Електрозаклепочное з’єднання і спосіб його отримання

Власники патенту RU 2375161:

Товариство з обмеженою відповідальністю "АВТОВАЗ" (RU)

Винахід може бути використано при приварке тонких пластин до деталей, що переважно складаються з однорідних металів. Стрижень електрозаклепкі отриманий при заповненні присадним металом в розплавленому стані попередньо сформованого отвори в одній з деталей, що з'єднуються. Стрижень має головку у вигляді напливу присадочного металу, сплавленного з поверхнею металу над отвором в деталі, і донну частину, опуклу в бік деталі без отвору і освічену її сплавом з присадним металом. З поверхнею стінки отвори стрижень має бічний нероз'ємний контакт, отриманий при взаємодії розплаву присадочного металу з твердою фазою металу деталі. З'єднання здійснюють в суміші захисних газів Ar і He в співвідношенні (мас.%) Від 10:90 до 90:10. Температурний режим і швидкість формування стержня електрозаклепкі встановлюють з умови отримання розплаву присадного дроту в обсязі, що забезпечує контакт рідкої фази з твердою фазою стінок отвору протягом часу, достатнього для утворення нероз'ємного з'єднання. Винахід дозволяє в умовах масового виробництва при задовільній міцності з'єднання розширити технологічні можливості. 2 н.п. ф-ли, 10 іл.

Винахід відноситься до техніки зварювання і може бути використано при приварке тонких пластин до деталей переважно з однорідних металів.

В даний час в автомобілебудуванні все частіше знаходять застосування вузли та деталі зі сплавів на основі алюмінію, що обумовлено необхідністю зменшення маси автомобіля для поліпшення цілого ряду його споживчих властивостей, наприклад, таких як економічність, динамічність, екологічність. Для підвищення динамічності особливе значення має зниження обертових мас трансмісії автомобіля, оскільки на подолання їх інерційності при розгоні витрачається значна частина потужності двигуна.

Однією з деталей трансмісії, що виготовляються з алюмінієвих сплавів, є карданний вал. Застосування ж алюмінієвих сплавів в конструкції карданного валу накладає ряд обмежень на технологію його виготовлення в умовах масового виробництва, наприклад, при приварке балансувальних вантажів до карданного валу з алюмінієвого сплаву. Традиційний спосіб приварки за допомогою контактного зварювання не підходить, так як при стисненні відбувається деформація труби. Сварка дуговими способами також має ряд обмежень через необхідність здійснення зварювання у висячому положенні, при цьому не допускається «провисання» ванни, так як це вносить додатковий дисбаланс. Слід враховувати і те, що для забезпечення жорсткості і міцності карданного валу труби виготовляють із сплавів алюмінію підвищеної міцності. Термічні цикли нагріву-охолодження при зварюванні таких сплавів вносять залишкові напруги, що знижують допустимі експлуатаційні навантаження. Маса присадочного металу додається до маси вантажу балансування, і в розрахунку повинні враховуватися їх загальна маса і просторове розташування. Таким чином, приварка балансувальних вантажів до карданного валу з алюмінієвого сплаву повинна забезпечувати мінімальний тиск дуги, мінімальний нагрів вала, сталість маси привареного вантажу з урахуванням наплавленого металу і необхідну міцність з'єднання.

Для отримання такого з'єднання потрібна спеціальна деталь (вставка) досить складної форми і воно застосовується переважно у випадках, коли хвостовик цієї деталі, який виступає над з'єднанням, використовують в якості елемента, на якому закріплюють інші деталі.

Відомо електрозаклепочное з'єднання, утворене точковим проплавлением більш тонкого з матеріалів, що з'єднуються [Орлов П.І. Основи конструювання: Довідково-методичний посібник. У 2-х кн. Кп.2. Під. ред. П.Н.Учаева. - М. Машинобудування, 1988. - С.13-14]. Цей вид з'єднання застосовують при товщині одного з зварювальних матеріалів менш 6-8 мм замість зварювання прорізними швами, при цьому ця операція є простою і продуктивної, але не дає високої якості.

Відомо електрозаклепочное з'єднання, взяте за прототип, утворене заплавленим попередньо виконаних в одному з листів, що з'єднуються круглих або довгастих отворів [Орлов П.І. Основи конструювання: Довідково-методичний посібник. У 2-х кн. Кн.2. Під. ред. П.Н.Учаева. - М. Машинобудування, 1988. - С.13-14]. Це різновид нахлесточного з'єднання, так звані прорізні (пробкові) шви.

Вважається, що через високу трудомісткість виготовлення, низької міцності і негерметичність шва це з'єднання є ненадійним і рекомендується застосовувати його тільки в крайніх випадках.

Цей спосіб має обмежене застосування.

Здійснення способу вимагає додаткового поджатия зварюються за межами формованої електрозаклепкі.

Відомий спосіб отримання електрозаклепочного з'єднання, що передбачає проплавление дугою верхнього листа зварюється і приварювання його до нижнього листу, який лежить на підкладці [Сергєєв Н.П. Довідник молодого електрозварника. - М. Вища. школа, 1980. - С.122-124]. Цей спосіб передбачає зварювання під флюсом.

Такий спосіб не завжди дозволяє отримувати задовільну якість з'єднання через неможливість забезпечення оптимальних умов зварювання і здійснюється зазвичай при підвищеній витраті енергії.

Відомий спосіб отримання електрозаклепочного з'єднання, взятий за прототип, який передбачає нерухоме нероз'ємне з'єднання деталей шляхом заплавленим наплавні матеріали попередньо зробленого в одній з деталей, що з'єднуються круглого отвору [Орлов П.І. Основи конструювання:

Довідково-методичний посібник. У 2-х кн. Кн. 2. Під ред. П.Н.Усачева. - М. Машинобудування, 1988. - С.13-14].

Цей спосіб має обмежене застосування через високу трудомісткість отримання з'єднання і низькою міцності шва.

Завдання, на вирішення якої спрямовано заявляється винахід, полягає в розробці технічних рішень, які в умовах масового виробництва дозволили б при задовільній міцності електрозаклепочного з'єднання розширити технологічні можливості його отримання.

Це завдання вирішується тим, що в електрозаклепочном з'єднанні деталей, що містить стрижень електрозаклепкі, отриманий при заповненні присадним металом в розплавленому стані попередньо сформованого отвори в одній з деталей, що з'єднуються, стрижень електрозаклепкі має головку у вигляді напливу присадочного металу, сплавленного з поверхнею металу над отвором в деталі , і донну частину, опуклу в бік деталі без отвору і освічену її сплавом з присадним металом, при цьому стрижень електрозаклепкі їм ет бічній нероз'ємний контакт з поверхнею стінки отвору, отриманий при взаємодії розплаву присадочного металу з твердою фазою металу деталі, а діаметр отвору в деталі дорівнює (3-4) її товщини, мм.

Виконання стрижня електрозаклепкі з головкою у вигляді напливу присадочного металу, сплавленного з поверхнею металу над отвором в деталі, уподібнює його замикає голівці звичайної заклепки, що збільшує допустимі осьові навантаження на електрозаклепку за рахунок забезпечення додаткової поверхні контакту матеріалу з'єднання з деталлю.

Виконання стрижня електрозаклепкі з донною частиною, опуклою в сторону деталі без отвору й освіченої її сплавом з присадним металом, дозволяє підвищити міцність з'єднання.

Виконання стрижня електрозаклепкі з боковим нерознімним контактом з поверхнею стінки отвору, отриманим при взаємодії розплаву присадочного металу з твердою фазою металу деталі, дозволяє збільшити допустимі радіальні навантаження на електрозаклепку і виключити переміщення деталей, що з'єднуються.

Вибір діаметра отвору в деталі рівним (3-4) її товщини, мм, обумовлений необхідністю дотримання теплового балансу приварки деталі з отвором при забезпеченні заданої швидкості плавлення металу присадки, причому при діаметрі, меншому 3 товщини, існує ймовірність несплавлення з деталлю без отвору, а при діаметрі, більшому 4 товщини, - ймовірність незаповнення отвори.

Слід зазначити, що роль діаметра отвору по його висоті має різний характер:

на рівні контакту поверхонь деталей, що з'єднуються діаметр отвору при заданій товщині повинен бути не менше діаметра, що забезпечує час горіння дуги безпосередньо на деталь без отвору, достатню для гарантованого сплаву з одного боку і відсутність прожога або провисання зварювальної ванни з іншого;

в самому отворі його діаметр повинен бути не більше діаметра, що забезпечує заповнення цього отвору металом присадки при заданій швидкості плавлення (заповнення);

на рівні зовнішньої поверхні деталі з отвором діаметр отвору повинен бути не більше діаметра закладної головки для забезпечення сплаву металу головки з металом пластини.

Таким чином, в принципі, діаметр отвору міг би по висоті деталі бути різним. Але з міркувань технологічного характеру це є недоцільним, тому діаметр отвору являє собою якусь усереднену величину.

Це завдання вирішується також тим, що в способі отримання електрозаклепочного з'єднання, що включає освіту нероз'ємного з'єднання деталей шляхом заплавленим металом присадного дроту попередньо виконаного в одній з деталей, що з'єднуються циліндричного отвору з утворенням стрижня електрозаклепкі, з'єднання здійснюють в суміші захисних газів Ar і Не в співвідношенні (мас .%) від 10:90 до 90:10 з сплавом металу присадочного дроту з металом деталі в донної частини з'єднання і з освітою головки електрозаклепкі в иде напливу металу присадочного дроту над отвором в деталі, при цьому температурний режим і швидкість формування стержня електрозаклепкі встановлюють з умов отримання розплаву присадного дроту в обсязі, що забезпечує контакт рідкої фази з твердою фазою стінок отвору протягом часу, достатнього для утворення нероз'ємного з'єднання, а в якості присадочного металу вибирають метал, що володіє спорідненістю до металу деталей, що з'єднуються.

Здійснення з'єднання в суміші захисних газів Ar і Не в співвідношенні (мас.%) Від 10:90 до 90:10 з сплавом металу присадочного дроту з металом деталі в донної частини з'єднання і з освітою головки електрозаклепкі у вигляді напливу металу присадочного дроту над отвором в деталі дозволяє змінювати проплавляющей здатність дуги за рахунок зміни теплофізичних властивостей суміші цих газів, отримувати міцне і якісне з'єднання з мінімальною кількістю пір без шлакових включень або залишків флюсу, що забезпечує візуальний ий контроль якості з'єднання і дозволяє відмовитися від видалення коррозионноактивной залишків флюсу з поверхні з'єднання.

Встановлення температурного режиму і швидкості формування стержня з умови отримання розплаву присадного дроту протягом часу, достатнього для утворення нероз'ємного з'єднання, забезпечує здійснення такого циклу наплавлення, при якому досягається міцне з'єднання деталей з боковим нерознімним контактом стержня електрозаклепкі з поверхнею стінки отвору.

Пропонований винахід ілюструється кресленнями, на яких зображені:

на фіг.1 - підготовлені до зварювання деталі: деталь без отвору - труба алюмінієвого карданного валу і деталь, з отвором - балансування вантаж, поздовжній розріз;

на фіг.2 - то ж, поперечний розріз;

на Фіг.3 - електрозаклепочное з'єднання, поздовжній розріз;

на фіг.4 - то ж, поперечний розріз;

на фіг.5 - зовнішній вигляд зразка електрозаклепочного з'єднання;

на фіг.6 - фотографія макрошліфов електрозаклепочного з'єднання;

на фіг.7 - схема запалювання дуги,

на фіг.8 - схема формування донної частини стержня;

на фіг.9 - схема заповнення отвори із забезпеченням бокового нероз'ємного контакту з поверхнею стінки отвору;

на фіг.10 - схема формування головки електрозаклепкі.

Електрозаклепочное з'єднання (фіг.1-4) служить для з'єднання деталі 1 з отвором 3 з деталлю без отвору 2 і являє собою стрижень 4, розміщений в попередньо сформованому отворі 3. Перетин стрижня 4 являє собою складну форму (фіг.5-6): сферична донна частина є опуклою в сторону деталі-основи 2, центральна частина - циліндричної з боковим нерознімним контактом з поверхнею стінки отвору, а верхня частина - опуклою з напливом металу за межі отвору.

Електрозаклепочное з'єднання працює наступним чином.

Стрижень 4, що з'єднує дві деталі 1 і 2 нероз'ємно між собою за будь-яких умовах експлуатації деталей виконує функцію як звичайної заклепки, що має стрижень і замикає головку, так і зварного з'єднання, що має на відміну від звичайної заклепки сплав з обома сполучаються деталями.

Отримують електрозаклепочное з'єднання наступним чином.

Накладають деталь 1 з попередньо сформованим отвором 3 на поверхню деталі без отвору 2. Мають пальник для дугового зварювання електродом, в середовищі захисних газів співвісно з отвором 3. Чи включають подачу захисного газу (суміші газів) 6 і присадного дроту 5 (плавиться електрода). При торканні дротом 5 деталі 2 збуджується дуга 8 і починається процес плавлення електрода з утворенням зварювальної ванни 9 (фіг.7). На першому етапі дуга горить безпосередньо на деталь без отвору (фіг.8), що забезпечує сплав підстави стрижня з ним з утворенням сферичної донної частини, далі формується тіло самого стрижня, що заповнює простір отвори і забезпечує бічний нероз'ємний контакт з поверхнею стінки отвори (фіг. 9), а на завершення - наплив металу над отвором у вигляді замикає головки заклепки (фіг.10).

Приклад. Виконували напівавтоматичну зварювання електродом, що плавиться в середовищі інертних газів. Як присадного дроту використовували сплав 5356, а в якості захисного газу - суміш газів Ar і Чи не. Місце зварювання попередньо очистили для видалення окисної плівки металевою щіткою і знежирити бензином Б-70.

Товщина приварюється пластини 3 мм, а діаметр отвору 9,5 мм.

Режим зварювання точковий, струм зварювання 150 А, час зварювання 4 с.

Діаметр присадного дроту 1 мм, а швидкість її подачі 6,5 м / хв.

Експериментально встановлено, що для описаних умов оптимальним є співвідношення Ar і He в кількості 50:50 мас.%.

Результати металографічних досліджень зварного з'єднання показали, що заклепка не має пір і усадочних рихлоти. Форма сплаву показана на фіг.6.

Для перевірки працездатності зварного з'єднання були проведені натурні випробування алюмінієвих карданних валів з привареними за пропонованим способом балансувальними вантажами на автомобілях.

Отримані результати показали, що алюмінієвий карданний вал з привареними за пропонованим способом вантажами відпрацював встановлений ресурс без зауважень, що практично підтвердило працездатність описаного рішення.

1. Електрозаклепочное з'єднання, що містить стрижень електрозаклепкі, отриманий при заповненні присадним металом в розплавленому стані попередньо сформованого отвори в одній з деталей, що з'єднуються, що відрізняється тим, що стрижень електрозаклепкі має головку у вигляді напливу присадочного металу, сплавленного з поверхнею металу над отвором в деталі, і донну частину, опуклу в бік деталі без отвору і освічену її сплавом з присадним металом, при цьому стрижень електрозаклепкі має бічний нер аз'емний контакт з поверхнею стінки отвору, отриманий при взаємодії розплаву присадочного металу з твердою фазою металу деталі, а діаметр отвору в деталі дорівнює (3-4) її товщини, мм.

2. Спосіб отримання електрозаклепочного з'єднання, що включає освіту нероз'ємного з'єднання деталей шляхом заплавленим металом присадного дроту попередньо виконаного в одній з деталей, що з'єднуються циліндричного отвору з утворенням стрижня електрозаклепкі, що відрізняється тим, що з'єднання здійснюють в суміші захисних газів Аг і Не в співвідношенні (мас.% ) від 10:90 до 90:10 з сплавом металу присадочного дроту з металом деталі в донної частини з'єднання, і з освітою головки електрозаклепкі у вигляді напливу металу присадочного дроту над отвором в деталі, при цьому температурний режим і швидкість формування стержня електрозаклепкі встановлюють з умови отримання розплаву присадного дроту в обсязі, що забезпечує контакт рідкої фази з твердою фазою стінок отвору протягом часу, достатнього для утворення нероз'ємного з'єднання, а в якості присадочного металу вибирають метал, що володіє спорідненістю до металу деталей, що з'єднуються.