Александр Самуилович Гельман
ОСНОВЫ СВАРКИ ДАВЛЕНИЕМ
*** 1970 ***
|
ФPAГMEHT КНИГИ (...) при Сварке с Проковкой, когда нагрев проводится при низком давлении. Например, при сварке труб из стали 45 удовлетворительная пластичность соединения и отсутствие в нем дефектов достигались только при рос 12 кГ/ммг (рис. 183, б). Большое значение имеет момент приложения ковочного давления. Необходимо, чтобы вся или большая часть пластической деформации при проковке протекала после прекращения взаимного перемещения свариваемых деталей. Если из-за преждевременного начала проковки или медленного торможения системы в конце сварочного нагрева деформация идет в основном до остановки системы, то положительный эффект проковки снижается. Например, если при сварке труб из стали 45 размером 146x9 мм (v = 4,7-И5 м/сек, р0 — 0,6-^-3,9 кГ/мм2, рос — 12,4 кГ/мм2, t = 21 -ь24 сек) из общей деформации осадки (Д0с = 9-ИО мм) не менее 50—60% проходило после полной остановки системы, то в соединении отсутствовали дефекты и средний угол загиба термически необработанных стыков был близок к 60°. Если же только 25% общей осадки осуществлялось после останова системы, то в соединении наблюдались дефекты 41.
Существенное значение может иметь и то, что при трении деформация приповерхностного слоя идет с очень большой скоростью, при которой релаксация не успевает протекать. В связи с этим удельное давление, необходимое для смятия выступов и достижения физического контакта, растет в несколько раз по сравнению с давлением, достаточным для этой цели в условиях статического приложения нагрузки к неподвижным поверхностям. Как следствие, практически применяемое ковочное давление, вызывающее большую пластическую деформацию в макрообъемах, может оказаться совершенно недостаточным для выравнивания резко упрочненного поверхностного слоя до тех пор, пока система полностью не остановится и процесс упрочнения этого слоя, связанный со скольжением при трении, не будет исключен. Роль деформации проковки в формировании соединения иллюстрируется опытом, поставленным П. М. Сутовским совместно с автором, по сварке стержня с дном полой детали (сталь 45). Опыт провели в трех вариантах (рис. 184): а) стержень входил в гладкое цилиндрическое отверстие — ни при нагреве, ни в момент приложения ковочного усилия существенной пластической деформации не было; б) стержень входил в постепенно расширяющееся отверстие; режим сварки выбрали таким, чтобы все это отверстие было заполнено деформирующимся металлом стержня во время нагрева трением, а при проковке деформация практически отсутствовала в) сварка производилась также, как во втором случае, но часть деформации осуществлялась в момент проковки. Торцы во всех случаях нагревали примерно до одинаковой температуры. При сварке без макродеформации (табл. 43) в момент проковки (Дос = 0) качество соединений понизилось. Рис. 184. Макроструктура соединений, сваренных трением без деформации в зоне соединения (А); с деформацией только во время нагрева (Б) и с деформацией как при нагреве, так и при проковке (В) Известно, что при сухом трении образование узлов схватывания, приводящих к задирам поверхности, возможно при относительно низкой температуре. Однако для получения бездефектного сварного соединения по всей поверхности трения, как правило, необходим нагрев до достаточно высокой температуры. Например, в опытах по сварке труб из стали 45, выполненных совместно с М. П. Сандером, соединения без дефектов в изломах были получены только при Т ^ 1100-^-1200° С (рис. 185) во всем диапазоне обследованных скоростей скольжения (3,9—7,5 м/сек). Можно было ожидать, что при сварке трением минимальная температура образования прочного соединения для стали должна быть значительно ниже, если учесть, с одной стороны, опыт сварки в вакууме, когда удается получить бездефектное соединение нелегированной стали уже при 700—800° С и, с другой, непрерывный процесс очистки трущихся поверхно-стай от окислов. По-види-мому, полезность высокотемпературного нагрева и значительной деформации проковки связана с одной и той же причиной — необходимостью быстрого достижения физического контакта по всей поверхности трения. При сварке трением металлов, очень пластичных при высокой температуре (например, сталей), сво-бодное’течение в зоне стыка при нагреве и проковке приводит к характерной деформации с образованием кольцевых «воротников» (рис. 186). Сварка трением малопластичных металлов завершается без образования «воротников»; при этом из стыка при проковке часто выдавливается расплавленный металл. Образование «воротников» приводит к искривлению волокон, часто понижающему пластичность и ударную вязкость соединения. Например, при сварке труб из стали 45 даже после высокотемпературной термической обработки ударная вязкость соединения (на образцах с надрезом в плоскости стыка) была значительно ниже, чем у основного металла (соответственно 4,4 и 7,4 кГм/см2) 141 . Существенно, что низкая ударная вязкость связана не с какими-либо дефектами самого соединения, а с отмеченным выше искривлением волокон, так как при смещении надреза из плоскости стыка на 1,5—2 мм еще наблюдается заметное понижение показателей ударной вязкости как до, так и после термической обработки стыка, полностью снимающей эффект охрупчивания, возможный в результате подкалки во время сварки. Большое значение имеет вопрос о влиянии параметров процесса трения на условия формирования и качество соединения. Простейшее представление о сварке трением как о процессе, состоящем из двух этапов — собственно трения, в задачу которого входит только нагрев свариваемых деталей с получением требуемого температурного поля, и проковки, обеспечивающей образование соединения, противоречит ряду экспериментально установленных факторов. Роль трения в формировании соединения особенно резко выявляется при сварке разноименных металлов, например, алюминия со сталью. Получение соединения в этом случае возможно только при относительно небольшой скорости скольжения, когда процесс идет с глубинным вырыванием и сопровождается «намазыванием» алюминия на относительно твердую сталь практически без образования хрупкой интерметаллидной прослойки. При проковке, по существу, происходит сварка алюминия с алюминием. При большой скорости скольжения процесс, по-видимому, переходит в режим полирования с нагревом поверхностного слоя алюминия до температуры плавления. Это сопровождается растворением алюминия в стали и образованием интерметаллидной прослойки, препятствующей формированию прочного соединения. При сварке трением разноименных металлов с резко отличающимися механическими свойствами большая скорость скольжения может неблагоприятно влиять на процесс еще и подругой причине. При нагреве трением таких металлов один из них будет сильно деформироваться под действием осевого усилия, а другой может практически не изменять свою форму. Вследствие неизбежного биения трущихся торцов даже после механической обработки торца детали из более твердого металла непосредственно в сварочной машине в процессе трения поверхность детали из мягкого металла должна при каждом обороте шпинделя передеформироваться. При большой скорости скольжения такое передеформирование затрудняется и возможно нарушение равномерности нагрева по периметру трущихся торцов. Из изложенного следует, что по своей природе сварка трением среди других процессов сварки давлением наиболее близка к контактной сварке оплавлением; если при трении очистка и обновление соединяемых поверхностей идет за счет образования и разрушения дискретных фрикционных связей с местными всплесками температуры до точки ПлййЛения, го при оплавлении эти же процессы являются результатом возникновения и взрыва отдельных перемычек жидкого металла. В обоих случаях недостаточно быстрое доведение нагретых торцов до состояния физического контакта (медленная осадка, проковка с малой пластической деформацией) ведет к появлению в стыках окислов и непроваров (если нет защитной атмосферы). Однако эти процессы имеют и принципиальные отличия. Главное из них состоит в том, что сварка трением может завершаться в твердом состоянии, в то время как сварка оплавлением по самой своей природе обязательно требует нагрева до температуры, лежащей выше Тпл обоих металлов. В частности, поэтому при сварке трением легче предупредить образование хрупких интерметаллидных прослоек и получить прочное соединение разноименных металлов. § 4. УЛЬТРАЗВУКОВАЯ СВАРКА Простейшая схема ультразвуковой сварки металлов представлена на рис. 187, а. Свариваемые детали 4 помещают на массивной опоре 5. Наконечник 6 рабочего инструмента 3 соединен с двигателем магнитострикционного преобразователя 1 через трансформатор 2 продольных упругих колебаний, представляющий вместе с рабочим инструментом волновод. При включении преобразователя в цепь высокочастотного генератора (обычно 18—30 кгц) создающееся в нем переменное магнитное поле приводит к периодическому удлинению и укорочению сердечника. Продольные упругие колебания усиливаются в волноводе и через наконечник 6 передаются в свариваемые детали в виде сдвиговых колебаний. Амплитуда этих колебаний. Рис. 187. Схемы ультразвуковой сварки металлов Рис. 188, Изменение амплитуды колебаний Ультразвуковая сварка начинается со сглаживания поверхностных неровностей. Например, при сварке меди толщиной 1 + 1 мм (N = 4(( кГ, = 13 -г-14 мкм и д — gK. е= 5 мкм) уже через 0,1 сек заметно сглаживание поверхности (рис. 1Ь9). Пластическая деформация при этом способствует разрушению окисных пленок, фрагменты которых остаются в соединении в виде отдельных включений. В зависимости от свойств окислов и температуры эти включения имеют округлую форму, например при сварке меди (рис. 190, а), или представляют собой плоские осколки 9. При турбулентном характере деформации (см. ниже) окисные включения внедряются в металл на большую глубину. Рассошин-ский А. А. и др. отмечают, что толщина включений на несколько порядков больше толщины исходной пленки 119. Это свидетельствует об одновременном разрушении пленок и интенсивном окислении, которому способствует активное состояние трущихся металлических поверхностей. Таким образом, при ультразвуковой сварке, как и при сварке трением, защита от окисления отсутствует — создаются лишь благоприятные условия для удаления окислов. Условия формирования соединения при ультразвуковой сварке зависят от распределения амплитуды колебаний инструмента в системе инструмент—свариваемые детали—опора. Эту зависимость легко проследить при анализе температурного поля в свариваемых деталях и характера их пластической деформации. Одна из схем измерения температуры представлена на рис. 191,а 134. В тело свариваемых деталей были зачеканены хромель-копелевые термопары диаметром 0,2 мм, а температура в контактах инструмента с верхней деталью и между деталями измерялась естественной термопарой железо—константан. При этом удалось измерить усредненную температуру контакта, а не ее максимальное значение в месте фактического контакта между трущимися поверхностями. Для устранения шунтирования термоэлектродвижущей силы случайными контактами, лежащими вне центральной зоны, за её пределами между свариваемыми деталями прокладывали тонкую изоляцию. Истинную температуру при ультразвуковой сварке оценивали на образце из исследуемого металла (алюминия, меди, молибдена), зажатом на сварочной установке в паре с пластинкой из прозрачного материала так, чтобы через нее можно было видеть нагретые точки на трущихся поверхностях при включении ультразвука 217. Наблюдаемая температура достигла у молибдена 1400° С, а у меди и алюминия в зависимости от параметров процесса она лежала в интервале красного и белого каления. Таким образом, локальная температура при ультразвуковой сварке может достигать температуры плавления. При сварке меди по периферии соединения обнаружили шарики закристаллизовавшегося металла 217. Распределение температуры при сварке константана с железом, полученное ее измерением по схеме на рис. 191, а в различные моменты времени, указывает на наличие трех источников тепла (рис. 191, б): а) в контакте инструмент—деталь; б) в контакте между свариваемыми деталями и в) по наружному периметру контакта, о чем свидетельствует интенсивное повышение температуры через 0,13—1,0 сек в зоне, расположенной на расстоянии 1,5 мм от оси соединения. Первые два источника связаны с трением в контактах; третий — либо с увеличенной амплитудой проскальзывания на их периферии, либо с энергичным передеформированием металла в этой зоне под действием ультразвуковых колебаний. Следует отметить, что даже усредненная температура в зоне сварки выше температуры рекристаллизации. Например, средняя температура в контакте свариваемых деталей равна: для алюминия и его сплавов 300—350° С; меди 400—450° С; титана 500—600° С 134. Очевидно, что при ультразвуковой сварке наиболее полезным является тепловыделение в контакте соединяемых деталей. Интенсивный нагрев контакта инструмент—деталь, свидетельствующий о большой амплитуде их взаимного смещения, ведет к износу инструмента и повреждению поверхности детали. Обычно взаимное скольжение сопровождается значительной пластической деформацией, распространяющейся на большую или меньшую глубину в тело деталей. В зависимости от распределения температуры в зоне сварки Л. Л. Силин и др. различают несколько типичных термических циклов. Два из них схематически представлены на рис. 191, температура в контакте инструмент—деталь; Т2 — в контакте между деталями). Там же схематически показаны контуры соответствующей зоны интенсивной пластической деформации, определенные металлографически. Лучшие результаты дает цикл А, при котором Тг быстро достигает максимума, взаимное скольжение инструмента и верхней детали прекращается и Т2 стабилизируется. При этом получают соединения устойчивого качества при малом износе инструмента и незначительном повреждении поверхности верхней детали. Повышение Тх к концу процесса можно объяснить теплопередачей из зоны соединения через верхнюю деталь. Совершенно неприемлем циклИ, при котором, по существу, взаимное скольжение идет только в контакте инструмент—деталь и полностью отсутствует в зоне сварки, нагрев которой осуществляется только за счет теплопередачи. В этом случае получить прочное соединение не удается, несмотря на затрату большой энергии и широкую зону пластической деформации. Тип термического цикла зависит от многих параметров: амплитуды усилия Л/; материала, состояния поверхности и формы наконечника инструмента; материала и состояния поверхности свариваемых деталей и др. Очень существенна роль Ъи и N. Уже упоминалось, что иногда различают два типа процесса в зависимости от наличия или отсутствия общего скольжения в контакте свариваемых деталей. При достаточно высоком усилии N и умеренной амплитуде удается получить соединения повышенной прочности (табл. 44). При этом усредненная температура в контакте свариваемых деталей растет медленно (кривая 2, рис. 191, г) Таблица 44 Режимы ультразвуковой сварки и прочность соединений Возникает принципиальный вопрос: когда формируется соединение — еще в процессе действия ультразвуковых колебаний или только в момент их прекращения. По-видимому, как при наличии общего проскальзывания, так и, тем более, при сварке в условиях предварительного смещения соединение начинает формироваться еще в процессе ультразвуковых колебаний. Узлы схватывания, образующиеся между контактирующими поверхностями после достаточного их нагрева (а локальная температура в контакте может приближаться к точке плавления), могут не разрушаться в результате пластической деформации окружающего их металла. Эта деформация существенно облегчается благодаря одновременному действию нормальной и тангенциальной сил. В зависимости от амплитуды взаимного смещения деталей деформация в зоне соединения меняет свой характер. При значительном смещении наблюдается турбулентная деформация (см. рис. 190, б); при относительно малом смещении деформация равномерна. В структуре при этом хорошо видны общие зерна (см. рис. 190, в). Характер деформации обычно различен в центральной зоне и на периферии соединения 19. В центре, где велики нормальные напряжения сжатия, а смещение относительно мало, турбулентной деформации нет и осколки раздробленной окисной пленки постепенно перемещаются к краю; на периферии напряжения сжатия могут переходить в растягивающие. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Анализ основных технологических процессов сварки давлением в твердом состоянии показал, что при сварке металлов разрушение поверхностных окисных пленок является одним из обязательных условий образования соединений с высокими механическими свойствами, хотя при достаточно продолжительном нагреве возможно ее осуществление и через окисные пленки, но, как правило, при пониженных пластических свойствах соединения. Второе, достаточно очевидное условие выполнения сварки давлением — образование между соединяемыми поверхностями физического контакта. Однако даже наличия физического контакта между чистыми поверхностями реальных металлических тел еще недостаточно для их сварки в твердом состоянии; для этого необходима некоторая активация атомов на соединяемых поверхностях; механическая за счет движения дислокаций и вакансий при пластической деформации или термическая. Нельзя считать вполне установленным, нужна ли такая активация для взаимной «подстройки» атомов на соединяемых поверхностях или также для частичного разрыва связей этих атомов со своими соседями. Способность к схатыванию и к сварке в твердом состоянии как одноименных, так и разноименных металлов и сплавов весьма различна и зависит от рода соединяемых металлов, а также от особенностей применяемого технологического процесса. Нет экспериментальных оснований для того, чтобы считать невозможным схватывание в твердом состоянии тех или иных разноименных металлов, тем более это справедливо для одноименных металлов. Ни резкое различие в размерах атомов, ни отсутствие взаимной растворимости, ни различие в типе кристаллической решетки не являются препятствием для схватывания разноименных металлов. Трудности, нередко встречающиеся на пути получения прочного соединения при сварке давлением как одноименных металлов (например, железа при холодной сварке), так и разноименных, по-видимому, связаны не с их неспособностью к схватыванию, а с невозможностью сохранения образовавшихся узлов схватывания при возврате к нормальным условиям (снятии внешнего давления, охлаждении до камнатной температуры). Однако необходимы дальнейшие исследования для того, чтобы однозначно установить взаимосвязь условий образования прочных соединений при сварке давлением с теми или иными физическими свойствами и особенностями строения соединяемых металлов и сплавов. |
