Конденсаторная приварка шпилек в вакууме
Приведены результаты исследований конденсаторной приварки шпилек из алюминиево-магниевого сплава АМг3 и нержавеющей стали 10Х18Н9Т в условиях среднего и высокого вакуума. Показано, что сильноточный кратковременный импульсный разряд, при котором значительная часть испарившегося металла сохраняется в...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Автоматическая сварка |
|---|---|
| Дата: | 2012 |
| Автори: | , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2012
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/101147 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Конденсаторная приварка шпилек в вакууме / Б.Е. Патон, Д.М. Калеко, А.Р. Булацев, В.Ф. Шулым // Автоматическая сварка. — 2012. — № 4 (708). — С. 42-46. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860254081305542656 |
|---|---|
| author | Патон, Б.Е. Калеко, Д.М. Булацев, А.Р. Шулым, В.Ф. |
| author_facet | Патон, Б.Е. Калеко, Д.М. Булацев, А.Р. Шулым, В.Ф. |
| citation_txt | Конденсаторная приварка шпилек в вакууме / Б.Е. Патон, Д.М. Калеко, А.Р. Булацев, В.Ф. Шулым // Автоматическая сварка. — 2012. — № 4 (708). — С. 42-46. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Автоматическая сварка |
| description | Приведены результаты исследований конденсаторной приварки шпилек из алюминиево-магниевого сплава АМг3 и нержавеющей стали 10Х18Н9Т в условиях среднего и высокого вакуума. Показано, что сильноточный кратковременный импульсный разряд, при котором значительная часть испарившегося металла сохраняется в зазоре между свариваемыми поверхностями, может быть использован для стыковой приварки в вакууме деталей компактного сечения к листовому материалу. Экспериментально доказана возможность приварки шпилек диаметром до М6 при давлении 1,33 Па с прочностью на статический разрыв равной прочности материала шпильки.
Given are the results of investigations into capacitor-discharge welding of studs of aluminium-magnesium alloy AMg3 and stainless steel 10Kh18N9T under conditions of medium and high vacuum. It is shown that a high-current short-time pulsed discharge, at which the major part of evaporated metal remains in the gap between the mating surfaces, can be used for vacuum butt welding of compact-section parts to a sheet material. It was experimentally proved that up to M6 diameter studs can be welded at pressures of 1,33 Pa with a static tensile strength equal to that of the stud material.
|
| first_indexed | 2025-12-07T18:47:00Z |
| format | Article |
| fulltext |
УДК 621.791.75/.76
КОНДЕНСАТОРНАЯ ПРИВАРКА ШПИЛЕК В ВАКУУМЕ
Академик Б. Е. ПАТОН, Д. М. КАЛЕКО, канд. техн. наук, А. Р. БУЛАЦЕВ, В. Ф. ШУЛЫМ, инженеры
(Ин-т электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины)
Приведены результаты исследований конденсаторной приварки шпилек из алюминиево-магниевого сплава АМг3
и нержавеющей стали 10Х18Н9Т в условиях среднего и высокого вакуума. Показано, что сильноточный кратков-
ременный импульсный разряд, при котором значительная часть испарившегося металла сохраняется в зазоре между
свариваемыми поверхностями, может быть использован для стыковой приварки в вакууме деталей компактного
сечения к листовому материалу. Экспериментально доказана возможность приварки шпилек диаметром до М6
при давлении 1,33 Па с прочностью на статический разрыв равной прочности материала шпильки.
К л ю ч е в ы е с л о в а : конденсаторная сварка в вакууме,
дуговой разряд, приварка шпилек, алюминиевый сплав, нер-
жавеющая сталь, вольт-амперные характеристики, макро-
структура, механические свойства
Футурологические исследования многих ученых
однозначно показывают, что выживание челове-
чества при ускоренном потреблении разного рода
земных ресурсов возможно только при условии
выхода в космическое пространство. Уже сегодня
на Луне с помощью космических аппаратов най-
дены полезные ископаемые. Кроме того, отсут-
ствие там атмосферной экранизации солнечного
излучения дает возможность использовать неис-
сякаемую (в границах исторического времени)
энергию Солнца для удовлетворения потребнос-
тей человека, которые увеличиваются в геомет-
рической прогрессии.
В последние годы возобновились разговоры о
целесообразности создания научных лабораторий
на Луне и планетах Солнечной системы. В 2004 г.
президент США представил новую космическую
программу, в которой значительное место уделя-
ется освоению межпланетного пространства. В со-
ответствии с планами Администрации американ-
ские астронавты должны создать на поверхности
спутника Земли станцию для работы там «в те-
чение достаточно продолжительного времени».
Поэтому своевременным является утвержде-
ние [1] о том, что «космические корабли и
станции, а также инфраструктура экспедицион-
ных поселений на поверхности Луны, рассчитан-
ные на долгосрочную эксплуатацию в условиях
космоса, должны быть оснащены комплексами
сварочной аппаратуры для выполнения монтаж-
ных и ремонтных работ при строительстве и эк-
сплуатации объектов, а экипажи кораблей и экс-
педиций должны быть научены основам свароч-
ных технологий и иметь практические навыки вы-
полнения указанных работ».
В Институте электросварки им. Е. О. Патона
НАН Украины накоплен большой опыт [2] по
сварке металлов в вакууме и невесомости, а также
институт инициировал эксперименты по сварке
металлов в открытом космосе на аппаратуре и по
технологии, им разработанной. В ходе выпол-
ненных работ на листовом материале установлено
[3], что по сравнению с электронно-лучевой все
остальные способы сварки имеют недостатки, зат-
рудняющие их использование в условиях космоса.
Однако условия монтажа на объектах косми-
ческой техники и их ремонта в космосе требуют
расширения номенклатуры привариваемых дета-
лей крепежными элементами, из которых наи-
более широко используют шпильки разного вида
и конструкций.
Все отмеченное выше обусловливает интерес
к проверке возможности получить в вакууме ду-
говой разряд в миллисекундном интервале вре-
мени. Именно эту продолжительность имеет при-
варка шпилек дугой, которая горит при разряде
конденсаторов.
Авторам известна только одна работа [4] по
приварке шпилек в условиях, имитирующих кос-
мическую среду. Эксперименты проводили со
шпильками из алюминиевых сплавов Al 5000 (Al–
Mg) и Al 2319 (Al–Cu), а также нержавеющей
стали SUS 305 (12Х18H12) диаметром М5. Усло-
вия вакуума были ограничены возможностями ла-
бораторного оборудования, а именно 10–4 торр
(13,3 Па). Ниже показаны существенные отличия
между сваркой в низком и высоком (10–5 торр)
вакууме. Поэтому предыдущий опыт не позволяет
достоверно оценить возможность использования
конденсаторной приварки шпилек в открытом
космосе. Электрические характеристики процес-
са, численные показатели прочности и металлог-
рафические исследования сварных образцов не
приведены в работе [4].
В качестве источника энергии в наших экспе-
риментах использовали установку К747МВ, раз-
работанную в ИЭС им. Е. О. Патона [5]. Вместо
обычного сварочного пистолета использовали
сварочную головку на штативе, которая распола-
© Б. Е. Патон, Д. М. Калеко, А. Р. Булацев, В. Ф. Шулым, 2012
42 4/2012
галась в вакуумной камере, управлялась вынос-
ным пультом и выполняла те же операции, что
и сварочный пистолет.
Эксперименты проводили со шпильками типа
РТ диаметром М4 и М6 из АМг3 и 10Х18Н9Т,
соответствующими ISO 13918 (рис. 1). Выбор ма-
териалов соответствовал условиям применения в
космическом пространстве [6]. В соответствии со
стандартом размеры шпильки не зависят от ма-
териала, из которого она изготовлена. Размеры
шпильки диаметром М4 и М6 имеют следующие
значения: lш = 20 мм; hб = 1,2 мм; dб = 5,5 мм и
7,5 (для М6); dв = 0,65 мм (для М4) и 0,75 (для
М6); lв = 0,55 мм (для М4) и 0,80 (для М6).
Сварку в форвакууме (10–2 торр) и высоком
вакууме вели на режимах, обеспечивающих по-
лучение прочного соединения при атмосферных
условиях. В соответствии с ISO 14555:2006 сое-
динение считается прочным, если выдерживает
изгиб шпильки на 60°. Если стандартные испы-
тания подтверждали сохранение прочности сое-
динения, режим сварки считали удовлетворитель-
ным, проводили осциллографирование процесса
(Textronix TDS2000B) и фоторегистрацию резуль-
татов испытания на изгиб.
Известны два основных метода конденсатор-
ной приварки шпильки: с предварительным зазо-
ром и предварительным контактом [7]. Оба ме-
тода можно использовать для сварки нержавею-
щей стали, но алюминиевые сплавы хорошо сва-
риваются только с предварительным зазором. Од-
нако уже первые эксперименты в вакуумной ка-
мере показали, что методом с предварительным
контактом даже в форвакууме не удается полу-
чить стабильные прочные соединения шпилек М4
из стали 10Х18Н9Т. Анализ осциллограмм (рис. 2)
показал, что при сварке с предварительным кон-
тактом продолжительность дуговой стадии разря-
да более чем в 2 раза превышает длительность
горения дуги при сварке с предварительным за-
зором. Кроме того, и разрядный ток при первом
способе значительно больше, чем при втором. Это
приводит к тому, что за время горения дуги при
сварке с предварительным контактом металл из
зоны сварки в значительной мере испаряется и
оставшегося объема недостаточно для создания
прочного соединения. На такой характер процесса
указывают и подрезы по периметру стыка.
Исходя из этого, все последующие экспери-
менты проводили методом конденсаторной при-
варки шпилек с предварительным зазором.
Параметры режима сварки исследуемых сое-
динений приведены в таблице. Они сохранялись
неизменными для условий сварки при атмосфер-
ном и низком давлениях с целью последующего
сравнения характеристик дуги и сварных соеди-
нений.
При сварке шпилек из алюминиевого сплава
значения тока (рис. 3) и напряжения (рис. 4) прак-
тически не зависят от давления воздуха. При свар-
ке стальных шпилек в высоком вакууме увели-
чивается «инкубационное» время между первич-
ным касанием деталей и «взрывом» тонкого выс-
тупа на торце шпильки, предназначенного для
Рис. 1. Конструктивные размеры шпильки РТ для приварки
разрядом конденсаторов
Рис. 2. Осциллограммы тока и нап-
ряжения дуги при разряде конден-
саторов в низком (10–2 торр) ваку-
уме при сварке шпилек из стали
10Х18Н9Т диаметром М4 с предва-
рительным контактом (а) и предва-
рительным зазором (б) (напряжение
зарядки конденсаторов 120 В, ем-
кость 96 мФ)
Параметры режима сварки сплава АМг3 и стали
10Х18Н9Т
Материал Диаметр
шпильки
Напряже-
ние заряд-
ки, В
Длина на-
чального за-
зора, мм
Усилие
сжатия, Н
АМг3 М4 100 2,5 104,6
М6 180 3,0 104,3
10Х18Н9Т М4 120 2,2 104,9
М6 140 2,0 105,0
Пр и м е ч а н и е . Во всех экспериментах емкость батареи кон-
денсаторов составляла 96 мФ.
4/2012 43
возбуждения дуги (момент «взрыва» отмечается
снижением тока). Поскольку цепь разряда кон-
денсаторов замыкается уже при слабом касании
стыкуемых поверхностей, при начальном контак-
те взрывается микрорельеф и возбуждается дуга
между торцом тонкого выступа и поверхностью
листа, к которой должна быть приварена шпилька.
О наличии дуги свидетельствует повышение нап-
Рис. 3. Сварочный ток при конденсаторной приварке шпилек в условиях сварки при разных давлениях воздуха: а, б — сплав
АМг3; в, г — сталь 10Х18Н9Т; а, в — М4; б, г — М6
Рис. 4. Напряжение на свариваемых деталях: а–г — то же, что и на рис. 3
44 4/2012
ряжения свыше 10 В, что типично для дугового
разряда.
Далее тонкий выступ нагревается двумя ис-
точниками — дугой на торце и проходящим то-
ком. Разлет паров начальной микродуги в вакууме
приводит к снижению эффективной мощности ду-
ги. Как показывают расчеты на основании данных
осциллографирования, несмотря на увеличение
«инкубационного» времени при сварке в вакууме
по сравнению со сваркой при атмосферном дав-
лении воздуха (шпилька М4, 588 и 366 мкс, со-
ответственно), энергия, выделяемая на сваривае-
мых деталях, к моменту перехода от микродуго-
вого к дуговому разряду примерно одинакова
(49,2 и 50,9 Дж соответственно).
При приварке шпильки диаметром М6 из-за
увеличения длины выступа в 1,5 раза по сравне-
нию со шпилькой М4 (см. рис. 1) при незначи-
тельном увеличении диаметра существенно воз-
растает роль внутреннего источника нагрева про-
ходящим током. К этому добавляется снижение
теплоотвода от выступа в основное тело шпильки,
что приводит к уменьшению продолжительности
нагрева выступа до испарения по сравнению со
шпилькой диаметром М4 (до 316 мкс в вакууме
и 192 мкс при атмосферном давлении).
Однако при примерно одинаковых отношениях
длительностей «инкубационного» периода при
сварке шпилек диаметром М4 и М6 в воздухе и
вакууме энергия, выделенная за это время на сва-
риваемых деталях, существенно меньше при свар-
ке шпилек диаметром М6 в воздухе (15,2 Дж) по
сравнению со сваркой в вакууме (35,3 Дж), при
которой снижение эффективной мощности мик-
родуги компенсируется увеличением времени
прохождения тока по тонкому выступу.
Сопротивление дуги во всех исследуемых ус-
ловиях, кроме приварки стальных шпилек М6, по-
вышается с уменьшением давления воздуха, что
соответствует классическим представлениям об
условиях горения дугового разряда в газовой сре-
де [8]. При приварке стальных шпилек диаметром
М6 бурное испарение выступа вызывает кратков-
ременное локальное повышение давления и разлет
паров с высокой начальной скоростью, что при-
водит к укорочению времени горения дуги, оп-
ределяемого продолжительностью выравнивания
давлений в дуговом промежутке и пружины осад-
ки сварочной головки (шпилька опускается на
лист при их равенстве).
В остальных исследуемых вариантах продол-
жительность процесса сварки в вакууме больше,
чем на воздухе. Это связано с тем, что вакууми-
рование при сварке алюминиевых шпилек вызы-
вает увеличение напряжения горения дуги, что
при неизменном токе приводит к интенсификации
испарения. В эксперименте со стальными шпиль-
ками диаметром М4 увеличение длительности
процесса (рис. 4) вызвано задержкой фазы воз-
буждения основной дуги вследствие снижения то-
ка начальной дуги (см. рис. 3).
В соответствии с ISO 14555:2006 соединения
с приваренными шпильками проверяются визу-
ально на отсутствие подрезов, перерывов в сва-
рочном валике и других видов несплошностей.
Все полученные соединения отвечают требовани-
ям стандарта. Как видно из рис. 5, главное отличие
между соединениями, полученными при атмос-
ферном давлении и в вакууме, заключается в уве-
личении в вакууме площади выплеска расплав-
ленного металла из зоны сварки. Это можно
объяснить уменьшением в условиях вакуума про-
тиводействия паров металла, демпфирующих удар
шпильки по ванне расплавленного металла на по-
верхности листа под действием пружины свароч-
ной головки. Об этом свидетельствует также оре-
ол паров металла в виде плотного слоя оксидов
на поверхности соединения, полученного при ат-
мосферном давлении, и прозрачного, но большого
диаметра слоя копоти при сварке в вакууме.
Как отмечено выше, все соединения, сварен-
ные на оптимальном режиме, выдержали изгиб
Рис. 5. Внешний вид сварных соединений шпилек из сплава АМг3 диаметром М4 (а, б), М6 (в, г) и стали 10Х18Н9Т
диаметром М4 (д, е), М6 (ж, з), полученных при атмосферном давлении (а, в, д, ж) и в вакууме 10–5 торр (б, г, е, з)
4/2012 45
на угол не меньше 60°. Испытание на статическое
растяжение сварных соединений показало, что все
они разрушались по основному металлу шпильки,
вдали от места соединения.
Как показывают фотографии шлифов (рис. 6),
толщина расплавленного металла, закристаллизо-
вавшегося в стыке, уменьшается при переходе от
атмосферного давления к высокому вакууму, нес-
мотря на увеличенную в большинстве случаев
продолжительность разряда при почти неизмен-
ном токе, т. е. выводы, сделанные из анализа
внешнего вида образцов, подтверждаются.
Таким образом, эксперименты показали воз-
можность приварки шпилек диаметром до М6 из
алюминиевого сплава АМг6 и нержавеющей ста-
ли 10Х18Н9Т в вакууме дуговым разрядом кон-
денсаторов. Полученные соединения равнопроч-
ны с материалом шпильки.
1. Патон Б. Е. 25 лет сварке в открытом космосе // Авто-
мат. сварка. — 2009. — № 7. — С. 3–7.
2. Космос: технология, материаловедение, конструкции:
Сб. науч. тр. / Под ред. Б. Е. Патона. — Киев: ИЭС им.
Е. О. Патона НАН Украины, 2000. — 528 с.
3. Особенности и дальнейшее развитие сварки в космосе /
В. Ф. Шулым, В. Ф. Лапчинский, Д. Л. Демидов и др. //
Космос: технология, материаловедение, конструкции:
Сб. науч. тр. / Под ред. Б. Е. Патона. — Киев: ИЭС им.
Е. О. Патона НАН Украины, 2000. — С. 52–59.
4. Masubuchi K., Imakita A., Miyake M. An initial study of re-
motely manipulated stud welding for space applications //
Welding J. — 1988. — № 4. — P. 25–34.
5. Установка К747МВ для конденсаторной приварки шпи-
лек / Д. М. Калеко, Б. И. Кононец, Н. Н. Оселедько и др.
// Свароч. пр-во. — 1991. — № 6. — С. 25–27.
6. Патон Б. Е., Кубасов В. Н. Эксперимент по сварке ме-
таллов в космосе // Автомат. сварка. — 1970. — № 5. —
С. 7–12.
7. Kaleko D. M., Lebedev V. K., Chvertko N. A. Processes of
welding using the arc discharge of the capacitors // Welding
and Surf. Rev. — 1999. — 13. — P. 1–148.
8. Капцов Н. А. Электрические явления в газах и вакууме.
— М., Л.: Гостехтеоретиздат, 1950. — 836 с.
Given are the results of investigations into capacitor-discharge welding of studs of aluminium-magnesium alloy AMg3
and stainless steel 10Kh18N9T under conditions of medium and high vacuum. It is shown that a high-current short-time
pulsed discharge, at which the major part of evaporated metal remains in the gap between the mating surfaces, can be
used for vacuum butt welding of compact-section parts to a sheet material. It was experimentally proved that up to M6
diameter studs can be welded at pressures of 1,33 Pa with a static tensile strength equal to that of the stud material.
Поступила в редакцию 16.01.2012
Рис. 6. Макроструктуры сварных соединений, полученных при атмосферном давлении (а, в, д, ж) и в высоком вакууме (б, г,
е, з) шпилек из сплава АМг3 диаметром М4 (а, б), М6 (в, г) и стали 10Х18Н9Т диаметром М4 (д, е), М6 (ж, з) с листами
алюминия и нержавеющей стали соответственно
46 4/2012
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-101147 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0005-111X |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T18:47:00Z |
| publishDate | 2012 |
| publisher | Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Патон, Б.Е. Калеко, Д.М. Булацев, А.Р. Шулым, В.Ф. 2016-05-31T15:35:27Z 2016-05-31T15:35:27Z 2012 Конденсаторная приварка шпилек в вакууме / Б.Е. Патон, Д.М. Калеко, А.Р. Булацев, В.Ф. Шулым // Автоматическая сварка. — 2012. — № 4 (708). — С. 42-46. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. 0005-111X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/101147 621.791.75/.76 Приведены результаты исследований конденсаторной приварки шпилек из алюминиево-магниевого сплава АМг3 и нержавеющей стали 10Х18Н9Т в условиях среднего и высокого вакуума. Показано, что сильноточный кратковременный импульсный разряд, при котором значительная часть испарившегося металла сохраняется в зазоре между свариваемыми поверхностями, может быть использован для стыковой приварки в вакууме деталей компактного сечения к листовому материалу. Экспериментально доказана возможность приварки шпилек диаметром до М6 при давлении 1,33 Па с прочностью на статический разрыв равной прочности материала шпильки. Given are the results of investigations into capacitor-discharge welding of studs of aluminium-magnesium alloy AMg3 and stainless steel 10Kh18N9T under conditions of medium and high vacuum. It is shown that a high-current short-time pulsed discharge, at which the major part of evaporated metal remains in the gap between the mating surfaces, can be used for vacuum butt welding of compact-section parts to a sheet material. It was experimentally proved that up to M6 diameter studs can be welded at pressures of 1,33 Pa with a static tensile strength equal to that of the stud material. ru Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України Автоматическая сварка Производственный раздел Конденсаторная приварка шпилек в вакууме Capacitor welding-in of studs in vacuum Article published earlier |
| spellingShingle | Конденсаторная приварка шпилек в вакууме Патон, Б.Е. Калеко, Д.М. Булацев, А.Р. Шулым, В.Ф. Производственный раздел |
| title | Конденсаторная приварка шпилек в вакууме |
| title_alt | Capacitor welding-in of studs in vacuum |
| title_full | Конденсаторная приварка шпилек в вакууме |
| title_fullStr | Конденсаторная приварка шпилек в вакууме |
| title_full_unstemmed | Конденсаторная приварка шпилек в вакууме |
| title_short | Конденсаторная приварка шпилек в вакууме |
| title_sort | конденсаторная приварка шпилек в вакууме |
| topic | Производственный раздел |
| topic_facet | Производственный раздел |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/101147 |
| work_keys_str_mv | AT patonbe kondensatornaâprivarkašpilekvvakuume AT kalekodm kondensatornaâprivarkašpilekvvakuume AT bulacevar kondensatornaâprivarkašpilekvvakuume AT šulymvf kondensatornaâprivarkašpilekvvakuume AT patonbe capacitorweldinginofstudsinvacuum AT kalekodm capacitorweldinginofstudsinvacuum AT bulacevar capacitorweldinginofstudsinvacuum AT šulymvf capacitorweldinginofstudsinvacuum |