Способ сварки неплавящимся электродом алюминия и его сплавов Российский патент 2024 года по МПК B23K9/167 B23K103/10 

Изобретение относится к области сварки и наплавки металлических деталей, и может быть использовано в машиностроении для сварки и наплавки конструкций из алюминиевых сплавов.

Известен способ электродуговой сварки или наплавки пластин толщиной 6 мм из титанового сплава ОТ4, при котором в зону горения дуги подается активирующий материал, полученный из мелкодисперсного порошка активирующего флюса состава CaF₂ - 30%; MgF₂ - 20%; LiF - 35%; СаСl₂ - 15% прокаленного и смешанного с порошком фторопласта-4Д, имеющего размер фракций 0,4 мкм, в соотношении, мас.% доли смеси: порошок флюса 40%; порошок полимера 60% (патент RU 2226144, МПК B23K35/02, опубл. 27.03.2004г.). Полученную смесь растворяли в этиловом спирте и многократно наносили на поверхность титановой проволоки марки ВТ-1 диаметром 2 мм со спеканием каждого слоя при температуре 270°С, с образованием оболочки толщиной 120 мкм. Свариваемые пластины соединяли без разделки кромок в нижнем положении. Дугу зажигали с вольфрамового электрода диаметром 4 мм при силе тока 240 А прямой полярности. Затем в зону горения дуги вводили активирующий материал, состоящий из титанового сердечника, покрытого оболочкой из смеси полимера и активирующего флюса.

Недостаток способа состоит в том, что использование активирующих флюсов неминуемо отражается на стойкости электродов и практически неэффективно при силе тока более 275А, ввиду того, что флюс переходит в состояние пара и удаляется из зоны сварки, переставая влиять на дугу.

Известен способ сварки неплавящимся электродом алюминиевых сплавов, при котором производят механическое разрушение окисной пленки в месте сварки режущим инструментом, который перемещают впереди сварочной ванны вблизи границы плавления, в зоне, защищаемой аргоном. Повышение эффективности процесса сварки алюминиевых сплавов достигается за счет ведения процесса на токе прямой полярности и уменьшения износа электрода (патент RU 2134628, МПК B23K9/23, опубл. 20.08.1999г.).

Недостатком способа является недостаточное качество катодной очистки, требуется контроль режущей поверхности инструмента, нарушение формирования шва на критических режимах сварки.

Известен способ дуговой сварки алюминия и его сплавов неплавящимся электродом, при котором процесс осуществляют на постоянном токе прямой полярности в инертных газах, на дуговой промежуток периодически подают импульсы напряжения обратной полярности, причем напряжение импульсов составляет не менее 200 В, а их длительность выбирают из заявленного соотношения с учетом частоты импульсов (патент RU 2254214, МПК B23K9/23, опубл. 20.08.1999г.).

Недостатками способа являются затраты на электроэнергию от дополнительного источника питания (генератора), необходимость синхронизации импульсов обратной полярности с параметрами сварки для обеспечения устойчивости горения дуги.

Известен способ сварки неплавящимся электродом алюминиевых сплавов комбинацией дуг, при котором дуга прямого действия на изделие горит с неплавящегося электрода, а дуга косвенного действия – между неплавящимся и плавящимся электродами. Плавящийся электрод подают непрерывно в дугу прямого действия и обеспечивают периодическую пульсацию токов дуг с одинаковой частотой. Дуги питают от двух одинаковых источников разнополярных импульсов тока прямоугольной формы (патент RU 2728144, МПК B23K9/16 B23K 9/09, 28.07.2020г.).

Недостатками данного способа сварки является сильное взаимодействие собственных магнитных полей дуг, приводящее к нестабильности пространственного положения дуг и переноса электродного металла в сварочную ванну, что приводит к большому разбрызгиванию электродного металла и нестабильности размеров наплавляемого валика. Требуется два источника питания, в процессе расход электроэнергии также увеличивается, следовательно, это экономически не выгодно. Основная сложность данного процесса необходимость синхронизации импульсов тока.

Известен способ сварки алюминиевого сплава 2219 электродом, запитанным от постоянного источника тока, с воздействием УЗ колебаний 20 кГц на заготовку на расстоянии 90 мм от дуги. Способ обеспечивает глубину проплавления на 75% при мощности ультразвука 1000 Вт (C. Xiaoyu, L. Sanbao, W. Xianneng, Y. Chunli, F. Chenglei Characteristics of Periodic Ultrasonic Assisted TIG Welding for 2219 Aluminum Alloys // Materials. - Harbin Institute of Technology, Harbin, China. – 2019).

Недостатком данного способа является ограничение по размерам заготовки, для сварки габаритных пластин потребуется большая мощность для достижения эффекта, что скажется на затратах на электроэнергию.

Задачей предлагаемого технического решения является разработка способа сварки неплавящимся электродом алюминия и его сплавов, увеличивающего глубину проплавления в широком диапазоне параметров режимов сварки и без ухудшения качества сварных швов.

Технический результат заключается в увеличении производительности сварки неплавящимся электродом без ухудшения качества сварных соединений для изделий из алюминиевых сплавов толщиной 4-10 мм.

Технический результат достигается в способе сварки неплавящимся электродом алюминия и его сплавов, при котором осуществляют аргонодуговую сварку неплавящимся электродом c использованием ультразвуковых колебаний частотой 20 кГц и постоянной скоростью движения заготовки, при этом осуществляют воздействие ультразвуком мощностью 20-60 Вт на область столба дуги, а сварку осуществляют на переменном токе с прямоугольной формой импульсов частотой 20-100 Гц и относительной длительностью импульсов тока обратной полярности 0,1-0,4 от времени периода.

Сущность способа заключается в том, что ультразвук воздействует непосредственно на сварочную дугу, что позволяет на 30-40% увеличить глубину проплавления. Заявленная относительная длительность импульсов тока обратной полярности от времени периода обеспечивает необходимое качество катодной очистки и стойкость электрода на повышенных режимах сварки, что позволяет повысить производительность аргонодуговой сварки неплавящимся электродом. Расширение диапазона параметров режимов сварки позволяет увеличить диапазон свариваемых изделий из алюминиевых сплавов без ухудшения качества сварных швов.

Увеличение мощности ультразвука до 100 Вт и более приводит к нарушению формирования шва на критических режимах сварки. Оптимальное значение мощности ультразвуковых колебаний (УЗК) 20-60 Вт, при этом обеспечивается формирование швов без дефектов с наибольшей глубиной проплавления.

Заявленный способ обеспечивает формирование мелкочешуйчатого шва с плавным переходом к основному металлу на обычных и критических режимах сварки.

Примеры, подтверждающие влияние ультразвуковых колебаний на глубину проплавления при сварке алюминиевых сплавов толщиной от 3 до 10 мм приведены в таблице.

Способ осуществляется следующим образом. Неплавящийся электрод (например, марки WL-20) диаметром 4 мм устанавливается на расстоянии 3 мм от поверхности алюминиевой заготовки. Посредством переменного тока частотой 20-100 Гц с прямоугольной формой импульсов обратной полярности заявленной длительностью зажигается сварочная дуга для аргонодуговой сварки. Ультразвуковым преобразователем осуществляют воздействие на дугу ультразвуковыми колебаниями частотой 20 кГц и мощностью ультразвука 20-60 Вт. Далее осуществляют сварку при постоянной скорости движения заготовки, равной 22 м/ч (скорость сварки).

Таблица

Параметры УЗК Параметры режимов сварки (на дугу) Частота УЗК, кГц Мощность УЗК (P_УЗК),
Вт Сила сварочного тока
(I_св.), А Скорость сварки
(V_св.), м/ч Частота переменного
тока, Гц Длительность импульсов тока обратной полярности (τ_обр.), мс Длительность импульсов тока прямой полярности (τ_пр.), мс Относительная длительность импульсов тока обратной полярности от времени периода Расход газа, л/мин Длина дуги, мм Диаметр электрода, мм Площадь проплавления и толщина заготовки - - 150÷160 22 20 7.5 42.5 0,15 12-14 3 4 10-12 мм² / 3 мм 20 60 150÷160 7.5 42.5 12-14 мм² / 3 мм - - 150÷160 50 2 18 0,1 14-16 мм² / 3 мм 20 60 150÷160 2 18 16-18 мм² / 3 мм - - 150÷160 3 17 0,15 13-15 мм² / 3 мм 20 60 150÷160 3 17 17-19 мм² / 3 мм - - 150÷160 5 15 0,25 12-14 мм² / 3 мм 20 60 150÷160 5 15 16-18 мм² / 3 мм

- - 150÷160 22 50 8 12 0,4 12-14 3 4 9-11 мм² / 3 мм 20 60 150÷160 8 12 12-14 мм² / 3 мм - - 150÷160 100 1.5 8.5 0,15 17-19 мм² / 3 мм 20 60 150÷160 1.5 8.5 20-22 мм² / 3 мм - - 200÷210 50 5 15 0,25 14-16 14-16 мм² / 4 мм 20 60 200÷210 5 15 22-24 мм² / 4 мм - - 250÷260 3 17 0,15 16-18 18-22 мм² / 6 мм 20 60 250÷260 3 17 26-30 мм² / 6 мм - - 300÷310 3 17 18-20 Дефекты (подрезы, бугры и др.) /10 мм 20 20 300÷310 3 17 38-42 мм² / 10 мм 60 300÷310 3 17 40-44 мм² / 10 мм 100 300÷310 3 17 Дефекты (бугры, подрезы) / 10 мм

На фиг. 1 показано формирование шва на критических режимах сварки (материал АМг-6, толщина пластины – 10 мм, I_св.=300 А, V_св.=22 м/ч) без ультразвука, на фиг. 2 показано формирование шва на критических режимах сварки (материал АМг-6, толщина пластины – 10 мм, I_св.=300 А, V_св.=22 м/ч) с ультразвуком, на фиг. 3 показан макрошлиф (материал АМц, толщина пластины - 4 мм) шва полученного без УЗК, на фиг. 4 показан макрошлиф (материал АМц, толщина пластины - 4 мм) при P_УЗК=20 Вт, на фиг. 5 показан макрошлиф (материал АМц, толщина пластины - 4 мм) при P_УЗК=60 Вт, на фиг. 6 показан макрошлиф (материал АМц, толщина пластины - 4 мм) при P_УЗК=100 Вт, на фиг. 7 показана глубина проплавления без УЗК (материал АМг-6, δ=10 мм, I_св.=250 А; V_св.=22 м/ч), на фиг. 8 показана глубина проплавления при мощности УЗК P_УЗК=60 Вт (материал АМг-6, δ=10 мм, I_св.=250 А; V_св.=22 м/ч), на фиг. 9 показана глубина проплавления при мощности УЗК P_УЗК=100 Вт (материал АМг-6, δ=10 мм, I_св.=250 А; V_св.=22 м/ч).

Способ обеспечивает увеличение глубины проплавления на 30-40% и значительно улучшает формирование сварного шва на критических режимах сварки (I_св.=300 А, V_св.=22 м/ч).

Таким образом, способ аргонодуговой сварки неплавящимся электродом алюминия и его сплавов c использованием ультразвуковых колебаний частотой 20 кГц воздействующих ультразвуком мощностью 20-60 Вт на область столба дуги, при котором сварку осуществляют с постоянной скоростью движения заготовки, на переменном токе с прямоугольной формой импульсов частотой 20-100 Гц и относительной длительностью импульсов тока обратной полярности 0,1-0,4 от времени периода, позволяет увеличить производительность сварки неплавящимся электродом без ухудшения качества сварных соединений для изделий из алюминиевых сплавов толщиной 4-10 мм.

Изобретение может быть использовано для сварки и наплавки конструкций из алюминиевых сплавов толщиной 4-10 мм. Осуществляют аргонодуговую сварку неплавящимся электродом с постоянной скоростью движения заготовки, при этом воздействуют ультразвуком на область столба дуги при частоте ультразвуковых колебаний 20 кГц и мощности 20-60 Вт. Сварку осуществляют на переменном токе с прямоугольной формой импульсов частотой 20-100 Гц и относительной длительностью импульсов тока обратной полярности, составляющей 0,1-0,4 от времени периода. Способ обеспечивает высокую производительность сварки изделий из алюминиевых сплавов без ухудшения качества сварных соединений. 9 ил., 1 табл.

Способ сварки неплавящимся электродом алюминия и его сплавов, при котором осуществляют аргонодуговую сварку неплавящимся электродом c использованием ультразвуковых колебаний частотой 20 кГц и постоянной скоростью движения заготовки, отличающийся тем, что осуществляют воздействие ультразвуком мощностью 20-60 Вт на область столба дуги, сварку осуществляют на переменном токе с прямоугольной формой импульсов частотой 20-100 Гц и относительной длительностью импульсов тока обратной полярности 0,1-0,4 от времени периода.