Вплив властивостей металів що зварюються на вибір параметрів зварювання

Деякі найбільш сильно впливаючі властивості для типових представників восьми груп конструкційних матеріалів приведені в таблиці 1.( див. ОРЛОВ Б.Д стор92,93 )

Питомий електроопір о багато в чому визначає зварювальний струм і тип машини. Чим менше о тим більшим має бути Ізв. Наприклад при зварюванні алюмінієвих сплавів потрібні струми значно більші ніж при зварюванні сталей.

Коефіцієнт теплопровідності  і пов’язаний з ним коефіцієнт температуропроводності а зумовлюють розсіювання теплоті в околошовній зоні, величину останньої а також температуру в контакті електрод – деталь. Зі збільшенням λ зменшують tзв використовують більш жорсткі режими.

Температура плавлення сплаву Тпл впливає на затрати теплоти, на значення Ізв, а також на температуру в контакті електрод – деталь і інтенсивність масопереносу.

Зі збільшенням коефіцієнта лінійного розширення а і умовного опору пластичної деформації σд металу збільшується схильність до внутрішніх виплесків, збільшується рівень залишкових напружень і деформацій. При зварюванні металів з великими значеннями σд потрібно різко збільшувати Fзв установлювати більш м’який режим.

Інтервал кристалізації і температурний інтервал крихкості (ТІК) визначають схильність до утворення гарячих тріщин. Чим ширша ТІК тим вище схильність до гарячих тріщин. Тип і параметр кристалічної решітки, температура плавлення визначають спорідненість при зварюванні різноманітних сплавів, кінцеву структуру і властивості металу ядра.

Електричні і фізико-механічні властивості поверхневих плівок впливають на тепловиділення в контактах і масоперенос.

Класифікація сплавів по особливостям властивостей і режимів зварювання

В результаті комплексного аналізу властивостей зварюваності умовно розбиті на вісім груп.

1. Низьковуглецеві сталі (група 1). Сталі зі складом до 0,25% С бувають звичайні і якісні. Останні мають більш вузькі границі складу вуглецю і домішок в кожній марці. В залежності від повноти розкислення вони можуть бути спокійними киплячими (кп) і напівзаспокоєними (пс).

Середні значення питомого електроопору (ρо ~ 13 мкОм*см), малий опір деформації (σд ~ 200 МПа), низька чутливість до термічного циклу і вибризків дозволяють зварювати ці сталі як на жорстких так і на м’яких режимах при невеликому зварювальному струмі Ізв і малому зварювальному зусиллі Fзв електродами з плоскою робочою поверхнею, електропровідністю не менше 80% електропровідності міді і твердістю НВ 120 – 140. Зазвичай використовують один імпульс струму с постійним зусиллям. Однак ковальське зусилля прискорює охолодження металу і при зварюванні сталей зі складом більше 0,2 % С може викликати утворення мартенситу загартування, знизити пластичність з’єднання.

2. Сереньовуглецеві і низьколеговані (група 2) Це сталі зі складом 0,25 – 0,45 % С і сталі з сумарним складом легуючих елементів (Mn, Ni, Cr, Si, Ti, Zr, Nb, W, Mo) до 2,5 %. Зі збільшенням складу вуглецю і легуючих елементів росте питомий електроопір, опір деформації, розширюється ТІК і збільшується схильність до кристалізованих тріщин, збільшується схильність до загартування, яка супроводжується утворенням мартенситу в ядрі і околошовній зоні.

Такі властивості сталей потребують повільного підігріву – м’якого режиму з довжиною протікання зварювального струму в 4 -5 разів більшому ніж для сталей групи 1. корисний також плавний підігрів, або плавне збільшення струму особливо при товщині деталей більше 1,5 мм.

Струм підігріву Іпід утворює відпуск загартованої точки. Зону зварювання при цьому нагрівають до температури, близької до Ас1. параметри Іпід, tпід, tп вибирають в залежності від марки і товщини сталі. Зазвичай іпід = (0,7 – 0,8)Ізв, tпід = (1,5 – 1,8)tзв, tп= (1,1 – 1,4)tзв. По відношенню до зварювання металів групи 1 Fзв збільшують в 1,5 – 2 рази.

Шовне зварювання виконують на порівняно м’яких режимах, з постійним, але трохи збільшеним зусиллям роликами з циліндричною формою поверхні.

3. Леговані сталі і сплави.

Аустенітні сталі мають порівняно високий ρо (70мкОм*см) і малий λ. Тому для них зварювальний струм має бути істотно нижчим ніж для сталей групи 1.

Підвищений опір деформації (300МПа) при tзв≈tзв1 Fзв≈Fзв1 де tзв1 і Fзв1 відповідно час і зусилля для металів групи 1.

Шовне зварювання виконують з безперервним обертанням роликів і імпульсним включенням струму, формуючи безперервний міцно густий шов з перекриттям точок на 30 – 60 %

Жароміцні сталі і сплави типу ХН75МБТЮ, ХН70Ю, ХНз8ВТ являють собою дисперсійно твердіючі сплави з інтерметалідним зміцненням. Невелика кількість бора, церію сприяють підвищенню міцності зерен.

Ці сплави відрізняють дуже великим ρо (90 мкОм*см ) і дуже малим λ. Тому потрібен зварювальний струм Ізв = 0,71Ізв1. виский опір деформації (500 МПа) потребує для попередження внутрішніх вибризкувань дуже м’яких режимів при tзв= (2…3)tзв1 і великих зусиль Fзв = (2.5…3)Fзв1. ці матеріали зазвичай зварюються електродами з плоскою робочою поверхнею (з циліндричною робочою поверхнею роликів). Однак внаслідок малого ρо електропровідність металу електродів і роликів може бути знижена до 45 % а твердість має бути підвищена до 160 – 240 МПа

Сплави підвищеної жаростійкості типу ХН70ВМТЮФ, ХН77ТЮР, ХН60ВТ, ХН56ВМТЮ і ін. відрізняються складним складом. Зазвичай вони зміцнюються методом дисперсійного твердіння, деякі з них мають тугоплавкі мають тугоплавкі фази між границями зерен, слабо взаємодіючи з основою при нагріві.

Така будова різко підвищує ρо (до 120 – 150 мкОм*см) і σд (до 700 МПа) тому струм істотно зменшують (Ізв=0,61Ізв1 tзв=(2,5-4) tзв1) і попередній підігрів. Бажано плавне підвищення струму. Підвищують максимальне зусилля Fзв = (3,,,4)Fзв1. Великі значення ρо і висока жаростійкість матеріалів цієї підгрупи потребують особливо твердих електродних матеріалів (до 240 МПа) з низькою електропровідністю.

4 Титанові сплави . По структурі після нормалізації ці сплави ділять на три групи: α (ВТ5, ВТ1-0), α+β (ВТ3-1, ВТ6С, ВТ14, ВТ22) і β – сплави (ВТ15). Сплави титану мають високий питомий опір (140-160 мкОм*см) тому для зварювання потрібен невеликий зварювальний струм Ізв=(0,6…0,7)Ізв1, порівняно невисока σд (350 МПа), мала схильність до утворення гарячих тріщин дозволяють зварюватися без вибризкуваннь при tзв≈tзв1, і постійним зусиллям Fзв≈Fзв1 використовуючи цикл а. Для шовного зварювання застосовують циклограму б, Титанові сплави з’єднують з електродами з плоскою або сферичною робочою поверхнею із матеріалів з пониженою електропровідністю і підвищеною твердістю. Взагалі порівняно з іншими металами титанові сплави мають найкращу зварюваність як на жорстких так і на м’яких режимах, утворюючи з’єднання з розвинутою литою зоною.

5. Алюмінієві сплави. Деформовані сплави, зміцнені загартуванням типу АМц, АМг, АМг3 мають порівняно низький інтервал кристалізації і помірну схильність до гарячих тріщин.

Сплави цієї підгрупи відрізняються винятково малим ρо (4-5мкОм*см) і високим λ. Тому їх зварюють на жорстких режимах (tзв=0,5 tзв1) при великому зварювальному струмі Ізв=(3…3,5)Ізв1. В зв’язку з високою активністю до масопереносу застосування жорстких режимів краще.

Деформовані сплави, упрочнені термообробкою (Д16Т, Д19Т, Д20Т, 1420, 1395...) а також сплав АМг6 мають широким інтервалом кристалізації (до 130˚С) і схильні до гарячих тріщин цьому сприяє і дендритна ліквідація з утворення товстих евтектичних прошарків в литому ядрі. Механічні властивості металу ядра приближуються до властивостей випаленого металу.

Вельми малі значення ρо (6-13 мкОм*см) і високий λ потребують вельми жорстких режимів при tзв як для підгрупи а. В зв’язку з більш високим σд (100-140 МПа), а також схильністю до внутрішніх виплесків і гарячих тріщин зварювальне зусилля збільшують до 1,2…1,4)Fзв1. Чим жорсткіший режим тим більше установлюють Fзв. Наприклад при зварюванні сплаву Д16Т на конденсаторних машинах Fзв =(1,5…2)Fзв1.

Зміцнений нагартуванням сплав АМг6 має найбільше σд (160 МПа). Для попередження виплесків трохи збільшують Fзв (на 15-20% більше чим при зварюванні сплаву Д16Т) і пом’якшують режим, підвищуючи tзв в 1,5 – 2 рази.

Для попередження гарячих тріщин, починаючи з товщини 0,5 мм рекомендовано прикладати ковальське зусилля при Fк=(2…9)Fзв.

При шовному зварюванні матеріалів товщиною до 2 мм рекомендується цколгарма б з безперервним переміщенням дуалів. Для великих товщин – циклогрма в з кроковим переміщенням й проволокою. Робоча поверхня електродів і роликів для зварювання алюмінієвих сплавів повинна бути сферичної форми а електродні матеріали – з підвищеною електропровідністю (не нижче 85% електропровідності міді) і твердістю 100-125МПа.

6 магнієві сплави. Сплави на основі магнію відрізняються від інших конструкційних матеріалів малою густиною, порівняно високою міцністю, гарною властивістю гасити ударні і вібраційні навантаження, хімічною стійкістю в лугах, бензині, маслах.

Точковим і шовним зварювання з’єднують в основному деформовані сплави, зміцнені загартуванням (АМ1, МА8, МА2, МА2-1, МА5, МА10 і ін.) та жароміцні сплави, зміцнені термообробкою (МА11, МА13 та ін.)

Магнієві сплави мають низьке ρо (12 мкОм*см) тому їх зварюють на жорстких режимах. Одна занижене σд і висока пластичність при нагріванні дозволяють знизити Fзв без небезпеки прояву внутрішніх вибризкувань. Для попередження тріщин і великих короблений застосовують циклограму б. форму електродів та робочої поверхні вибирають як для алюмінієвих сплавів.

7 Мідні сплави. Завдяки низькому ρо як і у алюмінієвих сплавів (6-8 мкОм*см) і високому λ мідні сплави зварюються на жорстких режимах: tзв=(0,5-0,7) tзв1 при великому зварювальному струмі Ізв=(2,5 – 3) Ізв1.через порівняно невисокий σд (120-130МПа) зварювальне зусилля Fзв≈Fзв1. Застосовують циклограму а, без небезпеки утворення внутрішніх виплесків. Однак при зварюванні високоміцних бронз, що пройшли термообробку, необхідно ускладнювати цикли зусилля і струму.

Шовне зварювання ведуть при безперервному обертанні і імпульсному включенні струму.(циклограма б) Електроди і ролики установлюють так як для алюмінієвих сплавів.

8 тугоплавкі сплави. Умовно тугоплавкими вважаються метали і сплави с температурою ліквідусу вище температури плавлення хрому (1875˚С) До них відносять Cr, V, Mo, Ta, Nb, Re, W (в порядку збільшення Тпл).

Зварювання тугоплавких хімічно активних сплавів вольфраму і молібдену ускладнюється їх високими температуропровідністю і електропровідністю, а також високою температурою плавлення (3400˚С вольфраму і 2620˚С молібдену). Ці властивості викликають появу в контакті електрод – деталь високих температур, швидке пом’якшення і підплавлення робочої поверхні електродів.

Інші тугоплавкі хімічно активні метали на основі ніобію і танталу задовільно зварюють точковим і шовним зварюванням на режимах більш жорстких чим для титанових сплавів, із застосуванням циклограми без ковальського зусилля.

Чисту мідь через її високі теплопровідність і електропровідність зварюють використовуючи теплові екрани або електродні вставки з вольфраму, кіриту. Можливе також і пряме розплавлення з утворенням ядра на потужних конденсаторних машинах з дуже жорстким імпульсом струму (tзв<0,02 с). відсутність інтервалу кристалізації дозволяє використовувати простий цикл з постійним Fзв. Шовне зварювання для міді не застосовують.

Нікель частіше зварюють двома імпульсами струму: невеликий перший імпульс підігріває зону зварювання і підвищує її електроопір, а інший зварює. В паузі електрод охолоджується і його присипання до деталі зменшується. З цією ж ціллю інколи на поверхню деталей наносять тонкий шар графіту. Замість підігрівного імпульсу модулюють передній фронт зварювального струму. Через малий σд і невеликої схильності до зварювальних тріщин застосовують циклограму а з постійним Fзв.

Техніка та режими точкового та шовного зварювання деталей однакової товщини

Після аналізу властивостей і зварюваності, природи дефектів і методів їх попередження, характеристик наявного устаткування і вимог, що пред'являються до якості з'єднань, знаходять оптимальний режим. Для точкового зварювання - , , , , , а також розміри робочої поверхні електродів (, ); для шовної - , , , , а також розміри робочої поверхні роликів (, , . При шовному зварюванні по циклограмі в (Див. рис. Нижче) – додатково , , а також тривалість переміщення та зупинки роликів.

Режими можна визначити розрахунком, розрахунково – експериментальним методом та експериментально. Суть розрахунково – експериментального методу заключається у тому, що при позитивному результаті випробувань зразків – свідків та отриманні якісних з‘єднань режим зварювання фіксують в відповідній технічній документації та дають відповідні дозволи на зварювання вузла.

Застосування теорії подібності дозволяє по одному експериментально визначеному певному режиму з використанням критеріїв подібності розрахувати параметри режиму зварювання деталей інших товщин.

1. Критерії геометричної подібності

2. Критерії гомохронності (подібності по часу) – критерії Фур‘є

3. Критерії подібності тепловиділення

При зварюванні деталей з одного і того ж самого сплаву (ρ, ϲ, γ, α, Т_пл = idem) вказані співвідношення спрощуються, і значення діаметру ядра, сили струму і часу зварки можна оцінити по наступних формулах:

, ,

Зрівняння режимів точкового та шовного зварювання показує, що (при однаковій тривалості імпульсу) сила струму при шовному зварюванні на 15 – 20 % більше, аніж при точковому зварюванні. Це пояснюється в основному збільшеною площею контактів електрод – деталь та частково шунтуванням струму. Однак через більш широку зону нагрівання опір деформації металу зменшується та з’являється можливість зварювати без виплеску з меншою тривалістю імпульсу. Зварювальне зусилля встановлюють близьким до того ж, що і при точковому зварюванні. Швидкість зварювання (м/хв) вибирають з урахуванням потрібного перекриття точок f та відстань між ними (див. рис. Нижче)

,

де ; та - відповідно тривалість імпульсу струму та затримки [с].

Існують численні рекомендації по режимам (звичайно у вигляді таблиць, номограм та графіків). Однак ці режими орієнтовні та потребують перед зварюванням перевірки та часто корегування для урахування конкретних умов (підготовки поверхні, зборки, стан устаткування та інші).