Способ диффузионной сварки трубчатых переходников титан - нержавеющая сталь

Патент 2205732

Авторы

Реферат

Изобретение относится к области сварки и может быть использовано при диффузионной сварке трубчатых переходников. На внутренней поверхности втулки из нержавеющей стали выполняют кольцевые канавки резьбового профиля и размещают ее снаружи втулки из титанового сплава. До начала процесса диффузионной сварки втулку из нержавеющей стали с помощью высокой частоты нагревают в интервале температур 1050 - 1100^oС и выдерживают при этой температуре не более 5 мин. После этого нагрев снижают до температуры диффузионной сварки и прогревают с помощью тепла наружной втулки из нержавеющей стали втулку из титанового сплава до температуры диффузионной сварки. Затем осуществляют сдавливание свариваемых поверхностей путем раздачи втулки из титанового сплава с помощью инструмента с обеспечением заполнения кольцевых канавок титановым сплавом. После заполнения продолжают нагрев при температуре диффузионной сварки не менее 1 мин. Свариваемые поверхности втулок из титанового сплава и нержавеющей стали могут быть выполнены ступенчатыми. Сваренные втулки переходника могут быть охлаждены в вакууме до 300^oС. Осуществление данного способа позволяет значительно повысить работоспособность трубопроводов, работающих в условиях вибрации и частых смен температуры среды. 2 з.п.ф-лы.

Изобретение относится к области сварки, а более конкретно к технологии диффузионной сварки трубчатых переходников титан - нержавеющая сталь. Титан и его сплавы с нержавеющей сталью не свариваются сваркой плавлением, так как при совместном плавлении они образуют целый ряд хрупких интерметаллидиых соединений и эвтектик.

Поэтому в промышленности основным технологическим направлением при сварке труб из титановых сплавов с трубами из нержавеющей стали стало использование биметаллических трубчатых переходников, предварительно изготавливаемых методами сварки в твердой фазе (без расплавления), в частности методом диффузионной сварки в вакууме (см. Л.Г. Стрижевская и др. Сварка разнородных металлов с использованием биметаллических переходников (Журнал "Сварочное производство". 1969 г., 8, с. 18 и 19).

Титан относится к группе высокоактивных металлов, поэтому в процессе диффузионной сварки с нержавеющей сталью, характеризующейся нагревом до 0,5-0,7 температуры плавления одного из свариваемых металлов и сдавливанием, в сварном соединении образуются промежуточные слои, содержащие в основном хрупкие интерметаллидные фазы Ti₂ (Fe, Сr), которые значительно снижают прочностные свойства получаемых сварных соединений, так, например, после диффузионной сварки стандартных образцов из титанового сплава ВТ5-1 с нержавеющей сталью Х25Н15 образцы разрушались в процессе их обработки на токарном станке (см. Казаков Н.Ф. Диффузионная сварка материалов. М.: Машиностроение, 1976, с. 186 и 187).

Для повышения прочностных характеристик диффузионных сварных соединений из титановых сплавов и нержавеющей стали, в частности титанового сплава ВТ5-1 с нержавеющей сталью 12Х18Н10Т, между свариваемыми поверхностями применяют многослойные прослойки, такие как V+Сu+сталь+Ni и V+Cu+Ni, получаемые прокаткой в вакууме при 800-900^oС.

Известен способ по применению этих прослоек для сварки трубчатых переходников из сплава ВТ5-1 и стали 12Х18Н10Т диаметром 60-70 мм и длиной до 150 мм (см. Казаков Н.Ф., там же, с. 189).

По этому способу прослойки помещали между торцами свариваемых трубчатых заготовок, нагревали в вакууме до 1000^oС, сдавливали с усилием 0,5 кгс/мм² и выдерживали при этих температуре и давлении не менее 15 мин.

Основным недостатком этого способа диффузионной сварки трубчатых переходников является отсутствие надежных способов неразрушающего контроля прочностных характеристик сцепления между слоями прослоек, а также между прослойкой и трубчатыми заготовками, что непригодно для сварки с помощью полученных таким способом переходников ответственных трубопроводов из титановых сплавов и нержавеющей стали.

С целью увеличения конструктивной прочности трубчатых переходников за счет увеличения площади сварного соединения трубчатые заготовки сваривали внахлестку.

Известен способ диффузионной сварки внахлестку трубчатых переходников из титановых сплавов и нержавеющей стали с размещением трубчатой заготовки из титанового сплава снаружи трубчатой заготовки из нержавеющей стали (см. Казаков Н.Ф., там же, с. 189).

Размещение титановой заготовки снаружи заготовки из нержавеющей стали позволяет получить необходимое для диффузионной сварки сдавливание свариваемых поверхностей за счет того, что у нержавеющей стали коэффициент термического расширения примерно в два раза больше, чем у титанового сплава. Однако при охлаждении после сварки за счет той же разницы в коэффициентах термического расширения происходит разрушение переходной зоны и отрыв втулок друг от друга с образованием течи (см. Казаков Н.Ф. Диффузионная сварка материалов, М. Машиностроение, 1976 г., с. 189).

Если при сборке под диффузионную сварку втулку из нержавеющей стали сделать охватывающей, а втулку из титанового сплава при нагреве до температуры диффузионной сварки раздать в диаметре и принудительно прижать к внутренней поверхности втулки из нержавеющей стали, то после сварки и охлаждения она будет сжимать втулку из титанового сплава и заодно хрупкую диффузионную прослойку, которая образуется между ними, однако такая схема сборки трубчатых заготовок под диффузионную сварку в технологическом плане намного сложнее, чем первая схема, так как требует необходимости при температуре диффузионной сварки принудительно раздавать в диаметре трубчатую заготовку из титанового сплава для того, чтобы выбрать образовавшийся во время нагрева термический зазор и обеспечить необходимое сварочное сдавливание свариваемых поверхностей.

Такая схема сборки трубчатых заготовок перед диффузионной сваркой хотя и обеспечивает после сварки и охлаждения сжатие хрупкой диффузионной прослойки в радиальном направлении, но в то же время не исключает образование в хрупкой диффузионной прослойке больших сдвиговых напряжений вдоль нахлестки, образующихся также из-за двукратной разницы в коэффициентах термического расширения титанового сплава и нержавеющей стали.

Наличие в хрупких диффузионных прослойках нахлесточных соединений переходников титан - нержавеющая сталь больших сдвиговых напряжений, возрастающих с ростом толщин свариваемых втулок, может приводить к потере герметичности диффузионного сварного соединения, когда сдвиговые напряжения превысят прочность диффузионной прослойки на срез. А в условиях эксплуатации при наличии вибраций и частых смен температуры среды в трубопроводе потеря герметичности может наступить при значениях сдвиговых напряжений ниже предела прочности на срез диффузионной прослойки.

Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, состоит в разработке способа диффузионной сварки трубчатых переходников из титановых сплавов и нержавеющей стали, работоспособных в ответственных трубопроводах, работающих в условиях вибрации и частых смен температуры среды.

Технический результат, получаемый при осуществлении заявленного изобретения, состоит в том, что непосредственно перед диффузионной сваркой поверхность втулки из нержавеющей стали очищается от окисной пленки за счет высокотемпературной диссоциации окислов хрома и железа в вакууме и последующего процесса распыления образующихся при этом ионов хрома и железа. Предварительное очищение поверхности втулки из нержавеющей стали от весьма пассивных для диффузионных взаимодействий с титановым сплавом окисных пленок позволяет снизить температуру и время диффузионной сварки, а также толщину образующейся при этом диффузионной прослойки. При этом хрупкая интерметаллидная прослойка практически не подвергается в процессе остывания после диффузионной сварки и при эксплуатации растягивающим и сдвиговым напряжениям, что делает это нахлесточное соединение работоспособным в условиях вибрации трубопровода и частой смены температуры среды, протекающей по трубопроводу.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе диффузионной сварки трубчатых переходников титан - нержавеющая сталь, включающем изготовление втулок из титанового сплава и нержавеющей стали, их телескопическое соединение, нагрев в вакууме до температуры диффузионной сварки, сдавливание свариваемых поверхностей, выдержку при температуре диффузионной сварки и охлаждение: - на внутренней поверхности втулки из нержавеющей стали выполняют кольцевые канавки резьбового профиля и размещают ее снаружи втулки из титанового сплава, а до начала процесса диффузионной сварки втулку из нержавеющей стали с помощью высокой частоты нагревают в интервале температур от 1050 до 1100^oС и выдерживают при этой температуре не более 5 мин, после чего нагрев снижают до температуры диффузионной сварки и прогревают с помощью тепла наружной втулки из нержавеющей стали втулку из титанового сплава до температуры диффузионной сварки, после чего осуществляют сдавливание свариваемых поверхностей путем раздачи втулки из титанового сплава с помощью инструмента с обеспечением заполнения кольцевых канавок титановым сплавом, а после их заполнения продолжают нагрев при температуре диффузионной сварки не менее 1 мин; - кроме того, свариваемые поверхности втулок из титанового сплава и нержавеющей стали выполняют ступенчатыми; - кроме того, сваренные втулки переходника охлаждают в вакууме до 300^oС.

Заявленный способ диффузионной сварки трубчатых переходников титан - нержавеющая сталь позволяет получать равнопрочные высоконадежные сварные соединения, работоспособные в ответственных трубопроводах, работающих в условиях вибрации и температурных колебаний. Высокая надежность переходника достигается за счет выбора конструкции переходника и технологии диффузионной сварки, которые обеспечивают стабильное получение в сварном диффузионном соединении относительно тонкой диффузионной прослойки за счет снижения температуры сварки и сокращения времени выдержки при этой температуре, а конструктивная схема переходника обеспечивает при этом хрупкой диффузионной прослойке режим сжатия как в радиальном, так и в осевом направлениях на всей площади телескопического соединения за счет установки втулки из нержавеющей стали снаружи втулки из титанового сплава и выполнения на внутренней поверхности втулки из нержавеющей стали кольцевых канавок резьбового профиля. Конструкция переходника обеспечивает в процессе охлаждения после сварки радиальное сжатие полученной диффузионной прослойки в результате того, что нержавеющая сталь имеет в два раза больший коэффициент термического расширения, чем титановый сплав, в результате чего в процессе охлаждения наружная втулка бандажирует внутреннюю, заодно сжимая диффузионную прослойку, а выполнение на внутренней поверхности втулки из нержавеющей стали кольцевых канавок резьбового профиля и заполнение их металлом втулки из титанового сплава, в свою очередь, разгружают хрупкую диффузионную прослойку от продольных сдвиговых напряжений, т.к. все продольные сдвиговые напряжения, возникающие от рабочих нагрузок и термических расширений, воспринимает на себя механическое зацепление в виде кольцевых выступов и впадин, образованное на всей длине телескопического трубчатого соединения.

Для снижения толщины стенки переходника в месте нахлестки, а также для фиксации втулок в процессе нагрева и диффузионной сварки телескопическое соединение свариваемых втулок выполняют ступенчатым, что позволяет иметь увеличение толщины стенки переходника в месте нахлестки всего в пределах 0,5-1,5 мм.

После диффузионной сварки сваренную заготовку охлаждают в вакууме до 300^oС, чтобы защитить титановую часть переходника от интенсивного окисления, которое снижает прочностные и коррозионные свойства титана и его сплавов.

Примеры осуществления заявленного способа диффузионной сварки переходников титан - нержавеющая сталь 1. Втулку из титанового сплава марки 3В с наружным диаметром 90 мм и толщиной стенки 5 мм сваривали диффузионной сваркой в вакууме со втулкой из нержавеющей стали марки 0Х18Н10Т диаметром 110 мм и толщиной стенки 11 мм. Длина каждой втулки составляла 100 мм.

Внутреннюю поверхность втулки из нержавеющей стали с одного конца на длине 50 мм растачивали до диаметра 90 мм и на этом диаметре протачивали резьбовым резцом вплотную друг к другу кольцевые канавки резьбового профиля с шагом 1,5 мм.

После обезжиривания и сушки втулку из нержавеющей стали устанавливали в высокочастотный индуктор сварочной камеры проточкой вверх на специальный подвижный шток. В проточку вставляли обезжиренную втулку из титанового сплава.

В сварочной камере создавали разрежение 510^-5 мм рт.ст., после чего с помощью высокочастотного индуктора за счет форсирования мощности быстро нагревали только втулку из нержавеющей стали до температуры 1090^oС. Температуру нагрева контролировали автоматически пирометром через кварцевое окно сварочной камеры.

Эту температуру поддерживали в течение 3 мин, после чего мощность высокочастотного лампового генератора сбрасывали таким образом, чтобы нагрев втулки из нержавеющей стали не превышал заданной температуры диффузионной сварки, равной 930^oС, характерной для сварки титанового сплава 3В с учетом термической очистки поверхности нержавеющей втулки от окисной пленки, в то время как без предварительного удаления окисной пленки эта температура составляет 970^oС при обязательном условии сварочного сдавливания и длительной выдержки при этом.

Температуру 930^oС поддерживали до тех пор, пока часть титановой втулки, входящей во втулку из нержавеющей стали, не нагреется до 930^oС. После этого втулку из титанового сплава начинали раздавать в диаметре на 3,2 мм за счет постепенного ввода во втулку вращающегося высокотемпературного трехроликового раскатника.

У высокотемпературного трехроликового раскатника жаропрочные раскатные ролики установлены на длинных свободно вращающихся штангах, что позволяет защитить их подшипники от перегрева.

В результате роликовой раздачи втулки из титанового сплава происходило вдавливание ее стенки в кольцевые канавки на втулке из нержавеющей стали до их полного заполнения. Сразу после роликовой раздачи и заполнения кольцевых канавок титановым сплавом роликовый раскатник удаляли, а втулки выдерживали при температуре 930^oС в течение 2 мин, после чего нагрев отключали и сваренную заготовку переходника охлаждали в рабочем вакууме до 300^oС, а потом напускали в сварочную камеру воздух, в котором заготовка охлаждалась до комнатной температуры.

После токарной обработки по чертежу получили переходник с наружным диаметром 100 мм и толщинами стенок 4 мм.

2. По этой же технологии сваривали диффузионной сваркой аналогичный по габаритам трубчатый переходник, который отличался от первого только тем, что телескопическое соединение втулки из титанового сплава 3В и нержавеющей стали марки 08Х16Н10Т выполнили в виде 3 ступенек длиной по 16,5 мм. В результате после диффузионной сварки и токарной обработки был получен трубчатый переходник с теми же стенками, толщиной по 4 мм, но с уменьшенным наружным диаметром, равным всего 93 мм.

Такое уменьшение наружного диаметра трубчатого переходника иногда необходимо по конструктивным требованиям.

Формула изобретения

1. Способ диффузионной сварки трубчатых переходников титан - нержавеющая сталь, включающий изготовление втулок из титанового сплава и нержавеющей стали, их телескопическое соединение, нагрев в вакууме до температуры диффузионной сварки, сдавливание свариваемых поверхностей, выдержку при температуре диффузионной сварки и охлаждение, отличающийся тем, что на внутренней поверхности втулки из нержавеющей стали выполняют кольцевые канавки резьбового профиля и размещают ее снаружи втулки из титанового сплава с образованием телескопического соединения, а до начала процесса диффузионной сварки втулку из нержавеющей стали с помощью высокой частоты нагревают в интервале температур 1050-1100^oС и выдерживают при этой температуре не более 5 мин, после чего нагрев снижают до температуры диффузионной сварки и прогревают с помощью тепла наружной втулки из нержавеющей стали втулку из титанового сплава до температуры диффузионной сварки, после чего осуществляют сдавливание свариваемых поверхностей путем раздачи втулки из титанового сплава с помощью инструмента с обеспечением заполнения кольцевых канавок титановым сплавом, а после их заполнения продолжают нагрев при температуре диффузионной сварки не менее 1 мин.

2. Способ диффузионной сварки по п.1, отличающийся тем, что свариваемые поверхности втулок из титанового сплава и нержавеющей стали выполняют ступенчатыми.

3. Способ диффузионной сварки по п.1 или 2, отличающийся тем, что сваренные втулки переходника охлаждают в вакууме до 300^oС.