СПОСОБ КОНТАКТНОЙ СТЫКОВОЙ СВАРКИ ЧУГУНА ОПЛАВЛЕНИЕМ Российский патент 2004 года по МПК B23K11/04 B23K103/06 

Изобретение относится к металлообрабатывающей промышленности и может использоваться для сварки разнородных металлов с различными физико-механическими свойствами.

Известен способ контактной стыковой сварки оплавлением, описанный в сборнике "Труды Всесоюзного научно-исследовательского и проектно-технологического института угольного машиностроения. Круглозвенные цепи и соединительные звенья горного оборудования". М., 1975, вып.№19, с.50.

Известный способ включает предварительный подогрев свариваемых деталей, оплавление и осадку.

Недостатком указанного способа сварки является то, что при малых и ограниченных по перемещению припусках на сварку, при неизбежном колебании припуска на подогрев, изменении скорости подвижного корпуса при оплавлении возможны следующие нарушения режима: короткие замыкания при оплавлении, если скорость оплавления велика, а предварительный подогрев был недостаточно эффективен; отсутствие оплавления и переход процесса в осадку сразу после подогрева, если скорость подвижного корпуса при подогреве велика или в стыке перед началом сварки большой зазор; длительное оплавление, если скорость перемещения подвижного корпуса при оплавлении после подогрева мала.

Известен способ контактной стыковой сварки оплавлением, описанный в а. с. №226052, кл. В 23 К 11/04, 1968.

Известный способ заключается в том, что подвижному изделию в процессе оплавления наряду с основным поступательным перемещением сообщают колебания вдоль направления движения с частотой не менее 1 Гц и амплитудой колебания не более 1 мм.

Основной недостаток известного способа - большой припуск на сварку и сложность его реализации в сварочных машинах.

Известен способ контактной стыковой сварки, описанный в а.с. СССР №416195, кл. В 23 К 11/04, 1971 г.

Известный способ заключается в том, что после сварки сварной шов обрабатывают внешним магнитным полем.

Недостатком известного способа является сложность устройства, используемого для его реализации.

Известен способ контактной стыковой сварки оплавлением, описанный в одноименном а. с. СССР №1082583, кл. В 23 К 11/02, заявл.03.08.81, опублик. 30.03.84.

Известный способ контактной стыковой сварки оплавлением включает подогрев свариваемых деталей, плавление и осадку, причем процесс сварки программируют по пути, задавая задержку времени после фиксации тока импульса короткого замыкания 0,2-0,7 с, в течение которой корпус продолжает продвигаться вперед; задержку на подогрев стыка под током короткого замыкания 0,2-0,7 с; скорость движения подвижного корпуса вперед 2-6 мм/с и скорость реверсирования 2-4 мм/с. После окончания подогрева повышают напряжение холостого хода на 20-40%, снижают скорость перемещения подвижного корпуса до 0,8-1,4 мм/с и задают время оплавления 0,8-1,2 с, по истечении которого производят осадку.

Недостаток известного способа заключается в том, что он сложен в реализации из-за необходимости программирования процесса сварки по пути.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является способ контактной стыковой сварки чугуна оплавлением, описанный в статье авторов Пацкевича И.Р. и Шахматова В.М. "Исследование контактной стыковой сварки чугуна" в журнале "Сварочное производство" 1955 г., №5, с.1-3 и выбранный в качестве прототипа.

Известный способ включает предварительный прерывистый подогрев на 6-8 ступенях в течение 12-20 сек свариваемых деталей, при оплавлении в течение 4-6 сек и величине осадки 4-5 мм.

Недостатком известного способа является необходимость подбора режимов сварки в достаточно узких диапазонах, обеспечивающих необходимую структуру чугуна, близкую к исходной. При этом весьма жесткие требования предъявляются к качеству подготовки торцов свариваемых деталей (шероховатость не более R_Z) и к установочной длине, подбираемой экспериментально (но меньше, чем у сталей). Любое отклонение от экспериментально подобранных режимов и качества подготовки торцов приводит к появлению цементита или ледебурита (то есть такого дефекта, как отбел) в структуре сварного соединения, что характерно для повышенных скоростей охлаждения или структуры перегрева при избыточном тепловложении и замедленных скоростях охлаждения (видманштеттовой структуры).

Данные недостатки приводят к снижению прочности сварных соединений при изгибе, растяжении, значительному падению ударной вязкости и стрелы прогиба, а также снижают возможность дальнейшей механообработки после сварки вследствие повышенной твердости в зоне отбела.

Кроме того, даже при оптимально подобранных режимах сварки, когда прочность сварных соединений находится на уровне основного металла, характеристики пластичности (ударная вязкость и стрела прогиба образцов) не достигают уровня аналогичных характеристик основного металла. Для устранения этого недостатка требуется соответствующая термообработка (нагрев до 500...600°С с выдержкой 1,5 часа и последующим охлаждением в печи).

Целью изобретения является повышение прочностных и пластических характеристик сварных соединений из чугуна.

Поставленная цель достигается тем, что в способе контактной стыковой сварки чугуна оплавлением, включающем предварительный прерывистый подогрев свариваемых деталей, оплавление и осадку, согласно изобретению задают общее время t (сек) предварительного подогрева t=0,02 S, где S - площадь сечения свариваемой детали в кв. мм, в течение которого подогрев осуществляют прерывисто, производя несколько циклов, суммарная продолжительность импульса и паузы каждого из которых составляет 0,8...1,2 сек, а последующую осадку после оплавления осуществляют давлением 30...40 МПа, при этом на протяжении всего времени сварки, включая предварительный прерывистый подогрев, на свариваемые детали в зоне сварки подают несинусоидальные наносекундные электромагнитные импульсы мощностью 1 МВт, длительностью менее 1 нс и частотой повторения не менее 1 кГц. Задание общего времени предварительного прерывистого подогрева в зависимости от площади свариваемой зоны при оговоренной продолжительности каждого цикла подогрева обеспечивает надежный прогрев свариваемых деталей в зоне сварки, а задаваемое давление осадки - полное удаление расплавленного металла из зоны шва, что в совокупности с облучением зоны сварки мощными очень короткими импульсами, способствующими созданию дополнительных центров кристаллизации и получению более мелкозернистой структуры в области стыка, обеспечивает хорошие качественные характеристики сварного соединения.

В сравнении с прототипом заявляемый способ контактной стыковой сварки чугуна оплавлением обладает новизной, отличаясь от него такими существенными признаками, как задание зависимости времени прерывистого подогрева от площади свариваемой зоны и продолжительности каждого цикла подогрева, задание давления при осадке и подача мощных коротких несинусоидальных импульсов на свариваемые детали в зоне сварки, изменяющих в ней структуру металла, обеспечивающими в совокупности достижение заданного результата.

Заявителю неизвестны технические решения, обладающие указанными отличительными признаками, обеспечивающими в совокупности получение заданного результата, поэтому он считает, что заявляемый способ соответствует критерию "изобретательский уровень".

Заявляемый способ контактной стыковой сварки чугуна оплавлением может найти широкое применение в машиностроении и в литейном производстве для выполнения ремонтных работ, при изготовлении сложных деталей и т.п., а потому соответствует критерию "промышленная применимость".

Заявляемый способ заключается в следующем.

Осуществляют предварительный прерывистый подогрев свариваемых деталей, задавая общее время t (сек) предварительного подогрева t=0,02 S, где S - площадь сечения свариваемой детали в кв. мм, в течение которого подогрев осуществляют прерывисто, производя несколько циклов, суммарная продолжительность импульса и паузы каждого из которых составляет 0,8...1,2 сек. Последующую осадку после оплавления осуществляют давлением 30...40 МПа. При этом на протяжении всего времени сварки, включая предварительный прерывистый подогрев, на свариваемые детали в зоне сварки подают несинусоидальные наносекундные электромагнитные импульсы мощностью 1 МВт, длительностью менее 1 нс и частотой повторения не менее 1 кГц. Заявляемый способ осуществляется следующим образом.

Подготавливают к сварке детали, зачищая концы деталей, подлежащих сварке. Сварку выполняют на стыковых, серийно выпускаемых машинах. К свариваемым деталям в зону сварки подают с генератора электромагнитные несинусоидальные импульсы мощностью 1 МВт, длительностью не более 1 нс и частотой повторения не менее 1 кГц.

Выполнение генератора электромагнитных импульсов описано в патенте РФ №2004064 "Формирователь наносекундных импульсов", кл. Н 03 К 3/33, заявл. 05.06.91, опубл. 30.11.93.

Выполняют предварительный прерывистый прогрев свариваемх деталей в несколько циклов. Продолжительность импульса и паузы в каждом цикле должна находиться в пределах 0,8...1,2 сек. Общее время прогрева t=0,028, где S - площадь сечения свариваемых деталей в кв. мм. Параметры осуществления процесса сварки, в частности, следующие:

- удельная мощность при сварке чугунных деталей круглого и квадратного сечения находится в пределах 0,05...0,06 кВА/ кв.мм; при саварке чугунных труб - 0,07...0,09 кВА / кв.мм;

- установочная длина (1,1...1,3) d для круглых и квадратных сечений (где d - диаметр или сторона квадрата); (0,6...0,75) d - для труб диаметром D=(50...100) мм; (если производится процесс сварки чугуна со сталью, то со стороны стали установочная длина должна соответствовать общепринятой для стали);

- средняя скорость оплавления 1...3 мм/сек;

- скорость осадки 6...8 мм/сек;

- величина осадки чугунных деталей сечением 600...1500 кв. мм составляет 1,2...3 мм;

- суммарный припуск на оплавление для обеих свариваемых деталей составляет (0,2...0,33)d для круглых и квадратных сечений и (0,4...0,48) d для чугунных труб.

Осадку после оплавления осуществляют давлением 30...40 МПа.

Процесс оплавления чугуна значительно отличается от процесса оплавления стали. Минимальное напряжение холостого хода на 15...20%, а мощность машины на 30...40% выше, чем требуется для стали.

В течение всего процесса сварки, включая предварительный прерывистый прогрев, на свариваемые детали в зоне сварки подают электромагнитные несинусоидальные импульсы с указанными выше параметрами, которые изменяют структуру разогретого металла в зоне сварки. Это происходит из-за того, что при пропускании импульсного тока между свариваемыми деталями в некоторые моменты времени возникают электромагнитные поля с напряженность до 10...10 В/м. Они вызывают спиновую ориентацию атомов, пространственную ориентацию ионов, увеличение числа кластеров в жидкой фазе металла. В конечном итоге это приводит к изменению структуры металла в зоне оплавления. Форма зерен становится более компактной и уменьшается их размер, что приводит к увеличению прочности сварного шва.

Сварное соединение получается прочным и пластичным. В сравнении с прототипом заявляемый способ позволяет получить более качественный - прочный и пластический - сварной шов.

Изобретение относится к металлообрабатывающей промышленности и используется для контактной стыковой сварки чугуна оплавлением. Осуществляют предварительный прерывистый подогрев свариваемых деталей, задавая общее время t с предварительного подогрева t=0,02 S, где S - площадь сечения свариваемой детали в мм². В течение этого времени подогрев осуществляют прерывисто, производя несколько циклов. Суммарная продолжительность импульса и паузы каждого из циклов составляет 0,8... 1,2 с. После оплавления осуществляют осадку с давлением 30... 40 МПа. На протяжении всего времени сварки, включая предварительный прерывистый подогрев, на свариваемые детали в зоне сварки подают несинусоидальные наносекундные электромагнитные импульсы мощностью 1 МВт, длительностью менее 1 нс и частотой повторения не менее 1 кГц. Это позволяет повысить прочностные и пластические характеристики сварных соединений из чугуна.

Способ контактной стыковой сварки чугуна оплавлением, включающий предварительный прерывистый подогрев свариваемых деталей, оплавление и осадку, отличающийся тем, что задают общее время t в секундах предварительного подогрева t=0,02 S, где S - площадь сечения свариваемой детали в кв. мм, в течение которого подогрев осуществляют прерывисто, производя несколько циклов, суммарная продолжительность импульса и паузы каждого из которых составляет 0,8-1,2 с, а последующую осадку после оплавления осуществляют давлением 30-40 МПа, при этом на протяжении всего времени сварки, включая предварительный прерывистый подогрев, на свариваемые детали в зоне сварки подают несинусоидальные наносекундные электромагнитные импульсы мощностью 1 МВт, длительностью менее 1 нc и частотой повторения не менее 1 кГц.