СПОСОБ СВАРКИ МЕТАЛЛОВ Российский патент 2009 года по МПК B23K28/02 B23K9/14 

Изобретение относится к машиностроению, а именно к созданию неразъемных соединений металлов, и основано на использовании сил молекулярного сцепления, то есть на сварке.

Известен способ получения неразъемного соединения материалов, преимущественно тугоплавких и разнородных, с использованием энергии самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), основанный на взаимодействии реагирующих порошкообразных компонентов экзотермической смеси, расположенной в зазоре между соединяемыми, предпочтительно свариваемыми материалами в режиме теплового взрыва. Для осуществления способа размещают в названном зазоре экзотермическую смесь, в качестве которой используют смесь металлов IV, V групп Периодической системы с бором или углеродом, и производят ее нагрев в течение 6-8 с электрическим током или высокочастотным полем для инициирования реакции СВС материалов сварного шва одновременно во всем объеме смеси. В качестве источника питания используют сварочный трансформатор (авторское свидетельство СССР 747661, М. Кл.² В23К 28/00, В23К 23/00).

Основным недостатком данного способа получения неразъемного соединения материалов является отсутствие возможности регулирования подводимой энергии в процессе получения неразъемного соединения и остановки процесса. Кроме того, отсутствует возможность использования данного способа для к получения неразъемного соединения конструкций с короткими и неудобно расположенными швами: вертикальными, наклонными, потолочными, поскольку порошок реагирующей экзотермической смеси не удерживается в разделке.

Наиболее близким аналогом к предлагаемому изобретению является способ ручной дуговой сварки металлов путем пропускания электрической дуги между плавящимся металлическим электродом в обмазке и свариваемыми металлами соединяемых элементов. Выделяемое при этом тепло расплавляет металл соединяемых элементов и электрода до образования сварного шва. Состав обмазки электрода при расплавлении вместе со стержнем обеспечивает защиту от окисления и азотирования металла шва, а также легирование наплавленного металла. В качестве источника питания используют сварочный генератор или выпрямитель, или сварочный трансформатор (Солнцев Ю.П. Металловедение и технология металлов. / Ю.П.Солнцев, В.А.Веселов, В.П.Демьянцевич и др. - М.: Металлургия, 1988. - С.359).

Основным недостатком описанного способа является существенный расход электроэнергии вследствие большого рабочего тока и обязательного наличия мощного источника питания при осуществлении процесса сварки.

Предлагаемый способ решает задачу снижения затрат электроэнергии в процессе сварки.

Эта задача решается тем, что в способе сварки металлов путем пропускания электрической дуги между плавящимся электродом в обмазке и свариваемыми металлами, согласно изобретению в качестве обмазки электрода используют экзотермическую смесь компонентов, вступающих во взаимодействие с образованием тепла реакции СВС, разбавленную конечным продуктом в количестве, достаточном для самопроизвольного затухания реакции СВС в обмазке электрода при отсутствии электрической дуги между электродом и свариваемыми металлами.

Снижение затрат электроэнергии в процессе сварки обусловлено использованием дополнительной энергии экзотермической реакции СВС, так как сварку производят плавящимся электродом с обмазкой, в качестве которой используют экзотермическую смесь компонентов, разбавленную конечным продуктом реакции СВС. Конечный продукт реакции СВС также называют инертом. После инициирования электрической дуги между электродом и свариваемыми металлами экзотермическая смесь вступает в химическое взаимодействие с образованием тепла, а конечный продукт реакции СВС (инерт) не вступает в химическое взаимодействие с образованием тепла и поглощает дополнительное тепло, замедляя процесс реакции (Евстигнеев В.В. Интегральные технологии самораспространяющегося высокотемпературного синтеза / В.В.Евстигнеев, Б.М.Вольпе, И.В.Милюкова, Г.В.Сайгутин - М.: Высшая школа, 1996. - С.35). Выделившееся тепло электрической дуги и экзотермической реакции поступает в зону разогрева, возбуждая фронтальный СВС, а при отсутствии электрической дуги между электродом и свариваемыми металлами СВС самопроизвольно затухает из-за уменьшения энергии активации в зоне разогрева.

Способ сварки металлов осуществляется следующим образом. В качестве обмазки электрода используют экзотермическую смесь компонентов, вступающих во взаимодействие с образованием тепла реакции СВС, разбавленную конечным продуктом в количестве, достаточном для самопроизвольного затухания реакции СВС в обмазке электрода при отсутствии электрической дуги между электродом и свариваемыми металлами. Экзотермическая смесь представляет собой, например, смесь металлов IV, V групп Периодической системы с бором или углеродом, или смесь никеля с алюминием, или смесь окалины железа и алюминия. Конечными продуктами реакции СВС являются, например, бориды или карбиды, или железо соответственно. Количество инерта определяется экспериментально, путем постепенного увеличения его содержания в экзотермической смеси. При инициализации процесса СВС уменьшается скорость фронта горения по мере увеличения концентрации инерта, и остановка фронта горения указывает на требуемое его количество. Например, в экзотермическую смесь окалины железа и алюминия вводят инерт - порошок железа ПЖ-1 ГОСТ 9849-74 в объеме 2-2,5 г/см³.

В начальный момент времени инициируют электрическую дугу между плавящимся электродом в обмазке и свариваемыми металлами, активизируя экзотермическую смесь компонентов обмазки электрода, а при достижении температуры начала реакции СВС происходит фронтальный самораспространяющийся высокотемпературный синтез с выделением дополнительного тепла. В процессе сварки тепло электрической дуги и экзотермической реакции расплавляет электрод и свариваемые металлы при сниженной потребляемой мощности по сравнению с наиболее близким аналогом. Затем при выключении источника питания электрической дуги, то есть при отсутствии последней между электродом и свариваемыми металлами происходит самопроизвольное затухание реакции СВС в обмазке из-за поглощения тепла в зоне реакции инертом, не вступающим в реакцию и уменьшающим энергию активации, а следовательно, прекращается процесс сварки. Для возобновления процесса сварки вновь инициируют электрическую дугу.

Применение предлагаемого изобретения позволит использовать малогабаритные энергосберегающие источники питания малой мощности и увеличить производительность труда из-за увеличения скорости плавления в зоне сварки за счет тепла СВС и электрического разогрева электрической дугой.

Способ может быть использован при сварке с использованием малогабаритных источников питания малой мощности. Между плавящимся электродом с обмазкой и свариваемыми металлами инициируют электрическую дугу. В качестве обмазки электрода используют экзотермическую смесь компонентов, вступающих во взаимодействие с образованием тепла реакции самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС). Смесь разбавлена конечным продуктом реакции СВС в количестве, достаточном для самопроизвольного затухания реакции в обмазке электрода при отсутствии электрической дуги между электродом и свариваемыми металлами. Экзотермическая смесь может представлять собой, например, смесь металлов IV, V групп Периодической системы с бором или углеродом, или никеля и алюминия, или смесь окалины железа и алюминия. Конечными продуктами реакции СВС являются, например, бориды или карбиды, или никелиды, или железо соответственно. Способ обеспечивает снижение затрат электроэнергии в процессе сварки, повышение производительности труда.

Способ сварки металлов путем пропускания электрической дуги между плавящимся электродом в обмазке и свариваемым металлом, отличающийся тем, что в качестве обмазки электрода используют экзотермическую смесь компонентов, вступающих во взаимодействие с образованием тепла реакции самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), разбавленную конечным продуктом реакции, количество которого достаточно для самопроизвольного затухания реакции СВС в обмазке электрода при отсутствии электрической дуги между электродом и свариваемым металлом.