Спосіб з’єднання заготовок або деталей із сталі з деталями з алюмінієвого або титанового сплавуі
Використання: винахід відноситься до способу з'єднання заготовок або конструкційних деталей із сталі з деталями з алюмінієвого або титанового сплаву та використання даного способу при виготовленні турбонагнітача. Сутність винаходу: деталь із сталі з'єднують зварюванням тертям з прокладкою. Отримане з'єднання термообробляють до припинення зростання твердості і з'єднують з деталлю алюмінієвого або титанового сплаву за допомогою зварювання тертям. При з'єднанні деталі із сталі з деталлю з алюмінієвого сплаву використовують прокладку з нікелю. При з'єднанні деталі із сталі з деталлю із титанового сплаву використовують прокладку з аустенітної сталі. Після термообробки наносять шар міді зварюванням тертям. На деталь з титанового металу наносять шар з ванадію. Оброблені поверхні міді та ванадія з'єднують за допомогою зварювання тертям. Даним способом здійснюють з'єднання турбінного колеса з валом або з кріпильною деталлю валу турбонагнітача. 2 с. та 2 з.п ф-ли, 2 іл.
Малюнки до патенту Україна 2100163
Винахід відноситься до способу з'єднання заготовок або конструкційних деталей із сталі з деталями з алюмінієвого або титанового сплаву, а також до одержуваного із застосуванням цього способу турбонагнітач.
З'єднання різних матеріалів займає у високорозвиненій технології помітну роль, оскільки часто один і той же пристрій повинен мати різні властивості, які неможливо забезпечити за допомогою одного єдиного матеріалу, у зв'язку з чим в залежності від технології виготовлення та експлуатаційної функції для окремих частин деталі або конструкції застосовують різні матеріали для того, щоб досягтиоптимуму щодо економічної технології та механічних властивостей.
Так, наприклад, згідно з патентом EP-PS 0129311 з технологічних міркувань матеріалом робочого колеса турбокомпресора служить алюміній або алюмінієвий сплав, а вал або кріпильна деталь для валу внаслідок гарних механічних властивостей, зокрема міцності та в'язкості, виготовляється з інструментальної сталі, частин передбачається зварювання тертям.
Однак прагнення наслідувати цю рекомендацію наштовхується на ряд труднощів, тому що хоча алюміній і можна в певних умовах з'єднувати зі сталлю шляхом зварювання тертям, все ж таки зварювання сталі з термічно зміцнюваними алюмінієвими сплавами становить великі труднощі.
Так само міцні з'єднання стали з титановими сплавами за допомогою зварювання тертям досі не освоєні.
Тому завдання пропонованого винаходу полягає в розробці способу, за допомогою якого можна було б з'єднувати заготовки або конструкційні деталі зі сталі з деталями алюмінієвих або титанових сплавів шляхом зварювання тертям.
Розроблений для цієї мети спосіб відрізняється тим, що заготовку або деталь з'єднують, помістивши між ними принаймні перехідний шар в'язкого металу відповідної підгрупи, шляхом зварювання тертям окремих контактних поверхонь.
Застосовуючи в'язкі шари з чистих металів, можна компенсувати термічні напруги між деталями, що з'єднуються. Структура матеріалу на поверхнях з'єднання піддається спостереженню, зокрема помітно усунення утворення крихких фаз у граничній зоні. При цьому зрозуміло треба стежити за металографічною сумісністю матеріалів, що з'єднуються, а також їх придатністю для зварювання тертям.
З'єднання сталі з титановимсплавом відбувається, зокрема, якщо на сталь шляхом зварювання тертям нанести шар міді, а на титановий сплав теж шляхом зварювання тертям шар ванадію, з'єднавши потім оброблені мідні та ванадієві поверхні шляхом зварювання тертям.
Доцільно здійснювати зварювання тертям, виключивши навколишнє повітря шляхом проведення процесу в атмосфері інертного газу, вакуумі або особливо під шаром рідини, наприклад, суміші гасу з мінеральними маслами, що застосовується для електроіскрової обробки.
Для з'єднання деталей можна застосовувати поширені машини для зварювання тертям, які мають ступінчасте або безступінчасте регулювання частоти обертання. Як режим роботи можна користуватися "тертям за часом" або "тертям на згін".
При способі, що патентується можна застосовувати звичайні частоти обертання порядку 500 2000 об/хв, особливо ж близько 1000 об/хв, і силу осадження приблизно до 50 кН, особливо ж в діапазоні 100 200 кН.
Товщина проміжного шару в готовому шві повинна бути якомога меншою, доцільно витримувати її в міліметровому діапазоні. Перед зварюванням тертям треба ретельно підготувати поверхню, зокрема щойно обточену поверхню знежирити в ультразвуковій ванні, промити спиртом і висушити.
Щоб уникнути високих пускових крутних моментів можна в одній з деталей, що з'єднуються, передбачити конічну сполучну поверхню, хоча для підвищення навантажувальної здатності шва слід віддавати перевагу плоским стиковим поверхням.
Шорсткість з'єднаних поверхонь доцільно передбачати в діапазоні 30 300 мкм, особливо близько 100 мкм.
Особливості винаходу випливають з додаткових ознак, зазначених у формулі винаходу, а також з описаного нижче на прикладах.
нафіг. 1 і 2 показано робоче колесо турбонагнітача з крильчаткою та валом у двох варіантах кріпильної деталі на валу.
Приклад 1. З'єднання термічно оброблюваної сталі St 575 з алюмінієвим сплавом AN 40, що термічно зміцнюється.
На попередньо оброблений, як зазначалося вище, торець циліндричного сталевого прутка (45 х 140) була шляхом зварювання тертям нанесена нікелева пластина (2 х 50 х 50). Після обробки торця навареного нікелевого шару на токарному верстаті в якості другої операції зварювання тертям був приєднаний циліндричний пруток з алюмінієвого сплаву AN 40 (50 x 150) і тим самим створено з'єднання St 575/Ni/AN 40. Досягнута міцність склала 221 Н . На міцність з'єднання впливає шорсткість поверхні нікелевого шару. Найбільші значення міцності досягалися при шорсткості сполучного нікелевого шару (зі сплавом AN 40) Pz 162 мкм, RA 43 мкм та Rt 185 мкм. При цьому максимальна міцність спостерігалася у сполученні зі сплавом AN 40 у термічно зміцненому стані.
Щоб уникнути крихкування сполучних площин, з'єднання St 575/Ni піддалося термообробці протягом 60 хв у високому вакуумі при 680 o C.
Аналогічним чином можна з'єднувати і заготовки з інших алюмінієвих сплавів, що термічно зміцнюються, як, наприклад AlCuMg1, AlCuMg2 або AlCuMg1828, зі сталлю шляхом зварювання тертям з проміжним шаром з нікелю.
Приклад 2. Сполука термічно оброблюваної сталі St 575 з титановим сплавом TiGAl4V.
На кожен пруток з титанового сплаву (45 х 150), з одного боку, і круглий пруток із сталі St 575 (45 x 140), з іншого боку, шляхом зварювання тертям наносилися ванадієві пластинки або шар міді та ретельно оброблялися на токарному верстаті. На титані залишався шар ванадію завтовшки3,5 4,5 мм, а на сталі St 575 шар міді завтовшки 5 8,5 мм. Подальше зварювання ванадію з міддю призвело до потонання шару міді. У готовому поєднанні мідь мала товщину 1 мм.
Особливо хороша здатність навантаження Ti6Al4V/V/Cu/St 575 аж до значень порядку 660 Н/мм 2 досягається шляхом застосування більш високих тисків осадження під час зварювання тертям в діапазоні 150 Н/мм 2 .
Щоб уникнути зростання твердості у сталі St 575 у подальших дослідах між міддю та сталлю St 575 було введено проміжний шар з аустенітної сталі ХIOCrNiTi189. Цей додатковий проміжний шар під час зварювання тертям не зазнає жодних структурних змін, але перешкоджає нагріванню сталі St 575 до температури аустенітизації та викликаного цим зростання твердості під час охолодження. Шар з ХIOCrNiTi189 зварюється тертям зі сталлю St 575, після чого стик піддавали термічній обробці протягом однієї години при 600 o C, щоб усунути збільшення твердості в St 575. Після обточування аустенітного шару до товщини 2,5 мм можна було потім наварити. . За такої сполуки досягалося збільшення міцності до 454 Н/мм 2 .
При аналогічному введенні проміжних шарів та аналогічних технологічних етапах можна виготовити з'єднання сталі зі сплавами -титану та (+)-титану, наприклад, TiCu2 або TiAl5Fe2,5.
Приклад 3. Спосіб, розглянутий у прикладі 1, був застосований для приєднання деталі кріплення для валу турбонагнітача до робочого колеса компресора. На фіг. 1 показана деталь, що утворилася в результаті. З торцем 17 маточини 11, забезпеченої лопатками 12, за допомогою проміжних шарів 18 зварена тертям з різьбленням кріпильна деталь 16. З кріпильною деталлю 16 звинчений вал 21, виконаний за одне ціле з крильчаткою 26, несущийвиконані за одне ціле або насаджені лопатки 27, на вал напресовано в гарячому або холодному вигляді циліндричне кільце 23, яке вставлені радіальні кільця ущільнювача 24 і яке має ковзну в осьовому напрямку поверхню 25.
Замість кріпильної деталі 16 можна сам вал зварити тертям зі маточкою 11. Це не відноситься до з'єднання турбінного колеса 26 з валом 21.
Робоче колеса компресора 11-17 може бути виготовлено не з алюмінієвого деформованого сплаву, а з титанового деформованого сплаву і тоді повинно бути з'єднане згідно з прикладом 2 шляхом зварювання тертям з кріпильною деталлю 16 або з валом 21.
ФОРМУЛА ВИНАХОДУ
1. Спосіб з'єднання заготовок або деталей зі сталі з деталями з алюмінієвого або титанового сплаву, який відрізняється тим, що деталь зі сталі з'єднують зварюванням тертям з прокладкою, отримане з'єднання термообробляють до припинення росту твердості і з'єднують з деталлю з алюмінієвого або титанового сплаву за допомогою зварювання.
2. Спосіб за п.1, який відрізняється тим, що при з'єднанні деталі із сталі з деталлю з алюмінієвого сплаву використовують прокладку з нікелю.
3. Спосіб за п.1, який відрізняється тим, що при з'єднанні деталі із сталі з деталлю з титанового сплаву використовують прокладку з аустенітної сталі, після термообробки на отримані з'єднання наносять шар міді зварюванням тертям, а на деталь з титанового сплаву наносять шар з ванадію, після чого оброблені поверхні міді та ванадію з'єднують за допомогою зварювання тертям.
4. Турбонагнітач, який відрізняється тим, що з'єднання турбінного колеса з валом або з кріпильною деталлю валу виконують способом п.1.