СПОСОБ СВАРКИ Российский патент 1996 года по МПК B23K11/00 

Изобретение относится к сварке материалов, а именно к контактной сварке через промежуточный слой, и может быть использовано для сварки, в том числе разнородных и трудносвариваемых материалов, таких как металл и керамика, композиционных материалов применительно к узлам и деталям машиностроения: крепежные детали, биметаллические материалы, рельсы, детали агрегатов турбонаддува.

Известен способ контактной стыковкой сварки сопротивлением, при котором детали устанавливают в токопроводящие зажимы, подают в зону сварки порошок, пропускают электрический ток и прикладывают к деталям осевое усилие, порошок размещают между свариваемыми торцами деталей, при этом используют порошок самофлюсующегося токопроводящего сплава.

При применении этого способа порошок и торцы деталей под действием электрического тока доводятся до сварочных температур, расплавляются и после прекращения подачи тока происходит кристаллизация металла [1]
Этот способ имеет ряд особенностей, ограничивающих его применение:
им можно сваривать только детали, имеющие классические геометрические формы поперечного сечения (круг, квадрат и т. д.);
сварной шов имеет литоe кристаллическое строение и, поэтому, значительно меньшие механические свойства;
невозможно сваривать материалы, образующие при кристаллизации хрупкие фазы, что приводит к снижению деформационной способности металла шва и околошовной зоны и, как следствие, к снижению технологической прочности материалов при сварке. Это приводит к образованию в шве и околошовной зоне большого количества горячих и холодных трещин. В результате чего прочность соединения резко падает. Полученная конструкция не может работать даже при незначительных циклических и знакопеременных нагрузках. Особенно из-за выделения охрупчивающих фаз снижается ударная вязкость и переход в хрупкое состояние, обычно происходящий при отрицательных температурах, наступает при положительных температурах. То есть такое соединение практически не работоспособно;
практически невозможно сваривать равнородные и композиционные материалы;
невозможна сварка разнотолщинных деталей.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является способ соединения материалов с размещением в зазоре экзотермической смеси, содержащей металлы IV, V групп периодической системы и неметалл, и нагревом ее, в котором в качестве неметалла смеси используют бор или углерод, а нагрев экзотермической смеси проводят со скоростью, обеспечивающей ее самовоспламенение и расплавление образующегося в процессе синтеза тугоплавкого соединения при температуре выше критической температуры теплового взрыва смеси, причем нагрев осуществляют преимущественно пропусканием электрического тока [2]
Наиболее существенным недостатком указанного способа является образование в шве расплавленных карбидов или боридов, т. е. хрупких фаз, что вызывает все вышеперечисленные отрицательные последствия в соединениях. В силу перечисленных недостатков указанный способ применим для соединения низкопрочных материалов.

Целью изобретения является повышение качества соединения, в том числе несвариваемых материалов, за счет обеспечения прочности соединения не ниже 0,8 прочности менее прочного из свариваемых материалов.

Цель достигается тем, что промежуточный слой выполняют из активного материала с теплотой от 500 до 1300 ккал/кг, с толщиной от 0,2 до 2 толщин свариваемых элементов, затем через элементы и промежуточный слой пропускают импульс электротока с силой тока до 32 кА, длиной импульса от 10^-3 до 3 с, при сдавливании элементов с давлением от 2 до 100 кгс/см².

Сущность способа заключается в том, что при пропускании импульса тока через предварительно сдавленные свариваемые элементы и промежуточный слой из активного материала, в последнем происходит высокоскоростная химическая реакция, характеризующаяся мгновенным (в течение нескольких микросекунд) выделением большого количества энергии (500-1300 ккал/кг). В результате реакции температура продуктов реакции достигает 3000-5000^оС, а сами продукты находятся в плазменном состоянии. Следствием чего является, с одной стороны, активизация на атомном уровне поверхностей свариваемых элементов, а с другой химические элементы, входящие в состав промежуточного слоя и являющиеся активными по отношению к материалу свариваемых элементов, стимулируют при смыкании активированных поверхностей под приложенным давлением быстропротекающую взаимную диффузию в свариваемых элементах.

Опробование способа проводилось при сварке несвариваемых материалов: композиционный материал из вольфрамовых гранул в железо-никель-кобальтовой связке с таким же композиционным материалом и с подшипниковой сталью ШХ-15.

Сварка проводилась при силе тока 3-5 кА, давлении сдавливания элементов 10 кгс/см², промежуточном слое из активного материала смеси порошков алюминия и серы. Во всех случаях получены практически бесшовные соединения свариваемых элементов, характеризующиеся взаимной диффузией в околошовной зоне и прочностью выше 0,8 от прочности композиционного материала или подшипниковой стали.

Проведенные эксперименты по сварке высокоуглеродистых и низкоуглеродистых сталей между собой и с никелевыми сплавами подтвердили работоспособность предлагаемого способа. Во всех случаях толщина промежуточных слоев из активных материалов составляла от о,2 до 2 толщин свариваемых элементов.

Результаты определения механических свойств исходных материалов и сварных соединений приведены в таблице.

Как видно из данных таблицы, механические свойства полученных соединений составляют около 0,9 от механических свойств КМ и более 0,8 от ударной вязкости стали ШХ-15.

Использование: при контактной сварке материалов, в том числе разнородных и трудносвариваемых материалов, таких как металлов и керамики, композиционных материалов применительно к узлам и деталям машиностроения: крепежные детали, биметаллические материалы, рельсы. Сущность: перед сдавливанием между свариваемыми элементами устанавливают прокладку из активного материала с теплотой превращения от 500 до 1300 ккал/кг, толщина которой 0,2 - 2,0 толщины свариваемых элементов. Затем через элементы и прокладку пропускают импульс электротока с силой тока до 32 кА, длительностью импульса от 10^- 3 до 3с, при давлении на элементы от 2 до 100 кгс/см². Технический результат - возможность высокопрочной сварки разнородных и трудносвариваемых материалов, композиционных материалов.

СПОСОБ СВАРКИ, заключающийся в формировании промежуточного слоя, предварительном сдавливании свариваемых элементов и последующей подаче через них импульса энергии, отличающийся тем, что промежуточный слой выполняют из активного материала с теплотой превращения 500 1300 ккал/кг, толщиной 0,2 - 2,0 толщины свариваемых элементов, через элементы и промежуточный слой пропускают импульс электротока с силой тока до 32 кА, длительностью импульса 10³ 3 с, при давлении на элементы 2 100 кгс/см².