3.7.2.2. Технологические особенности процесса стыковой сварки

В процессе сварки нагретый металл контактирует с атмосферными газами, имеет место испарение легирующих элементов, детали длительное время находятся под воздействием высоких температур, происходит пластическая деформация и концентрация растягивающих напряжений на периферии соединения. В результате могут произойти:

• образование на поверхности торцов трудно удаляемых твердых оксидов (например, при сварке алюминиевых сплавов — А1₂О₃ и др.);

• ухудшение механических свойств приконтактных слоев металла в связи с растворением О₂, N₂ (например, при сварке титановых сплавов и др.), а также с испарением, например, цинка из латуни и др.;

• неблагоприятные изменения свойств металла в зоне термического влияния, характер которых зависит от состава и предшествующей термомеханической обработки металла. Так, например, часто наблюдается рост зерна, в зоне частичного плавления образование усадочных рыхлот и расслоение волокон (вероятность образования которых возрастает с увеличением температурного интервала кристаллизации сплава и наличия строчечной структуры), разупрочнение при растворении упрочняющих фаз (например, при сварке алюминиевых сплавов, упрочняемых термообработкой), а также при нагартовке (например, незакаливающихся сплавов), повышение твердости при перекристаллизации и закалке;

• образование растягивающих напряжений, способствующих развитию продольных горячих трещин.

Однако существующие технологические приемы при сварке данного конкретного изделия позволяют в той или иной мере исключить неблагоприятное влияние рассмотренных особенностей процесса сварки и при правильно выбранном режиме получить качественное соединение. Так, например, за счет осадки частично (при сварке сопротивлением) и полностью (при сварке оплавлением) устраняют дефекты, связанные с взаимодействием нагретого металла с атмосферой. Выбором надлежащей программы нагрева и осадки, а также проведением послесварочной термообработки добиваются минимальных неблагоприятных изменений структуры и свойств сварного соединения.

3.7.2.3. Режимы сварки различных металлов

На режимы стыковой сварки существенно влияют тепло-физические, механические и металлургические свойства металлов и оксидные пленки. Так, при сварке металлов с низким значением ρ и соответственно с высокими значениями λ и а увеличивают плотность тока j. Аналогично влияет повышение температуры нагрева деталей и скорость оплавления. При увеличении σ_д металла и плотности оксидных пленок повышают р_ос. Увеличение температурного интервала кристаллизации сплава, температурного интервала хрупкости и коэффициента линейного расширения α способствует расслоению волокон, образованию горячих трещин и усадочных рыхлот. Для предупреждения этих дефектов ограничивают протяженность зоны пластической деформации (например, за счет увеличения градиента температур нагрева деталей).

Низкоуглеродистые стали отличаются отсутствием элементов, образующих тугоплавкие оксиды, малочувствительны к термомеханическому циклу сварки, имеют некоторые средние значения λ, а, ρ и σ_д.

Для них характерны следующие параметры режима сварки оплавлением: j_опл = 8…30 А/мм²; v_oпл.сп = 0,8…1,5 мм/с, конечная скорость оплавления перед осадкой v_oпл.к — 4…5 мм/с; v_oc = 30 мм/с; р_ос = 60…80 МПа. Удельная мощность при сварке непрерывным оплавлением составляет 0,2…0,3 кВА/мм², а при сварке с подогревом 0,1…0,2 кВА/мм².

Режим сварки сопротивлением может быть мягким: j = 60…20 А/мм²; t_CB = 0,5…10 с; р_н = 15…30 МПа; р_ос = 1,5…2 р_н. Иногда применяют более жесткие режимы: t_CB = 0,6…1,5 с; j = 200…90 А/мм².

Среднеуглеродистые и низколегированные стали отличаются от низкоуглеродистых сталей повышенным содержанием углерода (который тормозит окислительные процессы), наличием легирующих элементов, склонностью к закалке и несколько увеличенным значением σ_д. Эти стали обычно сваривают оплавлением. Для предупреждения окисления легирующих элементов несколько увеличивают v_oпл (до 5…6 мм/с) и р_ос (до 75…100 МПа). Пластичность соединения повышают подогревом деталей и замедленным охлаждением или быстрым охлаждением и последующим отпуском.

Высокоуглеродистые стали отличаются повышенным содержанием углерода, большим интервалом кристаллизации, склонностью к закалке и образованию рыхлот. Эти стали обычно также сваривают оплавлением. В связи с этим применяют умеренные значения v_oпл = 0,6…1,2 мм/с и v_oc = 25 мм/с. Уменьшают глубину прогрева деталей (для предупреждения образования расслоений и рыхлот) и повышают р_ос до 100…120 МПа. Пластичность соединений увеличивают замедленным охлаждением, отпуском после охлаждения или изотермическим отпуском сразу после сварки.

Высоколегированные перлитные стали отличаются высоким значением σ_д, наличием активных легирующих элементов, склонностью к закалке. Эти стали обычно сваривают оплавлением. Режим сварки: р_ос = 90…100 МПа; v_oпл.к = 7…10 мм/с; v_oc = 80…100 мм/с. После сварки проводят местную или общую термообработку.

Аустенитные стали отличаются образованием тугоплавких оксидов хрома и высоким значением σ_д. Стали сваривают оплавлением. Режим сварки: интенсивное оплавление v_oпл.к == 5…6 мм/с; скорость осадки v_oc = 50 мм/с; р_ос — 150…240 МПа; j_опл = 5-4-10 А/мм².

Титановые сплавы отличаются активным взаимодействием с атмосферными газами, сопровождаемым образованием хрупких структур, резко снижающих пластичность соединений. При стыковой сварке интенсивным непрерывным оплавлением без специальной защиты зоны сварки применяют следующий режим: v_oпл.к = 4…10 мм/с; v_oc = 200 мм/с; р_ос = 30…100 МПа; j_опл = 8…12 А/мм². При этом удельная мощность составляет около 0,1 кВА/мм². Некоторое уменьшение р_ос объясняется локализацией деформации на участке деталей, нагретых свыше 1200…1300 °С.

После сварки многие титановые сплавы подвергают термообработке. При сварке в аргоне формирование качественного соединения существенно облегчается.

Алюминиевые сплавы отличаются образованием тугоплавких оксидов алюминия, высокими значениями λ и а, малым ρ, часто имеют широкий интервал кристаллизации.

При сварке оплавлением применяют большие v_oпл.к (до 20 мм/с) и v_oc (более 150 мм/с). Это вызывает необходимость увеличения р_ос (150…300 МПа), Δ_ос и плотности тока перед осадкой (до 25…45 А/мм²). Для устранения расслоения волокон и образования рыхлот (часто наблюдается при свободной деформации при осадке) применяют формирующие устройства для принудительного деформирования. Принудительное деформирование требует повышения р_ос иногда до 500 МПа и выше.