PL227090B1 - Sposób łaczenia róznorodnych metali metoda zgrzewania rezystancyjnego - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób łączenia różnorodnych metali metodą zgrzewania rezystancyjnego, w szczególności stali i aluminium.

Zgrzewanie rezystancyjne aluminium i jego stopów ze stalą zawsze stanowiło problem. W połączeniach tego typu, aluminium może dyfundować w głąb stali tworząc związki międzymetaliczne z żelazem o dużej kruchości. Inną trudność stanowi duża różnica temperatur topnienia obydwu metali, dla aluminium wynosi około 660°C, natomiast dla stali, w zależności od składników stopowych, wynosi około 1420-1540°C. Obecnie połączenia takie wykonywane są przykładowo z wykorzystaniem elektrod o specjalnym kształcie, dedykowanych do łączenia aluminium Są to najczęściej elektrody o kulistej powierzchni roboczej, której promień krzywizny jest w większości przypadków mniejszy niż 50 mm. Nie eliminuje to jednak powstawania kruchych faz międzymetalicznych na powierzchni stali, które znacząco obniżają wytrzymałość złącza.

Wykorzystanie materiałów pośrednich w postaci wkładek do zgrzewania staliwa Hadfielda ze stalą węglową, zwłaszcza znormalizowaną, jest znane z opisu patentowego PL 131 267 B1, w którym w celu uniknięcia zmian strukturalnych łączonych materiałów zaproponowano zastosowanie wkładki pośredniej z austenitycznej stali niskowęglowej zgrzewanej w pierwszej kolejności z elementem wykonanym ze stali węglowej, a następnie ze staliwa Hadfielda. Złącze zostało wykonane z wykorzystaniem doczołowego zgrzewania rezystancyjnego.

W europejskim zgłoszeniu patentowym EP 2 957 376 A2 opisano sposób łączenia dwóch elementów wykonanych z materiałów różnorodnych, w którym zastosowano powłoki nanoszone technologiami addytywnymi, np. laserowo, natryskiwaniem plazmowym w próżni lub natryskiwaniem zimnym gazem. Wszystkie wymienione metody umożliwiają naniesienie warstwy pośredniej o niskim stopniu utlenienia. Warunkiem uzyskania dobrego złącza była odpowiednia porowatość między warstwy, wynosząca w przedziale 10-30%. Elementy były następnie łączone metodą zgrzewania dyfuzyjnego.

Zastosowanie warstw pośrednich w procesie zgrzewania znane jest również z patentu US 7 997 472 B2, gdzie do łączenia różnorodnych metali lub stopów metali zaproponowano naniesienie międzywarstwy metodami natryskiwania cieplnego, w tym natryskiwania zimnym gazem, wiązką elektronów w próżni oraz platerowaniem. Złącze z wcześniej naniesioną warstwą pośrednią wykonuje się metodą zgrzewania tarciowego z mieszaniem materiału - FSW.

Znany jest ze zgłoszenia patentowego US 3 038 988 A sposób łączenia tytanu ze stopami żelaza z zastosowaniem wkładki pośredniej wykonanej z wanadu, molibdenu lub ich stopów. Bezpośrednie łączenie metodami spajania tytanu z żelazem prowadzi w wyniku dyfuzji do wydzielenia na powierzchni żelaza kruchych związków międzymetalicznych, prowadzących do zmniejszenia właściwości wytrzymałościowych złącza. Wkładka pośrednia zastosowana w procesie zgrzewania rezystancyjnego, np. punktowego zgrzewania rezystancyjnego, umieszczana jest między łączonymi elementami, dociśniętymi elektrodami zgrzewarki. W efekcie uzyskuje się złącze tytanu z żelazem wolne od związków międzymetalicznych, cechujące się znacznie wyższymi właściwościami mechanicznymi.

Celem wynalazku jest opracowanie sposobu łączenia różnorodnych metali, o różnych właściwościach fizykochemicznych, za pomocą metod zgrzewania rezystancyjnego, które gwarantowałyby uzyskanie prawidłowego połączenia o wysokiej jakości.

Istota sposobu, według wynalazku, w którym co najmniej jedną powierzchnię jednego z łączonych metali, będącą co najmniej jednym podłożem, oczyszcza się poprzez płukanie cieczą, a następnie oczyszczoną powierzchnię poddaje się obróbce strumieniowo-ściernej, po czym na obszar zgrzewania nanosi się warstwę pośrednią i tak przygotowaną strukturę dociska się elektrodami i wykonuje połączenie znaną metodą zgrzewania rezystancyjnego, polega na tym, że warstwę pośrednią nanosi się poprzez bombardowanie podłoża cząstkami metalu zawieszonymi w strumieniu doprowadzonego przez dyszę napylającą gazu roboczego o temperaturze nie przekraczającej połowy średniej temperatury topnienia cząstek metalu, mieszaniny metali lub mieszaniny kompozytowej metalu i ceramiki, tworzących warstwę pośrednią i nie wyższej niż 1200°C oraz o ciśnieniu do 5 MPa, przy czym cząstki warstwy pośredniej uderzają z prędkością od 200 m/s do 1000 m/s o powierzchnię podłoża.

Korzystnym jest, gdy warstwa pośrednia zawiera cząstki tego samego materiału, co jeden z materiałów łączonych.

Korzystnie, warstwę pośrednią nanosi się z proszków metali wybranych z grupy: aluminium, nikiel, żelazo, cynk, miedź.

PL 227 090 B1

Korzystnym jest, gdy warstwę pośrednią nanosi się z cząstek materiału o niższej temperaturze topnienia od materiału podłoża.

Korzystnie, cząstki metalu warstwy pośredniej nanosi się w postaci proszku o wielkości ziaren

1-100 pm,

Korzystnie, jako warstwę pośrednią nanosi się cząstki metalu w postaci mieszaniny proszków metali, korzystnie wybranych z grupy: aluminium, nikiel, żelazo, cynk, miedź.

Korzystnie, jako warstwę pośrednią nanosi się cząstki kompozytu w postaci mieszaniny proszków metalu i ceramiki.

Korzystnie, proszek ceramiczny nanosi się z materiału AI2O3 albo SiC.

Korzystnie, na powierzchnię podłoża nanosi się warstwę pośrednią o grubości 200-500 pm.

Korzystnie, jako gaz roboczy stosuje się powietrze, azot, argon albo hel do ograniczenia stopnia utlenienia warstwy pośredniej.

Korzystnie, falistość Wa naniesionej warstwy wynosi poniżej 100 pm.

Zaletą połączeń zgrzewanych według wynalazku jest uzyskanie jednorodnej struktury złącza, wolnej od twardych i kruchych związków międzymetalicznych. Wykonane w ten sposób złącze cechować się będzie bardzo dobrymi właściwościami mechanicznymi.

Warstwa metaliczna jest nanoszona metodą natryskiwania zimnym gazem, na co najmniej jeden element przeznaczony do połączenia zgrzewanego. Proces ten polega na wstępnym podgrzaniu oraz ciskaniu cząstek proszku metalu z prędkością wystarczającą do zajścia plastycznych odkształceń umożliwiających osadzenie się proszku na powierzchni metalu. Temperatura wstępnego podgrzania nie przekracza połowy temperatury topnienia proszku z możliwością jej regulacji, nie dochodzi do intensywnego utlenienia wewnętrznej struktury warstwy. Możliwe jest przeprowadzenie wstępnej obróbki strumieniowo-ściernej powierzchni metalu przed natryskiwaniem, aby zapewnić zwiększenie wydajności osadzania się proszku oraz lepsze właściwości mechaniczne warstwy. Proszkiem metalu może być każdy materiał, który cechuje się dobrą zgrzewalnością, korzystnym jest jednak zastosowanie aluminium, niklu, żelaza, cynku lub miedzi. Warstwa proszku powinna być naniesiona lokalnie na powierzchni przeznaczonej na strefę kontaktu połączenia zgrzewanego. Dysza nanosząca warstwę pośrednią, podczas natryskiwania, wraz z przesuwaniem pistoletu, tworzy powłokę w postaci ściegu, czyli linii o szerokości 6-8 mm (w zależności od odległości końca dyszy od podłoża). Dlatego powłoka budowana jest rzędami. Ze względu na późniejsze wykorzystanie warstwy do zgrzewania, korzystnym jest zastosowanie niewielkiego odstępu pomiędzy kolejnymi ściegami - do 2 mm, aby uzyskać jednolitą topografię powierzchni o falistości Wa < 100 pm. Grubość warstwy jest dowolna, jednak korzystnym jest zastosowanie grubości w przedziale 200-500 pm, co gwarantuje pozyskanie dobrych właściwości mechanicznych warstwy. Elementy przeznaczone do zgrzewania mogą być wykonane z dowolnego metalu, a przede wszystkim z aluminium i stali. W przypadku łączenia metali o słabej zgrzewalności, korzystnym jest nanieść powłokę na obu zgrzewanych elementach.

Przedmiot wynalazku objaśniony jest w przykładach wykonania.

P r z y k ł a d 1

Sposób łączenia różnorodnych metali przy zastosowaniu warstw pośrednich metodą zgrzewania rezystancyjnego polega na tym, że powierzchnię metalu oczyszcza się i odtłuszcza poprzez płukanie cieczą, po czym oczyszczoną powierzchnię poddaje się obróbce strumieniowo-ściernej. Następnie na tak przygotowane podłoże nanosi się warstwę metaliczną poprzez jej bombardowanie cząstkami proszku aluminiowego zawieszonymi w strumieniu doprowadzonego przez dyszę napylającą gazu roboczego, w tym przypadku azotu, który po przejściu przez dyszę de Lavala uległ ochłodzeniu od temperatury rzędu 600°C, do temperatury rzędu 300°C, i o ciśnieniu 0,9 MPa, przy czym cząstki metalu uderzają ze średnią prędkością 450 m/s w powierzchnię podłoża. Podczas natryskiwania stosuje się odstęp 1 mm pomiędzy poszczególnymi ściegami nanoszonej warstwy, co gwarantuje uzyskanie falistości Wa rzędu 80 pm. Jako warstwę nanosi się cząstki aluminium w postaci proszku o wielkości ziaren 20 pm. Warstwę metaliczną o grubości do 400 pm nanosi się lokalnie na wybranej powierzchni przeznaczonej do wykonania połączenia zgrzewanego. Podczas nanoszenia warstwy strumień powietrza schładza się do temperatury nie przekraczającej połowy temperatury topnienia użytych cząstek metalu, która dla aluminium wynosi 660°C.

Po naniesieniu warstwy metalicznej elementy poddawane są procesowi zgrzewania rezystancyjnego. Przed przystąpieniem do zgrzewania elementy łączone z umieszczoną pomiędzy warstwą pośrednią dociska się w miejscu naniesionej warstwy elektrodami. Ponieważ metalami użytymi w tym przykładzie są stal i aluminium o grubości 1 min, przy czym stal z naniesioną międzywarstwą

PL 227 090 B1 aluminiową, stosuje się parametry twarde procesu zgrzewania rezystancyjnego odpowiednie dla aluminium: natężenie prądu wynosi 18 kA, siła docisku wynosi 1,2 kN, czas zgrzewania wynosi 200 ms.

P r z y k ł a d 2

Sposób łączenia różnorodnych metali przy zastosowaniu warstw pośrednich metodą zgrzewania rezystancyjnego przebiega, jak w przykładzie pierwszym z tą różnicą, że warstwę kompozytową o grubości 200 μm nanosi się na powierzchnie obu metali przeznaczonych do zgrzewania, przy zastosowaniu wymieszanych cząstek metalu i ceramiki, w postaci proszku niklu i korundu o średniej wielkości cząstek 35 μm, zawieszonych w strumieniu, który przed dyszą de Lavala był podgrzany maksymalnie do temperatury 700°C i o ciśnieniu do 3 MPa, przy czym cząstki uderzają ze średnią prędkością 600 m/s w powierzchnię metalu. Proces zgrzewania rezystancyjnego przeprowadza się przy zastosowaniu następujących parametrów: natężenie prądu wynosi 8 kA, siła docisku wynosi 1,7 kN, czas zgrzewania wynosi 320 ms.

Claims (11)

1. Sposób łączenia różnorodnych metali przy zastosowaniu warstw pośrednich metodą zgrzewania rezystancyjnego, w którym co najmniej jedną powierzchnię jednego z łączonych metali, będącą co najmniej jednym podłożem, oczyszcza się poprzez płukanie cieczą, a następnie oczyszczoną powierzchnię poddaje się obróbce strumieniowo-ściernej, po czym na obszar zgrzewania nanosi się warstwę pośrednią i tak przygotowaną strukturę dociska się elektrodami i wykonuje połączenie metodą zgrzewania rezystancyjnego, znamienny tym, że warstwę pośrednią nanosi się poprzez bombardowanie podłoża cząstkami metalu zawieszonymi w strumieniu doprowadzonego przez dyszę napylającą gazu roboczego o temperaturze nie przekraczającej połowy średniej temperatury topnienia cząstek metalu, mieszaniny metali lub mieszaniny kompozytowej metalu i ceramiki, tworzących warstwę pośrednią i nie wyższej niż 1200°C oraz o ciśnieniu do 5 MPa, przy czym cząstki warstwy pośredniej uderzają z prędkością od 200 m/s do 1000 m/s o powierzchnię podłoża.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że warstwa pośrednia zawiera cząstki tego samego materiału, co jeden z materiałów łączonych.

3. Sposób, według zastrz. 1, znamienny tym, że warstwę pośrednią nanosi się z proszków metali wybranych z grupy: aluminium, nikiel, żelazo, cynk, miedź.

4. Sposób, według zastrz. 1, znamienny tym, że warstwę pośrednią nanosi się z cząstek materiału o niższej temperaturze topnienia od materiału podłoża.

5. Sposób, według zastrz. 1, znamienny tym, że cząstki metalu warstwy pośredniej nanosi się w postaci proszku o wielkości ziaren 1-100 μm.

6. Sposób, według zastrz. 1, znamienny tym, że jako warstwę pośrednią nanosi się cząstki metalu w postaci mieszaniny proszków metali, korzystnie wybranych z grupy: aluminium, nikiel, żelazo, cynk, miedź.

7. Sposób, według, zastrz, 1, znamienny tym, że jako warstwę pośrednią nanosi się cząstki kompozytu w postaci mieszaniny proszków metalu i ceramiki,

8. Sposób, według zastrz. 1, znamienny tym, że proszek ceramiczny nanosi się z materiału AI2O3 tub SiC.

9. Sposób, według zastrz. 1, znamienny tym, że nanosi się warstwę pośrednią o grubości 200-500 μm.

10. Sposób, według zastrz. 1, znamienny tym, że jako gaz roboczy stosuje się powietrze, azot, argon lub hel.

11. Sposób, według zastrz. 1, znamienny tym, że falistość Wa warstwy pośredniej wynosi poniżej 100 μm.