Технология и оборудование контактной сварки

(X 10 000). Видны сплошные темные уча­ стки оксидов

Основными дефектами являются непровары, рыхлоты, искривле­ ние волокон, расслоения и трещины, а также дефекты структуры металла зоны сварки.

Н е п р о в а р — полное или частичное отсутствие металлической связи из-за оставшейся невыдавленной из стыка оксидной пленки, а также из-за отсутствия образования общих пограничных зерен металла несмотря на удаление оксидов. Непровар снижает пластич­ ность и прочность соединения.

Большое влияние на пластичность соединений оказывает харак­ тер оксидных включений. В изломах дефектных соединений из низкоуглеродистой стали оксидные включения (Fe30 4) имеют скруг­ ленные границы и почти не имеют разрывов (рис. 2.17). Это связано со способностью оксидов железа, отличающихся сравнительно не­ большой температурой плавления^ растекаться в плоскости стыка при осадке. При испытании на изгиб соединений с такими оксидными включениями (темные участки на рис. 2.17) наблюдается резкое сни­ жение угла изгиба.

Вероятность образования непровара возрастает при сварке леги­ рованных сталей и сплавов, содержащих элементы, образующие тугоплавкие оксиды, которые в момент осадки находятся в твердом

нагрев торцов. В изломах таких холодных стыков наблюдается хрупкое межзеренное разрушение.

Параметры режима оплавления следует выбирать из условия отсутствия глубоких кратеров и существования перед осадкой равно­ мерного слоя расплавленного металла на торцах. Соблюдение этих требований облегчает удаление оксидов и способствует образованию общих пограничных зерен металла.

Р ы х л о т ы обычно образуются в глубоких кратерах, в местах, заполненных расплавленным металлом. Кристаллизация этого ме­ талла сопровождается появлением усадочных дефектов — раковин в форме линз. При недостаточной осадке раковины могут также возникать и в околостыковой зоне на участке твердожидкого состо­ яния металла.

И с к р и в л е н и е в о л о к о н в области стыка обычно наблю­ дается при чрезмерной осадке металлов с резко выраженной анизо­

возникают также при чрезмерной осадке при сварке металлов с вы­ раженной строчечной структурой, в которой прослойки между волокнами имеют относительно низкую температуру плавления

загрязнение стыка неметаллическими включениями, снижение со­ держания легирующих элементов в стыке и т. п.

Крупное зерно вызывается перегревом металла. Загрязнение связано с окислением при сварке, а также иногда с наличием боль­ шого количества таких включений в основном металле. Обеднение шва легирующими элементами происходит из-за выгорания, испаре­ ния и выдавливания металла, находящегося в жидком и твердо­ жидком состоянии. Примером такого дефекта может служить обра­ зующийся в стыке при сварке углеродистых сталей обезуглероженный слой с пониженной твердостью. Ширину этого слоя уменьшают снижением длительности нагрева, увеличением осадки и мерами, снижающими процесс окисления. Длительная термообработка устра­ няет неравномерность распределения углерода.

В зависимости от природы свариваемого металла ухудшение свойств сварного соединения может произойти также в результате неблагоприятных структурных изменений в околошовной зоне под воздействием термомеханического цикла сварки.

ГЛАВА 3

ТЕХНОЛОГИЯ ТОЧЕЧНОЙ, ШОВНОЙ И РЕЛЬЕФНОЙ СВАРКИ

Высокое качество сварных изделий обеспечивается сово­ купностью всех конструктивных и технологических решений, на­ чиная от эскизного проектирования деталей и кончая контролем технологического процесса. Новый технологический процесс соз­ дается на основе чертежа деталей (с указанием материала, размеров и формы, типов соединений); технических условий на изготовление узла (с требованиями, предъявляемыми к материалу, оборудованию, технологическому процессу); программы выпуска (с указанием ко­ личества изделий в год).

Тщательная отработка технологичности спроектирован­ ного узла — обязательное требование современного производства. Она включает правильный выбор материала, размеров и формы деталей, рациональные способы изготовления, сборки, сварки узла, а также ряд других операций с установлением качества и точности выполнения и основное оборудование, приспособления и т. п.

Правильный выбор материала оказывает непосредственное влия­ ние на качество и экономичность сварного узла. Наряду с высокими эксплуатационными характеристиками материал должен иметь хо­ рошие технологические свойства: штампуемость, свариваемость и др.

При проектировании сварной конструкции важно обеспечить удобный подход электродов к месту сварки, чтобы детали могли быть сварены на стандартном оборудовании прямыми электродами. Форма и размеры узлов для точечной, шовной и рельефной сварки весьма разнообразны: от простых плоских панелей до сложных пространственных конструкций (рис. 3.1). Наиболее технологичны узлы открытого типа (а). Менее технологичны узлы полузакрытого типа (б), ухудшающие доступ одного из электродов. Наименее тех­ нологичны узлы закрытого типа (в): узлы коробчатой формы с вну­ тренними швами, закрытые панели малой высоты и т. п. Детали для точечной и шовной сварки обычно изготовляют из листов и профилей. Выбор способа сварки обусловлен толщиной и материалом деталей, конструкцией узла, требованиями к качеству соединений, характе­ ром конкретного производства.

Рис. 3.1. Примеры узлов, соединяемых точечной и шовной сваркой

Точечной и шовной сваркой чаще всего соединяют детали тол­ щиной 0,5—6 мм. Однако нижний предел (в микросварке) может доходить до 2 мкм, а верхний — до 30 мм. Толщина свариваемых деталей может быть одинаковой или различной (при соотношении толщин до 1 5, а в микросварке до 1 100 и более). Материал деталей может быть одноименным и разноименным (особенно в микро­ сварке). Если герметичность не требуется, то применяют точечную сварку. Прочноплотные соединения выполняют шовной сваркой. При изготовлении емкости внутренние ребра выбирают тоньше обшивки для предупреждения разгерметизации при случайном раз­ рушении точки.

Чаще применяют двустороннюю сварку, однако при ограничен­ ном доступе к месту сварки — одностороннюю. Для повышения производительности и уменьшения коробления используют много­ точечную сварку. Для создания слоев со специальными свойствами или ремонта изношенных деталей применяют электроконтактную приварку присадочного металла (см. § 3.10).

В понятие «оптимальные размеры соединения» входит несколько измеряемых величин, называемых конструктивными элементами соединения (рис. 3.2). Они стандартизованы по ГОСТ 15878—79 для соединений двух групп А и Б. Группу устанавливают при проекти­ ровании узла в зависимости от требований, предъявляемых к сварной конструкции и исходя из особенностей технологического процесса.

Рис. 3.2. Конструктивные элементы соединений при сварке:

а — точечной; б — шовной

Соединения группы А имеют более высокие прочностные характе­

ристики.

Основными конструктивными элементами являются расчетный (минимальный) диаметр ядра (для точечной) и ширина литой зоны (для шовной сварки). Их измеряют в плоскости сопряжения деталей и обозначают d для обоих случаев сварки. Эти размеры устанавли­ вают из условия получения необходимой и стабильной прочности, герметичности шва при минимальной нахлестке. Фактический диа­ метр в узлах должен быть не меньше указанного в табл. 3.1

Максимальные размеры ядра ограничивают из-за возможности появления различных дефектов, снижения стойкости электродов, устанавливая верхние пределы на 15—25 % больше минимально

+ (2-г-З) мм. Более точные его значения, учитывающие уменьшение отношения d/s с ростом толщины, описываются формулой d = 4s2/3.

Другими конструктивными элементами соединений являются величина проплавления, глубина вмятины от электрода, расстояние между центрами соседних точек в ряду (шаг), величина перекрытия литых зон (при шовной сварке), расстояние от центра точки до края

случаев должна находиться в пределах 20—80 % толщины детали. Ее измеряют отдельно для каждой детали. Минимальные значения соответствуют проплавлению тонкой детали при сварке деталей неравной толщины. На титановых сплавах верхний предел увеличи­

в труднодоступных местах она может достигать 30 %. При микро­ сварке глубина обычно не превышает нескольких процентов. Глу­ бокие вмятины ухудшают внешний вид и обычно уменьшают проч­ ность точек.

' М и н и м а л ь н о е р а с с т о я н и е между центрами со­ седних точек в ряду или шаг tm устанавливают из условия незначи­ тельного шунтирования тока при сохранении высокой прочности шва.

В е л и ч и н а п е р е к р ы т и я л и т ы х з о н герметич­ ного шва f должна составлять не менее 25 % длины литой зоны I

меньшая ширина сопрягаемой части соединяемых деталей без ра­ диуса закругления соседних элементов (стенки, полки). При г < < 2s в нахлестку включают не только радиус, но и толщину стенки

соседних рядов с выбирают на 20 % большим, чем Абсолютные размеры конструктивных элементов возрастают с уве­

личением толщины деталей. Некоторые из них (В, К) зависят и от материала; размеры /ш, а, с также косвенно связаны с материалом деталей, так как из конструктивных соображений при изменении В меняют и эти величины. Например, при сварке легированных сталей несколько уменьшают /ш, однако это не связано с меньшим шунтиро­ ванием тока через соседнюю точку. Действительно, при уменьшении электропроводимости возрастают как сопротивление шунтирующей цепи, так и сопротивление зоны сварки. Условия шунтирования остаются практически постоянными. Величины В, /ш, и, с, кроме

того, зависят от соотношения толщины свариваемых деталей: пр»' sfsL > 2 их увеличивают на 20—30 %. Вообще, при сварке деталей неравной толщины конструктивные элементы выбирают по более тонкой детали.

В микросварке в связи с ее спецификой и малой толщиной дета* лей абсолютные размеры и соотношения конструктивных элементов отличаются от приведенных в табл. 3.1 (см. раздел 3.8).

Высокий современный технический уровень машин и надежность

нения, которые относят к группе Б. Для сохранения высокой проч­ ности узла увеличивают число точек в ряду, уменьшая tm. При эксплуатации точки работают равномернее, с меньшей концентра­ цией напряжений; усталостные трещины несколько локализуются, замедляется их развитие. Из-за уменьшения В снижается масса соединений. Однако возрастают требования к точности изготовления деталей, сборки, подготовки поверхности, стабильности работы машин.

Точечной и шовной сваркой обычно соединяют детали в узлы (секции), затем их собирают между собой различными спо­ собами. Такая организация производства позволяет эффективно использовать высокопроизводительные способы сборки и сварки, повышать уровень механизации и автоматизации, качество соеди­ нений, расширять фронт работы и снижать себестоимость продукции.

Разработку технологического процесса начинают еще на ста­ диях проектирования новой конструкции созданием директивной технологии, а затем рабочего технологического процесса (маршрут­ ной технологии и операционных карт).

Типовой технологический процесс производства сварных узлов состоит из ряда основных операций в определенной последователь­ ности: изготовление деталей, подготовка свариваемых поверхностей, сборка, прихватка, сварка, правка и механическая обработка, анти­ коррозионная защита, контроль. Этот процесс корректируют в за­ висимости от масштаба производства, степени взаимозаменяемости деталей, материала, размеров, формы и ответственности узлов, а также особенностей производства: исключают, добавляют или меняют последовательность операций.

3.2.1. Изготовление деталей

Качество изготовляемых деталей непосредственно влияет на трудоемкость и качество сборки, прихватки, сварки. В большин­ стве случаев увеличенные зазоры и плохое сопряжение деталей воз­ никают именно из-за низкой точности их изготовления.

Заготовки из листа вырезают на гильотинных, дисковых, вибра­ ционных ножницах, в штампах, газовым пламенем, плазменной струей. Для автоматического раскроя листов из титановых сплавов, жаропрочных сталей применяют лазеры. Профили разрезают на пресс-ножницах, пилами.

Формообразование деталей выполняют обычно холодной дефор­ мацией: гибкой во вращающихся валках, свободной гибкой, обтяж­ кой, вытяжкой, выдавливанием, штамповкой. Хрупкие металлы деформируют с подогревом. Особо крупные тонкостенные детали (днища, оболочки) изготовляют высокоскоростной обработкой, на­ пример, взрывом.

3.2.2. Подготовка поверхности

Цель этой операции — удаление исходных толстых, не­ равномерных по свойствам поверхностных пленок. В результате повторного окисления возникают новые, тонкие с малым и стабиль­ ным контактным сопротивлением, пленки.

Способы подготовки поверхности различны. В наиболее полном виде они включают несколько последовательных операций: обезжи­ ривание, удаление исходных, в основном оксидных, пленок, пасси­ вирование, нейтрализацию, промывку, сушку, контроль.

Обезжиривание служит для удаления загрязнений, масла, марки­ ровочной краски протиркой растворителями либо в ваннах различ­ ного состава: содовых растворах (для легированных сталей и тита­ новых сплавов), щелочных растворах (для алюминиевых и магние­ вых сплавов). С целью ускорения процесса в ванну иногда вводят ультразвуковые колебания. В автомобильной промышленности хо­ лоднокатаную сталь сваривают часто вообще без подготовки поверх­ ности (тонкий слой масла мало влияет на формирование точек); латуни — после обезжиривания.

Удаление оксидных пленок — трудоемкая операция, так как оксиды химически связаны с металлом. Обычно их удаляют меха­ нической обработкой или химическим травлением.

Механическую подготовку проводят дробеструйной обработкой или металлическими щетками. Дробеструйную обработку приме­ няют главным образом для стальных деталей с толстой оксидной пленкой (после термообработки, горячей деформации и т. д.) или

в виде частиц отбеленного чугуна, мелконарезанной стальной про­ волоки, а для алюминиевых сплавов — стеклянных шариков.

Зачистку вращающимися щетками используют для деталей из любых металлов, но чаще из сталей (в том числе жаропрочных, вы­ сокопрочных) при малых масштабах производства.

Иногда механическую обработку применяют для алюминиевых и магниевых сплавов. Однако во избежание глубокого повреждения металла ограничивают силу прижатия вращающихся щеток, лими­

тируют диаметр и длину проволочек (не более 0,2 мм и не менее 40 мм соответственно). Такая зачистка поверхности активизирует повторное окисление, поэтому в зависимости от условий хранения детали из алюминиевых и магниевых сплавов должны быть сварены не позднее чем через 5—20 ч после обработки.

Химическое травление находит широкое применение как в еди­ ничном, так и массовом производстве практически для любых ме­ таллов. После такой обработки возникает более равномерная и ме­ нее активная пленка. Появляется возможность управлять се свой­ ствами и скоростью последующего роста.

Химическое травление осуществляют в щелочных и кислотных растворах с различными добавками для регулирования скорости травления, улучшения взаимодействия с поверхностью деталей, пассивирования поверхности (табл. 3.2). Наиболее тщательно обра­ батывают поверхность алюминиевых и магниевых сплавов при про­ изводстве летательных аппаратов.

Для алюминиевых сплавов используют растворы ортофосфорной кислоты с добавками калиевого или натриевого хромпика. Ортофосфорная кислота почти не взаимодействует с алюминием, но активно растворяет поверхностные оксиды'. Если необходимо глубокое трав­ ление (например, снятие плакирующего слоя на сплаве АМгб), обработку ведут в горячем щелочном растворе. Однако поверхность активируется, и за короткое время (одни сутки) вновь возникает толстая оксидная пленка.

Алюминиевые и магниевые сплавы требуют дополнительной хими­ ческой обработки для уплотнения и стабилизации новой оксидной пленки, ее пассивирования. Детали из алюминиевых сплавов пас­ сивируют одновременно с травлением, вводя в травящий раствор хромпик. Магниевые сплавы пассивируют после травления, обра­ батывая в растворе хромового ангидрида (Сг20 3).

Для небольших деталей ответственного назначения из корро­ зионно-стойких и жаропрочных сталей и сплавов, тугоплавких ме­ таллов и медных сплавов иногда применяют электролитическое травление и полирование.

После химического или электролитического травления часто необходима нейтрализация, т. е. удаление с поверхности продуктов реакции или электролита. Эту операцию называют также осветле­ нием поверхности. Применяют различные растворы для нейтрали­ зации (см. табл. 3.2).

Между каждыми операциями химической обработки детали про­ мывают обычно в горячей, а затем в холоднбй воде с водородным показателем pH = 6,5ч-7,5. Особо ответственные узлы окончательно промывают опресненной водой. Детали сушат горячим воздухом или в сушильных шкафах.

Обезжиривание, химическую обработку, промывку, сушку ведут в изолированном помещении с усиленной приточно-вытяжной венти­ ляцией и бортовыми отсосами у ванны. Детали транспортируют, загружают и вынимают механическими подъемниками. При большом масштабе производства подготовку поверхности прово-