RU2470755C2

RU2470755C2 - Method of welding dissimilar metals

Info

Publication number: RU2470755C2
Application number: RU2011109489/02A
Authority: RU
Inventors: Иван Анатольевич Батаев; Анатолий Андреевич Батаев; Вячеслав Иосифович Мали; Владимир Андреевич Батаев; Владимир Григорьевич Буров; Елена Алексеевна Приходько; Дарья Викторовна Павлюкова; Татьяна Владимировна Журавина; Евгения Борисовна Макарова; Василий Сергеевич Ложкин; Евгений Дмитриевич Головин; Алексей Андреевич Дробяз; Александра Сергеевна Гонтаренко; Альберт Игоревич Попелюх
Priority date: 2011-03-14
Filing date: 2011-03-14
Publication date: 2012-12-27
Also published as: RU2011109489A

Abstract

FIELD: process engineering.

SUBSTANCE: invention may be used in making welded structures from dissimilar metals in aircraft engineering, ship building, chemical industry and power engineering. Blanks of dissimilar metals are jointed together via insert composed of two plates of dissimilar metals by blast welding, chemical composition of insert materials fitting with that of said blanks. After blast welding of said insert it is machined to produce inclined surface of joint. Material on one end of said surface fits with that of one of the blanks while that of another end fits with material of the other blank.

EFFECT: higher strength characteristics of joint.

4 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к сварочному производству и может быть использовано в различных отраслях промышленности, таких как: самолетостроение, судостроение, химическое и энергетическое машиностроение. Применение сварных конструкций из разнородных материалов обеспечивает снижение веса изделий и экономию дорогостоящих материалов, что в ряде случаев имеет решающее значение.The present invention relates to welding production and can be used in various industries, such as: aircraft construction, shipbuilding, chemical and power engineering. The use of welded structures from dissimilar materials provides a reduction in the weight of products and the saving of expensive materials, which in some cases is crucial.

Известен способ сварного соединения разнородных металлических материалов (US 2010/0233501. Compositions and methods for dissimilar material welding). Для того чтобы избежать образования закалочных структур, интерметаллидных выделений и, таким образом, трещин, между соединяемыми деталями вваривается промежуточная вставка, изготовленная сваркой трением, при которой образование сварного соединения происходит за счет взаимного перемещении под давлением свариваемых изделий относительно друг друга. Сама вставка может затем быть присоединена к соответствующим концам свариваемых деталей любым известным способом соединения однородных материалов. Также для изготовления вставки возможно использование и других видов сварки в твердой фазе: холодной, диффузионной сварки, сварки взрывом, кузнечной сварки, сварки давлением деталей, с помощью такой вставки швы имеют высокое качество, являются более однородными и существует меньшая возможность разрушения соединения в связи с высоким качеством процесса сварки трением.A known method for the welding of dissimilar metallic materials (US 2010/0233501. Compositions and methods for dissimilar material welding). In order to avoid the formation of quenching structures, intermetallic precipitates and, thus, cracks, an intermediate insert made by friction welding is welded between the parts to be joined, in which the formation of the welded joint occurs due to the mutual movement under pressure of the welded products relative to each other. The insert itself can then be attached to the respective ends of the parts to be welded by any known method of joining homogeneous materials. It is also possible to use other types of welding in the solid phase for the manufacture of the insert: cold, diffusion welding, explosion welding, blacksmith welding, pressure welding of parts, with the help of such an insert, the seams are of higher quality, more homogeneous and there is less possibility of joint failure due to high quality friction welding process.

Однако указанный способ имеет существенный недостаток, который заключается в следующем. При соединении частей вставки в зоне контакта развивается высокая температура. При соединении разнородных материалов (например, алюминия и титана) это может привести к образованию хрупких интерметаллических соединений.However, this method has a significant drawback, which is as follows. When connecting the parts of the insert in the contact zone, a high temperature develops. When dissimilar materials are joined (for example, aluminum and titanium), this can lead to the formation of brittle intermetallic compounds.

Этот недостаток был учтен и исправлен в способе сварного соединения разнородных металлических материалов, являющемся прототипом (US 7,752,728. Method of producing material composite with explosion-welded intermediate piece). Согласно этому способу для соединения разнородных материалов необходимо изготовить вставку, но соединять части вставки необходимо сваркой взрывом.This disadvantage was taken into account and corrected in the prototype weld method of dissimilar metallic materials (US 7,752,728. Method of producing material composite with explosion-welded intermediate piece). According to this method, to connect dissimilar materials, it is necessary to make an insert, but to connect the parts of the insert is necessary by explosion welding.

Неподвижную и метаемую пластины располагают под определенным углом и на некотором расстоянии друг от друга. На метаемую пластину укладывают заряд взрывчатого вещества. В вершине угла метаемой пластины устанавливают детонатор и инициируют его. После инициирования взрыва детонация распространяется по заряду взрывчатого вещества со скоростью нескольких тысяч метров в секунду. Под действием высокого давления расширяющихся продуктов взрыва метаемая пластина приобретает скорость порядка нескольких сотен метров в секунду и соударяется с неподвижной пластиной.The fixed and throwable plates are placed at a certain angle and at a certain distance from each other. An explosive charge is placed on a throwable plate. At the apex of the angle of the throwing plate, a detonator is installed and initiated. After the explosion is initiated, detonation propagates along the explosive charge at a speed of several thousand meters per second. Under the action of high pressure of expanding explosion products, a missile plate acquires a velocity of the order of several hundred meters per second and collides with a fixed plate.

Соударение метаемой пластины и основания сопровождается пластической деформацией, вызывающей местный нагрев поверхностных слоев металла. В результате деформации и нагрева происходит физический контакт, активация свариваемых поверхностей и образуется соединение.The collision of the throwing plate and the base is accompanied by plastic deformation, causing local heating of the surface layers of the metal. As a result of deformation and heating, physical contact occurs, the surfaces to be welded are activated, and a joint is formed.

Ввиду большой скорости нагружения и высоких давлений при сварке в зоне контакта хрупкие фазы чаще всего не успевают образоваться или образуются в малых количествах и получившееся таким образом соединение обладает более высокими прочностными характеристиками.Due to the high loading speed and high pressures during welding in the contact zone, brittle phases most often do not have time to form or are formed in small quantities and the resulting joint has higher strength characteristics.

Однако при реализации данного способа полученная вставка устанавливается плоскостью соединения перпендикулярно продольной оси соединяемых заготовок. При этом характер расположения волн сварного соединения частей вставки не обеспечивает механического зацепления их относительно друг друга. Таким образом, в случае соединения материалов, склонных к образованию интерметаллидных и других хрупких фаз в зоне сварки, при приложении нагрузки в продольном направлении существует вероятность разрушения соединения по сварному соединению. Поэтому прочностные характеристики соединения (предел текучести и временное сопротивление разрушению) являются недостаточно высокими для обеспечения высокой надежности эксплуатации конструкции, содержащей такое сварное соединение. Кроме того, при реализации прототипа для изготовления вставки необходимо соединять толстые пластины, т.к. нагрев при последующем сваривании вставки с соединяемыми заготовками также вызывает в нем интенсивную диффузию и образование интерметаллидов и других хрупких фаз.However, when implementing this method, the resulting insert is set by the connection plane perpendicular to the longitudinal axis of the workpieces to be joined. Moreover, the nature of the arrangement of the waves of the welded joint of the parts of the insert does not provide their mechanical engagement relative to each other. Thus, in the case of joining materials that are prone to the formation of intermetallic and other brittle phases in the weld zone, when the load is applied in the longitudinal direction, there is a possibility of joint failure in the welded joint. Therefore, the strength characteristics of the joint (yield strength and temporary fracture resistance) are not high enough to ensure high reliability of operation of the structure containing such a welded joint. In addition, when implementing the prototype for the manufacture of the insert, it is necessary to connect thick plates, because heating during subsequent welding of the insert with the workpieces to be joined also causes intense diffusion in it and the formation of intermetallic compounds and other brittle phases.

Задачей предлагаемого изобретения является создание способа сварного соединения из разнородных материалов, который повышает прочностные характеристики соединения.The objective of the invention is to create a method of welded joints from dissimilar materials, which increases the strength characteristics of the connection.

Поставленная задача достигается тем, что в способе сварного соединения разнородных металлических материалов, по которому соединение заготовок из разнородных материалов осуществляют через промежуточную вставку, изготовленную методом сварки взрывом из разнородных материалов, соответствующих по химическому составу материалам соединяемых заготовок, таким образом, что плоскость соединения частей вставки располагают под углом менее 90° относительно продольной оси соединяемых заготовок, обеспечивающим механическое зацепление волн сварного соединения.The problem is achieved in that in the method of welding of dissimilar metallic materials, in which the connection of workpieces from dissimilar materials is carried out through an intermediate insert made by explosion welding of dissimilar materials corresponding in chemical composition to the materials of the workpieces to be joined, so that the plane of the connection of the parts of the insert positioned at an angle of less than 90 ° relative to the longitudinal axis of the connected workpieces, providing mechanical engagement of the waves of the weld th connection.

На фиг.1 показана схема сварного соединения для реализации предлагаемого способа, где а, б, в, г - этапы выполнения предлагаемого способа.Figure 1 shows a diagram of a welded joint for implementing the proposed method, where a, b, c, d are the stages of the proposed method.

На чертеже между соединяемыми заготовками 1 и 2 последовательно располагается дополнительная вставка, состоящая со стороны заготовки 1 из материала, аналогичного материалу заготовки 3, а со стороны заготовки 2 из материала, аналогичного материалу заготовки 4.In the drawing, between the workpieces 1 and 2 to be joined, an additional insert is sequentially arranged, consisting on the side of the workpiece 1 from a material similar to the material of the workpiece 3, and from the side of the workpiece 2 from a material similar to the material of the workpiece 4.

Способ осуществляется следующим образом. На первом этапе изготавливается вставка, состоящая из двух частей. Для этого пластины 3 и 4, отожженные при соответствующих этим материалам режимах, соединяются между собой при помощи сварки взрывом для образования сварного соединения 5. Затем полученная заготовка стачивается или разрезается согласно чертежу. Также следует вырезать вставку таким образом, чтобы по ее краям оставались площадки, обеспечивающие соединение материала заготовки лишь с аналогичным ей материалом вставки, что исключает образование соединения разнородных материалов при сваривании заготовок и вставки. При этом длина вставки должна быть достаточной, чтобы обеспечить требуемый угол плоскости соединения (менее 90°) между частями 3 и 4 вставки относительно продольной оси соединяемых заготовок для обеспечения механического зацепления одной заготовки 3 относительно другой 4, а также для предотвращения диффузии в зоне соединения 5 и образования в ней хрупких интерметаллидных фаз. Таким образом, получается биметаллическая вставка, имеющая с одной стороны свободную поверхность из материала 3, аналогичного материалу заготовки 1, а с другой стороны свободную поверхность из материала 4, аналогичного материалу заготовки 2. Следующим этапом является соединение вставки с соответствующими концами соединяемых заготовок и формирование сварных швов 6 и 7. Для этого может использоваться абсолютно любой тип сварки, в том числе используемый для соединения однородных материалов.The method is as follows. At the first stage, an insert consisting of two parts is manufactured. For this, the plates 3 and 4, annealed under the conditions corresponding to these materials, are interconnected by explosion welding to form a welded joint 5. Then, the resulting workpiece is grinded or cut according to the drawing. It is also necessary to cut the insert so that at its edges there are areas that ensure the connection of the workpiece material only with a similar insert material, which eliminates the formation of a connection of dissimilar materials when welding the workpieces and the insert. The length of the insert must be sufficient to provide the required angle of the connection plane (less than 90 °) between the parts 3 and 4 of the insert relative to the longitudinal axis of the workpieces to be connected to ensure mechanical engagement of one workpiece 3 relative to another 4, as well as to prevent diffusion in the joint zone 5 and the formation of brittle intermetallic phases in it. Thus, a bimetallic insert is obtained having, on the one hand, a free surface of material 3, similar to the material of the workpiece 1, and on the other hand, a free surface of material 4, similar to the material of the workpiece 2. The next step is to connect the insert with the corresponding ends of the workpieces to be joined and welded seams 6 and 7. For this, absolutely any type of welding can be used, including that used for joining homogeneous materials.

Таким образом, при реализации предлагаемого способа необходимо приварить дополнительную вставку. Указанная технология изготовления и конструкция вставки позволяет повысить прочностные характеристики сварного соединения самой вставки и конструкции в целом. При реализации прототипа для изготовления вставки необходимо соединять толстые пластины, т.к. нагрев при последующем сваривании вставки с соединяемыми заготовками вызывает в нем интенсивную диффузию и образование интерметаллидных и других хрупких фаз. Сварное соединение вставки, описываемой в являющемся прототипом способе соединения разнородных материалов, расположено перпендикулярно продольной оси соединяемых заготовок.Thus, when implementing the proposed method, it is necessary to weld an additional insert. The specified manufacturing technology and the design of the insert allows to increase the strength characteristics of the welded joint of the insert itself and the structure as a whole. When implementing the prototype for the manufacture of the insert, it is necessary to connect thick plates, because heating during subsequent welding of the insert with the workpieces to be joined causes intense diffusion in it and the formation of intermetallic and other brittle phases. The weld of the insert described in the prototype method of joining dissimilar materials is perpendicular to the longitudinal axis of the workpieces to be joined.

В предлагаемом способе за счет особенности расположения волн, обеспечивающих механическое зацепление частей вставки друг за друга, достигаются прочностные характеристики соединения (предел текучести и временное сопротивление разрушению), являющиеся достаточно высокими для обеспечения требуемой надежности эксплуатации конструкции, содержащей такое сварное соединение.In the proposed method, due to the particular arrangement of the waves providing mechanical engagement of the parts of the insert for each other, the strength characteristics of the joint (yield strength and temporary fracture resistance) are achieved, which are high enough to ensure the required operational reliability of the structure containing such a welded joint.

Claims

A method of obtaining a welded joint of workpieces from dissimilar metal materials, in which they are welded through an intermediate insert consisting of two parts made of dissimilar materials corresponding in chemical composition to the materials of the workpieces being joined, characterized in that the insert is made of two plates by explosion welding and subsequent machining to obtain an inclined plane connecting its mentioned parts.