СПОСОБ СВАРКИ ПЛАВЛЕНИЕМ АЛЮМИНИЯ СО СТАЛЬЮ Российский патент 1995 года по МПК B23K9/16 B23K9/02 B23K103/18 

Изобретение относится к сварке плавлением, может быть использовано в машино-, вагоно-, авиастроении, химической промышленности, строительстве, кораблестроении, в частности при изготовлении надводных судов.

Известны сварные сталеалюминиевые узлы, полученные через промежуточные биметаллические вставки, предусматривающие сварку плавлением угловыми швами одноименных материалов.

Недостаточная эксплуатационная прочность и надежность таких узлов ограничивает их применение малонагруженными второстепенными конструкциями.

Выбор оптимальных геометрических размеров элементов сталеалюминиевого переходника является основным условием повышения надежности и работоспособности биметаллического переходника в составе сварных узлов соединений алюминия со сталью.

Цель изобретения повышение эксплуатационной прочности и надежности сварных конструкций, выполненных с применением биметаллического переходника с выступающей стальной частью, за счет оптимизации его геометрических и конструктивных элементов.

Это достигается тем, что биметаллический переходник изготавливают шириной не менее четырех толщин его алюминиевого слоя, сопряжение алюминиевого слоя с выступающей стальной частью выполняют под углом от 90 до 178^о, а торцовую кромку биметаллического переходника, подлежащую сварке, выполняют под углом от 5 до 85^о. При сварке стыковых соединений со стороны торцовой кромки биметаллического переходника удаляют часть стального слоя величиной не менее 0,1 толщины алюминиевого слоя.

Сущность предлагаемого технического решения заключается в следующем.

Ширину биметаллической части переходника назначают из условия достижения максимального эксплуатационного ресурса сварной сталеалюминиевой конструкции. При передаче нагрузок от алюминиевой детали к стальной через промежуточный сталеалюминиевый переходник, в плоскости контакта слоев последнего возникают касательные и нормальные напряжения, вызванные соответственно срезывающими или отрывными усилиями. Очевидно, что максимальные передаваемые нагрузки в конструкции ограничиваются прочностью и толщиной алюминиевого сплава, а работоспособность сталеалюминиевого переходника определяется прочностью сцепления слоев и шириной биметаллической части.

Соотношение прочностных характеристик алюминиевого сплава, входящего в состав биметалла, и сцепления слоев находятся в диапазоне от 2 до 4.

С целью обеспечения равнопрочности сталеалюминиевого узла такое же соотношение должно иметь место и для геометрических элементов сталеалюминиевого переходника, т.е. ширины биметаллической части α_нахл. и толщины алюминиевого слоя δ_Al (фиг.1).

Однако экспериментальной проверкой установлено, что узлы соединений алюминиевых элементов с биметаллическими асимметричными переходниками в условиях статического и циклического приложения осевых нагрузок обеспечивают равнопрочность сварных швов и сталеалюминиевого соединения биметалла при соотношении α_нахл./δ_Al, составляющем не менее 8.

В сталеалюминиевых конструкциях с подкреплениями, в частности, в узлах соединений надстройки с корпусом судна (фиг.2), где предусматривается использование вертикального набора, обеспечение статической и циклической прочности сварных узлов достигается, когда α_нахл. составляет не менее 4 δ_Al.

Таким образом, если в сварных узлах, выполненных с применением сталеалюминиевого переходника с выступающей стальной частью, отношение α_нахл./δ_Al меньше оптимальных значений, разрушение конструкции происходит расслоением вдоль контактной поверхности биметалла и сопровождается непредсказуемым снижением эксплуатационных свойств (прочности, долговечности). Только при соблюдении заявленного (оптимального) соотношения конструктивных элементов биметаллического переходника с выступающим стальным слоем (α_нахли δ_Al), возможна реализация максимальной прочности и усталостной долговечности сварных сталеалюминиевых узлов при статическом и переменном нагружении. При этом разрушение происходит по алюминиевым швам, соединяющим биметаллический переходник с алюминиевыми деталями.

Существенное значение на работоспособность сварных узлов оказывает концентрация напряжений в области сопряжения алюминиевого и стального слоев биметаллического переходника. При действии нагрузок, ориентированных в плоскости сталеалюминиевого контакта биметалла, граница раздела, как самая ослабленная область, оказывается в неблагоприятных условиях нагружения. Концентрация напряжений в этой области определяется основным геометрическим параметром радиусом локальной области сопряжения алюминиевого слоя с выступающей стальной частью переходника, который зависит от угла перехода β торцовой кромки алюминиевого слоя к сопрягаемой стальной поверхности (фиг.1). Установлено, что главным условием является обеспечение непрерывности сопряжения рассматриваемых элементов, что достигается монолитностью биметаллического материала, т. е. наличием металлической связи на поверхности контакта стали и алюминия. Только при условии отсутствия в области сопряжения микро- и макротрещин, т.е. дефектов, ориентированных в плоскости нагружения, возможно предотвратить появление критической концентрации напряжений, приводящей к разрушению сталеалюминиевого переходника расслоением. Это условие выполняется, когда угол сопряжения β составляет 90-178^о.

Угол менее 90^о нецелесообразно назначать из условия критерия технологичности конструкции, так, например, область сопряжения с острым углом окажется труднодоступной по выполнению операций по нанесению коррозионной защиты.

Выбор конкретных значений β зависит от типа сварного соединения биметалла с алюминиевой деталью, осуществленного встык или внакрой. Для нахлесточных соединений оптимальный диапазон значений β установлен прототипом и составляет 115-135^о. Для стыковых соединений β может варьироваться в более широком диапазоне от 90 до 178^о в зависимости от ширины биметаллической части переходника, назначения конструкции и условий эксплуатации, в том числе с учетом обеспечения хорошей обтекаемости и возможности проведения профилактических работ.

Угол β, равный 90-115^о, следует назначать для сварных конструкций, выполненных с применением сталеалюминиевого переходника, ширина биметаллической части которого не менее чем в 1,5 раза больше заявляемого значения, т.е. α_нахл.≥6δ_Al. Запас прочности сцепления слоев биметалла при этом снижает влияние концентрации напряжений в области сопряжения алюминиевого слоя с выступающим стальным слоем.

Увеличение угла β сопровождается повышением надежности сталеалюминиевой конструкции, максимальная реализация которой возможна в асимметричном переходнике с углом сопряжения β, образованном путем скоса кромок на "ус", что способствует значительному уменьшению коэффициента концентрации напряжения в области сопряжения. В конструкции биметаллической части переходника, выполненной срезом на "ус", максимальные значения угла β могут быть получены из соотношения tg (180- β) δ_Al/α_нахл. т.е. β составит 165-173^о. Если по конструктивно-технологическим возможностям осуществления сварного соединения сталеалюминиевого переходника и алюминиевой детали прямолинейный скос на "ус" неприемлем, предпочтительно выполнять криволинейный скос алюминиевого слоя в области его сопряжения с выступающей стальной частью радиусом от 1 до 4 толщин алюминиевого слоя (δ_Al). Область сопряжения в этом случае будет характеризоваться значениями угла β, достигающими 178^о.

Прототипом предусмотрено выполнение на торцовых поверхностях свариваемых кромок биметалла односторонних прямолинейных скосов под углом 25-45^о, который установлен применительно к сварке близких по толщине алюминиевых деталей и биметалла, применяемых в узлах соединений надстройки с корпусом судна. Однако, как показала практика использования биметалла в сварных конструкциях, предусматривающих соединение разнотолщинных деталей, целесообразно усовершенствовать элементы подготовленных под сварку кромок.

Сложность выполнения швов со стороны торцовой кромки биметалла обусловлена возможностью металлургического взаимодействия разнородных слоев, приводящего к образованию на границе их раздела хрупких фаз, способствующих формированию дефектов в виде трещин и расслоений. Специальная подготовка торцовой кромки биметаллической части переходника позволяет исключить образование сварочных дефектов указанного характера в соединениях с алюминиевыми деталями.

Угол скоса α зависит от толщины свариваемых деталей, а также их пространственного положения при сварке: чем больше толщина привариваемого алюминиевого элемента, тем больше требуется угол скоса α, таким образом на большее расстояние удаляется граница раздела биметаллической части переходника от источника нагрева, мощность которого находится в прямой зависимости от толщины свариваемых кромок. Минимальный угол скоса α, составляющий 5^о, выполняют, когда толщина привариваемого к биметаллу элемента меньше толщины соответствующего слоя биметалла (например в 2-8 раза). При этом качественное соединение обеспечивается благодаря небольшим значениям тепловложения, обусловленными возможностью расплавления малых объемов металла. Максимальный угол α, равный 85^о, возможен при выполнении прямолинейного скоса на "ус" (целесообразность такой подготовки обоснована выше при рассмотрении параметра β) или в основании криволинейного скоса, выполняемого с радиусом, соответствующим (1-4) δ_Al. Угол α, равный 85^о, рекомендуется при сварке биметаллической части переходника с алюминиевыми деталями толщиной, превышающей δ_Al (например в 2-3 раза).

В случае ведения процесса сварки в горизонтальном положении, когда возможно натекание расплавленного алюминия на биметаллическую границу, целесообразно подготовку торцовой кромки биметаллической части сталеалюминиевого переходника выполнять с выступающим алюминиевым слоем на величину в, составляющую не менее 0,1 δ_Al. Минимальная величина в, равная 0,1 δ_Al, обусловлена тем, что при заполнении разделки наплавленным металлом ширина зоны расплавления свариваемого алюминиевого сплава не превышает 10% его толщины, и поэтому, это условие является достаточным для избежания оплавлений на границе раздела биметалла. В общем случае величина в зависит от толщины привариваемого элемента и вида соединения и назначается из условия достаточности с целью исключения нежелательного взаимодействия стали и алюминия.

Минимальная величина в не должна превышать разности между исходной шириной биметаллической части сталеалюминиевого переходника и минимально допустимой, ограниченной 4 δ_Al.

Выполнение на торцовой кромке биметаллической части сталеалюминиевого переходника с выступающим стальным слоем специальной подготовки кромок, заключающейся в монотонном или ступенчатом скосе под углом 5-85^о или с выступающим алюминиевым слоем на ширине не менее 0,1 δ_Al, позволяет эффективно производить сварку с алюминиевыми деталями в широком диапазоне толщин, например от 1 до 20 мм.

На фиг.1 и 2 изобpажены соединения алюминиевой стенки надстройки со стальным комингсом, выполненные соответственно нахлесточными и стыковым швами и конструктивные элементы биметаллического переходника и подготовленных под сварку кромок, где
α_нахл. ширина биметаллического переходника;
δ_Al толщина алюминиевого слоя биметалла;
β угол сопряжения алюминиевого слоя с выступающей стальной частью;
α угол скоса торцовой кромки биметаллического переходника;
b величина удаленной части стального слоя.

На фиг. 3 и 4 изображены соединения алюминиевых элементов надстройки и стального комингса, выполненные с использованием биметаллического сталеалюминиевого переходника с выступающей стальной частью соответственно нахлесточными и стыковыми швами, где 1 биметаллический сталеалюминиевый переходник с выступающей стальной частью; 2 алюминиевая стенка; 3 стальной комингс, 4 биметаллическая планка.

П р и м е р. Сварка плавлением алюминия со сталью через биметаллический сталеалюминиевый переходник с выступающей стальной частью применительно к узлам соединений надстройки с корпусом судна.

Стенка надстройки изготовлена из алюминиевого сплава марки 1561 толщиной 4-10 мм. Сталеалюминиевый переходник, полученный методом совместной горячей прокатки низколегированной стали марки 10ХСНД и алюминиевого сплава марки 1561, состоит из двух частей биметаллической толщиной 9 мм и выступающей части стального слоя толщиной 5 мм.

Переходник изготавливали таким образом, чтобы ширина его биметаллической части варьировалась в зависимости от толщины алюминиевого слоя, равной 5 мм, и составляла 20-40 мм.

Угол сопряжения алюминиевого слоя со стальным в биметаллическом переходнике получен в результате механической обработки торцовой или дисковой фрезой и составлял 90, 135, ≈ 180^о.

Торцовая кромка биметаллической части переходника выполнена без скоса, со скосом под углом 50^о, а также с образованием выступающего алюминиевого слоя на величину 5 мм и присоединена к алюминиевой детали надстройки двумя способами сварки: встык и внакрой.

Из сварных проб были изготовлены образцы для испытаний в условиях статического и циклического растяжения с приложением внешней нагрузки в направлении, параллельном поверхности контакта сталеалюминиевого соединения. Определяли временное сопротивление до разрушения (σ_в), долговечность при циклическом нагружении (σ_max 0,5 σ_0,2¹⁵⁶¹σ_min 0,15 σ_0,2¹⁵⁶¹ ν 0,1 Гц), характер разрушения.

Результаты испытаний приведены в таблице.

Как показывают результаты испытаний, только выполнение условий оптимизации конструктивных элементов биметаллического сталеалюминиевого переходника с выступающей стальной частью в соответствии с заявляемыми материалами гарантирует достижение максимальной работоспособности сварного узла, имитирующего соединение надстройки с корпусом судна (коэффициент прочности достигает до 0,85, а долговечность 16,7 тыс. циклов).

Использование: машино-, судостроение, корпусные конструкции. Сущность изобретения состоит в том, что биметаллическую часть сталеалюминиевого переходника изготавливают шириной не менее 4 толщин алюминиевого слоя, а сопряжения этого слоя с выступающей стальной частью выполняют под углом 90 178°. Торцовую кромку биметаллической части переходника выполняют со скосом под углом 5 85° или с выступающим алюминиевым слоем величиной не менее 0,1 его толщины. 1 з.п. ф-лы, 4 ил. 1 табл.

1. СПОСОБ СВАРКИ ПЛАВЛЕНИЕМ АЛЮМИНИЯ СО СТАЛЬЮ, включающий использование биметаллического сталеалюминиевого переходника, отличающийся тем, что биметаллический переходник изготавливают с выступающей стальной частью шириной не менее четырех толщин его алюминиевого слоя, сопряжение алюминиевого слоя с выступающей сталью частью выполняют под углом 90 178^o, а торцевую кромку биметаллического переходника, подлежащую сварке, выполняют под углом 5 - 85^o. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при сварке стыковых соединений со стороны торцевой кромки биметаллического переходника удаляют часть стального слоя величиной не менее 0,1 толщины алюминиевого слоя.