Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ХОЛОДНОЙ СВАРКИ ДАВЛЕНИЕМ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ВЫСОКОПРОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Предлагаемое изобретение относится к отрасли машиностроения, в частности к области обработки металла давлением, и может быть использовано для соединения между собой высокопрочных металлических поверхностей.

Известен способ сварки давлением, в котором для повышения энергетической активности поверхностных слоев металлов используются защитно-активирующие среды (Патент РФ №1552491 от 20.12.1996 г.), вид которых зависит от марки свариваемых материалов. Например, для сварки инструментальных сталей используют эпоксидную смолу и аморфный бор.

Недостатком этого способа является то, что в процессе соединения происходит не образование металлических связей в сварном шве, а совокупность процессов склеивания и сварки. Поэтому прочность такого соединения недостаточно высокая. К тому же применение этого способа для электротехнических шин и сварки проволоки затрудняет прохождение электрического тока.

Наиболее близким является способ сварки давлением (патент РФ №2415738 от 25.11.2009 МПК В23К 20/16), Способ сварки давлением заготовок из титанового сплава, включающий размещение между заготовками промежуточной прокладки из титанового сплава с исходным размером зерен менее 1 мкм и соединение заготовок и прокладки путем приложения давления к заготовкам, причем соединение заготовок и прокладки осуществляют за два этапа, причем на первом этапе давление прикладывают при температуре ниже температуры второго этапа и близкой к нижней границе температурного интервала, обеспечивающего соответствующую условиям сверхпластичности скорость деформации, в течение времени, достаточного для образования физического контакта между соединяемыми поверхностями заготовок и прокладки, а второй этап проводят при температуре и времени, необходимых для развития объемного взаимодействия, исходный размер зерен промежуточной прокладки составляет менее 0,5 мкм, осуществляют предварительный наклеп соединяемых поверхностей заготовок с последующей термообработкой заготовок, которую проводят при температуре 750-850°C в течение 0,5-1 ч, после второго этапа соединения проводят окончательную термообработку при температуре, обеспечивающей получение однородной структуры во всем объеме заготовки.

Недостатком такого способа является снижение производительности труда.

Задачей предполагаемого изобретения является повышение производительности и эффективности способа.

Поставленная задача достигается тем, что в Способ холодной сварки давлением деталей из высокопрочных материалов, включающий предварительную очистку контактных поверхностей деталей, размещение пластичной прокладки между ними и приложение силы к соединяемым деталям с деформированием прокладки до заданной степени деформации с образованием сварного соединения, причем используют металлическую прокладку с механическими свойствами при максимальной пластической деформации, меньшими механических свойств материалов свариваемых деталей, которую предварительно перфорируют и перфорации заполняют разбавленной азотной кислотой, при этом сварку проводят в три этапа, причем вначале предварительно деформируют прокладку до полного смыкания перфораций с выжиманием из них остатков разбавленной азотной кислоты, затем выдерживают под давлением на период химического взаимодействия упомянутой кислоты с окисными слоями соединяемых металлов и окончательно деформируют до образования металлических связей на контактных поверхностях, толщину прокладки берут такой, чтобы суммарная степень деформации ее была не менее 60% и не более 90%, степень деформации на первом этапе до смыкания отверстий перфорации была не более 20%, а на последнем этапе - не менее 50%.

На фиг. 1 показан пакет свариваемых деталей с прокладкой, на фиг. 2 - штамп для сварки, на фиг. 3 - штамп под действием активных сил для соединения деталей, на фиг. 4 - график зависимости силы деформирования от хода пуансона.

Способ холодной сварки давлением деталей из высокопрочных материалов осуществляется следующим образом.

Для холодной сварки берут детали 1 и 2 в виде пластин (фиг. 1) из алюминиевого сплава В95 ГОСТ 4784-97 в упрочненном состоянии и подготавливают предварительной зачисткой металлическими щетками соединяемые поверхности. Толщина пластин 5 мм. В качестве прокладки толщиной 3 мм с перфорированными отверстиями диаметром 2 мм берут пластину 3 из технически чистого алюминия А5 ГОСТ 11069-74 и также подготавливают соединяемые поверхности.

Сложенный для соединения пакет (фиг. 2) из деталей 1 и 2 и перфорированной прокладки 3 укладывают в корпус штампа 4 так, чтобы пуансоны 5 и 6 касались сложенного пакета. Штамп устанавливается на испытательную машину Instron 5982, прошедшую метрологические испытания, с максимальной технологической силой 100 кН. Эта машина текущие значения силы деформирования выводит на компьютер в виде графиков.

Приложение сил деформирования Р к пуансонам 5 и 6 штампа и зона свариваемости 7 пакета показаны на фиг. 3. Причем при сварке пакета свариваемые детали немного прогибались.

Сила деформирования перфорированной прокладки выводилась на компьютер и визуализировалась в виде графиков, пример которого для нашего случая показан на фиг. 4. На графике виден первый этап деформирования 8, когда перфорация смыкается, и второй этап деформирования 9, когда утоняется сплошной слой прокладки. Сила Р представлена на графике в виде нагрузки в кН. На первом этапе степень деформации была 34%, что больше рекомендуемых, так как слишком большие отверстия были выбраны в перфорации. А второй этап завершился степенью деформации в 75%, что укладывается в рекомендуемые значения.

Сила разрыва сваренных образцов составляла 60% от прочности нагартованного материала А5 прокладки. Это говорит о том, что предложенный способ можно усовершенствовать.

В дополнение к первому способу сварки был проверен и второй прием, когда перфорации прокладки предварительно заполняются активирующей средой, например для нашего случая разбавленной азотной кислотой. Производили сварку также осаживанием прокладки при помощи штампа на испытательной машине Instron.

Осаживание происходит в три этапа:

1 - предварительная деформация прокладки до смыкания перфораций (<20%) и прониканием химически активирующей среды в процессе деформирования из перфораций на соединяемые поверхности,

2 - выдержка под давлением в период химического взаимодействия активирующей среды с окисными слоями соединяемых поверхностей в течение 30 с,

3 - окончательная деформация (>50%) до образования металлических связей между соединяемыми поверхностями.

Прочность повышалась на 10-15%.

Поставленный эксперимент позволяет заключить, что предложенный новый разработанный способ позволил повысить производительность и эффективность, путем создания надежного металлического соединения деталей из высокопрочных материалов без предварительного их нагревания. Данный способ позволил снизить затраты производственных ресурсов на 20-30%.