Каракозов Э. С., Сапрыгин В. Д.
ХОЛОДНАЯ СВАРКА ТРУБ
*** 1978 ***
|
ФPAГMEHT КНИГИ (...) После механической обработки алюминиевую заготовку обезжиривают и подвергают легкому травлению, а стальную только обезжиривают в бензине «Калоша». Перед сваркой алюминиевую заготовку нагревают в электропечи до 400 — 430°С и выдерживают при этой температуре 50 — 60 мин в зависимости от размеров. Стальную заготовку нагревают при 290 — 310°С также 50 — 60 мин. Затем нагретые заготовки помещают в приспособление, устанавливаемое на гидравлическом прессе, и впрессовывают стальную заготовку в алюминиевую. Составную заготовку охлажлают на воздухе и последующей механической обработкой получают алюминиевостальные переходники разнообразной формы и размеров. Такие переходники обладают всеми преимуществами как алюминиевых (высокая удельная прочность и коррозионная стойкость), так и стальных (возможность сварки и многоразового монтажа при сохранении герметичности) конструкций.
Наиболее широко применяют в промышленности переходники из алюминиево-магниевого сплава АМг 3 и нержавеющей стали 12Х18Н10Т. Экспериментально установлено, что наиболее стабильные характеристики прочности, обеспечивающие равнопрочность соединений, получаются при угле заточки 20°. Технологическими исследованиями этого способа сварки установлено, в частности, что прочное соединение образуется при нагреве свариваемых материалов до температуры не ниже некоторой критической, которая при сварке Х18Н9Т с АД1 на 150СС меньше, чем при сварке этой стали с АМгЗ. Однако темп роста прочности с повышением температуры во втором случае более высок вследствие различных пределов текучести и кинетики пластического течения алюминиевых сплавов по поверхности стали, а также различной релаксационной стойкости указанных сплавов алюминия при одинаковой температуре, в связи с чем для сплава АД1 правая часть неравенств (1) выполняется, а для сплава АМгЗ не выполняется. Более быстрый рост прочности с повышением температуры сварки АМгЗ и Х18Н9Т подтверждает предположение, что предэкспоиенциальные члены уравнений, описывающих кинетику релаксации напряжений в указанных алюминиевых сплавах при сварке со сталью Х18Н9Т, одинаковы. В работе 7 указывается, что в интервале от — 50 до — 400°С соединения из алюминиевого сплава АМгЗ и стали 12Х18Н10Т при растяжении разрушаются по алюминиевому сплаву. Статическая прочность алюминиево-стальных сварных соединений при испытании па растяжение, отрыв и срез составляет 20,6; 20,0 и 12,8 кгсмм2 для сварных соединений АМгЗ с 12Х18Н10Т и 8,0, 11,6 и 5,4 кгсмм2 для соединений АД1 с 12Х18Н10Т. Для получения трубных переходников из разнородных металлов перспективны способы сварки с импульсным воздействием, характеризующиеся малой длительностью процесса и относительно невысокой температурой в зоне соединения. Поэтому эти способы широко используют для соединения разнородных металлов с ограниченной взаимной растворимостью. Основная задача при разработке технологии соединения металлов сваркой с импульсным воздействием сводится к определению параметров режима, при которых выполняется условие (1). Невыполнение правой части условия (1) может привести к появлению в зоне соединения дискретно расположенных участков расплавленного металла, снижающих коррозионную стойкость сварных соединений. Очевидно что при соединении металлов с ограниченной взаимной растворимостью образование таких участков недопустимо. Основной задачей при получении трубных переходников из разнородных металлов сваркой взрывом является определение параметров режима процесса сварки, обеспечивающих качественное соединение между металлами в биметаллической заготовке, из которой затем обработкой давлением и резанием изготавливают переходники требуемой конструкции. Сравнительная оценка соединений алюминия с титаном, никелем сталью, полученных сваркой взрывом 18, показывает, что лучшие свойства у композиции алюминия с титаном. В США запатентовано получение труб из алюминия и стали сваркой плавлением и переходников из полученного сваркой взрывом трехслойиого (сталь — титан — алюминий) материала. При получении биметалла ниобий — нержавеющая сталь сваркой взрывом установлено, что прочность соединения зависит в основном от отношения массы заряда к массе метаемой заготовки и скорости детонации взрывчатого вещества !19. Поэтому основная задача при получении такого биметалла сводится к определению оптимальных значений указанных параметров. По данным 20, налажен промышленный выпуск биметаллических (углеродистая сталь — титан и углеродистая сталь — алюминий) заготовок с максимальными размерами 3460X8350 мм и толщиной плакирующего слоя до 12,7 мм. Положительные результаты по сварке взрывом труб диаметром 25 — 203 мм позволили повысить прочность соединения на отрыв за счет правильно подобранной величины зазора между свариваемыми заготовками: при сварке алюминиево-стальных труб диаметром 89 мм с толщиной стенки 3,25 мм оптимальная величина зазора составила 0,3 мм. Установлено, что изменение зазора между трубами и соединительной втулкой в пределах 1,1 ±0,9 мм не влияет иа качество сварного соединения i?21. Соединение труб встык сваркой взрывом существенно упрощается при использовании соединительных втулок2. Втулку размещают снаружи соединения, а массивной оправкой-матрицей охватывают наружную поверхность втулки. Отличительная особенность этого способа — наличие на внутренней поверхности соединительной втулки нескольких кольцевых канавок. Заряд взрывчатого вещества устанавливается внутри трубы и при его инициировании ударная волиа обеспечивает качественное соединение стыкуемых труб между собой и с соединительной втулкой. Сварка указанным способом труб с наружным диаметром 115 и толщиной стенки 3 мм при использовании соединительной втулки из высокопрочной стали длиной 300, диаметром 125 и толщиной стенки 3,2 мм обеспечила качественное герметичное соединение, способное выдержать без нарушения герметичности гидравлическое давление до 82 кгссм2. Соединительные втулки на внутренней поверхности имели 4 кольцевые канавки на расстоянии 75, 120, 180 и 225 мм от одного из торцов. Оправка-матрица длиной 300 мм и массой 18 кг состояла из четырех секторов. Другой способ сварки труб взрывом заключается в том, что внутрь трубы в зоне соединения вставляют патрон, содержащий эластичный пустотелый цилиндр с пазами по внутренней поверхности, заполненными взрывчатым веществом. С торцов цилиндр закрыт дисками, обеспечивающими его герметичность и отражение взрывной1 волны в осевом направлении. Перед сваркой стенку цилиндра внутренним давлением жидкости прижимают к внутренней поверхности стыкуемых труб. Преимущество этого способа сварки — качественное соединение независимо от овальности труб. Данный способ сварки может быть успешно использован для соединения изделий со сложной конфигурацией сечения. Из полученных сваркой взрывом биметаллических листов штампуют трубные переходники диаметром 50 мм. 4. При изюшвле-нии переходников меньшего диаметра сталь растрескивается из-за нагартовки при вытяжке и невозможности проведения высокотемпературного отжига вследствие образования интерметаллидной прослойки. Следует особо выделить работы, посвященные исследованию магнитно-импульсной сварки. При магнитно-импульсной сварке соударение свариваемых деталей обеспечивается импульсным магнитным полем от разряда батарей конденсаторов. Длительность импульса и скорости соударения при этом методе сварки того же порядка, что и при сварке взрывом. Магнитно-импульсная сварка по сравнению со сваркой взрывом бо- Як лее легко управляема, что позволяет точно дозировать накапливае-мую в конденсаторах энергию. Это в свою очередь важно при определении оптимальных параметров сварки. Магнитно-импульсную сварку можно проводить в цехе, производительность процесса определяется в основном временем установки детали в машину, так как конденсаторы заряжаются быстро. Этот способ сварки особенно целесообразен для соединения разнородных металлов с ограниченной взаимной растворимостью, а также в тех случаях, когда необходимо сохранить близкие к исходным структуру и механические свойства материала в зоне сварного соединения. Магнитно-импульсной сваркой хорошо свариваются металлы, имеющие высокую электро- и теплопроводность. Исследования магнитко-импульснон сварки труб из алюминия (его сплавов) и меди п однородном и разнородном сочетаниях показали, что формирование, сварного соединения происходит под действием сил, вызывающих большие напряжения при высокой температуре 22. Делаются попытки использовать магнитно-деформирующие машины для сварки. В частности, в ГДР исследовали возможность использования магннтно-деформирующей машины марки UUEm 6,0 для сварки труб 23, аккумулирующей энергию 6 кВт-c. Трубы диаметром 20 мм из алюминия, меди и стали соединяли по двум вариантам: с развальцовкой конца одной из стыкуемых труб до наружного диаметра другой трубы и с использованием промежуточной наружной муфты. При сварке как по первому, так и но второму вариантам не удалось получить прочное соединение, так как скорости соударения свариваемых деталей из-за малой мощности машины оказались меньше, чем при сварке взрывом. Мощности машины достаточно лишь для механического соединения труб, прочность которого существенно зависит от класса обработки контактируемых поверхностей, а вакуумная плотность при низких температурах и значительных колебаниях не удовлетворяет необходимым требованиям. Основной недостаток изготовления трубных переходников прессовой сваркой — низкая прочность соединений при динамическом нагпужешш 24, вероятно, в результате неполного удаления окпе-ных пленок из зоны контакта, а также низкая прочность при термо-никлироваиии вследствие срезающих напряжений в сварном соединении, обусловленных разницей коэффициентов теплового расширения алюминия и стали 25. Сваркой трением до настоящего времени не удается получить удовлетворительного качества соединения сталей с алюминиевыми сплавами, содержащими Mg, Zn и другие элементы. Не удается также сваривать стале-алюминиевые стержни диаметром 3,5 мм и 100 мм и трубчатые детали сечением менее 10 мм2 и более 8000 мм2 4. Многопереходиой штамповкой-вытяжкой из биметаллического листа, полученного сваркой прокаткой, изготавливают переходники диаметром 70 мм 26. Недостатком такой технологии получения переходников являются большие отходы при штамповке. Кроме того, из-за наклепа стали в биметалле максимальная длина получаемыхпереходников 60 мм. Малая длина переходника затрудняет его сварку плавлением с трубопроводами, так как переходник при ввар-ке в трубопровод сильно нагревается. Поэтому необходимо подобрать такие режимы сварки, которые не вызывали бы перегрева места соединения алюминия со сталью, приводящего к образованию хрупких интерметаллических фаз и полной потере деформационной способности биметалла. Стойкость алюминиево-стальных и титано-алюминие-вых трубных переходников при — 196°С снижается в 2 — 3 раза, вследствие этого возможна потеря вакуумной плотности в зоне соединения. Кроме того, во всех случаях после повторного нагрева (термической обработки или сварки изделия) соединения алюминия с этими материалами разупрочняются из-за образования в зоне соединения хрупких интерметаллидов 4. 3. Технологические схемы холодной сварки Существуют схемы холодной сварки внахлестку и встык (рис. 1). Необходимая степень пластической деформации при соединении деталей внахлестку (например, листов) обеспечивается вдавливанием пуансонов в детали, а при соединении встык (например, прутков, труб) — сдавливанием торцов с зажимными устройствами, обычно обеспечивающими стесненную деформацию к концу процесса. Существующие схемы холодной сварки 27 — 29 применяются в основном для соединения пластичных металлов и требуют больших усилий при деформировании. При холодной сварке в плоскости соединения происходит значительное растекание металла, обнаруживаемое по искажению координатной сетки. Степень растекания металла, а следовательно, и условия сварки зависят от размеров пуансона и в лрвущ очередь от отношения ширины фективных способов удаления адсорбированных пленок с поверхностей для холодной сварки является зачистка стальной щеткой с механическим приводом. Щетку и детали перед зачисткой следует обезжиривать. Лучшим способом обезжиривания щетки является промывка ее в каком-либо чистом растворителе (бензине, бензоле), просушка и относительно длительная зачистка поверхности предварительно прокаленного образца алюминия. При этом оставшиеся на проволочках граничные пленки поверхностно активных веществ уносятся частицами снимаемого металла. Эффективным способом удаления с поверхности алюминия пленок жира и других органических веществ является прокаливание. При прокаливании деталей на воздухе адсорбированные органические пленки улетучиваются и выгорают. В работе 28 указывается, что прочность сварных образцов, предварительно прокаленных при 350 — 400°С и свободном доступе воздуха, примерно такая же, как и у образцов, поверхности которых непосредственно перед сваркой были зачищены вращающейся щеткой. А. П. Семенов, исследуя влияние времени выдержки на воздухе алюминиевых образцов, предварительно прокаленных или очищенных металлической щеткой, обнаружил, что при выдержках 0; 36 и 84 ч величина Emm для прокаленных образцов на - 5°о выше, чем для очищенных щеткой. Он делает вывод, что если поверхности алюминиевой детали загрязнены сильно, то достаточным является прокаливание при 450°С в течение 30 мин. При малом загрязнении поверхностей время выдержки и температуру можно значительно снизить. Прокаленные детали из алюминия и его сплавов могут быть соединены без последующей зачистки поверхностей, однако при несколько больших значениях етпъ в частности для прокаленных деталей етт=62--63%, а для очищенных металлической щеткой emin=57-58%. Минимальное, максимальное, среднее значения разрушающей нагрузки по результатам испытаний на срез соединений алюминия толщиной 2 мм при сварке пуансонами диаметром 5 мм 28 после очистки стальной щеткой соответственно равны 210, 250, 235 кгс (дополнительную обработку поверхности не проводили); 115, 185, 155 кгс (в результате натирания контактных поверхностей руками); 35, 115, 80 кгс (после смазывания маслом и протирки ветошью). В результате натирания поверхностей парафином после очистКи стальной щеткой разрушающая нагрузка была равна нулю. В работе 31 приведены значения emm для образцов из алюминия А1 при наличии на свариваемых поверхностях пленок различных веществ. Показано, что основным свойством смазок, препятствующим схватыванию, является полярность входящих в их состав молекул, а вязкость смазок играет второстепенную роль. Вода и этиловый спирт (етш=78,2 и 82,5% соответственно) оказывают большее препятствие схватыванию, чем неполярное вазелиновое и турбинное масла (emin= = 68,6 и 73,9% соответственно), хотя вязкость их намного меньше вязкости масел. Химически чистый гептан, молекулы которого неполярны, а вязкость близка к вязкости спирта и воды, почти не препятствует схватыванию ( Emin = 63,7 % ) . Присутствие в смазках поверхностно активных добавок значительно увеличивает emm. Так, при концентрациях олеиновой кислоты 0; 5; 50 и 100% в неполярном вазелиновом масле, нанесенном на соединяемые поверхности образцов из алюминия А1, етш составляет 68,6; 81,6; 87,3 и 91% соответственно. Установлено, что изменение скорости деформирования в диапазоне значений, применяющихся на практике, не оказывает существенного влияния на величину етш. Существенно влияют на способность к схватыванию добавки в металле. Влияние на схватывание химического состава сплавов на основе меди и алюминия тщательно исследовано А. П. Семеновым 31, 32. Эксперименты показали, что величины етш и удельных давлений схватывания увеличиваются с увеличением концентрации примесей. Так, для сплавов алюминия наличие суммарного количества примесей от 2,55 до 8,95% увеличивает етш до 61,9 и 93,6% соответственно по сравнению с етш=57,1% для алюминия, содержащего 0,05% примесей. Примеси олова и алюминия резко снижают показатели свариваемости меди, а примеси цинка — незначительно. При холодной сварке встык прочность соединения зависит от величины пластической деформации в месте его образования, которая зависит от длины выступающих из зажимав концов свариваемых стержней. |
