Сварка. Оконч

На рис. 6. Показана осциллограмма сварки непрерывным оплавлением пульсирующим током. Процесс происходит на максимально допустимом токе. Короткое замыкание исключается высоким быстродействием исполнительных аппаратов (электрогидравлические преобразователи).

Система управления работой машины выполнена на базе контроллера и промышленного компьютера и обеспечивает: задание и контроль технологических параметров, определение качества сварного соединения, контроль состояния исполнительных механизмов, контроль состояния силовой электрической части, предоставление оператору в режиме реального времени информации о воспроизводимости технологического процесса сварки, накопление и хранение информации о протекании процесса сварки каждого сварного стыка и выдачу паспорта на каждый стык, самоконтроль и самодиагностику.

Стыковая сварка непрерывным оплавлением с подогревом

Отличается от сварки непрерывным оплавлением тем, что перед началом процесса оплавления заготовки подогревают в зажимах машины периодическим смыканием и размыканием торцов при постоянно включённом напряжении. Подогрев позволяет выравнить торцы, подогреть их. После этого стабильнее начинается непрерывное оплавление, при этом сокращается усилие осадки и общий припуск на сварку.

Рис. 4. Осциллограмма сварки непрерывным оплавлением с подогревом

Стыковая сварка импульсным оплавлением

При этом способе сварки кроме основного поступательного движения, которое совершает подвижной зажим, ему еще сообщают колебательные движения с заданной амплитудой и частотой. Способ, с точки зрения технологии, отличается высокой эффективностью, интенсивным нагревом металла при оплавлении, сокращением времени сварки, экономией электроэнергии. Однако

81

вибрация резко сокращает срок службы отдельных узлов и в целом сварочного оборудования.

2. Точечная сварка

Заготовки соединяются внахлёстку сваркой в отдельных местах, условно называемых точками. Размеры и структуры точек, определяющих прочность соединения, зависят от формы и размеров контактной поверхности электродов, силы сварочного тока, времени его прохождения, усилия сжатия и состояния поверхности заготовок. Качественная сварка характеризуется наличием общего для обеих заготовок литого ядра определённых размеров. Сварочная точка образуется между заготовками, т. к. этот участок имеет повышенное сопротивление и менее подвержен охлаждающему действию электродов.

Сварочный цикл определяется системой управления машины. Самый простой цикл состоит из: сжатие заготовок (сжатие), пропускание сварочного тока (сварка), кратковременная выдержка усилия между электродами, идёт кристаллизация расплавленного металла точки (проковка), снятие давления и разведение электродов (пауза).

В настоящее время система управления выполняется на разной элементной базе, включая компьютеры, и позволяет строить циклы сварки любой сложности, с несколькими давлениями, с несколькими токами, с активным и пассивным контролем параметров и режима работы оборудования.

3. Рельефная сварка

Сущность рельефной сварки заключается в том, что на одной из заготовок предварительно изготавливают выступы (рельефы) круглой, продолговатой, кольцевой или иной формы. Сварку осуществляют или одновременно всех рельефов или последовательно. Сварка высокопроизводительная, т. к. позволяет сваривать одновременно иногда более 100 рельефов. При сварке различных решёток пересечения прутков являются естественными рельефами. Недостатком рельефной сварки является сложность получения качественного соединения из-за шунтирующих цепей.

4. Роликовая (шовная) сварка

При этом способе сварки заготовки собираются в нахлёстку и соединяются непрерывным прочно-плотным швом, состоящим или из ряда точек, где каждая последующая точка перекрывает на 1/3 предыдущую или при постоянном протекании тока. В отличии от точечной сварки заготовки устанавливают между вращающими роликами, на которые действует усилие механизма давления и к которым подведено напряжение. При постоянном протекании тока ролики сильно перегреваются, стойкость их снижается, кроме того происходит повышенный расход электроэнергии.

82

Обозначения: I — сила сварочного тока, А; Р — усилие сжатия заготовок, Па; Iп — сила тока подогрева при термической обработке, А; t — время, с

Рис. 5. Схемы циклов точечной сварки

Схемы процесс рельефной сварки:

а — последовательность образования соединения; б — распределение токов и усилий

Рис. 6. Схемы процесса рельефной сварки

83

Обозначения: I — сила сварочного тока, А; Р — усилие сжатия заготовок, Па; Iп — сила тока подогрева при термической обработке, А; t — время, с

Рис. 7. Способы шовной сварки и их применение

5. Оборудование для контактной сварки

Основными характеристиками сварочных машин являются:

–номинальное первичное напряжение (напряжение сети);

–номинальная сила сварочного тока (сила тока, развиваемого машиной в процессе сварки заготовок номинального сечения);

–продолжительность включения (ПВ %), определяется величиной отношения суммарного времени включения тока в течении одного сварочного цикла (t св.) к полному времени цикла (t ц. ) в процентах;

ПВ tсв 100 %, tц

–вылет сварочного контура, это расстояние от оси электродов до передней стенки машины или других выступающих частей;

–сопротивление сварочного контура машины.

Контактные машины состоят из следующих основных частей:

–станины;

–источника электрического тока;

84

–механизма сжатия;

–для машин с пневмоприводом система подготовки воздуха. Блок подготовки воздуха, как правило, состоит из влагоотделителя, понижающего редуктора и маслораспылителя.

–системы управления;

–сварочного контура.

Быстро изнашивающими элементами сварочного оборудования являются токоподводящие устройства (электроды, ролики шовных машин, прижимные устройства). Они должны обладать высокой электропроводностью и высокой твёрдостью.

Этим условиям удовлетворяют различные марки бронз: кадмиева, хромистая, хромоциркониева, никилеевая.

6. Технология контактной сварки

Перед сваркой производят правку и взаимную подготовку заготовок, а также очистку их поверхностей от окалины, смазки и др. загрязнений. Сборка заготовок при точечной и шовной сварке должна обеспечивать достаточно плотное взаимное прилегание. Торцы заготовок, соединяемых стыковой сваркой сопротивлением, обрабатываются до получения ровной поверхности, перпендикулярной к оси заготовок. При сварке оплавлением к подготовке торцов предъявляются меньшие требования. Пригодны заготовки после различных способов резки.

Для получения качественного соединения при стыковой сварке необходим достаточный нагрев и пластическая деформация. Это обеспечивается определёнными плотностями токаи и усилием осадки. Существенное влияние на качество стыковой сварки оказывают: время прохождения тока, величина припусков на оплавление и осадку и скорость осадки.

При точечной, рельефной и шовной сварке режим сварки определяется следующими основными параметрами: силой тока, временем прохождения тока и усилием сжатия, при шовной сварке — дополнительно к перечисленным параметрам добавляется скорость сварки.

Кроме того на качество сварки влияют сварочный цикл, состояние контактной поверхности электродов, эффект шунтирования.

7. Дефекты при контактной сварке

Основными дефектами являются: непровар, выплески, трещины, раковины, снижение коррозийной стойкости соединения, неблагоприятные изменения структуры металла.

Непровар — наиболее опасный и трудно выявляемый дефект, при котором зона взаимного расплавления меньше требуемого в чертеже изделия. Непровар может проявляться в виде полного отсутствия или уменьшенного литого ядра. Наиболее опасен непровар, в котором образуются соединения в твёрдом состоянии по микрорельефам поверхности. Такое соединение трудно выявлять, оно может выдерживать иногда относительно большие статические нагрузки но хрупко разрушаться при небольших напряжениях отрыва и знакопеременных

85

нагрузках. Общая причина непровара — изменение параметров режима сварки (снижение тока сварки, времени прохождения тока, увеличения усилия сжатия и диаметра электрода), а также других технологических факторов (малые нахлёстки, малые расстояния между точками, большие зазоры между деталями)

Выплески — это выброс части расплавленного металла из зоны сварки. Выплески разделяют на наружные (из под электрода) и внутренние (между деталями).

Наружные выплески ухудшают внешний вид изделий и снижают стойкость электродов. Внутренние выплески препятствуют росту ядра в следствии повышенного растекания тока и охлаждения металла. Конечные выплески часто сопровождаются образованием трещин, раковин и глубоких вмятин. Общая причина этого дефекта состоит в отставании скорости деформации от скорости нагрева.

Наружные внутренние

Рис. 8. Наружные и внутренние выплески

Несплошности зоны сварки

На стадии охлаждения часты случаи образования несплошностей в литой зоне сварного шва: наружные и внутренние трещины, раковины, усы (Рис. 14).

1 — Внутренняя трещина.

2 — Раковина.

3 — Внешняя трещина.

4 — Усы.

Рис. 9. Несплошности зоны сварки

86

Уменьшению несплошностей способствует ковочное усилие. Приложение ковки должно совпадать с началом кристаллизации металла и сохраняться до полного охлаждения зоны сварки.

Содержание отчёта

–Схематично зарисовать 4 способа контактной сварки.

–Объяснить с точки зрения закона Джоуля–Ленца образование сварочной точки между двумя пластинами.

–Зарисовать схему цикла сварки закаливающих сталей и объяснить её

смысл.

Контрольные вопросы

1.Назовите достоинство и недостатки контактной сварки?

2.Какое принципиальное отличие стыковой сварки сопротивлением от стыковой сварки оплавлением?

3.Что такое пульсирующий ток при сварке непрерывным оплавлением и когда он может быть реализован?

Лабораторная работа № 7 СВАРИВАЕМОСТЬ СТАЛЕЙ

Цель работы: Изучение влияния химического состава на свариваемость сталей, особенностей сварки конструкционных, теплоустойчивых, коррозионностойких, жаростойких и жаропрочных сталей, изучение способов мер предупреждения возможных дефектов сварных соединений.

Правильный выбор материала для сварных конструкций оказывает большое влияние на их эксплуатационные качества, вес и экономичность изготовления. Материал сварных конструкций должен иметь такой комплекс свойств, который гарантировал бы высокие прочностные характеристики сварных соединений при применении технологических процессов сварки с наименьшими затратами на их изготовление.

Наиболее распространенными материалами для сварных соединений являются малоуглеродистые стали по ГОСТ 380–88 кипящих и спокойных плавок. Они дёшевы, хорошо свариваются, достаточно пластичны. Однако эти стали не рекомендуется применять при тяжелых условиях работы и низких температурах. Из-за низкой прочности они заменяются легированными высокопрочными сталями, применение которых снижает вес сварных конструкций.

Помимо сталей в машиностроении применяют и легкие сплавы, например, алюминиевые сплавы АД1, АМr2, АМr3, АД31, В93, Д16 и др., которые удовлетворительно свариваются дуговой и контактной сваркой, и имеют достаточную прочность. Однако стоимость легких сплавов значительно выше стоимости сталей. Поэтому они целесообразны в тех случаях, когда вес конструкции становится решающим критерием.

87

Влияние химического состава на свариваемость стали

Свариваемостью называют способность металлов образовывать сварные соединения без трещин и прочих дефектов, имеющие механические и физикохимические свойства, близкие к свойствам основного металла. Свариваемость определяется, главным образом, склонностью сварных соединений к возникновению трещин.

Зона сварки подвергается сильному и неравномерному разогреву: от температуры расплавленного металла до температуры окружающей среды в сравнительно узком диапазоне по длине и ширине деталей (градиент температуры

— сотни и даже тысячи градусов на миллиметр). Последующее охлаждение зоны сварки происходит очень быстро за счёт высокой теплопроводности металлов. Чувствительность металла к тепловому воздействию сварки является одним из главных показателей свариваемости.

Максимальная температура нагрева в разных зонах соединений различна: в шве максимальная температура превышает, в зоне сплавления — близка, в зоне термического влияния — меньше температуры плавления, постепенно уменьшаясь по мере удаления от шва.

При нагреве в металле происходят следующие структурные и фазовые превращения:

–растворение фаз в металле в твердом состоянии, например карбидов (соединений металла с углеродом) в нагретом металле;

–полиморфное превращение, т. е. превращение низкотемпературной модификации материала в высокотемпературную;

–плавление металла в участках, нагреваемых выше температуры плавле-

ния.

Рис. 1. Термический цикл и схема изменения структуры и свойств сварного соединения низкоуглеродистой стали при однопроходной сварке:

а— распределение максимальных температур, б — схема изменения структуры,

в— изменение твердости, г — термические циклы в характерных точках соединения

88

При охлаждении структурные и фазовые превращения идут в обратном порядке:

–кристаллизация;

–полиморфное превращение, т. е. переход из высокотемпературной фазы

внизкотемпературную;

–выпадение из металла различных вторичных фаз — карбидов, интерметаллидов и др.

Кроме названных превращений в металле в низкотемпературной области при сварке происходят структурные изменения, вызывающие разупрочнение основного металла — рекристаллизацию, старение и др.

Рассмотрим термический цикл и структуру сварного соединения при дуговой сварке низкоуглеродистой стали (Рис. 1).

На участке 1 металл, который находился в расплавленном состоянии, затвердевая, образует сварной шов, имеющий литую структуру из столбчатых кристаллов. Грубая столбчатая структура металла шва является неблагоприятной, так как снижает прочность и пластичность металла.

Зона термического влияния имеет несколько структурных участков, отличающихся формой и строением зерна, вызванных различной температурой нагрева в пределах 1500–1450 °С.

Участок неполного расплавления 2 — переходный от наплавленного металла к основному. На этом участке образуется соединение и проходит граница сплавления, он представляет собой очень узкую область (0,1–0,4 мм) основного металла, нагретого до частичного оплавления зёрен. Здесь наблюдается значительный рост зёрен, скопление примесей, поэтому этот участок обычно является наиболее слабым местом сварного соединения с пониженной прочностью и пластичностью.

Участок перегрева 3 — область основного металла, нагреваемого до температур 1100–1450 °С, в связи с чем металл отличается крупнозернистой структурой и пониженными механическими свойствами (пластичностью и ударной вязкостью). Эти свойства тем ниже, чем крупнее зерно и шире зона перегрева.

Участок нормализации 4 — область металла, нагреваемого до температур от 900 до 1100 °С. Металл этого участка обладает высокими механическими свойствами, так как при нагреве и охлаждении на этом участке образуется мелкозернистая структура в результате перекристаллизации без перегрева.

Участок неполной перекристаллизации 5 — зона металла, нагреваемого при сварке до температур 725–900 °С. В связи с неполной перекристаллизацией, вызванной недостаточным временем и температурой нагрева, структура этого участка характеризуется смесью мелких перекристаллизовавшихся зёрен и крупных зёрен, которые не успели перекристаллизоваться. Металл этого участка имеет более низкие механические свойства, чем металл предыдущего участка.

Участок рекристаллизации 6 — область металла, нагреваемого в пределах температур 450–725 °С. Если сталь перед сваркой испытала холодную деформацию (прокатку, ковку, штамповку), то на этом участке развиваются процессы рекристаллизации, приводящие к росту зерна, огрублению структуры и, как следствие, к разупрочнению.

89

Участок 7, нагреваемый в области температур 200–450 °С, является зоной перехода от зоны термического влияния к основному металлу. В этой зоне могут протекать процессы старения в связи с выпадением карбидов железа и нитридов, в связи с чем механические свойства металла этой зоны понижаются. Если металл перед сваркой был отожжен, то существенных изменений на участках 6 и 7 не происходит.

Ширина зоны термического влияния зависит от толщины металла, вида и режимов сварки. При ручной дуговой сварке она составляет обычно 5–6 мм, при сварке под флюсом средних толщин — окало 10 мм, при газовой сварке — до 25 мм.

Наряду со структурой под действием термического цикла изменяется прочность и пластичность в разных зонах сварного соединения (Рис. 1, в).

Как правило, чем выше прочность свариваемого материала и больше степень его легирования, тем чувствительнее материал к термическому циклу сварки и сложнее технология его сварки.

Рис. 2. Горячие трещины в сварных соединениях:

1,2 — продольные, 3, 4 — поперечные в шве и околошовной зоне; 5 — поперечные трещины по толщине свариваемого металла

Перепады температуры в зоне сварки вызывают неравномерное тепловое расширение одних участков и сжатие других, что приводит к значительным внутренним напряжениям и, как следствие — к деформации деталей и образованию трещин. Различают трещины горячие, возникающие при температуре близкой к температуре кристаллизации, и холодные, появляющиеся при более низких температурах.

Горячие трещины возникают чаще всего по границам зерен в наплавленном металле. Горячие трещины могут образовываться как вдоль, так и поперек шва (Рис. 2). Образование горячих трещин можно предотвратить правильным подбором электродов и химического состава сплавов, а также проектированием технологичных конструкций. В частности, наличие серы в стали резво увеличивает склонность к горячим трещинам, так как в процессе кристаллизации межкристаллические границы заполняются прослойками сульфидов (FeS, MnS).

Холодные трещины вызывают внутрикристаллическое разрушение, наиболее часто они образуются в околошовной зоне.

У сплавов с высокой пластичностью внутренние напряжения вызывают локальную пластическую деформацию, но при этом разрушение не происходят.

90