Способ сварки давлением и машина для его осуществления Советский патент 1991 года по МПК B23K20/00 

друга перемещения, возникающего за счет давления от теплового расширения деталей и давления паров защитно-активирующего вещества прослойки. Регулируемый дроссель 7 и второй гидрораспределитель 8 установлены последовательно между рабочей полостью гидроцилиндра 5 и управляющим перераспределит new 6. Оба ги,г юраспре- делителя связаны i1 датчиком 9 /j явления и

датчиком 10 температуры. При сжатии деталей с заданным предварительным давлением РПр датчик 9 давления через блок 11 управления осуществляет включение гидрораспределителя 6 и по цепи 6-7-8 соединяет рабочую полость гидроцилиндра 5 со сливом. Осуществляется высокоскоростной нагрев соединения до температуры сварки, 2 с.п. ф лы, 3 ил., 1 табл.

Изобретение относится к сварке давлением с подогревом и может быть использовано в различных отраслях промышленности. Цель изобретения - повышение качества соединения и экономия металла за счет снижения припусков при последующей механической обработке. Свариваемые детали закрепляют в подвижном и неподвижном зажимах сварочной машины. Наносят на свариваемые торцы прослойку из защитно-активирующего вещества, сжимают торцы деталей. Производят нагрев соединения до температуры сварки. В процессе нагрева происходит пиролиз материала прослойки. По достижении заданной температуры осуществляют изотермическую выдержку. Кроме того, в процессе нагрева свариваемые детали фиксируют от осевого относительно друг 9

Изобретен относится к области сварки давлением с подогревом л может быть использовано в различи х областях промышленности.

Цель изобретений - гт - ышение качества соединения и экономии металла за счет снижения припусков на последующую механическую обработку,

На фиг. 1 приведена схема машины для сварки давлением; на фиг. 2 - изменение давления Рев и температуры Тсе в зоне сварки при сварке материалов, пластичность которых незначительно отличается друг от друга при температуре сварки, РПр - давление предварительного сжатия, Рт.р - давление, возникающее от теплового расширения материала в процессе нагрева, Тпир - температура пиролиза защитно-активирующих сред; на фиг. 3 - изменение давления сварки и температуры в зоне соединения при сварке материалов, пластичность которых существенно отличается друг от друга при температуре сварки, Рпл - давление, разное пределу текучести более пластичного материала,

Машина для сварки давлением содержит станину 1 с размещенным на ней неподвижным зажимом 2 и подвижным зажимом 3, трансформатор 4 нагрева, гидроцилиндр 5 сжатия, связанный через шток поршня с подвижным зажимом 3. Обе полости гидроцилиндра соединены трубопроводами с управляющим гмдрораспределителем 6, а между рабочей полостью гидроцилиндра 5 и гидрораспределмтелем б установлен последовательно дроссель 7 и дополнительный гидрораспределмтель 8, выполненный с возможностью запирания рабочей полости гидроцилиндра.

С рабочей полостью гидроцилиндра соединен датчик 9 давления, а в зоне сварки изделий размещен датчик 10 температуры. Гидрорзс пределителм 6 м В электрически связаны через блок 11 управления с датчиком 9 давления и датчиком 10 температуры (показано пунктиром на фиг. 1).

Блок управления состоит из тиристор- но-релейного коммутатора, усилителя и регулируемого временного программатора, которые обеспечивают автоматическое переключение элементов 4, 6 и 8 схемы на фиг. 1 через блок 11 управления по команде датчиков давления 9 и температуры 10.

Способ осуществляется следующим образом.

На свариваемые поверхности деталей наносят защитно-активирующие среды. Детали устанавливают в зажимах 2 и 3 и

зажимают. Затем в рабочую полость гидроцилиндра 5 через гидрораспределители 6 и 8 подают рабочую жидкость под давлением, осуществляющим перемещение подвижного зажима 3 до сжатия свариваемых заготовок и достижения необходимого сварочного давления РПр (предварительное давление, равное 0,25-0,5 предела текучести материала детали), устанавливаемого на датчике 9, По сигналу датчика 9 через блок 11 управления отключают распределитель 8, перекрывая рабочую полость гидроцилиндра 5, а затем подается команда через блок 11 управления нз трансформатор 4 на включение нагрева стыка. Датчик 10 ведет контроль за температурой стыка. В процессе нагрева стыка до температуры сварки удерживают детали от осевого смещения. Создаваемое давление в зоне стыка Рев пропорционально суммарному давлению

теплового расширения заготовок Рт.р и давлению паров защитно-активирующей среды РЗАВ в стыке, образующегося в процессе пиролиза защитно-активирующего вещества (ЗАВ), т.е.

Рев Рт.р + РЗАВ,

ITO позволяет осуществлять локальное деформирование металла непосредственно е зоне контактирования автоматически на необходимую величину.

Зависимость роста температуры и давления, возникающих от теплового расширения свариваемых металлов и процессов, сопровождающих пиролиз ЗАВ в стыке, представлена на фиг. 2. РСв - (сплошная линия) соответствует суммарному увеличению давления РЗАВ + Рт.р. На фиг, 2 видно. что Рев начинает резко возрастать с момента времени достижения в контактной зоне температуры, соответствующей температуре пиролиза Тпир ЗАВ и по мере нагрева соединения (сплошная линия) до температуры сварки Тсв достигает своего максимума в момент достижения температурой в зоне соединения значения ТСв.

Угол а показывает скорость нагрева соединения, чем круче (больше) угол а, тем выше скорость нагрева,

Такое резкое нарастание давления в стыке одновременно с пластическим деформированием микровыступов приводит к дополнительному поджатию образующихся газовых пузырьков, что приводит к возникновению двойной коммулятивной струи. При этом истечение сопровождается гидродинамическими явлениями кавитационного характера, приводящими к интенсивной очистке и активации свариваемых поверхностей в процессе их деформации и на периферийных участках свариваемых поверхностей при достижении ими температур, близких к температуре сварки.

При сварке на установке пластичных материалов (фиг. 2) суммарное давление ограничивают значением

Рт.р + РЗАВ (0,8-1,0)Рпл.

где Рпл - давление, равное пределу текучести более пластичного материала при температуре сварки.

При сжатии деталей о заданным предварительным давлением РПр датчик 9 давления через блок 11 управления осуществляет включение гидрораспределителя б и по цепи 6 - 7 - 8 соединяет рабочую полость гидроцилиндра 5 со сливом, а затем подается команда через блок 11 управления на трансформатор 4 и осуществляется высокоскоростной нагрев соединения до температуры Тсв.

При разогреве стыка с высокой скоростью происходит тепловое расширение заготовок и пиролиз ЗАВ в стыке, сопровождающий разжим нарастанием давления ЗАВ при переходе его в газообразное состояние, вследствие чего подвижный зажим 3 перемещается в сторону, противоположную усилию сжатия. Вытесняемая при этом

из рабочей полости гидроцилиндрз жидкость проходит через дроссель 7, гидравлическое сопротивление которого обеспечивает замедленное, по сравнению

со скоростью теплового расширения заготовок и давления паров продуктов пиролиза ЗАВ из стыка, перемещение поршня (подвижного зажима) и увеличение давления в рабочей полости до величины (0,8-1,0) РПл.

Регулирование величины пластической

деформации при сварке осуществляется установкой дроссельного гидравлического сопротивления на входе в рабочую полость гидроцилиндра. При использовании в машине регулируемого дросселя общая величина давления действительно меньше суммарного давления теплового расширения заготовок и давления паров ЗАВ и составляет (0,8-1,0) предела текучести

наиболее легкоплавкого материала, которая в свою очередь прямо пропорциональна температуре нагрева свариваемых материалов. При этом площадь сечения регулируемого дросселя может быть определена из

следующего выражения:

-F Fn 1(Тсв-Т0)-е

А V 4Д (0,) Рпл-Р7 где Рд - ПЛОЩРДЬ сзче и ч дрог сел я, м2;

Рг, - сечение поршня гидроцилиндра.

2;

М

К - коэффициент линейного расширения свариваемых металлов;

Тсв - температура сварки, °С; То - температура деталей до сварки, °С; с- величина необходимой .деформации,

/а - коэффициент расхода (/ - 0,73); 1. - время нагрева, с:

g - ускорение свободного падения, ч/с2;

у- удельнмй вес жидкости в гидросистеме. кг/г-Л;

Рс - давление с i дросистеме до дрос- сепя, КГ/N/;

- вели - пча зо .ы прогрева детали до температуры сварки, м.

В свою очередь, площадь сечения уста- пзвлчБэется с помощью калиброванного реГ . ЛЯТООЙ.

При сварке разнородных металлов целесообразно периодически увеличивать давление во время разогрева стыка до величины РСО Ртр + РЗАЗ путем перекрытия слива жидкости из рабочей полости гидро- цилиндра 5 гидрораспределителя 8 по команде датчика 10 температуры и датчика 9 давления через блок 11 управления.

При достижении температуры сварки датчик 10 подает команду на включение распределителей 6 и 8 и осуществляют изотермическую выдержку путем использования последующего импульсного нагрева соединения через трансформатор 4, управляемый блоком 11 и датчиком 10 температуры и приложением в паузах между импульсами нагрева импульсов давления через распределители 6 и 8, дроссель 7.

Пример 1. Производилась сварка заготовок инструмента из ст. 45 - хвостовик и ст. Р18 - режущая часть на полуавтомате ПДС-901И. Предварительно на свариваемой поверхности наносился следующий состав ЗАВ, мас.%: смола ЭД-20 85; нитроклетчатка 15.

Свариваемые детали имели следующий профиль: быстрорежущая сталь - квадрат 15x15 мм, диаметр хвостовой части ст. 45 - 17 мм. Толщина прослойки в стыке определяется величиной шероховатости и была 40-80 мкм. Сварку осуществляли при 1150- 1220°С, время изотермической выдержки было 50-60 с, длительность импульсов нагрева и импульсов дополнительного давления при изотермической выдержке составляла 1,0-1,5 с.

Поддержание температуры осуществляли фотопирометрическим устройством, выполненным на фототранзисторах ФТ-2К с временем отработки 0,1 с.

-

Детали предварительно сжимали с уси лием 2,5 кгс/мм , по команде датчика 9 фиксировали их от взаимного осевого смещения и производили нагрев стыка через трансформатор 4, блок 11 управления и датчик 10 до температуры сварки Тсв за время пиролиза ЗАВ, при этом в стыке создавалось давление, пропорциональное суммарному давлению теплового расширения заготовок Рт.р и паров ЗАВ: РЗАС (Рев РтР + РЗАВ).

При достижении температуры сварки датчик 10 подавал команду на осуществление изотермической выдержки.

Величина остаточной деформации не превышала 10-12%, краевые несплошности отсутствовали.

Пример 2. Производилась сварка деталей из сталей Э10Ш и ШХ15. В качестве ЗАВ использовался то же состав, что и в примере 1. Детали сжимали усилием 1,5 кгс/мм2. Затем свариваемые детали фиксировали от осевого смещения, нагревали до температуры сварки ТСв, при этом создавалось давление

Рт.р + РЗАВ Рпл 4-5 кгс/мм2.

-

Давление Рпл 4-5 кгс/мм2 было выбрано, как соответствующее (0,8-1,0) РПл материала Э10Ш (более пластичного из свариваемых деталей) при температуре

5 сварки, т.е. 1150-1220°С.

Такое давление создавалось автоматически за счет введения в магистраль силового цилиндра сварочного давления регулируемого дросселя.

10 Изотермическая выдержка осуществлялась путем импульсных нагрева и давления. Время сварки не превышало 1 мин. Величина локальной деформации составляла не более 7-10%, краевые несплошности отсут15 ствовали.

В таблице приведены данные по влиянию величины предела текучести (давления, возникающего от введения дроссельного сопротивления) на качество соединения (на20 личие несплошности).

Использование способа и машины позволит повысить качество соединения за счет исключения краевых несплошностей по периферии сварного соединения, сни25 зить объем последующей механической обработки и сократить расход дефицитных быстрорежущих (вольфрамсодержащих) сталей.

Техническое решение позволяет со30 здать специальную программу увеличения давления в процессе высокоскоростного нагрева соединения, обеспечивающую наиболееоптимальныеусловияформирования соединения путем одновре- 35 менного повышения качества локальной защиты зоны стыка от окисления и активации свариваемых поверхностей продуктами пиролиза защитно-активирующих веществ, исключения краевых несплошностей и тем

40 самым снижения объема последующей механической обработки и расхода металла в целом.

Формула изобретения

друг относительно друга перемещения, возпикающего за счет давления, от теплового расширения деталей и давления паров защитно-активирующего вещества прослойки. 2. Машина для сварки давлением, содержащая станину и установленные на ней подвижный и неподвижный зажимы, гидроцилиндр сжатия с управляющим гидрорэсп- ределителем, трансформатор нагрева и датчик давления, отличающаяся тем, что. с целью повышения качества соединения и снижения припусков на последующую механическую обработку, машина дополниОтношение сваоочного давления

к пределу текучести при темпе- ратуре сварки

0,7

0,75

0,8

0,9

1,0

1,0

пив

0

тельно снабжена регулируемым дросселем, вторым гидрораспределителем, датчиком температуры и блоком управления, причем регулируемый дроссель и второй гидрораспределитель установлены последовательно между рабочей полостью гидроциликдра и управляющим гидрораспределителем, а второй гидрораспределитель выполнен с возможностью запирания рабочей полости гидроцилиндра и оба гидрораспредепителя связаны с датчиком давления и датчиком температуры.

Площадь краевой несплошности, %

15-17 5-7

Наличие увеличенной деформа- ции

-t

Риг г

Р,Т

rn

пир

ФигЗ

т.р