Способ сварки давлением

(19) (1 Ц 1/02, 11/04, 20/1 В ИЗОБРЕТЕН ИЕТЕЛ Ь,СТВУ К АВТОРСКОМ НИЕМ давлением инномерных, деталей подобразования мых поверхдруг друга, В ого приема иваемые поЕ,О,Патона раковский Н.Цимбал В.Колташ оорудование ностроение контактнои .: Машинок/Под. ред,ностроение,аллов,Изобр жет быть сварке да номерных талей йз экономии инструмен черных и ц ке и моыковой я длинных децелях ежущий т.д.) из ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР(71) Институт электросварки им(56) Гуляев А.И. Технология и обконтактной сварки, М.: Маши1985, с,256.Технология и оборудованиесварки/Под ред, Б.Д,Орлова, Мстроение, 1986, с.352.Сварка трением, СправочниВ.К.Лебедева и др. Л,: Маши1987, с,240.Семенов А. Б, Сх ваты ва ниМ,; Машгиз, 1958, с.59. етение относится к свар использовано при ст влением для изготовлени изделий из проката, слож простых заготовок в легированных сталей (р т, клапаны двигателей и ветных металлов. Известен способ контактной сварки сопротивлением; при котором детали зажима- ются в губках, вводятся в соприкосновение под усилием и после этого включается сварочный ток, Металл в месте соединения прогревается до пластического состояния.В конце нагрева иногда повышается усилие осадки, Этот способ применяется при сварке сравнительно небольших сечений (до 300 мм 2).(54) СПОСОБ СВАРКИ ДАВЛЕ (57) Назначение. для сварки разнородных металлов и дл изделий, Свариваемые концы готавливают, сжимают и после физического контакта сварива ностей сдвигают относительно результате использования э очищаются, активируются свар верхности. 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 сосредоточенспособами 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 напояжений в зоне соединений, они препятствуют образованию простых металлических связей между атомами соединяемых материалов, Удаление их из стыка является первостепенной задачей, Однако достичь жх 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 ста 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 лях, возникающие при высоких температурах, определяются температурой нагрева ивременем пребывания металла при даннойтемпературе. Основные структурные превращения в стали /за исключением мартенситного превращения/ протекают за счетдиффузионных процессов. Посколькудиффузия пропорциональна температуренагрева и времени, то структурные превращения, вызывающие разупрочнения присварке, будут тем меньше, чем ниже температура нагрева в зоне соединения и меньше,время воздействия температур, вызывающих рост зерна и последующую рекристаллизацию, Снижение температурыпри сварке вызовет уменьшение зоны термических влияний, что в свою очередь благоприятно скажется на качестве сварныхсоединений,При сварке известными способами температуры сварки зачастую чрезвычайно велики. Снижение же их не позволяетдостаточно активизировать поверхностисвариваемых материалов для получения качественных сварных соединений,При сухом трении наблюдается сильноесхватывание металлов. При определенномсоотношении сил МТ, где И - нормальнаясжимающая сила, Т - сдвигающая сила (тангенциальная) сухое трение в каждой паребыстро перерастает в поверхностную деформацию, в процессе которой образуютсясцепления - очаги прочных монолитных соединений.Ближе всех по своей физической сути кпредлагаемому 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 образцоввозникает интенсивная микропластическаядеформация трущихся поверхностей и ихсхватывание,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,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 схватывания 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 стыкаНаличие 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 М, 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 зэ счет действия силы Т, нормальная сжимающая сила М в процессе образованияметаллических связей не участвует, так какне 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 за5 10 15202530354050 счет металлических связей гораздо меньше, чем при сварке предлагаемым способом, что понижает качество и механические свойства сварных заготовок,На фиг,1 представлена схема, где Мормальная сила, вызывающая сближение стыкуемых поверхностей, Т - тангенциальная сила, вызывающая поворотный сдвиг свариваемых концов, Тр - сварочный трансформатор, Ест - общая установочная длина, осбт припуск нд осадку без тока," Ь., - припуск на осадку под током.Сварка осуществляется путем нагрева заготовок в пределах установочной длиныуст электрическим током при давлении вторцах деталей Й и местной пластической деформации - осадки под током Ьибез тока Ьо, б, (фиг.1), С момента образования физического контакта свариваемых торцов деталей к одной или двум заготовкам прикладываются тангенциальные силы, разворачивающие заготовки относительно другдруга путем относительного поворота, Деталь или детали разворачиваются относительно друг друга до момента завершения осадки. Отключение тока производится в зависимости от времени его протекания либов зависимости от перемещения подвижнойчасти 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 черезсистему 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 - сваривэемые детали, 2 - электроды, 3 - формирующие части, 4 - грат, Йн - нормальная сила, прикладываемая при5 10 15 25 30 35 нагреве, Йос - нормальная сила при осадке, Т - тангенциальная сила, св - суммарный припуск на сварку, Л - припуск на нагрев, Ь-. припуск на осадку, Ьб, - припуск на осадку без тока, аф - угол формирования, а - исходное состояние при нагреве, момент приложения нормальной силы нагрева И; б - момент образования физического контакта свариваемых поверхностей и приложения нормальной силы осадки Нос, 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 Йн и большим при осадке с усилием Нос. 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 КМ 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 = 20, 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 иэ тех же материалов, тех же диаметров, сваренные контактной сваркой непрерывным оплавлением на этой же машине, а также сваркой трением на машине СТс одновременным пропусканием тока через торцы деталей и беэ пропускания тока.Режимы сварки сведены в табл.1 и 2, результаты механических испытаний - в табл.З,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 У 7 диаметром 6 мм и из алюминиевого сплава Д 16 диаметром 0 мм на стыкосварочной машине К.Из приведенных данныхиспытаний 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 ширинызоны термических влияний на образцах изстали У 7 диаметром 6 мм на 0,2 мм,Формула изобретения Способ сварки давлением, при котором свариваемые концы деталей подготавливают, сжимают и сдвигают относительно друг друга, о т л и ч а ю щ и й с я 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 ица 1тМг еюа СсВ Ьос,вт В с мм ТиеюигеВ, И%ХНОРВ "мм/о мм/с кНввиититивитаиатаг б леееютепее ееваи теаЕю имеетеВид сваркй Ьсаф бфх хф В ВВОЫмм ммамитеееюив еюеев втетеититевее в ие е ее е ю е Т, кН Ь гсфмм гии итти ггтв е е ав в В е 45 6,7 0,4 Зт 5 10 - , 68 3 45 5,2 156 0,4 3-5 10 20 67 3ВМеюетаеевюттаиееееаеееювампеевеюиеепав 15 6 Сварка предлагаемымспособомвеете еюеепеевееееевшииеюветаиаеевпи П Р и и е ч а н и. е, Ь - УстановочнаЯ Длина, ив х - напРЯжение холостОго хода сваРочнбгов,трансформатора, Ь в - припуск на оплавление, Ь " припуск на осадку7 -. первая скорость оплавления, 7 ,р - вторая скорость оплавленияов,и(форсировочная) Я - нормальная сила, сжимающая детали, Т - тангенциальная сила разворачивающая детали друг отйосительно друга, савремя Сварки, Ьос т " припуск на осадку без тока. Т а б л и ц а 2 еефеваеввееееювв юмееееаВа веевеевамп еееюеюеегеватеВид сваркиипиееюЮ м а е е е м е е е е е в Частота вращения, с Суммарнаяосадка,мм Давление Величина проковки, перемещеМПа ния принагреве, мм Давление при нагреве, МПаеееюивтемамив геив ивив и иию таюСварка трением без пропускания тока 12,5 80 180 - . 9 8,3 Сварка трением спропусканием тока 5,23 80 180 3,58,3иттивавааеюпиеееююгаиамеювееаветаиееиаттпмитиивВюгтаюааимевпаимагмЙ р и м е ч а н и е, При сварке трением С пропусканием тока плотность тока увеличиваласьа Процессе сварки ва время снижения скорости от 1 до 50 А/мм,блицаававав емммфееемавве Т амавмамаметаамемеаВ ейвавеемеммееммееммУдарная вязкость,ансь кДж/и Вид сварки м а м М Ею м ав вам ва в м ав аа г а в еюв м в вв ам т г м вв М а м а Е вв Е а м м аа е ва вв а ф Ме м м ав е ва Контактная сваркаоплавлением880 Сварка трениембез пропусканиятока 890 Сварка трением спропусканием тока 860 Сварка предлагаемым способом , 1000 . 420 теааммпвеамаюммввввевйеееюаееавпавВемемеаВВвйаюееааевввевюеавваамм П р и м е ч а,н и е. Значения 5 и адля основного металласооответственно равнь 1 1100 ИПа и ,.00 кь/мг Контактнаясварка непрерывным сплав"пением Предел прочностипри растяжении,5 В се ф ИПа 35 40 е ав м м в м е еВремясварки,сеюва"св окмм мм Вид сварки в ОЕ, Б.тмн Кос Т з,лф сейн н в" 2,5 2,5 Контактнаясварка сопро"тивлением 4,0 300 10000 8,0 2,0 292 1,4 Сварка предла"гаемцм сособом 2,0 8,0 Сталь У 7 10 авва т а таа т ае еа та еаа вв в аваВ Вид сварки 323 180 230 Алюминиевый сплав Д 16 Контактная сваркасопротивлением 650 370 Сварка предлагаемцм способом700 Сталь У 7 еееее П р и м е ч а н и е. а) бв и адля основного металла Д 16,соответствейно 346 ИПа и 250 кДж/мз;(ви ак для основного металла стали У 7 соответственно 730 ИПа и590 ИПа 1б)сварные заготовки иэ стали У 7 после сваркиподвергались термической обработке по одномурежиму в зажимах сварочной установки. Контактнаясварка сопротивлением10Сварка предлагаемым способом 1 О Контактная сваркасопротивлениемСварка предлагаемым способом б 5 2,5 360 10000 - 2,92 12 6,5 2,5 360 10000 20000 2,4 11Алюминиевый сплав Д 1 б 4,0 300 10000 20000 2,4 1,3 Таблица 5. Предел прочности Предел прочности Ударная вязпри растяжении при кручении Р, кость а к а Юв,св ИПаИПааськДж/мз1754365 Составитель Э.ВетроТехред М.Моргентал едактор А.Долини ий рректо Заказ 2349, Тираж ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытия113035, Москва, Ж, Раушская наб,4/5 и ГКНТ СС оиэводственно-издательский комбинат "Патент", гУжгород, ул.Гагарина, 1