1350
.pdfРис. 3.31.. Некоторые узлы, выпол ненные рельефной сваркой
состоянии. Однако по мере роста диаметра литого ядра увеличи вается как прочность, так и устойчивость механических характе ристик.
При выборе режимов сварки исходят из необходимости уси ленной пластической деформации металла зоны сварки, предупре ждения вероятности внутреннего выплеска (в момент включения сварочного тока), увеличения /св и Fcn пропорционально числу одновременно свариваемых точек, равномерного нагрева и дефор мации рельефов, а также из целесообразности формирования зоны взаимного расплавления. Для выполнения этих требований реко мендуют прикладывать постоянное повышенное усилие сжатия (циклограмма а, рис. 3.6) и использовать двухимпульсный режим нагрева (циклограмма д, рис. 3.6). Первый (подогревный) импульс
тока — для выравнивания высоты |
рельефов |
(/п0Д = 0,6-=-0,7/св), |
второй (сварочный) желательно |
с плавным |
нарастанием — для |
предупреждения выплесков. Режим сварки должен быть средней жесткости, так как слишком жесткий режим сопровождается вы плесками и большими зазорами между деталями, а при мягком ре жиме может преждевременно деформироваться рельеф и не образо ваться литое ядро. Установленный режим должен обеспечивать оптимальное время существования выступа (табл. 3.12).
Значительное распространение получила рельефная сварка сфор мированием рельефа за счет сопряжения различных по форме де талей: острой грани гайки или штуцера с листом (контурная сварка, рис. 3.31, а, б), двух труб (Т-образная сварка, рис. 3.31, в), винта, проволоки с листом (рис. 3.31, г, б), проволоки между собой (кре стообразная сварка, рис. 3.31, е). Иногда рельефы изготовляют от дельно в виде колец, шайб, шариков. Например, сваркой двух листов с заостренными цилиндриками получают легкие и жесткие панели (рис. 3.31, ж).
Рельефная сварка увеличивает производительность (одновре менная постановка группы точек, соединение по всему контуру), уменьшает величину нахлестки и массу узлов (из-за ограничения области разогрева и пластической деформации), повышает стойкость электродов (вследствие увеличенных размеров их рабочей поверх ности), устраняет разметку.
§ ЗЛО. ПРИВАРИВАНИЕ (НАВАРКА) МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СЛОЕВ
Приваривание металлических слоев для ремонта изно шенных деталей или получение монолитных поверхностных слоев с особыми свойствами выполняют контактной шовной сваркой (электроконтактной наваркой) на специальных установках. Обычно при варивают к основной детали проволоку, ленту, припекают порошок.
Наиболее распространена схема приваривания проволоки (рис. 3.32). Сплошной металлический слой 2 образуется на детали 1 спиральными перекрывающимися валиками при вращении детали с использованием циклограммы б (рис. 3.8). Проволока 3 подается направляющей втулкой 4. Сварочный ток поступает от трансформа тора 7 к детали и свободно вращающемуся ролику 5, к ^которому прикладывается FCB от пневмоцилиндра через пружинный аморти затор 6. Нагрев и интенсивная пластическая деформация разру шают оксидные пленки в контакте деталь—деталь и приводят к об разованию металлической связи в твердом состоянии.
При правильном выборе скорости вращения детали vCB и продоль ного перемещения ролика ппрод, а также режима сварки каждый виток соединяется с соседним и с основным металлом, образуя
сплошной металлический слой.
Наварка ленты вместо проволоки повышает производительность, однако условия пластической деформации менее благоприятны. Они достаточны для плавления и вытеснения легкоплавких оксидов из контакта деталь—деталь и образования связей лишь пр*г сварке сталей. Иногда предварительно шлифованную и обезжиренную поверхность оборачивают широкой лентой — гильзой, а затем ее приваривают. Таким путем соединяют (специальными роликовыми клещами) стальные гильзы к корпусу чугунного блока цилиндров тракторов (рис. 3.33). Зазор между концами гильзы должен быть не более ее толщины (0,3—1 мм). Вначале ее прихватывают по окруж ности в середине. Затем начинают приварку с краев перекрывающи мися точками. Швы перекрывают на 25 %. Соединение формируется обычно с расплавлением, но может и частично в твердом состоянии.
Окантовку из износостойкой стали при варивают шовной сваркой с одной или двух сторон диска из низкоуглеродистой стали (рис. 3.34). Для изготовления^ шне ков и других нагруженных деталей убо рочных машин к их рабочей поверхности приваривают износостойкую ленту.
Сварку ведут обычно при постоянном Fcn на жестких режимах, однако конкрет ные значения параметров определяются размерами, свойствами и составом мате риалов. Интенсифицируют процесс и по-
Рис, 3.32. Электроконтактная наварка проволоки
Рис. 3.33. |
Схема |
приварки |
постелен |
стали к диску из низкоуглеродистой |
|
цилиндров |
тракторных двигателей: |
||||
1 — постель |
блока |
нз ленты |
(сталь 2 0 ); |
стали: |
|
2 — чугунный блок; 3 — ролики; 4 — сва |
1 — ролики; |
2 — диск; 3 — износостой |
|||
рочный трансформатор |
|
кая накладка; |
4 — подшипник; 5 — сва |
рочный трансформатор
вышают прочность соединения предварительной насечкой, созда нием рельефов на проволоке или детали (локализуется выделение теплоты), предварительной холодной деформацией проволоки роли ком без тока (активизируются диффузионные процессы, например, рекристаллизация). Усталостную прочность повышают поверхностной деформацией наплавленного слоя ударно-вибрационным методом.
Широко используют припекание износостойких, тугоплавких, твердосплавных порошковых композиций на поверхность деталей: ножей грейдеров и бульдозеров, режущих брусьев барабанов сило соуборочных комбайнов, валов, втулок и т. п. Порошок наносят на упрочняемую поверхность и прокатывают роликом шовной ма шины (рис. 3.35, а). В зоне сварки он нагревается до температуры 0,8—0,9Т11Л деформируется, соединяется с деталью и спекается, превращаясь в компактный слой с пористостью 3—5 % и высокой прочностью на отрыв. При создании слоя на цилиндрической по верхности (рис. 3.35, б) порошок автоматически поступает из пита теля на поверхность ролика вблизи зоны сварки. Сплошной слой формируется спиральными перекрывающимися валиками. Исполь-
Рис. 3.35. Электроконтактная наварка |
(припекание) порошка |
на поверхности: |
||
а — плоскую; |
б — цилиндрическую: / — деталь; 2 — монолитный |
слой; 3 питатель| |
||
4 — порошок; |
б <— ролик; 6 амортизатор; |
7 |
сварочный трансформатор |
зование сложных порошковых композиций расширяет возможности ремонта деталей и создания поверхностных слоев с заранее задан ными свойствами.
Контактная наварка по сравнению с другими методами нанесе ния поверхностных слоев (вибродуговая наплавка, плазменное напыление, наплавка порошковой проволокой и др.) обладает боль шей производительностью, более высоким качеством приваренного слоя, а также меньшей трудоемкостью'.
§ 3.11. ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ОБРАБОТКА СВАРНЫХ УЗЛОВ
3.11.1. Правка и механическая доработка
В результате сварки в узлах появляются сварочные деформации, напряжения и перемещения (коробления). Деформа ции бывают местные (зазоры между деталями, вмятины от элек тродов) и общие (сокращение длины шва, уменьшение диаметра и длины обечайки с кольцевыми швами и т. п.). Если жесткость деталей неодинакова, возникают изгиб, потеря устойчивости, кру чение узлов.
Снижение уровня остаточных напряжений и деформаций — од на из важнейших задач конструктора и технолога.
Коробления при точечной, шовной (и рельефной) сварке возни кают в результате неравномерного термомеханического воздействия на металл при нагреве и охлаждении в зоне сварки, структурных превращений, несовершенства технологии сборки, прихватки, сварки.
Неравномерное термомеханическое воздействие обусловлено не равномерным нагревом и несвободной пластической деформацией в условиях действия внутренних и внешних сил. Измеряя длину образца / (/) (рис. 3.36, а), можно видеть, что в процессе сварки большинства металлов она меняется следующим образом: при на греве плавно увеличивается на +Д /, а при охлаждении сокращается на —Д/ по сравнению с исходной длиной (рис. 3.36, б). Укорочение образца происходит из-за необратимой пластической деформации
горячего |
металла, которой при |
нагреве частично выдавливается |
в зазор |
(по направлению стрелок) |
под действием FCB и внутренних |
сил, условно показанных на рис. 3.36, в как реакции полужесткого закрепления Rn (при нагреве) и # охл (при охлаждении). Однако во время охлаждения остывающий металл обратно не возвращается, несмотря на /?охл, и после остывания детали оказываются короче, но чуть толще в уплотняющем пояске.
Коробление усиливается при сварке металлов е увеличенным коэффициентом линейного (объемного) расширения а ((5). Роль
теплопроводности |
двояка: увеличение |
К объективно |
способствует |
||
выравниванию температурного |
поля |
и |
уменьшению |
деформаций, |
|
но одновременно |
расширяется |
зона |
высоких температур, умень- |
Рис. 3.36. Формоизменение зоны точечной сварки:
а — приспособление для измерения длины образца при сварке и охлаждении; / — фиксатор; 2 — корпус; 3 — образцы; 4 — сварная точка; б — индикатор; б — гра фик изменения длины образца; в — схема изменения фор
мы и размеров зоны сварки в стадии нагрева |
и охла |
ждения (/охл) |
|
шается сопротивление деформации, и общая пластическая дефор мация может возрастать. Обычно коробление в деталях из корро зионно-стойких сталей больше, чем из низкоуглеродистых, а на алюминиевых сплавах больше, чем на сталях.
Деформация возрастает с увеличением объема расплавленного металла. Например, сокращение длины шва при шовной сварке
сталей существенно выше |
(0,2—0,3 |
мм на 1 м), чем при точечной |
(~ 0 ,1 мм). Существенное |
влияние |
на остаточные деформации ока |
зывают конструкция узла (конфигурация шва, соотношение жест кости деталей) и режимы сварки. Например, увеличение tCB на мягких режимах расширяет зону пластической деформации и уси ливает коробление.
При охлаждении сплавов е мартенситным превращением (на пример, Х15Н5Д2Т) вместо укорочения может происходить удлине ние шва из-за распада аустенита при низких температурах с обра зованием мартенсита, объем которого больше, чем у феррита.
Технологические деформации часто связаны с увеличенными зазорами, неточным расположением деталей, неправильной после довательностью прихватки и сварки. Одно из условий правильной последовательности прихватки — это равномерное распределение сборочных зазоров (см. раздел 3.2.4).
Технологические коробления могут также возникать при боль шой разнице в размерах и форме рабочей поверхности электродов (роликов) — изгиб в сторону электрода с меньшей поверхностью. Взаимное горизонтальное смещение электродов — еще одна из при чин коробления. Смещение возникает из-за упругого изгиба электро дов, консолей и электрододержателей под действием FCB (рис. 3.37, а). Если горизонтальное смещение электродов одинаково (точка О), дополнительное коробление практически отсутствует. Но при вза имном смещении осей рабочей поверхности появляется дополни тельная деформация. Например, если жесткость силовых элементов
|
со стороны верхнего и ниж |
||||||
|
него электродов не одина |
||||||
|
кова, то взаимное горизон |
||||||
|
тальное |
смещение |
элект |
||||
|
родов вызовет |
дополни |
|||||
|
тельное |
перемещение, |
на |
||||
|
пример, |
нижней |
|
детали |
|||
|
и их общий изгиб в |
||||||
|
сторону |
верхнего |
элек |
||||
|
трода (рис. 3.37, б). |
|
|||||
|
С помощью несложного |
||||||
|
измерительного |
прибора |
|||||
|
(рис. 3.38), |
имеющего |
ми |
||||
Рис. 3.37. Упругое отклонение осей электродов |
нимальную |
силу |
трения |
||||
между стальной закален |
|||||||
(а) и коробление деталей (б) в результате взаим |
|||||||
ного смещения электродов на величину Д |
ной планкой 2 и корпусом |
||||||
|
Л легко определяют |
вели |
чину и направление взаимного смещения электродов еще до сварки. Регулируя, например, высоту электрододержателей, положение дом крата, точно выравнивают жесткость силовых элементов; при этом взаимное смещение электродов не происходит и дополнительные коробления не возникают Таким прибором оценивают правильность установки консолей, .-лектрододержателей, электродов; анали зируют состояние силовых элементов, их крепление. Влияние смеще ний электродов уменьшается, если сварку вести в направлении, пер пендикулярном плоскости рабочего пространства машины, или на машинах портального типа.
Существует много способов снижения сварочных деформаций и перемещений (рис. 3.39). Их можно разбить на две большие группы: предупреждающие и исправляющие (правка). Среди предупрежда ющих способов эффективно применение FK «вытягивающего» шов, а также дополнительного кольцевого обжатия деталей вокруг элек тродов, препятствующего течению металла в зазор. Если, несмотря на меры предупреждения, коробления остаются выше допускаемых, применяют правку. В зависимости от материала, размеров и формы
узла используют термические, термомеханические и механические способы правки.
Термообработку узла с общим нагревом проводят сравнительно редко, так как она создает свои деформации тонкостенных деталей, аще ее выполняют сразу после точечной сварки пропусканием второго импульса. Однако главная цель такой термообработки — улучшение струк туры и^ свойств соединений. Эффективен местный нагрев выпуклого участка много-
Рис. 3.38. Схема измерения взаимного горизон тального смещения электродов до сварки:
1 — корпус; |
2 — подвижная планка; |
3 — иголки или |
шарики (с |
сепаратором подшипника); |
4 — электроды; |
6 — индикатор |
|
Способы снижения сварочных деформаций и перемещений
I
Предупреждающие |
Исправляющие |
Механиче
ские
LZV
Минимальный |
раз |
Тщательная сборка |
Сварка с ковочным |
С общим |
Постановка |
Правка |
||||||||
усилием, |
повышенное |
холодной |
||||||||||||
мер шва, |
одинако |
с минимальными |
или местным |
холостых точек, |
||||||||||
сварочное |
усилие, |
деформацией |
||||||||||||
вая жесткость |
зазорами, |
рацио |
нагревом |
контактный |
||||||||||
жесткие режимы свар |
|
|||||||||||||
деталей, |
хороший |
нальная |
прихват |
узла |
нагрев между |
|
||||||||
доступ к месту |
ка, жесткие |
при |
ки, |
ограничение зоны |
|
электропрово |
|
|||||||
расплавления, симмет |
|
|
||||||||||||
сварки, |
выбор |
способления, |
пред |
|
дящими на |
|
||||||||
рия |
пластической де |
|
|
|||||||||||
металла с учетом |
варительная |
упру |
|
кладками, |
|
|||||||||
формации, |
рациональ |
|
|
|||||||||||
сопротивления |
гая деформация |
|
термофиксация |
|
||||||||||
ная |
последователь |
|
|
|||||||||||
деформации и коэф |
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
ность |
и направление |
|
|
|
|||||||
фициента линей |
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
сварки, ограничение |
|
|
|
||||||||
ного расширения |
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
взаимного смещения |
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
электродов, |
дополни |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
тельное охлаждение |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
зоны сварки |
|
|
|
||||
Рис. 3.39. |
Способы снижения |
остаточных деформаций |
сварных узлов |
|
|
|
|
|
|
Рис. 3.41. Сварной |
узел |
||
|
|
|
перед механической |
обра |
||
Рис. 3.40. Уменьшение |
«хлопуиа» нагревом |
между |
боткой: |
|
|
|
1 — припуск |
на обработку; |
|||||
электропроводящими накладками: |
|
|||||
|
2 — фланец с |
отверстиями; |
||||
1 — детали; 2 — электроды; |
3 — накладки |
|
3 — обечайка |
|
|
пламенными газовыми горелками до температуры пластического те чения металла. Из-за несвободного расширения деталь в этом месте утолщается, а после остывания сокращается.
Термомеханические способы основаны на одновременном воз действии высокой температуры, дилатометрического эффекта и внеш него усилия. Для сокращения вытянутых участков деталь нагре вают между электродами точечной машины до расплавления в центре. При этом используют явление сокращения шва после сварки.
Весьма перспективен метод нагрева «хлопуна» между электропро водящими накладками из сплава БрНБТ (см. табл. 5.2) в виде на садок на электродах (рис. 3.40). Высокая эффективность метода обусловлена широкой зоной нагрева, искусственно увеличенным сопротивлением детали тепловому расширению металла, отсут ствием повреждения или заметного окисления поверхностей, воз можностью его применения в широком диапазоне толщины и ма териалов.
Механические способы основаны на холодной пластической де формации шва или околошовной зоны. Шов обстукивают сталь ным пуансоном с усилиями, достаточными для некоторой дефор мации металла. Характер процесса напоминает действие ковочного усилия.
Рассмотренные выше способы снижения деформаций повышают точность сварных конструкций. Однако после сварки узлов, имеющих базовые и посадочные поверхности (рис. 3.41), применяют механиче скую обработку: точение, фрезерование, шлифование, развертыва ние и др. Для этого на свариваемых деталях предусматривают тех нологический припуск на обработку.
3.11.2. Антикоррозионная защита
Соединения, выполненные точечной, шовной и рельефной сваркой, могут подвергаться коррозии при эксплуатации в агрес сивных средах. Очаги ее находятся в зазоре (под нахлесткой) и на поверхности вмятины. Обычно зазор имеет переменный размер:
ввершине около пояска уплотнения он наименьший, а посередине между точками и на краю нахлестки — наибольший. Средний раз мер зазора возрастает с увеличением толщины деталей, диаметра ядра, при использовании ковочного усилия, с уменьшением размеров рабочей поверхности электродов. При сварке деталей толщиной 0,5—2 мм он составляет 0,1 —1 мм. Зазоры — источник щелевой коррозии, которая возникает при наличии в зазоре коррозионной среды и обусловлена различным характером газообмена с атмосферой
вразных участках. Доступ кислорода затрудняется с уменьшением размера зазора. При размере меньше критического (Днр = 0,25 мм для стали и 0,15 — для алюминиевых сплавов) поступление кисло рода ограничивается настолько, что стенки и вершина щели при обретают более электроотрицательный потенциал и становятся ано
дом, свободноаэрируемые участки щели и кромки — катодом (рис. 3.42). Анодные участки начинают растворяться. Коррозионное разрушение постепенно распространяется в уплотняющий поясок, а затем и в ядро. При длительной эксплуатации продукты коррозии, накапливаясь, дополнительно раздвигают детали, увеличивая зазор. В вершине зазора могут появиться опасные напряжения отрыва.
Процесс щелевой коррозии часто ускоряется из-за высокой кон центрации рабочих напряжений в вершине зазора. Если они пре вышают ат, то могут возникнуть микротрещины, которые быстро
развиваются из-за расклинивающего эффекта |
коррозионной среды |
||
и щелевой |
коррозии |
включения |
меди и |
На поверхности вмятины часто остаются |
|||
продуктов |
ее химического взаимодействия |
с металлом |
деталей. |
Как правило, медь оказывается более электроположительным эле ментом, чем основной металл, и между ними возникает гальваниче ская пара. Поверхностные слои вмятины разрушаются. Наибольшую скорость коррозии наблюдают у металлов с относительно низкой коррозионной стойкостью (магниевых и алюминиевых сплавов, низкоуглеродистых сталей и т. п.).
Для предотвращения щелевой коррозии зазоры герметизируют с помощью грунтов, эмалей, клеев, паст, герметиков и лакокрасоч ных покрытий. Эту операцию осуществляют до сварки (при сборке) или после сварки.
При сборке эти вещества, преимущественно грунты и эмали, наносят на поверхность нахлестки. Обладая относительно малой вязкостью, они легко выдавливаются сварочным усилием из зоны сварки в зазор между деталями и не мешают протеканию тока, формированию соединения. Защитные вещества затвердевают спустя некоторое время и создают надежный барьер, препятствующий прониканию агрессивных жидкостей под нахлестку. Однако следует учитывать, что эти вещества, нанесенные на нахлестку, постепенно высыхают, т. е. являются ограниченно жизнеспособными с точки зрения возможности выполнения сварки. Например, допустимое время хранения деталей (при температуре 16—18 °С) с нанесением грунта ГФ-0114 (АЛГ-12) составляет 4 ч, паст КСП-1 — 9 ч, паст АЛКМ-1 — до трех суток, клея горячего отверждения ВК-1МС —
Рис. 3.42. Характер щелевой кор розии точечных и шовных соедине ний
Рис. 3.43. Устройство для полуавтоматиче ского введения клея в зазор:
/ — детали; 2 — тележка; 3 — шпрн
6,5 ч. Если время хранения превышает указанные значения, резко возрастает сопротивление в контакте деталь—деталь и появляются выплески, непровары. Ряд указанных покрытий (КСП-1, АЛКМ-1, клеи) обладают очень высокой стойкостью в агрессивных средах, что дает возможность проводить последующую химическую обра ботку конструкций — оксидирование, анодирование и т. п. Шовная сварка алюминиевых сплавов рекомендуется только по пастам, например, КСП-1.
При сварке с целью гарантированного выдавливания из зоны контакта герметиков увеличивают на 10—20 % FCB. Эффективны плавное возрастание FCB и предварительное обжатие. Стабильность процесса выше на мягких режимах.
При антикоррозионной защите после сварки отпадают ограни чения по срокам хранения и сварки узлов. Нахлестку герметизируют с помощью клея. Его наносят по кромке нахлестки специаль ным шприцем вручную или механизированным устройством (рис. 3.43) Для соединений, выполненных точечной сваркой, — с одной сто роны, для прочноплотных швов — с двух сторон. Под действием капиллярных сил клей втягивается в зазор и заполняет его. В за зоры 0,05—0,2 мм кдей проникает на глубину до 50 мм. Заполнение зазоров улучшается при увеличении шероховатости поверхности деталей или наклоне узла на 30—40°
Для производства клеесварных конструкций используют клеи холодного отверждения, которые полимеризуются при нормальной температуре (клеи КС-609, ВК-9 и т. д.), и горячего отверждения (ВК-1МС, К-4С, ВК-39), затвердевающие при нагреве до температур 120—170 °С. После затвердевания клеев прочность соединений зна чительно повышается (см. § 10.2), особенно после специальной об работки поверхности перед введением клея (например, анодирова нием в хромовой кислоте).
Герметизировать зазоры можно и пайкой (в процессе сварки или после нее). Так получают, например, сварно-паяные конструк ции из титановых сплавов. Серебряный припой укладывают по кромке нахлестки и паяют в вакууме. Припой легко затекает в зазор, на