СПОСОБ СВАРКИ СТАЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ ПО ОТБОРТОВАННЫМ КРОМКАМ Российский патент 1996 года по МПК B23K13/01 B23K13/06 

Изобретение относится к процессу получения неразъемного соединения деталей машин, конкретно к способу сварки стальных изделий по отбортованным кромкам.

Наиболее успешно изобретение может быть применено для сварки штампованных изделий массового производства, например, труб с трубными досками теплообменных аппаратов, крышек с корпусом аккумулятора, горловины с топливным баком, экрана с корпусом экранированного электродвигателя, крышек с корпусом конденсатора, секций радиаторов между собой.

Растущие потребности ряда отраслей промышленности, таких как автомобилестроение, электротехника, радиотехника и так далее, в выпуске сварных изделий из штампованных деталей не обеспечиваются традиционными способами сварки из-за их относительно низкой производительности и качества сварного соединения.

Попытка увеличить производительность процесса сварки штампованных изделий привела к появлению способа сварки стальных изделий по отбортованным кромкам [1] который, заключается в том, что отбортованные кромки подвергают нагреву до температуры плавления металла вихревыми токами, индуктированными электромагнитным полем высокой частоты, создаваемым индуктором. В результате плавления металла кромок одновременно по всему контуру сварки образуется ванна расплавленного металла, при кристаллизации которого формируется сварной шов.

Однако при реализации этого способа получаемый сварной шов имеет поры, образующиеся при выделении кислорода из стали в процессе плавления, что приводит к нарушению герметичности сварного шва, а также к снижению его механической прочности. Последнее обстоятельство усугубляется малой высотой сварного шва из-за снижения величины силы натяжения поверхностного натяжения жидкой стали вследствие ее окисления кислородом окружающей среды.

Сварной шов улучшенного качества был получен согласно способу сварки стальных изделий по отбортованным кромкам [2] который заключается в том, что в зону сварки отбортованных кромок подают углеводородную среду, например, пропан-бутановую смесь. Отбортованные кромки, подлежащие сварке, подвергают нагреву до температуры плавления стали вихревыми токами, индуктированными электромагнитным полем высокой частоты, создаваемым индуктором. В результате плавления металла кромок образуется ванна расплавленного металла, при кристаллизации которого формируется сварной шов по контуру сварки.

При достижении сталью температуры выше 900^оС на поверхности кромок происходит реакция восстановления окислов железа продуктами распада углеводородной среды. Дальнейший нагрев кромок приводит к науглероживанию поверхностного слоя стали и переходу в жидкое состояние с образованием ванны жидкого металла. При этом с повышением концентрации углерода в поверхностном слое понижается температура материала поверхностного слоя и науглероженный слой переходит в жидкое состояние при более низкой температуре, чем температура плавления основного металла. Реализация способа, сопровождающегося восстановлением окислов на поверхности стали, обеспечивает повышение смачиваемости поверхности свариваемых кромок жидкой сталью и увеличение высоты сварного шва.

Однако повышенное содержание углерода в поверхностном слое приводит к формированию структуры ледебурита в сварном шве, снижающей его пластичность. При реализации указанного способа необходимо соблюдать минимальный зазор между рабочей поверхностью индуктора, создающего высокочастотное магнитное поле, и свариваемыми кромками. Однако при сборке штампованных изделий под сварку имеет место разновысотность свариваемых кромок, что приводит к локальному недогреву или перегреву отдельных участков контура сварки. Указанные обстоятельства препятствуют получению ровного сварного шва и получению качественного сварного соединения.

Задача изобретения создание способа сварки стальных изделий по отбортованным кромкам с таким технологическим приемом в процессе нагрева, который обеспечивал бы более глубокое и равномерное проплавление отбортованных кромок и, тем самым, способствовал бы увеличению высоты сварного шва и, как следствие, получению сварного соединения более высокого качества.

Задача решается тем, что в способе сварки стальных изделий по отбортованным кромкам, заключающемся в том, что в зону сварки отбортованных кромок подают углеводородную среду и создают в указанной зоне сварки электромагнитное поле высокой частоты, вызывающее индукционный нагрев кромок по контуру сварки до температуры плавления металла с образованием ванны расплавленного металла, при кристаллизации которого формируется сварной шов, согласно изобретению перед нагревом отбортованных кромок до температуры плавления металла их подвергают предварительному индукционному нагреву до температуры выше точки Кюри, но ниже температуры плавления металла, после чего кромки охлаждают путем прекращения воздействия электромагнитного поля до снижения температуры металла выше точки Кюри.

Такая реализация способа обеспечивает глубокое и равномерное проплавление отбортованных кромок за счет предварительного нагрева в интервале указанных температур, в результате которого происходит потеря металлом кромок магнитных свойств в слое, нагретом выше точки Кюри, где металл становится "прозрачным" для электромагнитных волн. После прекращения воздействия электромагнитного поля на отбортованные кромки за счет теплопроводности металла происходит увеличение глубины "прозрачного" для электромагнитных волн слоя и выравнивание температурного поля по контуру сварки. При возобновлении воздействия электромагнитного поля увеличивается глубина проникновения тока в сталь за счет предварительно полученного "прозрачного" слоя, возрастает глубина проплавления металла кромок, тем самым увеличивается высота сварного шва. Такая реализация способа позволяет увеличить высоту сварного шва, используя поле более высокой частоты, что обеспечивает более низкий уровень электродинамических сил, стремящихся сбросить жидкий металл с торцев отбортованных кромок.

Рекомендуется в углеводородную среду добавить углекислый газ в количестве, достаточном для выравнивания концентрации углерода по сечению сварного шва. Это обусловлено стремлением понизить науглероживающую способность углеводородной среды, например, пропана. При взаимодействии углекислого газа с пропаном в зоне сварки происходит связывание свободного избыточного углерода. Снижение содержания углерода в плавящемся поверхностном слое кромок улучшает пластические свойства сварного шва, что расширяет область применения способа, согласно изобретению.

Желательно в углеводородную среду добавлять углекислый газ в количестве 25-75% ее объема.

Если обьем углекислого газа составляет менее 25% от объема углеводородной среды, происходит сильное науглероживание поверхностей свариваемых кромок, в результате чего сварной шов становится хрупким и недостаточно пластичным. При увеличении объема углекислого газа свыше 25% от объема углеводородной среды понижается содержание углерода на поверхности свариваемых кромок, повышается пластичность металла шва, снижается хрупкость, т.е. улучшаются механические характеристики шва. При объеме углекислого газа свыше 75% от объема углеводородной среды науглероживающая способность газовой смеси становится недостаточной для полного восстановления окислов на поверхности кромок, понижения температуры плавления материала поверхностного слоя. Процесс формирования шва становится неустойчивым, появляются поры и участки несплавления кромок.

Предлагаемый способ сварки стальных изделий включает следующие операции.

В зону сварки помещают отбортованные кромки свариваемых изделий, подают углеводородную среду, например, пропан.

Для индукционного нагрева кромок в указанной зоне создают электромагнитное поле высокой частоты общеизвестным индуктором. Отбортованные кромки нагреваются вихревыми токами, индуктированными в них электромагнитным полем индуктора, до температуры выше точки Кюри, но ниже температуры плавления металла. При этом происходит потеря металлом кромок магнитных свойств и он становится "прозрачным" для электромагнитных волн.

Затем прекращают воздействие электромагнитного поля путем отключения тока, подаваемого в индуктор. В этот период происходит увеличение "прозрачного" для электромагнитных волн слоя и выравнивание температурного поля по контуру сварки за счет теплопроводности металла. Охлаждение кромок проводят до снижения температуры металла выше точки Кюри. Контроль за изменением температуры "прозрачного" слоя ведут общеизвестным методом, например, с помощью пирометра.

Затем в зоне сварки повторно создают электромагнитное поле высокой частоты путем подачи тока на индуктор. В результате индукционного нагрева кромок до температуры плавления металла происходит образование ванны расплавленного металла, при кристаллизации которого формируется непрерывный сварной шов.

Для выравнивания концентрации углерода по сечению сварного шва в углеводородную среду добавляют углекислый газ, и в результате химической реакции между ними под действием высокой температуры в зоне сварки происходит связывание избыточного свободного углерода. Снижение содержания углерода в сварном шве улучшает его пластические свойства и позволяет сваривать изделия, работающие в условиях изменяющейся нагрузки, например, крышку с корпусом щелочного аккумулятора, экран с корпусом экранированного электродвигателя и так далее.

Экспериментально установлено, что необходимо добавлять в углеводородную среду углекислый газ в количестве 25-75% от ее объема, что обеспечивает устойчивое формирование ванны расплавленного металла. При кристаллизации последнего формируется сварной шов, материал которого по химическому составу близок к материалу изделия. Это обуславливает получение механических характеристик шва, близких и характеристикам основного металла.

П р и м е р 1. Согласно изобретению сварке подвергают крышку с корпусом аккумулятора, изготовленные из листа низкоуглеродистой стали толщиной 1 мм с содержанием углерода до 0,1%
Отбортованные кромки крышки и корпуса помещают в зону сварки, в которой создают электромагнитное поле высокой частоты, наводимое индуктором, сила тока составляет 1200 А при частоте 66 кГц. В зону сварки подают смесь пропана с углекислым газом в объемном соотношении 1:1.

Отбортованные кромки подвергают индукционному нагреву до температуры выше точки Кюри, например, до 1400-1450^оС по всему контуру сварки длиной 400 мм. Продолжительность нагрева составляет около 1 с Далее прекращают подачу тока в индуктор. Происходит некоторое остывание кромок до температуры выше точки Кюри, а именно, до 800-820^оС. Продолжительность остывания составляет около 0,8-0,9 с. После чего возобновляют индукционный нагрев кромок до температуры плавления металла науглероженного слоя кромок. Продолжительность повторного нагрева 1,2 с При этом образуется ванна расплавленного металла, после кристаллизации которого формируется сварной шов с выравненной концентрацией углерода по его сечению, и равномерной высотой по всему свариваемому контуру. Наплывы металла на боковые поверхности кромок и пористость полностью отсутствуют.

Полученный шов имеет следующие характеристики: высота шва 1,4 мм; содержание углерода в шве на глубине 0,5 мм 0,3% микротвердость металла шва на глубине 0,5 мм 155 ед.Нv, при следующих характеристиках металла изделия; содержание углерода 0,1% микротвердость 110 ед.Нv.

П р и м е р 2. Согласно изобретению сварке подвергают горловину с топливным баком, изготовленные из листовой низкоуглеродистой стали толщиной 0,8 мм с содержанием углерода 0,1%
Способ осуществляют аналогично изложенному в примере 1.

Отличия состоят в том, что ток индуктора 800 А при частоте 440 кГц, в качестве углеводородной среды применяют пропан, предварительный нагрев кромок до 1380-1400^оС по всему контуру сварки длиной 150 мм производят в течение 0,8 с. Продолжительность остывания кромок до 800-820^оС составляет 0,7 с, продолжительность повторного нагрева 0,8 с.

Шов формируется с равномерной высотой по всему свариваемому контуру, при этом полностью отсутствуют наплывы металла на боковые поверхности кромок и полностью отсутствует пористость.

Полученный шов имеет следующие характеристики: высота шва 1,5 м, содержание углерода в шве на глубине 0,5 мм 0,58% микротвердость металла шва на глубине 0,5 мм 230 ед. Нv.

Характеристики металла изделия те же, что и в примере 1.

Из вышеизложенного следует, что режим сварки и состав среды выбирают в зависимости от химического состава металла изделия, толщины кромок, протяженности свариваемого контура и требований, предъявляемых к сварному шву.

Применение предлагаемого способа для сварки труб с трубными досками для теплообменных аппаратов при толщине трубы 1,75 мм, трубной доски 2 мм и протяженности контура сварки 150 мм обеспечивает производительность 1200 сварных швов в час.

Применение предлагаемого способа при изготовлении катков сеялок при толщине материала 3 мм и протяженности контура сварки около 2000 мм позволяет осуществить сварку катка за 20 с.

Использование: при сварке стальных изделий по отбортованным кромкам, например, труб с трубными досками, крышек с корпусами аккумуляторов и пр. Сущность изобретения: в зону сварки подают углеводород, например, пропан. Нагревают кромки индуктором до температуры выше точки Кюри, но ниже температуры плавления. Затем кромки кратковременно охлаждают путем прекращения воздействия индуктором до снижения температуры металла выше точки Кюри. Вновь создают в указанной зоне электромагнитное поле, вызывающее нагрев кромок до температуры плавления металла с образованием ванны расплавленного металла, при кристаллизации которого формируется сварной шов. 2 з. п. ф-лы.

1. СПОСОБ СВАРКИ СТАЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ ПО ОТБОРТОВАННЫМ КРОМКАМ, заключающийся в том, что в зону сварки отработанных кромок подают углеводород, нагревают кромки по контуру сварки индуктором до температуры плавления металла с образованием ванны расплавленного металла, при кристаллизации которого формируется сварной шов, отличающийся тем, что перед нагревом кромок до температуры плавления металла их подвергают предварительному индукционному нагреву до температуры выше точки Кюри, но ниже температуры плавления металла, после чего кромки охлаждают путем прекращения воздействия электромагнитного поля до снижения температуры выше точки Кюри. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, чтов зону сварки дополнительно подают углекислый газ для выравнивания концентрации углерода по сечению сварного шва. 3. Способ по п.2, отличающийся тем, что углекислый газ подают в количестве 25-75% от общего объема смеси газов.