SK772004A3 - Zváracie spájkovanie s vysokokoncentrovanými zdrojmi energie - Google Patents

Abstract

Spôsob spojovania nazvaný zváracie spájkovanie je taký, pri ktorom dochádza k nerozoberateľnému metalurgickému spojeniu dvoch kovových materiálov (1 a 2) na základe využitia procesov spájkovania a zvárania súčasne. Spájkovací zvárací materiál (3) sa pridáva do vytvorenej medzery medzi spojovanými materiálmi tvaru V (4), pričom spájkovací zvárací materiál sa roztaví, spojované materiály v mieste spoja (5) sa nahrejú na takú teplotu, že sú zmáčané spájkovacím zváracím materiálom (môže prebehnúť proces spájkovania), pričom zároveň nastáva aj lokálne natavenie spojovaných materiálov (proces zvárania). Ako tepelný zdroj sa použije rozostrený alebo inak rozšírený laserový alebo elektrónový lúč (6) alebo zvlášť usmernený elektrický alebo plazmový oblúk. Spájkovací, zvárací materiál sa môže pridávať v priebehu procesu zváracieho spájkovania alebo pred tým vo forme drôtu, pásky, pasty, prášku alebo sintrovaného tvarovaného dielca. Spájkovací zvárací materiál môže predstavovať všetky známe druhy tvrdých alebo vysokoteplotných spájok.

Description

Autori vynálezu:

Ing. Albert Koseček CSc, Ing. František Kolenič, Ing.Peter Blažíček, Jozef Stanko.

Názov vynálezu:

„ZVÁRACIE SPÁJKOVANIE S VYSOKOKONCENTROVANÝMI ZDROJMI ENERGIE“

OBLASŤ TECHNIKY

Vynález sa týka oblasti techniky metalurgického nerozoberateľného spojovania materiálov akými sú zváranie a spájkovanie. Súvisí s použitím vysokokoncentrovaných energii ako elektrónový a laserový lúč elektrický a plazmový oblúk. Jeho využiteľnosť je najmä pri spojovaní materiálov rozdielnych vlastností, pri ktorých zváranie resp. spájkovanie predstavuje problémy s uskutočnením spoja principiálne, alebo je problematické dosiahnuť spoje požadovanej resp. vyhovujúcej kvality.

DOTERAJŠÍ STAV TECHNIKY

Nie všetky materiály a ich vzájomné kombinácie sa dajú zvárať resp. spájkovať s vyhovujúcimi vlastnosťami spojov. Podobne nie všetky tvary konštrukcií, resp. typy a metódy zvárania sa dajú aplikovať pre ľubovolné konkrétne riešenia. Pre riešenia pri ktorých sú problémy uvedeného druhu sa v súčasných podmienkach používajú principiálne nasledovné postupy a metódy zvárania:

Pre oceľové materiály a zliatiny na báze železa s obtiažnou zvariteľnosťou sa používa predohrev, dohrev, kontrola medzihúsenicovej teploty, tepelné spracovanie po zváraní a iné špeciálne riadené zváracie postupy. Toto spravidla značne komplikuje technológiu zvárania a nie vždy zaručuje vyžadovanú kvalitu spojov.

V spojoch rôznorodých materiálov napr. kombinácie oceľ-hliník, oceľ-meď, oceľ-liatina je obtiažne dodržať požadovanú kvalitu. Pri zváraní rôznorodých materiálov v dôsledku značného premiešania základného materiálu s prídavným materiálom vznikajú zliatiny s rôznym obsahom prvkov obsiahnutých vo zváranom materiáli a môžu vznikať intermetalické fázy, ktoré sú krehké a môžu spôsobovať praskavosť zvarov. Rieši sa to spájkovaním, pričom v niektorých prípadoch ani tento spôsob nevyhovuje, najmä preto že pre pomalý a rozsiahly ohrev je tepelné ovplyvnenie materiálov značné.

Zváranie vysokokoncentrovanými zdrojmi energie ako je elektrónový a laserový lúč a plazmové zváranie u niektorých materiálov ako sú vysokouhlíkové a nízkolegované ocele, liatina a pod. spôsobuje výrazný pokles húževnatosti a praskanie.

Tieto metódy zvárania sa používajú aj na spojovanie rôznorodých materiálov často s medzivrstvou ktorú napríklad pri zváraní liatiny s oceľou tvorí Ni a jeho zliatiny. Je to pri zváraní súčiastok pre automobilový priemysel. Aj v týchto prípadoch je premiešanie základného s prídavným materiálom veľké a môže spôsobovať problémy s krehnutím a praskaním zvarov.

PODSTATA VYNÁLEZU

Na objasnenie spôsobu tavného spojovania základných materiálov, ktorý- sme nazvali ,.zváracie spájkovanie“ je potrebné charakterizovať obidva známe princípy metalurgického spojovania kovov, z ktorých tento názov pozostáva, t.j. zváranie a spájkovanie.

Zváranie kovov je spôsob spojovania dvoch základných materiálov tým, že sa natavia okraje obidvoch základných materiálov v mieste spoja a tieto natavené kovy sa spoja a navzájom sa viac alebo menej premiešajú, čím vzniká zliatina týchto kovov. Táto časť zvaru sa nazýva zvarový kov. Ak používame prídavný materiál, na vyplnenie medzery medzi obidvoma základnými materiálmi, tento vstupuje do tvorby zvarového kovu ako tretí kov a svojim chemickým zložením výrazne ovplyvňuje výsledné chemické zloženie zvarového kovu. Spájkovanie je spôsob spojovania dvoch základných materiálov, pri ktorých sa kovy oboch spojovaných materiálov v mieste spoja nenatavia, ale sa len ohrejú na tzv. spájkovaciu teplotu. Taví sa len kov spájky. Spájkovacia teplota je teplota, pri ktorej prebiehajú reakcie medzi roztavenou spájkou a spájkovanými materiálmi tak, aby sa vytvoril spájkovaný spoj. Pri spájkovaní sa používa minimálna medzera okolo 0,1 mm, čo zabezpečuje vysokú pevnosť spoja aj v prípade, že pevnosť samotnej spájky je nižšia ako pevnosť základného materiálu.

Pri zváraní dvoch chemicky rovnorodých materiálov sa spravidla používa prídavný materiál rovnakého alebo podobného chemického zloženia a rozdielnosti kvality zvarového kovu oproti základnému materiálu sú predovšetkým v štruktúre. Pri zváraní rôznorodých materiálov, najmä pri veľkých rozdieloch v ich chemickom zložení (napr. rozdielne kovy alebo ich zliatiny) premiešanie zvarového kovu spravidla výrazne ovplyvňuje (obvykle negatívne) kvalitu zvarového spoja ako celku. Často sa takéto prípady riešia spájkovaním, kde premiešanie nevzniká. K nevýhodám spájkovania patrí pomerne dlhý čas spájkovania (tak aby mohli prebehnúť procesy difúzie vlastné tomuto spôsobu) a ohrev väčšieho objemu kovu v blízkosti spoja alebo celkový ohrev súčiastky na spájkovaciu teplotu napr. v peci.

Preto v prípadoch, kde nie je napr. vzhľadom na základné rôznorodé materiály možné použiť zváranie a uvedené podmienky spájkovania sa len ťažko dajú dodržať, vznikajú veľké problémy s metalurgickým spojovaním súčiastok, napr. pri kadenčnom zváraní (kde sa vyžaduje rýchly proces spojovania) súčiastok tvorených z dielcov, ako napr. z ocele a liatiny čo je častá požiadavka v automobilovom priemysle.

Nový spôsob metalurgického spojovania podľa vynálezu nazvaný „zváracie spájkovanie“ uvedené nevýhody odstraňuje a možno ho opísať nasledovne:

• Na vytvorenie spoja sa použije tepelný zdroj s vysokou koncentráciou energie, s presným dávkovaním a usmernením energie, potrebnej na vytvorenie spoja. Môže to byť laserový alebo elektrónový lúč, alebo zvlášť usmernený elektrický oblúk, napr. plazmový.

• Plochy priľahlé spoju sú skosené podľa obr.l tak, aby mohli byť ohriate na spájkovaciu teplotu. Na to sa použije plošný ohrev laserového alebo elektrónového lúča, alebo zvlášť usmerneného elektrického oblúka napr. plazmového, ktorý je aplikovaný na tieto skosené plochy napr. formou rozostreného lúča (1) so šírkou zodpovedajúcou priemetu šírky rozovretých skosených plôch do roviny, v ktorej sa meria šírka rozostretého lúča. Podobne môže byť aplikovaný aj lúč rastrovaný po ploche s takouto šírkou (elektrónový lúč elektromagneticky rastrovaný alebo laserový lúč rastrovaný pomocou zrkadiel) alebo rastrovaný plazmový oblúk. Takýmto spôsobom sú na pracovné teploty zváracieho spájkovania ohriate skosené plochy základného materiálu. Táto teplota zodpovedá spájkovacej teplote spájky ktorá sa spravidla používa ako prídavný materiál. Prídavný materiál, ktorý sa dodáva do miesta, kde pôsobí tepelný zdroj na základný materiál sa roztaví, pretože má spravidla nižšiu teplotu tavenia ako základný materiál. Tým prebieha proces zváracieho spájkovania.

Vzhľadom na obtiažnosť dodržať požiadavku, aby sa spájkovacia teplota lokálne neprekročila a nedošlo k nataveniu základného materiálu, je možné aj lokálne natavenie základného materiálu, ktorý sa premieša so spájkou, čím v danom mieste vzniká lokálny zvarový spoj. Stým súvisí aj názov tohto spôsobu zváracie spájkovanie. Takéto natavenie je však len v malom objeme oproti celkovému objemu spoja, takže výraznejšie neovplyvňuje celkovú kvalitu spoja.

• Prídavný materiál, ktorým sa vyplní medzera v spoji môže byť vo forme plného drôtu alebo pásky, plnenej rúrky alebo pasty, prášku, spekaného alebo sintrovaného prášku napr. vo forme tvarovanej vložky.

• Chemické zloženie prídavného materiálu zodpovedá spájkovaciemu procesu, t j. má dobrú zmáčavosť a roztekavosť. Na rozdiel od samotného spájkovania je z hľadiska únosnosti zvaru rozhodujúca pevnosť spájky, ktorá tvorí prídavný materiál. Pri samotnom spájkovaní, pri zachovaní dostatočne úzkej spájkovacej medzery (max. 0,2 mm) pri použití niektorých tvrdých spájok (napr. na báze Cu a Ag) ktorých pevnosť sama o sebe je nižšia ako pevnosť spájkovaného oceľového materiálu, je pevnosť spoja spravidla dostatočná. Toto vzhľadom na väčšiu medzeru pri zváracom spájkovaní oproti samotnému spájkovaniu neplatí pre zváracie spájkovanie. Preto treba použiť takú spájku, ktorej pevnosť je sama o sebe pre spoj dostačujúca. Pre zváracie spájkovanie môžeme preto použiť spájky na báze Cu alebo Ag (relatívne nižšia pevnosť) alebo vysokopevné spájky pre spájkovanie v peci ( vo vákuu alebo v ochrannej atmosfére) na báze NiCrBSi a pod. Niektoré vysokopevné spájky majú však pri takomto použití relatívne nízku húževnatosť.

PREHĽAD OBRÁZKOV NA VÝKRESOCH

Obr.l - Ohrev rozostreným elektrónovým alebo laserovým lúčom (1) a uhol rozovretia plôch spájaných základných materiálov a (2).pri zváracom spájkovaní.

Obr.2 - Prídavný materiál dodávaný do miesta spoja (3) počas zváracieho spájkovania.

Obr.3 - Prídavný materiál (3) dodaný do miesta spoja pred začatím zváracieho spájkovania.

Obr.4 - Prídavný materiál (5) vo forme drôtu vložený do miesta spoja pred zváracím spájkovaním.

Obrázok k anotácii - Schéma zváracieho spájkovania

PRÍKLADY USKUTOČNENIA VYNÁLEZU

Vynález je vhodné uskutočniť všade tam, kde len samotné zváranie alebo len samotné spájkovanie neumožňuje vytvoriť nerozoberáteľné metalurgické spoje vyhovujúcej kvality pri vysokej kadenčnosti zvárania.

Je to najmä pri výrobe súčiastok automobilov s kombinovaným spojom liatinová skriňa diferenciálu s ozubeným kolesom z nízkolegovanej tepelne spracovanej ocele. Výhody takéhoto riešenia spočívajú najmä v týchto ukazovateľoch:

-Použitie laserového alebo elektrónového lúča alebo plazmového oblúka umožňuje veľmi lokalizovaný ohrev miesta spoja. -Proces zváracieho spájkovania nevytvára vo veľkej miere premiešanie prídavného materiálu so základným materiálom a zvarový kov je premiešaný len vo veľmi úzkej oblasti stavenia so základným materiálom liatiny.

-Proces zváracieho spájkovania nie je tak pomalý ako pri oblúkovom zváraní alebo spájkovaní a súčasne nie extrémne rýchly ako pri laserovom alebo elektrónolúčovom zváraní, čím sa eliminujú nevýhody oboch uvedených tepelných režimov. Sú to hlavne: minimálne ovplyvnenie základného materiálu, minimálne premiešanie nataveného kovu so základným materiálom, minimálne deformácie od zvárania, nízka náchylnosť na praskanie.

PRIEMYSELNÁ VYUŽITEĽNOSŤ

Priemyselná využiteľnosť vynálezu je vhodná najmä v prípadoch, kde sa zvára elektrónovým lúčom alebo laserom najmä vo veľkosériovej výrobe súčiastok z materiálov s obtiažnou zvariteľnosťou alebo z rôznorodých materiálov alebo z materiálov, ktoré vyžadujú na dosiahnutie vyhovujúcej kvality menšie vnesené teplo ako pri oblúkových metódach zvárania ale súčasne väčšie vnesené teplo ako pri zváraní laserom alebo elektrónovým lúčom.

Ako príklady možno uviesť:

spojovanie liatiny s oceľou spájanie neželezných kovov s oceľou

Claims (1)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   Spôsob metalurgického spájania základných materiálov nazvaný „zváracie spájkovanie s koncentrovanými zdrojmi energie vyznačujúci sa tým, že:

   • ohrev zváracieho spájkovania podľa obrázku 1 sa vykoná rozostreným elektrónovým alebo laserovým lúčom, alebo špeciálne usmerneným oblúkom, napr. plazmovým oblúkom.

   • ohrev zváracieho spájkovania sa vykoná kmitavými pohybmi laserového alebo elektrónového lúča, alebo usmerneného elektrického oblúka, napr. plazmového oblúka.

   • plochy, na ktorých vzniká spoj zváracím spájkovaním podľa obrázku 1, sú rozovreté do tvaru písmena ..V (2) alebo „U“ alebo „Y“ po celej spojovanej hrúbke, alebo len jej častí s uhlom rozovretia a v rozmedzí 5°-180‘ • prídavný materiál pri zváracom spájkovaní je vo forme prášku, pasty, drôtu, pásky, spekaného alebo sintrovaného tvarovaného telesa.

   • prídavný materiál (3) je dodávaný do miesta spoja počas zváracieho spájkovania podľa obrázku 2, alebo je vložený do miesta spoja pred začatím procesu zváracieho spájkovania, napr. nasypaním prášku (4) podľa obrázku 3. alebo vložením drôtu (5), pásky, pasty podľa obrázku 4.

   • prídavný materiál je čistý alebo technicky čistý Ni, alebo jeho zliatiny s Cr, Si, B, Fe, C, Cu, Co s obsahom Ni viac ako 4%, čistá alebo technicky čistá Cu alebo jej zliatiny s Ni, Si, B, Sn, Al s obsahom Cu viac ako 50%, čisté alebo technicky čisté Ag alebo jeho zliatiny s obsahom Ag viac ako 10%, zliatiny Fe-Cr, zliatiny Au sNi, Cu, Ag, Zn, Cd, Pd, Pt a zliatiny vytvorené ako kovové sklá alebo vysokoteplotné spájky na báze železa.

   • spoj vytvorený zváracím spájkovaním má v mieste stykovej plochy jedného aj druhého základného materiálu s prídavným materiálom premiešanie v tenkej vrstve s prídavným materiálom v celej stykovej ploche s prídavným materiálom, alebo len v jej časti pričom na zvyšku stykovej plochy s prídavným materiálom je spájkovaný spoj • prídavný materiál, ktorý vyplňuje medzeru spoja vytvoreného zváracím spájkovaním nemá celoobjemové premiešanie ani s jedným ani s druhým základným materiálom, má len malé lokálne premiešanie v úzkej oblasti stykových plôch so základným materiálom.

   • spoj vytvorený zváracím spájkovaním sa vytvára rýchlosťou posuvu v rozmedzí 1 mm/s až 60 ram/s