5 (Конспект лекций (Свариваемость металлов и сплавов))

Занятие 3  лекция №5. Технологическая свариваемость при сварке давлением

Трудоемкость _2__ часов.

Образование сварного соединения при сварке давлением. Основные параметры, влияющие на свариваемость: давление (деформация), температура, время, среда (состав газовой фазы), скорость взаимного перемещения (трение). Основные причины, приводящие к ухудшению свариваемости. Дефекты в шве. Свойства металла шва. Термомеханическое воздействие на окисные пленки и загрязнения. Сварочные напряжения. Методы устранения дефектов.

5 Технологическая свариваемость при сварке давлением.

5.1 Классификация и основные параметры процессов сварки давлением, влияющих на свариваемость.

Характерным признаком сварки давлением является применение давления для осадки металла, а также нагрева.

В процессе сварки давлением собранные детали сдавливают усилием P. Операция сдавливания называется осадкой, а прилагаемое давление – осадочным давлением. Осадочное давление должно создавать значительную пластическую деформацию в зоне сварки с перемещением выдавливаемого металла вдоль поверхности раздела. Для обеспечения осадки применяют подогрев металла.

Процессы образования соединений без нагрева называют механическими. К таким процессам относится:

1. Холодная сварка основана на использовании пластической деформации материалов в месте соединения при осадке. Эта сварка нашла применение только для достаточно пластичных материалов: Аl, Cu и др. Для соединения материалов необходима зачистка соединения элементов от жира и удаления окисных пленок в процессе деформации.

2. Сварка трением используется обычно для стержневых изделий. При сварке одна часть изделия неподвижна, а другая вращается. При контакте обеих частей и приложении осадочного усилия P вследствие сил трения происходит разогрев и пластическая деформация металла. Эту сварку применяют для металлов и пластмасс.

3. Ультразвуковая сварка. Частный случай холодной сварки с положением пульсирующего усилия (ультразвукового колебания с частотой 18-20кгц.

4. Сварка взрывом. Энергией от детонации взрывчатых веществ подается соединяемым деталям. При соударении поверхностей происходит очистка от загрязнений и окислов. В точках соударения обеспечивается прочное сварное соединение.

К термомеханическим процессам относят процессы, идущие с введением теплоты и механической энергии сил давления при осадке.

Теплота может выделятся при протекании электрического тока, газопламенном или индукционном нагреве и т.д. Отметим наиболее распространенную – контактную сварку. Она применяется для металлов и сплавов. Основной источник энергии – выделяемая теплота вследствие протекания электрического тока в зоне контакта. Давление, сжимающее детали, формирует сварное соединение.

Контактная сварка бывает: стыковая, точечная и шовная.

Любые технологические процессы сварки давлением управляются пятью основными параметрами: давление (деформация), температура, время, среда (состав газовой фазы), скорость взаимного перемещения (трение).

Давление – осадка создает пластические деформации, вызывает течение металла вдоль поверхности раздела соединяемых материалов, вызывает перемешивание, разрушает поверхностные слои металла, выводит на поверхность внутренние, свежие - ювенильные (не бывшие в соприкосновении с атмосферой) слои металла, сближает соединяемые поверхности и способствует соприкосновению их атомов.

Нагрев ослабляет связи между атомами, делает их более подвижными, снижает твердость металла и повышает его пластичность – способность к пластическим деформациям.

Нагрев и осадка при сварке взаимосвязаны: чем выше нагрев, тем меньше давление осадки и наоборот. Иногда отдельные параметры взаимосвязаны настолько тесно, что не могут самостоятельно регулироваться и контролироваться. Например, при сварке взрывом в результате быстрой пластической деформации металл в зоне сварки нагревается, что помогает осуществлению сварки, при этом температура в зоне соединения не задается и не контролируется.

Все процессы сварки давлением протекают во времени. В некоторых их них время мало сказывается на результатах, в других оно влияет лишь не условия подготовки металла к сварке (выравнивание температуры по сечению).

Преимущества и недостатки сварки давлением по сравнению со сваркой плавлением.

«+» Соединение может образовываться без применения промежуточного (присадочного) материала, отличного от соединяемого металла. Сварка давлением не изменяет химический состав металла, а структуру меняет лишь незначительно. При этой сварке есть возможность приблизиться к идеальному случаю тождества металлов в зоне сварки и вне ее, полной неразличимости зоны сварки.

«-» Сварка давлением требует более тщательной подготовки и зачистки соединяемых поверхностей.

5.2 Формирование соединений при точечной и шовной сварке.

Необходимое и достаточное условие образования соединения – образование общей зоны расплавленного металла или ядра заданных размеров. Формирование соединений происходит в три этапа.

1. Первый этап начинается с момента включения тока и характеризуется образованием электрического контакта, нагревом и расширением твердого металла, приводящим к увеличению зазоров и вытеснению под действием сварочного усилия металла в зазор и образованию усложняющего ядра пояска.

1. Второй этап отличается дальнейшим увеличением площади контактов, возникновением и ростом расплавленного ядра. На этом этапе происходит дробление и перераспределение поверхностных пленок в жидком металле и продолжаются процессы пластической деформации и расширения металла.

2. Третий этап начинается с момента выключения тока и характерен охлаждением и кристаллизацией металла.

5.3 Влияние параметров сварки на образование и устранение дефектов.

Степень пластической деформации (F) обеспечивает получение необходимой площади электрического контакта, образование вокруг ядра уплотняющего пояска из твердого металла, который препятствует выдавливанию (выплеску) жидкого металла из ядра и защищает его от взаимодействия с окружающей атмосферой.

Изменение усилия (F) дает возможность управлять процессами кристаллизации и влиять на величину остаточных напряжений.

Поверхностные пленки (окислы, слои плакировки) более тугоплавкие чем основной металл. Они полностью разрушаются и перераспределяются лишь в жидком металле. Этот процесс – один из основных, т.к. он способствует удалению поверхностных пленок, мешающих взаимодействию в жидкой фазе (образование общей сварочной ванны). Разрушение и удаление указанных пленок в жидком металле происходит под действием электродинамических сил. Действие этих сил приводит к интенсивному перемешиванию жидкого металла и выравниванию состава ядра при сварке разнородных металлов. Электродинамические силы – объемные силы – максимальные на периферии и снижающие до нуля в центре ядра. В результате этих сил в расплаве происходит распределение давления. Литое ядро имеет форму эллипсоида. Давление в центре максимально, а на границе снижается до нуля. Такое распределение давления ведет к циркуляции жидкости от центра к периферии. Частицы пленки перемещаются к периферии. Под действием электродинамических сил расплавленный металл и находящиеся в нем частицы (пленки) испытывают движения в различных направлениях и с различной скоростью. Такое перемещение вызывает перемешивание металла, разрушение пленок и концентрацию разрушенных нерастворимых частиц пленки на периферии расплава. Происходит термомеханическое воздействие на металл, оказывающее влияние на свойство металла ядра и расположенного вокруг него металла околошовной зоны.

Кристаллическая структура ядра представляется в виде дендритов, растущих на базе полурасплавленных зерен. Оси этих дендритов в центральной зоне ядра совпадают с осью электродов, т.е. с направлением максимального градиента температур и наибольшего отвода теплоты. Между отдельными кристаллами может иметь место междендритная ликвация, а также может проявляться и зональная ликвация. При наличии растягивающих напряжений в этих зонах образуются горячие трещины.

В центре ядра наблюдается также различные рыхлоты усадочного происхождения, связанные нехваткой металла при кристаллизации. Наличие больших запасов влаги на поверхности пленки, служащей источником водорода, приводит иногда при сварке с малыми усилиями к появлению рассеянной пористости в ядре. При повторном нагреве точки шва в результате диффузии газов из твердого металла в несплошности может происходить развитие пористости. Борьба с порами – очистка поверхностей.

Избежать образования трещин и рыхлоты удается путем уменьшения скорости охлаждения (подогрев металла дополнительным импульсом тока), повышением усилия на электродах (в 2-3 раза) после выключения тока, когда металл находится в твердом состоянии.

Помимо дефектов, возникающих при кристаллизации: 1) нарушающих склонность металла ядра и околошовной зоны можно разделить на несколько групп:

1. изменение заданных размеров ядра или полное отсутствие ядра, общего для соединяемых деталей (дефекты типа непровара);

2. выброс – выплеск расплавленного металла из зоны контакта деталей и деталей с электродом;

3. интенсивный переход электродного металла на поверхность соединений;

4. существенное изменение структуры и свойств металла ядра и околошовной зоны.

Непровары. Общий причиной можно считать различные нарушения характера температурного поля вследствие, например, отключения энергетических параметров от заданных значений и т.д.

Наиболее опасен непровар в виде «склейки» - отсутствие ядра и соединение деталей происходит в твердой фазе по ограниченной площади (микровыступы и неровности). Соединения с таким непроваром быстро разрушается при действии отрывающих, знакопеременных нагрузках и температур.

Другой вид непровара – снижение размеров ядра ниже установленных (номинальных) значений. Дефект наблюдается при наличии на поверхности деталей относительно тугоплавких слоев (оксидная пленка, толстый слой плакировки и т.д.). Ограниченная зона взаимного расплавления уменьшает рабочее сечение точки и ее прочность.

Устранение непроваров: корректировка параметров режима (величины тока, сварного усилия) и проверка соответствия заданным таких параметров процесса, как состояние поверхности электрода и деталей, качество сборки и т.д.

Выплески. Частицы металла, выброшенные из ядра, могут отрываться от него и, попадая в полость изделия, приводить к выводу из строя различных агрегатов. Выплески снижают стойкость электродов.

Наружные выплески возникают при малых сварочных усилиях, большой пластичности тока, перекосе деталей, неудовлетворительное состояние деталей или электродов и т.д.

Внутренний выплеск связан обычно с перегревом металла в контакте деталь-деталь, с локальным образованием зазора в уплотняющем пояске за счет сил, возникающих при расплавлении металла. Вероятность выплеска увеличивается с ростом диаметра ядра и проплавления, а также размеров контактов, в связи с возрастанием раскрывающих усилий и уменьшением значения действующих в зоне деформирования напряжений.

Устранение выплесков аналогично устранению перегревов.

Взаимодействие разнородных контактов металлов в контакте электрод-деталь приводит к загрязнению рабочей поверхности электрода продуктами взаимодействия с другой стороны – к переносу электродного металла на поверхность детали. Загрязнение поверхности электрода и деталей приводит к существенным изменениям их физико-химическим свойств (снижение тепло- электропроводности), что приводит к уменьшению теплоотвода в электроды и резкому увеличению температуры контакта. Следствием этих процессов является выплеск металла.

Включения металла электродов на поверхность деталей значительно снижает коррозионную стойкость соединений (особенно алюминиевых и магниевых сплавов).

Снижение интенсивности взаимодействия целесообразно уменьшить температуру поверхности контактирования путем, например, применения жестких режимов сварки, контроля за состоянием поверхности деталей и хорошего охлаждения электродов.

Изменение структуры и свойств металла ядра и оклошовной зоны вызывается термомеханическим воздействием на металл соединений.

Изменение структуры металла ядра при дендритной кристаллизации вызывают ликвации (легкоплавкие сплавы), отличающиеся повышенной хрупкостью. В околошовной зоне могут наблюдаться изменения исходной структуры и свойств сплава в результате развития ряда процессов, связанных с термическим циклом сварки: закалки, оплавления легкоплавких составляющих по границам зерен (эвтектики), отпуск, рекристаллизация и т.д.