Содержание к диссертации
Введение
1 Особенности сварки деталей с большой разницей толщин 10
1.1 Шовная контактная сварка 10
1.2 Сварка плавлением 16
1.3 Задачи исследования 30
2 Исследование процесса шовной контактной сварки 32
2.1 Особенности формирования сварного ядра 32
2.2 Механизм образования подковообразного сварного ядра 57
2.3 Повышение стабильности формирования сварного ядра 68
2.3.1 Шаговая сварка 68
2.3.2 Уменьшение неравномерности тока в сечении контакта 77
3 Особенности тепловых процессов и условий формирования шва при дуговой сварке деталей с большой разницей толщин 84
3.1 Аналитические исследования температурных полей 84
3.2 Моделирование температурных полей 93
3.3 Правомерность термина «Детали с большой разницей толщин» 97
3.4 Условия повышения надёжности технологии дуговой сварки ] 02
3.5. Исследование возможности дуговой сварки по прихваточным швам, выполненным пайкой и шовной контактной сваркой 105
3.6. Выбор схемы сварки импульсной дугой нахлёсточных соединений с технологическими буртами на массивной детали 114
3.7 Выбор схемы процесса сварки непрерывной дугой нахлёсточных соединений деталей с большой разницей толщин 120
3.8 Условия устойчивости кромки тонкой детали в процессе сварки непрерывной дугой 129
3.9 Сборка деталей с большой разницей толщин с натягом 139
3.10 Особенности сварки круговых и кольцевых швов малого диаметра 145
4 Дуговая сварка деталей с большой разницей толщин из нержавеющей стали 156
4.1 Методика исследований 156
4.2 Сварка импульсной дугой с технологическими буртами на массивной детали 160
4.2.1 Структура и свойства сварных соединений 160
4.2.2 Подготовка стыка и сборка деталей под сварку 167
4.2.3 Влияние параметров режима сварки с экранирующим буртом на качество сварных соединений 172
4.3 Сварка непрерывной дугой со сквозным проплавлением тонкой детали 183
4.3.1 Временные перемещения тонкой кромки в процессе сварки 183
4.3.2 Особенности формирования сварного шва 190
4.3.3 Влияние условий сборки и параметров режима сварки непрерывной дугой на формирование шва 194
4.4 Дуговая сварка многослойных тонкостенных оболочек с массивной арматурой 200
5 Дуговая сварка деталей с большой разницей толщин из лёгких сплавов 214
5.1 Сварка деталей из алюминиевых сплавов 214
5.1.1 Влияние окисных плен на свойства соединения 222
5.1.2 Исследование влияния Р - фазы на свойства соединений 228
5.1.3 Сварка трёхфазной импульсной дугой 233
5.2 Сварка деталей с большой разницей толщин из титановых сплавов 247
5.2.1 Особенности формирования шва при сварке тонкостенных конструкций из титановых сплавов 248
5.2.2 Защита поверхности свариваемой детали от воздуха 259
5.2.2.1 Совершенствование местной защиты зоны сварки 261
5.2.2.2 Сварка в камерах с контролируемой атмосферой 264
5.2.2.3 Особенности сварки при пониженном давлении защитного газа 268
5.2.3.4 Система многократного использования защитного газа 272
6 Оборудование, оснастка, промышленное освоение результатов работы 289
6.1 Оснастка для шовной контактной сварки 289
6.2 Источник питания сварочной дуги 291
6.3 Автоматы для сварки сильфонов с арматурой 300
6.4 Камеры с контролируемой атмосферой 311
6.5 Перспективные разработки 314
6.5.1 Способ автоматического регулирования длительности импульса при сварке импульсной дугой 314
6.5.2 Многоэлектродный автомат 319
6.6 Промышленное освоение и эффективность работы 324
6.6.1 Внедрение полученных результатов в производство 3 24
6.6.2 Экономическая эффективность 328
Заключение 334
Общие выводы 334
Рекомендации 337
Литература 339
Приложение 362
- Сварка плавлением
- Механизм образования подковообразного сварного ядра
- Моделирование температурных полей
- Сварка импульсной дугой с технологическими буртами на массивной детали
Введение к работе
Сочетания деталей с большой разницей толщин широко применяются в машиностроении. Такие сочетания типичны для конструкций, содержащих гибкие элементы или тонкостенные оболочки, соединяемые с массивными деталями. К ним относятся мембранные, диафрагменные и сильфонные сварные узлы, а так же крупногабаритные тонкие оболочки, соединяемые с арматурой, стыковочными и крепёжными деталями. Перспективны сочетания деталей с большой разницей толщин в конструкциях космических объектов, поскольку преимущественная толщина свариваемых деталей этих объектов составляет 0,1...4 мм [277]. Мембранные [224; 291; 319; 325; 355; 359] и диафрагменные [309] узлы в виде тонкостенных дисков или пластин, приваренных к массивной арматуре, используют в качестве датчиков давления, либо для передачи колебаний от одной среды к другой, или в качестве разделителей сред, которые должны смешиваться при разрушении мембраны или диафрагмы специальным устройством.
Сильфонные узлы представляют собой упругую тонкостенную гофрированную оболочку, соединённую с массивной арматурой [50; 32]. Гофрированную оболочку изготавливают чаще всего из трубной заготовки, сваренной продольным швом [239; 240], путём выдавливания гофр внутренним давлением в специальной форме [357]. Применяют сильфонные узлы (рис. 1) в качестве датчиков давления, компенсаторов в системах трубопроводов [31; 220; 272; 309; 342] и уплотнений при передаче линейных и угловых перемещений через стенки, разделяющие различные среды [51; 52], в качестве стабилизаторов давления в трубопроводах [43]. Сильфонные узлы могут служить исполнительными элементами в пневматических и гидравлических спусковых механизмах, в качестве чувствительных элементов в автоматических и измерительных устройствах [53; 291], в термостатах, расходомерах и т.п., используются в качестве металлорукавов и гибких шлангов [290]. Потребителями сильфонов в Советском союзе яьля- лись более 1000 предприятий 30 отраслей промышленности, а общее их производство достигало 12 миллионов штук в год при номенклатуре, составляющей более 3000 наименований [250).
Рис. 1. Варианты конструкций сильфонных узлов
Для изготовления сильфонных, мембранных и диафрагменных узлов применяют коррозионностойкие и жаропрочные дисперсионно твердеющие стали [10], никелевые сплавы, сочетания стальной тонкостенной детали с медной арматурой [194], титановые сплавы [11], тантал [268], медные сплавы, в частности томпак, алюминиевые сплавы [134*; 136*;]. Но чаще всего, особенно для изготовления сильфонных узлов, применяют высоколегированные коррозионностойкие стали типа 18-8 [30; 48; 270].
Толщина кромки тонкой детали (сильфона, мембраны, диафрагмы, оболочки) может составлять от 0,05...0,1 мм [61; 356] до 0,3...0,5 мм [1о9], тогда как, деталь, с которой эта кромка соединяется, может иметь толщину от одного до нескольких десятков миллиметров.
Здесь и далее знаком * обозначены публикации автора.
Сильфонные, мембранные и диафрагменные узлы являются ответственными конструкциями, существенно влияющими на работоспособность машин и аппаратов. Отказ такого узла в процессе эксплуатации зачастую ведёт к аварии всего изделия. Поэтому при производстве сильфонных, мембранных и диафрагменных узлов большое внимание должно уделяться качеству их изготовления на всех операциях технологических процессов.
Один из наиболее сложных и ответственных технологических процессов - это сварка мембран, тонкостенных сильфонов или оболочек с массивными деталями. Различные условия теплоотвода в тонкую и массивную детали создают в этом случае затруднения при всех способах сварки. Одним из самых технологичных способов соединения деталей с большой разницей толщин считалась шовная контактная сварка. Исследования, выполненные в НИАТ, МАТИ, МГТУ им. Н.Э. Баумана, ВИАМ и в ряде других организаций Аксельродом Ф.А, Аловым А.А. и Булгачёвым Е.А., Балковцем Д.С, Кагановым Л.Н., Моравским В.Э., Орловым Б.Д., Чулош-никовым П.Л. и другими учёными [4; 7; 8; 10; 21; 22; 23; 24; 33; 34; 209; 222; 223; 251] позволили создать технологию контактной сварки, которая нашла широкое применение в промышленности.
Однако по мере расширения объёма производства деталей с большой разницей толщин, по мере появления новых ответственных конструкций таких деталей, оказалось, что эта технология в целом ряде случаев не удовлетворяет возрастающим требованиям. Нестабильная прочность швов, грубая чешуйчатость их поверхности и возникающие в связи с этим трудности контроля качества снижают надёжность сварных соединений деталей с большой разницей толщин, работающих в агрессивных средах, в условиях большого перепада давлений, высоких знакопеременных нагрузок, глубокого вакуума. Опыт промышленных предприятий показал, что брак сильфонов в результате дефектов сварных швов, выполненных шовной контактной сваркой может составлять 10... 15%, а в отдельных случаях достигает 40... 50% [89*; 281]. О качестве сварных соеди-
8 нений при шовной сварке судят по результатам разрушения сваренных деталей, при этом на технологические пробы расходуется 5... 10% кондиционных сварных узлов. Непроизводительные затраты на брак и на контроль качества в целом по стране составляли более 30 миллионов рублей в год по ценам 60-х...80-х годов прошлого века.
Всё это вызвало необходимость изыскания и исследования новых процессов сварки деталей с большой разницей толщин, свободных от недостатков, присущих контактной роликовой сварке.
Были разработаны и успешно применялись технологические процессы пайки сильфонных узлов и компенсаторов [29; 272; 351; 273; 244]. Однако вследствие специфичности конструкций стыков деталей, а в ряде случаев повышенной трудоёмкости и энергоёмкости, процессы пайки не получили широкого распространения.
Предпочтение было отдано сварке плавлением.
Наряду с дуговой сваркой успешно опробованы способы электроннолучевой [356; 68; 35] и лазерной [171; 54; 35] сварки. Однако эти способы в связи с относительно высокой стоимостью оборудования и повышенными требованиями к точности сборки деталей также нашли лишь ограниченное применение в промышленности. Отмечалось также [356], что при этих способах сварки отклонения параметров режима от оптимальных значений сильно влияют на размеры шва. Существенным преимуществом электроннолучевой сварки можно считать возможность практически о/дно-временного нагрева и сварки криволинейного стыка (например, при наложении кругового шва) по всей его длине, что снимает проблему слежения за стыком и обеспечивает более равномерный нагрев всей зоны сварки. Это возможно при осуществлении предложенного нами способа [121*], по которому электронный луч сканируют с большой частотой по прямоугольной площадке, в которую вписан весь криволинейный стык деталей или его часть. В моменты пересечения лучом линии стыка мощность луча увеличивают. Сигнал о положении стыка деталей получают от видикона, ус-
9 тановленного над стыком. Электронный луч в этом случае рисует точками повышенной мощности луча изображение стыка на самом стыке деталей. Но из-за сложности оборудования для этого способа и ограниченности его применения на многих конструкциях деталей с большой разницей толщин, работы по освоению этого способа развития не получили.
Данные, полученные НИАТ [285], и другими предприятиями [13; 16; 307] показали, что наиболее перспективным способом сварки плавлением деталей с большой разницей толщин может служить способ дуговой сварки неплавящимся электродом в среде аргона. Сварные соединения, выполненные аргонодуговой сваркой, имеют более стабильное формирование [13; 15; 46] по сравнению со швами, полученными контактной шовной сваркой, легче контролируются визуально и допускают подварку местных дефектов. Это создаёт предпосылки для повышения качества соединений ответственных конструкций из деталей разных толщин. Однако с первых же шагов освоения дуговой сварки этих конструкций оказалось, что большая разница в толщине кромок свариваемых деталей приводит к резкой неравномерности их нагрева. В результате тонкая кромка, перегреваясь, деформируется, образуются прожоги [13; 16].
Таким образом, применение дуговой сварки само по себе ещё не решило проблему повышения качества сварных узлов из деталей с большой разницей толщин. Для решения этой проблемы требуется разработка новых технологий сварки, которые могут быть созданы на основе исследования особенностей процессов нагрева разнотолщинных кромок и формирования соединяющего их сварного шва.
Поэтому целью настоящей работы являлось повышение качества сварных соединений деталей с большой разницей толщин путём теоретических и экспериментальных исследований условий и процесса их соединения и разработки новых способов и технологических процессов сварки.
Сварка плавлением
Первые сведения об аргонодуговой сварке деталей с большой разницей толщин относятся к 1960...65 годам [32; 245; 256; 344]. Первые же работы в этой области выявили основную трудность процесса сварки деталей различной толщины плавлением - неравномерность нагрева кромок деталей. Известно, что кромки тонколистового металла толщиной менее 0,6 мм имеют повышенную склонность к короблению, что приводит к прожогам металла [80 ; 217; 234; 236]. При соединении деталей с большой разницей толщин тонкая кромка перегревалась раньше, чем кромка массивной детали успевала нагреться до температуры плавления, образовывались прожоги. Поэтому усилия исследователей были направлены на обеспечение равных теплофизических условий в зоне сварки для обеих соединяемых кромок деталей. Одним из первых освоенных технологических приёмов было торцевое соединение деталей (рис. 1.3). Этот технологический приём в дальнейшем получил развитие как в нашей стране [237; 238; 241], так и за рубежом [358; 359;]. Применяли торцовые соединения трёх типов. По первому типу (рис. 1.3 а) кромка тонкой детали располагалась между технологическим прямоугольным буртом на торце массивной детали и специальным технологическим кольцом [241; 359]. Так же сваривали мембраны с трубной арматурой. Мембрану изготавливали в виде стакана, вводили этот стакан внутрь арматуры и по торцу арматуры и мембраны производили сварку [325]. По второму типу (рис. 1.3 б) технологическое кольцо надевалось на цилиндрическую часть тонкой детали. Затем её кромка развальцовывалась и надевалась на массивную деталь, на которой выполнялся бурт, либо пристыковывалась к торцу этой детали, на котором также выполнялся бурт. Тонкая кромка зажималась между буртом на массивной детали и технологическим кольцом. Разновидностью этого типа соединения можно считать конструкцию стыка, при которой на массивной детали выполняют уступ, тонкую оболочку надевают на массивную деталь до упора в этот уступ, а технологическое кольцо на тонкой оболочке устанавливают на расстоянии около 2 мм от уступа [48]. Сварной шов при этом накладывали в зазоре между технологическим кольцом и уступом (рис. 1.3 в). По третьему типу [283] на концевом участке тонкой детали выполняют отбортовку, с обеих сторон этой отбортовки устанавливают технологические наружное и внутреннее кольца, после чего производят их сварку (рис. 1.3 г). Технологические кольца, сваренные с тонкой кромкой, в этом случае либо привариваются к массивной детали, либо используются в качестве массивной детали. Бурты на массивной детали и технологические кольца во всех случаях имели толщину около 1 мм. Пакет, состоящий из бурта, кромки тонкой детали и технологического кольца (или двух технологических колец) при этих типах торцевого соединения оплавляют непрерывной дугой неплавящимся электродом в среде аргона.
Во всех этих случаях отмечалось повышение качества сварных соединений сильфонных узлов по сравнению с шовной контактной сваркой. Однако торцевые соединения сравнительно редко встречаются в конструкциях узлов из деталей с большой разницей толщин. Кроме того, для осуществления такого соединения требуется изготовление технологического кольца, что увеличивает трудоёмкость, металлоёмкость и массу изделий, а в некоторых случаях ухудшает их технологические параметры, например, уменьшает проходное сечение сильфонного узла [241].
Наиболее распространено нахлёсточное соединение деталей с большой разницей толщин. Дуговая сварка нахлёсточных и угловых соедине ний таких деталей при толщине тонкой кромки более 1 мм не представляет трудностей [92 ; 337]. Качественные швы в этом случае можно обеспечить тщательным подбором параметров режима сварки. Однако при толщине тонкой кромки менее 0,6 мм обычными способами сварки плавлением практически невозможно получить нахлёсточное сварное соединение.
Основной трудностью являются различные условия теплоотвода в свариваемые детали. Зазор между деталями играет роль теплового экрана и препятствует отводу тепла от тонкой кромки. Под действием тепла дуги в кромке тонкой детали возникают термические напряжения. Тонкая кромка в зоне нагрева теряет устойчивость и коробится, причём величина её прогиба пропорциональна толщине кромки [234; 237]. В результате зазор между деталями резко увеличивается и отвод тепла от тонкой кромки ухудшается. Вследствие хорошего отвода тепла в массу более толстой детали, для её оплавления нужно ввести в зону сварки значительно больше тепла, чем требуется для оплавления тонкой кромки. Последняя перегревается и оплавляется значительно раньше массивной детали. Силы поверхностного натяжения формируют расплавленный металл в сферу и перемещают его от зоны сварки в направлении, перпендикулярном торцу тонкой детали. Поскольку условий для образования общей для обеих деталей сварочной ванны нет, то образуется прожог тонкой кромки.
Механизм образования подковообразного сварного ядра
При точечной контактной сварке плотность тока распределена по сечению контактов деталь - деталь и электрод - деталь неравномерно и достигает максимального значения на периферии контакта [176; 221, С.23; 222; 333, С.97]. Поэтому выделение тепла также неравномерно: в начале импульса тока температура быстро растёт на периферии контакта и медленнее в его центре. Периферийные участки контакта по его периметру находятся в одинаковых условиях, их электрическое сопротивление примерно одинаково. По всей периферии контакта выделение тепла одинаково, в начальный период импульса тока образуется кольцевая зона нагрева, при жёстком режиме вероятно кольцевое проплавление с непроваром в середине тороидального ядра.
При шовной контактной сварке распределение удельного сопротивления по площади контакта электрод - деталь имеет иной характер. Известно, что при контактной сварке подвод тока к деталям осуществляется через фактическую площадь контакта - большее или меньшее число отдельных физических микроконтактов, разбросанных по общей поверхности контакта электрод - деталь [5; 44; 184]. Эти микроконтакты обуславливаются шероховатостью поверхности деталей. Допустим, что неровности поверхности детали, контактирующей с электродом, одинаковы, имеют форму конуса и равномерно расположены на этой поверхности. Тогда, если под действием сварочного усилия Р (рис.2.23 а) микронеровности полностью деформируются вблизи оси электрода Y, образуется контактная площадка шириной Si. Однако микронеровности на периферии контакта впереди и сзади электрода - ролика деформируются не полностью. Сумма ширины площадок контакта, образованных при неполной деформации неровностей, составит: S = S2 + S3 + + S4 + ...+ Sn. Количество n образовавшихся на периферии контакта площадок зависит от диаметра ролика Dp, однако, S Si при любом Dp.
В то же время деформация микронеровностей по ширине ролика - по оси Z - (рис.2.23 б) будет одинаковой во всех участках контакта или отличаться незначительно, если учесть скругление контактной поверхности ролика. Если принять, что сопротивление различных участков контакта обратно пропорционально контактной площади этих участков, которая, в свою очередь, пропорциональна их ширине, то, очевидно, что при шовной сварке сопротивление участка контакта электрод - деталь вдоль оси Z будет одинаковым при всех значениях Z - как на периферии, так и в центре этого участка.
Вдоль оси X - в центре контакта сопротивление будет минимальным, а у периферии - максимальным. При толщине тонкой детали менее 0,3 мм эта неравномерность сопротивления контакта электрод - деталь вследствие деформации тонкой детали под действием сварочного усилия Р в несколько ослабленном виде повторится и в контакте деталь - деталь.
Это соответственно скажется на распределении тока в сварочном контакте. В нём образуются две зоны с максимальной плотностью тока в окрестностях точек Z - ± Ь/2, где b - ширина контактной поверхности ролика. Это обусловлено тем, что, во первых, эти точки принадлежат участку контакта с минимальным электрическим сопротивлением, а во вторых - проявится эффект концентрации плотности тока на периферии контакта (в данном случае - на концах зоны контакта в окрестности оси Z). Такой эффект проявляется в местах резкого изменения сечения электропроводящих элементов, при сварке его связывают с растеканием тока в электродах и деталях [221]. Неравномерность плотности тока обусловливает изменение конфигурации температурного поля. Непосредственное исследование температурного поля на моделях сечения сварочного контакта, нагреваемых между электродами сварочной машины [20; 222;] позволяет получать достоверные результаты лишь при мягких режимах сварки деталей преимущественно одинаковой толщины. Поэтому было решено определить особенности распределения плотности тока в сварочном контакте, а затем расчётным путём исследовать обусловленную этими особенностями конфигурацию температурного поля.
Моделирование температурных полей
Проверить результаты аналитических исследований непосредственным измерением температуры в зоне сварки реальных деталей не удалось. Малые размеры исследуемой области (Y = 1...7 мм) требуют установки термопар в зоне действия сварочной дуги. Дуговой факел, непосредственно нагревая термопары, завышает их показания, диаметр проводов термопары и их спай имеют размеры одного порядка с толщиной тонкой детали, что искажает результаты измерений. Кромку тонкой детали трудно зафиксировать, в результате её деформации от нагрева дугой в процессе эксперимента, условия теп-лоотвода в массивную деталь изменяются, и температурное поле искажается.
Поэтому экспериментальные исследования были проведены на физической модели, выполненной из свинца (рис. 3.5.а). В качестве тонкой детали применяли свинцовую фольгу толщиной 0,4 мм (ГОСТ 1324-44). Для создания теплового контакта между деталями и фиксации тонкой кромки, её припаивали к поверхности массивной детали толщиной 10 мм, отлитой из расплава этой же фольги. Расчётную схему, использованную для аналитических исследований при физическом моделировании реализовать не удалось.
Источником тепла служил медный стержень с диаметром рабочего торца 2 мм, нагреваемый нихромовой спиралью. Стержень располагался перпендикулярно поверхности тонкой детали на её кромке и двигался по стыку деталей со скоростью 4 м/час.
Температура измерялась в четырёх точках на поверхности массивной детали и в шести точках на поверхности тонкой пластины с помощью термопар медь - константан 0 0,25 мм. Рабочие спаи термопар предварительно об-луживали, а затем припаивали к поверхности деталей модели.
В области - 1 Y 1 непосредственное измерение температуры затруднены. Рабочие спаи термопар, будучи размещёнными в этой области на поверхности деталей, препятствовали перемещению нагревателя. Углубление рабочих спаев термопар возможно только в массивную деталь. Всё это приводило к недопустимым искажениям. Для исследования характера изотерм в этой области применили графический метод, основанный на рассмотренном выше анализе структуры уравнений температурного поля (рис.3.4).
При линейном приближении возмущающих компонентов температурного поля AG] и А02 в предположении, что их действие распространяется на всю неисследованную область, были получены непрерывные изотермы (рис.3.6.б) и кривые распределения температуры в сечениях X = Const (рис. 3.6 г) и Y =Const (рис. 3.6 в). По этим кривым определяли те участки изотерм, построение которых по результатам осциллографирования было затруднено.
Результаты исследования данных физического моделирования показали, что температурное поле в плоскости XOY асимметрично, максимальная температура смещена на тонкую пластину (рис. 3.6 б), как это и следует из аналитических исследований. Анализ этих особенностей температурного поля позволил предположить, что положение точки максимальной температуры, а, следовательно, и температурный режим тонкой кромки, можно регулировать путём изменения положения центра пятна нагрева относительно стыка деталей.
Влияние положения источника тепла на температурное поле исследовали методом аналогового электромоделирования, обеспечившего более точную повторяемость результатов [69 ; 153 ]. Общая методика аналогового электромоделирования известна давно и достаточно полно изложена в работах [39; 170]. Известно, что нет непосредственного электрического аналога уравнения (3.2), учитывающего не только перепад температуры, но и конвективный процесс переноса тепла вследствие перемещения источника тепла. Однако для этого случая можно составить электрическую сеточную модель из омических сопротивлений, пользуясь методом квазианалогового электромоделирования температурных полей, предложенного и теоретически обоснованного А.В. Темниковым [59; 60; 310].
Моделирование производили на сеточном RC - электроинтеграторе с автоматическим уравновешиванием АКАИ-1. Для моделирования была принята схема соединения деталей встык (рис. 3.1 а).
Результаты электромоделирования [153 ] подтвердили наличие асимметрии температурного поля при положении центра пятна нагрева источника тепла на стыке деталей (рис. 3.7). Максимальная температура Ттах смещена на тонкую пластину. Температура в стыке (Тст) составляла 0,75 Ттах. При смещении центра пятна нагрева источника тепла в сторону массивной детали Ттах приближается к стыку деталей. При некоторой величине смещения № достигается условие Тст = Ттах и Ттах может расположиться на стыке деталей (рис. 3.8). Однако при этом температура в точке Ттах непрерывно понижается (рис. 3.9), при А = 0 уменьшается в 4...5 раз и становится ниже температуры плавления свариваемого металла. Это требует повышения мощности источника тепла, что вновь приведёт к смещению Ттах на тонкую кромку и увеличит вложение тепла в зону сварки.
Сварка импульсной дугой с технологическими буртами на массивной детали
При всех исследованных конструкциях стыка с буртами на массивной детали формирование шва равномерное, с плавными переходами к основному металлу (рис. 4.5). Такая форма благоприятна с точки зрения прочности, так как обуславливает минимальную концентрацию напряжений на границах шва. В середине шва и у его поверхности структура дезориентирована, ближе к массивной детали видна зона направленной дендритной кристаллизации.
Наибольший интерес представляет собой околошовная зона (ОШЗ) сварного соединения, под которой понимают участок сплавления металла шва с основным металлом и примыкающий к нему участок перегрева в основном металле [329, С. 569]. С точки зрения образования горячих трещин ОШЗ опаснее, чем металл шва [289]. Изменение структуры металла в ОШЗ предлагалось считать одним из основных показателей качества [47]. В аусте-нитных сталях замедленное охлаждение может вызвать выпадение по границам зёрен избыточных фаз [185; 202]. Это понижает пластичность металла и может увеличить склонность к образованию трещин. Нагрев металла при сварке в ОШЗ вызывает ускоренное разложение и расплавление ниже температуры плавления свариваемого сплава фаз, находящихся по границам зёрен [354]. При их последующем затвердевании появляются усадочные напряжения, в ОШЗ по границам ранее оплавленных зёрен образуются трещины.
Длительное воздействие температуры выше 1200... 1250С ведёт к интенсивному образованию карбидов титана, которые связывают углерод и успевают раствориться в аустените. Концентрация хрома при этом может измениться незначительно. Однако при последующем нагреве до критических температур провоцирующего отжига (450...850С) образуются карбиды хрома типа Сг2зСб, которые, выпадая по границам зерен, снижают их коррозион ную стойкость - в ОШЗ тонкой детали может повыситься склонность металла к межкристаллитной коррозии [202; 237]. В массивной детали ОШЗ невелика, ширина её составляет 10... 15 мкм.
Практически на этом участке соединения ОШЗ можно считать линией сплавления [202]. Причина этому - высокая скорость отвода тепла в массчвнз ю деталь.
При испытаниях сварных соединений на прочность разрушение во всех случаях происходило по ОШЗ тонкой детали. Очевидно, именно эта зона является наиболее опасным участком сварного соединения деталей с большой разницей толщин. На основании этих данных было предположено, что качество сварных соединений при сварке плавлением в основном определяется структурой и свойствами околошовной зоны в тонкой детали. Экспериментальная проверка подтвердила это предположение [91 ; 94 ; 131 ].
ОТТТЯ в тонкой детали состоит из частично оплавленных зёрен с ликва-ционными прослойками между ними (рис. 4.6). При сварке с экранирующим буртом (рис. 4.6 б) ОШЗ имеет ширину 0.03...0,06 мм и при увеличении те л-ловложения в тонкую кромку (например, вследствие повышения силы тока или смещения электрода в сторону тонкой детали) достигает 0,09 мм. Трещин и других дефектов в ОШЗ тонкой детали в этом случае не обнаружено.
В соединении с прямоугольным технологическим буртом или со скосом на массивной детали ширина ОШЗ в тонкой детали составляет 0.08...0,2 мм (рис.4.6 а). Повышение тепловложения в тонкую деталь увеличивает ширину ОШЗ до 0,3.. .0,4 мм, после чего образуются прожоги.
Испытания сварных соединений на прочность показали, что разрушающее усилие уменьшается с увеличением ширины ОШЗ в тонкой детали (рис. 4.7). Разрушение имеет хрупкий характер и проходит по межзёренным прослойкам. Наиболее высокие значения разрушающего усилия (2,2...3,2 кг при толщине тонкой кромки 0,15 мм) получены на образцах, сваренных с применением экранирующего бурта. Характер полученной зависимости одинаков при всех исследованных толщинах тонкой кромки в пределах от 0,15 до 0,3 мм. При ширине ОШЗ (S3) 0,03...0,05 мм прочность соединения близка к прочности основного металла (рис. 4.8), увеличение S3 до 0,08 мм снижало разрушающее усилие на 25...30%. Испытания сильфонных узлов внутренним давлением до разрушения показало, что такое понижение прочности допустимо. Разрушение сильфонных узлов происходило по основному металлу гофрированной оболочки, течей в сварных соединениях не было.
На образцах, сваренных с прямоугольным технологическим буртом и скосом, в ОШЗ при её ширине 0.2 мм и более обнаруживались трещины (рис. 4.9). Сетка трещин резко снижает прочность соединения. При отсутствии трещин разрушающее усилие при толщине кромки 0.15 мм составляло 2,2... 1,5 кг, цвет излома был серебристо белым. Наличие трещин уменьшало усилие разрушения до 0,5 кг. Излом в этом случае имел тёмно-жёлтый или светло-коричневый цвет. Извилистая форма и наличие в изломе цветов побежалости свидетельствуют о том, что трещины в ОШЗ являются горячими.
Испытания на стойкость против межкристаллитной коррозии (МКК) производили по методу AM согласно ГОСТ 6032-58. Образцы выдерживали в течение 24 часов в кипящем растворе, состоящем из 160 г CuS045H20 и 100мл H2SO4 плотностью 1,835 г/см на 1 литр воды.
