1350
.pdfщади при охлаждении и кристаллизации, а знаменатель — теплота, отводимая торцами в единицу времени за счет теплопередачи. Таким образом, условием сохранения возможности удаления оксидов из стыка будет
Д/0 ^ At. |
(2.10) |
Удаление оксидов облегчается при интенсификации процесса оплавления к концу сварки (увеличивается Д/0 за счет увеличения 6Ж и снижения At2 вследствие увеличения, частоты пульсации /п), при увеличении скорости осадки voc (уменьшается Д^) и при задержке отключения сварочного тока при осадке toc (уменьшается At2 . Уве личение иос уменьшает время окисления поверхности торцов в период закрытия зазора.
На условие (2.10) в сильной степени влияют теплофизические свойства свариваемых металлов. Например, при сварке алюмини евых сплавов возникают трудности образования сплошного распла вленного слоя 8н; из-за высокой теплопроводности металла. При оплавлении низкоуглеродистой стали, когда толщина расплавлен ного слоя к концу сварки достигает 0,1—0,3 мм, At0 = 0,02—0,10 с.
§ |
2 . 5 . |
Д Е Ф Е К Т Ы |
С О Е Д И Н Е Н И Й |
И |
П Р И Ч И Н Ы |
И Х |
О Б Р А З О В А Н И Я |
|
|
|
При оптимальных режимах соединения, выполненные сваркой оплавлением (рис. 2.16, а), по прочности и пластичности близки к основному металлу. При сварке сопротивлением (рис. 2.16, б) в большинстве случаев не удается добиться полного удаления оксидов из стыка. Поэтому оценочные показатели таких соединений (особенно по пластичности) ниже, чем у основного ме талла.
Однако различные возмущающие воздействия могут вызвать отклонение условий формирования соединений от оптимальных и появление дефектов, ухудшающих заданные свойства соединений.
Рис. 2.16. Микроструктуры качественных сварных соединений; пруток из низко углеродистой стали диаметром 10 мм при сварке (Х2,5):
а — непрерывным оплавлением; б — сопротивлением
Рис. 2.17. Электронные микрофрактограм- |
Рис. 2.18. Расслоение между волок- |
|
мы изломов соединений, сваренных не- |
нами при сварке оплавлением сплава |
|
прерывным оплавлением. |
Сталь 20 |
АМгб (X 100) |
(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
состоянии и |
по тем или |
другим причинам остались в соедине |
нии. |
непровара |
при отсутствии оксидов — недостаточный |
Причина |
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
тропией свойств. Это приводит к |
ухудшению работоспособности |
соединения. |
(обычно продольные горячие) |
Р а с с л о е н и я и т р е щ и н ы |
возникают также при чрезмерной осадке при сварке металлов с вы раженной строчечной структурой, в которой прослойки между волокнами имеют относительно низкую температуру плавления
(рис. |
2.18). |
К |
д е ф е к т а м с т р у к т у р ы относятся крупное зерно, |
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).
§ |
3 . 1 . |
В Ы Б О Р |
Р А Ц И О Н А Л Ь Н О Й |
К О Н С Т Р У К Ц И И |
Д Е Т А Л Е Й |
И |
Э Л Е М Е Н Т О В |
С О Е Д И Н Е Н И Й |
|
|
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
Т а б л и ц а 3.1. |
Размеры некоторых конструктивных |
элементов |
точечных |
||
и шовных соединений группы А (ГОСТ 15878—79) при сварке деталей |
|||||
одинаковой толщины однорядным |
швом, мм (см рис. 3.1) |
|
|||
|
|
|
Минимальна я величина |
Мин нмальный |
|
|
Минимальный |
нахлестки В |
|
||
Толщина |
|
шаг между |
|||
диаметр |
алюминиевые, |
|
точками для |
||
деталей |
литого |
ядра, |
|
алюминиевых, |
|
S = St |
ширина |
литой |
магниевые, |
|
магниевых, |
|
зоны d |
медные |
|
медных |
|
|
|
|
сплавы |
|
сплавов, tUi |
0,5 |
|
3 |
10 |
8 |
10 |
1,0 |
|
4 |
14 |
11 |
15 |
1,2 |
|
5 |
16 |
13 |
17 |
1,5 |
|
6 |
18 |
14 |
20 |
2,0 |
|
7 |
20 |
17 |
25 |
2,5 |
|
8 |
22 |
19 |
30 |
3,0 |
|
9 |
26 |
21 |
35 |
4,0 |
12 |
32 |
28 |
45 |
|
5,0 |
14 |
40 |
34 |
55 |
|
6,0 |
16 |
50 |
42 |
65 |
Максимальные размеры ядра ограничивают из-за возможности появления различных дефектов, снижения стойкости электродов, устанавливая верхние пределы на 15—25 % больше минимально
допустимых |
(при |
s ^ 0,5 мм). Приближенно |
при |
толщине деталей |
|
s ^ 0 ,5 |
мм |
минимальный диаметр литого |
ядра |
для соединений |
|
группы |
А можно |
определить по эмпирической формуле: d = 2s + |
+ (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
нахлестки, между |
осями соседних рядов |
точек и др. |
большинстве |
В е л и ч и н а |
п р о п л а в л е н и я |
h (Лх) в |
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
вают до 95 %, а |
на магниевых — уменьшают до 70 %. |
|
Г л у б и н а |
в м я т и н ы |
g (gj) не должна превышать 20 % |
толщины детали, |
однако при |
сварке деталей неравной толщины и |
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
(рис. 3.2, б). |
н а х л е с т к и В — это наи |
Минимальная в е л и ч и н а |
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
(см. рис. |
3.2). |
центра |
точки |
или оси шва до края на |
Р а с с |
т о я н и е от |
|||
хлестки и |
должно быть |
не менее |
0,5 В. |
Расстояние между осями |
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
аппаратуры позволяют в ряде случаев (при s < |
3 мм) уменьшать d |
(на 22—33 %) по сравнению с данными табл. 3.1 |
и получать соеди |
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.
§ |
3 . 2 . |
О Б Щ А Я |
С Х Е М А |
Т Е Х Н О Л О Г И Ч Е С К О Г О |
П Р О Ц Е С С А |
|
П Р О И З В О Д С Т В А |
С В А Р |
Н Ы Х |
У З Л О В |
|
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
с |
особыми |
поверхностными |
слоями; для титановых |
сплавов — |
с |
окалиной |
ТЮ2, реже для |
других металлов. Дробь |
изготовляют |
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-