Способ сварки концентрично расположенных цилиндрических деталей

 

СОК)З СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН (51)4 В 23 К 20/12

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н A BTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (2)) 3808087/25-27 (22) 05.11.84 (46) 07.08.86. Бюл. N - 29 (71) Ворошиловградский проектно †технологический институт машиностроения им. ХХУ1 съезда КПСС (72) В.С.Тарасов (53) 621.791.14(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР .1Ф 797858, кл. В 23 К 20/00, 1972.

Авторское свидетельство СССР

У 534328, кл. В 23 К 20/12, 1975.

„„SU„,, 124 745 А1 (54) (57) I СПОСОБ СВАРКИ КОНЦЕНТРИЧН0 РАСПОЛОЖЕННЫХ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ, при котором производят разогрев деталей трением, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения;производительности и качества сварки, а также расширения технологических возможностей способа, по меньшей мере одну из свариваемых деталей вращают и по меньшей мере на одну из свариваемых деталей воздействуют импульсом деформирующего магнитно1 поля, достаточным для взаимного контакта сопрягаемых цилиндрических поверхностей с выделением теплоты трения.

2. Способ сварки по п.1, о т л и- ч а ю шийся тем, что после достижения достаточной для сварки теплоты трения по меньшей мере на одну из свариваемых деталей воздействуют вторым импульсом, достаточным для достижения между указанными поверхностями необходимого давления осадки и схватывания, прекращая вращение.

3. Способ сварки по п.1, о т л и— ч а ю m иH и с я тTеeм, что напряженность поля, первого импульса выбирают достаточной для свободной деформации деталИ, затем воздействуют рядом импульсов, напряженность поля которых повьппают до величины, достаточной в последнем импульсе для осадки и схватывания при достижении контакта сопрягаемых поверхностей с выделением

1248745 необходимого дпя сварки количества теплоты.

4. Способ сварки по п.3, о т л ич а ю шийся тем, что напряженность поля каждого последующего импульса повьппают до величины, соответствующей равной степени деформации детали от действия каждого импульса ряда, кроме последнего.

5. Способ сварки по п.2, о т л и— ч а ю шийся тем, что полем воздействуют на одну из деталей до достижения взаимного контакта их поверхностей, затем однократно воздействуют на вторую деталь до осадки и схватывания.

6. Способ сварки по п.3, о т л ич а ю шийся тем, что период вращения деталей выбирают некратным периоду следования импульсов.

Изобретение относится к сварке и может быть использовано во многих отраслях промьппленности для сварки деталей по цилиндрическим поверхностям, в том числе деталей из труднообрабатываемых и разнородных металлов, а также неэлектропроводньгх материалов.

Цель изобретения — повьппение производительности и качества сварки, а также расширение технологических возможностей способа.

На фиг.1 приведена схема осуществления способа, где условно показано направление тока в индукторе; на фиг.2 — схема сварки тонкостенных труб; на фиг.3 — сварка неэлектропроводных термопластичных деталей; на фиг.4 — сварка трех деталей по ци. линдрическим поверхностям; на фиг.5— применение способа при сборке штанги толкателя двигателя внутреннего сгорания с цилиндрическим хвостовиком и сферической частью; на фиг.б — то же, с чашеобразной частью.

Способ осуществляется следующим образом.

Трубчатая цилиндрическая деталь 1 (фиг.l) размещается относительно ци.пиндрической детали 2 и рабочей зоны цилиндрического индуктора 3 (на фиг.1 индуктор выполнен одновитковым, показана его изоляция) аксиально и приводится во вращение. При достиже- .

S нии установленной относительной ско— рости сопрягаемых цилиндрических поверхностей íà вращающуюся деталь 1 воздействуют посредством индуктора 3 импульсным деформирующим магнитным полем, пропуская через индуктор импульсы силового тока. Под действием поля деталь 1 деформируется, испытывая всестороннее обжатие. Зазор между сопрягаемыми поверхностями умень15 шается. Продолжение воздействия импульсов деформирующего поля вызывает контактирование цилиндрических поверхностей по всей длине свариваемых частей. При этом происходит притирка

20 поверхностей по выступам микронеровностей, характеризующаяся граничным (сухим) трением. Воздействие импульсным полем продолжают, всестороннее сжимающее усилие возрастает, что приводит к выделению теплоты трения в процессе вскрытия и взаимодействия чистых поверхностей металлов, образования и разрушения мостиков схватывания. Происходит интенсивное выделение тепла в тонком слое по цилиндри

1248745

10 !

25 ческой поверхности сопряжения. Воздействие импульсным полем продолжают, что приводит к осадке и схватыванию деталей 1 и 2 с образованием сварочного шва 4, после чего вращение прекращают и сваренные детали 1 и 2 извлекают из рабочей зоны индуктора 3.

При сварке деталей 1 и 2, имеющих разброс величин соответственно внутреннего и наружного диаметров в пределах допусков на изготовление (например, тянутых труб), способ осуществляют следующим образом.

После размещения деталей 1 и 2 в рабочей зоне индуктора 3 деталь 1 приводится во вращение. При достижении установленной относительной скорости сопрягаемых поверхностей на вращающуюся деталь 1 воздействуют рядом импульсов. Напряженность поля первого импульса выбирают достаточной для свободной деформации детали

1 при любом отклонении ее диаметров в пределах допуска. Деталь 1 деформируется, зазор между цилиндрическими поверхностями деталей 1 и 2 уменьшается. Расстояние между поверхностью рабочей зоны индуктора 3 и на. ружной поверхностью детали 1 возрастает, а стенка детали 1 несколько утолщается. Напряженность поля последующих импульсов повышают с таким расчетом, чтобы компенсировать ослабление воздействия индуктора 3 от увеличения расстояния между индуктором

3 и поверхностью детали 1, а также компенсировать увеличение жесткости (устойчивости) детали 1. При этом происходит периодическая деформация равной величины детали 1. Когда зазор между сопрягаемыми поверхностя— ми устраняется, возникает сначала граничное трение, а при последующем воздействии импульсов — интенсивное выделение тепла по цилиндрической поверхности сопряжения. При этом воздействуют импульсом, достаточным цля осадки и схватывания деталей, прерывая ряд импульсов. Образуется сварочный шов 4, вращение прекращается, детали 1 и 2 извлекают из рабочей зоны индуктора 3. Напряженность поля последнего импульса последовательности выбирают достаточной для осадки и схватывания поверхностей при любой величине разброса диаметров деталей в пределах допусков

55 на их изготовление. Период следования импульсов выбирают в диапазоне

0,02 — 5 с. в зависимости от диаметров деталей 1 и 2 и скорости их относительного вращения. Наименьший период указанного диапазона ограничивается возможностями магнитно-импульснэй установки создавать необходимую напряженность поля в рабочем зазоре индуктора 3 через укаэанные промежутки времени. Наибольший период ограничивается скоростью распространения теплоты трения от цилиндрического слоя взаимодействия деталей 1 и 2 на всю толщину стенок этих деталей, что значительно ослабляет дальнейшее воздействие-импульсного деформирующего .поля на свариваемые детали, так как их удельное электрическое сопротивление при нагреве возрастает.

При сварке деталей 1 и 2 (фиг.1), имеющих малый разброс величин диаметров, способ осуществляется следующим образом.

Размещают детали 1 и 2 и индуктор

3 аксиально, деталь 1 приводят во \ вращение с повышенной скоростью, чтобы относительная скорость сопрягаемых поверхностей деталей 1 и 2 была в диапазоне 25 — 65 м/с. На вращающуюся деталь 1 однократно воздействуют импульсом поля, достаточным для обжатия детали 1 по цилиндрической поверхности детали 2 с натягом. При этом под действием силы давления обжатия и момента вращения практически сразу после контакта поверхностей деталей 1 и 2 происходит вскрытие и взаимодействие чистых поверхностей металлов с образованием большого количества теплоты. Температура взаимодействующих поверхностей быстро возрастает. Причем благодаря некоторому пружинению обжатой детали 1 (а в случае тонкой стенки — детали 2 и ее пружинению в радиальном направлении) давление обжатия сохраняется, несмотря на приработку контактирующих поверхностей. Происходит интенсивная проработка структуры материалов деталей в микрообъеме взаимодействующих поверхностей. Образуется сварочный шов 4. Если материалы деталей .одинаковы или имеют повышенную способность к свариванию, сварку закан-. чивают, прекращая вращение. Если материалы разнородны или трудносвариваемые, на деталь 1 воздействуют од1248745 нократно импульсным полем для достижения осадки и схватывания, вращение прекращают, детали 1 и 2 извлекают из индуктора 3.

При относительной скорости свариваемых поверхностей ниже 25 м/с выделение тепла при сварке недостаточно интенсивно, температура слоя по сопрягаемым поверхностям не достигает необходимой для качественной свар- t0 ки величины до того, как детали взаимно прирабатываются. Для осуществления способа при таких скоростях необходимо дополнительное воздействие де3 формирующим полем для восстановления 15 нужного усилия обжатия. При относительной скорости выше 65 м/с улучшения качества сварки не наблюдается, так как и при более низкой скорости происходит достаточно интенсивная 20 прораббтка деталей по сварочному шву, кроме того, получить такую относительную скорость трудно, особенно при применении инерционной массы для создания сварочного момента. 25

При сварке цилиндрических тонкостенных деталей способ осуществляется следующим образом.

Тонкостенные трубчатые детали 1 и 2 (фиг.2) размещают аксиально индуктору 3. Дополнительный индуктор 5 размещают аксиально в полости трубчатой детали 2. Индуктор 3 работает по схеме "на обжим", индуктор 5 — "на раздачу". Детали и 2 приводят во вращение в противоположные стороны.

На деталь 1 воздействуют импульсом поля, достаточным для обжима детали

1 по наружной поверхности детали 2

40 с выделением достаточного для сварки количества тепла. При этом деталь l разогревается по наружной поверхнос— ти от воздействия поля, наводящего индукционные токи в материале детали.

Деталь 2 разогрета по наружной поверхности теплотой трения, по внутренней поверхности деталь 2 не нагрета, следовательно, ее удельное сопротивление не возрастает. После интенсивной проработки поверхностного слоя при помощи .индуктора 5 на внутреннюю поверхность детали 2 воздействуют импульсом поля, достаточным для осадки и схватывания деталей 1 и 2, образуется шов 4, при этом прекращают вращение, детали 1 и 2 извлекают из рабочих зон индукторов 3 и 5. Так как в каждом импульсе полем воздействуют на поверхностные слои материалов деталей с температурой окружающей среды, воздействие индукторов 3 и 5 достаточно эффективно, их стойкость с уменьшением необходимой для деформации напряженности поля значительно возрастает.

При сварке неэлектропроводных термопластичных материалов способ осуществляется следующим образом.

Трубчатую цилиндрическую неэлектропроводную деталь (фиг.3) размещают относительно цилиндрической не-. электропроводной детали 2 и индуктора 3 аксиально, На наружный диаметр детали 1 надевают кольцевую BcIIQMQ гательную деталь 6 (спутник) из электропроводного материала. Деталь

1 приводят во вращение. При достижении установленной относительной скорости между внутренней поверхностью детали 1 и наружной поверхностью детали 2 на деталь 6, вращающуюся совместно с деталью 1, воздействуют импульсом деформирующего магнитного поля. При этом деталь 6 испытывает все- стороннее сжатие и обжимает материал детали 1 .по поверхности детали 2, создавая в объеме обжатого материала детали 1 остаточное давление за счет его упругих свойств.

В цилиндрическом слое по сопрягае-, мым поверхностям интенсивно выделяется теплота трения, после проработки слоя вращение прекращают, образуется сварочный шов 4. Разогретые за счет теплопередачи сваренные по цилиндри— ческим поверхностям детали и 2 извлекают из индуктора 3 совместно с деталью 6, что обеспечивает сохранение их соосности. После остывания деталей 1 и 2 деталь 6 можно снять с детали 1. Однако во многих случаях практического применения предлагаемого способа (например; при изготовлении трубопроводной арматуры в химической промьппленности) деталь 6 оставляют на детали 1 и используют для крепления собранного из деталей 1 и

2 узла (например, в виде каркасной прокладки под стягивающий хомут крепления). Для надежной фиксации детали

1 в детали 6 (в этом случае) на внутренней поверхности последней выполняют рельефную накатку. При воздействии деформирующего поля на деталь 6 она нагревается индукционными тока 4и и ее разогретый рельеф накатки под

1248745 действием механического усилия обжатия прочно сцепляется с материалом термопластичной детали I, Увеличение удельного сопротивления детали 6 в результате нагрева роли не играет, так как возцействие полем производят

I однократно.

При сварке трех (или более) труб— чатых цилиндрических деталей с образованием цилиндрических коаксиальных полостей способ осуществляется следующим образом.

Детали 1, 2 и 7 (фиг.4) размещают аксиально по отношению к индуктору 3.Детали 2 и 7 соединяют с инерционными несвязанными массами. Во внутреннюю полость детали 7 вводят втулку 8 для придания детали 7 жесткости. Деталь 1 приводят во вращение. Посредством индуктора 3 на деталь 1 воздействуют импульсами деформирующего поля. После возникновения трения между деталями 1 и 2 деталь 2 начинает вращаться совместно с деталью 1. После схватывания поверхностей деталей 1 и

Ф

2 .они вращаются совместно, образуется сварочный шов 4. Воздействие полем при этом продолжают до возникновения трения между деталями 2 и 7, описанные процессы повторяются, и че рез промежуток времени, необходимый для сварки поверхностей деталей 2 и

7, деталь 7 и совместно с ней калибрующая втулка 8 приобретают скорость детали 1. Образуются сварочный шов

4 между деталями 2 и 7 и соответствующие полости в несваренной части деталей 1, 2 и 7. Благодаря втулке 8 масса стенок деталей 1 и 2 не деформирует стенку детали 7. Совместно вращающиеся детали 1, 2 и 7 останавливают, втулку 8 извлекают из детали

7, а сваренный узел — из рабочей зоны индуктора 3.

При осуществлении способа последовательностью импульсов воздействуют на вращающуюся относительно источника поля — индуктора деталь, при этом неравномерность всестороннего сжатия, вызванная наличием диэлектрическогв паза в витке индуктора (или концентратора), не влияет на качество сварного соединения, так как период вращения детали выбирается некратным периоду следования импульсов и вероятность повторения импульса в том же ,положении детали мала.

8250

0,35 — 0,65

Пример, Применение предлагаемого способа при сборке штанги толкателя двигателя внутреннего сгорания.

Сборная штанга толкателя состоит из трубчатого цилиндрического стержня 1 (фиг.5) наконечника 2 с цилиндрическим хвостовиком и сферической частью, а также аналогичного наконечника (фиг.6) с чашеобраэной частью.

Стенка трубчатого стержня 1 тонкая, выполнить конусную разделку для сварки трением затруднительно. Наружный диаметр наконечника 2 не менее наружного диаметра трубчатого стержня ! поэтому нет доступа с торцовой части для сварки трением при помощи третьей детали, помещенной в цилиндрическую разделку. Для сварки согласно предлагаемому способу трубчатый стержень 1 .и цилиндрический хвостовик наконечника 2 размещают аксиально по сопрягаемым поверхностям в индукторе 3. Стержень 1 снабжают инер ционной массой для создания сварочно-, го момента и посредством муфты соединяют с приводом вращения. Стержень

1 приводят во вращение и воздействуют на него последовательностью им30 пульсов деформирующего поля согласно предлагаемому способу до образования сварного соединения. Режим сварки при диаметре стержня штанги 15 мм следующий:

Число оборотов стержня в минуту до воздействия полем

Амплитуда импульсного тока в индукторе, MA

Частота тока в импульсе, кГц 78

Время сварки в зависимости от допусков на диаметры, с 1,2 — 4,7

Наконечник с чашеобразной частью сваривается со вторым концом трубчатого стержня 1 аналогично.

Если необходимо обеспечить уменьшение массы штанги (например, для штанги быстроходного двигателя), сварку производят одновременно по двум поверхностям — цилиндрической согласно предлагаемому способу и по

55 плоской торцовой поверхности стержня (фиг.б). Свариваемые детали сдавливают с необходимым для сварки по терцовой поверхности стержня 1 и обечай1248745

1О ки наконечника 2 усилием P. Стержень и наконечник 2 приводят во вращение в противоположные стороны для увеличения относительной скорости свариваемых поверхностей. На цилиндрическую поверхность стержня 1 воздействуют деформирующим полем. Давление P увеличивают до давления осадки по торцовой поверхности в момент воздействия на цилиндрическую поверхность стержня 1 последнего импульса поля, вызывающего осадку и схватывание по цилиндрической поверхности сопряжения. Образуются сварочные швы.. За счет увеличения общей площади сварочного шва и расположения- частей шва в разных плоскостях можно уменьшить длину цилиндрического хвестовика и уменьшить вес штанги на 157

5 при равной прочности.

Предлагаемый способ расширяет технологические возможности сварки, позволяет осуществлять сварные соединения деталей по цилиндрическим поверхностям с применением для обжатия деталей воздействия импульсного деформирующего магнитного поля, а также получать высококачественные сварные соединения практически без образования грата.

1248745

1248745

Составитель К.Быковец

Техред Ц,Бонкало

Корректор Г.Решетник

Редактор О.Бугир

Заказ 41á7/11

Тираж 1001

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, 8-35, Раушская наб., д. 4/5

Подписное

Производственно-полиграфическое предприятие, r. Ужгород, ул. Проектная, 4