Технологическая свариваемость стали 12Х18Н10Т при КШС
Шовная сварка - весьма эффективный способ соединения тонколистовой стали расплавлением током сжатого участка между деталями и образованием ядра с перемешанным закристаллизовавшимся металлом. Формирование ядра в случае точечной сварки происходит при преимущественном тепловыделении в зоне контакта и интенсивном теплоотводе в электроды и холодные слои металла. Участки контакта вначале нагреваются током неравномерно, а затем ток перераспределяется между горячим и холодным металлом, температура нагрева выравнивается, и между деталями появляется расплавленное ядро. Рост кристаллитов ядра точки направлен в сторону участка наибольшего теплоотвода, который может быть усилен, например, за счет увеличения отношения контактной поверхности электрода к толщине детали.
Величина усилия сжатия электродов должна быть оптимальной. Если она недостаточна, то возможен выплеск или выдавливание расплава между свариваемыми деталями, а при охлаждении ядра возможно образование в нем усадочных раковин и трещин. Чрезмерное усилие при сжатии электродов приводит к образованию значительных вмятин на поверхности свариваемых деталей, что в дальнейшем может отрицательно сказаться на работоспособности конструкций.
Одна из основных трудностей при сварке данной стали - предупреждение образования в швах и околошовной зоне горячих трещин. Предупреждение образования этих дефектов достигается: а) Ограничением в основном и наплавленном металлах содержанием вредных (серы, фосфора) и легирующих (свинца, олово, висмута) примесей, а так же газов - кислорода и водорода. Для этого следует использовать стали и сварочные материалы с минимальным содержанием названных примесей. б) Получением такого химического состава металла шва, который обеспечил бы в нем двухфазную структуру. Поэтому в швах стремятся получить аустенитную структуру с мелкодисперсными карбидами и интерметаллидами. Азот - сильный аустенизатор, способствует измельчению структуры за счет увеличения центров кристаллизации в виде тугоплавких нитридов. Поэтому азотизация металла шва способствует повышению их стойкостью против горячих трещин. Высокоосновные флюсы и шлаки, рафинируя металл шва и иногда модифицируя его структуру, повышают стойкость против горячих трещин. Механизированные способы сварки, обеспечивая равномерное проплавление основного металла по длине шва и постоянство термического цикла сварки, позволяют получить более стабильные структуры на всей длине сварного соединения; в) Уменьшением силового фактора, возникающего в результате термического цикла сварки, усадочных деформаций. Снижение его действия достигается ограничением силы сварочного тока. Требуемые свойства во многом достигается термообработкой (аустенизацией) при температуре 1050-1110о С, снимающие остаточные сварочные напряжения, с последующим стабилизирующим отпуском при температуре 750-800о С. Предупреждение образования в швах и околошовной зоне горячих трещин позволяет производить ТКС без образования выплесков. А поскольку выплески являются одними из основных дефектов при ТКС, то для оценки свариваемого сплава к их образованию вводят коэффициент кв. Он представляет собой отношение максимального диаметра ядра dкр, который удаётся получить без выплеска за счёт увеличения только сварочного тока, и минимально допустимого диаметра ядра dmin. Наиболее целесообразно применение электродов сферической формы с радиусом округления 50-150 мм. В этом случае большая часть сварочного тока протекает через центральные участки контакта, способствуя созданию благоприятных условий нагрева при образовании ядра точки и возникновению минимальной, не защищенной от вредного контакта с газами воздуха, зоны разогрева. Обязательное интенсивное внутреннее охлаждение электродов способствует равномерному росту кристаллитов в ядре точки. При точечной сварке данной стали высокие показатели механических свойств сварного соединения могут быть получены в относительно широком интервале изменения параметров режима даже без защиты зоны разогрева инертными газами. При этом необходимо стремиться к выполнению сварки в минимальные промежутки времени. В связи с такими свойствами стали 12Х18Н10Т, при ТКС не потребуется использовать дополнительные усилия (проковка) и циклограмма процесса сварки должна быть такой, какая показана на рис.3.1.
Рис 3.1 Циклограмма усилия сжатия.
Режим сварки определяется частными значениями ряда регулируемых параметров - величиной сварочного тока, длительностью его протекания (τсв), сварочным усилием (Fсв) и усилием проковки (Fков). Этот режим должен обеспечить наиболее благоприятную программу нагрева и деформации металла при сварке с целью получения заданных эксплуатационных характеристик соединений. Во многих случаях качество соединений определяется диаметром ядра и плотностью литого металла. Минимально допускаемый диаметр ядра зависит от толщины свариваемых деталей. Сила тока зависит от толщины деталей (размеров шва) и длительности импульса.
Низкое сопротивление пластической деформации делает процесс сварки малочувствительным к образованию конечных выплесков - одному из наиболее распространенных дефектов соединений. Пластичный металл хорошо уплотняет зазор и препятствует выбросу жидкого металла из ядра сварной точки. Склонность процесса к выплескам можно оценить величиной критического диаметра ядра (dя. кр.),т.е. наибольшим диаметром точки, который можно получить при данных условиях сварки (усилие и продолжительность импульса).
4. Выбор и расчёт основных параметров режима сварки []
Параметрами режима контактной шовной сварки являются:
диаметр рабочей поверхности электрода dр;Sр;fр, мм;
время сварки:
время импульса tсв, с;
время паузы tn, с.
усилие на электродах Fсв, кН;
шаг точек tш, мм;
скорость шовной сварки Vсв, м/с;
сварочный ток Iсв, А.
Шовная сварка может рассматриваться как точечная для случая очень близкого расположения сварных точек, т. е. при значительном шунтировании сварочного тока.
Диаметр рабочей поверхности электрода.
Из справочной литературы принимаем данное равным = 5 мм.
Время сварки.
Время (длительность) импульса сварочного тока tСВ (с):
для алюминиевых сплавов
где – толщина более тонкого листа, м.
Рекомендуемый размер роликов для толщины = 0,5 мм
Sp=8 мм; fр=4 мм; Rp=25-50 мм.
Время (длительность) паузы между импульсами сварочного тока
определяют из следующих соотношений между временем импульса tсв и продолжительностью одного сварочного цикла tц = tсв + tп :
для нержавеющих, жаропрочных сталей и титана
В расчете принимаем среднее значение:
Из формулы получаем:
Сварочное усилие Fсв (Н) между роликами:
Для нержавеющих, жаропрочных сталей и титана Fсв определяют
по формуле
В расчете принимаем среднее значение:
При некачественной сборке и жёсткой конструкции сварного узла Fсвувеличивают на 10 %.
Шаг точек , (мм) при шовной сварке устанавливается в
зависимости от толщины свариваемых деталей, а также требований герметичности (перекрытие литых зон составляет 20–50 %). Шаг точек
tШ (мм) ориентировочно определяется для герметичных швов по следующим зависимостям:
для нержавеющих и жаропрочных сталей
В расчете принимаем среднее значение:
где – толщина более тонкой детали, мм.
Скорость шовной сварки Vсв, (мм/с) определяют по формуле
Сила сварочного тока Iсв (A), необходимая для образования
соединения, может быть определена по закону Джоуля–Ленца [3]
где – время сварки, с;
– конечное значение сопротивления деталей, Ом; m – коэффициент, учитывающий изменение сопротивления деталей в процессе сварки (для низкоуглеродистых сталей m=1; для коррозионностойких сталей – 1,2; алюминиевых и магниевых сплавов –
1,5; сплавов титана – 1,4).