СВАРКА ЧУГУННЫХ ДЕТАЛЕЙ ТРЕНИЕМ

Известно много различных спосо­бов сварки чугуна. Однако в тех случаях, когда требуется заварить отверстия с отношением глубины к диаметру 0,8—2,5 при диаметрах 8—25 мм, встречаются значительные трудности. Такие отверстия плохо поддаются как электродуговой, так и при газопламенной сварке из-за малого диаметра и относительно большой глубины. Для заварки глу­боких глухих отверстий в автомо­бильных деталях в НИИАТе прове­дены исследования сварки чугуна с нагревом трением. Попытка исполь­зования, описанного в патентной ли­тературе способа сварки-пайки с на­гревом трением глухих отверстий, по­ложительных результатов не дала.

При этом способе1 перед сваркой в глухое цилиндрическое отверстие закладывают кусочек припоя и встав­ляют гладкий цилиндрический стер­жень с определенным боковым зазо­ром. К вращающемуся стержню при­кладывают осевое усилие. В резуль­тате трения торца стержня о припой выделяется тепло, припой расплав­ляется, выдавливается в боковой за­зор и после прекращения вращения стержня образуется паяно-сварное соединение с прослойкой из припоя. Существенный недостаток этого спо­соба заключается в том, что расплав­ленный припой свободно выдавливает­ся в кольцевую щель (боковой зазор) и паяно-сварное соединение обра­зуется лишь в нижней части отвер­стия.

Для устранения недостатков, при­сущих указанному способу сварки чугуна, с целью предотвращения вы­давливания материала прослойки из бокового зазора, применяли стержни с буртиком (рис. 1), заходящим в от­верстие на 1,5—2,0 мм и составляю­щим со стенкой отверстия чугунной детали боковой зазор 0,05 мм. Стер­жень из чугуна вследствие его хруп­кости и частой поломки для произ­водства пайки сварки трением непри­годен. В качестве основных материа­лов для сварки были приняты серый чугун марки СЧ-18-36 для образцов с отверстиями и сталь 20 для стерж­ней.

О материалах, используемых в ка­честве прослойки при сварке чугуна трением, имеются весьма ограничен­ные сведения. Экспериментально бы­ла проверена пригодность материалов (табл. 1), способных служить про­слойкой при сварке трением чугуна со сталью. Режим сварки для всех материалов применялся один и тот же, величина бокового зазора 0,20 мм, скорость относительного скольжения 1,3 м/сек, удельное дав­ление 5 кг/мм2, диаметр отверстия 14 мм. Все стержни были с буртика­ми (рис. 1).

Время сварки чугуна со стальным стержнем через прослойку из припоя определяли по степени нагрева зоны сварки чугуна. Критерием оценки качества сварки были приняты — прочность сварного соединения на срез и стабильность времени сварки. Результаты экспериментов приведе­ны в табл. 2.

dhdhudhndhnydhdhndh165Рис. 1. Схема подготовки детали для сварки чугуна трением: 1 — стальной стержень; 2 — чугунная деталь; 3 — материал прослойки

Прослойка из ПОС-30 и компози­ции из 50% ПОС-30 + 50% ЛК-62-0,5 сварного соединения с чугуном не образуют. В данном случае ПОС-30, по-видимому, играет роль смазки. Температура плавления латуни мар­ки ЛК-62-0,5 значительно выше тем­пературы плавления ПОС-30. По­следний, расплавляясь, вытесняется в зазор, испытывая полужидкостное трение. Выделение тепла в очаге трения в этом случае идет очень мед­ленно и время сварки увеличивается.

Остальные материалы, кроме ЛОК-59-1-0,3 (см. табл. 1), имеют большую твердость и в начале про­цесса трения быстро превращаются в мелкую стружку, значительная часть которой высыпается в зазор между стержнем и стенкой отверстия и не участвует в образовании свар­ного соединения. Этим, очевидно, и объясняется такой большой разброс времени сварки и прочности сварно­го соединения, выполняемого с при­менением латуней Л-62 и ЛОМНА. Более стабильное по прочности и вре­мени сварки сварное соединение по­лучается при использовании в каче­стве прослойки латуни марки ЛОК 59-1-0,3 (см. табл. 2).

Для определения оптимальной об­ласти режимов сварки чугуна со сталью трением с прослойкой из ла­туни ЛОК 59-1-0,3 использовали ме­тодику математического планирова­ния многофакторного экстремального эксперимента 1.

Максимальное напряжение среза сварного соединения 9,49 кг/мм2 по­лучается в опыте, выполненном на режиме: величина бокового зазора — 0,26 мм, удельное давление — 7,30 кг/мм2, скорость относительного скольжения — 0,'90 м/сек. Минималь­ное напряжение среза (4 кг}мм2) по­лучилось потому, что при удельном давлении, равном 7,65 кг/мм2, стер­жень в торцовой части (т. е. в глу­бине отверстия) при нагреве начи­нает пластически деформироваться и перекрывает выход материала про­слойки в боковой зазор. Давление на прослойку в этом случае резко па­дает и образование металлических связей задерживается.

При данном способе сварки, оче­видно, есть некоторая критическая величина удельного давления, при­мерно равная 7,5 кг/мм2, при которой возникает деформация стержня и сварка чугуна со сталью становится невозможной. На макрошлифах свар­ных соединений чугунной детали стальным стержнем через прослойку 3 из ЛОК-59-1-0,3, полученных соот­ветственно с удельными давлениями 7,7 и 7,0 кг/мм2, отчетливо видна де­формированная нижняя часть стерж­ня у дна отверстия (рис. 2, а). На макрошлифе рис. 2, б стержень не деформируется, напряжение среза в этом случае наибольшее и составляет 9 кг/мм2.

Таблица 1

Наименование сплава

Марка

Предел прочности при растя­жении, кг/мм2

Темпера­тура плав­ления, ° С

Твердость НК,

кг/мм2

Латунь

Л-62

30—60

905

85-120

Латунь

ЛОМНА

28—32

830

150—180

Латунь

ЛОК-59-1-03,3

28-32

880

100

Латунь

Л К -62-0,5

30

900

100-120

Оловянисто-свинцовый припой

Пос-30

6-10

250

Н10.3

dhdhudhndhnydhdhndh166

Рис. 2. Макрошлифы образцов, сва­ренных трением при удельных давле­ниях соответственно:

о — 7,7 кг/мм'2; 6 — 7,0 кг/мм2

dhdhudhndhnydhdhndh167

Рис. 3. Микрофотографии сварного со­единения: а — чугуна с латунью; б — стали с ла­тунью

Проведенные эксперименты под­тверждают, что достигнута оптималь­ная область режимов сварки. Соеди­нения чугуна с латунью (рис. 3, а) и стали с латунью (рис. 3,6), без­условно, представляют собой сварку. На рис. 3, а и 3,6 видны включения частиц чугуна в латунной прослойке (темные пятна). При применении стержня с буртиком прочность свар­ного соединения по глубине отвер­стия почти не изменяется. Буртик препятствует свободному выходу рас­плавленного материала прослойки из зоны сварки.

С целью проверки этого способа сварки была произведена заварка отверстия (диаметр 8 мм, глубина 14 мм) в дефектном рыхлом участке в перегородке между цилиндрами блока ЗИЛ-164 по плоскости разъема с головкой между пятым и шестым цилиндрами. Боковой зазор между стенкой отверстия и стержнем 0.25 мм, удельное давление — 7,0 кг/мм2, ско­рость относительного скольжения — 0,84 м/сек, время сварки — 25 сек. На рис. 4, а и 4, б соответственно по­казано сварное соединение с внеш­ней стороны и макрошлиф поперечного сечения сварного соединения. Качество сварного соединения хоро­шее. Напряжение среза сварного со­единения составляет 9 кг/мм2. Свар­ку вырезанной части блока произво­дили на станке модели 1К-62 с помо­щью приспособления, установленного в отверстии задней балки станка

Чугунные образцы, сваренные тре­нием со стальными стержнями через прослойку из латуни марки ЛОК-59-1-0,3, проверяли на герме­тичность пробой на керосин в тече­ние 24 ч. Герметичность сварных со­единений оказалась хорошей. Утечки керосина не наблюдалось ни в одном из образцов.

Сварное соединение чугуна с ла­тунной прослойкой возникает без подкалки чугуна и без образования отбеленного слоя в зоне сварки. Это важное обстоятельство, так как свар­ное соединение может быть обрабо­тано обычным режущим инструмен­том — ножовкой, фрезой, сверлом и др.

Таблица?

Марка или состав припоя

Время сварки, сек

Напряже­ние среза, кг\мм2

Л 62

35-115/ 61

3,83-9,27 /6,01

ЛОМНА

37-90 /66

5,63-6,09 /5,80

ЛОК 59-1-03

28-28 /28

6,04-6,08 /6,06

ЛК-62-0 5

27—30 /29

4,41-6,78/ 5,91

ПОС-30

60-100/84

0

50% ПОС-30 + +50% ЛК-62-0,5

90—150/ 97

0

В результате проведенных исследо­ваний установлен оптимальный ре­жим сварки чугуна трением: удельное давление — 7,0 кг /мм2, скорость относительного, скольжения—0,9 м/сек, диаметр отверстий от 7 до 25 мм, глубина отверстий от 10 до 30 мм, боковой зазор между буртиком и стенкой отверстия 0,05 мм, время сварки — 30 сек.

dhdhudhndhnydhdhndh168

Рис. 4. Сварное соединение перемыч­ки между цилиндрами блока цилинд­ров двигателя ЗИЛ-164: а — вид сверху; б — макрошлиф про­дольного сечения