Кваснiцкий Спецiальнi способи зварювання

кого приповерхневого шару, який нагрівається до температури зварювання настільки малий, що весь цикл зварювання продовжується від декількох секунд до 30 секунд.

Момент сил тертя та їх потужності визначаються рівняннями [14]:

M= 23 πpfR3 ;

N≈ 23 πpfnR3 10−6 ;

Nпит ≈ 23 πpfnR 10−3 ;

де М – момент сил тертя, кГс мм; N – повна потужність тертя, кВт; р – тиск, кГс/мм2; n – відносна швидкість обертання, об/хв; f – коефіцієнт тертя; Nпит – середня питома потужність тертя, віднесена до номінальної площі поверхні тертя, Вт/мм2; R – радіус дії сил тертя.

Момент сил тертя в процесі зварювання змінюється (рис.2.29). Спочатку він проходить через мінімальне, а потім – максимальне значення. На усталеній стадії він залишається постійним.

Рис.2.29. Зміни швидкості обертання n і моменту сил тертя М при зварюванні тертям

Спочатку процес протікає при незначних температурах і характеризується сухим або граничним тертям. Невеликий пік на початку кривої відповідає тертю спокою. Перехід до стану руху супроводжується зменшенням моменту сил тертя (інтервал часу t1). Швидкий ріст моменту сил тертя відповідає початку утворення між очищеними та

173

активованими поверхнями вузлів схоплювання та їхнє руйнування. Процес схоплювання швидко розширюється по всій поверхні (інтервал часу t2). Ріст температури в зоні тертя призводить до зменшення опору вузлів схоплювання та усталення процесу (інтервалу часу t3). Кількість теплоти, яка виділяється між поверхнями, складає близько 1 % на першій фазі (t1), 12 % – на другій (t2), 87 % – на третій (t3). Таким чином, до температури зварювання метал нагрівається на третій фазі. У зв'язку з малим значенням першої фази (t1), на циклограмах процесу зварювання її не показують.

Зварне з'єднання утворюється після зупинки відносного переміщення деталей під дією тиску осадки (проковки), який звичайно вибирають більшим від тиску при нагріванні. Типову циклограму процесу зварювання тертям показано на рис.2.30.

Рис.2.30. Циклограма процесу зварювання тертям:

n – швидкість обертання; рн – тиск нагрівання; рпр – тиск проковки; М – момент сил тертя; ∆l – деформація укорочування деталей

На циклограмі виділені дві укрупнені фази – нагрівання (t1) і проковки (t2). Уявлення про тривалість цих стадій та інші параметри дає рис.2.28.

Дослідження показали, що зі збільшенням швидкості відносного переміщення поверхонь і тиску температура в стику росте, але роль цих параметрів при зварюванні змінюється. У початковий момент тер-

174

тя, коли температура по перерізу деталі однакова, тиск р розподіляється по поверхні рівномірно. Тоді максимальне виділення теплоти і ріст температури проходять на периферії поверхні тертя, де швидкості максимальні. Оскільки з підвищенням температури опір металу пластичній деформації падає, то тиск перерозподіляється. Він знижується на периферійних та зростає на центральних ділянках. Також уповільнюється виділення теплоти на периферійних ділянках. Такий перерозподіл тиску і теплопровідність вирівнюють температуру після розігрівання стержнів на певну глибину по обидві сторони від стику. Тому температурне поле

встержнях можна розраховувати для умови лінійного переносу теплоти

внапівнескінченному тілі від плоского джерела постійної потужності, розподіленої рівномірно по перерізу. При цьому слід враховувати суттєву пластичну деформацію металу в зоні зварювання.

Режим процесу тертя визначає характер взаємодії поверхонь. При

малих швидкостях тертя відбувається глибинний вирив часток металу, при великих – лише малих поверхневих часток. Тому в останньому випадку товщина теплогенеруючого шару мінімальна. Його температура зростає, хоча питомі витрати енергії на зварювання значно зменшуються (рис.2.31).

Рис.2.31. Вплив швидкості обертання стержня на питому потужність виділення теплоти при зварюванні низько-вуглецевої сталі діаметром 20 мм при рн = 50 МПа, ∆l = 5 мм

Необхідною умовою утворення якісного з'єднання є пластична деформація металу в зоні стику. Її вимірюють величиною зближення деталей в осьовому напрямку і називають величиною осадки.

175

Під дією температури і тиску в зоні зварювання витіснений метал утворює "комірець", який захищає зварювані поверхні від зовнішнього середовища (рис.2.32). Його розміри та форма, як і ширина зони термічного впливу, залежать від зварюваних металів та параметрів режиму зварювання.

Рис.2.32. Макрошліф (а) і схеми утворення "комірця" при малих тиску і часу нагрівання (б) та більших тиску і часу нагрівання(в)

Витіснення металу зі стику в радіальному напрямку у вигляді комірця сприяє винесенню зруйнованих при терті оксидів. При зварюванні однойменних металів одного діаметра деформації обох деталей однакові, при зварюванні різнойменних – різні. При зварюванні металів із різко відмінними механічними властивостями, наприклад, сталі з алюмінієм, одна з деталей (у даному випадку сталева) може зовсім не деформуватися.

Зварювання тертям за схемою рис.2.26,е називають орбітальним зварюванням тертям [120]. У цьому випадку тертя між стиснутими поверхнями виникає лише тоді, коли осі заготовок не співпадають. Тоді кожна точка на торці однієї заготовки робить певні кола відносно відповідної точки на торці другої заготовки з кутовою швидкістю, що дорівнює кутовій швидкості заготовок. Отже, потужність виділення теплоти на всій поверхні тертя постійна і визначається величиною ти-

176

ску та швидкістю відносного переміщення поверхонь v, яка знаходиться за рівнянням

v = π60en ,

де е – величина зміщення осей, м; n – число обертів деталей за хвилину. Чисельне значення швидкості v знаходиться в інтервалі значень для конвенційного зварювання тертям (0,5…3,0 м/с). Виділення теплоти закінчується при суміщенні осей заготовок, що обертаються. При цьому вони стискуються зусиллям проковки. До моменту зупинки обертання заготовок деталь є звареною.

При інерційному зварюванні використовується запас кінетичної енергії маховика, який розганяється електродвигуном. Величина кінетичної енергії визначається за рівнянням

Eк = jω2 2 ,

де j – момент інерції маховика; ω – його кутова швидкість руху.

Ця енергія повністю (рис.2.28,б) або частково (рис.2.28,в) іде на подолання сил тертя. Якщо вона використовується повністю, то час

2.3.2. Технологія зварювання. Основними параметрами режиму зварювання тертям є частота обертання, тиск і час нагрівання, тиск проковування (осадки) і величина осадки металу. Частота обертання може змінюватися в широкому діапазоні. Найбільш часто зварювання ведуть при частоті обертання. Тиск проковування вибирається значно більшим (у декілька разів) умовної границі плинності металу при температурах зварювання (900…1000 °С). Тиск нагрівання може бути рів-

177

ним тиску проковування, однак для зменшення потужності приводу зварювальної машини, зносу поверхонь при нагріванні і припусків на зварювання тиск нагрівання вибирають таким, щоб дорівнював 0,2…0,6 тиску проковування. Тиск нагрівання може бути ще зменшений при відповідному збільшенні швидкості обертання. Час нагрівання залежить від частоти обертання та тиску нагрівання і визначає величину зносу деталей при нагріванні. При терті нагрівається тонкий шар металу, тому час нагрівання складає секунди або десятки секунд. При цьому температура сталі в зоні зварювання може досягати 950…1300 °С. Величина осадки при зварюванні тертям складає 3…6 мм, а іноді і більше. Для зварювання тертям дуже важливою є можливість практично миттєвої зупинки взаємного переміщення зварюваних деталей. Зусилля проковки повинне прикладатися трохи раніше моменту зупинки відносного переміщення деталей. Слід відзначити, що параметри режиму зварювання тертям можуть змінюватися в досить великих інтервалах, що видно з даних табл.2.8.

У табл.2.8 наведено дані різних авторів. Вони мають великі розбіжності, що свідчить про можливість різних варіантів вибору тиску нагрівання і осадки. Час нагрівання в більшості випадків не перевищує 10 с, а величина осадки складає 3…7 мм. Кожному значенню тиску нагрівання і частоті обертання заготовки відповідають свої оптимальні значення часу нагрівання та величини зносу заготовки. Процес зварювання можна контролювати за часом нагрівання або величиною осадки. При виборі режиму зварювання спочатку визначають тиск проковки і співвідношення з ним тиску нагрівання, потім – за величиною зносу час нагрівання і за величиною осадки уточнюють значення тисків. Швидкість обертання заготовки визначається можливостями машини. Якщо є можливість змінювати швидкість у широкому інтервалі, то розпочинати досліди слід із середніх значень (1500…2000 об/хв).

178

Таблиця 2.8. Режими зварювання деяких металів

Наші дослідження зварювання тертям сталей різних структурних класів показали, що при випробуваннях на розтягування статичним навантаженням, з'єднання, отримані при оптимальних режимах, руйну-

179

ються поза стиком. Зварювали однофазну хромонікелеву аустенітну сталь з 12 % Ni i 2,5 % Mo, низьколеговану мартенситну сталь із невеликою кількістю аустеніту, карбідно-аустенітну сталь зі зміцнюючою нітридною фазою (сталь з 0,4 % N) та низьколеговану феритно-перлітну сталь. Всі сталі зварювались у вигляді стержнів діаметром 9,5 мм, що отримані прокатуванням. Тому вони мали строчкову текстуру. Зварювання виконувалося при швидкості тертя 1250 об/хв, тиску нагрівання 40…140 МПа, тиску проковки 180…260 МПа. Для всіх сталей оптимальний режим нагрівання виявився однаковим: рн = 65 МПа, tн = 4…6 с. Тиск проковки вибрано 180 МПа для феритно-перлітної та аустенітної сталей, 220 МПа – для низьколегованої мартенситної сталі і 260 МПа – для карбідно-аустенітної сталі з нітридним зміцненням та найбільш стабільною структурою. Величина осадки складала 5…8 мм. Усі сталі зварювалися в стані поставки. Мартенситна сталь поставлялася після термічної обробки (гартування від 1000 °С у маслі і відпуск при 650 °С) зі структурою сорбіту. Границя міцності зварних з'єднань цієї сталі складала 95 % відносно основного металу, але після вказаної термічної обробки перевищувала показники сталі в стані поставки. Зварні з'єднання всіх інших сталей за величиною границі міцності не поступалися основному металу. Однак ударна в'язкість зварних з'єднань була значно нижчою від в'язкості основного металу.

При зварюванні катаних стержнів у зоні деформації волокна змінюють свій напрям від перпендикулярного до паралельного стику, що зменшує ударну в'язкість. Вигин волокон металу в зоні зварювання яскраво видно на рис.2.33. В основному металі (рис.2.33,е) волокна розташовані вздовж осі стержня, а поблизу стику не лише змінюють свій напрям на перпендикулярний осі (рис.2.33,б), але, як показало вивчення поверхні руйнування зразків, також закручуються по спіралі. У зоні стику (рис.2.33,а) видно білу смугу, в якій метал нагрівався до температури розчинення зміцнюючих фаз. У ній метал втратив строч-

180

кову текстуру, але в зв'язку з короткочасністю процесу зварювання, зміцнюючі фази лише почали розчинятися. Вони є бар'єрами для руху границь зерен, і тому метал зберігає дрібнозернисту структуру. Витримка зразків зварних з'єднань 15 хвилин при 1175 °С забезпечила їм ударну в'язкість на рівні в'язкості основного металу.

Рис.2.33. Мікроструктура зварного з'єднання карбідно-аустенітної сталі з нітридним зміцненням:

загальний вигляд (а), зона вигину волокон (б,д), зона стику (в,г), основний метал (е) (зменшено при друкуванні у 1,5 рази)

Ширина білої смуги залежить від параметрів режиму зварювання, але в першу чергу від тиску проковки. При надмірному тиску смуга зовсім відсутня, що свідчить про утворення з'єднання між більш холодними прошарками заготовок. При цьому міцність з'єднань може знижуватися.

181

Дослідження структури та мікротвердості металу показали, що зі збільшенням тиску проковки навколошовна зона звужується. При зварюванні мартенситної сталі в результаті швидкого охолодження спостерігається гартування металу в тих зонах, де метал нагрівся вище температури гартування. Мікроструктура в зоні з'єднання поступово змінюється від сорбітної в основному металі до бейнітно-мартен- ситної в стику, а мікротвердість зростає від 3200 до 5500 МПа. При зварюванні аустенітної сталі твердість змінюється мало, дещо підвищуючись у зоні стику зі збільшенням тиску проковки.

Аналогічні зміни спостерігалися при зварюванні різнорідних сталей. На рис.2.34 показано зміну мікротвердості і концентрації елементів при зварюванні аустенітної сталі з низьколегованою сталлю. При випробуваннях зразки руйнувалися по аустенітній сталі.

а б

Рис.2.34. Мікротвердість металу (а) і розподіл нікелю та молібдену (б) в зоні стику при зварюванні високолегованої аустенітної та низьколегованої сталей:

1 – зварювання тертям при рпр = 260 МПа; 2 – зварювання тертям при рпр = 385 МПа; 3 – контактне стикове зварювання

182