The invention relates to the field of diffusion butt welding of short thick-walled pipes of dissimilar materials, mainly non-magnetic (austenitic) and magnetic (ferritic) steels, widely used in industry, for example, in stepper motor housings, in which the housing is made in the form of a set of alternating rings from non-magnetic and magnetic steels.

Шаговые двигатели распространены в многочисленных системах дистанционного управления, например в системах ядерных реакторов различного назначения.Stepper motors are common in numerous remote control systems, for example, in systems of nuclear reactors for various purposes.

Известен способ диффузионной сварки разнородных сталей, в частности магнитных сталей марок 2Х13, 25Х17М4Г5АФ2 и т.д. с немагнитными сталями марок ОХ18Н10Т, ОХ20Н4АГ10 и т.д. (см. Казаков Н.Ф. Диффузионная сварка материалов. М.: Машиностроение, 1976, с. 132-141).A known method of diffusion welding of dissimilar steels, in particular magnetic steels of grades 2X13, 25X17M4G5AF2, etc. with non-magnetic steels of grades ОХ18Н10Т, ОХ20Н4АГ10, etc. (see Kazakov, N.F., Diffusion welding of materials. M.: Mashinostroenie, 1976, p. 132-141).

Для получения прочного сварного соединения с помощью диффузионной сварки необходимы четыре основных условия: наличие безокислительной среды, например вакуума, температуры нагрева свариваемых деталей до 0,6-0,7 температуры плавления наиболее легкоплавкого из свариваемых материалов, сдавливание свариваемых поверхностей с усилием 0,5-3 кг/мм², чтобы обеспечить плотный контакт между свариваемыми поверхностями и создать условия для протекания диффузионных процессов между свариваемыми металлами, и выдержки при этих условиях для формирования диффузионного сварного соединения.To obtain a durable welded joint using diffusion welding, four basic conditions are necessary: the presence of an oxidizing-free medium, such as vacuum, the temperature of the parts to be welded to 0.6-0.7, the melting point of the most fusible material to be welded, and the surfaces to be welded with a pressure of 0.5- 3 kg / mm ^2, to ensure close contact between the surfaces to be welded and to create conditions for diffusion processes between the welded metal and holding at these conditions for forming diffusion-welded connection.

При диффузионной сварке чаще всего применяется высокочастотный нагрев, с помощью которого нагревают свариваемые детали до температуры диффузионной сварки. Высокочастотный нагрев в первую очередь греет заготовку из магнитной стали, а заготовка из немагнитной стали в основном нагревается от тепла заготовки из магнитной стали. Известно, что жаропрочность ферритных (магнитных) сталей значительно ниже аустенитных и они в первую очередь при сварочном сдавливании начинают интенсивно ползти, изменяя свои осевые размеры. Это происходит потому, что ферритная сталь типа марки 1Х13 при нагреве свыше 600°С резко теряет свои прочностные характеристики (см. Химушин Ф.Ф. Нержавеющие стали. М.: Металлургия, 1967, рис. 67, с. 113).In diffusion welding, high-frequency heating is most often used, with the help of which the parts to be welded are heated to the temperature of diffusion welding. High-frequency heating primarily warms the workpiece from magnetic steel, and the workpiece from non-magnetic steel is mainly heated by the heat of the workpiece from magnetic steel. It is known that the heat resistance of ferritic (magnetic) steels is much lower than austenitic and, first of all, when welding is pressed, they begin to creep intensively, changing their axial dimensions. This is because ferritic steel of the 1X13 type, when heated above 600 ° C, sharply loses its strength characteristics (see Himushin FF Stainless steels. M: Metallurgy, 1967, Fig. 67, p. 113).

При диффузионной сварке сборок, состоящих из двух-трех заготовок, это относительно легко компенсируется за счет увеличения расчетных припусков в заготовках, но если сборка состоит из заготовок в виде колец, собранных в трубчатый пакет из чередующихся между собой магнитных и немагнитных сталей, то проблема высокотемпературной ползучести колец из ферритной стали становится труднопреодолимой при применении высокочастотного нагрева, т.к. при этом нагреве в трубчатом пакете в основном нагреваются заготовки из ферритной стали, которые имеют низкую жаропрочность и при небольшом перегреве интенсивно ползут от силы сварочного сдавливания. Необходимо отметить, что требование к осевым размерам колец в корпусах шаговых двигателей при их изготовлении не допускает изменения размеров колец и их положения в готовой сборке.In diffusion welding of assemblies consisting of two or three workpieces, this is relatively easily compensated by increasing the design allowances in the workpieces, but if the assembly consists of workpieces in the form of rings assembled in a tubular package of alternating magnetic and non-magnetic steels, then the problem of high temperature the creep of ferritic steel rings becomes difficult to overcome when using high-frequency heating, because during this heating, in the tubular package, ferrite steel preforms are mainly heated, which have low heat resistance and, with slight overheating, crawl intensively from the force of welding compression. It should be noted that the requirement for the axial dimensions of the rings in the bodies of the stepper motors during their manufacture does not allow changes in the sizes of the rings and their position in the finished assembly.

Отказ от высокочастотного нагрева и переход к печному в целом не решает проблему, т.к. высокая температура и сдавливание остаются при диффузионной сварке аустенитных и ферритных сталей. Например, оптимальный режим диффузионной сварки аустенитной стали 12Х18Н10Т с ферритной сталью 12Х13 составляет: температура сварки 1050°С, усилив сдавливания 1,5 кг/мм² и время выдержки при температуре и сдавливании составляет не менее 20 мин (см. Казаков Н.Ф. Диффузионная сварка материалов. М.: Машиностроение, 1976, с. 133-134).Refusal of high-frequency heating and the transition to the furnace as a whole does not solve the problem, because high temperature and compression remain during diffusion welding of austenitic and ferritic steels. For example, the optimal mode of diffusion welding austenitic steel 12X18H10T ferritic steel is 12H13: welding temperature 1050 ° C, enhancing compression of 1.5 kg / mm ² and the holding time at the temperature and compression of at least 20 minutes (see Kazakov NF. Diffusion welding of materials. Moscow: Mashinostroenie, 1976, pp. 133-134).

При таких величинах сварочного сдавливания и температуре диффузионной сварки сохранить габариты колец из ферритной стали не представляется возможным.At such values of the welding pressure and the temperature of diffusion welding, it is not possible to maintain the dimensions of the rings made of ferritic steel.

Однако в диффузионной сварке известны технологические приемы использования промежуточных прослоек, с помощью которых можно изменять режимы сварки и улучшать условия для образования диффузионного сварного соединения (см. Казаков Н.Ф., с. 188-189).However, in diffusion welding, technological methods are known for using intermediate layers, with which it is possible to change the welding conditions and improve the conditions for the formation of diffusion welded joints (see Kazakov N.F., pp. 188-189).

Диффузионная сварка разнородных материалов с использованием промежуточной прослойки взята в качестве прототипа заявляемого способа.Diffusion welding of dissimilar materials using an intermediate layer is taken as a prototype of the proposed method.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в том, чтобы создать технологию диффузионной сварки деталей из ферритной и аустенитной сталей, которая бы позволила снизить усилие сварочного сдавливания до такого уровня, который бы не приводил в процессе диффузионной сварки к заметной ползучести заготовок из ферритной стали, а при этом плотность контакта и диффузионные процессы между свариваемыми поверхностями были бы не хуже, чем при силе сдавливания по известным технологиям диффузионной сварки аустенитных сталей с ферритными.The problem to which the claimed invention is directed, is to create a diffusion welding technology of parts made of ferritic and austenitic steels, which would reduce the welding pressure to a level that would not lead to a noticeable creep of ferrite blanks during diffusion welding steel, and in this case, the contact density and diffusion processes between the surfaces to be welded would not be worse than with a compressive force according to known diffusion welding technologies of austenitic steel th with ferritic.

Технический результат, получаемый при осуществлении заявленного изобретения, состоит в том, что сила сварочного сдавливания по сравнению с известной технологией диффузионной сварки ферритных и аустенитных сталей снижена в 10-20 раз, а плотность контакта при температуре сварки свариваемых поверхностей увеличена за счет образования в зоне контакта жидкой прослойки эвтектического состава, что вместе взятое практически исключает высокотемпературную ползучесть ферритной стали от силы сварочного сдавливания.The technical result obtained by the implementation of the claimed invention is that the welding pressure compared to the known diffusion welding technology of ferritic and austenitic steels is reduced by 10-20 times, and the contact density at the welding temperature of the welded surfaces is increased due to the formation in the contact zone liquid layer of eutectic composition, which taken together virtually eliminates the high-temperature creep of ferritic steel from the force of welding compression.

Практическое отсутствие в заявляемом способе диффузионной сварки высокотемпературной ползучести ферритной стали обеспечивает сохранение первоначальных осевых размеров колец из ферритной стали, например, при диффузионной сварке корпуса шагового двигателя, состоящего из набора чередующихся между собой колец из ферритной и аустенитной сталей, а это, в свою очередь, обеспечивает сохранение размеров корпуса шагового двигателя и его магнитно-электрических показателей.The practical absence in the claimed method of diffusion welding of high-temperature creep of ferritic steel ensures the preservation of the initial axial dimensions of the rings of ferritic steel, for example, during diffusion welding of the casing of a stepper motor, consisting of a set of alternating rings of ferritic and austenitic steel, and this, in turn, ensures the preservation of the dimensions of the casing of the stepper motor and its magnetic-electrical parameters.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе диффузионной сварки, в котором между свариваемыми поверхностями двух разнородных сталей размещают прокладку из третьего металла, нагревают место сварки до заданной температуры, сдавливают поверхности и выдерживают при этой температуре;The specified technical result is achieved by the fact that in the diffusion welding method, in which a gasket of a third metal is placed between the surfaces of two dissimilar steels to be welded, the welding place is heated to a predetermined temperature, the surfaces are compressed and held at this temperature;

- прокладку выполняют из титана или его сплавов, соединение с титановой прокладкой нагревают до температуры, превышающей не менее чем на 15°С температуру образования между титаном и одной из свариваемых сталей жидкой эвтектики, а после образования эвтектики ее выдавливают из стыка;- the gasket is made of titanium or its alloys, the connection with the titanium gasket is heated to a temperature that is at least 15 ° C higher than the formation temperature between the titanium and one of the welded steels of the liquid eutectic, and after the formation of the eutectic, it is squeezed out of the joint;

- кроме того, сдавливание свариваемых поверхностей производят при усилиях, не превышающих 0,2 кгс/мм²;- in addition, the compression of the surfaces to be welded is carried out with efforts not exceeding 0.2 kgf / mm ² ;

- кроме того, после выдавливания из стыка жидкой эвтектики соединение выдерживают при температуре, превышающей температуру эвтектики, не менее 15 мин;- in addition, after extruding from the junction of a liquid eutectic, the compound is maintained at a temperature exceeding the eutectic temperature for at least 15 minutes;

- кроме того, после выдавливания из стыка жидкой эвтектики соединение выдерживают при температуре ниже образования эвтектики не менее 25 мин.- in addition, after extruding from the junction of a liquid eutectic, the compound is maintained at a temperature below the formation of the eutectic for at least 25 minutes.

Заявленный способ диффузионной сварки встык коротких толстостенных труб из разнородных сталей обеспечивает возможность сварки разнородных труб в виде чередующихся между собой колец из магнитной и немагнитной стали в корпусах шаговых двигателей, сохраняя при этом исходные осевые размеры колец и корпуса в целом.The claimed method of diffusion butt welding of short thick-walled pipes of dissimilar steels makes it possible to weld dissimilar pipes in the form of alternating rings of magnetic and non-magnetic steel in the bodies of stepper motors, while maintaining the original axial dimensions of the rings and the body as a whole.

Достигается это за счет того, что для создания условий, при которых обеспечиваются активные диффузионные процессы на свариваемых поверхностях по заявленному способу, уже не требуется сильного сварочного сдавливаиия, т.к. происходит образование между свариваемыми поверхностями жидкой прослойки из такого активного металла, как титан или его сплавы, которые легко восстанавливают все окисные пленки на свариваемых поверхностях, убирая тем самым препятствия для взаимной диффузии и химического взаимодействия.This is achieved due to the fact that to create the conditions under which active diffusion processes on the surfaces to be welded by the claimed method are no longer required, a strong welding pressure, since a liquid interlayer is formed between the surfaces to be welded from an active metal such as titanium or its alloys, which easily reduce all oxide films on the surfaces to be welded, thereby removing obstacles to mutual diffusion and chemical interaction.

В случае диффузионной сварки через титановую прокладку ферритной стали с аустенитной, например марки ОХ18Н10Т, требуется небольшое усилие контакта, менее 0,1 кг/мм², чтобы между сталью ОХ18Н10Т при температуре свыше 970°С образовалась жидкотекучая эвтектика. При этом достаточен плотный контакт титана со сталью ОХ18Н10Т всего в нескольких точках поверхности, как практически за несколько секунд вся титановая прокладка перейдет в эвтектику Ti-Ni. От постоянного небольшого сварочного сдавливания, величиной всего около 0,05 кг/мм², жидкая эвтектика тут же будет выдавлена из стыка, в котором останутся только смоченные эвтектикой свариваемые поверхности ферритной и аустенитной сталей. Эвтектика на базе Ti-Ni обладает высокой коррозионной стойкостью в воде и паре до 350°С, которая в несколько раз превышает коррозионную стойкость в воде и паре свариваемые стали. Если свариваемому изделию не требуется высокая ударная вязкость, то процесс диффузионной сварки можно на этом и прекратить.In the case of diffusion welding through a titanium gasket of ferritic steel with austenitic steel, for example, grade ОХ18Н10Т, a small contact force is required, less than 0.1 kg / mm ² , so that a fluid-flowing eutectic is formed between steel ОХ18Н10Т at temperatures above 970 ° С. At the same time, tight contact of titanium with ОХ18Н10Т steel at just a few points on the surface is sufficient, as in almost a few seconds the entire titanium gasket will transfer to the Ti-Ni eutectic. From the constant small welding pressure, only about 0.05 kg / mm ² , the liquid eutectic will immediately be squeezed out of the joint, in which only the welded surfaces of the ferritic and austenitic steels moistened with eutectic will remain. Ti-Ni-based eutectics have high corrosion resistance in water and steam up to 350 ° C, which is several times higher than corrosion resistance in water and steam welded steels. If the product to be welded does not require high impact strength, the diffusion welding process can be stopped at this.

Если необходимо устранить тонкую, менее 5 мкм, диффузионную прослойку, то производят ее диффузионное рассасывание, например ускоренное, путем нагрева соединения до 1050-1100°С, или постепенное при температурах ниже температуры образования эвтектики Ti-Ni, равной 955°С.If it is necessary to eliminate a thin, less than 5 μm, diffusion layer, then its diffusion resorption is performed, for example, accelerated by heating the compound to 1050-1100 ° C, or gradual at temperatures below the temperature of formation of the Ti-Ni eutectic equal to 955 ° C.

Для диффузионного рассасывания в первом случае требуется 15-30 мин, а во втором 45-60 мин.For diffusion resorption in the first case, it takes 15-30 minutes, and in the second 45-60 minutes.

Пример осуществления способаAn example of the method

Сваривали по заявляемому способу диффузионной сварки кольца-заготовки из стали 1Х13 и стали ОX184 10Т для последующего получения корпуса шагового двигателя.Welded according to the claimed method of diffusion welding of a workpiece ring of steel 1X13 and steel OX184 10T for the subsequent receipt of the housing of the stepper motor.

Наружный диаметр колец - 112 мм, внутренний диаметр - 78 мм. Кольца сваривали в наборе с общим усилием сдавливания около 300 кг, что составило удельное усилие сдавливания около 0,06 кг/мм². Промежуточная прокладка была изготовлена из титанового сплава ВТ-1 толщиной 0,1 мм.The outer diameter of the rings is 112 mm, the inner diameter is 78 mm. The rings were welded in a set with a total compression force of about 300 kg, which amounted to a specific compression force of about 0.06 kg / mm ² . The intermediate gasket was made of VT-1 titanium alloy with a thickness of 0.1 mm.

Температура нагрева для образования эвтектики составила 975°С. После вытекания эвтектики температуру нагрева подняли при сохранении заданного усилия сдавливания (0,06 кг/мм²) до 1075°С и выдержали при этой температуре 25 мин.The heating temperature for the formation of the eutectic was 975 ° C. After the eutectic flowed out, the heating temperature was raised while maintaining the specified compression force (0.06 kg / mm ² ) to 1075 ° C and held at this temperature for 25 minutes.

Прочностные испытания показали:Strength tests showed:

прочность на растяжение - 39 кгс/мм²,tensile strength - 39 kgf / mm ² ,

ударная вязкость - 1,3 кгс·м/см².impact strength - 1.3 kgf · m / cm ² .

Эти прочностные характеристики удовлетворяют требованиям, предъявляемым к прочностным характеристикам шаговых двигателей.These strength characteristics satisfy the requirements for the strength characteristics of stepper motors.

Claims

1. The method of diffusion welding of dissimilar steels, including placing between the surfaces of two dissimilar steels a gasket of a third metal, heating the weld point to a predetermined temperature, squeezing the surfaces to be welded and holding at this temperature, characterized in that the gasket is made of titanium or its alloys, connection with a titanium gasket, it is heated to a temperature that is at least 15 ° C higher than the temperature of formation between titanium and one of the welded steels of a liquid eutectic, and then formed The eutectic is squeezed out of the joint.

2. The diffusion welding method according to claim 1, characterized in that the compression of the surfaces to be welded is carried out at forces not exceeding 0.2 kgf / mm ² .

3. The diffusion welding method according to claim 1, characterized in that after extruding from the junction of a liquid eutectic, the compound is maintained at a temperature exceeding the temperature of formation of the eutectic for at least 15 minutes

4. The diffusion welding method according to claim 1, characterized in that after extruding from the junction of the liquid eutectic, the compound is held at a temperature below the formation of the eutectic for at least 25 minutes