Способ сварки концентрично расположенных цилиндрических деталей

)4 В 23 К 20/12 ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ ЕТЕЛЬСТВУ А ВТОРСНОМУ(54) (57) 1. СПОСОБ СВАРКИ КОНЦЕНТРИЧНО РАСПОЛОЖЕННЫХ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ, при котором производят разогревдеталей трением, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения;производительности и качества сварки, атакже расширения технологических возможностей способа, по меньшей мереодну из свариваемых деталей вращаюти по меньшей мере на одну из свариваемых деталей воздействуют импульсом деформирующего магнитно 1 о поля,достаточным для взаимного контактасопрягаемых цилиндрических поверхностей с выделением теплоты трения. но-тех троени тельство СССР 20/00, 1972. льство СССР20/12, 1975. ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(71) Ворошиловградский проенологический институт машиним. ХХУ съезда КПСС2. Способ сварки по п,1, о т л и- ч а ю щ и й с я 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 щ и й с я тем, что напряженность поля, первого импульса выбирают достаточной для свободной деформации деталИ, затем воздействуют рядом импульсов, напряженность поля которыхповышают до величины, достаточной в последнем импульсе для осадки и схватывания при достижении контакта сопрягаемых поверхностей с выделением 1248745необходимого дпя сварки количества теплоты.4. Способ сварки по и3, о т л ич а ю щ и й с я тем, что напряженность поля каждого последующего импульса повышают 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 щ и й с я 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.З, о т л ич а ю щ и й с я тем, что период вращения деталей выбирают некратным периоду следования импульсов.На фиг.1 приведена схема осуществления способа, где условно показано направление тока в индукторе; на фиг.2 - схема сварки тонкостенных труб; на фиг.З - сварка неэлектропроводных термопластичных деталей; на фиг.4 - сварка трех деталей по цилиндрическим 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.1) размещается относительно ци,пиндрической детали 2 и рабочей зоИзобретение относится к сварке и может быть использовано во многих от раслях промьппленности для сварки деталей по цилиндрическим поверхностям, в том числе деталей из труднообрабатываемых и разнородных металлов, а также неэлектропроводньгх материалов.Цель изобретения - повышение производительности и качества сварки, а также расширение технологических возможностей способа. ны цилиндрического индуктора 3 (нафиг. индуктор выполнен одновитковым,показана его изоляция) аксиально иприводится во вращение. При достиже нии установленной относительной скорости сопрягаемых цилиндрических поверхностей на вращающуюся деталь 1воздействуют посредством индуктора 3импульсным деформирующим магнитнымполем, пропуская через индуктор импульсы силового тока. Под действиемполя деталь 1 деформируется, испытывая всестороннее обжатие. Зазор между сопрягаемыми поверхностями умень шается, Продолжение воздействия импульсов деформирующего поля вызываетконтактирование цилиндрических поверхностей по всей длине свариваемыхчастей. При этом происходит притирка 20 поверхностей по выступам микронеровностей, характеризующаяся граничным(сухим) трением. Воздействие импульсным полем продолжают, всестороннеесжимающее усилие возрастает, что приводит к выделению теплоты трения впроцессе вскрытия и взаимодействиячистых поверхностей металлов, образования и разрушения мостиков схватывания. Происходит интенсивное выделе ние тепла в тонком слое по цилиндрической поверхности сопряжения. Воздействие импульсным полем продолжают, что приводит к осадке и схватыванию деталей 1 и 2 с образованием сварочного шва 4, после чего вращение прек. ращают 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 поверхностями 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 допусковРазмещают детали 1 и 2 и индуктор 3 аксиально, деталь 1 приводят во вращение с повышенной скоростью, чтфбы 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 од 5 1 О 15 20 25 30 35 40 45 50 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 отньсительного 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.нократно импульсным полем для достижения осадки и схватывания, вращениепрекращают, детали 1 и 2 извлекаютиз индуктора 3,При относительной скорости свариваемых поверхностей ниже 25 м/с выделение тепла при сварке недостаточно интенсивно, температура слоя посопрягаемым поверхностям не достигает необходимой для качественной свар Оки величины до того, как детали взаимно прирабатываются. Для осуществления способа при таких скоростях необходимо дополнительное воздействие де 3формирующим полем для восстановления 15нужного усилия обжатия. При относительной скорости выше 65 м/с улучшения качества сварки не наблюдается,так как и при более низкой скоростипроисходит достаточно интенсивная 20проработка деталей по сварочному шву,кроме того, получить такую относительную скорость трудно, особеннопри применении инерционной массы длясоздания сварочного момента. 25При 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". Деталии 2 приводят во вращение в противоположные стороьи. На деталь 1 воздействуют импульсом поля, достаточным для обжима детали 1 по наружной поверхности детали 240 с выделением достаточного для сварки количества тепла, При этом деталь 1 разогревается по наружной поверхности от воздействия поля, наводящего индукционные токи в материале детали.45 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 3и 5 достаточно эффективно, их стойкость с уменьшением необходимой длядеформации напряженности поля значительно возрастает,При сварке неэлектропроводных термопластичных материалов способ осуществляется следующим образом.Трубчатую цилиндрическую неэлектропроводную деталь 1 (фиг.3) размещают относительно цилиндрической не-.электропроводной детали 2 и индуктора 3 аксиально, На наружный диаметрдетали 1 надевают кольцевую вспомогательную деталь 6 (спутник) изэлектропроводного материала. Деталь1 приводят во вращение. При достижении установленной относительной скорости между внутренней поверхностьюдетали 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 материалдетали 1 по поверхности детали 2,создавая в объеме обжатого материаладетали 1 остаточное давление за счетего 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 1 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 промышленности) 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 4 и и ее разогретый рельеф накатки под, 1248745действием механического усилия обжатия прочно сцепляется с материалом термопластичной детали 1, Увеличение удельного сопротивления детали 6 в результате нагрева роли не играет, так как возцействие полем производят3однократно.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 Ф2 .они вращаются совместно, образуется сварочный шов 4. Воздействие полем при этом продолжают до возникновения трения между деталями 2 и 7, описанные процессы повторяются, и через 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 П р и м е р, Применение предлагаемого способа при сборке штанги толкателя двигателя внутреннего сгорания.Сборная штанга толкателя состоит 5 из трубчатого цилиндрического стержня 1 (Фиг.5) наконечника 2 с цилиндрическим хвостовиком и сферическойчастью, а также аналогичного наконечника (фиг,б) с чашеобраэной частью.10 1Стенка трубчатого стержня 1 тонкая, выполнить конусную разделку длясварки трением затруднительно, Наружный диаметр наконечника 2 не менеенаружного диаметра трубчатого стержняпоэтому нет доступа с торцовойчасти для сварки трением при помощитретьей детали, помещенной в цилиндрическую разделку. Для сварки согласно предлагаемому способу трубчатыйстержень 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, Стержень1 приводят во вращение и воздействуют на него последовательностью импульсов деформирующего поля согласнопредлагаемому способу до образованиясварного соединения. Режим сваркипри диаметре стержня штанги 15 ммследующий:Число оборотовстержня в минутудо воздействияполемАмплитуда импульсного тока в индукторе, МАЧастота тока в импульсе, кГц 78Время сварки в зависимости от допусковна диаметры, с 1,2 - 4,7Наконечник с чашеобразной частьюсваривается со вторым концом трубчатого стержня 1 аналогично.Если необходимо обеспечить уменьшение массы штанги (например, дляштанги быстроходного двигателя),сварку производят одновременно подвум поверхностям - цилиндрическойсогласно предлагаемому способу и по 55 плоской торцовой поверхности стержня(Фиг.б). Свариваемые детали сдавливают с необходимым для сварки по терцовой поверхности стержня 1 и обечай 1248745ки наконечника 2 усилием Р. Стерженьи наконечник 2 приводят во вращение в противоположные стороны для увеличения относительной скорости свариваемых поверхностей. На цилиндрическую поверхность стержня 1 воздействуют деформирующим полем. Давление Р 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 можноуменьшить длину цилиндрического хвестовика и уменьшить вес штанги на 153 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 такжеполучать высококачественные сварныесоединения практически без образования грата,1248745 оставитель К,Быковеехред Ц,Бонкало орректор Г.Решетни дактор О.Б Заказ 416 1001 Подпиного комитета СССР Тираж осударстве елам изобре Москва, Я