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 1050-1110^о С, снимающие остаточные сварочные напряжения, с последующим стабилизирующим отпуском при температуре 750-800^о 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 к_в. Он представляет собой отношение максимального диаметра ядра d_кр, который удаётся получить без выплеска за счёт увеличения только сварочного тока, и минимально допустимого диаметра ядра d_min. 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 (τ_св), сварочным усилием (F_св) и усилием проковки (F_ков). 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 (d_{я. 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 d_р;S_р;f_р, мм;

время сварки:

время импульса t_св, с;

время паузы t_n, с.

усилие на электродах F_св, кН;

шаг точек t_ш, мм;

скорость шовной сварки V_св, м/с;

сварочный ток I_св, 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 t_СВ (с):

для алюминиевых сплавов

где – толщина более тонкого листа, м.

Рекомендуемый размер роликов для толщины = 0,5 мм

S_p=8 мм; f_р=4 мм; R_p=25-50 мм.

Время (длительность) паузы между импульсами сварочного тока

определяют из следующих соотношений между временем импульса t_св и продолжительностью одного сварочного цикла t_ц = t_св + t_п :

для нержавеющих, жаропрочных сталей и титана

В расчете принимаем среднее значение:

Из формулы получаем:

Сварочное усилие F_св (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

t_Ш (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).