Способ контактной стыковой сварки оплавлением Советский патент 1993 года по МПК B23K11/04 

Изобретение относится к области стыковой сварки и может быть использовано в различных областях машиностроения для сварки деталей из различных металлов и сплавов.

Известен способ контактной стыковой сварки оплавлением, по которому торцы свариваемых деталей нагревают в процессе контактного оплавления до образования на них слоя расплавленного металла и осуществляют осадку - совместную пластическую деформацию торцов, при которой формируется сварное соединение,

Существенным недостатком указанного способа является образование большого количества грата в соединении, что связано с использованием значительной пластической деформации торцов, необходимой для выравнивания их поверхностей, выдавливания перегретого металла, разрушения и удаления оксидных плен.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому положительному эффекту является способ контактной стыковой сварки оплавлением, по которому нагрев и оплавление торцов свариваемых деталей осуществляют в инертной среде электрической дугой низкого давления, горящей в зазоре между ними и равномерно распределенной по всей их поверхности, причем равномерное распределение дуги по торцовым поверхностям свариваемых деталей осуществляют путем выбора определенного давления инертного

ч| 00 ч| О 00

чэ

CJ

газа и силы тока дуги в зависимости от природы газа, металла .зриваемых деталей и площади их торцов.

Однако указанный способ имеет недостатки, снижающие его экономичность и качество сварных соединений, Основной недостаток - неравномерное формирование слоя жидкого металла на торцах свариваемых деталей, что ухудшает форму усиления шва, делает его неравномерным по периметру стыка. При нагреве торцов свариваемых деталей электрической дугой низкого давления вблизи стыка происходит значительное ухудшение поверхности деталей вследствие катодной эрозии - образуются неровности в виде кратеров и наплывов закристаллизовавшегося металла. Глубина кратеров может достигать 0,2- 0,3 мм. При осадке жидкий металл выдавливается из стыка, растекается по примыкающим к стыку кратерам и неровностям, образующееся при этом усиление в стыке неравномерно. Наличие неравномерного усиления и грата, значительная эрозия поверхности деталей вблизи стыка требуют существенной механической доработки соединений. Указанные особенности процесса сварки значительно ухудшают качество соединений при сварке тонкостенных труб и других деталей, когда образующиеся неровности усиления шва и поверхности деталей вблизи стыка соизмеримы с толщиной стенки детали. При этом прочность соединений может снижаться на 15-20%.

Целью изобретения является расширение области использования способа контактной стыковой сварки оплавлением с нагревом торцов дугой низкого давления вследствие обеспечения возможности сварки деталей относительно малой толщины, повышение экономичности способа вследствие исключения необходимости механической обработки сварных соединений и повышение качества сварных соединений вследствие повышения их прочности и уменьшения эрозии поверхности деталей.

Цель достигается путем использования способа контактной стыковой сварки оплавлением, по которому свариваемые детали устанавливают в вакуумной камере, камеру вакуумируют и наполняют инертным газом, торцы-свариваемых деталей оплавляют дугой низкого давления, горящей в зазоре между ними, при этом контролируют напряжение дуги, а затем производят осадку торцов и согласно изобретению в инертный газ добавляют активный газ, обеспечивающий снижение напряжения дуги, при этом предварительно экспериментально определяют зависимость напряжения дуги в смеси инертного и активного газов от парциального давления активного газа, а при сварке парциальное давление активного газа устанавливают в диапазоне давлений РМин...Рмакс,

соответствующем понижению напряжения дуги на 2.,.2,5 В. В частности, при сварке деталей из сталей и никелевых сплавов в качестве инертного газа выбирают аргон, в качестве активного газа выбирают углекис0 лый газ, при этом парциальное давление углекислого газа выбирают в пределах 25...70 Па.

Физическая сущность изобретения заключается в следующем. При добавлении в

5 инертную среду низкого давления активного газа изменяется природа процессов на катоде дуги, что приводит к увеличению количества и уменьшению размеров катодных пятен, В результате этого уменьшается ка0 тодная эрозия поверхности деталей в дуговом разряде, улучшается рельеф торцов и равномерность их оплавления. Это приводит к возможности использования небольшой деформации торцов при осадке и

5 получению соединений с небольшим равномерным усилением в стыке, исключающем необходимость механической обработки соединений.

Изменение процессов на катоде при до0 бавлении активного газа сопровождается уменьшением катодного падения напряжения, что приводит к уменьшению напряжения дуги.

Измерения катодных процессов, необ5 ходимые для существенного уменьшения катодной эрозии и улучшения формирования соединений, происходят при определенном парциальном давлении активного газа и сопровождаются определенным по0 нижением напряжения дуги. Причем важной . особенностью происходящих процессов является то, что именно определенное понижение напряжения дуги непосредственно связано с изменением катодных

5 процессов и улучшением формирования соединений. Необходимое парциальное давление активного газа, соответствующее оптимальному понижению напряжения дуги, может быть определено эксперимен0 тально.

При пбнижении напряжения дуги в смеси инертного и активного газов по сравнению с напряжением дуги в инертном газе менее чем на 2 В увеличивается степень

5 катодной эрозии и уменьшается равномерность оплавления торцов свариваемых деталей.

При понижении напряжения дуги в смеси газов более чем на 2,5 В увеличивается неравномерность оплавления торцов. Кроме того, торцы свариваемых деталей загрязняются продуктами взаимодействия с активным газом. Следовательно, понижается качество сварных соединений.

Выбор природы активного газа определяется природой свариваемого металла. В результате их взаимодействия при сварке не должны происходить изменения свойств металла в зоне стыка и образование пленок химических соединений, вызывающие снижение качества сварных соединений.

Так, при сварке сталей и никелевых сплавов целесообразно использовать небольшие добавки углекислого газа.

В таблице приведены результаты экспериментального определения глубины кратеров, образующихся на поверхности труб из стали 12X18Н1 ОТ вблизи стыка в результате катодной эрозии в дуговом разряде, и напряжения дуги в зависимости от парциального давления углекислого газа при сварке в аргоне с парциальным давлением 800 Па.

Существенное уменьшение эрозии поверхности труб наблюдается при добавлении в аргон углекислого газа до парциального давления 25 Па, что сопровождается снижением напряжения дуги с 20,8 (напряжение дуги в аргоне) до 18,6 В. Глубина кратеров снижается практически в 10 раз и составляет 0,02-0,03 мм. При этом выдавленный при осадке металл кристаллизуется ровным валиком вдоль стыка труб.

Увеличение парциального давления углекислого газа до 70-75 Па приводит к дальнейшему улучшению рельефа и снижению нал ряжния дуги. Одна ко дальнейшее увеличение парциального давления углекислого газа более 75-100 Па нецелесообразно, так как практически не снижает эрозию поверхности труб и сопровождается снижением равномерности распределения дуги по торцам и ухудшением равномерности их оплав- ления. В то же время повышается окислительная способность газовой среды. При парциальном давлении углекислого газа более 70 Па на поверхности труб появляется слабое пожелтение, вызванное окислением. При этом однако окисления металла на торцах при нагреве практически не происходит и свойства соединений не ухудшаются.

Предлагаемый способ был осуществлен на сварочной установке СТЫК-3 при сварке труб из аустенитной стали 12Х18Н10Т диаметром 12 мм с толщиной стенки 1 мм. Трубы устанавливали в зажимах, расположенных в вакуумной камере установки. Вылегтруб из зажимов и зазор между свариваемыми торцами составлял 4 мм. Камеру вакуумировали до остаточного давления порядка 1 Па и заполняли аргоном с парциальным давлением 800 Па. При этом в вакуумную камеру добавляли углекислый газ с парциальным давлением 50 Па. Затем

трубы сваривали на следующем режиме: число импульсов подогрева 5; сила тока при подогреве 120 А; длительность импульсов тока при подогреве 0,1 с; длительность пауз 0,2 с; сила тока при оплавлении 180 А; дли0 тельность импульса оплавления 0,12 с; усилие осадки 700 Н. При сварке напряжение дуги составило 17,9 В, (при сварке в аргоне оно равнялось 20 В). Формирование соединений осуществлялось с незначительным

5 поражением поверхности труб - глубина, кратеров не превышала 0,01-0,02 мм с ров-, ным валиком выдавленного при осадке ме-. талла.

Практически такие же результаты были

0 получены при парциальных давлениях углекислого газа 25 и 70 Па. При давлениях 75- 80 Па наблюдалось пожелтение поверхности трубы. При давлении 20 Па глубина кратеров увеличивалась до 0,05 мм и

5 появлялись неровности усиления.

Использование предлагаемого способа контактной стыковой сварки оплавлением обеспечивает по сравнению с существующими способами следующие преимущест0 ва: возможность получения соединений с незначительным ухудшением рельефа поверхности деталей и равномерным небольшим усилением в стыке, что позволяет исключить механическую доработку соеди5 нений и операцию удаления внутреннего грата при сварке труб, улучшить механические свойства соединений при сварке тонкостенных труб; расширить область применения стыковой сварки дугой низкого

0 давления на сварку труб малого диаметра с толщиной стенки менее 1 - 0,5 мм. Формула изобретения 1. Способ контактной стыковой сварки оплавлением, при котором свариваемые де5 тали устанавливают в вакуумной камере, камеру вакуумируют и наполняют инертным газом, торцы свариваемых деталей оплавляют дугой низкого давления, горящей в зазоре между ними, при определенном

0 напряжении дуги, а затем производят осадку, отличающийся тем, что, с целью расширения технологических возможностей путем обеспечения сварки деталей относительно малой толщины, повышения

5 экономичности путем исключения механической обработки сварных соединений и повышения качества сварных соединений путем повышения их прочности и уменьшения эрозии поверхности деталей, в инертный газ добавляют, активный газ.

обеспечивающий снижение напряжения дуги, и устанавливаю; его парциальное давле- ние в диапазоне, соответствующем понижению напряжения дуги на 2...2,5 В.

2. Способ по п. 1,отличающийся тем, что при сварке деталей из сталей и

никелевых сплавов в качестве инертного газа выбирают аргон, в качестве активного газа выбирают углекислый газ, при этом парциальное давление углекислого газа выбирают в пределах 25...70 Па.

Использование: область стыковой сварки, для соединения деталей из различных металлов и сплавов. Сущность изобретения: торцы свариваемых деталей оплавляют дугой низкого давления, горящей в зазоре между ними, при определенном напряжении дуги. Сварку осуществляют в вакуумной камере, которую вакуумируют, наполняют инертным газом и добавляют в него активный газ, обеспечивающий снижение напряжения дуги. Парциальное давление активного газа устанавливают в диапазоне давлений, соответствующем понижению напряжения дуги на 2...2,5 В по сравнению с напряжением дуги в инертном газе. В случае сварки деталей из сталей и никелевых сплавов в качестве инертного газа выбирают аргон, а в качестве активного газа выбирают углекислый газ. Парциальное давление углекислого газа выбирают в пределах 25-70 Па. Способ обеспечивает качественную сварку труб малого диаметра с толщиной стенки 0,5-1 мм, позволяет исключить операцию удаления грата. 1 з. п. ф-лы, 1 табл. fe

Зависимость напряжения дуги и глубины кратеров от парционального давления углекислого газа при сварке труб из стали 12Х18Н10Т в аргоне