Способ сварки волокнистых композиционных материалов

СПОСОБ СВАРКИ ВОЛОКНИСТЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ толщиной 0,5 - 3,0 мм с расположением между соединяемыми заготовками профильной присадочной вставки двутаврового сечения, отличающийся тем, что, с целью повышения качества соединения, на свариваемые кромки дополнительно наносят слой матричного металла или сплава на его основе толщиной 0,05 - 0,50 диаметра волокна, присадочную вставку изготавливают из металла матрицы с разноразмерными полками, имеющими со стороны вершины шва толщину, равную толщине свариваемых заготовок, и ширину, равную 1,75 - 3,5 толщины заготовок, а со стороны корня шва толщину полки, равную 0,2- 0,4 толщины заготовок, и ширину полки, равную 1,0 - 2,0 толщины заготовок, перед сваркой подогревают кромки до температуры 0,25 - 0,7 температуры солидуса матрицы, а сварку производят на погонной энергии 80 - 250 дЖ/мм в импульсном режиме с частотой 2 - 10 Гц и отношением времени паузы ко времени цикла 0,5 - 0,7.

Изобретение относится к области сварки композиционных материалов и может быть использовано в различных отраслях техники для производства сварных конструкций из металлов, армированных волокнами.
Цель изобретения - повышение качества сварных соединений из волокнистых композиционных материалов толщиной от 0,5 до 3,0 мм.
На фиг.1 и 2 представлена профильная присадочная вставка из матричного материала в виде двутавра с разноразмерными полками прямоугольного и полукруглого сечения; на фиг.3 - схема сборки заготовок под сварку в среде защитных газов.
Способ заключается в следующем.
Изготавливают профильную присадочную вставку из матричного металла в виде двутавра 1 с разноразмерными полками прямоугольного или полукруглого сечения при следующем соотношении размеров (фиг.1 и 2):
a = (0,5 - 1,0)t;
б = в = t;
г = (0,2 - 0,4)t;
д (1,75 - 3,5)t;
e = (1 - 2)t;
R = )1,25 - 2,5)t, где а - толщина стенки; б - высота стенки, в - толщина верхней полки; г - толщина нижней полки; д - ширина верхней полки; е - ширина нижней полки; R - радиус полусферы полок; t - толщина свариваемого материала.
Использование в качестве присадки матричного металла позволяет производить полное расплавление ее при сварке, а разноразмерность полок обеспечивает сквозное проплавление вставки при односторонней сварке. Размеры вставки определены экспериментально, при этом для свариваемого материала толщиной 0,5-1,0 мм вставку изготавливают по верхнему пределу, для материала толщиной 2,0-3,0 мм - по нижнему пределу и для толщины 1,0-2,0 мм - по среднему значению.
На сопрягаемых частях заготовок 2 из композиционного материала наносят любым известным способом, например вакуумным напылением, тонкий слой 3 матричного металла и сплава на его основе толщиной 0,05-0,50 диаметра волокон. Этот слой покрывает выступающие из матрицы волокна, в результате чего улучшается их смачивание, а вместе с этим улучшается смачивание свариваемых кромок металлом шва в процессе сварки.
Зажимают профильную присадку 1 между соединяемыми заготовками 2.
Подогревают свариваемые кромки до температуры, равной 0,25-0,70 температуры солидуса металла матрицы, что позволяет улучшить формирование корневой части шва за счет улучшения смачивания расплавленной присадкой. Температура нагрева определена экспериментально. Нагрев меньшего нижнего предела малоэффективен, а при нагреве выше верхнего предела начинается активное взаимодействие матрицы с волокнами и потеря прочности на границе их раздела. Нагрев кромок производят электронагревательными элементами, токами высокой частоты или другими известными методами.
Производят сварку, при которой профильную присадку в зазоре расплавляют известными способами, например дуговой сваркой неплавящимся электродом в среде защитных газов или электронным лучом с погонной энергией в пределах 80-250 Дж/мм в импульсном режиме с частотой 2-10 Гц и скважностью (отношение времени паузы ко времени цикла) в пределах 0,5-0,7. Данный режим определен экспериментально, и он обеспечивает сквозное проплавление присадочной вставки. Погонную энергию в пределах 80-250 Дж/мм изменяют прямо пропорционально толщине свариваемых заготовок. Импульсный режим обеспечивает порционное (импульсное) плавление и затвердевание металла шва без образования дефектов: пор и расслоений. Эти дефекты образуются при частоте более 10 Гц и скважности меньше 0,5. При частоте менее 2 Гц и скважности более 0,7 процесс сварки становится малопроизводительным. При плавлении присадки электронным лучом сварку производят на весу, а при дуговых методах - на подкладке с формирующей канавкой, которая предотвращает вытекание расплавленного металла из зазора. С целью улучшения формирования корня шва при дуговой сварке кроме подогрева производят обдув его защитным газом, например аргоном, что исключает окисление и порообразование в корне шва.
Пример конкретного осуществления.
Сваривали заготовки из материала ВКА-2, представляющего металлокомпозит из алюминиевого сплава АД-33 и однонаправленных борных волокон диаметром 0,14 мм и их объемным содержанием 50%. Толщина заготовок 0,5; 1,0; 2,0; 3,0 мм. Схема сборки под сварку показана на фиг.3. Перед сваркой на очищенные химическим травлением кромки заготовок наносили плазменным напылением в вакууме слой матричного сплава АД-33 толщиной 1; 7; 38; 70 и 100 мкм. Профильную вставку изготавливали также из сплава АД-33. Размеры сечения показаны в таблице, и они представляют из себя соответствующую долю толщины свариваемых заготовок. Применяли аргонодуговую сварку неплавящимся вольфрамовым электродом (АДС) и электронно-лучевую сварку (ЭЛС). Нагрев кромок производили до 50, 140, 265, 390, 450^оС через подогреваемые стальные подкладки 4. Для нагрева применяли термоэлектронагреватели 5 (ТЭНЫ) по ГОСТу 19 108-87. При АДС подкладка имеет формирующую канавку, обдуваемую аргоном, а при ЭЛС в подкладке сделана глубокая прорезь для предотвращения сплавления подкладки со свариваемым материалом. Сварку производили с погонной энергией 50, 80, 165, 250, 300 Дж/мм в импульсном режиме с частотой 1, 2,6, 10, 20 Гц при отношении времени паузы ко времени цикла 0,3; 0,5; 0,6; 0,7; 0,9.
После сварки производилась термическая обработка соединений по режиму: закалка с 520^оС в струе сжатого воздуха, естественное старение.
Качество сварных соединений (швов) определяли визуально, по результатам рентгеновского контроля и механических испытаний образцов со снятым усилием шва. Полученные характеристики приведены в таблице, где _в - предел прочности сварных соединений при растяжении, МПа; ^о - угол загиба, град.
Как видно из таблицы, использование данного способа сварки волокнистых композиционных материалов обеспечивает повышение прочности соединений с 98 до 148 МПа, угол загиба с 5 до 18^о и снижение пористости с 22 до 5 штук на 10 мм шва.
Таким образом, предложенный способ позволяет повысить качество сварных соединений и их надежность в сварных конструкциях.
Изобретение относится к сварке и может быть использовано для изготовления сварных конструкций из волокнистых композиционных материалов толщиной 0,5 - 3,0 мм в различных отраслях техники. Цель изобретения - повышение качества сварных соединений за счет повышения их пластичности и прочности и снижения пористости швов. На свариваемые кромки дополнительно наносят слой матричного металла или сплава на его основе толщиной 0,05 - 0,50 диаметра волокон. Между заготовками располагают профильную присадочную вставку двутаврового сечения, изготовленную из металла матрицы с разноразмерными полками, имеющими со стороны вершины шва толщину, равную толщине свариваемых заготовок, и ширину 1,75 - 3,5 толщины заготовок, а со стороны корня шва - толщину полки, равную 0,2 - 0,4 толщины заготовок, и ширину полки в пределах 1,0 - 2,0 толщины заготовок. Свариваемые кромки подогревают до температуры 0,25 - 0,70 температуры солидуса матрицы. Затем производят сварку на погонной энергии 80 - 250 Дж/мм в импульсном режиме с частотой 2 - 10 Гц и отношением времени паузы ко времени цикла в 0,5 - 0,7. Использование в качестве присадки матричного металла позволяет производить полное расплавление ее при сварке, и разноразмерность полок обеспечивает сквозное проплавление вставки при односторонней сварке. 3 ил., 1 табл.