книги из ГПНТБ / Глебов Л.В. Установка и эксплуатация машин контактной сварки

свариваемых деталей, поэтому какие-либо специфические размеры соединения не указываются. Главным условием качественной стыковой сварки является оди­ наковость сечений соединяемых деталей вблизи стыка.

2-2, Подготовка деталей к сварке

Состояние поверхности свариваемых деталей (макрошероховатость, окислы, загрязнения) значительно влияет на качество соединений, выполняемых точеч­ ной, рельефной п роликовой сваркой, и на стойкость электродов. Поверхность деталей перед сваркой прежде всего очищается от жира, краски и других за­ грязнений. Обезжиривание поверхности производится ацетоном, бензином и дру­ гими растворителями или путем обработки в специальных растворах. Детали из нержавеющих сталей, жаропрочных и титановых сплавов, если они не про­ ходили термической обработки, не требуют никакой другой подготовки поверх­ ности, кроме обезжиривания.

Детали, изготовленные из горячекатаных сталей, перед сваркой должны проходить обработку для удаления окалины. Это может быть выполнено путем травления в специальных растворах (обычно водных растворах кислот) или механической обработки: пескоструйной, гидропескоструйной, дробеструйной, абразивной и т. п. После механической обработки с поверхности деталей должны быть удалены остатки песка и абразивной пыли. Поверхность в местах сварки контролируется сравнением с эталоном и должна иметь равномерный металли­ ческий блеск или матовый оттенок.

Еще более высокие требования предъявляются к качеству поверхности деталей из алюминиевых и магниевых сплавов. Задачей подготовки поверхностп этих металлов под сварку является удаление без повреждения металла относи­ тельно толстой, с высоким и неоднородным электрическим сопротивлением пленки окислов. Окислы можно удалять путем механической зачистки проволоч­ ной щеткой или абразивным полотном, а также химическим травлением. После механической зачистки и травления в щелочных и некоторых других растворах происходит активация поверхности деталей, и через короткий промежуток вре­ мени (несколько часов) они вновь покрываются толстой и неоднородной по сопротивлению окисной пленкой. Поэтому в состав травильного раствора вводят пассиваторы, тормозящие процесс нарастания окисной пленки. Травление алюминиевых сплавов производят в водном растворе ортофосфорной кислоты с калиевым или натриевым хромпиком в качестве пассиватора.

Обработанные в таком растворе детали имеют стабильное и достаточно низкое контактное сопротивление (80—120 мком), которое сохраняется в тече­

ние нескольких суток. Необходимо отметить, что косвенным показателем каче­ ства подготовки поверхности легких сплавов под точечную и роликовую сварку служит количество сварных точек, выполненных без зачистки электродов. Так, при травлении с пассивацией число таких точек составляет не менее 100 (дости­ гает 500), при механической зачистке проволочной щеткой — обычно не более 15.

Если свариваемые детали изготовлены путем механической обработки (точение, фрезерование), то шероховатость поверхности в местах сварки допу­ скается не ниже 4-го класса (ГОСТ 2789—59) — для черных металлов п не ниже б-го класса — для легких сплавов.

Выбор того или иного способа подготовки поверхности зависит от характера производства (единичное, серийное), марки металла и размеров деталей, исход­ ного состояния поверхности и требований к качеству сварных соединений.

Подготовка поверхности торцов деталей под стыковую сварку обычно произ­ водится механической обработкой при изготовлении деталей. Поверхность деталей, контактирующая с токоподводящими электродами-губками, должна быть зачищена любым способом для получения надежного электрического кон­ такта.

Сборка деталей для сварки существенно влияет на качество сварных соеди­ нений. Основной задачей сборки перед точечной и роликовой сваркой является обеспечение правильного взаимного расположения свариваемых деталей и мини­ мальных зазоров между соединяемыми поверхностями. При сборке не допу­ скается грубой подгонки деталей с образованием хлопунов и больших зазоров

30

и попадания загрязнений под нахлестку. Допустимые зазоры между деталями под точечную сварку после сборки и прихватки не должны быть для деталей толщиной 0,8—3 мм более 0,5—0,3 мм на длине 100 мм. Для роликовой сварки

допустимые зазоры между деталями должны быть еще меньше. Если детали не взаимозаменяемы, то перед подготовкой поверхности производится предвари­ тельная сборка, в процессе которой выполняются необходимые подгоночные работы. При полной взаимозаменяемости соединяемых деталей (при массовом и серийном производстве) предварительная сборка не производится.

При сборке деталей для стыковой сварки оплавлением отклонение одной детали от перпендикулярной оси плоскости торца другой детали не должно быть более 0,5 мм. При сварке сопротивлением торцы деталей должны плотно

прилегать друг к другу.

При сборке деталей под рельефную сварку допуски на dp и /ір для листов толщиной до 1,2 мм не должны превышать соответственно ± 1 и ±0,05 мм.

Сборка в зависимости от сложности деталей производится с использованием съемных болтов, фиксаторов, струбцин и специальных приспособлений. Сбороч­ ные приспособления, входящие в процессе сварки в рабочее пространство ма­ шины, изготовляются из немагнитных материалов. Прихватка после сборки обеспечивает жесткое закрепление деталей сварного узла и сохранение его размеров. Если это достигается с помощью сборочного инструмента и приспо­ соблений, то после сборки производится сварка, а операция прихватки отсут­ ствует. При точечной сварке места постановки прихваточных точек совпадают с расположением основных точек. Точки прихватки под роликовую сварку должны располагаться по осевой линии шва. В зависимости от конструкции узла точки прихватки выполняются с шагом 100—200 мм, величина зазоров

не должна превышать допустимых значений для сборки деталей.

Электроды (ролики) являются рабочим инструментом машины, который контактирует со свариваемыми деталями. Износ рабочей поверхности электродов ведет к изменению ранее получаемых размеров литой зоны соединений и ухуд­ шению качества сварки. Для высокой стойкости электродов их изготовляют из специальных медных сплавов (табл. 2-4), которые должны находиться в упроч­ ненном состоянии. Прямые электроды изготовляются в соответствии с ГОСТ 14111—69.

Наибольшее применение для точечной сварки находят электроды с плоской и сферической поверхностью, для роликовой сварки — ролики с цилиндри­ ческой и сферической рабочей поверхностью. Электроды со сферической рабочей поверхностью имеют большую стойкость и меньше чувствительны к перекосам осей при установке, чем электроды с плоской поверхностью. При сварке легких, медных и титановых сплавов применяют только электроды и ролики со

31

сферической рабочей поверхностью. Размеры рабочей поверхности выбирают в зависимости от толщины свариваемых металлов (табл. 2-5). Электроды должны иметь интенсивное внутреннее охлаждение. Роликовая сварка обычно вы­ полняется с наружным охлаждением роликов. При сварке закаливающихся ста­ лей и магниевых сплавов наружное охлаждение не допускается.

Таблица 2-5

П р и м е ч а н и е . Размеры D и S —минимальные рекомендуемые.

При стыковой сварке черных металлов электроды-губки целесообразно изготовлять из бронзы БрНБТ, при сварке легких сплавов — из бронзы Мц5Б.

2-3, Свойства металлов, влияющие на режим сварки

Режим сварки характеризуется совокупностью его параметров, а также формой и размерами электродов, которые обеспечивают получение сварных соединений требуемых размеров и качества. Режим сварки определяется физи­ ческими свойствами металлов и типом сварочного оборудования. На выбор параметров режима влияют многие свойства металла: электро- и теплопровод­ ность, прочность при высоких температурах, температура плавления, коэффи­ циент линейного расширения, твердость и чувствительность термическому циклу сварки. С уменьшением электро- и теплопроводности снижается вели­ чина / св и на образование сварного соединения требуется меньше я электрическая мощность. Более высокая прочность при повышенных темпе ,атурах требует

32

увеличения усилия Рэл для осуществления необходимой деформации металла

в процессе сварки. Чем выше твердость металла,тем труднее обеспечить началь­ ный электрический контакт. При сварке металлов с высокой твердостью во избежание выплесков приходится увеличивать Г5Лили применять предваритель­ ный подогрев металла. С повышением коэффициента линейного расширения увеличивается усадка металла в процессе кристаллизации, в результате чего могут возникнуть большие напряжения, что вызывает образование раковин и трещин в литом металле. Для предупреждения таких дефектов также при­ ходится повышать FЭл или применять цикл с FK.

Для удобства изложения особенностей режимов сварки металлы, исполь­ зуемые в сварных узлах, можно разделить на следующие группы: а) низко­

евые сплавы типа Д16Т; и) магниевые сплавы типа МА2.

Для сравнения в табл. 2-6 приведены средние относительные значения параметров режима точечной и роликовой сварки и физические характеристики металлов различных групп. Значения параметров точечной сварки и констант для стали Х18Н9Т условно приняты за единицу. Таким образом, если известен режим точечной сварки деталей из стали Х18Н9Т, то с помощью табл. 2-6 можно определить ориентировочный режим точечной и роликовой сварки других металлов.

П р и м е ч а н и е . В скобках даны параметры режима роликовой сварки.

Исследованиями и производственным опытом установлено, что при точечной и роликовой сварке зависимость основных параметров режима (Ісв, tCB, FCB) от толщины металла носит практически линейный характер (при размерах

соединений, рекомендованных табл. 2-1). Для удобства пользования табл. 2-6 на рис. 2-8 приведена зависимость параметров режима точечной сварки стали Х18Н9Т от толщины деталей.

Все черные металлы имеют относительно высокое удельное электросопро­ тивление и низкую теплопроводность, требуют для точечной, рельефной и роли­ ковой сварки умеренных значений І св и могут свариваться в широком диапазоне длительностей протекания тока t CB.

Цветные металлы (медные, алюминиевые и магниевые сплавы) характери­ зуются низким электросопротивлением и высокой теплопроводностью. Сварка

этих металлов требует применения больших и кратковременных импульсов тока, в 5—7 раз превышающих / св при сварке черных металлов.

Установлено, что термомеханический цикл сварки, определяемый в основном величиной гсв, оказывает наибольшее влияние на прочностные свойства низко-

Рис. 2-8. Зависимость параметров режима точечной сварки и ско­ рости роликовой сварки нержавеющей стали Х18Н9Т от тол­ щины деталей

легированных и некоторых нержавеющих (хромистых) сталей. Для большинства

34

используют меньшие значения tCB, ток / св на 40—60% выше, чем при точечной; незначительно повышается также FCB. Если при точечной и роликовой сварке применяют одни и те же tCB, то / св при роликовой сварке всего на 5—10% выше,

чем при точечной. Необходимость некоторого повышения тока объясняется меньшими значениями Яэ.э при роликовой сварке.

При стыковой сварке оплавлением основными параметрами режима, завися­ щими от свойств свариваемого металла, являются удельное давление осадки р0с и скорость осадки ѵос. При сварке легированных сталей и алюминиевых спла­ вов рос и ѵос значительно выше, чем при сварке низкоуглеродистых сталей.

2-4. Режимы сварки

В процессе сварки происходит нагрев, расплавление и кристаллизация металла. При точечной, рельефной и роликовой сварке сварные соединения формируются в большинстве случаев с образованием крупнозернистой столб­ чатой дендритной структуры. Такая структура характерна для сварных соеди­ нений черных металлов (рис. 2-10). Алюминиевые сплавы с широким интервалом кристаллизации (Д16, АМгб) образуют преимущественно равновесную структуру в центральной части литой зоны (рис. 2-11). Соединения, выполненные стыковой сваркой оплавлением, отличаются характерным искривлением волокон металла под действием усилия осадки (рис. 2-10, д, 2-11, д).

Режимы сварки условно разделяются на два основных вида: жесткие ре­ жимы с малым tCB и большим / сВ и мягкие режимы с относительно большим гсв

и меньшим / св. При жестких режимах металл зоны сварки нагрет меньше, чем при мягких, и для его деформации требуются большие FCB для одной и той же

марки металла и толщины. Форма и расположение литой зоны относительно плоскости соединения при сварке на жестком режиме в основном определяются характером распределения плотности тока в контактах, который в свою очередь зависит от сочетания толщин свариваемого металла и размеров рабочей поверх­ ности электродов, а процессы теплоотвода влияют незначительно. При сварке на мягком режиме на форму и расположение литой зоны оказывают большое влияние процессы теплоотвода в электроды и свариваемый металл. Особенно велико это влияние при сварке деталей неравной толщины и деталей из металлов с резко различными физическими свойствами. Так, при использовании мягкого режима литая зона смещается в толстую деталь или деталь, металл которой имеет более низкую тепло- п электропроводность. Если металл можно сваривать на обоих режимах, например сталь 08кп, то целесообразнее использовать жесткий режим сварки, если это допускает форма деталей и имеющееся оборудо­ вание для сварки.

Режимы точечной и роликовой сварки плоских деталей равной толщины и швов на цилиндрической поверхности [радиусом R ^ 250 мм (точечная сварка) и R 500 мм (роликовая сварка)] из различных групп металлов могут быть

использованы при отношении толщин свариваемых деталей до 2 : 1. Если сварка выполняется на цилиндрической поверхности меньше указанного радиуса, то режим соответствующим образом корректируется. Режимы сварки отдельных металлов, входящих в одну группу, могут несколько отличаться друг от друга. Например, режимы сварки высокопрочных алюминиевых сплавов (см. табл. 2-6) ориентированы на сплав Д16АТ. При сварке сплава АМгб, имеющего худшую способность к пластической деформации при повышенной температуре, необхо­ димо увеличивать tCB и Есв на 20—50% по сравнению с режимом сварки

сплава Д16АТ.

Низкоуглеродистые стали наиболее рационально сваривать на режимах средней жесткости. При точечной сварке сталей 10, 20 на таких режимах воз­ можно образование структур закалки в околошовной зоне, что снижает пластич­ ность сварных соединений. Для устранения этого явления используют сварку па мягком режиме (tCB больше в 1,5—2 раза) или сварку на относительно же­

стком режиме с последующей термической обработкой (отпуском) сварного соединения путем повторного включения тока. При точечной сварке закалива­ ющихся низколегированных сталей также необходима термическая обработка соединения непосредственно в электродах машины при 1ДОп = (2,5 -ь 3) tсв.

Рис. 2-10. Макроструктура сварных соединений сталей и титана: а — сплав ОТ4; б — сталь ВНС2; в — сталь

Х18Н9Т; г — сплав ОТ4; д — сплав ЭИ435

І’іі" ■2-11. Макроструктура

Пауза между включением / св и включением / доп должна быть достаточной, чтобы зафиксировать структуру закалки. Мягкие режимы могут быть использованы, когда весь сварной узел подвергается окончательной термообработке.

Роликовая сварка низколегированных сталей выполняется с использова­ нием относительно небольших tCB. Сварные соединения имеют невысокую пла­

стичность и должны проходить термическую обработку в печи.

Сварку нержавеющих сталей можно выполнять в широком диапазоне зна­ чений «свОднако из-за высокого коэффициента теплового расширения и воз­ можных деформаций узлов при больших tCB целесообразно использовать отно­

сительно жесткие режимы сварки (см. рис. 2-8). При сварке нержавеющих сталей после соответствующей термической или механической (нагартовка) обработки (стали типа ВНС) значения FCB должны быть увеличены на 25—30%.

Титановые сплавы имеют низкую тепло- и электропроводность и высокую пластичность при нагреве и свариваются при небольших значениях / св и FCB.

.Из всех рассматриваемых металлов сплавы титана обладают наилучшей свари­ ваемостью. На размеры литой зоны соединений мало влияют изменения Fсв

и размеров рабочей поверхности электродов, и даже при значительных откло­ нениях параметров режима от номинальных значений выплесков не наблюдается.

Точечная и роликовая сварка жаропрочных сплавов выполняется на мягких режимах с использованием высоких значений FCB. Роликовая сварка произ­

водится при малых скоростях в целях устранения дефектов усадочного характера (пор и трещин). В связи с высокой тепло- и электропроводностью цветных спла­ вов сварка ведется на малых tCB и больших / св (см. табл. 2-6). В некоторых

случаях, например при применении фигурных электродов, используют мягкие режимы ео снижением / св и увеличением гсв в 2—3 раза. Мягкие режимы вызы­ вают интенсивное загрязнение рабочей поверхности электродов, особенно при сварке пластичных алюминиевых и магниевых сплавов.

Наилучшее качество точечных сварных соединений цветных сплавов обес­ печивается при сварке на конденсаторных машинах и машинах постоянного тока. При точечной сварке алюминиевых и магниевых сплавов для устранения пор и трещин используют ступенчатый график усилия электродов с FK. Пла­ стичные алюминиевые сплавы типа АМгМ при толщине деталей 1,5—2 мм и мед­ ные сплавы сваривают без применения FK. Область применения машин перемен­

ного тока для сварки цветных сплавов в связи с большими значениями тока обычно ограничена толщиной деталей 1,5 мм. При сварке на машинах перемен­

ного тока целесообразно использовать плавное нарастание тока для снижения загрязнения электродов и уменьшения вероятности выплесков, а также его плавный спад для устранения дефектов усадочного характера в литой зоне соединения.

При точечной сварке на низкочастотных машинах и машинах постоянного тока величина FK может быть снижена, если после основного тока следует допол­

нительный импульс тока (без паузы), что обеспечивает замедленное охлаждение металла зоны сварки и улучшает деформацию металла, устраняя внутренние дефекты — поры и трещины.

При сварке мягких алюминиевых сплавов типа АМгАМ величина FCBдолжна быть снижена по сравнению с FCBпри сварке сплава Д16Т, при этом особое вни­ мание следует обратить на стабильность FCB, так как в связи с высокой пластич­

ностью этих сплавов при повышении усилия резко увеличивается площадь контакта электрод — деталь, плотность тока снижается и возможно уменьшение размеров литой зоны и даже непровар. Поэтому сварку сплавов типа АМгАМ рекомендуется производить при малых ,FCB и с использованием электродов с меньшей сферой рабочей поверхности, чем при сварке высокопрочных алюми­ ниевых сплавов.

Наиболее жесткие режимы применяют при сварке алюминиевых сплавов на конденсаторных машинах. Сварка сплавов типа АМгб на этих машинах за­ труднена из-за невозможности увеличения длительности протекания тока до значений, исключающих образование внутренних выплесков.

При роликовой сварке алюминиевых сплавов используют более мягкие режимы, чем при точечной сварке. Сварка деталей толщиной до 1,5—2 мм может

выполняться при непрерывном вращении роликов. Прерывистое (шаговое) вращение роликов с остановкой на время включения ісв применяют для

37

снижения загрязнения их рабочей поверхности и улучшения условий обжатия кристаллизирующегося шва. При сварке деталей из сплавов АМгб, АМг5В, и осо­ бенно при наличии жестких зазоров (швы на цилиндрической поверхности), для снижения вероятности внутренних выплесков применяют мягкие режимы (tCB 0,086 сек). Следует отметить, что использование при сварке алюмини­

евых сплавов на низкочастотных машинах типа МПІІІІТ чрезмерно больших токов по сравнению с токами при сварке на машине МШШИ-400 и машинах постоянного тока МШВ не вызывается технологическими требованиями и свя­ зано с невозможностью снижения токов этих машин (МШИГГ). Кроме того, шаговое вращение роликов широко применяется при сварке отдельными точ­ ками на роликовых машинах. Производительность такой точечно-роликовой сварки при толщине деталей 0,8—1 мм может достигать 120—140 точек в минуту.

Режимы рельефной сварки близки к режимам точечной сварки таких же металлов (для одноточечного соединения). Для снижения вероятности выплесков рекомендуется плавное нарастание тока.

Рассмотренные особенности режимов точечной и роликовой сварки раз­ личных групп металлов, естественно, не исчерпывают всего многообразия режи­ мов, которые могут быть применены в производстве. Более подробные данные по режимам сварки приведены в конце книги (см. приложение).

2-5. Основные дефекты сварки и методы их обнаружения

Высокого качества соединений, выполненных контактной сваркой, можно достичь лишь при строгом соблюдении всего технологического процесса. При различных нарушениях технологии, правил конструирования сварных узлов и отклонениях параметров режима от установленных значений возможно воз­ никновение дефектов узлов и сварных соединений.

К дефектам сварных узлов относятся дефекты, связанные с деформацией деталей при сварке, искажением размеров швов, нарушением правильности сборки и прихватки деталей.

Дефекты сварных соединений подразделяются на наружные п внутренние (табл. 2-7 и 2-8). Наружные дефекты обнаруживаются путем внешнего осмотра соединения и с помощью простого мерительного инструмента.

Наружные кольцевые и радиальные трещины являются недопустимым дефектом для соединений, работающих при динамических нагрузках. В герме­ тичных сварных узлах наружные трещины могут быть причиной течей.

Наружный выплеск и подплавление поверхности ухудшают внешний вид соединений и резко снижают стойкость электродов. Небольшие наружные вы­ плески чаще всего возникают при роликовой сварке на жестких режимах и устра­ няются зачисткой. Отпечатки от электродов и роликов должны иметь правиль­ ную геометрическую форму. Размеры отпечатков не связаны непосредственно с размерами литой зоны соединений. Однако их изменение свидетельствует о возможных отклонениях параметров режима от заданных значений и наличии внутренних дефектов, например выплесков.

При сварке черных металлов на поверхности швов возникают цвета побежа­ лости, которые не являются дефектом и могут быть допущены. Темная поверх­ ность точек и швов алюминиевых и магниевых сплавов свидетельствует о выходе литой зоны на поверхность деталей и наличии следов меди от электродов, что резко снижает коррозионную стойкость сварных соединений.

Часто при конструировании сварных узлов для снижения расхода металла уменьшают размер нахлестки по сравнению с рекомендуемыми (см. табл. 2-1). Это может вызывать раздавливание металла кромки нахлестки, сопроврждающееся появлением наружных трещин.

При наличии больших зазоров после прихватки при сварке возможен вырыв точек. Это крайне нежелательно, так как такое разрушение точек может про­ изойти и в процессе эксплуатации сварного узла.

Выявление внутренних дефектов типа выплесков, раковин и трещин, требует применения рентгеновского просвечивания. Выплеск обычно уменьшает размеры литой зоны, что снижает прочность соединений, а также может быть причиной

38

влены электроды

39