Спосіб зварювання деталей з різнорідних металів тиском

Спосіб зварювання деталей з різнорідних металів тиском, що включає стискання поверхонь деталей, що зварюються, пропускання серії імпульсів струму уздовж зони зварювання із визначеною кількістю імпульсів, нагрів до температури 3 кількістю імпульсів проводять по черзі для кожної з деталей, що зварюються. При цьому операція для кожної деталі містить у собі виконання таких дій: підключення струмоведучих електродів до деталей, вмикання високовольтного генератора імпульсних струмів (ГІС) і системи керування, пропускання уздовж зони зварювання серії імпульсів струму, вимикання ГІС і відключення електродів, що ускладнює спосіб і технологію зварювання, а також збільшує енерговитрати на його здійснення. В основу корисної моделі поставлена задача вдосконалення способу зварювання деталей з різнорідних металів тиском, шляхом зміни операції пропускання імпульсів струму уздовж зони зварювання та вибору параметрів струму, що дозволить спростити спосіб зварювання при збереженні якості зварювання, та за рахунок цього знизити енерговитрати на його здійснення. Суть корисної моделі полягає в тому, що у способі зварювання деталей з різнорідних металів тиском, який включає стискання поверхонь деталей, що зварюються, пропускання серії імпульсів струму уздовж зони зварювання із визначеною кількістю імпульсів, нагрів до температури зварювання і витримку протягом часу, необхідного для одержання міцного з'єднання в повітряному середовищі, згідно з корисною моделлю, імпульси струму пропускають уздовж зони зварювання по деталі, яка має більший питомий електроопір металу, а для вибору параметрів імпульсів струму використовують попередньо отримані залежності площі розвитку фізичного контакту поверхонь, що зварюються, від амплітуди густини струму і сумарної питомої енергії обробки та, враховуючи, що мінімальний рівень площі фізичного контакту має бути не менше 40 %, вибирають амплітуду густини струму та відповідну їй сумарну питому енергію обробки. Розкриваючи причинно-наслідковий зв'язок між сукупністю істотних ознак способу, який заявляється, і технічним результатом, необхідно відзначити таке. Ознаки «імпульси струму пропускають уздовж зони зварювання по деталі, яка має більший питомий електроопір металу, а для вибору параметрів імпульсів струму використовують попередньо отримані залежності площі розвитку фізичного контакту поверхонь, що зварюються, від амплітуди густини струму і сумарної питомої енергії обробки та, враховуючи, що мінімальний рівень площі фізичного контакту має бути не менше 40 %, вибирають амплітуду густини струму та відповідну їй сумарну питому енергію обробки» дозволять спростити спосіб зварювання при зберіганні якості зварювання і за рахунок цього знизити енерговитрати на його здійснення. Відомо, що пропускання імпульсів струму великої густини уздовж зони стислих деталей, що зварюються, дозволяє провести ефективну електростимульовану пластичну деформацію контактних поверхонь обох деталей, що приводить до зминання мікронерівностей, розвитку фізичного контакту та зменшенню зазору між поверхнями, що зварюються до значень, які перешкоджають надходженню повітря до зони зварювання з на 57982 4 вколишнього середовища. Крім цього, проходження імпульсів струму приводить до активації поверхонь, що зварюються, за рахунок збільшення виходу в контактну зону дислокацій та інших дефектів кристалічної решітки. Подальше нагрівання деталей до температури зварювання без надходження повітря з навколишнього середовища приводить до авто вакуумування контактної поверхні зони зварювання (Рябцев И.А. Термодинамический анализ процессов, происходящих в зазорах многослойных герметичных пакетов при их сварке прокаткой. Автоматическая сварка. 1987, № 1, с. 28-32). При цьому незначна кількість повітря, що залишилася, дифундує в метал, відбувається очищення поверхонь, що зварюються, від жирових та окисних плівок і подальше зминання мікронерівностей за рахунок підвищення термічної пластичності металів, що приводить до зближення поверхонь до рівня міжатомної взаємодії, і утворенню з'єднання з перевагою металевого зв'язку. Пропускання імпульсів струму уздовж зони зварювання по деталі, що має більший питомий електроопір металу, дозволяє одержати більшу величину питомої енергії обробки металу одиничним імпульсом струму, а також збільшити дію на контактну поверхню деталі, яка має менший питомий електроопір металу, індукованих у неї вихрових струмів, що забезпечує герметизацію зони зварювання з меншими енерговитратами. Вибір параметрів імпульсів струму за попередньо отриманими залежностями площі розвитку фізичного контакту поверхонь, що зварюються, від амплітуди густини струму і сумарної питомої енергії обробки дозволяє, з урахуванням геометричних розмірів деталей і енергетичних характеристик наявного устаткування, провести зварювання металів з мінімальними енерговитратами для одержання міцного зварного з'єднання. Суть корисної моделі пояснюється кресленнями, де на фіг. 1 зображена схема, що реалізує спосіб, на фіг. 2 - залежності площі розвитку фізичного контакту поверхонь, що зварюються, від амплітуди густини струму та сумарної питомої енергії обробки. Спосіб здійснюють таким чином. Оскільки параметри обробки імпульсним струмом суттєво впливають на кінетику розвитку фізичного контакту поверхонь, що зварюються, і якість зварного з'єднання, експериментальним шляхом були отримані залежності площі розвитку фізичного контакту поверхонь, що зварюються, від амплітуди густини струму і сумарної питомої енергії обробки. Площа фізичного контакту між поверхнями, що зварюються, визначалася за площею зминання й розтікання поверхневого рельєфу деталі, яка має більший питомий електроопір металу, та надана у вигляді відносної величини S, що є відношенням сумарної площі розтікання поверхневого рельєфу до загальної площі контактної зони. У ході експериментів сумарна питома енергія обробки металу мала два значення q1  0,58  109 Дж/м3 та q2  0,9  109 Дж/м3 і була постійною при зміні амплітуди густини струму одиничного імпуль 5 су Jm в діапазоні від (1,0 до 2,75)109 А/м2. Отримані результати надано (фіг. 2) у вигляді залежностей S  f Jm  кривими 1 - при q1  0,58  109 Дж/м3 і 2 - при q2  0,9  109 Дж/м3. Як видно характер залежностей S  f Jm  при різних значеннях сумарної питомої енергії однаковий - зі збільшенням амплітуди густини струму Jm відбувається зрос тання S . Причому, найбільші зміни S відзначаються при зміні густини струму від 10  109 А/м2 до , 2 2,2  109 А/м , потім обидві залежності виходять на насичення. Це пояснюється як зниженням тиску в зоні контакту у зв'язку зі збільшенням його площі, так і зменшенням кількості легкорухомих дислокацій у структурі деформованого металу під дією попередніх імпульсів струму з одночасним закріпленням частини з них на важкоподоланих бар'єрах, у результаті чого інтенсивність пластичної деформації приконтактних об'ємів металу знижується. Пряма 3 (фіг. 2) - відповідає мінімальному рівню площі фізичного контакту, який дорівнює 40 % і забезпечує герметизацію зони зварювання. Як видно, крива 2 - при q2  0,9  109 Дж/м3 вся знаходиться вище мінімального рівня площі фізичного контакту, а крива 1 - при q1  0,58  109 Дж/м3 перевищує його починаючи зі значення струму 2 Jm  1,6  109 А/м . Таким чином, значення питомої енергії q2  0,9  109 Дж/м3 приймається за номінальне, тому що воно забезпечує необхідну площу фізичного контакту в усьому дослідженому діапазоні густин струму. При цьому треба відзначити, що використання густини струму з амплітудою більше 2,2  109 А/м2 неефективне, так як зміна густини струму Jm в діапазоні від (2,2 до 2,75)109 А/м2 призводить до збільшення площі зминання всього на 5 %. Попередньо деталі 1 і 2, що зварюються, з різнорідних металів (фіг. 1) піддають механічній обробці, потім контактні поверхні знежирюють і стискають поверхні деталі, що зварюються, до необхідного тиску у пристрої (на кресленні не зображено) в діапазоні 0,1  0,2 T металу в зоні зварювання. Маючи площу поперечного перерізу деталі з більшим питомим електроопором металу та технічні характеристики ГІС (номінальне значення току), визначають амплітуду густини струму, що задовольняє умові 10  109 А / м2  Jm  2,2  109 А / м2 . , Якщо визначена амплітуда густини струму не задовольняє умовам, змінюють параметри ГІС. Користуючись попередньо отриманими залежностями площі розвитку фізичного контакту поверхонь, що зварюються, від амплітуди густини струму й сумарної питомої енергії обробки (криві 1 і 2 на фіг. 2) і, враховуючи, що мінімальний рівень площі фізичного контакту має бути не менше 40 % (пря 57982 6 ма 3 на фіг. 2) за обраною амплітудою густини струму по кривими 1 і 2 вибирають робочу сумарну питому енергію обробки. Залежно від значення сумарної питомої енергії обробки визначається кількість імпульсів струму для обробки зони зварювання (згідно за прототипом). Потім до деталі, що має більший питомий електроопір металу, підключають струмопровідні шини від генератора імпульсних струмів (на кресленні не зображено), вмикають ГІС і здійснюють пропускання по деталі уздовж зони зварювання серії імпульсів струму з визначеною кількістю імпульсів, після завершення операції вимикають ГІС і відключають струмопровідні шини. Після цього деталі, що зварюються, поміщають в електропіч, де здійснюють нагрів деталей до температури зварювання і витримку протягом часу, необхідного для одержання міцного з'єднання. Температуру зварювання вибирають в інтервалі 0,50,7 від температури плавлення сталі Tпл відповідно до рекомендацій для з'єднань, отриманих при дифузійному зварюванні металів у вакуумі (Казаков Н.Ф. Диффузионная сварка металлов, М. Машиностроение, 1976 г., 311с). Потім деталі охолоджують в електропечі до температури 200 °С. Приклад конкретної реалізації способу, що заявляється. У лабораторних умовах було здійснено спосіб зварювання деталей з різнорідних металів тиском для деталей зі сталі Ст20 + міді М1. Експерименти проводилися на деталях, що мають форму пластин, з розмірами L=170 мм, Н=12 мм, =2,5 мм. Шорсткість контактних поверхонь мідної та сталевої пластин становила 46 мкм. Перед зварюванням контактні поверхні знежирили та здійснили стискання поверхонь деталей, що зварюються, до тиску в зоні зварювання Р=50 МПа. Маючи технічні характеристики ГІС (номінальне значення току Iн  60 кА) і площу поперечного перерізу сталевої пластини F  H    12  103  2,5  103  30  106 м2, визначили амплітуду густини струму Jm  IН / F  2,0  109 А/м2, що відповідає умові 10  109 А / м2  Jm  2,2  109 А / м2 , і, враховуючи, , що мінімальний рівень площі фізичного контакту має бути не менш 40 %, вибрали сумарну питому енергію обробки q  0,9  109 Дж/м3. За нею визначили необхідну кількість імпульсів струму N = 90. Потім до сталевої пластини, що має більший питомий електроопір металу, підключили струмопровідні шини ГІС, включили ГІС і здійснили пропускання по деталі вздовж зони зварювання 90 імпульсів струму з обраною амплітудою густини струму. Після завершення операції вимкнули ГІС і відключили струмопровідні шини. Після цього оброблені деталі помістили в електропіч, де здійснили нагрів деталей до температури зварювання (750850 °С) і витримали протягом 1200 с. Далі зробили охолодження деталей в електропечі до температури 200 °С. Якість отриманих з'єднань оцінювали за результатами металографічних досліджень і механічних випробувань. 7 57982 Металографічні дослідження проводилися за допомогою мікроскопа "Мікротех" моделі ММО1600 при 400-кратному збільшенні. Якість зварного з'єднання оцінювали за ста 8 ном межі уздовж лінії з'єднання. Оцінка проводилася за шириною межі та її розподілу у відсотковому відношенні по лінії з'єднання. Отримані результати надано в таблиці 1. Таблиця 1 Ширина межі та її частка по лінії з'єднання при різних температурах термообробки Температура термообробки, °С Частка ширини межі, % 0,5 мкм 1 1 мкм 7 750 800 850 На всіх режимах термообробки зона звареного з'єднання являє собою орієнтовану в площині первісного контакту межзерену межу без дефектів типу пор, тріщин і несуцільностей. Інтерметалідні прошарки в зоні з'єднання відсутні. Це дозволяє вважати, що при способі зварювання, що заявляється, об'ємна взаємодія в зоні з'єднання обмежу