Сварка деталей с большой разницей толщин

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени доктора технических наук

Сварка деталей с большой разницей толщин

Специальность 05.03.06 - Технологии и машины сварочного производства

Казаков Юрий Васильевич

Тольятти, 2007

Работа выполнялась на кафедре «Оборудование и технология сварочного производства» Тольяттинского Государственного университета.

Научный консультант: доктор технических наук, профессор

Владимир Иванович СТОЛБОВ

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Никита Георгиевич ДЮРГЕРОВ;

доктор технических наук, профессор

Александр Александрович ЧУЛАРИС;

доктор технических наук, профессор

Василий Сергеевич ШТЕННИКОВ.

Ведущее предприятие: ОАО «Металлист - Самара», г. Самара.

Защита состоится 19 октября 2007 г. в 14-00 на заседании диссертационного совета Д 212.264.01 в Тольяттинском государственном университете (ТГУ) по адресу: 445667, г. Тольятти, ул. Белорусская, 14, актовый зал УНИ.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Тольяттинского государственного университета.

Автореферат разослан 29 июня 2007 г.

Учёный секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук, профессор П.Ф. ЗИБРОВ

Актуальность темы

Сочетания деталей с большой разницей толщин (БРТ) применяются для изготовления сильфонных, мембранных, диафрагменных узлов, компенсаторов, металлорукавов. В изделиях авиационной и космической техники с массивными деталями сваривают крупногабаритные тонкостенные оболочки. Потребителями только сильфонов являлись более 1000 предприятий 30 отраслей промышленности, а общее их производство достигало 12 миллионов штук в год более 3000 типоразмеров. Детали с БРТ изготавливают из коррозионностойких хромоникелевых сталей, никелевых, титановых, медных и алюминиевых сплавов, тантала. Толщина кромки тонкой детали может составлять от 0,05…0,1 мм до 0,3...0,5 мм, массивная деталь может иметь толщину до десятков миллиметров.

Разные условия теплоотвода в детали с БРТ создают затруднения при всех способах сварки. Самым технологичным способом соединения считалась шовная контактная сварка (ШКС). 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., Чулошниковым П.Л. и другими учёными позволили создать технологию контактной сварки деталей с БРТ, которая нашла применение в промышленности.

Однако оказалось, что эта технология не всегда удовлетворяет возрастающим требованиям производства. Грубая чешуйчатость поверхности швов, трудности контроля качества снижают надёжность соединений. Брак сильфонов при ШКС составлял 10…15%, а в отдельных случаях 40…50%. О качестве соединений при ШКС судят по результатам разрушения сваренных деталей, расходуя на технологические пробы 5…10% кондиционных сварных узлов. 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 новых технологических процессов сварки деталей с БРТ, свободных от этих недостатков. Предпочтение было отдано сварке плавлением, в частности аргонодуговой сварке, при которой швы формируются стабильнее, легче контролируются визуально и допускают подварку местных дефектов. Но с началом освоения дуговой сварки оказалось, что большая разница в толщине деталей приводит к резкой неравномерности их нагрева и прожогам тонкой кромки. Применение дуговой сварки само по себе ещё не решило проблему повышения качества сварных узлов из деталей с БРТ. Требуется разработка новых технологий сварки, которые могут быть созданы на основе исследования особенностей процессов нагрева разнотолщинных кромок и формирования соединяющего их сварного шва. Это свидетельствует об актуальности темы настоящей работы.

Цель работы: повышение качества сварных соединений деталей с большой разницей толщин на основе теоретических и экспериментальных исследований условий и процесса их соединения и разработки новых способов и технологических процессов сварки.

Задачи работы: 1. Исследовать особенности формирования литого ядра и разработать способы повышения надёжности сварных соединений деталей с большой разницей толщин при шовной контактной сварке.

2. На основе анализа термодеформационных процессов в зоне сварки плавлением деталей с большой разницей толщин определить условия повышения надёжности сварных соединений и разработать способы дуговой сварки, удовлетворяющие этим условиям.

3. Определить критерии качества сварных соединений, выполненных дуговой сваркой и исследовать техническую эффективность разработанных способов применительно к деталям с большой разницей толщин из нержавеющих сталей, алюминиевых и титановых сплавов.

4. Разработать систему защиты от воздуха нагреваемых при сварке поверхностей сложных конструкций деталей с большой разницей толщин из титановых сплавов, предусматривающую экономное расходование защитного газа и возможность его очистки от примесей.

Методы исследований и достоверность результатов. Применяли математическое, физическое и электроаналоговое моделирование тепловых процессов, исследовали поле тока на плоских моделях. Вычислительные эксперименты производили на компьютере с помощью системы МathCAD. Структуру соединений изучали на металлографических микроскопах с фотографированием, в том числе цифровыми фотокамерами. При ШКС форму ядра определяли по предложенному способу металлографического анализа «в плане». Химический состав металла швов определяли микрорентгеноспектральным анализом, состав защитного газа - спектрофотометрическим и термохимическим газоанализаторами. Формирование шва на многослойных оболочках определяли скоростной киносъёмкой. Строение дуги выявляли, проецируя её на экран. Достоверность полученных результатов подтверждается использованием известных положений фундаментальных и прикладных наук, корректностью математических моделей и их адекватностью известным критериям оценки изучаемых процессов, сходимостью теоретических и экспериментальных данных, а также промышленной проверкой.

Научная новизна. 1. Установлено, что при шовной контактной сварке деталей с большой разницей толщин тепло выделяется в двух локальных периферийных зонах сварочного контакта, расположенных симметрично его продольной оси. Это обуславливает подковообразную форму литого ядра и, наряду с тепловым влиянием предыдущих точек на формирование последующих, уменьшает его размеры, увеличивая вероятность нарушения герметичности соединений. Повысить качество соединений можно, применяя предложенный способ шаговой сварки с остановкой во время паузы и конструкцию электрода - ролика с концентрирующими выточками (а. с. СССР № 197797 и 228166).

2. Выявлена совокупность условий, необходимых для качественного формирования шва при аргонодуговой сварке деталей с БРТ: источник тепла должен быть смещён на массивную деталь; тонкая кромка - зафиксирована относительно массивной детали; и обеспечен раздельный нагрев тонкой кромки и массивной детали. Предложены способы сварки, удовлетворяющие этим условиям: импульсной дугой с экранирующим буртом на массивной детали и непрерывной дугой при сборке с натягом и со сквозным проплавлением тонкой кромки при использовании эффекта отставания анодного пятна дуги (а. с. СССР № 299314 и 1704991, патент РФ № 2231431).

3. Определена основная причина нарушения герметичности соединений при аргонодуговой сварке деталей с большой разницей толщин из алюминиево-магниевых сплавов: расплавление, распад и окисление в-фазы в околошовной зоне (ОШЗ) тонкой детали. Деформационная способность соединения понижается при залегании окисных плён вблизи ОШЗ. Уменьшить вероятность распада в-фазы и залегания окисных плён можно, концентрируя мощность источника тепла при снижении погонной энергии. Это достигается применением предложенного способа сварки импульсной трёхфазной дугой (а. с. СССР № 226065 и 445800).

4. При аргонодуговой сварке деталей с большой разницей толщин из титановых сплавов установлены закономерности, заключающиеся в том, что формированием шва можно управлять, изменяя величину смещения источника тепла на массивную деталь и налагая на зону сварки поперечное переменное магнитное поле. Стабильное формирование шва обеспечивается соединением в замок или внахлёстку при расположении массивной детали над тонкой. Эффективность общей защиты зоны сварки от воздуха обеспечивается предложенной системой многократного использования аргона. При этом содержание азота в аргоне линейно увеличивается и после 16-го использования газа достигает 0,033%. При такой концентрации азот сварными швами не поглощается и на качество сварных соединений не влияет.

На защиту выносятся: - результаты исследования особенностей выделения тепла и формирования сварного ядра при ШКС; способы шаговой ШКС и повышения концентрации тока с помощью выточек на электродах (а. с. СССР № 197797 и 228166);

- физические и математические модели термодеформационных процессов при сварке плавлением, сформулированные на основе их исследований условия качественного формирования шва при аргонодуговой сварке деталей с большой разницей толщин; предложенные на основе этих условий способы сварки (а. с. СССР № 299314 и 1704991, патент РФ № 2231431).

- закономерности формирования швов при дуговой сварке деталей с большой разницей толщин из коррозионно стойких сталей и лёгких сплавов;

- система многократного использования защитного газа, обеспечивающая надёжную защиту крупногабаритных узлов из деталей с большой разницей толщин при дуговой сварке в камерах с контролируемой атмосферой.

Практическая ценность полученных результатов. Предложенные способы и технологии сварки, а также комплекс оборудования, включающий в себя универсальные импульсные приставки УИП, автоматы для сварки сильфонов с арматурой АССИД, устройства для полуавтоматической сварки, для регулирования сварочного тока, стабилизации зажигания дуги, систему многократного использования газа при сварке в камерах, обеспечили возможность реализации и промышленного освоения результатов работы. Это позволило повысить качество сварных соединений деталей с большой разницей толщин из нержавеющих сталей, алюминиевых и титановых сплавов.

Реализация результатов работы. Результаты исследований внедрены в производство на 38 предприятиях авиационной, электротехнической, автомобильной, судоремонтной и ряде других отраслей промышленности. При внедрении сваренные узлы прошли всесторонние испытания и показали высокое качество соединений. Уточнённая в процессе определения эффективности результатов работы формула расчёта экономии от снижения брака позволяет учитывать затраты на детали, изготавливаемые взамен бракованных, а также затраты на образцы технологической пробы. Подтверждённый актами внедрения экономический эффект результатов исследований составил 20535000 рублей в ценах 2007 года. Основная часть экономии получена вследствие повышения качества соединений. Это позволяет считать, что поставленная цель достигнута. Результаты работы использованы также в учебном процессе в курсах лекций по дисциплинам «Теория сварочных процессов» и «Защита интеллектуальной собственности». Часть разработок выполнялась под руководством автора в 25 дипломных проектах выпускников Тольяттинского госуниверситета и в пяти диссертационных работах.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на отраслевом совещании «Сварка тонколистовых материалов», Москва, 1966; на X…XVII областных конференциях, Куйбышев, 1967...1978; на всесоюзной н.-т. конференции «Технологичность и прогрессивные методы изготовления сварных конструкций», Харьков, 1968; на всесоюзном совещании «Вопросы сварки в автомобилестроении», Тольятти, 1969; на всесоюзном семинаре «Сварка в приборостроении и радиоэлектронике», Ленинград, 1969; на симпозиуме по вопросам теории и практики сварочного производства, прочности сварных конструкций и методике преподавания сварочных дисциплин в вузах, Челябинск, 1969; на III всесоюзной конференции «Научные основы технологии и прогрессивные технологические процессы в машино- и приборостроении», Москва, 1970; на н.-т. конференции сварщиков Урала, Курган, 1971; на заседании научного совета по проблеме надёжности Академии наук СССР, Куйбышев, 1971; на н.-т. конференции «Прогрессивные способы сварки в машиностроении», Ташкент, 1973; на II всесоюзной конференции «Проблемы технологии сварки теплоустойчивых, жаростойких и жаропрочных сталей», Николаев, 1985; на всесоюзных н.-т. конференциях «Состояние и перспективы развития электротехнологии» (вторые и третьи Бенардосовские чтения), Иваново, 1985 и 1987; на VII н.-т. конференции «Технологическая теплофизика», Тольятти, 1988; на всесоюзной н.-т. конференции «Проблемы создания ресурсосберегающих технологий для предприятий Сибири и Дальнего востока», Комсомольск-на-Амуре, 1988; на всероссийской с международным участием н-т. конференции «Сварка и контроль - 2004», Пермь, 2004; на Международной н.-т. конференции «Пайка 2005», Тольятти, 2005 и на всероссийской с международным участием н.-т. конференции «Современные проблемы повышения эффективности сварочного производства», Тольятти, 2006.

Публикации. Результаты исследований изложены в 109 работах, в том числе в 42 статьях в рецензируемых периодических изданиях (Сварочное производство, Автоматическая сварка, Авиационная промышленность, Физика и химия обработки материалов) 24 авторских свидетельствах СССР и патентах РФ на изобретения, в 31 публикации в сборниках статей, тезисов докладов на конференциях и в технических листках, в 12 отчётах по НИР.

Объём и структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения, содержит 360 страниц машинописного текста, включая 8 таблиц и 252 рисунка. В приложении приведены акты внедрения результатов работы. Список литературы состоит из 359 наименований источников.

Содержание работы

В главе 1 на основе литературных данных проведён анализ особенностей сварки деталей с большой разницей толщин (БРТ). Для соединения таких деталей контактную сварку применяют с 1948 года. Исследования Балковца Д.С., Орлова Б.Д., Чулошникова П.Л. и ряда других учёных показали, что формирование ядра в контакте деталей можно получить лишь при особо жёстких режимах с длительностью импульса тока 0,01 с и менее. При бульших значениях ядро смещается в массивную деталь, образуется непровар. При коротком импульсе форма ядра зависит от распределения тока в контакте: зона максимальных температур формируется на периферии контакта, сварное ядро формируется в виде тороида - образуется кольцевое проплавление. Сплошное ядро можно получить лишь при ширине контактной части электрода ? 4д, где д - толщина тонкой детали. Выдержать это условие при сварке реальных деталей практически невозможно. Особенность режима - небольшая величина усилия на электродах, на порядок меньше применяемого при сварке деталей одинаковой толщины. Но даже при этом сварные швы имеют, как правило, вмятину, соизмеримую с толщиной тонкой детали.

Типичные недостатки ШКС деталей с БРТ - наружные и внутренние выплески вследствие перегрева периферийных участков сварочного контакта. Поверхность тонкой детали частично оплавляется, могут образовываться местные выходы ядра на поверхность, прожоги, раковины. Сложилось мнение, что эти дефекты - следствие случайных колебаний параметров режима сварки или изменения состояния поверхности деталей. Однако причины их исследованы недостаточно. Грубая чешуйчатость поверхности шва затрудняет контроль. Мелкие трещины, прожоги и раковины обнаружить трудно. Сквозные дефекты можно определить только гидро- или пневмоиспытаниями на герметичность. Сварные узлы с такими дефектами бракуются.

Попытки устранения этих недостатков ШКС вызвали к жизни многочисленные разработки, направленные на повышение качества соединений. Основное внимание уделялось совершенствованию технологии. Усилия направлялись на разработку способов и технологических приёмов сварки, уменьшающих неравномерность распределения плотности тока и выделения тепла в сварочном контакте. Предложена сварка с тепловыми экранами и роликовыми электродами из материала с низкой теплопроводностью, шаговая сварка, при которой ядро формируется при неподвижном контакте. Опробована сварка по рельефу на массивной детали. Всё это позволило создать технологии, удовлетворяющие требованиям технических условий на многие конструкции деталей с БРТ, которые с успехом применялись в промышленности.

Тем не менее, практика показала, что ни один из этих способов не устраняет основные недостатки ШКС. Повышающиеся требования к качеству изделий потребовали создания новой технологии. Этим объясняется интерес исследователей и промышленности к сварке деталей с БРТ плавлением.

Однако ШКС, как наиболее производительный процесс, при пониженых требованиях к соединениям деталей с БРТ, может оказаться выгоднее, чем сварка плавлением. Известные исследования ШКС показывают, что формирование сварного ядра изучено недостаточно. В сечениях шва наблюдаются отличающиеся друг от друга структурные участки, что ставит под сомнение выводы о кольцевом проплавлении. Уточнение особенностей формирования ядра может открыть новые возможности повышения качества. Поэтому необходимость в исследованиях технологии ШКС остаётся.

Основная трудность процесса сварки деталей различной толщины плавлением - неравномерность нагрева кромок деталей: тонкая кромка перегревается раньше, чем массивная деталь нагреется до температуры плавления, образуются прожоги. Поэтому усилия исследователей были направлены на обеспечение равных теплофизических условий в зоне сварки для обеих соединяемых кромок деталей. Одним из первых было освоено торцевое соединение деталей с технологическими кольцами. Но такие соединения сравнительно редко встречаются в конструкциях узлов из деталей с БРТ, изготовление колец увеличивает трудоёмкость, металлоёмкость и вес изделий, уменьшает их проходное сечение. Чаще применяют нахлёсточное соединение деталей. Дуговая сварка таких соединений при толщине тонкой кромки более 1 мм не представляет трудностей. Но при толщине менее 0,6 мм сваркой плавлением без специальных приёмов получить такое соединение практически невозможно. Для предупреждения перегрева тонкой кромки предлагался раздельный нагрев деталей. Эта идея могла стать основой более надёжной технологии сварки деталей с БРТ, однако развития она не получила.

Новые возможности открылись после разработки способа сварки импульсной дугой неплавящимся электродом в аргоне. Однако импульсная дуга без специальных приёмов и способов соединения деталей не устраняет вероятности прожогов. Одним из таких приёмов является применение теплоотводящих экранов, устанавливаемых на тонкую деталь вблизи от зоны сварки, но для этого требуется большая номенклатура оснастки. Применяют прихваточные швы, выполняемые шовной контактной сваркой или пайкой, которые переплавляют дугой. Более распространены способы сварки нахлёсточных соединений с технологическими буртами на массивной детали. Толщина буртов соизмерима с тонкой кромкой, что несколько выравнивает тепловые условия, в которых находятся детали. Хорошее формирование шва было получено при сварке импульсной дугой по прямоугольному бурту. Однако, это не устраняет деформации тонкой кромки, опасность прожогов остаётся. Усовершенствование этой технологии - способ сварки с наклонным под углом 45^о буртом: тонкая кромка входит под бурт и прижимается к массивной детали. Это снижает деформации кромки, уменьшая вероятность прожогов. Однако, непосредственное воздействие сварочной дуги на тонкую кромку не исключается, опасность прожогов остаётся. Более надёжен вариант соединения с технологическим буртом на массивной детали, при котором бурт после сборки деталей завальцовывают на тонкую кромку, прижимая её к массивной детали. Однако и при этом дуга воздействует на тонкую кромку.

Несмотря на ряд недостатков, присущих отдельным способам и технологическим приёмам, их применение позволило создать технологию сварки деталей с БРТ импульсной дугой, которая обеспечивает хорошее формирование шва и успешно применяется на ряде предприятий. Во всех случаях отмечалось, что качество соединений по сравнению с контактной сваркой повышалось. Обеспечивалась возможность устранения выявленных дефектов сварки. Таким образом, процесс сварки импульсной дугой с буртами на массивной детали следует считать перспективным. Тем не менее, практически все рассмотренные выше работы направлены на предотвращение макродефектов, в частности прожогов тонкой детали и на обеспечение равномерного формирования шва. Вместе с тем, в ряде работ наблюдались горячие трещины в околошовной зоне. Влияние структуры на свойства сварных соединений практически не исследовалось, критерии качества соединений, полученных дуговой сваркой не определены. Скорость сварки импульсной дугой деталей с БРТ мала, что может иметь существенное значение при серийном и массовом производстве. Целесообразно исследовать возможности сварки на высоких скоростях. Не достаточно изучены особенности распределения тепла при сварке деталей с БРТ, условия устойчивости тонкой кромки в процессе сварки. Одним из действенных путей для уменьшения перегрева тонкой детали может служить смачивание жидким металлом её поверхности перед началом плавления. Исследования отмеченных факторов могут позволить сформулировать общие условия повышения надёжности соединений, и более обоснованно подойти к разработке технологии сварки. Известно лишь небольшое число работ по технологии сварки плавлением деталей с БРТ из лёгких сплавов. Сведения об особенностях формирования шва, структуры и свойств соединений, изложенные в этих работах, не полны. Отмечалось, что основные трудности при сварке деталей из титановых сплавов связаны с поглощением металлом газов. Очевидно, что вопросы защиты от воздуха в этом случае требуют изучения. Особенно это относится к сложным крупногабаритным конструкциям, включающим в себя сочетания деталей с БРТ и имеющим закрытые полости. Однако при этом неизбежно возникают проблемы повышения чистоты защитного газа в камерах и уменьшения его расхода. Очевидно, что исследования возможности очистки газа в камере и повторного его использования могут уменьшить остроту этих проблем.

Этот анализ позволил сформулировать задачи исследований.

В главе 2 описаны исследования процесса ШКС деталей с БРТ из стали Х18Н10Т. Посредством сочетания металлографического анализа в плане и в поперечном сечении установлено, что сварное ядро при ШКС может иметь подковообразную форму (рис. 1), обусловленную особенностями выделения тепла в сварочном контакте. Средняя часть ядра (шейка подковы) в плоскости шлифа в 1,5…2,0 раза тоньше и уже концов подковы, имеющих вытянутую заострённую форму. Концы подков располагаются над шейками, частично перекрывая их на периферийных участках. Подкова, составляющая сварное ядро, наклонена в продольном направлении относительно плоскости шлифа в плане на угол 3…6^о.

Рис.1. Макроструктура сварного шва ШКС. в плане. Сталь Х18Н10Т, д = 10 + 0,18 мм.Ч 35

В средней части шва ядра не перекрываются, между шейками соседних ядер металл не расплавляется. Если плоскость поперечного шлифа попадает в эту зону, то в стыке деталей видны два отдельных ядра - сечения двух ветвей шейки. Очевидно именно эта особенность приводила к выводу о кольцевом проплавлении. Оказалось, что случайные отклонения параметров режима незначительно влияют на качество соединений, которое определяли, измеряя размеры сварного ядра: проплавление в массивную и тонкую детали, величину перекрытия ядер, глубину вмятины от электрода на тонкой детали. Нарушения герметичности швов имеют местный характер, их можно объяснить локальными изменениями контактного сопротивления, например, в результате изменений состояния поверхности деталей. Предположили, что уменьшить вероятность местных дефектов можно, увеличив объём расплавляемого металла ядра.

Электромоделированием подтверждено, что поле тока в сварочном контакте неравномерно, плотность тока на периферии контакта выше, чем в его средней части. Однако, в отличие от точечной сварки, при ШКС на периферии контакта электрода - ролика с тонкой деталью и между деталями имеет место не кольцевая зона повышенной плотности тока, как это считалось ранее, а две периферийных зоны, расположенных на оси Y перпендикулярной направлению сварки. Особенности температурного поля, обусловленные таким распределением тока, определяли с помощью математической модели. Была принята расчётная схема (рис. 2): по поверхности полубесконечного тела вдоль оси X со скоростью сварки V_св движется система прямоугольных координат. Плоскость XOY совпадает с поверхностью тела, ось OZ направлена вглубь его. Периодически в точках О(0,0,0) и М(0,b_r,0) - на оси OY, на расстоянии b_r от начал координат, равном ширине электрода - ролика возникают и действуют в течение времени t_и два точечных источника тепла, мощностью q каждый.

Рис. 2. Схема расчёта температурного поля в сварочном контакте

Процесс периодически повторяется через промежутки времени, равные длительности паузы t_п. Выделением тепла в средней части контакта пренебрегали. Температура в точке с координатами X, Y и Z полубесконечного тела от сосредоточенного точечного мгновенного источника тепла мощностью Q описывается известной зависимостью: , где а - температуропроводность, сг - объёмная теплоёмкость материала тела, t - время от момента действия источника. Температуру Т₁, в произвольной точке М(x,y,z) подвижной системы координат от источников тепла, действовавших на оси ОХ, находили как сумму температур, образованных этими источниками к моменту времени t после действия последнего импульса:

или:

Т₁(x,y,z,t) = S_n + R_n,

где S_n - n-ая частичная сумма ряда, а R_n - остаток ряда.

.

При расчётах принимали, что Т₁ = S_n. Ошибка в этом случае равна R_n. Значение n находили из условия R_n < 0,01S_n. Температура от второго источника тепла: Т₂(x,y,z,t)=Т₁(x, y - b_r, z, t) Складывая Т₁ и Т₂, получали модель температурного поля Т_s в момент t в движущейся системе координат: Т_s(x,y,z,t) = Т₁(x, y - b_r, z, t) + Т₁(x,y,z,t). Расчёты производили на ЭВМ с помощью программы MathCAD. Определяли температурные поля на плоскости Z= 0 полубесконечного тела и на плоскости Z = h, заглублённой в тело радиусом R на глубину плоскости сечения шлифа h. Вычисленные значения относили к температуре плавления материала детали. Результаты расчётов показывают, что подковообразная форма литого ядра при жёстких режимах сварки деталей с БРТ закономерна. Она становится вероятной при наличии на периферии сварочного контакта двух источников тепла, симметричных его продольной оси, что подтверждает выдвинутую гипотезу (рис. 3).

а б

Рис. 3. Температурные поля на поверхности модели (а) и при углублении на величину h (б). Заштрихована область, нагревавшаяся выше Т_пл

В процессе экспериментов по изучению формы литого ядра на реальных деталях было замечено, что первое ядро сварного шва имеет объём литого металла больше, чем последующие ядра. Форма ядра первой точки в зависимости от длительности паузы и скорости сварки может быть подковообразной или практически сплошной, однако во всех случаях последующие точки имеют подковообразную форму и существенно меньший объём литого металла. Это явление может объяснить шунтированием сварочного тока через ядра, образовавшиеся раньше. Однако, при сравнении объёмов литого металла ядра первой точки с объёмами последующих ядер, обращает на себя внимание большая разница этих объёмов, которая трудно объяснима лишь шунтированием тока. Предположили, что наряду с шунтированием на формирование ядер влияет ещё один фактор, уменьшающий тепловую мощность в контакте. Это может быть тепловое влияние предыдущих точек на электрическое сопротивление металла в контакте между деталями. Для проверки возможности теплового влияния предыдущей точки на формирование последующей определяли изменение неравномерности плотности тока в сечении зоны сварки на плоской модели этой зоны при различной температуре. Модель вырезали в масштабе 20 : 1 из пластины толщиной 0,1 мм из стали Х18Н10Т, которую укрепляли на керамической пластине и нагревали от спирали из нихрома, подключенной к автотрансформатору. Температуру регулировали, меняя напряжение, подаваемое на нагреватель, и контролировали с помощью хромель-алюмелевой термопары. Измерения производили при температуре 25, 100, 200, 300, и 400^оС. Оказалось, что как при комнатной, так и при высокой температуре в контактах электрод - деталь и деталь -

- деталь наибольшее падение напряжения U наблюдается на периферии. В центральной части контактных площадок падение напряжения уменьшается в 5...7 раз в зависимости от температуры. При удалении от контактов вдоль оси модели в электроде и в массивной детали распределение падения напряжения практически равномерно, с относительно небольшим (в 2 раза при комнатной температуре и в 1,25...1,7 раза при всех остальных её значениях) превышением в центральной части. При увеличении температуры наблюдалось линейное уменьшение падения напряжения на периферии контактов. При 400^оС падение напряжения на периферии контакта электрод - деталь уменьшилось от 0,72 до 0,48 мВ, а в контакте деталь - деталь от 0,48 до 0,3 мВ. В центре этих контактов падение напряжения при повышении температуры уменьшалось почти одинаково: при 25^оС оно было равно 0,2 мВ, а при 400^оС уменьшилось до 0,12 мВ. Из этого следует, что тепловая мощность в контактах при повышении их температуры будет уменьшаться, что и вызовет уменьшение массы металла, расплавляемого за один импульс тока. Очевидно, что увеличить массу ядра последующих точек шва по сравнению с первой точкой можно, устранив или ослабив отрицательное влияние подогрева зоны сварки. Предположили, что это можно сделать путём увеличения паузы между импульсами тока до такой величины, при которой зона вокруг предыдущего литого ядра охладится. Такую длительность паузы можно обеспечить лишь при V_св= 0, иначе не удастся получить сплошного шва с перекрытием ядер. Это привело к разработке способа шаговой ШКС с остановкой вращения детали во время паузы (а.с. СССР № 197797). Способ осуществляется следующим образом. Вращение детали начинают до первого импульса тока и выключают чуть позже его окончания. Время, в течение которого деталь вращается, получается несколько больше, чем длительность импульса тока. После окончания импульса, во время паузы, происходит остановка вращения детали, которое вновь начинается перед следующим импульсом тока. Длительность паузы выбирают такой, чтобы за это время предыдущее ядро сварного шва и зона вокруг него полностью охладилась до исходной температуры. Оказалось, что при сварке с остановкой вращения во время паузы площадь сечения всех ядер шва практически одинакова. Таким образом, обеспечивая охлаждение зоны сварки последующих точек, можно предупредить изменение сопротивления контакта и увеличить размеры ядер последующих точек. В результате увеличивается взаимное перекрытие ядер, что уменьшает вероятность нарушений герметичности соединения.

Размер и форма электродов оказывают влияние на поле тока при контактной сварке. К.А. Кочергин показал, что в углах надрезов, расположенных между другими надрезами большей глубины, концентрация тока уменьшается. Особенно заметен этот эффект при небольшом (~ 0,7 с) времени пропускания тока. Было решено уменьшить неравномерность плотности тока, изменив сечение электрода - ролика в непосредственной близости от его контактной поверхности. В результате был предложен электрод с концентрирующими выточками (авторское свидетельство СССР № 228166). Ширина рабочей части такого ролика, по сравнению со сплошным роликом, увеличена до 3,5…4,5 мм. На его боковых поверхностях на расстоянии 2,0…3,0 мм от контактной поверхности сделаны две кольцевых выточки глубиной 0,5…0,7 мм.

Предполагалось, что сварочный ток, концентрируясь при прохождении через перемычку, не успеет полностью растечься по электроду у его контактной поверхности и неравномерность плотности тока в контактах может уменьшиться. Результаты измерений на электрической модели показали, что на периферии контакта ролика с тонкой деталью падение напряжения уменьшилось на 40%. Разность падений напряжения (ДU) в центре контакта и на его периферии снизилась в этом сечении на 70%. В контакте между массивной и тонкой деталями на периферии контакта ?U уменьшилось на 20%, а разность между падениями напряжений в центре и на периферии этого контакта снизилась на 43,5%. Применение электрода - ролика с концентрирующими выточками увеличивает размеры сварных ядер. Увеличивается их перекрытие и глубина проплавления в детали - улучшаются основные параметры шва, определяющие его прочность и герметичность.

Глава 3 посвящена анализу особенностей тепловых процессов и условий формирования шва при дуговой сварке деталей с БРТ.

При исследованиях температурного поля рассматривали стыковое соединение деталей. Сварочную дугу представляли как мощный быстродвижущийся поверхностный нормально-круговой источник тепла. На стыке массивной и тонкой деталей одновременно выполняются граничные условия первого и второго рода: температура и тепловые потоки в стыке деталей равны между собой. В качестве модели тонкой детали принимали пластину с двумерным распределением температуры в прямоугольной системе координат. Температурное поле в массивной детали рассматривали для квазистационарного случая как осесимметричное поле в четверть пространстве с осью симметрии ОХ, вдоль которой движется центр источника тепла О. Решения, применяемые в этих случаях, имеют сложный вид и не выражаются через известные функции. Однако на их основе с помощью интегральных преобразований и применения теории обобщённых функций для нашего случая, при наличии теплового контакта деталей, Н.В. Дилигенским получены достаточно простые решения, выраженные в виде ряда по степеням ординат:

Здесь и₁ и и₂ - температура в тонкой и в массивной деталях; - абсцисса

и ордината рассматриваемой точки; N^m(о) - функция дробного дифференцирования производящей функции , где - оператор дробного дифференцирования (для практических расчётов достаточны значения N^m(о) при m = 0; ±1/2 ; -1; ± 2); - критерий Пекле, характеризующий соотношение конвективного и молекулярного процессов переноса тепла;

- диаметр пятна нагрева; - безразмерная толщина тонкой пластины (для нашего случая при д_т= 0,1...0,3 мм, h = 0,0118 ...0,035).

На основе этих решений определена величина и направление теплового потока через стык деталей: из чего следует, что перенос тепла будет осуществляться от тонкой пластины к массивному телу - температурное поле асимметрично и максимальная температура и_max находится в точке, смещённой от центра пятна нагрева в сторону тонкой пластины. В результате анализа структуры температурного поля получены уравнения его возмущающих компонентов в зоне стыка и определены уравнения абсциссы и ординаты точки и_max:

;

.

С ростом Ре (с увеличением скорости сварки) координата з_m убывает незначительно, несмотря на то, что о_m при этом заметно возрастает - изотермы становятся более растянутыми вдоль оси о. Следовательно, изменением скорости сварки не удаётся приблизить точку и_max к стыку деталей.

Физическое моделирование на свинцовой модели подтвердило асимметрию Т - поля. Электроаналоговым моделированием определено, что эту асимметрию можно уменьшить смещением центра пятна нагрева источника тепла на массивную деталь. Однако при этом абсолютное значение Т_max уменьшается в 4…5 раз и становится ниже температуры плавления свариваемого металла. Это требует повышения мощности источника, что вновь сместит и_max на тонкую кромку и увеличит вложение тепла в неё. Таким образом, смещение источника тепла в сторону массивной детали без применения других приёмов не является достаточным для эффективного регулирования температурного режима тонкой кромки. Этим объясняется не прекращающийся поиск способов дуговой сварки деталей с БРТ. Большинство этих способов основано на изменениях конструкции стыка.

После некоторого значения толщины тонкой кромки формирование шва приобретает качественно иной характер независимо от толщины массивной детали. Сделали попытку анализа характера нагрева тонкой кромки в зависимости от её толщины. Приняли расчётную схему: по стыку массивной детали с пластиной толщиной д перемещается со скоростью V источник тепла мощностью 2q. При этом кромка пластины полностью расплавляется на ширине b_р, а кромка массивного тела оплавляется на глубину, равную д, образуя проплавление с сечением в виде четверти круга радиусом д. На кромке массивного тела действует точечный источник тепла мощностью q_т = q, на кромке пластины - линейный q_л = q. Чтобы обеспечивалось проплавление этой кромки на глубину д, мощность источника q и скорость его движения V должны быть связаны соотношением q = f(V) или, в безразмерном виде, q_b = f(Pe). Здесь - безразмерная мощность источника тепла, - безразмерная скорость; Т_пл - температура плавления металла свариваемых деталей, а - коэффициент температуропроводности. В отличие от предыдущих исследований в качестве характерного линейного размера выбрана толщина тонкой кромки д, поскольку в данном случае источник тепла принят сосредоточенным и величина д является объектом исследования. Характер зависимости q_b = f(Pe) определяли на основе известного решения для температурного поля от точечного источника тепла, движущегося по поверхности полубесконечного тела:

.

Рис. 4. Относительная ширина зоны расплавления тонкой кромки в зависимости от её толщины.

Зависимость q_b = f(Pe) практически линейна. По тонкой кромке со скоростью V перемещается линейный источник тепла, мощность которого q_т определяется найденной выше для полубесконечного тела зависимостью q = f(V). Тонкая кромка расплавляется на ширину b_р, границей которой является изотерма Т = Т_пл. В безразмерном виде эта ширина: b_р/д = f(Ре). Характер этой зависимости определяли на основе известного уравнения температурного поля предельного состояния от движу- щегося линейного источника тепла в пластине:

Оказалось, что эту зависимость можно аппрок- симировать с относительной погрешностью менее 1% выражением: . Используя это выражение определили зависи- мость относительной ширины зоны проплавления тонкой кромки b_p/д от толщины тонкой кромки д для случая сварки деталей из стали Х18Н10Т при скорости сварки V = 2,5 мм/с (рис.4), в которой можно выделить два харак- терных диапазона. Границей между ними может служить д = 0,5 мм. В диапазоне малых д ширина расплавляемой части тонкой кромки b_р изменяется от 45,14 д (при д = 0,1 мм) до 9,69 д (при д = 0,5 мм), т.е. более, чем в 4,5 раза, тогда как в диапазоне больших д (от 0,5 до 1,0 мм) b_р изменяется от 9,69 д до 5,26 д - менее, чем в 1,8 раза. Очевидно, что соединяемые массивную и тонкую детали следует считать деталями с БРТ, если массивную деталь можно схематизировать как полубесконечное тело или плоский слой, тонкую деталь - как пластину, а относительная ширина расплавления тонкой кромки b_р/д ? 10. Для нержавеющих сталей это соответствует д ? 0,5 мм, при толщине массивной детали более 1,5…2,0 мм.

Исследования Т-поля позволили сформулировать условия, которые необходимо выполнять при разработке процессов сварки плавлением деталей с БРТ, обеспечивающих качество и надёжность соединений: конструкция стыка деталей должна обеспечивать фиксацию тонкой кромки относительно массивной детали; источник тепла необходимо смещать на массивную деталь и обеспечивать раздельный нагрев деталей при сварке.

Рис. 5. Экранирующие бурты (а.с.СССР № 299314). а - наклонный; б - со скосом на кромке канавки в массивной детали

Проверка известных способов фиксации тонкой кромки прихваточными швами, выполненными ШКС или пайкой, с последующей дуговой сваркой показала, что оба эти способа, увеличивая трудоёмкость, являются недостаточно надёжными. Компоненты припоя из паяного шва, попадая в сварной шов, могут обуславливать неоднородность его механических свойств, что при нагрузке приводит к образованию трещин. Шов, выполненный ШКС, требует точного перемещения дуги по его кромке, отклонения могут приводить к прожогам. Местные непровары прихваточного шва и местное увеличение вмятины от электрода также приводят к прожогам тонкой кромки. Известны случаи появления дефектов типа микротрещин.

Рис.6. Способ сварки с использованием эффекта отставания дуги (патент РФ № 2231431.

Известные конструкции стыка и способы сварки деталей с БРТ не обеспечивают выполнения сформулированных выше усло- вий. Торцевые соединения фиксируют кромку, но не обеспе-чивают смещения источника на массивную деталь и раздельного нагрева деталей. Наклонный бурт и предложенный в настоящей работе скос на выступе массивной детали фиксируют кромку и смещают источник на массивную деталь, но не защищают кромку от непосредственного воздействия дуги. Выполнить все условия удалось при разработке способа сварки с экранирующим буртом (рис. 5) импульсной дугой в среде аргона. Дуга при этом должна гореть со стороны массивной детали против основания бурта либо на некотором расстоянии от него, изменяя которое можно регулировать перегрев расплавляемого металла бурта и долю тепла, вводимого в тонкую кромку. Процессы оплавления массивной и тонкой деталей разделяются во времени: кромка может оплавиться только после бурта. Массивная деталь и бурт нагреваются дугой, а тонкая кромка - металлом бурта, стекающим на её поверхность и смачивающим её, что нейтрализует влияние зазора между деталями. С применением экранирующего бурта погонная энергия может быть уменьшена на 36%, вложение тепла в тонкую кромку снижается в 1,5 раза.

Для увеличения производительности разработан способ сварки непрерывной дугой, при котором источник тепла располагается над тонкой кромкой на расстоянии 20д от её торца (рис. 6). Разделение источника обеспечили за счёт использования эффекта отставания анодного пятна движущейся дуги от оси электрода. Отставание может доходить до 12 мм, его можно регулировать, изменяя скорость сварки и вводя в дугу оксиды и галогениды. Источник разделяется на два: соосный электроду 3 газодинамический поток 4, нагревающий поверхность тонкой детали 2 и проплавляющий её насквозь, и анодное пятно, смещающееся вдоль оси шва в сторону обнажившейся массивной детали 1 и образующее на ней вторую ванну 7, которая, сливаясь в хвостовой части с первой 5, формирует шов 8. Это удовлетворяет второму и третьему условиям повышения надёжности: обеспечивается раздельный нагрев деталей и смещение части источника тепла на массивную деталь. Но фиксация кромки при этом не обеспечивается.

Рис.7. Модель воздействия источника тепла (точка О) на тонкую кромку.

Предположили, что при проплавлении оболочки и при высокой скорости сварки деформации тонкой детали могут быть уменьшены. За расчетную модель приняли пластинку, закреплённую по трем сторонам, со свободной продольной стороной, по которой движется источ- ник тепла. На пластинку действуют продольные сжимающие напряжения у_x, приложенные к коротким сторонам (рис. 7). Критические сжимаю- щие усилия на единицу длины можно определить по формуле:

;

где - цилинд- рическая жёсткость пластинки; 2с - длина, b - ширина, д - толщина плас- тинки; E - модуль упругости первого рода; м - коэффициент Пуассона. Напряженное состояние от воздействия на кромку пластины движущегося линейного источника определяли с помощью решения В. А. Винокурова:

,

где: б_Т - коэффициент линейного расширения; q - мощность источника; л - коэффициент теплопроводности; SignX - знак величины X; V - скорость сварки; a - коэффициент температуропроводности; К₁ - модифицированная функция Бесселя первого порядка. Для расчета режимов сварки, обеспечивающих устойчивость тонкой кромки, применяли энергетический метод С.П.Тимошенко. Работу равномерных сил Р_кр, сжимающих пластинку по сторонам x= - c; x = c, определяли по формуле:

, и приравнивали её к работе упругих сварочных напряжений:

Преобразовав, получили

Рис. 8. .Зависимость Wсв от скорости Vсв и погонной энергии qп сварки

В левой части этого уравнения содержатся константы, зависящие от материала и размеров оболочки, в правой - от эффективной мощности источника q и скорости сварки V: W_св = f(q;V). Чтобы определить характер этой зависимости надо узнать, какая часть мощности источника тепла kp вводится в тонкую кромку. Нагреваемое тело схематизировали как плоский слой толщиной д₂, на поверхности которого лежит пластина толщиной д₁. Тепловое действие дуги по предложенной схеме процесса (рис. 6) представляли двумя нормально распределёнными источниками тепла, следующими друг за другом. Источники движутся со скоростью V по оси ОХ; второй источник тепла отстает от первого на расстояние l. Мощность дуги q, вводимая в изделие, распределяется между источниками. Доля мощности kp от q распространяется в пластине, а доля (1-kp) - в плоском слое. Температурное поле рассчитывали отдельно в пластине и плоском слое на основе известных формул Н.Н. Рыкалина. Установившаяся температура в пластине толщиной д₁ от движущегося со скоростью V источника с сосредоточенностью r₀ и мощностью q определяется функцией:

где: ,

а в полубесконечном теле выражением:

где:.

На основе этих решений определяли размеры и форму ванны и сечения шва. За основу расчета температурных полей были взяты параметры режимов сварки, использованные в предварительных экспериментах. Значение коэффициента Кр определяли при совпадении расчетных конфигураций сварочных ванн на тонкой и массивной деталях с полученными при сварке образцов на тех же режимах, какие задавались при расчете. Оказалось, что доля мощности источника тепла, поступающей в тонкую деталь Кр =0,35 q. По этим данным определили величины погонной энергии, которые необходимо использовать при исследовании функции W_св= f(q,v): q_П=4; 5; 6 Дж/10^-3м. Скорость сварки изменяли от 5 до 250 м/час. В результате получили зависимости функции W_св = f(q;v) от скорости сварки, при различных значениях погонной энергии q_п (рис. 8). Для определения q_п, при которой обеспечится устойчивость тонкой кромки, вычислили W_М = 3,0?10^-3. Сравнивая эту величину c значениями W_cв= f(q;v), можно сделать вывод что обеспечить устойчивость тонкой кромки можно только при q_П=4 Дж/10^-3м, при этом величина скорости сварки должна быть более 200 м/час. Экспериментально установили, что при V_св> 100 м/час процесс не стабилен. Значит, обеспечить отсутствие коробления кромки тонкой детали в процессе сварки можно, только прибегая к фиксации сопрягаемой части тонкой оболочки, т.е. обеспечивая первое условие надёжности процесса сварки. Это можно сделать, изменив величину критических сил Р_кр, приложив к рассматриваемой пластинке (рис. 7) силы, направленные противоположно действию Р_кр. Для этого можно создать перед сваркой в сопрягаемой части оболочки растягивающие напряжения при помощи сборки соединения с натягом. Оказалось, что наибольшее напряжение в сопрягаемой части оболочки при её деформации в упругой области составляет , где d, d₂ - внутренний и наружный диаметры тонкой оболочки, у_т - предел текучести материала оболочки. Вычислив величину W_М с учётом у_max , получили 6,0?10^-3. Сравнивая полученный результат со значениями W_св = f(q;v) (рис. 8), можно сделать вывод, что при q_П=4 Дж/10^-3м отсутствие коробления тонкой кромки в процессе сварки возможно во всем исследованном диапазоне скоростей сварки от 5 до 250 м/час: при q_П=5 Дж/10^-3м - при скоростях сварки более 90 м/час, а при q_П=6 Дж/10^-3м - при скоростях сварки более 130 м/час. Таким образом, условие устойчивости тонкой кромки при сварке нахлёсточного соединения тонкостенной оболочки с массивной деталью, при наружном расположении оболочки, имеет вид: . Это условие выполняется, при создании сборочного натяга в сопряжении деталей, что эквивалентно фиксации тонкой кромки относительно поверхности массивной детали. При сборке с натягом (а. с. СССР № 1704991) под сварку непрерывной дугой с использованием отставания анодного пятна дуги от оси электрода все три условия повышения надёжности технологии будут выполнены. Предложены формулы для расчёта диаметров сопрягаемых деталей при наружном и внутреннем расположении тонкой оболочки относительно массивной детали, и способ создания натяга путём совместной деформации собранных деталей.

При малых диаметрах стыка деталей, характерных для мембранных узлов и соединений фланцев с тонкими оболочками, трудно обеспечить стабильность ширины шва и проплава по всей длине стыка. В этом случае температурное поле не достигает квазистационарного состояния в зоне формирования шва в течение всего процесса сварки. Ширина шва может возрастать в 1,5…2,0 раза, а проплава - в 2…4 раза по сравнению с начальным участком, в конце шва могут возникать дефекты. В таких случаях целесообразно уменьшать тепловложение по мере перемещения источника тепла по стыку. Однако особенности температурного поля при круговых и кольцевых стыках деталей связаны не только с диаметром шва, но и с теплофизическими свойствами материала деталей и со скоростью сварки, которая, в свою очередь, зависит от тепловой мощности источника и от толщины свариваемых кромок. Необходим критерий малости диаметра кругового шва. Экспериментально установили, что трещины в конце шва могут образовываться при увеличении его ширины более, чем на 10% от номинального значения. Обозначим ширину шва на его начальном участке b_н, а на конечном b_m. Тогда её максимальное относительное увеличение: . Примем эту величину в качестве усреднённого показателя неравномерности формирования круговых и кольцевых швов. Динамику изменения зоны проплавления в процессе сварки можно описать соотношением: