Способ сварки трением Советский патент 1992 года по МПК B23K20/12 

Изобретение относится к сварке давлением, в частности саарке трением стали с чугуном, содержащим шаровидный графит, при котором между контактирующими поверхностями стыкуемых деталей создают посредством вращения относительное перемещение и стыкуемые детали прижимают друг к другу их контактирующими поверхностями как в ходе относительного перемещения (фрикционное давление), так и в неподвижном состоянии при более высоком давлении (сжимающее давление).

Целью изобретения является повышение прочности соединения.

Эта цель достигается применением чугуна с графитом шаровидной формы и структурой, характеризующейся содержанием графитных шариков 280-320/мм2, ферритных зерен 280-300/мм2 и долей шаровидного графита 95% в общем содержании графита; время трения устанавливается таким образом, чтобы диффузия углерода в сталь в месте сварки трением была минимальной; величина давления сжатия выбирается такой, чтобы в процессе сварки трением происходило лишь количественное выпрессовывание науглероженного расплава и не допускалось расплющивания графитных шариков в пластинки.

1 ч|

Ј

4 О

Сл)

Обычно причиной дефектов в зоне сварного соединения при сварке трением япля ется, помимо прочего, сдавливание в чугуне шаровидного графита. В связи о этим задачей, решаемой настоящим изобретением, является нахождение технологических параметров, при которых удается предотвратить такое сдавливание и одновременно обеспечить прочность сварного соединения, соответствующую прочности основного материала (стали и-чугуна),

Изобретение основано также на знании того, что ограниченная способность к спар- ке трением проявляется в результате обусловленного теплотой трения растворения углерода, которое вследствие быстрого отвода тепла через деталь приводит к образованию ледебурита и мартенсита и, тем самым, существенному охрупчиванию материала. Следствием этого является затруднительная обработка деталей из-за недостаточной вязкости и появление трещин от внутренних напряжений на элементах конструкций.

Проведенные исследования показали, что применяемый в настоящее время чугун может содержать в своей структурее охруп- чивзющие элементы, которые после осуще- ст вления сварки трением сразу же приводят к образованию грещин и повреждению материала.

Используемая в настоящее время после сварки последующая термообработка удорожает процесс, и такая термообработка не может устранить первичные трещины от внутренних напряжений, то есть трещины, возникшие непосредственно после завершения процесса сварки трением. В связи с этим возникла необходимость выполнить воспринимающее нагрузки сечоние сварного соединения без дополнительной термообработки и Оез содержания ледебурита, Поэтому одна из задач, которую необходимо решить при, реализации изобретения, заключалась в том, чтобы усовершенствовать материал чугун с шаровидным графитом, сделав его пригодным для сварки трением, и избежать ухудшающих качество ч/п/на структурных изменений, в частности появления ледебуритной или мартенситной структуры под влиянием теплоты сварки трением.

Используемый для изготовления чугунной детали чугун с шаровидным графитом характеризуется определенными свойствами вязкости.

Элементами, придающими хрупкие свойства, являются марганец, хром и медь, а также фосфор, сера и микроэлементы. При производстве чугуна согласно изобретению

берется (перед обработкой магнием для образования шаровидного графита) предпочтительно расплав, содержащий Мп 0,01-0,25%; Сг 0,01-0,05%; Си 0,02-0,05%;

Р 0,01-0,02; S 0,001-0.02%. а также карбид- стабилизирующие микроэлементы - висмут, олово, селен, теллур, сурьма, молибден, ванадий в общей концентрации не более 0,15%.

Из техники известно, что элемент кремний сплавляется в ферите и с увеличением содержания приводит к повышению хрупкости. С другой стороны, кремний является важнейшим легирующим элементом, стимулирующим выделение углерода во время затвердевания и тем самым предотвращающим образование цементит- ной или ледебуритной структуры.

Для обеспечения низкого содержания кремния при оптимальном и стабильном затвердевании при точке эвтектики зарекомендовали себя как предпочтительные следующие технологические приемы.

С целью стимулирования процесса кристаллизации графита содержание углерода

з расплаве устанавливают предпочтительно в пределах 3,75-3,85%. Содержание кремния в базисном расплаве устанавливают предпочтительно в пределах 2,14-2,16%, при этом проводится преимущественно

двухступенчатое введение затравки в расплав до получения, окончательного содержз- нип 2,30 ± 0,10%,. Кроме того, для уменьшения обусловленной технологией склонности к переохлаждению и тем самым

для того, чтобы избежать затвердевания с образованием карбида, целесообразно проводить обработку чистым магнием в конвертере при содержании Мд 0,045 ± 0,005%. В результате благодаря предложенному

составу расплава и методам его переработки материал приобретает такие свойства, которые согласно изобретению приводят к достижению значительного соответствия со свойствами стали и тем самым создают решзгощую предпосылку для однообразного поведения материалов после сварки трением.

Соединяемые между собой материалы являются, с одной стороны, ферритным чугуном с шаровидным графитом и конструкционной сталью, с другой стороны.

Прочность получаемого сварного соединения соответствует прочности обоих сое- диняемых между собой основных металлов. В очень узкой зоне шва (100 ту) происходит незначительное повышение твердости вследствие образования перлита являющейся в остальном ферритной основы. Это относится к состоянию без дополнительной термообработки.

Время трения и давление нагрева и проковки зависят от размеров машины, сечения сварки и диаметра детали, причем на время трения дополнительно еще влияет разная скорость вращения различных размеров машин. Время трения, а в конечном счете также давление нагрева и проковки должны определяться путем немногих экспериментов, что является обычным и допустимым.

Ниже приводится конкретный пример выполнения предложенного в изобретении способа сварки трением, а именно: для трения двух трубчатых гел, которые в первом случае имеют условный проход 50 мм, а во втором случае условный проход 200 мм:

-материалы соединяемых между собой заготовок в обоих примерах являются чугун с шаровидным графитом и сталь;

-поперечные сечения заготовок на участке сварного соединения в первом примере образуются из толщины стенки 4 мм при номинальном диаметре 50 мм, а во втором пример из толщины стенки 8 мм при номинальном диаметре 200 мм;

-величина относительной скорости вращения между заготовками составляет в первом примере 5,0 м/с, а во втором примере 5,5 м/с;

-время давления трения составляет в обоих случаях 4 с;

-величина давления трения составляет в первом примере 27 бар, а во втором примере 52 бар;

-время давления нагрева и проковки составляет в первом случае 4 с, а во втором примере 5 с;

-величина давления нагрева и проковки составляет 82 бар или соответственно 124 бар;

-номинальные значения твердости получаемого сварного соединения составляют в обоих примерах 42, N м2 при 12% вращения.

В приведенном выше примере использовали чугун, расплав которого имел следующий состав: 3,80% угля: 2,50% кремния;

0.27% марганца; 0,016% фосфора; 0,003% серы; 0,040% хрома; 0,001% ванадия. РАС ход магния: 1,1-1,3 кг/т Мо.

Температура расплава, при которой осуществляется ввод магния, 1460°С.

Продолжи ельность обработки расплава магнием до 2 мин.

Таким образом, благодаря сокращению принятого до сих пор времени трения, мож- но уменьшить диффузию углерода в сталь в зоне сварного соединения при сварке трением. Благодаря повышению применявшегося до сих пор давления сжатия достигается выпрессовывание науглеро- женного расплава из зоны сварки трением и тем самым- устранение ледебуритной или мартенситной структуры. Процесс реализуем лишь при условии, что величина давления сжатия соответстпует такому значению, при котором не происходит расплющивания графитных шариков в.пластинки.

Формула изобретения

1.Способ сварки трением деталей из стали и чугуна, при котором свариваемые

детали вращают одна относительно другой и сжимают, вращение прекращают и прикладывают давление проковки, отличающийся тем, что, с целью повышения прочности соединения в случае сварки чугуна с шаровидным графитом, для изготовления чугунной детали используют полученный из расплава чугуна, содержащий графитные шарики 280-320 на 1 мм2, ферритные зерна 280-300 на 1 мм2 и долей

шаровидного графита более 95% в общем содержании графита, время трения при сварке ограничивают моментом оплавления контактной поверхности детали из чугуна при давлении трения, обеспечивающем выпрессовывание науглероженного расплава из зоны контакта без расплющивания графитных шариков в пластинки.

2,Способ по п. 1, отличающийся тем, что при сварке трением трубчатой детали из стали с трубчатой деталью из чугуна с шаровидным графитом, имеющих наружные диаметры 100 мм и толщину стенок 12 мм, давление трения выбирают равным 22 бар. время трения 40 с, давление проковки

86 бар.

Использование: для сварки трением стали с чугуном, содержащим шаровидный графит, в различных отраслях машиностроения. Сущность изобретения: при сварке трением деталей из чугуна и стали применяют чугун с графитом шаровидной формы и структурой, характеризующейся содержанием графитных шариков 280-320 на 1 мм2, ферритных зерен 280-300 на 1 мм2 и долей шаровидного графита более 95% в общем содержании графита. Время трения при сварке устанавливают таким образом, чтобы диффузия углерода, в сталь в зоне сварного соединения была минимальной. Давление сжатия выбирают таким, чтобы происходило лишь количественное выпрес- совывание науглероженного расплава и не допускалось расплющивание графитных шариков в пластины. 1 з.п. ф-лы.