Способ сварки давлением

 

Назначение: для сварки давлением разнородных металлов и длинномерных изделий. Свариваемые концы деталей подготавливают , сжимают и после образования физического контакта свариваемых поверхностей сдвигают относительно друг друга, В результате использования этого приема очищаются, активируются свариваемые поверхности . 2 ил., 5 табл. (Л С

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 (21) 4836803/08 (22) 11.06,90 (46) 15.08.92. Бюл. N 30 (71) Институт электросварки им; Е.Q.Ïeòoíà (72) И.А.Безпрозванный, Р.M.Широковский, Н.А.Глаголев, В.А,Петухов, А,Н.Цимбал, В.Г.Чайка, А.Г.Сахацкий, О.В.Колташ, Ю.А.Миргород и M.Ã.Ôåäîðåíêo (56) Гуляев А.И. Технология и оборудование контактной сварки, М.: Машиностроение, 1985, с,256.

Технология и оборудование контактной сварки/Под ред. Б.Д,Орлова, М.: Машиностроение, 1986, с.352.

Сварка трением. Справочник/Под. ред.

В.К.Лебедева и др. Л.: Машиностроение, 1987, с,240.

Семенов А.Б. Схватывание металлов.

М,; Машгиз, 1958, с.59.

Изобретение относится к сварке и может быть использовано при стыковой сварке давлением для изготовления длинномерных изделий из проката, сложных деталей йз простых заготовок в целях экономии легированных сталей (режущий инструмент, клапаны двигателей и т.д.) из черных и цветных металлов.

Известен способ контактной сварки сопротивлением, при котором детали зажимаются в губках, вводятся в соприкосновение под усилием и после этого включается сварочный ток. Металл в местесоединения прогревается до пластического состояния.

В конце нагрева иногда повышается усилие осадки, Этот способ применяется при сварке сравнительно небольших сечений (до 300 мм2).

„„5U „„1754365 А1 (я)л В 23 К 11/02, 11/04, 20/12 (54) СПОСОБ СВАРКИ ДАВЛЕНИЕМ (57) Назначение: для сварки давлением разнородных металлов и длинномерных . изделий, Свариваемые концы деталей подготавливают, сжимают и после образования физического контакта свариваемых поверхностей сдвигают относительно друг друга, В результате использования этого приема очищаются, активируются свариваемые поверхности. 2 ил., 5 табл.

Известен способ контактной сварки оплавлением, наиболее распространенный способ контактной стыковой сварки разных сечений.

Перед оплавлением иногда применяют предварительный подогрев, что дает возможность уменьшить припуск на сварку, расширить зону нагрева деталей, уменьшить мощность сварочной машины. Непрерывным оплавлением сваривают детали с компактным сечением до 1000 мм; Область рационального применения оплавления с предварительным подогревом ограничивается сечением 500 — 10000 мм .

Известен способ сварки трением, при котором механическая энергия, подводимая к одной из свариваемых деталей, преобразуется в тепловую. непосредственно в месте будущего соединения. Такое сосредоточен1754365

50 способами не удается ное выделение тепла обусловливает особенности сварки трением.

Контактная сварка — процесс образования неразъемных соединений конструкционных металлов в результате их кратковременного нагрева электрическим током и пластического деформирования усилием сжатия.

Сварка трением — процесс образования неразьемных соединений конструкционных материалов в результате их кратковременного нагрева от преобразования механической энергии в тепловую и пластического деформирования усилием сжатия.

Соединение свариваемых деталей при контактной сварке, как и при сварке трением происходит путем образования связей между атомными агрегатами в зоне контакта этих деталей. При этом для образования физического контакта и активизации соединяемых поверхностей затрачивается тепловая и механическая энергия, подводимая извне.

Сварка давлением (контактная или трением) протекает только в процессе пластической деформации соединяемых поверхностей, когда непосредственно в зоне соединения сдвигающие напряжения вызывают скольжение. Сами же напряжения вызываются глубокими внешними деформациями в зоне соединения. В известных способах необходимые сдвигающие напряжения и деформации в зоне сварки получаются косвенным путем за счет небольших или больших смещенных обьемов. Для того чтобы продеформировать зону соединения на необходимую величину (смещенный объем), необходимо применять большиеусилия осадки. Для уменьшения прочности зоны сварки свариваемые материалы подвергают нагреву путем пропускания тока через установочные длины свариваемых заготовок или трением. Интенсивный нагрев зоны соединения до температур сварки вызывает окисление поверхностей, появление окисных плен в зоне стыка, которые существенно снижают качество сварных соединений, так как кроме того что являются концентраторами напряжений в зоне соединений, они препятствуют образованию простых металлических связей между атомами соединяемых материалов. Удаление их из стыка является первостепенной задачей, Однако достичь <их полного удаления известными

Следующим недостатком известных способов сварки давлением является высокая температура сварки и длительное ее действие. Как известно из металлофизики, структурные превращения, например в ста5

10 l5

35 лях, возникающие при высоких температурах, определяются температурой нагрева и временем пребывания металла при данной температуре. Основные структурные превращения в стали /за исключением мартенситного превращения/ протекают за счет диффузионных процессов. Поскольку диффузия пропорциональна температуре нагрева и времени, то структурные превращения, вызывающие разупрочнения при сварке, будут тем меньше, чем ниже температура нагрева в зоне соединения и меньше, время воздействия температур, вызывающих рост зерна и последующую рекристаллизацию, Снижение температуры при сварке вызовет уменьшение зоны термических влияний, что в свою очередь бла- . гоприятно скажется на качестве сварных соединений.

При сварке известными способами температуры сварки зачастую черезвычайно велики. Снижение же их не позволяет достаточно активизировать поверхности свариваемых материалов для получения качественных сварных соединений, При сухом трении наблюдается сильное схватывание металлов. При определенном соотношении сил N!Ò, где N — нормальная сжимающая сила, Т вЂ” сдвигающая сила (тангенциальная) сухое трение в каждой паре быстро перерастает в поверхностную деформацию, в процессе которой образуются сцепления — очаги прочных монолитных соединений.

Ближе всех по своей физической сути к предлагаемому техническому решению находится способ сварки давлением.

Образцы, установленные в специальном приспособлении, сжимаются силой й, а затем незакрепленный образец сдвигается силой Т от края незакрепленно;о образца, В процессе сдвига сжатых образцов возникает интенсивная микропластическая деформация трущихся поверхностей и их схватывание, Однако качество сварных соединений, выполненных данным способом, во многом зависит от подготовки свариваемых концов перед сваркой (их обработки, чистоты поверхности, наличия окисных плен на них и т,д.), Кроме того, к недостаткам данного способа следует отнести образование краевых непроваров при поперечном продольном (в меньшей степени) и поворотном сдвигах, необходимость разработки производительного способа зачистки, трудности получения доброкачественной сварки с минимальным разбросом значений механических свойств.

1754365

20

30

40

Цель изобретения — повышение качества сварного соединения при сварке давлением вследствие устранения возможности появления дефектов, повышения уровня и уменьшения разброса значений механических свойств.

Поставленная цель достигается тем; что свариваемые концы сдвигают после образования физического контакта свариваемых поверхностей, Это дает возможность образовывать очаги простых монолитных соединений не только за счет cxBGTblBBHMA металлов при сухом трении, но и дополнительно за счет глубоких внешних деформаций, которые вызывают сдвигающие напряжения. Кроме того, сдвиг концов деталей после образования физического контакта сваривэемых поверхностей разрушает окисные пленки, что существенно облегчает их удаление из стыка

Наличие дополнительных очагов схватывания позволяет получать сварные соединения при более низких температурах, что существенно повышает качество изделий.

Свариваемые концы сдвигают относительно друг друга после обрабатывания физического контакта свариваемых поверхностей. Так как в зоне соединения после образования физического контакта свариваемых поверхностей, например, нэ конечной стадии осадки (проковки) уже присутствуют сдвигающие напряжения, вызванные глубокой внешней деформацией от нормальной силы N, вызывающей сближение соединяемых поверхностей, то внешнее трение, вызванное силой Т, сразу вызывает дополнительные сдвигающие напряжения в месте контакта поверхностей.

Далее в процессе относительных сдвигов, сила внешнего трения переходит в силу, вызывающую внутреннее течение, при котором вследствие взаимодействия валентных электронов атомных сил образуются дополнительные металлические связи.

Окисные пленки под действием этих дополнительных течений разрушаются, выносятся из стыка с выдавленным металлом, а также исчезают из стыка вследствие диффузии.

В прототипе этих процессов не происходит, металлические связи образуются только за счет действия силы Т, нормальная сжимающая сила N в процессе образования металлических связей не участвует, так как не вызывает глубоких внешних деформаций, без которых не возникают сдвигающие напряжения. Т е. в прототипе в плоскости стыка при сварке образуется очагов-сцеплений прочных монолитных соединений за счет металлических связей гораздо меньше, чем при сварке предлагаемым способом, что понижает качество и механические свойства сварных- заготовок, На фиг.1 представлена схема, где N- ормальная сила, вызывающая сближение стыкуемых поверхностей, Т вЂ” тангенциальная сила, вызывающая поворотный сдвиг свариваемых концов, Tp — сварочный трансформатор, Ly<> — общая установочная длина, Ло,б, — припуск на осадку без тока,"

Л„„, — припуск на осадку под током.

Сварка осуществляется путем нагрева заготовок в пределах установочной длины уст электрическим током при давлении в торцах деталей Й и местной пластической деформации — осадки под током h.„„, и без тока Ло, g (фиг.1). С момента образования физического контакта свариваемых торцов деталей к одной или двум заготовкам прикладываются тангенциальные силы, разворачивающие заготовки относительно друг друга путем относительного поворота, Деталь или детали разворачиваются относительно друг друга до момента завершения осадки. Отключение тока производится в зависимости от времени его протекания либо в зависимости от перемещения подвижной части машины.

Предложенный способ сварки был проверен при сварке давлением цветных и черных металлов, где нагрев производился электрическим током при контактной сварке сопротивлением и оплавлением.

Свэривались цилиндрическйе заготовки различных диаметров из однородных и разнородных материалов. Одна из свариваемых заготовок разворачивалась относительно другой при помощи дополнительного пневмоцилиндра, который своим усилием через систему рычагов разворачивал одну из заготовок, Проведенные после сварки механические испытания на всех образцах, сваренных предлагаемым способом сварки, выявили повышение механических свойств как по прочности, так и по пластичности.

Особенный скачок в качестве сварных соединений был получен при сварке заготовок из черных и цветных металлов по предложенному способу в формирующих .устройствах с нагревом сопротивлением места соединения электрическим током.

На фиг.2 показана схематическая последовательность предлагаемой стыковой сварки давлением в формирующих устройствах, где 1 — свариваемые детали, 2 — электроды, 3 — формирующие части, 4 — грат, Й,< — нормальная сила, прикладываемая при

1754365

35 нагреве, N« — нормальная сила при осадке, Т вЂ” тангенциальная сила, L<> — суммарный припуск на сварку, ˄— припуск на нагрев, Ь„-. припуск на осадку, h «, — припуск на осадку без тока, аф — угол формирования, а — исходное состояние при нагреве, момент приложения нормальной силы нагрева N<, б — момент образования физического контакта свариваемых поверхностей и приложения нормальной силы осадки N«, силы, Т; в — момент отключения тока; г — конец сварки.

Применение при сварке давлением фсрмирования в условиях всестороннего сжатия требует повышенных сил осадки.

Поэтому в данном случае используется цикл с двойным давлением — малым при нагреве с усилием NH и большим при осадке с усилием N«. Увеличение силы осуществляется автоматически по величине перемещения подвижного стола сварочной машины, что позволяет стабилизировать качество сварных соединений.

В данном случае производился нагрев стыкующихся поверхностей, последующая их осадка с поворотом деталей относительно друг друга, удаление выдавленного металла. Нагрев производили путем пропускания тока через припуски на сварку, которые в процессе осадки выдавливались в грат {фиг.2). Глубокая деформация в зоне стыка осуществлялась специальными формирующими устройствами с большой скоростью при высоких давлениях.

Далее рассмотрим конкретные примеры применения предлагаемого способа для сварки заготовок из черных и цветных ме. таллов различных диаметров.

Заготовки из стали ЗОХГСА диаметром

35 мм сваривались оплавлением на стыкосварочной машине К-274М с переоборудованной под цилиндрические заготовки электродной частью. Эта машина имеет гидравлический привод оплавления и осадки, обеспечивающий усилие при осадке в пределах 10000 — 80000 Н и скорость осадки не менее 100 мм/с. Машина снабжена гидравлической следящей системой, управляющей скоростью перемещения подвижной плиты при оплавлении и осадке. Номинальная мощность ее сварочного трансформатора

49 кВа при ПВ = 207, максимальный вторичный ток 15 кА. Тангенциальная сила прикладывалась с момента образования физического контакта сваривэемых поверхностей т.е. с момейта включения осадки.

После сварки заготовки подвергались механическим испытаниям. Для сравнения испытывались заготовки из тех же материалов, тех же диаметров, сваренные контактной сваркой непрерывным оплавлением на этой же машине, а также сваркой трением на машине СТ-102 с одновременным пропусканием тока через торцы деталей и без пропускания тока.

Режимы сварки сведены в табл.1 и 2, результаты механических испытаний — в табл.3, Интересны данные, полученные при сварке заготовок из стали и алюминия. предлагаемым сйособом в формирующих устройствах. Режимы сварки и механические свойства полученных соединений приведены в табл.4 и 5 в сравнении со свойствами и режимами сварки заготовок, полученных известными способами сварки сопротивлением. Сваривались цилиндрические заготовки из стали У7 диаметром 6 мм и из алюминиевого сплава Д16 диаметром 8 мм на стыкосварочной машине K-766.

Из приведенных данных испытаний видно, что предложенный способ сварки по сравнению с другими известными способами сварки давлением обеспечивает улучшение качества сварных соединений заготовок как из цветных, так и из черных металлов.

Создание в стыкуемых плоскостях дополнительных очагов схватывания позволяет снизить напряжение сварочного трансформатора на ступень ниже, что уменьшает плотнОсть тока при сварке, т.е. снижает температуру сварки и уменьшает зону термических влияний, что благоприятно сказывается нэ качестве сварных соединений. Микроструктурными исследованиями на образцах, сваренных в формирующих устройствах по предлагаемому способу выявлено уменьшение ширины зоны термических влияний на образцах из стали У7 диаметром 6 мм на 0,2 мм, Формула изобретения

Способ сварки давлением, при котором свариваемые концы деталей подготавливают, сжимают и сдвигают относительно друг друга, отличающийся тем, что, с целью повышения качества сварного соединения путем устранения возможности появления дефектов, повышения уровня и стабильности механических свойств преимущественно при сварке длинномерных деталей и деталей из разнородных металлов, свариваемые торцы сдвигают после образования физического контакта свариваемых поверхностей, 10

1754365 блина 1 в»в «««в °

° юва

Вид сварки Ь мм

° а«вв ° в«еа в«ее

r \»» «»»вю в ю Фе овл ° po Чоы, и ° ceh9

Ч N мм мм мм/о мм/с кН

«ва сeB Вой,а,т Ф кН с мм

0,4 3"5 10 -, 6-8 3

15 6

6,7

Сварка пред" лагаемым способом

45 5,2 15 6 0,4 3-5 10 20 6-7 3

В О

О «Ф ЬВЮВ В «\О В

«\ °

П Р и м е ч а н и. е. Ь - УстановочнаЯ Длина, ив„ х - напРЯжение холостОго хода сваРочнОго; трансформатора, а ogg - припуск на оплавление, boo - припуск на осадку>

V -. первая скорость оплавления, 7 „ - вторая скорость оплавления опии

{форсировочная), N - нормальная сила, сжимающая детали, Т - тангенциальная сила, равворачиаающая детали друг отйосительно друга, t zвремя Сварки, Ьое т - припуск на осадку без тока.

Таблица 2 ваае ° Iвев

° ю ° в« ° в ФФ в

Вид сварки в а в Ф ваевюев«в вюю

Частота вра» щения, с

Величина перемеще" ния при нагреве, мм в

Давление npw нагреве, ИПа

Суммарная осадка, мм

Давление проковки, МПа

Ь «ЕВ « Сварка трением без пропускания тока

80 180 - 9 8,3

12,5

Сварка трением с пропусканием тока

180 3,5 " "8,3

5,23

fl p и м е ч а н и е, При сварке трением С пропусканием тока плотность тока увеличивалась в процессе сварки ва время снижения скорости от 1 до 50 А/мм . блица

° а«а«аваев» ае

Т а

° Вава« е«ВВ«аа«юв ° ааа «е«аюа«ае wwtllwwwwwwwwwwwwww

Вид сварки

Ударная вязкость, ансе кДж/м

° «а Фю Ф«аааа «wwwt«wwwwwww

° « ° ° « ° В ВВВ eeeeeeeeee ° в а» Вю we в

Контактная сварка опла влением 880

35о

Сварка трением без пропускания тока

890

Сварка трением с пропусканием тока 860 1000 . 420

° В wwwwweewawwwwwwwwwwwallwwwwlhilwwwwwwwww ° Ва ° В«

П р и и е ч а,н и е. Значения Q и а „ для основного металла сооответственно равнь1 1100 ИПа и, .

$00 кдж/м

Контактная сверка непре- рывным оплавлением

Предел прочности при растяжении, Все ИПа

1754365

"св h»» мм мм оо> мм

Вид сварки О О. Б.т» мм

КОС. т. зл,л ссв

Н Н В

2,5

2,5

Контактная сварка сопро" тивлением

4,0 300 10000

8,0

2,0

2>92 1,4

Сварка предлагаемым способом

2,0 8,0

Сталь У?.

«««

«««««й

° «« ° «Ю«

Вид сварки

323

180

340

230

Алюминиевый сплав Д 16

Контактная сварка сопротивлением

650

370

Сварка предлагаемым способом

700

575

Сталь У7

««««««««««

П р и м е 4 а н и е. а) 5 е и а „ для основного металла Д 16,соответствейно 346 ИПа и 250 кДж/мз;G >и ак для основного металла стали У7 соответственно 730 ИПа и

590 ИПа1 б) сварные заготовки из стали У? после сварки подвергались термической обработке по одному режиму в зажимах сварочной установки.

Контактная сварка сопротивлением 10

Сварка предлагаемым способом 10

Контактная csapxa сопротивлением

Сварка предлагае мым способом

65 25 360 10000 - 292 12

6,5 2,5 360 10000 20000 2,4 1,1

Алюминиевый сплав Д 16

4,0 300 10000 20000 2,4 1,3

Таблица 5.

Предел прочности Предел прочности Ударная вязпри растяжении при кручении,а .в, кость а„

8;, ась> кДж/мл

1754365

Ф 2. 2

Составитель 3.Ветрова

Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор T.Ïàëèé

Редактор А.Долинич

Производственно-издательский комбинат "Патент", r..Óæãîðîä, ул.Гагарина, 101

Заказ 2349, Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская на0,„4/5