CC BY
26
УДК 621. 791. 1
С. А. Чернецкий, Е. В. Карпович
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ СРЕДЫ ДИФФУЗИОННОЙ
СВАРКИ НА КАЧЕСТВО СОЕДИНЕНИЙ ИЗ ОДНОРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ ПО ОХВАТЫВАЕМЫМ
ПОВЕРХНОСТЯМ
В работе приведены результаты исследований влияния среды на качество соединений из однородных материалов по охватываемым поверхностям, получаемых методом диффузионной сварки. Показано, что жидкая среда (солевой расплав) обеспечивает более равномерный нагрев, но не позволяет получить требуемого контактного давления. Приведены рекомендации для повышения качества рассматриваемого типа соединений.
1 Введение
Диффузионная сварка является одной из разновидностей сварки давлением. Этим методом можно соединять практически все известные металлы и сплавы, непосредственно сваривая их между собой или применяя промежуточные прослойки из других металлов, если свариваемые материалы при непосредственной сварке не обеспечивают необходимого качества сварного соединения [1, 2].
Установки для диффузионной сварки обеспечивают в сварочной камере требуемое давление на контактных поверхностях свариваемых деталей, температуру и вакуум или бескислородную атмосферу инертного газа. Применение специальной среды позволяет получить соединение с минимальным содержанием вредных примесей, даже при сварке высокоактивных металлов [1].
Сварочное давление в соединениях по охватываемым поверхностям создают, как правило, без применения специальных силовых устройств гидравлического или механического типа, а только за счет натяга, как следствие различия в коэффициентах термического расширения материалов заготовок переходника или же материалов специальной оснастки, применяемой для этих целей, при нагреве их до температуры диффузионной сварки [3]. Следовательно, такие соединения можно получать в обычных печах с инертной газовой атмосферой или с жидкой средой (расплавленной солью).
В работе [2] показано, что при сварке в жидкой среде нагрев более равномерный, скорость его в 3......6 раз выше скорости нагрева этих же деталей теплоизлучением в газовых средах или вакууме, поверхности деталей защищены от окисления при нагреве в ванне солевым расплавом, при охлаждении на воздухе - слоем соли. В расплаве солей 70 % ВаС12 + 30 % ЫаС! были получены качественные стыковые соединения из титанового сплава ВТ1-0 и нержавеющей стали 12Х18Н10Т. Для создания надежного контакта между сварива-
© С. А. Чернецкий, Е. В. Карпович, 2007
емыми деталями использовалось специальное сжимающее приспособление.
В литературе отсутствуют данные о том, что диффузионная сварка соединений по охватываемым поверхностям проводилась в жидкой среде. Таким образом, возникает задача определения влияния среды сварки на качество сварного соединения рассматриваемого типа.
2 Методика исследований
Экспериментальную проверку влияния среды на равномерность нагрева и возможность получения сварного соединения методом диффузионной сварки по охватываемым поверхностям проводили, осуществляя процесс диффузионной сварки на воздухе и в солевом расплаве 70 % BaCl2 + 30 % NaCl на цилиндрических образцах из стали 45, собранных с контролируемым натягом при нормальной температуре, обеспечивающим предельное упругое состояние деталей.
Диффузионная сварка стыковых соединений из стали 45 должна осуществляться при давлении р = 12...50 МПа, температуре Т = 1273-1373 К (10001100 °С), времени выдержки t = 5 мин и степени разрежения В « 0,133 Па (10-3 мм. рт. ст.) [1, 2, 4]. Согласно проведенным расчетам, образцы с гео-
d 2 d л
метрическими параметрами = 2 75 ; —1 = 1,45 ;
di d з
L = 30 мм, при сборочном диаметральном натяге 8 > 0,02 мм, позволят получить давление р = 14...15 МПа при температуре сварки, то есть обеспечить технологические режимы сварки.
Величина относительных перемещений после запрессовки и сварки контролировалась замерами наружного диаметра в 7 точках по длине соединения (рис. 1).
Качество сварного соединения определялось металлографическими исследованиями шлифов, приготовленных из образцов разрезанных вдоль оси соединения.
—0т1 9яяяяяВестникядвигателестроенияя1 1/п007
- 1D7 -
3 Результаты
Замеры наружного диаметра соединения после сварки в воздушной среде показали, что его перемещения составляют от 1,2 % в средней части соединения до 1,4 % на краях (рис. 1). В результате на внешней поверхности соединений наблюдаются такие сильно выраженные отклонения формы как овальность, огранка, кроме того, на поверхности соединения и по краям сварного шва образуется слой окислов. Удаление этого слоя требует дополнительной механической или химической обработки наружной поверхности соединения.
Сварка в соляной ванне позволила уменьшить относительные перемещения наружного диаметра до 0,17 % (рис. 1), избежать образования слоя окислов, как на поверхности соединения, так и в сварном шве. Таким образом, соляная ванна обеспечивает более равномерный нагрев.
и, % 1.6 1,4 1,2 1
0,8 0,6 0,4
0,2 0
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,3 1
Ш*
Рис. 1. Относительные перемещения наружного диаметра соединения:
1 - при сварке в воздушной бреде;
2 - при сварке в соляной ванне
В работе [5] металлографическими исследованиями показана возможность получения диффузионного соединения деталей по охватываемым поверхностям в воздушной среде с шероховатостью контактных поверхностей Rz = 5 мкм. Детали при этом сваривались как непосредственно, так и через медную прослойку.
На рис. 2 видно, что на границе раздела деталей произошло образование общих зерен в средней части соединения и видны окисленные участки на краях. Образование соединения Сталь 45-М1-Сталь 45 произошло с широкой переходной зоной 3 (рис. 3) между сталью и медью с обеих сторон прослойки. Разрушение образцов происходило с явно выраженными участками пластичес-
кой деформации. Полученные результаты свидетельствуют об обеспечении требуемого давления на контактных поверхностях свариваемых деталей.
Рис. 2. Зона контакта после сварки деталей с шероховатостью контактных поверхностей Rz = 5 мкм (х100):
1 - граница между деталями, видимая только на окисленных участках;
2 - общие зерна;
3 - охватываемая деталь, изготовленная из Сталь 45;
4 - охватывающая деталь, изготовленная из Сталь 45
Рис 3. Зона контакта после сварки деталей через прослойку из медной фольги (х 200):
1 - граница контакта между медной прослойкой и
охватываемой деталью;
2 - граница контакта между медной прослойкой и
охватывающей деталью;
3 - охватываемая деталь, изготовленная из Сталь 45;
4 - прослойка из медной фольги марки М1;
5 - охватывающая деталь, изготовленная из Сталь 45
Образцы, сваренные в соляной ванне, исследовать металлографическим методом не представлялось возможным, так как после разрезки на отдельные сегменты они разрушались. Кроме того, как показали исследования, в зону контакта проникает солевой раствор.
4 Обсуждение
На рис. 1 видно, что большие значения перемещений возникают по краям соединения. Это, вероятно, связано с более быстрым нагревом торцевых поверхностей свариваемых деталей и, как следствие, с неравномерностью нагрева соединения по длине. Применение расплава солей обеспечивает относительно равномерный нагрев деталей, так как изменения наружного диаметра соединения значительно меньше, чем при нагреве в газовой среде.
Можно предположить, что образование сварного соединения в первом случае объясняется ха-
рактером деформации (рис. 1), свидетельствующем об изгибе поверхности контакта и, тем самым, реализации в центральной области соединения необходимого давления. Согласно рис. 1, в случае сварки в соляной ванне все точки поверхности контакта по длине получают примерно одинаковые перемещения. Возникающее в этом случае контактное давление недостаточно для образования сварного соединения. Это подтверждается работой [3], где показано, что на диффузионный процесс влияют напряжения, которые существуют только в момент его протекания. Напряжения в предварительно деформированном металле не влияют на скорость диффузии, так как в результате релаксации они исчезают при нагреве до температуры, не вызывающей еще заметной диффузии.
Следовательно, натяг деталей, получаемый при нормальной температуре, позволяет только смять микронеровности и получить большую физическую площадь контакта и не дает возможности управлять величиной контактного давления при температуре сварки.
Во избежание проникания солевого раствора торцы соединения необходимо герметизировать специальными замазками. Эксперименты, проведенные с герметизацией шва жидким стеклом, позволили получить чистые контактные и наружные поверхности как при сварке в воздушной среде, так и в соляной ванне. Однако во втором случае давление для образования соединения недостаточно.
Получение диффузионного однородного соединения по всей длине возможно при использовании специальной оснастки - внешней обоймы, материал которой имеет коэффициент температурного линейного расширения меньший, чем у свариваемых материалов [3]. Напряжения от деформаций, вызываемых различием коэффициентов температурного линейного расширения, существенно увеличивают скорость диффузионных процессов и обеспечивают требуемое контактное давление в период времени, достаточный для образования соединения.
5 Выводы
В результате проведенных исследований можно сделать выводы:
1. Проведение диффузионной сварки соедине-
ний по охватываемым поверхностям в жидкой среде позволяет получить более равномерный нагрев;
2. Герметизация торцов соединения специальными замазками исключает проникание среды сварки в шов;
3. Величина натяга деталей, получаемого при нормальной температуре, не дает возможности управлять величиной контактного давления при температуре сварки.
4. Применение специальной оснастки - внешней обоймы из материала с определенными физико-механическими свойствами позволяет получить требуемое контактное давление при диффузионной сварке однородных соединений по охватываемым поверхностям.
Полученные данные могут найти применение при разработке технологических процессов изготовления биметаллических переходников в криогенных, энергетических аппаратах, самолето-, ракетостроении. Проведенные экспериментальные исследования позволяют упростить технологию производства переходников без снижения эксплуатационных характеристик и уменьшить их себестоимость.
Перечень ссылок
1. Казаков Н. Ф. Диффузионная сварка материалов. М.: Машиностроение, 1976. - 312 с.
2. Сварка разнородных металлов и сплавов / В.Р. Рябов, Д.М. Рабкин, Р.С. Курочко, Л.Г. Стри-жевская. - М.: Машиностроение, 1984. - 239 с.
3. Соединение труб из разнородных материалов / С. Н. Киселев, Г. Н. Шевелев, В. В. Рощин и др. М.: Машиностроение, 1981. - 176 с.
4. Каракозов Э. С. Сварка металлов давлением. М.: Машиностроение, 1986. - 280 с.
5. Карпович Е.В. Формирование зоны соединения при изготовлении переходников с развитыми поверхностями контакта // Вюник дыпро-петровського уыверститету. Ракетно-космiчна технка.- Випуск 4.-Днтропетровськ: ДГУ, 2000. - С. 76-80.
Поступила в редакцию 12.03.2007
Уробот1 наведено результати досл1джень впливу середовища на яксть з'еднань по охоплюваних поверхнях з однор1дних матер1ал1в, що одержано методом дифуз1йного зва-рювання. Показано, що рдке середовище (сольовий розплав) забезпечуе б1льше р1вном1рне нагр'!вання, але не дозволяе одержати необх1дного контактного тиску. Наведено реко-мендацИ'для п1двищення якост1 розглянутого типу з'еднань.
The results of researches of an environmental effect on quality in junctions of homogeneous materials surfaces received by a method of a diffusion welding are indicated. The fluid medium (saline melt) ensures more even heating, but does not allow to receive demanded contact pressure. The recommendations for improvement of the quality of a considered type junctions are given.
—0ml 9яяяяяВестникядвигателестроенияя1 l/n007
- 119 -
