Технология и оборудование контактной сварки

дежно герметизирует его и заметно повышает прочность соедине­ ний.

Коррозионную стойкость металла вмятины повышают, ограни­ чивая интенсивность массопереноса (см. пп. 1.5.2, 1.6 4). Кроме того, после сварки поверхность вмятины, например, на магниевых спла­ вах, зачищают металлическими щетками до полного удаления сле­ дов электродного металла. При сварке сталей с покрытиями отме­ чается переход этого покрытия на электрод. В таком случае необ­ ходимо восстанавливать покрытие, используя различные способы местной металлизации. После окончания сварки часто в целях общей антикоррозионной защиты узлов на свободные поверхности наносят грунты и лакокрасочные покрытия. Комплекс указанных мероприятий обеспечивает высокую надежность сварных конструк­ ций.

Г Л А В А 4

ТЕХНОЛОГИЯ с т ы к о в о й с в а р к и

§ 4.1. ВЫБОР СПОСОБА СВАРКИ, КОНСТРУКЦИИ СОЕДИНЕНИЙ И ПОДГОТОВКА ДЕТАЛЕЙ К СВАРКЕ

Технологический процесс стыковой сварки определяется чертежом, техническими условиями на изготовление и приемку, программой выпуска изделий.

Способ стыковой сварки выбирается в зависимости от формы и сечения деталей, марки металла, требований к качеству соеди­ нений.

Сваркой сопротивлением обычно соединяют детали небольшого, как правило круглого, сечения (не более 200 мм2) из низкоуглероди­ стых сталей, а также алюминия и меди (до 100 мм2). Детали большего сечения сваривают по схеме принудительного формирования или

всреде защитных газов.

Всвязи с невысокой прочностью соединений (трудности удаления

оксидов), необходимостью применения повышенной электрической мощности (высокая средняя плотность тока) и большими затратами труда на подготовку торцов сварка сопротивлением имеет относи­ тельно ограниченное применение.

Наиболее широко применяют сварку непрерывным оплавлением и оплавлением с подогревом. Сварка оплавлением обеспечивает высокое качество соединений при меньших затратах электрической мощности и трудоемкости на досварочные операции.

Непрерывным оплавлением сваривают детали с компактным сечением до 1000 мм2 (из низкоуглеродистой стали) и детали не­ сколько большего сечения с развитым периметром (трубы, листы и др.).

Область рационального применения сварки оплавлением с подо­ гревом сопротивлением ограничивается сечениями 500—10 000 мм2. При больших сечениях неравномерность нагрева по сечению при­ водит к снижению стабильности качества соединений. Кроме того, резко возрастает необходимая мощность оборудования.

Детали с площадью сечения 5000—40 000 мм2 сваривают непре­ рывным оплавлением на машинах с программным управлением напряжением сварочного трансформатора и скоростью подачи по­ движного зажима.

Высокой эффективностью обладает способ стыковой сварки им­ пульсным оплавлением, который позволяет сваривать стальные заготовки сечением до 200 000 мм2 и получать качественные соеди­ нения из различных трудносвариваемых металлов.

0,3

ГТ2Р

Рис. 4.1. Форма торцов деталей для сварки

сопротивлением:

а — плоская поверхность (требует точной под­

гонки)- б — кольцевой выступ (обеспечивает ло­ кальное тепловыделение и ограничивает поступле­

ние воздуха к стыку); в— д — конус или сфера (локализуют нагрев)

Торцы деталей, подлежащие стыковой сварке, должны быть рационально сконструированы. Во-первых, необходимо создать ус­ ловия для равномерного нагрева и по возможности одинаковой пластической деформации при осадке (рис. 4.1, 4.2). Во-вторых (особенно при сварке сопротивлением), обеспечить защиту торцов от окисления и облегчить вытеснение окисленного металла из ра­ бочей зоны шва (рис. 4.1). В-третьих, форма деталей должна обес­ печить надежное закрепление их в зажимах сварочной машины и токоподвод вблизи зоны сварки. Форму и размеры сечения торцов заготовок следует выполнять примерно одинаковыми. Различие

вдиаметрах не должно превышать 15 %, а по толщине 10 %. ^Подготовка деталей к сварке заключается в получении определен­

ной формы торцов, очистке их поверхности и поверхности деталей, правильной установке торцов перед началом сварки. Торцы деталей получают механической резкой на ножницах, пилах, металлорежу­ щих станках, горячей или холодной высадкой на прессах, а также

с помощью плазменной и газовой резки с последующим удалением шлака.

Токоподводящие участки деталей и торцов очищают различ­ ными механическими способами и травлением.

При сварке сопротивлением (вследствие трудности обновления поверхности) требуется более тщательная установка деталей при сборке, чем при сварке оплавлением. Так, зазор между торцами при сварке сопротивлением не допускается более 0,5 мм. При сварке оплавлением он может быть большим (до 15 % Д0Пл)* При сварке

развитых сечений требования к качеству сборки, в частности, к вза­ имной параллельности торцовых поверхностей деталей, ужесто­ чаются.

§ 4.2. ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ РАЗЛИЧНЫХ МЕТАЛЛОВ И УЗЛОВ

Режимы сварки выбирают на основании анализа особен­ ностей данного вида сварки, свойств свариваемых металлов и формы соединяемых деталей.

4.2.1. Выбор режима сварки

При сварке сопротивлением (см. рис. 2.2, а) для образо­ вания качественного соединения основное внимание уделяют по­ лучению равномерного нагрева торцов и деталей и деформации металла, в наибольшей степени обеспечивающей разрушение и удаление оксидов. Основными параметрами режима являются сва­ рочный ток / св или плотность тока /, время протекания тока~ /Сп» начальное усилие сжатия FH и усилие осадки Foc (соответственно начальное давление рн и давление осадки рос), укорочение деталей при сварке Дсв, установочная длина /0.

Для определения j и tCQ используют эмпирическую формулу

ности нагрева деталей по сечению, а увеличение усиливает окисли­ тельные процессы. Малое рв облегчает нагрев деталей, однако может привести к образованию выплесков и усилению окисления торцов. Повышение рос увеличивает пластическую деформацию деталей, активизирует процессы разрушения оксидов и обновления поверх­ ности. Минимальная установочная длина /0 при сварке компактных сечений обычно равна диаметру или трем-четырем толщинам сваривае­ мых деталей. Увеличение /0 может привести к искривлению деталей, потере их устойчивости. При малом значении /0 на зону сварки силь­ ное влияние оказывает отвод теплоты в электроды.

При сварке оплавлением (см. рис. 2.2, б) электрические пара­ метры режима зависят от теплопроводности и температуры плавления металла и определяются в основном скоростью оплавления, которая задается также с учетом активности металла к взаимодействию с газами и к процессам испарения легирующих элементов, а также от сечения свариваемых деталей. Усилие осадки и скорость осадки

соответственно определяются теплопроводностью металла и его активностью к окислению.

При сварке оплавлением стремятся обеспечить: 1) нагрев дета­ лей для оплавления торцов и проведения деформации с целью уда­ ления оксидов, а также для предупреждения образования небла­ гоприятных структур в околошовной зоне; 2) локальную интенсив­ ность оплавления перед осадкой для формирования равномерно оплавленного слоя металла, предупреждения окисления и получения благоприятного рельефа поверхности торцов; 3) деформацию дета­ лей с достаточно'большой скоростью, предупреждающей преждевре­ менное остывание металла торцов и застревание оксидов в стыке. Величина деформации должна обеспечивать определенное расте­ кание металла в плоскости стыка и выравнивание рельефа поверх­

Задают также напряжение холостого хода машины U20 и программу его изменения. При сварке импульсным оплавлением указывают также частоту /к и амплитуду Лк колебаний подвижной плиты машины.

При сварке оплавлением с подогревом задают температуру

Для равномерного нагрева торцов перед осадкой конечную скорость оплавления и0пл. к значительно увеличивают. От припуска на оплавление Д0Ш1 зависит получение равномерного нагрева по сече­ нию, оптимального распределения температуры вдоль деталей и образование слоя расплавленного металла на торцах. Обычно Д0Пл составляет 0,7—0,8 общего припуска на сварку. При сварке с подо­

чивого оплавления. Она увеличивается с увеличением X металла и иопл, снижается при сварке с подогревом, а также при сварке деталей большого сечения. Вначале оплавления /0Ш1 наибольшая, по мере нагрева деталей она снижается, однако увеличение скорости оплав­

нагретого металла и оксидов из стыка. Припуск на осадку под то­ ком Дос.т составляет обычно 0,5—0,8 Дос- Д а в л е н и е о с а д к и рос выбирают в зависимости от природы свариваемого металла и степени нагрева деталей. С к о р о с т ь о с а д к и voc выбирают с учетом ее влияния на окисление металла во время осадки и удале­ ние оксидов и перегретого металла из стыка; она увеличивается при сварке активных металлов. Н а п р я ж е н и е х о л о с т о г о

ственно усилие сжатия свариваемых деталей и давление сжатия.

сферными газами, имеет место испарение легирующих элементов, детали длительное время находятся под воздействием высоких тем­ ператур, 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 — А120 3

и др-); ухудшение механических свойств приконтактных слоев металла

в связи с растворением 0 2, N2 (например, при сварке титановых сплавов и др.), а также с испарением, например, цинка из латуни

и др.; неблагоприятные изменения свойств металла в зоне термиче­

ского влияния, характер которых зависит от состава и предшеству­ ющей 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 кри­ сталлизации сплава и наличия строчечной структуры), разупрочне­ ние при растворении упрочняющих фаз (например, при сварке алю­ миниевых сплавов, упрочняемых термообработкой), а также при нагартовке (например, незакаливающихся сплавов), повышение твердости при перекристаллизации и закалке;

образование растягивающих напряжений, способствующих раз­ витию продольных горячих трещин (см. § 2.5).

Однако существующие технологические приемы при СЕарке дан­ ного 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 со­ противлением) и полностью (при сварке оплавлением) устраняют дефекты, связанные с взаимодействием нагретого металла с атмо­ сферой. Выбором надлежащей программы нагрева и осадки, а также проведением послесварочной термообработки добиваются минималь­ ных неблагоприятных изменений структуры и свойств сварного соединения.

4.2.3. Режимы сварки различных металлов

На режимы стыковой сварки существенно влияют тепло­ физические, механические и металлургические свойства металлов и оксидные пленки (см. табл. 3.5). Так, при сварке металлов с низким значением р и соответственно с высокими значениями А и а увеличи­ вают плотность тока /. Аналогично влияет повышение температуры нагрева деталей и скорость оплавления. При увеличении од металла и плотности оксидных пленок повышают рос. Увеличение темпе­ ратурного интервала кристаллизации сплава, температурного ин­ тервала хрупкости и коэффициента линейного расширения а спо­ собствует расслоению волокон, образованию горячих трещин и уса­ дочных рыхлот. Для предупреждения этих дефектов ограничивают протяженность зоны пластической деформации (например, за счет увеличения градиента температур нагрева деталей).

Режим сварки зависит также от технологической свариваемости металлов (см. п. 3.3.4). По результатам комплексного анализа свойств и свариваемости металлов и обработки большого количества экспериментальных данных ниже для некоторых наиболее широко используемых свариваемых сплавов (преимущественно для средних компактных сечений) даны рекомендации по выбору исходных значений параметров сварки оплавлением и сопротивлением.

Низкоуглеродистые стали отличаются отсутствием элементов, образующих тугоплавкие оксиды, малочувствительны к термомеха­ ническому циклу сварки, имеют некоторые средние значения Я а, Р и о*Д.

Для них характерны следующие параметры режима сварки

непрерывным оплавлением составляет 0,2—0,3 кВ-А/мм2, а при

Среднеуглеродистые и низколегированные стали отличаются от низкоуглеродистых сталей повышенным содержанием углерода (ко­ торый тормозит окислительные процессы), наличием легирующих элементов, склонностью к закалке и несколько увеличенным зна­ чением ад. Эти стали обычно сваривают оплавлением. Для преду­

преждения окисления легирующих элементов несколько увеличивают уопл (Д° 5—6 мм/с) и рос (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 за­ калке и образованию рыхлот. Эти стали обычно также сваривают оплавлением. В связи с этим применяют умеренные значения уопл = = 0,б-ч-1,2 мм/с и voc = 25 мм/с. Уменьшают глубину прогрева дета­ лей (для предупреждения образования расслоений и рыхлот) и по­ вышают рос до 100—120 МПа. Пластичность соединений увеличивают замедленным охлаждением, отпуском после охлаждения или изо­

чением aj, наличием активных легирующих элементов, склонностью к закалке. Эти стали обычно сваривают оплавлением. Режим сварки:

Аустенитные стали отличаются образованием тугоплавких окси­ дов хрома и высоким значением Од. Стали сваривают оплавлением. Режим сварки: интенсивное оплавление уошт к = 5-4-6 мм/с; ско­ рость осадки voc = 50 мм/с; рос = 1504-240 МПа; /0Ш1 = 54-10 А/мм2.

Жаропрочные стали и сплавы отличаются наличием элементов, образующих тугоплавкие оксиды, и повышенной жаропрочностью. Сварку выполняют при интенсивном оплавлении уопл. к = 8-4-10 мм/с

снижения рос иногда применяют предварительный подогрев де­ талей.

Титановые сплавы отличаются активным взаимодействием с ат­ мосферными газами, сопровождаемым образованием хрупких струк­ тур, резко снижающих пластичность соединений. При стыковой сварке интенсивным непрерывным оплавлением без специальной

При этом удельная мощность составляет около 0,1 кВ-А/мм2. Неко­ торое уменьшение рос объясняется локализацией деформации на участке деталей, нагретых свыше 1200—1300 °С.

После сварки многие титановые сплавы подвергают термооб­ работке. При сварке в аргоне формирование качественного соедине­ ния существенно облегчается.

Алюминиевые сплавы отличаются образованием тугоплавких окси­ дов алюминия, высокими значениями X и а, малым р, часто имеют широкий интервал кристаллизации.

При сварке оплавлением применяют большие иопл. к (до 20 мм/с) и VQC (более 150 мм/с). Это вызывает необходимость увеличения рс0 (150—300 МПа), До0 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 фор­

мирующие устройства для принудительного деформирования. При­ нудительное деформирование требует повышения рос иногда до 500 МПа и выше.

Медь и ее сплавы отличаются наибольшим значением X и а. В связи с этим при сварке оплавлением меди применяют высокие скорости оплавления (vOIWl, ср = 8 мм/с; иопл. к = 25 мм/с). Скорость осадки около 200 мм/с; давление осадки 400—950 МПа. Удельная мощность при этом достигает 2,5 кВ-А/мм2.

При сварке латуни из-за опасности выгорания цинка применяют повышенную скорость оплавления (иопл. к = 15 мм/с) и осадки (до 200—250 мм/с). Давление осадки обычно достигает 250 МПа. Пластичность сварного соединения повышают последующей термо­ обработкой.

При сварке меди и ее сплавов применяют относительно большую установочную длинудеталей, а также формирующие устройства, локализующие деформацию при осадке.

Тугоплавкие металлы — молибден, цирконий, ниобий и тантал — сваривают в защитных камерах с нейтральным газом. Имеются данные, что молибден можно сваривать и без специальной защиты с резким увеличением конечной скорости оплавления до 15—20 мм/с и скорости осадки более 100 мм/с.

4.2.4. Особенности технологии сварки различных деталей

Способ и режимы стыковой сварки в значительной мере зависят от формы и сечения свариваемых деталей.

Сварка проволоки. Проволоку диаметром До 5 мм обычно соеди­ няют сваркой сопротивлением. Большое внимание при этом уделяют центрированию торцов и выбору оптимальной установочной длины для обеспечения как надлежащей жесткости при осадке, так и ми­ нимального отвода теплоты в электроды. Проволоку малого диа­ метра, а также из разнородных металлов сваривают сопротивлением и оплавлением на жестких режимах (например, на конденсаторных машинах). Жесткий режим обеспечивает тепловыделение в узкой при контактной зоне. При этом резко уменьшается влияние теплофи­ зических свойств металла .на нагрев и развитие диффузионных процессов, улучшаются условия образования связей. При сварке медных проводов сопротивлением (d = 0,4-^-2 мм) плотность тока достигает 250—1000 А/мм2. Часто используют методы принудитель­ ной направленной деформации металла при осадке. Для повышения качества сварки сопротивлением жесткий режим сочетают с получе­ нием при малых значениях рИ = 3-f-8 МПа тонкого приконтактного слоя расплавленного металла, который затем вместе с оксидами при осадке полностью вытесняется в грат.

Сварка стержней. Стержни из низкоуглеродистой стали диаме­ тром до 15 мм иногда сваривают сопротивлением (/св = 0,5-т-0,6 с; / = 90-200 А/мм2).