10 (Курс лекций в электронном виде)

6

Форма № 3.

Титульный лист

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПРИБОРОСТРОЕНИЯ И ИНФОРМАТИКИ

Кафедра

ТИ-3 «Информационное обеспечение технологии соединения материалов

УТВЕРЖДАЮ

Заведующий кафедрой

_______________________

В.М.Ямпольский

«___»_________200__г.

Для студентов _4_

курса факультета_ТИ_

Специальность _15.02.02_

К. т. н., с.н.с. Гейнрихс И.Н.

(ученая степень, ученое звание, фамилия и инициалы автора)

ЛЕКЦИЯ № _10_

по 4346 «Технологические основы сварки плавлением и давлением»

ТЕМА Введение. Предмет и задачи курса. Основа учения об электрических контактах

Обсуждена на заседании кафедры

(предметно-методической секции)

«__»___________200__г.

Протокол № __

МГУПИ – 200__г.

Тема лекции: ОСНОВНЫЕ ДЕФЕКТЫ, ПРИРОДА ИХ ОБРАЗОВАНИЯ

И МЕРЫ ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ

Учебные и воспитательные цели:

1. Ознакомление студентов с основными условиями сварки

2. Ознакомление с основными дефектами, природой их образования и мерами предупреждения

Время: 2 часа (90 мин.).

Литература (основная и дополнительная):

• Орлов Б.Д. и др. Технология и оборудование контактной сварки.

М: Машиностроение. 1986. –352 с.

Учебно-материальное обеспечение:

1. Наглядные пособия:

• Видео фильм «Контактная сварка»

1. Технические средства обучения:

• Электронный проектор

1. Приложения: ______________________________________________

(наименования и №№ схем, таблиц, слайдов, диафильмов и т.д.)

ПЛАН ЛЕКЦИИ:

Введение – до 5 мин.

Краткий обзор лекции №9

Основная часть – до 80 мин.

Основные дефекты, природа их образования и меры предупреждения.

1-й учебный вопрос - до 30 мин.

Непровары. Выплески.

2-й учебный вопрос - до 30 мин.

Несплошности зоны сварки.

3-й учебный вопрос - до 20 мин.

Снижение коррозионной стойкости соединений.

Заключение – до 5 мин.

ТЕКСТ ЛЕКЦИИ.

Основная часть – ОСНОВНЫЕ ДЕФЕКТЫ, ПРИРОДА ИХ ОБРАЗОВАНИЯ И МЕРЫ ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ

Основными дефектами являются непровар, выплески, несплошности зоны сварки (трещины, раковины), снижение корро­зионной стойкости соединений, неблагоприятные изменения струк­туры металла.

1-й учебный вопрос: Непровары.

Непровар — наиболее опасный и трудновыявляемый де­фект, при котором зона взаимного расплавления (при точечной сварке она определяется диаметром этой зоны dз. в. р) меньше требуемой в чертеже изделия. Непровар может проявляться в виде полного отсутствия (рис. 1.38, а) или уменьшения (рис. 1.38, б) литого ядра, а также при частичном или полном сохранении оксидной пленки или плакирующего слоя в контакте деталь — деталь (рис. 1.38, г, д). Наиболее опасен непровар, в котором образуется соединение в твер­дом состоянии (рис. 1.38,6) по микрорельефам поверхности. Такое соединение трудно выявить, оно может выдержать иногда относи­тельно большие статические срезывающие нагрузки и хрупко раз­рушиться при небольших напряжениях отрыва и знакопеременных нагрузках.

Непровары, показанные на рис. 1.38, г, д, встречаются, напри­мер, при сварке алюминиевых сплавов (АМг6, Д16 и др.), имеющих на поверхности увеличенную толщину плакирующего слоя ^из чи­стого алюминия — металла, который обладает более высокой элек­тропроводимостью и Тпл чем основной сплав. При плавлении основ­ного металла плакирующий слой не расплавляется и препятствует образованию металлических связей в расплавленном состоянии. В этом случае, а также при относительно толстых тугоплавких оксидных пленках электромагнитные силы, необходимые для пере­мешивания расплавленного металла, оказываются недостаточными для их разрушения.

Общая причина непровара —- изменение параметров режима сварки (снижение Iсв, tсв, увеличение Fсв и dэ), а также других технологических факторов (малые нахлестка, расстояние между точками, большие зазоры), приводящие к снижению плотности тока (тепловыделения).

При шовной сварке отмечается постепенное снижение плотности тока и размеров литой зоны после сварки нескольких первых точек из-за накопления теплоты и снижения сопротивления пластической деформации металла. Это обстоятельство следует учитывать при выборе режима шовной сварки.

Для предупреждения непроваров следует обеспечить стабильность технологических факторов и работы сварочного оборудования, а также удалить перед сваркой тугоплавкие оксиды и плакирующий слой, препятствующие процессу образования зоны взаимного рас­плавления деталей.

Выплески

Выплеск — это выброс части расплавленного металла из зоны сварки.

Выплески разделяют на наружные (из об­ласти контакта электрод — деталь), внутренние (между деталями), начальные (на I этапе) и конечные (на II этапе). Наружные выплески ухудшают внешний вид изделий и снижают стойкость электродов. Отрываясь от детали, выплески, могут приводить к за­сорению магистралей и агрегатов.

Кроме того, внутренние выплески часто препятствуют дальнейшему росту ядра вследствие повышен­ного растекания тока и охлаждения металла. Конечные выплески часто сопровождаются образованием трещин, раковин и глубоких вмятин.

Общая причина появления этого дефекта состоит в отставании скорости деформации от скорости нагрева. Например, начальные выплески объясняются перегревом отдельных участков (локальных контактов) относительно малой площади из-за перекоса электродов, плохой подготовки поверхности. При сварке металлов с малым сопротивлением деформации выплески не характерны (алюмини­евые и магниевые сплавы). Вероятность появления их возрастает при использовании жестких режимов сварки и небольших усилий. Образование конечного внутреннего выплеска связано с раскрытием зазора, вызванного тепловым расширением металла, потерей герме­тичности соединения и выбросом жидкого металла, находящегося под высоким давлением (рис. 1.38, в). Этот вид выплеска образуется при условии: FСВ < Fя, dп -> d. При соблюдении неравенства Fсв > Fп и dп > d выплески маловероятны.

Склонность к появлению конечного внутреннего выплеска можно оценить, используя коэффициент kв (рис. 1.40), который представляет собой отношение критического dкр и минимально допустимого dmin диаметров ядер:

Величина dкр — это максимальный диаметр ядра, который удается получить без выплеска за счет увеличения Iсв (при Fсв = соnst и tсв = соnst). Величина kв зависит от режима сварки и формы импульса сварочного тока. Для увеличения kв (уменьшения д) лучше использовать мягкие режимы, предварительный подогрев отдельным или модулированным импульсом, униполярные импульсы низкочастотных машин и машин постоянного тока, режимы, близ­кие к полнофазному на машинах переменного тока.

Помимо этого предупредить раскрытие зазора и конечный вы­плеск удается путем повышения усилия на 15—20 % на конечной стадии цикла нагрева, размеще­ния между деталями ленты или плакирующего слоя из пластич­ного металла. Почти полностью исключить его можно при обжатии металла вокруг электрода (см. гл. 3), что особенно важно при сварке деталей неравных толщин и из разноименных металлов. На рис. 1.40 приведены значения kв для некоторых металлов (толщи­ной 1 + 1 мм, dmin = 4 мм), для случая сварки на машине пере­менного тока с использованием графика с постоянным Fсв.

2-й учебный вопрос: Несплошности зоны сварки.

В стадии охлаждения часты случаи образования несплош-ностей в литом металле сварного шва: наружные и внутренние тре­щины, раковины (рис. 1.41).

Образование несплошностей наиболее часто наблюдается при сварке деталей толщиной свыше 1 мм из сплавов с широким интервалом кристаллизации. Как показали исследования, трещины являются горячими и образуются преиму­щественно в температурном интервале хрупкости.

Нехватка металла при кристаллизации ядра без внешнего давле­ния приводит к образованию рассеянных или сосредоточенных несплошностей (раковин).

В связи с высоким начальным давлением в ядре и большой скоростью охлаждения образование значительной пористости маловероятно.

Усадка кристаллизующего металла, например, в радиальном или окружном направлениях вызывает объемную деформацию м = м/Ем, где м — напряжение, действующее в выбранном на­правлении усадки; Ем — модуль упругости металла. Если счи тать, что деформация границ охлаж­даемого металла ограничена, то. воз­никнут напряжения где гср — средний коэффициент усадки металла в твердом состоя­нии; Ткр — температура кристаллиза­ции; Та •— температура после охлаж­дения.

Очевидно, что если м > в (где в временное сопротивление металла при растяжении), то произойдет образование горячей тре­щины.

Когда пластическая деформация, вызванная действием Fсв или перемещением границ зерен металла, скомпенсируется, тогда м < в, и горячая трещина не образуется. Таким образом, предупре­ждение образования горячих трещин и раковин связано с уменьше­нием растягивающих напряжений. Основным способом снижения растягивающих напряжений и предупреждения образования несплошностей в зоне сварки является применение ковочного усилия. При выборе Fков и tк следует учитывать теплофизические и механи­ческие свойства металла, толщину деталей, режим сварки, форму импульса тока. Большие скорости кристаллизации, например, при сварке металлов с высокой теплопроводностью, вызывают необхо­димость увеличения Fков и уменьшения tк. С ростом толщины деталей Fков и tк возрастают. Переход к более жестким режимам (уменьше­ние tсв) приводит к повышению Fков и снижению tк.

При выборе 4 следует учитывать, что при сварке на конденса­торных машинах нагрев зоны сварки продолжается после максимума сварочного тока.

Приложение Fков должно совпадать с началом кристаллизации металла. Усилие должно сохраняться до полного охлаждения зоны сварки (рис. 1.42). При так называемой ранней ковке и соответ­ствующем времени tкр из-за повышения степени деформации и сни­жения плотности тока могут возникнуть непровары, кроме того, увеличится глубина вмятин и зазор между деталями. Если Fков будет приложено после частичной или полной кристаллизации («поздняя» ковка при tк. п), то сопротивление деформации металла будет велико и образуются несплошности.

Обычно оптимальные значения tк и Fков подбирают эксперимен­тальным путем. Некоторые значения этих величин приведены в гл. 3.

При шовной сварке деталей толщиной 2 — 3 мм кристаллизация металла может частично или полностью происходить без внешнего давления, так как ролик уже переместился на шаг. При этом пре­имущественно образуются трещины, расположенные перпендику­лярно к оси z.

При сварке последующей точки в зависимости от шага возможны следующие способы устранения дефектов (рис. 1.43): переплав металла предыдущей точки (при малом шаге или перекрытии более 50 %), заполнение несплошностей жидким металлом (при большем шаге или перекрытии ~50 %) или заполнение этой несплошности нагретым металлом в результате его пластической деформации (большой шаг — перекрытие 30—40 %).

Кроме несплошностей усадочного происхождения вблизи пояска, в околошовной зоне часто обнаруживаются структурные неодно­родности — участки, заполненные металлом, как правило, с по­вышенным содержанием легирующих элементов (см. рис. 1.41). Эти участки принято называть «усами». Природа их образования недостаточно ясна. Их количество увеличивается при сварке мало­пластичных сплавов с широким интервалом кристаллизации при мягких режимах и перегреве околошовной зоны. Их иногда квали­фицируют как дефекты. Однако влияния усов на прочность и пла­стичность сварных соединений не отмечалось.

3-й учебный вопрос: Снижение коррозионной стойкости соединений.

Этот дефект возникает в результате переноса части элек­тродного металла на поверхность вмятины и может вызвать усилен­ную коррозию в этой части соединения, особенно на сплавах, чув­ствительных к коррозии в контакте с электроположительными эле­ментами, например, алюминиевых и магниевых сплавах в контакте с медью. Этот дефект называется в практике контактной сварки «загрязнением» поверхности деталей. При сварке металлов с покры­тиями часть этого покрытия, в частности цинка при соединении оцинкованных сталей, может отрываться от основного металла, обнажая его, что также приводит к ухудшению коррозионной стой­кости.

Скорость массопереноса по мере постановки ряда точек возра­стает, так как на поверхность электрода переходит свариваемый металл и это вызывает снижение его теплопроводности и электро­проводимости. Следствием подобного изменения свойств является увеличение температуры в контакте с деталями как за счет повыше­ния тепловыделения, так и снижения теплоотвода (эффект теплового экранирования). Это явление приводит к росту объема расплавлен­ного металла (глубины проплавления), что часто сопровождается образованием трещин, выходящих на поверхность деталей, и вы­плесков.