Способ сварки разнородных металлов плавлением

 

Союз Советских

Социапистических

Республик

Оп ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (1ii 897433 (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Занвлено 24. 04,80 (2I ) 2915130/25-27 с присоединением заявки.% (23) Приоритет

Опубликовано 15. 01. 82. Бюллетень № 2

Дата опубликования описания 15.01.82 (5I)M. Кл.

В 23 К 9/16

foc7JL pcTsEHllbl_#_ квмитет

СССР вв дедам изобретений и открытый (53) УЙК 621 ° 791. .75(088.8) Е.И.Егоров и А.Г.Меркулов (72) Авторы изобретения

Новосибирский инженерно-строитель им. В.В.Куйбышева (71) Заявитель (54) СПОСОБ СВАРКИ РАЗНОРОДНЫХ МЕТАЛЛОВ

ПЛАВЛЕНИЕМ

Ы =a а Л

Изобретение относится к технологии сварки разнородных металлов плав- лением и может быть использовано при сварке конструкций из углеродистой и нержавеющей стали, сталеалюминиевых, медноалюминиевых и других разнородных металлов и сплавов.

Известен способ сварки плавлением алюминия со сталью при изготов ленин переходников трубопроводов, согласно которому производят раздел1О ку кромок с углом скоса стальной детали в 1,5-2 раза большим угла скоса детали из алюминия, затем подогревают алюминиевую деталь и свари35 вают стык размещенным в разделке электродом 11).

Однако этот способ может быть использован только в случае сварки углеродистой стали с алюминием и

2О не может применяться при сварке разнородных металлов.

Наиболее близким к предлагаемому является способ сварки разнородных,металлов плавлением, согласно которому с целью повышения качества сварного соединения разделку кромок одной детали производят с углом скоса, не равным углу скоса другой, on" ределяя эти углы из соотношения

Лл

2 о оЛЛ (г) 2 где cd и.с - углы скоса кромок первой и второй детали; о — общий угол разделки, . и . - коэффициенты теплопровод2 ности металлов первой и второй детали.

Детали сваривают размещенным в разделке электродом, рабочий конец которого перемещают вдоль биссектор ной плоскости общего угла разделки или производят колебания электро897433

3 дом симметрично биссектрисе общего угла разделки $2).

Недостатком известного способа сварки разнородных металлов является то, что в нем учитывается различие свариваемых металлов только лишь по степени теплопроводности и не учитывается их различие по другим теплофизическим свойствам, влияющим на формирование сварного шва значитель- l0 но сильнее, чем теплопроводность.

Это объясняется тем, что при нагреве металла таким эффективным и локализованным источником тепла, как сварочная дуга, основной металл пла- 5 вится очень концентрированно и почти сразу. Затем, поскольку сварочная дуга перемещается и приток тепла прекращается, наплавленный жидкий металл быстро отвердевает и положение грани- 0 цы затвердевания определяется раньше, чем околошовный металл успевает нагреться. Поэтому количество тепла, которое успевает отводиться вглубь металла через границу оплавления за время до ее эатвердевания, во много раз меньше тепла, вводимого за то же время дугой в сварочную ванну. В этих условиях положение изотермы с температурой плавления, а следовательно, и величины углов скоса кромок, обеспечивающих равномерное оллавление разнородных металлов, мало зависит от теплопроводности металлов.

В основном положение этой изотермы

3S определяется тем количеством тепла, которое необходимо для нагрева данного металла до температуры плавления и его последующего расплавления, т.е. такими характеристиками, как тепло40 емкость, температура плавления и скрытая теплота плавления металла.

Согласно известному способу при сварке двух металлов или сплавов, коэффициенты теплопроводности которых близки друг к другу, углы скоса кро45 мок обеих деталей должны быть сделаны одинаковыми. Однако при равных углах скоса кромок нельзя получить качественное сварное соединение разнородных металлов, если другие теплофизические свойства металлов различны. Известно, что при сварке разнородных металлов плавлением всегда имеет место замедленное оплавление кромок той детали, металл которой обладает. более высокими значениями температуры плавления, теплоемкости и скрытой теплоты плавления. Выбор неправильного соотношения между углами скоса кромок деталей не только вызывает снижение качества сварного соединения, но и приводит к необходимости заполнения излишнего объема разделки наплавленным металлом, увеличивает расход присадочного металла и число проходов дуги и снижает производительность сварки.

Кроме того, при поперечных симметричных относительно биссекторной плоскости перемещениях электрода, производимых с постоянной скоростью движения, время нагрева кромок изделий из разных металлов одинаково, что вызывает оплавление кромки металла с меньшей температурой плавления, теплоемкостью и скрытой температурой

1плавления на большую глубину, Помимо этого, возможно появление подреэов на кромках и прожогов в нижней части разделки, преимущественно со стороны металла с меньшей температурой плавления.

Целью изобре гения является повышение производительности сварки разнородных металлов и сплавов, уменьшение расходов электродного (присадочного ) металла и повышение качества сварных соединений, путем выбора рационального способа подготовки кромок деталей под сварку и рационального способа перемещения электрода, наиболее соответствующих теплофизическим свойствам разнородных металлов и обеспечивающих раномерное оплавление кромок свариваемых деталей и устранение подрезов, прожогов и непроваров в сварных швах.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу сварки разнородных металлов плавлением, при котором производят разделку кромок с углом скоса одной детали не равным углу скоса другой детали, с суммой величин этих углов, равной величине общего базового угла разделки кромок, а затем производят сварку размещенным в разделке электродом, осуществляя им симметричные поперечные перемещения относительно биссекторной плоскости общего угла разделки кромок и вдоль этой плоскости, скорость поперечных движений электрода повышают по мере приближения к той и другой кромке и одновременно берут больше с той стороны биссекторной плоскости, которая примыкает к более лекгоплав897433

61ИАл С1(Т1 Фо)+Ьж 1Мг С (т -to)+gP (3) о

d. +Ы =4-oi

6„ г.2мм, 6 7 2мм, где < и S - угол скоса и притуплел л ния кромок первой детали; и S - угол скоса и притупле- 25

Я. ния кромок второй детали, a(о — общий базовый угол разделки, выбираемый в зависимости от толщины Зо свариваемых металлов и способа сварки

С„ и С вЂ” объемная теплоемкость

Я. первого и второго металла, кал/см С, МДж/м К,З5

L u L - скрытая теплота плавлег ния первого и второго металла, кал/г, ИДж/кг; о и ю - плотность первого и второго металла, г/см, Ъ кг/м, Т и Т вЂ” температура плавления 1 первого и второго метала оС, К, - температура первого и о второго металла перед сваркой, С, К.

При осуществлении способа для повышения качества сварного соединения на кромку более тугоплавкого металла целесообразно нанести (сваркой - пайкой, алитированием, горячим погружением и т.д.) тонкий слой металла с меньшей температурой плавления или, если металлы не растворимы друг в

55 друге, промежуточный слой третьего металла, образующего с ними растворы.

Кроме того, если свариваемые металлы значительно различаются по кому металлу, а углы скоса и величину притупления кромок каждой свариваемой детали выбирают в зависимости от количества тепла, необходимого для нагрева и расплавления единицы 5 объема разнородных металлов по следующим соотношениям: теплопроводности полезно перед сваркой подогревать кромку детали из металла с большим коэффициентом теплопроводности.

На чертеже приведены схема, иллюстрирующая предлагаемый способ.

При многослойной сварке (за исклю-. чением нижнего корневого слоя) производят поперечные движения электрода 3 и присадочного прутка относительно биссекторной плоскости 4, скорость которых берут больше со стороны металла с меньшей величиной энтальпии при температуре плавления, т.е. с меньшеи величиной выражения

С(Т-с) + 1.

Кроме того, скорость поперечного движения электрода повышают по мере приближения дуги к той и другой кромке. Так, например, для траектории авс скорость движения электрода V должна удовлетворять неравенству

V

Ь

° Выбор углов скоса кромок дета пей с(и Q в соответствии с соотношениями {3) и (4) обеспечивает равномерность оплавления этих кромок. При этом общий тепловой поток дуги N распределяется на составляющие тепловые потоки N=NSiïô и М = NSinot< л 2, вводимые через кромки деталей 1 и 2, таким образом, что потоки й„и М пропорциональны количествам тепла, необходимым для нагрева единицы объема первого и, соответственно, второго металла до температур плавления Т и Тг и последующего расплавления металлов.

Выбор величины притупления кромок деталей S è 5,2 в соответствии с соотношениями (5) и (6) предотвращает появление прожогов в корне шва со стороны металла с низкой температурой плавления и одновременно позволяет увеличить диаметр электрода и силу сварочного тока при выполнении корневого шва.

Наконец, изменение скорости поперечного движения электрода в соответствии с неравенством V » Ч,„ » Ч. позволяет осуществлять многослойную сварку на повышенной силе тока и обеспечить равномерное оплавление кромок изделий без появления подрезов и других дефектов.

Повышение силы сварочного тока совместно с уменьшением площади сечения разделки кромок позволяет уменьшить расход электродного (присадоч897433 ного) металла, число проходов при многослойной сварке и существенно увеличить производительность по сравнению со сваркой по известному способу.

Пример. Проводят аргонодуго- 5 вую сварку неплавящимся вольфрамовым электродом диаметром 4 мм детали 1 из малоуглеродистой стали В Ст.3сп. и детали 2 из алюминия встык при тол" щине листов Д = 15 мм. В качестве присадочного металла используют проволоку из алюминия диаметром 4 мм по ГОСТ 7871-75. Разделку кромок листов производят несимметрично. При этом в соответствии с соотношениями (3} и (4) угол скоса кромки стального листа принимают по расчету равным d, 47,6 о, а угол скоса кромки алюминиевого листа о(= 12,4 . Данные, использованные: при расчете, приведе- lO ны в табл. 1, Общий базовый угол разделки кромок принимают равным (=

0о

В соответствии с соотношением (б) притупление кромки стального листа

S 2 мм, а притупление кромки алюминиевого листа рассчитывают по форМуле (5) и получают 1 = 6,9 мм.

На кромку стального листа горячим погружением (алитирование) наносят, тонкий слой алюминия,а кромку и край алюминиевого листа непосредственно перед сваркой подогревают до 200 С для уменьшения влияния различия свариваемых листов по степени теплопроводности. З5

Сварку производят многослойно (за б — 9 проходов) на переменном токе силой 120-300 А. Сварку корневого слоя проводят на токе, сниженном до 120-150 A и начинают с выступаю- 40 щей части притупления кромки детали 2 из алюминия, затем оплавляют притупление кромки детали 1 из стали.

При этом торцы электрода 3 и присадочного прутка помещают в плоскости, проходящей через биссектрису 4 угла разделки кромок и продольную осевую линию шва. Наложение второго слоя производят аналогичным образом, но с увеличением силы тока до 180-220 А.

Последующие слои, начиная с третьего, выполняют" поперечными движениями электрода и присадочного прутка, скорость которых увеличивают по мере приближения дуги к той и другой кром ке изделий, и в то же время любых симметричных положений дуги относи1 тельно биссектрисы 4. Скорость всегда больше со стороны металла с меньшей величиной энтальпии при температуре плавления. При этом силу тока увеличивают до 250 - 300 A.

С целью получения сравнительных данных параллельно проводят аргонодуговую сварку известным способом однотипных деталей из стали и алюминия той же толщины.

При этом в соответствии с известным способом величину углов скоса кромок деталей определяют по соотношениям (1) и (2) и принимают равной для стального листà 4< â †8 и для алюминиевого листа gg 52, при той же величине общего базового угла о = 60 .

Притупление кромок, а также предварительный подогрев кромки детали из алюминия в соответствии с технологией известного способа, не производят.

Сварку корневого второго слоя выполняют электродом (и присадочным прутком}, помещенным в биссекторной плоскости, а сварку последующих слоев (9-13 проходов) выполняют поперечными колебаниями электродов относительно этой плоскости при постоянной скорости движения электрода во всех точках его траектории.

Для уменьшения количества подрезов на кромках и прожогов в корне шва силу сварочного тока снижают на 10-15 по сравнению со сваркой по предлагаемому способу.

Данные сравнительных испытаний сведены в табл. 1 и 2, причем в табл. 1 приведены теплофизические свойства свариваемых металлов, в табл. 2 — характеристика и параметры способов сварки.

Как видно из табл.2, при использовании предлагаемого способа площадь сечения разделки и обьем наплавляемого металла уменьшаются на 37,63, что позволяет снизить расход присадочного (электродного) металла, сократить число проходов при многослойной сварке и соответственно повысить ее производительность. Доля тепловложения в кромку алюминиевой детали с низкой температурой плавления и высоким коэффициентом теплопроводности уменьшается с 90,10/., при использовании известного способа до 4,5i (без учета предварительного подогрева), что уменьшает потери тепла, связанные

897433

Деталь 1

{сталь.Ст. 3) Деталь 2 (алюминий) 660

1500

0,1

0,65

41,7

Вт/м К

272

0,65

1,2

МДж/м3 К

2 52

92,4

МДж/кг

0,387

0,272

Плотность, г/см

7,9

2,7 кал/см з

МДж/см

675

2300

9,6 10 ь.2,8 1О

Таблица 2

Способ

Характеристики

Предлагаемый

Известный

47,6

12,4

60

60 с теплопроводностью и одновременно снижает вероятность появления подрезов, прожогов и проплавлений со стороны детали с низкой температурой плавления. Регулирование скорости поперечного движения электрода позвог ляет увеличить силу сварочного тока

Свойства и размерность о

Температура плавления, С

Коэффициент теплопроводностHp кал/см с."С

Объемная теплоемкость, кал/см . С

Скрытая теплота плавления

) кал/г

Энтальпия при температуре.плавления, Углы скоса кромок, градусы

Деталь 1 (сталь) Деталь 2 (алюминий)

Общии угол разделки, градусы на 10-15i, соответственно повысить производительность сварки и одновременно избежать образования подреэов на кромках деталей. Увеличение величины притупления на кромке более лег.коплавкой детали устраняет прожоги и проплавления в корне сварного шва.

Таблица!

897433

Способ

Характеристики

Известный

Предлагаемый

6,9

159,8

100

99,75

62,4

144

",5

90,1

Ф стальной детали, см 2.

92 5

15,8

57,9

9,9

220

37,6

5,2

50,9

7,1

Мн/м

4,8

3,5

34,3

ИН/м ь

47,0

Притупление кромок, мм

Деталь 1 (сталь)

Деталь 2 (алюминий) Площадь сечения разделки, заполняемая наплавленным металлом, см о в том числе со стороны алюминиевой детали, см2

Средняя сила сварочного тока, А

Повышение производительности сварки, 3 за счет уменьшения числа проходов дуги за счет увеличения силы сварочного тока

Скорость перемещения электрода при многослойной сварке

Качество сварных соединений

Механические свойства сварного соединения

Предел прочности при растяжении, 2 кгс/мм

Предел текучести, кгс/мм

Постоянная

Ча = Чю= Ус и„=ч„

Имеют место подрезы, проплавления и прожоги со стороны алюминия

12

Продолжение табл. 2

13,0

Переменная цс (о

И 7%

Указанные дефекты отсутствуют

69,6 (разрыв по основному металлу ) 897433 где с ли

СиС

Л 2

Л

p4и Ь

Т и Т

Источники информации, 30 -принятые во внимание при экспертизе

1 1 г

9 !

ВНИИПИ Заказ 11817/16 Тираж 1150 . Подписное филиал ППП Патент", г.ужгород, ул.Проектная, 4

13

Формула изобретения

Способ сварки разнородных металлов плавлением, при котором производят разделку кромок с углом скоса одной детали не равным углу другой детали, с суммой величин этих углов, равной величине общего базового угла разделки кромок, а затем производят сварку размещенным в разделке электродом, осуществляя им симметрич-1в ные поперечные перемещения относительно биссекторной плоскдсти общего угла разделки кромок и вдоль этой плоскости, отличающийся тем, что, с целью повышения произ- М водительности сварки, повышения качества сварного соединения и умень шения расхода электродного металла, скорость поперечных движений электрода повышают по мере приближения к той и другой кромке и одновременно берут больше с той стороны биссекторной плоскости, которая примыкает к более легкоплавкому металлу, а углы скоса и величину притупления кромок каждой свариваемой детали выбирают в зависимости от количества тепла, необходимого для нагрева и расплавления единицы объема разнородных металлов по следующим соотношениям:

ММЛ С„(TÄ-g,)+ „Р„ " 1" Ч. С (Т -1 О)+ 1, р ..+ a + 2 =- (о i

52. л(Тл о)+leap

6л С (Т -t ) t 1г9

6q >r 2 м, 5> >i 2 мм угол скоса и притупле. ние кромок детали из первого металла угол скоса и притупление кромок детали из второго металла, общий базовый угол разделки, выбираемый в зависимости от толщины свариваемых металлов и способа сварки, объемная теплоемкость первого и второго металла, кал/см . С, ИДж/ м К, скрытая теплота плавления первого и второго металла, кал/г, МДж/кг; плотность первого и второго металла, г/см кг/м, температура плавления первого и второго металла, С, К, температура первого и второго металла перед сваркой, С, К.

1. Авторское свидетельство СССР

Ю 484944, кл. В 23 К 9/00.

2. Авторское свидетельство СССР

У 692712, кл. В 23 К 9/00 (прототип).