RU2617807C1

RU2617807C1 - Method of diffusion welding of tube titan-stainless steel adaptors

Info

Publication number: RU2617807C1
Application number: RU2016102106A
Authority: RU
Inventors: Андрей Андреевич Уваров; Александр Николаевич Семенов; Сергей Николаевич Новожилов
Original assignee: Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом"
Priority date: 2016-01-22
Filing date: 2016-01-22
Publication date: 2017-04-26

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: tubular adapter titanium part is telescopically coupled with disposed outside of it tubular adapter part of stainless steel, on the inner surface of which circular grooves are made not more than 0.5 mm. Before welding, the said circular grooves are filled with a slurry of polyvinyl butyral and ultrafine nickel powder. The ultrafine nickel powder content in the slurry is from 61 to 80%. Diffusion welding is carried out at the temperature of 700-764°C. The holding time is not more than 1 min.

EFFECT: method reduces the amount of plastic deformation of the tubular adapter titanium part and reduces the amount of brittle intermetallic phases in the diffusion joint.

1 ex

Description

Изобретение относится к области сварки, а более конкретно к технологии диффузионной сварки в вакууме трубчатых переходников титан - нержавеющая сталь.The invention relates to the field of welding, and more specifically to technology of diffusion welding in vacuum of tube adapters titanium - stainless steel.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к изобретению является способ диффузионной сварки трубчатых переходников титан - нержавеющая сталь, в котором телескопически соединяют, нагревают, деформируют и выдерживают при температуре диффузионной сварки трубчатую деталь переходника из титана и расположенную снаружи нее трубчатую деталь переходника из нержавеющей стали, на внутренней поверхности которой выполнены кольцевые канавки (патент РФ №2205732, МПК В23К 20/14, В23K 101/06, опубл. 10.06.2003).The closest set of essential features to the invention is a method for diffusion welding of titanium-stainless steel tube adapters, in which the tube part of a titanium adapter and a tubular part of a stainless steel adapter located outside it are telescopically connected, heated, deformed and held at a temperature of diffusion welding, the inner surface of which is made of annular grooves (RF patent No. 2205732, IPC B23K 20/14, B23K 101/06, publ. 10.06.2003).

В известном способе на внутренней поверхности втулки из нержавеющей стали выполняют кольцевые канавки и размещают ее снаружи втулки из титанового сплава. В процессе деформации втулок во время сварки кольцевые канавки заполняются титановым сплавом.In the known method, annular grooves are made on the inner surface of the stainless steel sleeve and placed on the outside of the titanium alloy sleeve. During the deformation of the bushings during welding, the annular grooves are filled with a titanium alloy.

Недостатком известного способа является то, что в некоторых переходниках в процессе сварки металл титановой втулки не всегда полностью заполняет кольцевые канавки. Это связано с технологическими ошибками при нарезке канавок, а также с недогревом внутренней детали во время сварки, из-за чего титановая втулка не достигает необходимого уровня пластичности и поэтому не происходит полное заполнение профиля канавки. В результате не обеспечивается сварка по всей контактной поверхности, что является браком.The disadvantage of this method is that in some adapters in the welding process, the metal of the titanium sleeve does not always completely fill the annular grooves. This is due to technological errors when cutting grooves, as well as to underheating of the internal part during welding, due to which the titanium sleeve does not reach the required level of ductility and therefore, the groove profile is not completely filled. As a result, welding is not provided over the entire contact surface, which is defective.

Помимо этого недостатком известного способа является применение температурных режимов диффузионной сварки, условия которых способствуют скоротечному протеканию диффузионных процессов и, как следствие, нарастанию хрупкой интерметаллидной прослойки в соединении.In addition, the disadvantage of this method is the use of temperature modes of diffusion welding, the conditions of which contribute to the rapid flow of diffusion processes and, as a consequence, the growth of a brittle intermetallic layer in the connection.

Задачей настоящего изобретения является повышение надежности и качества сварного соединения трубчатых переходников титан - нержавеющая сталь.The objective of the present invention is to improve the reliability and quality of the welded joints of the tubular adapters titanium - stainless steel.

Технический результат, который достигается при использовании настоящего изобретения, заключается в снижении величины пластической деформации трубчатой детали переходника из титана и уменьшении количества хрупких интерметаллидных фаз в диффузионном соединении.The technical result that is achieved using the present invention is to reduce the amount of plastic deformation of the tubular part of the titanium adapter and to reduce the number of brittle intermetallic phases in the diffusion compound.

Указанный технический результат достигается тем, что в соответствии с заявленным способом диффузионной сварки трубчатых переходников титан - нержавеющая сталь, при котором телескопически соединяют, нагревают, деформируют и выдерживают при температуре диффузионной сварки трубчатую деталь переходника из титана и расположенную снаружи нее трубчатую деталь переходника из нержавеющей стали, на внутренней поверхности которой выполнены кольцевые канавки, перед сваркой кольцевые канавки трубчатой детали переходника из нержавеющей стали заполняют суспензией из поливинилбутирали и ультрадисперсного порошка никеля, причем содержание ультрадисперсного порошка никеля в суспензии составляет от 61 до 80%, диффузионную сварку проводят при температуре 700-764°С, время выдержки выбирают не более 1 мин, а кольцевые канавки выполняют с глубиной не более 0,5 ммThe specified technical result is achieved by the fact that in accordance with the claimed method of diffusion welding of tube adapters, titanium - stainless steel, in which the tube part of the adapter made of titanium and the tubular part of the adapter made of stainless steel located outside it are telescopically connected, heated, deformed and held at a temperature of diffusion welding , on the inner surface of which annular grooves are made, before welding, the annular grooves of the tubular part of the stainless steel adapter they are filled with a suspension of polyvinyl butyral and ultrafine nickel powder, the content of ultrafine nickel powder in the suspension being from 61 to 80%, diffusion welding is carried out at a temperature of 700-764 ° C, the exposure time is chosen no more than 1 min, and the annular grooves are performed with a depth of not more than 0.5 mm

Экспериментальным путем было установлено, что при содержании ультрадисперсного порошка никеля в суспензии менее 61% в соединении были обнаружены недопрессовки. При значениях содержания ультрадисперсного порошка никеля, превышающих 80%, недостаточно поливинилбутирали для связывания всей массы порошка для образования суспензии. Поэтому содержание ультрадисперсного порошка никеля в суспензии должно составлять от 61 до 80%. Согласно диаграмме состояния Ni-Ti температура образования равновесной интерметаллидной фазы Ti₂Ni равняется 765°С, т.е. при температуре сварки ниже данного значения создаются условия, при которых образование интерметаллидных фаз существенно уменьшается. При этом температура диффузионной сварки должна быть не ниже 700°С (в зависимости от марки применяемого сплава титана) из-за увеличения предела текучести титановых сплавов с понижением температуры диффузионной сварки. Поэтому диффузионную сварку следует проводить в интервале температур 700-764°С. Однако следует учесть тот факт, что с увеличением времени выдержки трубчатых переходников количество хрупких интерметаллидных фаз в диффузионном соединении будет возрастать со временем. Экспериментальным путем было установлено, что для получения надежного сварного соединения время выдержки трубчатого переходника титан - нержавеющая сталь при температуре диффузионной сварки не должно превышать 1 мин. Расчетно-экспериментальным путем было также установлено, что при заданных параметрах режима диффузионной сварки глубина канавки должна составлять не более 0,5 мм, т.к. при глубине канавки более 0,5 мм металл трубчатой детали переходника из сплава титана в процессе сварки не заполняет до конца объем канавок, и в местах контакта образуются пустоты.It was experimentally established that when the content of ultrafine nickel powder in the suspension is less than 61%, underpressures were found in the compound. When the content of ultrafine nickel powder, exceeding 80%, not enough polyvinyl butyral to bind the entire mass of the powder to form a suspension. Therefore, the content of ultrafine nickel powder in the suspension should be from 61 to 80%. According to the Ni-Ti state diagram, the temperature of formation of the equilibrium intermetallic phase of Ti ₂ Ni is 765 ° С, i.e. at a welding temperature below this value, conditions are created under which the formation of intermetallic phases is significantly reduced. In this case, the temperature of diffusion welding should not be lower than 700 ° C (depending on the grade of the titanium alloy used) due to an increase in the yield strength of titanium alloys with a decrease in the temperature of diffusion welding. Therefore, diffusion welding should be carried out in the temperature range 700-764 ° C. However, one should take into account the fact that with an increase in the exposure time of the tube adapters, the number of brittle intermetallic phases in the diffusion compound will increase with time. It was established experimentally that in order to obtain a reliable welded joint, the holding time of the titanium-stainless steel tube adapter at the temperature of diffusion welding should not exceed 1 min. It was also established by calculation and experimental means that for given parameters of the diffusion welding mode, the groove depth should be no more than 0.5 mm, because with a groove depth of more than 0.5 mm, the metal of the tubular part of the titanium alloy adapter does not completely fill the volume of the grooves during the welding process, and voids are formed at the contact points.

Пример осуществления способа.An example implementation of the method.

Для выполнения диффузионной сварки трубчатой детали переходника, например из сплава титана ПТ-ЗВ, и трубчатой детали переходника из нержавеющей стали, например, из аустенитной стали 08Х18Н10Т, предварительно перед сборкой трубчатых деталей переходника на внутренней поверхности трубчатой детали переходника из нержавеющей стали нарезают кольцевые канавки. Кольцевые канавки выполняют с глубиной 0,3 мм. После выполнения кольцевых канавок их заполняют суспензией, состоящей из поливинилбутирали и 61% ультрадисперсного порошка никеля. Далее осуществляют сборку деталей, состоящую из трубчатой детали переходника из нержавеющей стали, которую располагают снаружи трубчатой детали переходника из титана с образованием телескопического соединения. Осуществляют индукционный нагрев сборки под сварку в сварочной камере в вакууме до температуры 760°С, в процессе которого поливинилбутираль полностью испаряется с последующей его откачкой вакуумной системой. В кольцевых канавках остается только ультрадисперсный порошок никеля. В процессе сварки трубчатую деталь переходника из титана раздают за счет запрессовки конусного дорна в сборку на заданную глубину. При раздаче трубчатой детали переходника из титана происходит деформация свариваемых поверхностей и уплотнение ультрадисперсного порошка никеля с полным сплошным заполнением им кольцевых канавок. В результате происходит объемное взаимодействие металлов с образованием металлической связи между деталями и между деталями и промежуточным слоем. Переходная диффузионная зона образуется по контактной поверхности, которая окончательно формируется в процессе выдержки при температуре 760°С в течение 41 с. После охлаждения трубчатого переходника титан - нержавеющая сталь конусный дорн выбивают.To perform diffusion welding of the tubular adapter part, for example, from PT-ЗВ titanium alloy, and the stainless steel tube adapter part, for example, from 08Kh18N10T austenitic steel, annular grooves are cut before the tubular parts of the adapter are assembled on the inner surface of the tubular part of the stainless steel adapter. Annular grooves are performed with a depth of 0.3 mm. After making the annular grooves, they are filled with a suspension consisting of polyvinyl butyral and 61% ultrafine nickel powder. Next, parts are assembled, consisting of a tubular stainless steel adapter part, which is placed outside the titanium adapter tubular part to form a telescopic joint. Carry out induction heating of the assembly for welding in a welding chamber in vacuum to a temperature of 760 ° C, during which the polyvinyl butyral is completely evaporated and then evacuated by a vacuum system. In the annular grooves, only ultrafine nickel powder remains. During welding, the tubular part of the adapter made of titanium is distributed by pressing the conical mandrel into the assembly to a predetermined depth. When distributing the tubular part of the titanium adapter, the surfaces to be welded are deformed and the ultrafine nickel powder is densified with the annular grooves completely filled with it. As a result, the volume interaction of metals occurs with the formation of a metal bond between the parts and between the parts and the intermediate layer. The transition diffusion zone is formed along the contact surface, which is finally formed during exposure at a temperature of 760 ° C for 41 s. After cooling the tubular adapter, the titanium - stainless steel conical mandrel is knocked out.

Сваренные по данному способу переходники прошли радиографический и ультразвуковой контроль с положительным результатом. Кроме того, металлографический контроль переходников показал, что сварка произошла по всей соединяемой поверхности (кольцевые канавки были полностью заполнены).The adapters welded by this method passed radiographic and ultrasonic testing with a positive result. In addition, metallographic inspection of the adapters showed that welding took place over the entire connected surface (the annular grooves were completely filled).

Claims

The method of diffusion welding of titanium-stainless steel tube adapters, comprising the telescopic connection of a tubular adapter part made of titanium and a tubular adapter part made of stainless steel located outside it, on the inner surface of which ring grooves are made, their heating, deformation and holding at a temperature of diffusion welding, characterized in that before welding, the annular grooves of the tubular part of the stainless steel adapter are filled with a suspension of polyvinyl butyral and ultrafine about nickel powder, and the content of ultrafine nickel powder in the suspension is from 61 to 80%, diffusion welding is carried out at a temperature of 700-764 ° C, the exposure time is set to no more than 1 min, and the annular grooves are performed with a depth of not more than 0.5 mm.